VO2Max یا حداکثر اکسیژن مصرفی چیست ؟
VO2Max اصطلاحی است که در سالهای اخیر میان ورزشکاران، مربیان و متخصصان فیزیولوژی ورزش به صورت گسترده استفاده میشود. این شاخص نمایانگر حداکثر میزان اکسیژنی است که بدن انسان میتواند در طول فعالیت بدنی شدید وارد بدن کرده و برای تولید انرژی مصرف کند. VO2Max به صورت میلیلیتر اکسیژن در هر کیلوگرم وزن بدن در هر دقیقه (mL/kg/min) بیان میشود و به دلیل آن که توانایی واقعی سیستم قلبی – تنفسی را نشان میدهد، معیاری طلایی برای ارزیابی ظرفیت هوازی و سلامت قلب و عروق به شمار میرود. افرادی که VO2Max بالاتری دارند معمولاً تحمل بیشتری در فعالیتهای استقامتی دارند، خطر بیماریهای قلبی و مرگ زودهنگام در آنها کمتر است و حتی طول عمر بیشتری را تجربه میکنند.
VO2Max اصطلاحی است که در سالهای اخیر میان ورزشکاران، مربیان و متخصصان فیزیولوژی ورزش به صورت گسترده استفاده میشود. این شاخص نمایانگر حداکثر میزان اکسیژنی است که بدن انسان میتواند در طول فعالیت بدنی شدید وارد بدن کرده و برای تولید انرژی مصرف کند. VO2Max به صورت میلیلیتر اکسیژن در هر کیلوگرم وزن بدن در هر دقیقه (mL/kg/min) بیان میشود و به دلیل آن که توانایی واقعی سیستم قلبی – تنفسی را نشان میدهد، معیاری طلایی برای ارزیابی ظرفیت هوازی و سلامت قلب و عروق به شمار میرود. افرادی که VO2Max بالاتری دارند معمولاً تحمل بیشتری در فعالیتهای استقامتی دارند، خطر بیماریهای قلبی و مرگ زودهنگام در آنها کمتر است و حتی طول عمر بیشتری را تجربه میکنند.
مطالعه چگونگی مصرف اکسیژن در بدن از اوایل قرن بیستم آغاز شد. آرچیبالد هیل، فیزیولوژیست بریتانیایی، و اتو مایرهوف، پزشک آلمانی، در سال ۱۹۲۲ مفهوم مصرف اکسیژن بیشینه و بدهی اکسیژن را مطرح کردند. این پژوهشها که جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را برای آنان به ارمغان آورد، اساس اندازهگیری علمی VO2Max را شکل داد. بعدها پرو-اولف استراند و بنگت سالتین در دهههای ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ پروتکلهای آزمون استانداردی برای اندازهگیری VO2Max ارائه کردند و نشان دادند که ورزشکاران نخبه دارای مقادیر بسیار بالاتر از حد متوسط هستند.
اصطلاح VO2Max از سه بخش تشکیل شده است: V به معنی حجم، O2 به معنی اکسیژن و max به معنی حداکثر. نقطهای که بر بالای V قرار میگیرد نشاندهنده «در واحد زمان» است. در نتیجه، VO2Max حداکثر حجم اکسیژن مصرفی در واحد زمان را بیان میکند. اندازهگیری معمولاً به دو صورت انجام میشود: یکی بهصورت مطلق (لیتر در دقیقه) و دیگری بهصورت نسبی (میلیلیتر در هر کیلوگرم وزن در دقیقه). فرم نسبی امکان مقایسه افراد با وزنهای متفاوت را فراهم میکند، ولی باید توجه داشت که این شاخص با وزن بدن رابطه خطی ندارد و مقایسه افراد یا گونههای متفاوت باید با احتیاط و تحلیل آماری مناسب انجام شود.
