114 年 國立臺灣大學物理治療系碩士班《應用生理學》

本題主要考查流體力學在生理學中的應用，特別是關於血液流動的關鍵物理原理。

核心觀念：流體在閉鎖管道中的連續性方程式。

解題過程：
血液在血管中流動，可以視為一種流體在管道中流動的現象。根據流體力學的連續性方程式（Continuity Equation），對於不可壓縮流體（血液可近似視為不可壓縮流體）在穩定流動的情況下，單位時間內流過管道任何截面的流體體積是恆定的。

假設：

• $Q$ 為血流量（單位：體積/時間，例如 mL/min）。
• $v$ 為平均血流速度（單位：長度/時間，例如 cm/s）。
• $A$ 為血管的橫斷面積（單位：面積，例如 cm$^2$）。

連續性方程式的數學表達式為：
$Q = A \times v$

這表示，在任何給定的時間點，流過血管橫斷面的血液體積（即血流量 $Q$）等於該橫斷面的面積 $A$ 乘以該截面處的平均血流速度 $v$。

關係闡述：
由 $Q = A \times v$ 可知，在血流量 $Q$ 恆定的情況下：

1. 血管橫斷面積 $A$ 越大，血流速度 $v$ 越小。

本題考查心血管系統的基礎生理學，重點在於理解心輸出量及其影響因素，特別是心臟前負荷與後負荷。

核心觀念：心輸出量、前負荷、後負荷的定義與決定因素。

解題過程：
心輸出量 (Cardiac Output, CO)
心輸出量是指心臟每分鐘搏出總血液量的量。
數學公式為：$CO = HR \times SV$
其中：

• $HR$ (Heart Rate) 是心率，即每分鐘心跳的次數。
• $SV$ (Stroke Volume) 是每搏輸出量，即心臟每次搏動搏出的血液量。

心輸出量的主要決定因素是心率和每搏輸出量。

心臟前負荷 (Cardiac Preload)
前負荷是指在心臟收縮之前，心室舒張末期（end-diastolic）的壓力或張力。它主要反映了心室在舒張末期被填充的程度，與回到心臟的靜脈血量（venous return）有關。
根據Frank-Starling定律，前負荷的增加會導致心肌纖維的拉伸程度增加，進而增加下一次收縮時的心肌收縮力，使每搏輸出量增加（在一定範圍內）。

前負荷的主要決定因素：

1. 靜脈回流 (Venous Return)： 這是最重要的決定因素。返回心臟的血液量越多，心室的舒張末期容積越大，前負荷就越高。影響靜脈回流的因素包括：
   • 體循環的總血容量： 總血量越多，靜脈回流越多。
   • 靜脈的張力與容量： 靜脈收縮（如骨骼肌泵作用、呼吸泵作用）或靜脈張力增加會增加回流。
   • 右心房壓力： 右心房壓力越低，越有利於靜脈回流。
2. 心室的舒張時間： 雖然心率變化也會影響舒張時間，但主要還是由回流量決定。
3. 心室的順應性 (Compliance)： 心室壁的彈性程度。順應性越高，相同容積的血液進入心室時，心室內壓力上升越少，前負荷相對較低。

本題考查運動生理學，特別是運動時心血管系統的適應性反應。

核心觀念：運動時心臟、血管系統的生理變化。

解題過程：
當一位正常、未受訓練的中年成人開始進行跑步這類中等強度運動時，身體會啟動一系列心血管系統的調節機制，以滿足運動時肌肉對氧氣和營養物質增加的需求，並清除代謝廢物。

主要的 and 預期的心血管變化如下：

1. 心輸出量 (Cardiac Output, CO) 增加：

   • 心率 (Heart Rate, HR) 增加： 這是最直接且顯著的反應。運動時，交感神經系統興奮，釋放去甲腎上腺素，刺激心臟 β1 受體，使心率加快，以增加每分鐘搏出的血液量。同時，副交感神經活動會受到抑制。
   • 每搏輸出量 (Stroke Volume, SV) 增加： 雖然未受訓練者 SV 的增加幅度不如訓練有素者明顯，但也會有所增加。這主要歸因於：
     • 前負荷增加： 運動時，骨骼肌泵作用增強，呼吸泵作用加劇，使得靜脈回流增加，導致心室舒張末期容積（前負荷）增加。根據 Frank-Starling 機制，這會增強心肌收縮力，使 SV 增加。
     • 心肌收縮力增強： 交感神經的興奮和兒茶酚胺（如腎上腺素）的釋放，直接增強了心肌的收縮力，這也促使 SV 增加。
     • 後負荷略有下降或變化不大： 運動時，骨骼肌血管舒張，導致周邊血管阻力下降，這有助於 SV 增加，抵銷部分因血壓上升可能帶來的後負荷增加。

