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運動心肺測試在運動員的應用

Updated: Jan 18


Figure from Internet

運動心肺測試 Cardiopulmonary Exercise Test, CPET 可以完整的評估肺部、心血管、周邊肌肉與細胞氧化系統對於運動的反應。一般來說,運動心肺測試主要會在醫療院所進行,通常是為了疾病的診斷(心肺相關的疾病或運動耐受度下降)、評估心肺復健的效果與疾病的預後評估手術的風險開立適合的運動處方。運動員同樣可以進行 CPET 但主要的執行目的包含評估運動員基礎的體適能與身體各系統的生理功能、評估無症狀但有潛在心臟疾病的運動員對於運動的心肺系統反應、診斷或評估運動員身上的潛在細微症狀與決定運動處方。今天想透過這篇回顧文獻介紹 CPET 在運動員身上的實際應用。


簡介

在使用 CPET 評估運動員時常常會使用到 VO2max 最大攝氧量、 VT 換氣閾值、Critical Power 臨界功率、Oxygen Pulse 氧脈與 Ventilatory Efficiency 通氣效率。VO2max 是評估心肺耐力最具指標性的因子,特別是在耐力運動員上,但仍須透過一個短時間但強度高於 VO2max 功率的測試來進行驗證。Ventilatory threshold (VT) 代表有氧能力並且和乳酸閾值有關。 Critical power (CP) 則廣泛的被應用在訓練中,被用來代表可以長期進行有氧運動的上限。Oxygen pulse 被定義為 VO2 和心跳間的比例(VO2/HR),代表心搏輸出量與周邊血管的氧合效率,可以用來代表有氧的能力。Ventilatory efficiency 則可以透過每分鐘的通氣量和二氧化碳排出量(VE/VCO2 slope) 或吐氣末端二氧化碳分壓(PETCO2)來評估,代表著肺部通氣和灌流之間的關係。這篇文獻會說明 CPET 在下列項目的實務應用:

  • 評估運動員的運動表現

  • 評估運動員在運動中的一些細微症狀並分辨是心臟或肺臟功能限制其運動參與

  • 根據檢查結果開立運動處方


心肺適能

在心肺適能方面,兩個最常用的指標就是上面提及的 VO2maxVT。VO2max 是指人體在運動中最大可以利用的氧氣量,通常以預估值的百分比或 mL/kg/min 進行表示。考量到各種不同的運動項目對於體重的要求不同,因此在評估 VO2max 時建議以去脂體重作為標準。一般而言,運動員的 VO2max 會超出預估值 20%。除此之外,在高度訓練的運動員中也可以發現在高強度運動後的 VO2 恢復會相對快速,也代表比較好的運動經濟性。

除此之外,在研究也發現 VO2max 和基因遺傳有關,在一般人中基礎的 VO2max 有約 44-72% 是受到基因影響。透過運動訓練可以增加約 10-25% 的心肺適能,但這樣的適應也有約 50% 和基因有關。因此,使用 CPET 在運動員身上也可以作為潛在的選才標準。不過關於這一點其實還有許多值得探討的部分,VO2max 牽扯到的因素非常多,是否可以單一以 VO2max 進行選材還需要更多的研究。過往可能採用的選才方式還有進行肌肉的組織切片,看看選手肌肉中 Type I 與 Type II 肌肉的比例來判斷適合從事耐力型運動或爆發型運動。然而,這種方式過於侵入性,也可能有潛在倫理議題,所以目前基本上不被使用。VO2max 的方式雖然證據基礎沒有很強,但至少是非侵入型的方式。下面的圖片可以看到兩個不同運動員的表現,紅色較有運動經濟性(後面會詳述)且可以看到 VO2max 較高而且停止運動後的恢復較快。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


另一個常用指標是換氣閾值 VT,在運動過程中會產生乳酸,過多的乳酸產生的氫離子會由體內的碳酸氫鈉中和並且產生二氧化碳。VT 就是開始乳酸堆積的點,但此時碳酸氫鈉還能夠中和代謝出的乳酸,常見訂定 VT 的方式有以下兩種:

  • VCO2/VO2 曲線斜率改變的點

  • VE/VO2 開始上升,VE/VCO2 維持平緩的點

因為 CO2 的產生刺激呼吸中樞使 VE 上升,導致 VE/VO2 曲線上升,而因為 VCO2 的上升和VE 的上升比例約略相同,所以 VE/VCO2 會接近水平。下圖可以看到紅色的 VE/VO2 因為 VE 的上升多於 VO2 的上升所以在 VT 後會上升,而 VCO2 的上升和 VE 的上升比例相當,所以會以平穩的曲線表示。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


VT 通常會以 VO2max 的比例來表示,並且和運動員的耐力表現有相關一般人的 VT 會在 45-65% 的 VO2max 而在高度訓練的運動員中可以達到 90% 的 VO2max。此外,和 VO2max 與基因有部分關係一樣,研究也做出在 Submaximal stamina 和 endurance test 的 VT 也受到基因影響。因此,透過 CPET 也可能可以找出有潛力的運動員。

除了 VT 外,乳酸閾值 LT 也是在運動訓練中常被使用的指標,目前也有許多研究在測量 LT 在阻力訓練的變化,不過主要的測量是在 27-36% 的 1RM。 同時也發現 VT 和 LT 之間存在著正向關係,並且在同樣的運動強度下兩者數值沒有顯著差異。實務上 VT 和 LT 還是存在差異,在動態測試中 VT 會比 LT 更早到達。


其他關鍵 CPET 指標

除了上述的 VO2max 和 VT 以外,還有其他 CPET 的指標可以提供參考,包含:Oxygen Pulse (O2 pulse)氧脈、Ventilatory Equivalents(VE/VO2 and VE/VCO2)換氣效率、Exercise Economy (∆VO2/∆Workload)運動經濟性與 Respiratory Compensation Point(RCP)呼吸代償點。


Oxygen Pulse (O2 pulse)氧脈

O2 pulse 是 VO2 除以心跳 HR,依照公式可以知道 O2 pule 可以代表運動狀態下心搏的輸出量與周邊動靜脈氧差,在一般人中一般會以 O2 pulse 代表左心室的收縮功能。

  • VO2 = (HR × SV) × C(a-v)O2

  • O2 pulse = SV x C(a-v)O2 SV: stroke volume; C(a-v)O2: arterio-venous oxygen difference

O2 pulse 的正常值約為 4–6 mL/beat 並且可能在最大運動強度下增加到 10–20 mL/beat。在運動員中,心室的大小會因為運動適應而增加 10-15%,並且在舒張期有比較好的再灌注能力。此外,周邊肌肉的粒線體功能與微血管也會增加,所以動靜脈氧差也會較高。

當要進行 O2 pulse 的比較時,考量到體重與身高可能會依運動員與運動項目不同而不同,所以建議以體表區域 Body surface area(BSA)作為校正。

在運動過程中,前中期的運動強度會以中樞(心臟方面如心跳與心搏量)的貢獻較多,例如 50% 或 75% 的 VO2max。在最大運動強度時,中樞與周邊(動靜脈氧差)都會同時貢獻。透過這樣的理解,就可以藉由運動測試了解運動員需要加強的區域並制定適合的訓練菜單。從下面的表格可以看到 A 運動員在不同強度的表現都優於平均值。B 運動員在中等運動強度時表現不錯,代表中樞性因子(心臟相關)沒有太大問題,但是在最大強度時發現表現較差,所以可以推斷周邊因子可能有些問題(肌肉)。而 C 運動員則剛好相反,是在周邊的能力優於中樞的能力。

Table from Mazaheri R et al., 2021


VE/VO2 and VE/VCO2 換氣效率

運動表現需要心血管、肺部與周邊肌肉組織各司其職才能有好的表現。早期出現 Lactic acidosis 會以低的 AT 與快速上升的 VE/VO2 與 Respiratory exchange ratio RER 表示。而周邊動靜脈氧差在粒線體功能適應不良的選手上可能會降低並且導致峰值 O2 pulse 下降。在經過運動訓練後會以 submaximal VE/VO2 下降及峰值 O2 pulse 上升來表現。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


VE/VCO2 的斜率與呼氣末端二氧化碳分壓 PETCO2 均可以代表肺部通氣與灌流之間的匹配,這兩個指標都可以作為通氣效率的指標。然而,理論和實際似乎有些許落差,目前在文獻研究上還沒有辦法做出 VE/VCO2 曲線斜率和運動表現的關係。OUES 是以 VO2 對 VE 取 Log 作圖而得到的結果,OUES 的數值可以代表有氧能力。同樣的,目前在運動員上的研究顯示訓練導致的 OUES 改變還不夠敏感,所以難以作爲運動表現的評估標準。


