急性間歇性低氧暴露對籃球運動員跑步經濟性和身體機能的影響

急性間歇性低氧暴露對籃球運動員跑步經濟性和身體機能的影響

急性間歇性低氧暴露對籃球運動員跑步經濟性和身體機能的影響

Effects of Acutely Intermittent Hypoxic Exposure on Running Economy and Physical Performance in Basketball Players. Journal of Strength and Conditioning Research

Kilding, Andrew E.; Dobson, Bryan P.; Ikeda, Erika.

 

介紹

為了提高運動員在海平面的運動表現，人為地將人體暴露於自然或模擬的高海拔環境中已成為體育運動中的常見做法。先前的研究檢視了「高海拔生活，高海拔訓練」（LHTH）方法的效果，其中大部分研究集中於耐力型運動員。隨後，研究人員也對LHTH模型進行了改進，包括但不限於自然/陸地和人工/模擬的「高海拔生活，低海拔訓練」（LHTL）方法。儘管持續的低氧暴露具有提高運動表現的潛力，但其缺點也眾所周知（不便、成本高、時間限制），這促使人們開發其他模擬低氧方法，以誘導類似的生理適應並提高運動表現。

 

短時間歇性低氧暴露（Intermittent Hypoxic Exposure/IHE）可定義為每日交替進行≤90分鐘的低氧和常氧訓練（36）。迄今為止，關於短時IHE能否提升運動表現（主要是耐力表現）的研究結果不一，其中大多數研究報告運動表現提升幅度為1.7%至8.2%，但並非所有研究都得出結論（表1）。儘管迄今為止的個別研究結果存在一些不一致之處，但Bonetti和Hopkins的薈萃分析表明，人工短暫間歇性低氧訓練（即被動IHE <1.5 h·d−1）可以提高次精英運動員的耐力表現（+2.6%）。

表1以往有關間歇性低氧暴露（IHE）對耐力表現及相關生理指標影響的研究*

 

值得注意的是，關於短時間歇性低氧暴露（IHE）對海平面運動專項體能表現的影響，目前的研究相對較少。儘管關於重複衝刺能力（RSA）對團隊運動運動員的重要性和可訓練性仍存在爭議，但已有研究顯示RSA與有氧能力密切相關。因此，IHE在非菁英運動員中引起的生理和血液學適應可能有助於提高有氧能力和RSA水平。近期一些研究測量了團隊運動運動員在短期IHE干預後的RSA水平，但結果卻相互矛盾，有的研究認為影響「微乎其微」，有的研究則認為「幾乎肯定有益」。鑑於目前針對團隊運動的IHE研究匱乏，需要進一步的研究來確定短期IHE對相關運動表現指標的影響。具體而言，目前尚無針對籃球運動的間歇性高強度訓練（IHE）研究。籃球是一項節奏快、間歇性強的團隊運動，對有氧和無氧代謝的需求都很高。平均比賽心率（HR）可超過峰值心率（HRpeak）的91%，且據報導球員的有氧能力一般，這表明IHE可能有助於進一步提高有氧適能。因此，本研究旨在探討短期（15天）IHE對籃球運動員體能、生理特徵和血液學特徵的影響。

 

方法

問題實驗方法

本研究採用單盲安慰劑對照實驗設計。參與者被隨機分配到實驗組（IHE）或安慰劑對照組（CON）。與以往的IHE研究一致，參與者需參與為期15天的干預，期間他們每天一次被動吸入低氧或常氧氣體（在靜坐休息狀態下），間歇性吸入（7分鐘低氧，3分鐘常氧），每次持續37分鐘。介入前後，對參與者的身體機能、生理指標和血液學指標進行量化評估。

 

受試者

經機構倫理委員會批准，20名男性籃球運動員自願參與本研究。參與者來自紐西蘭奧克蘭的精英（即國家級，NBL，n = 7）和次精英（即地區級，CBL，n = 13）聯賽球隊，招募時間為賽季初期。所有參與者均年滿18歲，並簽署了知情同意書，自願參與本研究。本研究已獲得奧克蘭理工大學倫理委員會的倫理批准。六名參與者因病（n=3）或未遵守規定的IHE干預方案（IHE療程完成率低於85%，n=3）而未能完成研究。參與者的特徵（IHE組=7，對照組=7）見表2。