2. 動脈血壓 (Arterial Blood Pressure) 的變化：

   • 收縮壓 (Systolic Blood Pressure, SBP) 顯著升高： 這是因為心輸出量（特別是 SV）的增加，將更多血液搏入動脈系統。

本題考查運動生理學的關鍵概念——最大攝氧量 (VO2max)，以及影響其大小的生理因素。

核心觀念：VO2max 的定義、決定因素、以及這些因素如何影響氧氣的輸送與利用，並可能成為限制因素。

解題過程：
最大攝氧量 (VO2max)
VO2max 是指在最大運動強度下，人體能夠攝取、輸送和利用氧氣的最高速率。它被認為是衡量心肺耐力（cardiorespiratory fitness）的黃金標準。

決定 VO2max 的主要生理因素：

VO2max 的大小取決於氧氣從環境進入身體，通過循環系統輸送，最終在肌肉細胞線粒體中被利用的整個過程。這個過程可以分解為幾個連續的環節，每個環節都可能成為限制因素。

以下列出四個主要生理因素，並說明其影響及可能成為限制因素：

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因素一：肺部攝氧能力 (Pulmonary Oxygen Uptake)

• 如何影響氧氣輸送與利用： 肺部是氧氣進入體內的入口。肺泡中的氧氣分壓 (PO2) 必須足夠高，並且肺泡與毛細血管之間的氣體交換（擴散）效率要高，才能將足夠的氧氣轉移到血液中。這涉及到肺通氣量（呼吸的深度和頻率）和肺泡-毛細血管膜的擴散能力。
• 如何成為限制因素：
  • 對於大多數健康個體，尤其是運動員，肺部的攝氧能力通常不是 VO2max 的主要限制因素，因為健康肺部的擴散能力和通氣量通常遠超過心血管系統輸送氧氣的能力。
  • 然而，在某些情況下，如嚴重的肺部疾病（如慢性阻塞性肺病 COPD、肺纖維化）、高海拔缺氧環境，或極端運動負荷下，肺部氣體交換的限制就可能影響 VO2max。例如，在非常高的運動強度下，呼吸肌疲勞可能限制總的通氣量，進而限制氧氣的攝取。

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因素二：血液攜帶氧氣的能力 (Oxygen Carrying Capacity of Blood)

• 如何影響氧氣輸送與利用： 血液將氧氣從肺部輸送到全身組織，主要依賴於血紅素（hemoglobin）與氧氣結合。血液攜帶氧氣的能力取決於：
  • 血紅素的濃度： 總血紅素量決定了血液中結合氧氣的總量。
  • 動脈血氧飽和度 (SaO2)： 肺部將氧氣轉移到血液中的效率。
  • 血液總量： 總血量越多，攜帶氧氣的潛力越大。
• 如何成為限制因素：
  • 貧血 (Anemia)： 這是最常見的影響血液攜帶氧氣能力的因素。血紅素濃度低，即使肺部和心血管系統功能正常，血液能攜帶的氧氣也有限，直接限制了 VO2max。
  • 高海拔： 在高海拔地區，大氣壓下降，氧分壓也下降，導致動脈血氧飽和度降低，進而降低血液攜帶氧氣的能力，限制 VO2max。

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因素三：心血管系統輸送氧氣的能力 (Cardiovascular Oxygen Delivery Capacity)

• 如何影響氧氣輸送與利用： 這是 VO2max 的最主要限制因素。心血管系統負責將血液（攜帶氧氣）從肺部輸送到工作中的肌肉。其能力體現在：
  • 心輸出量 (CO)： 決定了每分鐘有多少血液被泵送到全身。CO = HR × SV。
  • 動脈血氧含量 (CaO2)： 血液攜帶氧氣的能力（由血紅素和飽和度決定）。
  • 氧氣提取率 (a-vO2 difference)： 工作肌肉從血液中提取氧氣的能力。