مصرف اکسیژن در بدن به دو بخش اصلی تقسیم میشود: تأمین اکسیژن و تقاضای اکسیژن. فرایند تامین شامل تهویه ریهها، انتقال اکسیژن در خون از طریق خروجی قلب، حجم خون و تراکم مویرگی در ماهیچههاست. بخش تقاضا به توانایی میتوکندریها در عضلات برای انجام فسفریلاسیون اکسیداتیو اشاره دارد. اگر هر یک از عوامل این زنجیره دچار محدودیت شوند، ظرفیت کلی کاهش مییابد.
برای محاسبه تئوریک VO2Max میتوان از معادله فیک استفاده کرد. این معادله بیان میکند که مقدار اکسیژن مصرفشده برابر است با حاصلضرب برونده قلبی در اختلاف محتوای اکسیژن خون شریانی و وریدی. یعنی:
VO2 = Q × (CaO2 – CvO2)
جایی که Q برونده قلبی، CaO2 محتوای اکسیژن شریانی و CvO2 محتوای اکسیژن وریدی است. این معادله پایه محاسبات رایانهای در دستگاههای آنالیز گاز طی آزمونهای VO2Max میباشد.
عوامل متعددی در کاهش یا افزایش VO2Max نقش دارند. تحقیقات نشان میدهد که عمده محدودیت در افراد تمریندیده ناشی از تأمین اکسیژن است، بهطوری که توان انتقال قلبی – ریوی میتواند عامل اصلی محدودکننده باشد. اما در افراد غیرتمریندیده، ظرفیت میتوکندری ممکن است عامل تعیینکننده باشد. عوامل دیگری مانند سن، جنسیت، ژنتیک، ترکیب عضلانی (نسبت تارهای اکسیداتیو به گلیکولیتیک)، و همچنین ارتفاع نیز تأثیرگذارند. برای مثال VO2Max با افزایش سن بعد از ۳۰ سالگی تقریباً هر دهه ۱۰٪ کاهش مییابد و مردان به طور متوسط مقادیر بالاتری از زنان دارند.
آزمون تردمیل یا ارگومتر همراه با دستگاه آنالیز گاز، دقیقترین روش برای اندازهگیری VO2Max است. فرد با ماسک ویژه روی تردمیل یا دوچرخه ثابت قرار میگیرد و شدت تمرین بهصورت تدریجی افزایش مییابد تا جایی که دیگر قادر به ادامه نیست یا مصرف اکسیژن به حالت پایدار میرسد. در طول آزمون، حجم هوای دم و بازدم و غلظت اکسیژن و دیاکسیدکربن آن اندازهگیری میشود. دادههای جمعآوریشده توسط نرمافزار، میزان اکسیژن مصرفشده در هر دقیقه را محاسبه میکند و بیشینه مقدار ثبتشده به عنوان VO2Max گزارش میشود. این روش به دلیل نیاز به تجهیزات تخصصی و تلاش شدید برای همه مناسب نیست؛ در افرادی با مشکلات قلبی یا تنفسی ممکن است خطرناک باشد.
در آزمونهای آزمایشگاهی از پروتکلهای مختلفی مانند پروتکل بروس یا پروتکل رمپ استفاده میشود. در پروتکل بروس هر سه دقیقه سرعت و شیب تردمیل افزایش مییابد تا شرکتکننده به حد ناتوانی برسد. پروتکلهای رمپ شیب و سرعت را بهصورت مداوم افزایش میدهند. انتخاب پروتکل باید بر اساس سطح آمادگی، سن و نوع ورزش فرد انجام گیرد؛ زیرا آزمونهای بیشینه برای برخی افراد خطر سقوط یا مشکلات قلبی را در پی دارند و نیازمند حضور متخصص آموزشدیده هستند.
برای کاهش خطرات و هزینهها، آزمونهای زیر بیشینه مختلفی طراحی شدهاند که VO2Max را بهطور تقریبی برآورد میکنند. در این آزمونها فرد تا حد ناتوانی کامل پیش نمیرود و نتیجه از طریق معادلات پیشبینیکننده تخمین زده میشود.