Exercise Economy (∆VO2/∆Workload)運動經濟性

運動經濟性代表的是在某一個運動強度下的能量消耗,會以在某一輸出功率下的 VO2 作為表示。因為需要有功率的數據,所以若要取得數據需要透過腳踏車的方式進行測試而非跑步機。透過耐力訓練可以增加肌肉的有氧能力與改變運動單位的徵招模式進而增加運動經濟性。除此之外,研究顯示阻力訓練、增強式訓練與高強度間歇訓練均可以改善運動經濟性。在 Submaximal 測試中的 VO2 顯著的和通氣量與心跳下降有關。VO2 和功率的斜率代表著運動的經濟性,並且是一個間接性量測心輸出量與 ATP 的指標。在進行運動經濟性的量測時最好使用 Incremental test,因為可以即時的反應 VO2 的結果並且也較符合有經驗的選手在運動賽場的表現。下圖可以看到紅色的選手的運動經濟性較佳,在同樣的功率下有著較低的 VO2 同時 VO2/Workload 的斜率也較低。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


Respiratory Compensation Point(RCP)呼吸代償點

呼吸代償點 RCP 又稱為第二換氣閾值 VT2。當運動強度超過 VT 時,乳酸的產出造成血液酸化會由碳酸氫鈉進行中和並產生二氧化碳,當碳酸氫鈉無法中和會瞬間產生血中乳酸的上升與 VCO2 的大量增加,此時 VO2 仍然增加。因應著生理的改變,周邊的呼吸受器會被刺激導致換氣速度增加(VE 增加多於 VCO2),最終導致的結果就是:

  • VE/VCO2 由平緩開始增加

  • VE/VO2, PETO2 進一步增加,PETCO2 下降

由下圖可以看到在 VT2/RCP 的點可以看到 VE/VO2 持續上升而 VE/VCO2 隨著運動強度增加由水平開始上升。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


在正常狀況下,RCP 的點通常會在漸進性運動測試中 70–80% 的 VO2max 或 80–90% 最大心跳,而 Critical power 臨界功率其實是運動訓練中更常被使用的概念,這兩者非常接近,但 CP 的運動強度會低於 RCP 約 6%,因為臨界功率代表患者最大可以執行稍長運動強度的功率。下面的圖表代表一個菁英運動員在 CPET 數據的適應。

Table from Mazaheri R et al., 2021



CPET 在診斷的角色

CPET 本來就有疾病診斷的功能,在運動員身上偶爾會出現一些不太明確的症狀,例如覺得有些疲累、訓練量拉不上去等等。這些問題可能透過休息就可以改善,但也有可能有潛在的醫療問題。透過 CPET 可以協助我們找出這些在運動狀態下可能影響的身體問題。

Expiratory flow limitation (EFL) 是運動元常見的問題,有研究指出在男性高達 40% 而女性則是 90%。EFL 常見的原因包含運動導致的氣喘或氣管緊縮 Exercise induced bronchospasm/asthma。在 CPET 測試當中合併使用 Flow-volume loop 可以協助我們對 EFL 進行診斷並且了解疾病的嚴重度。Ventilatory reserve (Breathing reserve) 是指在 CPET 過程中最大的通氣量與最大最自動換氣 Maximal voluntary ventilation MVV 的比值。而另一個常見的指標 Dyspnea index 則是 1- breathing reserve。一般來說 MVV 的定義是一分鐘內可以自主換氣的最大量,臨床上會測量 15 秒鐘的數值再乘以 4。以台北榮總為例,我們的方式則是取得患者的 FEV1 再乘以 40 來當作 MVV。當 Ventilatory reserve(VE/MVV)≤ 0.2 並且合併 FEV1 與尖峰吐氣流速 Peak expiratory flow (PEF) 下降就暗示著有肺部的問題。VE/VCO2 的斜率與 PETCO2 二氧化痰的吐氣末分壓都是代表Ventilatory efficiency 通氣效率的指標,也反應心藏與肺臟之間的匹配與功能。有些運動中出現的症狀可能來自潛在心肺功能匹配的問題 Cardiopulmonary ventilation-perfusion abnormalities。此外,CPET 執行中會常規監測心電圖與血流動力學,因此可以協助紀錄患者是否有血壓的異常(Hypertensive response 或 abnormal heart rate recovery),這些異常通常是來自心血管系統出現問題。