表2參與者屬性表（平均值±標準差）*

 

實驗流程

參與者需分三次到實驗室進行干預前各項體能測試（兩次間歇跑場地測試）和生理評估（遞增負荷跑步機測試）。研究設計示意圖見圖1。所有乾預後測試均在與乾預前測試相同的時間段（±1小時）重複進行。在所有測試前24小時內，參與者需僅進行低強度活動（例如技術訓練、技能發展訓練），並避免攝取咖啡因和酒精。

圖1研究設計示意圖。 IHE = 間歇性低氧暴露；CON = 對照組；RE = 跑步經濟性；V̇o2peak = 峰值攝氧量；YYIR1 = Yo-Yo 間歇恢復測試 1 級；RHIET = 重複高強度運動測試。

 

遞增負載跑步機測試

受試者進行遞增負荷跑步機測試，以確定其跑步經濟性（RE）和峰值攝氧量（V̇o2peak）。測試在溫度控制在19–21°C的實驗室中進行，使用電動跑步機（Powerjog，英國伯明罕）。測試前，記錄受試者的身高（Seca，德國漢堡）、體重（Seca）和靜止心率（RS400sd；Polar Electro，芬蘭凱姆佩萊）。受試者以1%的坡度進行3組3分鐘的次最大強度跑步（速度分別為9、11和13 km·h−1）。第三階段結束後，坡度每分鐘增加1%，直到受試者因力竭而終止測試。記錄測試結束時的坡度。在測試過程中，使用氣體分析系統（MetaMax 3B；Cortex，德國萊比錫）逐次呼吸測量氧攝取量（V̇o2），該系統在每次測試前均按照製造商的說明進行校準。在遞增負荷跑步機測試的每個3分鐘階段的最後30秒內，平均V̇o2用於確定9、11和13 km·h−1速度下的呼吸效率（RE，ml·kg−1·min−1）。同樣，V̇o2峰值被定義為任意30秒時間段內測得的最高氧耗量。在整個測試過程中，使用短程遙測設備（Polar S810；Polar Electro Oy）每5秒測量一次心率，並確定HR峰值。測試結束後1分鐘內，使用攜帶式分析儀（Lactate Pro；Arkray，日本京都）測量充血指尖的血乳酸濃度（B[Lac]）。

 

重複高強度運動測試

以重複高強度運動測試（RHIET）評估受試者的重複衝刺能力（RSA）。本測試依照既往研究（44）所述方法進行。簡而言之，測試開始前，受試者進行10分鐘的熱身，包括5分鐘的自主配速慢跑和5分鐘的下肢動態運動（弓箭步、高抬腿、轉身），隨後進行一些動態拉伸，最後進行2分鐘的被動恢復。測試包括6組60公尺最大衝刺，每組衝刺由連續的較長距離往返跑（2組5公尺、2組10公尺和2組15公尺）組成，組間休息30秒。受試者需完成6組60公尺往返跑，每組間隔30秒。每次往返跑步結束後，受試者可利用剩餘的30秒休息時間休息，然後立即開始下一組衝刺。休息期間始終保持直立姿勢，通常要求參與者步行返回起點，為下一次重複測試做準備。每次衝刺的完成時間使用電子單光束計時燈（KMS；Fitness Technology，SA，澳洲）進行測量。用於確定重複衝刺能力（RSA）的變數包括最快衝刺時間（Tfastest）、最慢衝刺時間（Tslowest）、總衝刺時間（六次衝刺時間的總和）以及疲勞指數（代表參與者在六次重複測試過程中疲勞的程度）。

在第六次往返跑結束後，立即採集充血指尖的血液樣本進行血乳酸（B[Lac]）分析。同時記錄測試期間的心率（HR）。本研究重複高強度間歇訓練（RHIET）的組內相關係數（ICC）為0.89。

 