فرمول پیشنهادی Uth از نسبت ضربان قلب بیشینه به ضربان قلب استراحت استفاده میکند. این روش، VO2Max را با ضرب کردن نسبت HRmax / HRrest در ضریب ثابت ۱۵٫۳ (یا ضرایب تعدیلشده بر اساس سن و وضعیت بدن) محاسبه میکند. گرچه این روش برای مردان تمریندیده ۲۱ تا ۵۱ سال معتبر است، برای سایر گروهها ممکن است دقیق نباشد.
تست ۱۲ دقیقه کوپر یکی از مشهورترین آزمونهای میدانی است. شرکتکننده باید در ۱۲ دقیقه بیشترین مسافت ممکن را بدود یا پیادهروی کند. سپس VO2Max (به mL/kg/min) از طریق فرمول (مسافت به کیلومتر × ۲۲٫۳۵۱) – ۱۱٫۲۸۸ محاسبه میشود. این آزمون ساده است و نیاز به تجهیز خاصی ندارد، اما دقت آن نسبت به آزمون آزمایشگاهی کمتر است.
در آزمون Rockport فرد یک مایل (حدود ۱٫۶ کیلومتر) را با سرعت نسبتاً سریع طی میکند و در پایان ضربان قلب، زمان، سن، وزن و جنسیت وارد معادلهای میشود. فرمول عمومی این روش به صورت زیر است:
VO2Max = 132.853 – 0.0769 × وزن (پوند) – 0.3877 × سن – 3.2649 × زمان (دقیقه) – 0.1565 × ضربان قلب + 6.315 × جنسیت
که برای مردان جنسیت برابر ۱ و برای زنان برابر ۰ تعریف میشود.
آزمونهای دیگری مانند تست چندمرحلهای بوق (Beep Test)، تست یو-یو و ۳۰-۱۵ نیز برای اندازهگیری ظرفیت هوازی طراحی شدهاند. تحقیقات نشان دادهاند که فرمولهای پیشبینیکننده در این آزمونها گاهی VO2Max را بیش از حد برآورد میکنند و فقط برخی معادلات خاص ممکن است به نتیجه واقعی نزدیک باشند. بنابراین، این آزمونها بیشتر برای پایش روند پیشرفت بهکار میروند تا اندازهگیری دقیق.
ساعتهای هوشمند و دستبندهای ورزشی از طریق الگوریتمهای مبتنی بر ضربان قلب و سرعت، VO2Max را تخمین میزنند. پژوهشها نشان دادهاند که برخی دستگاهها مانند Polar V800 خطای قابل توجهی (تا ۱۶٫۴ mL/kg/min) در پیشبینی VO2Max دارند و حتی گارمین نیز تمایل به بیشبرآورد این شاخص دارد. بنابراین، هرچند این ابزارها برای پایش نسبی مناسباند، برای ارزیابی دقیق باید از آزمونهای آزمایشگاهی استفاده شود.
بین ۲۰ تا ۵۰ درصد از VO2Max به ژنتیک اختصاص دارد. مطالعات موردی بر روی ورزشکارانی با VO2Max فوقالعاده بالا نشان دادهاند که استعداد ژنتیکی نقش عمدهای در ظرفیت هوازی ایفا میکند. مثلاً اوسکار سوِندسِن که در ۱۵ سالگی بدون تمرین جدی دارای VO2Max حدود ۷۴٫۶ mL/kg/min بود، پس از چند سال تمرین این مقدار را به ۹۶٫۷ رساند؛ اما پس از ۱۵ ماه ترک تمرین، VO2Max او به ۷۷ بازگشت؛ این مثال نشان میدهد که حتی با استعداد ژنتیکی بالا، تمرین نقش کلیدی در حفظ ظرفیت هوازی دارد.