除了上述一些器官系統的異常外,過度訓練也是在運動員中常常看到過度訓練,研究指出有高達 64% 的運動員曾經經歷過過度訓練症候群。關於過度訓練可以參考:過猶不及,你聽過過度訓練症候群嗎?Overtraining Syndrome。過度訓練的症狀會依照運動項目的不同有所不同,在長跑或耐力型運動員身上可能看到以副交感神經興奮為主而爆發型運動員則會以交感神經興奮為主的症狀。在這些症狀上,心跳與血液中的乳酸值改變是相對比較容易被觀測到的結果。除此之外,在運動測試中心輸出量與 VO2max 的下降都可以作為參考。舉例來說,在過度訓練的三鐵選手中可以觀測到心跳與心搏輸出的下降。


運動處方

不管對於患者或運動員,CPET 的一大價值都是提供運動訓練的菜單或運動處方的開立。透過 CPET 我們可以依照不同的訓練區間 Training Zone 提供一個非常個人化的訓練方式。


Zone 1

這個區間代表在 VT 之前的運動強度區間,是屬於低至中強度的訓練,適合用作執行 HIIT 運動員作為休息使用。因為強度是在 VT 以前,所以可以在這個區間持續進行運動。

Zone 2

這個區間是在 VT 和 RCP 或 CP 之間,代表的是中等至高強度的運動。在這個運動強度下進行訓練,因為還沒有到達 RCP 所以血液中的乳酸與 VO2 濃度都是固定的,這樣的訓練方式可以訓練到這個區段內的相關指標,對於耐力型運動員的訓練相當重要。

Zone 3

這個區間是指強度高於 CP 或 RCP 的區間,代表高強度以上的訓練,在這個強度區間訓練可能會達到 VO2max 並且力竭,CP 更是可以在稍長時間進行有氧運動的上限,通常用來進行高強度的間歇訓練。訓練時間可以落在 2-3 分鐘不等


Zone 4

這個區間是指強度高於 VO2max 的區間,通常就是用盡全力 all out 的訓練方式。在這個區間訓練的目的和 Zone 3 相同,都是以高強度間歇為主,訓練時間通常會小於 3 分鐘。


下表可以看到不同 Zone 之間的區別與指標性的參數。

Figure from Mazaheri R et al., 2021


下面的圖表是一般商用的心肺訓練使用的區間,一般會分為 5 個區間,這些區間的區別是以最大心跳的百分比作為參考。因此,相較於用 CPET 定義出明確的數值後依照數值進行訓練,商用的方式雖然簡單但可能不會這麼準確。

Figure from Internet


總結與臨床應用

運動心肺測試 CPET 在運動員身上也有著很廣的用途,透過 CPET 我們可以了解運動狀態下選手身體各個不同系統的反應。

在賽季前可以作為一個基礎體能的監測,協助制定後續的訓練菜單,同時對於一些有潛在心血管問題的選手也可以做出適當的評估。除此之外,CPET 也可能具有挑選出優秀運動員的潛能,但這部分還有待研究告訴我們答案。

總結一下一些重要的指標與名詞。O2 pulse 代表著心搏輸出量與周邊動靜脈氧差的綜合結果,可以作為評估運動表現限制是來自中樞或周邊的因子的方式。VE/VO2 與 VE/VCO2 都可以作為換氣效率的指標,在 submaximal 強度下,VE/VO2 的數值越低代表選手的能力越好。運動經濟性可以透過特定輸出功率下的攝氧量來表示,這個數值越低代表利用率越好,對於耐力型運動員的運動表現很重要。RCP 或 VT2 則是換氣量與二氧化碳開始急劇上升的點,而強度略低於 RCP 與 VT2 則是Critical power 臨界功率。CP 在耐力運動員上是一個很重要的指標,因為代表著有氧運動的最大強度,然而臨床實務上考量到訂定的難易度,比較常以 VT 當作是設定訓練的指引。


Dr. M 我們下次見!


References

Mazaheri R, Schmied C, Niederseer D, Guazzi M. Cardiopulmonary Exercise Test Parameters in Athletic Population: A Review. Journal of Clinical Medicine. 2021; 10(21):5073. https://doi.org/10.3390/jcm10215073







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