Yo-Yo間歇恢復測試

在完成標準測試程序後，受試者在RHIET測試後45分鐘進行Yo-Yo間歇恢復1級（YYIR1）測試(30)。 YYIR1測驗成績與籃球線路練習成績的下降呈正相關，因此是測量籃球專案有氧適能的有效工具(11)。簡而言之，YYIR1測試包括在2×20公尺距離上進行重複遞增往返跑，每次往返跑之間穿插10秒的恢復期，期間受試者緩慢步行穿過恢復區返回起點。在YYIR1測試期間測量心率並確定峰值心率（HRpeak）。在測試結束後1分鐘內測定血乳酸濃度（B[Lac]）。記錄最後一次往返跑的距離（公尺），並計算跑步速度（公里/小時）。本研究YYIR1測試的組內相關係數（ICC）為0.93。

 

血液學指標

參與者需兩次前往獨立實驗室（Diagnostic MedLab，位於紐西蘭奧克蘭，隸屬於美國）採集前臂靜脈血液樣本。血液採樣時間分別為介入前6-7天（PRE）及介入後10天（POST）。 PRE和POST的採集時間與體能測試的時間一致。血液分析項目包括血紅素（Hb）、鐵蛋白、網狀紅血球和可溶性轉鐵蛋白受體（sTfR）。

 

間歇性低氧暴露

間歇性低氧暴露採用市售氮氣稀釋裝置（Airo Ltd.，奧克蘭，紐西蘭，美國）產生。預設的間歇方案為：低氧7分鐘，常氧3分鐘，如此循環37分鐘；因此，受試者共暴露於低氧28分鐘和常氧9分鐘。持續監測血氧飽和度（SpO2%）和心率（HR）可提供裝置即時生物回饋，裝置根據預設目標SpO2%調整低氧刺激強度。在為期15天的干預過程中，目標SpO2%逐漸降低，從第1次試驗的86%至89%（相當於模擬海拔約3300公尺）降至第15次試驗的75%至78%（約6000公尺），這與先前的研究相似。對照組（CON）使用與IHE組相同的設備，並遵循相同的低氧治療儀使用流程。然而，對照組的低氧治療儀被設定為輸送常氧氣體而非低氧氣體。

 

在每次IHE治療期間，低氧治療儀會記錄受試者的心率（HR）和血氧飽和度（SpO2%）（每2秒記錄一次），以便後續分析。干預期間，兩組受試者均未收到低氧治療儀的心率或血氧飽和度的回饋。有效低氧「劑量」的量化方法是將每位受試者的實際血氧飽和度與90%血氧飽和度之差相加。本研究選擇≤90%的血氧飽和度作為分界點，是因為在短期IHE研究中，目標血氧飽和度低於90%通常被用作起始劑量。考慮每2秒記錄一次血氧飽和度，低氧劑量的計算方法如下：

 

訓練與飲食

在干預期間，參與者被要求保持正常飲食。此外，為了抵消先前研究中觀察到的間歇性高能量訓練（IHE）後普遍存在的鐵蛋白下降（7,8），參與者在為期15天的干預期間，每日服用1片鐵劑（18毫克羰基鐵，Douglas Pharmaceuticals Ltd.，奧克蘭，紐西蘭）。研究期間的訓練通常包括競技比賽（每週1-2場）、團隊訓練（每週2-4次）和肌力訓練（每週0-2次）。每日訓練日誌用於記錄介入期間每次運動的方式、持續時間和感知強度（Borg CR10量表）。訓練負荷（或內部負荷）－訓練持續時間和感知強度的乘積－針對參與者進行的每次運動進行計算。此方法已被證明是正式籃球比賽中身體負荷的有效指標（34）。將每位參與者在介入的 15 天中每天的訓練負荷相加，以得出總訓練負荷。

 

統計分析

簡單的組別統計數據以平均值±標準差（SD）表示。為了推斷缺氧對運動表現的真實（總體）影響值，此影響的不確定性以90%置信區間（CL）表示，並以真實影響值代表實質變化（有害或有益）的可能性表示（2）。如果其置信區間與實質閾值重疊，則該影響被認為不明確；也就是說，如果缺氧對運動表現或生理的影響可能是實質的正面和負面，或有益和有害。為了確定缺氧的實際意義，所有指標中，大於基線受試者間標準差0.2倍的變化被定義為有意義的。效應量（ES）使用Cohen d統計量計算，並使用Hopkins分類標準進行解釋，其中0.2、0.6和>1.2分別被認為是小、中和大效應。每個Cohen效應量的值都進行了定性描述，代表效應有意義的機率。

