椭圆机的生理测试研究

少邦主

　　什么是椭圆机
        　　椭圆机 (elliptical trainer) 在一般的健身俱乐部中，是相当常见的心肺适能运动训练工具，而且也广为使用者喜爱。椭圆机的运动型态类似越野滑雪(cross-country skiing)的动作，因此椭圆机的英文名称也称为elliptical cross-trainer。椭圆机被设计出来的时间虽短，但是由于受到大众的喜爱，因此发展也相当的迅速。可惜，到目前为止，在运动生理学的专业书籍中，介绍这个新运动工具的运动生理反应资讯还不多。

       

椭圆机

        　　生理反应研究
        　　大部分有关椭圆机运动的生理反应研究，是在2000年以后才被发表出来。Mercer, Dufek, and Bates (2001)以5名女性、9名男性，年龄25.0±4.6岁、身高1.78±0.10公尺、体重71.5±13.3公斤的自愿参与者，进行爱康跑步机与椭圆机运动的渐增强度运动测验，跑步机的测验流程是以每1分钟为一阶段，由速度1.3 m/s、坡度3%开始，第二、第三、第四阶段的坡度为8%，速度分别为1.6 m/s、1.8 m/s、2.2 m/s，第五阶段开始坡度维持8%，速度则每阶段增加0.2 m/s，一直运动到衰竭。椭圆机的测验流程也是以每1分钟为一阶段，踩踏频率(以右脚踏板为准)由60 rpm开始，每分钟增加5 rpm，四阶段以后阻力增加1个水准(椭圆机机器设定的阻力水准)，一直运动到衰竭。研究结果(如下图所示)发现，椭圆机测验到的VO2max为51.6±10.7 ml/kg/min、HRmax为191.2±11.5 bpm、RPE(Borg's自觉量表，6-20 scales)为18.5(没有标准差详细资料)、渐增负荷运动时的VO2与HR相关为 .88(p< .05)，跑步机测验到的VO2max为53.0±7.7 ml/kg/min、HRmax为193.4±9.4 bpm、RPE为18.7(没有标准差的详细资料)、渐增负荷运动时的VO2与HR相关为 .95(p< .05)。由此可见，椭圆机运动时的生理反应情形，与跑步机运动时极为类似。
        　　椭圆机与跑步机最大运动的生理反应(Mercer, Dufek, & Bates, 2001)
        　　Batte, Evans, Lance, Olson, and Pincivero(2003)以8名男性、12名女性，年龄25.3±3.4岁、身高170.4±9.0公分、体重67.6±11.2公斤的志愿受试者，以Precor EFXTM 544 Elliptical Cross-trainer进行两次不同型态的运动(一次渐增强度的最大运动[测验流程如下表所示]、一次自觉量表为6[以Borg CR-10 scale评量，代表约以60%的强度]的强度进行15分钟的固定强度非最大运动)。
        　　渐增强度测试
        　　试验数据
        　　时间 踏踏频率(cadence, strides/min) 阻力(resistance)
        　　0 120 2
        　　1 140 2
        　　2 160 2
        　　3 180 2
        　　4 180 3
        　　5 180 4
        　　6 180 5
        　　7 180 6
        　　8 200 6
        　　9 200 7
        　　10 220 7
        　　试验结果与讨论
        　　渐增强度的VO2max测验结果显示，受试者的平均运动测验时间约7分30秒±1分15秒、平均VO2max为47.8±9.2 ml/kg/min、平均HRmax为188±7.82 bpm。以6的自觉量表强度进行椭圆机运动时的VO2与HR如右图所示，达到稳定状态时的VO2百分表为75.2±12.9%，HR则为91.0±6.1%。研究结果显示，以椭圆机进行自觉强度的运动时，VO2与HR都会有偏高的现象，特别是心跳率的偏高情形相当明显。
        　　Dalleck, Kravttz, and Robergs (2004)则以10名男性、10名女性，年龄29.5±7.1岁、身高173.3±12.6公分、体重72.3±7.9公斤、体脂肪17.3±5.0%，自愿参与实验的大学生与研究生，进行修正Balke跑步机VO2max测验流程，以及椭圆机的VO2max渐增负荷测验流程。修正Balke跑步机VO2max测验流程，受试者在没有坡度的情况下，在2分钟内自己选择一个适当的跑步速度;在开始测验后的3分钟后，每分钟坡度增加1%，一直跑步到衰竭(下图)。
        　　修正Balke的跑步机VO2max测验流程(Dalleck, Kravttz, & Robergs, 2004)
        　　渐增负荷测试
        　　试验方法
        　　椭圆机的VO2max渐增负荷测验流程方面，依据受试者的性别与每周参与活动的时间分为训练组(每周3-5小时)与休闲组(每周2-3小时)，依据下图所示的方式，随着运动测验时间的增加，踩踏频率与阻力也随着提高，并且以踩踏频率低于目标频率20步(strides/min)，做为判定是否达到最大努力的标准。研究的结果显示(下表)，椭圆机与跑步机的测量的VO2max、HRmax、RERmax等皆没有显著差异。透过椭圆机进行渐增强度的最大努力运动测验，可以获得与跑步机类似的运动生理反应。
        　　试验数据