کاهش تدریجی VO2Max با افزایش سن به خصوص پس از ۲۵ تا ۳۰ سالگی گزارش شده است و هر دهه حدود ۱۰٪ کاهش رخ میدهد. تفاوت جنسیتی نیز دیده میشود؛ مردان به دلیل حجم عضله و هموگلوبین بیشتر به طور متوسط VO2Max بالاتری دارند، اما زنان ورزشکار نخبه گاهی از بسیاری مردان غیرورزشکار پیشی میگیرند. پایگاههای داده مرجع نشان میدهند که VO2Max متوسط مردان ۲۰–۲۹ ساله حدود ۴۴ mL/kg/min و زنان همسن حدود ۳۸ mL/kg/min است.
ورزشکاران استقامتی مانند دوندگان ماراتن، دوچرخهسواران و اسکیبازان دارای VO2Max بسیار بالاتر از میانگین هستند؛ مقادیر ۸۵ mL/kg/min در مردان و ۷۷ در زنان در ورزشکاران نخبه مشاهده شده است. ورزشهایی که بیشتر anaerobic هستند مانند پرتابها یا وزنهبرداری نیاز چندانی به VO2Max بالا ندارند و مقادیر متوسط کافی است. تمرین منظم هوازی با شدت مناسب میتواند VO2Max را بهبود بخشد؛ اما درجه این بهبود در افراد متفاوت است و به عوامل ژنتیکی و وضعیت اولیه وابسته است.
زندگی یا تمرین در ارتفاعات باعث سازگاری بدن با کمبود اکسیژن میشود. افزایش گلبولهای قرمز و هموگلوبین در نتیجه اقامت در ارتفاع میتواند VO2Max را در بلندمدت افزایش دهد. استفاده از ماسکهای ارتفاع یا چادرهای هیپوکسی در ورزشکاران نیز با هدف تحریک ساختارهای خونساز به کار میرود.
سطح آهن، فولات و ویتامین B12 در تولید هموگلوبین نقش دارند. کمبود این مواد مغذی میتواند ظرفیت حمل اکسیژن خون را کاهش دهد. همچنین خواب کافی، مصرف کربوهیدرات و دورههای ریکاوری بهینه برای بهبود VO2Max ضروریاند.
دامنههای نرمال و مقادیر مرجع
جداول مرجع نشان میدهد که مردان غیرورزشکار ۲۰ تا ۲۹ سال معمولاً VO2Max بین ۴۰–۶۰ mL/kg/min دارند، در حالی که زنان در همین گروه سنی مقادیری حدود ۴۰–۵۰ دارند. با افزایش سن، این اعداد کاهش مییابد. مطالعهای که دادههای VO2Max را با تمرین تردمیل بررسی کرده است، درصدهای مختلفی را برای مردان و زنان در سنین مختلف گزارش میکند؛ به طور نمونه درصد ۹۰ام برای مردان ۲۰–۲۹ سال ۵۸٫۶ mL/kg/min و برای زنان ۴۹.۰ است، در حالی که درصد ۱۰ام همین گروه به ترتیب ۲۸٫۶ و ۲۲٫۵ میباشد. این نشان میدهد که اختلاف فردی بسیار زیاد است و باید وضعیت کلی، وزن و جنسیت در نظر گرفته شود.
در آزمونهای زیر بیشینه، مقادیر VO2Max تخمینی برای مردان ۱۸ تا ۴۵ سال به صورت زیر گزارش شده است: افراد نشسته و کمتحرک ۳۵–۴۰، فعال ۴۲٫۵–۴۶٫۴ و بسیار فعال تا ۸۵ mL/kg/min. برای زنان همین گروه سنی، این اعداد ۲۷–۳۰، ۳۳–۳۶٫۹ و تا ۷۷ در افراد بسیار فعال است.
اندازهگیری VO2Max در حیوانات نشان میدهد که توانایی مصرف اکسیژن در برخی گونهها بسیار فراتر از انسان است. هاسکیهای آلاسکا که در مسابقات سورتمه شرکت میکنند VO2Max حدود ۲۴۰ mL/kg/min دارند، و آنتلوپ شاخچنگالی بیش از ۳۰۰ mL/kg/min مصرف میکند. حتی موشها در حالت شنا حدود ۱۴۰ دارند و اسبهای مسابقه پس از تمرین شدید به حدود ۱۹۳ میرسند.