 

結果

IHE組和CON組的平均遵從率均為92 ± 1%。 IHE組和CON組的總訓練負荷相似（分別為5,520 ± 1,302和6,024 ± 756 AU）。

表3列出了相關體能表現、生理變數和血液學指標的平均（±標準差）百分比變化。暴露後10天，與CON組相比，IHE組在YYIR1測試中，跑動距離（+39.3 ± 14.9%；效應量：0.8 ± 0.3）、跑步峰值速度（+4.8 ± 1.6%；效應量：1.0 ± 0.4）和RHIET總衝刺時間（RHI.3.6%； 0.2）均顯著提高。在間歇性高能量訓練（IHE）後，11 km·h−1（−9.0 ± 9.7%；效應量：−0.7 ± 0.7）和 13 km·h−1（−8.2 ± 6.9%；效果量：−0.7 ± 0.5）的跑步經濟性均有改善。除可溶性轉鐵蛋白受體（sTfR）外，峰值攝氧量（V̇o2peak）、峰值心率（HRpeak）、血乳酸濃度（B[Lac]）和大多數血液學指標的變化尚不清楚。 IHE 後，sTfR 升高（+9.2 ± 10.1% [±90% 信賴區間]，可能獲益，效應量：0.3 ± 0.3）。

表3間歇性低氧暴露（IHE）後體能和生理指標的基線測量值和百分比變化*

 

圖 2 展示了典型受試者在一次間歇性低氧訓練 (IHE) 後的血氧飽和度 (SpO2%) 變化，其中陰影區域的總和代表低氧劑量。圖 3 顯示了受試者在 15 次 IHE 訓練中實際接受的平均低氧劑量（針對 IHE 組）。總平均低氧劑量為 150,500 ± 24,577 AU。如預期，對照組 (CON) 的所有受試者在所有訓練中均未產生低氧劑量。

圖2典型的參與者在間歇性低氧暴露 (IHE) 期間的SpO2% 反應（第15次試驗）。 90% SpO2 下的陰影區域代表對試驗低氧劑量（低氧劑量 = 16,464 AU）有貢獻的總時間。

圖3間歇性低氧暴露 (IHE) 組在 15 次 IHE 療程中接受的平均低氧劑量。低氧劑量（刺激）的計算方法為：受試者 SpO2 低於 90% 的強度 (SpO2%) 與持續時間 (s) 的乘積。低氧劑量 = Σ[90−SpO2 (2)]。

 

討論

本研究的主要發現是，短暫間歇性高強度間歇訓練（IHE）能夠提升籃球運動員的專項運動體能。以重複高強度間歇訓練（RHIET）評估重複衝刺能力（RSA）後發現，IHE組的總衝刺時間較對照組（CON組）有改善（-3.5 ± 1.6%；效果量：-0.4 ± 0.2）。 Wood等人(44)報告，曲棍球運動員的RHIET平均衝刺時間也有類似改善（-2.0 ± 0.5%）。然而，其他研究者報告，耐力運動員在進行短時IHE後，其他形式的無氧運動能力測試（例如Wingate測試）並未見改善(40)。事實上，Bonetti等人(8)報道，IHE可能對自行車運動員和鐵人三項運動員在IHE後立即進行的重複衝刺測試中的平均衝刺功率產生負面影響，但這種影響在IHE後14天變得不明確。在本研究中，IHE組在IHE後10天的最慢衝刺成績較CON組提高了5.0 ± 2.4%，這表明運動表現「極有可能提高」（效應量：-0.5 ± 0.2）。此結果與先前研究(44)報告的變化(-6.1 ± 1.3%)相似。在最大攝氧量(V̇o2peak)未發生顯著變化的情況下，我們推測IHE導致ATP週轉中糖解作用貢獻增加(29)。為了支持這個解釋，我們觀察到RHIET後乳酸濃度(B[Lac])升高（表2），且最快衝刺時間縮短(-1.2 ± 2.3%)，這與Wood等人(44)的研究結果一致。這表明，IHE後的非有氧適應可能是團隊運動運動員體能提升的原因。