        　　椭圆机的VO2max测验流程(Dalleck, Kravttz, & Robergs, 2004)
        　　椭圆机与跑步机进行最大努力测验的生理反应比较
        　　变项 VO2max
        　　(ml/kg/min) HRmax
        　　(b/min) RERmax 持续时间
        　　(min)
        　　椭圆机
        　　(范围) 47.3±6.4
        　　(35.4-57.1) 184.4±8.8
        　　(159-197) 1.25±0.09
        　　(1.05-1.37) 12.17±1.40
        　　(9.60-14.72)
        　　跑步机
        　　(范围) 47.9±6.8
        　　(34.0-61.5) 185.7±7.7
        　　(163-199) 1.22±0.10
        　　(1.03-1.34) 11.56±1.60
        　　(8.31-13.25)
        　　椭圆机与跑步机的测验结果比较
        　　Wiley, Mercer, Chen, and Bates (1999)研究发现，椭圆机进行渐增强度最大运动测验获得的VO2max与HRmax，与利用跑步机进行VO2max与HRmax测验的结果并没有不同。Larsen and Heath (2002)研究发现，不同踩踏频率(每分钟56, 69, 80转)的椭圆机运动，会有VO2(20.7±2.8, 25.2±3.4, 30.2±4.3 ml/kg/min)与HR(119.3±17.0, 135.7±18.2, 152.7±21.0 bpm)生理反应上的显著差异。Picard等(2002)以PreCor EFX 546型椭圆机，进行椭圆机预测能量消耗与实际消耗的比较，结果发现在较高阻力时的能量消耗预估值，会有显著高估实际能量消耗的现象。Schorner, Treeacciano, Hickner, and McCammon (2004)的研究则再次验证PreCor EFX546型椭圆机高估能量消耗。Browder and Dolny (2002)的研究则发现，椭圆机的活动方向(向前或向后)与不同的步长，会显著影响下肢肌群的活动方式。Dolny, Hughes, Caylor, and Browder (2004)的研究则发现，不仅椭圆机的阻力会显著影响到VO2、HR、RER、RPE的反应，椭圆机步长(45cm, 53cm, 59cm, 65cm)的差异，也会显著影响到VO2与HR，但是RPE与RER则不会受到步长的影响。
        　　尽管大部分的研究发现，最大椭圆机运动的VO2max与跑步机运动没有显著的差别，但是，仍有研究发现，利用椭圆机运动进行最大运动时的VO2max与HRmax皆显著低于跑步机运动(Wallace, Sforzo, & Swensen, 2004);而且，三个自觉强度(RPE，11、13、15)下的VO2、HR与能量消耗(energy expenditure)，都有跑步机运动显著高于椭圆机运动的现象，而且在性别上也没有显著的不同。在一般相同自觉运动强度的条件下，跑步机会产生较大的能量消耗，椭圆机则可能因为腿部局部的肌肉负荷较大，让使用者感觉比实际的能量消耗还艰难一些。
        　　事实上，Egana and Donne (2004)的研究显示，椭圆机的训练效果(12周)与踏步机(Stair climbing)、跑步机类似，代表椭圆机已经被证实是有效的有氧适能训练工具。运动生理学的研究者，有必要针对椭圆机踏踏频率快慢(有些文献以两脚的步数计算、有些以单脚完成的圈数计算)、阻力大小、步长幅度(包含身高差异的影响)等变项，进行详细的研究与规范，以便让使用椭圆机的一般社会大众，确实享受到椭圆机运动的效益。
        　　椭圆机的优点和功能
        　　一、椭圆机的优点:
        　　1、提高心肺功能，还有助于减肥、增强腿部肌肉力度和全面提高身体素质。
        　　2、椭圆车屏幕可以显示出各种数据，如训练者的心率、呼吸频率、时间、速度、耗能等使训练者清楚的了解自己的锻炼状况。
        　　3、椭圆磁控车机可以很好地训练上下肢的协调能力，提高中枢神经系统对肌肉的支配效果，同时省掉了跑步机对膝关节的剧大冲击力，更安全。
        　　4、椭圆机就保护关节的一种最佳运动器材。使用椭圆健身机训练时，训练者的膝关节承受的冲击力会比使用跑步机要小，且椭圆机更容易于初学者练习。加上练习时需要上肢的配合，可以使人得到更全面的锻炼。
        　　5、椭圆机利用人体跑步时，脚踝的运动轨迹近似于椭圆形的原理，通过一空间机构，实现踏板轨迹的椭圆运动，使双椭圆机的健身运动与人的自然跑步相吻合。
        　　6、椭圆机设计有步幅调节机构、运动规律调节机构、阻力调节机构。
        　　二、椭圆机主要功能：
        　　增加了髋关节的外展、内收和旋内、旋外运动，因此增加了对外展肌群、内收肌群、旋内肌群、旋外肌群的锻炼功能;可实现主动运动型康复性训练。
        　　用于骨折、神经损伤后关节活动范围康复性训练和肌肉损伤后恢复肌力，改善肢体和肌肉的协调性，发展肌肉的耐力。
        　　总之，椭圆健身既能供正常人健身运动，也可以根据伤残者不同的伤残程度、不同的康复阶段，为下肢伤残者提供有计划、有针对性的康复训练。