اثرات تمرین و برنامههای ارتقاء VO2Max
تمرینهای استقامتی طولانی (LSD) شامل فعالیتهای نسبتاً آرام اما طولانیمدت است که حدود ۶۰ دقیقه یا بیشتر با شدت ۶۰–۷۰٪ VO2Max انجام میشود. این نوع تمرین باعث افزایش حجم ضربهای قلب و تراکم مویرگی در عضلات میگردد و پایه هوازی را برای تمرینات شدیدتر فراهم میکند.
تمرین تناوبی با شدت بالا شامل دورههای کار شدید نزدیک به VO2Max به مدت ۲ تا ۵ دقیقه، با دورههای استراحت یا کار سبک همطول یا کمی کوتاهتر است. این تمرینها باعث افزایش سریعتر VO2Max نسبت به تمرینات پایدار میشوند و برای افرادی که وقت محدود دارند بسیار مفید هستند. یک مثال ساده میتواند دویدن ۳۰ ثانیه با حداکثر سرعت و یک دقیقه استراحت فعال به مدت ۸ تا ۱۰ دور باشد.
ترکیب تمرینات مختلف مانند شنا، پاروزنی یا دوچرخهسواری با دویدن نه تنها سبب افزایش VO2Max میشود بلکه درگیر شدن گروههای عضلانی مختلف را نیز تضمین میکند و خطر آسیبدیدگی را کاهش میدهد. تمرین در ارتفاع یا استفاده از ماسکهای هیپوکسی محرک دیگری برای بهبود ظرفیت حمل اکسیژن است و معمولا در دورههای کوتاهمدت صورت میگیرد.
مصرف مناسب کربوهیدراتها پیش از تمرین، تأمین انرژی برای فعالیتهای هوازی را تضمین میکند و ذخایر گلیکوژن عضلات را حفظ میکند. آهن، ویتامین B12 و فولات برای تولید هموگلوبین ضروری هستند و کمبود آنها میتواند VO2Max را محدود کند. خواب کافی، ماساژ، و دورههای استراحت فعال به بدن اجازه میدهد تا سازگاریهای لازم را ایجاد کند.
اگرچه VO2Max معیار مهمی برای استقامت است، آستانه لاکتات و اقتصاد حرکت نیز تعیینکننده عملکرد ورزشکاران حرفهای هستند. آستانه لاکتات نقطهای است که در آن سطح لاکتات خون ناگهان افزایش مییابد و توانایی بدن برای حذف آن کاهش مییابد. افزایش این آستانه به ورزشکار اجازه میدهد با شدت بالاتر برای مدت طولانیتر فعالیت کند. اقتصاد حرکت بیان میکند که بدن برخی ورزشکاران برای سرعت مشخص اکسیژن کمتری مصرف میکند؛ بنابراین حتی با VO2Max مشابه، فردی که اقتصاد حرکت بهتری دارد عملکرد بهتری خواهد داشت.
انجمن قلب آمریکا در سال ۲۰۱۶ اعلام کرد که تناسب قلبی-تنفسی قابل اندازهگیری از طریق VO2Max/peak باید به عنوان نشانه حیاتی در ارزیابیهای کلینیکی در نظر گرفته شود. دلیل این پیشنهاد ارتباط قوی بین VO2Max پایین و افزایش خطر بیماریهای قلبی-عروقی، دیابت نوع ۲ و مرگ و میر است. مطالعات متعدد نشان دادهاند که هر افزایش یک واحد معادل متابولیک (MET) در تناسب قلبی-تنفسی با کاهش ۱۱٪ خطر مرگ همراه است. با وجود اهمیت، این آزمون در بسیاری از مراکز درمانی انجام نمیشود؛ زیرا نیازمند تجهیزات و نیروی متخصص است.