 

在本研究中，參與者在YYIR1測試中總跑步距離的基線表現分別為1225 ± 470公尺（IHE組）和1114 ± 370公尺（CON組）。這些數值低於先前報告的義大利俱樂部級青少年（約17歲）籃球運動員的數值（1678 ± 397公尺）(11)，但高於男性「業餘運動員」的數值（1010 ± 419公尺）(41)。這表明，儘管參與者在地區和國家級層級參賽，但他們的運動專案有氧適能基線水平相對較低。因此，考慮到次精英運動員更有可能從這種干預中獲益(6)，這種基線適能可能有利於IHE提升運動表現。其他影響因素包括YYIR1測試與RHIET測試在同一天進行，可能導致殘餘疲勞，造成YYIR1測試得分低於預期。然而，重要的是，IHE 後測試的順序和時間安排均重複進行，以確保在考慮潛在的性能變化時，這一方面保持一致性。儘管如此，與 CON 組相比，IHE 組在 YYIR1 測試中表現出顯著的進步，無論是在總跑動距離還是速度方面，均有顯著提高，從而產生了更大的效應量（表 2）。與以往針對團隊運動運動員的研究 (22,44) 以及耐力運動員預期的有氧運動能力提升 (6) 相比，這種程度的提升處於表現增強範圍的較高水平。

 

近期一項薈萃分析(6)報告稱，精英運動員在短期間歇性低氧訓練(IHE)後最大攝氧量(V̇o2peak)的變化(0.1；±2.8% [±90% 置信區間])尚不明確。遺憾的是，目前尚無亞精英運動員的薈萃數據可供比較，我們的研究結果表明，IHE後V̇o2peak有降低的趨勢(-1.3；±5.4%，對照組為+2.4；±5.5%，見表2)。這顯示YYIR1和RSA表現的提升並非由V̇o2peak的提升所介導。先前的研究也支持此一觀點，即IHE後體能指標發生變化，但V̇o2peak並未隨之改變(7,8)。事實上，關於非血液學機制增強有氧運動能力的證據已被充分綜述(17)，並且存在許多合理的生理機制，這些機制可能與低氧暴露後的運動能力提升有關，包括分子水平、能量效率和緩衝能力的變化。低氧暴露（包括短時間歇性低氧訓練）引起的適應性變化似乎並非僅限於影響峰值攝氧量（V̇o2peak）的血液學級聯反應。更可能的是，多種適應性變化共同導致了本研究中觀察到的體能表現的綜合變化。在這方面，先前的研究（29,37,38）表明，低氧干預後運動效率可能會發生變化，但這一觀點並未得到針對訓練有素（7,8,40）和精英耐力運動員（26）的短暫間歇性低氧訓練研究的支持。然而，在本研究中，在11和13 km·h−1的速度下，運動效率均顯著提高。解釋這種運動效率提高的機制包括每摩爾氧氣消耗的ATP生成量增加（25）和/或肌肉收縮的ATP消耗量降低（35）。遺憾的是，本研究並未測量這些參數，因此無法證實這些機制是導致此類變化的關鍵因素。

 

先前研究對短期間歇性低氧暴露（IHE）後的血液學變化得出了相互矛盾的結論（1,7,8,21,22,28,40）。雖然本研究發現暴露後10天可溶性轉鐵蛋白受體（sTfR）水平可能有所增加（9.2%；±10.1%，表2），但其他大多數血液學指標（鐵蛋白、網狀紅血球和血紅素）的變化尚不清楚。這與慢性低氧適應並非完全由紅血球體積變化介導的觀點相符（19），非血液學反應也介導了低氧暴露後機體機能的提升（17）。然而，本研究僅測定了IHE後第10天的血液學指標，因此無法深入了解關鍵血液學指標的潛在時間變化。有可能在10天採樣時間點之前，急性IHE干預後機體已經開始出現去適應過程。此外，本研究中每日補充鐵劑的作用需要結合我們的研究結果來考慮。在IHE相關文獻中，鐵劑補充的使用並不一致，一些研究為所有受試者提供鐵片（28,44），一些研究為「低鐵」水平的參與者提供鐵片（即，低鐵水平的定義各不相同）（7,8,21,23），還有一些研究則不提供鐵劑補充（1,22,40）。本研究對IHE組和CON組均實施了鐵劑補充，旨在促進適應，同時也作為一種預防措施，避免任何潛在的健康或運動表現下降，尤其考慮到本研究是在比賽季期間進行的。有鑑於此，我們難以確定這些影響主要是由IHE還是鐵劑補充所引起的。

 

最後，顯然，使用生物回饋的間歇性低氧訓練（IHE）研究有時（7,8,44）報告的表現提升幅度大於未使用生物回饋的研究（22,23,28,40），但並非總是如此（21）。本研究採用了一種自動生物回饋裝置，該裝置每2秒測定參與者的血氧飽和度（SpO2%），並將即時訊號傳輸至氮氣稀釋​​裝置，以自動調節低氧水平。這確保了SpO2%始終保持在預設範圍內。儘管在第1-15次訓練中，受試者對預設低氧劑量的反應存在明顯的個體差異，但本研究仍測定了每次IHE訓練中SpO2低於90%的總時間，以量化整個乾預過程中實際的低氧「劑量」（圖2和圖3）。由於部分研究採用固定的吸入氧濃度（FIO2）進行間歇性低氧訓練（IHE）處方（21,28,40），而另一些研究則採用血氧飽和度（SpO2%）（1,7,8,21,23,44），因此難以比較不同研究中實際的低氧刺激程度。未來若能量化並報告IHE後實際的SpO2%，併計算有效低氧劑量（即同時考慮暴露時間和劑量強度），將有助於更好地比較不同IHE研究。

 

總之，為期15天的短期IHE（即每天37分鐘，SpO2% < 90%）能夠提升訓練有素的籃球運動員的體能表現。觀察到的高強度間歇跑表現的改善似乎並非由血液學變化介導，也並非與峰值攝氧量（V̇o2peak）的變化有關。然而，IHE後阻力（RE）、YYIR1和呼吸自律性失衡（RSA）相關參數的改善表明，IHE的益處可能不僅限於耐力型運動員。需要進一步研究利用短暫間歇性高強度訓練來提升其他團隊運動運動員以及不同能力等級運動員的運動表現。

 

實際應用

在團隊運動中，要滿足運動員在體能、戰術和技術發展方面的多重要求以達到最佳競技狀態，是一項挑戰。健身專家和體能教練經常尋求高效且有效的方法來提升運動員的體能，同時又不干擾正常的訓練或不切實際。然而，考慮到「黃金標準」的低海拔高海拔訓練（LHTL）方法存在諸多不便、成本高昂和時間限制，間歇性低氧暴露（IHE）對於非精英團隊運動運動員來說似乎是一種有效的策略。當無法進行真實海拔訓練時，為了進一步讓運動員暴露於低氧環境，其他模擬海拔暴露方法（例如間歇性低氧訓練，IHT (32)）或許是必要的。事實上，已有研究提出，多種低氧暴露策略的組合可能是有益的 (33)。例如，間歇性低氧暴露（IHE）+間歇性低氧訓練（Intermittent Hypoxic Training/IHT）（32），或IHE+「低氧重複衝刺」（Repeated Sprint in Hypoxia/RSH），除了RSH誘導的磷酸肌酸（PCr）再合成和快肌纖維類型選擇（14）外，還可能刺激肌肉水平上由缺氧誘導因子1介利用的PCr合成和能量合成和調節運動團隊中共同作用。作為佐證，最近的研究表明，團隊運動運動員進行RSH訓練可以提高重複衝刺能力（RSA）和重複敏捷性（9,15）。需要進一步研究來量化將各種低成本實用型IHE和IHT/RSH方法結合對團隊運動運動員的影響。本研究結果表明，在休息期間進行短時間的IHE訓練可能是一種有用的輔助工具，可供訓練師與運動員共同考慮，以顯著提高其體能表現。

 

原文出處 : https://journals.lww.com/nsca-jscr/fulltext/2016/07000/effects_of_acutely_intermittent_hypoxic_exposure.28.aspx