دانستن VO2Max به پزشکان، فیزیوتراپیستها و مربیان کمک میکند تا برنامههای تمرینی مناسب تجویز کنند. بر اساس نتایج آزمون، میتوان محدودههای ضربان قلب و شدت تمرین را تعیین کرد تا بیشترین اثر بر سیستم هوازی بدون ایجاد فشار بیجا حاصل شود. در بیمارانی که مشکل قلبی دارند، برنامههای بازتوانی با نظارت پزشک انجام میشود و از پروتکلهای زیر بیشینه برای برآورد ظرفیت هوازی استفاده میشود.
تحقیقات چاپشده در مجله JAMA و مطالعات دیگر نشان دادهاند که VO2Max بالاتر با طول عمر بیشتر مرتبط است. افرادی که در بالاترین یکسوم VO2Max قرار دارند تا ۴۵٪ کاهش ریسک مرگ را نسبت به افرادی با مقادیر پایینتر تجربه میکنند. بنابراین، افزایش VO2Max نه تنها برای ورزشکاران بلکه برای عموم مردم اهمیت دارد.
یکی از چالشهای اندازهگیری دقیق VO2Max، نیاز به تلاش حداکثری است که برای برخی افراد خطرناک یا غیرممکن است. پروتکلهای زیر بیشینه برآورد نسبتاً قابل قبولی ارائه میدهند، اما بین روشها تفاوتهایی وجود دارد و پیشبینیها ممکن است خطا داشته باشند. همچنین اندازهگیری با دستگاههای پوشیدنی همراه با خطا است و نباید جایگزین آزمونهای استاندارد شود.
برخی مواد مانند اریترپوئتین (EPO) میتوانند با افزایش تعداد گلبولهای قرمز، VO2Max را بهطور قابلتوجهی بالا ببرند. این ماده در دهه ۱۹۹۰ در دوچرخهسواری رایج بود و به دلیل خطرات جدی برای سلامتی و نقض عدالت ورزشی، ممنوع شده است. پیشنهادهایی مبنی بر تعیین خط پایه VO2Max برای ورزشکاران جهت تشخیص استفاده از دوپینگ مطرح شده است.
اگرچه داشتن VO2Max بالا مزیت محسوب میشود، اما عملکرد نهایی در ورزش به عوامل متعدد دیگری وابسته است. توانایی حذف لاکتات، اقتصاد حرکت، مهارت فنی، انگیزه و شرایط روحی از جمله عوامل تعیینکننده هستند. بنابراین، تمرکز صرف بر افزایش VO2Max بدون توجه به جنبههای دیگر میتواند اثربخشی برنامه تمرینی را کاهش دهد.
VO2Max به عنوان شاخصی کلیدی برای ظرفیت هوازی، سلامت قلبی – عروقی و پیشبینی طول عمر به کار میرود. این شاخص نشان میدهد که بدن تا چه حد قادر است اکسیژن دریافت کرده و برای تولید انرژی استفاده کند. تعریف دقیق، تاریخچه غنی و کاربردهای وسیع آن در ارزیابی ورزشکاران، برنامهریزی تمرین، بازتوانی بیماران و حتی پیشبینی خطر مرگ، جایگاه VO2Max را در علوم ورزشی و سلامت عمومی تثبیت کرده است. با این حال، اندازهگیری دقیق آن نیازمند تجهیزات و پروتکلهای تخصصی است و برای عموم مردم استفاده از آزمونهای تخمینی و گجتهای پوشیدنی تنها به عنوان راهنمای نسبی توصیه میشود. برای بهبود VO2Max تمرینات استقامتی، HIIT، استفاده از ارتفاع، تغذیه مناسب و ریکاوری کافی ضروری است. در نهایت، به خاطر داشته باشیم که VO2Max تنها یکی از قطعات پازل عملکرد ورزشی و سلامت است و باید در کنار شاخصهای دیگر مانند آستانه لاکتات و اقتصاد حرکت به آن توجه شود.