Dýchací systém a fyzická námaha; Časopis Galenus

Dýchací a kardiovaskulárny systém spoločne zabezpečujú efektívny prísun kyslíka do tkanív a zároveň eliminujú oxid uhličitý. Tieto zariadenia hrajú dôležitú úlohu pri zabezpečovaní homeostázy v pokoji a počas cvičenia, a to udržiavaním čiastočných tlakov dýchacích plynov a acidobázickej rovnováhy. Z hľadiska zvyšovania výkonnosti športovcov je pre odborníkov v športovej medicíne nevyhnutné porozumenie fyziologickým mechanizmom dýchacieho systému.

obsah

Fyziológia dýchania

Vo fyziológii môže mať výraz „dýchanie“ dva významy:

pľúcne alebo vonkajšie dýchanie zahŕňajúce pľúcnu ventiláciu a výmenu plynov medzi telom a vonkajším prostredím;
bunkové alebo vnútorné dýchanie, ktoré označuje výmenu periférnych plynov, konkrétne využitie kyslíka v tkanivách a produkciu oxidu uhličitého. Spojenie medzi dvoma nádychmi je zabezpečené obehovým systémom.

Pľúcne dýchanie je predmetom tohto príspevku, ktorý obsahuje najmenej štyri odlišné procesy [1]:

pľúcna ventilácia, čo je proces, pri ktorom cirkuluje vzduch medzi pľúcami a vonkajším prostredím;
alveolokapilárna difúzia definovaná ako výmena plynov medzi pľúcami a krvou;
transport kyslíka a oxidu uhličitého krvou;
periférne výmeny plynov, menovite prechod dýchacích plynov medzi kapilárnym sektorom a tkanivovým sektorom.

V nasledujúcom texte predstavíme niektoré predstavy o každom zo štyroch procesov, najskôr pred krátkym predstavením diagramu štruktúry dýchacieho systému.

Štruktúra dýchacieho systému

Dýchací systém zahŕňa nosnú dutinu, hltan, priedušnicu, prieduškový strom a pľúca. Sú zabalené v dvojitej membráne nazývanej pohrudnica - vnútorná pohrudnica, ktorá sa drží na vonkajšom povrchu pľúc, a temenná pohrudnica, ktorá sa drží na hrudnej stene a bránici. Dva pleurálne pláty sú oddelené tenkou čepeľou kvapaliny s mazacou úlohou, pričom intrapleurálny tlak je nižší ako atmosférický tlak inhalovaného vzduchu, ktorý sa počas inšpirácie ešte viac znižuje. Dýchací systém je rozdelený na vodivú oblasť a dýchaciu oblasť.

Vodivá oblasť

Zahŕňa štruktúry medzi nosnou alebo ústnou dutinou a dýchacou oblasťou, menovite: priedušnica, prieduškový strom, bronchioly a koncové bronchioly. Okrem funkcie vedenia vzduchu do dýchacej oblasti hrá tento anatomický mŕtvy priestor dôležitú úlohu pri filtrovaní a zvlhčovaní vzduchu. Proces filtrácie sa uskutočňuje dvoma spôsobmi: bunky tejto oblasti produkujú hlien, ktorý umožňuje zachytenie malých inhalovaných častíc a ich pohyb do hltana s membránovými rozšíreniami nazývanými mihalnice, ktoré majú pohyb do ústnej dutiny rýchlosťou 1 - 2 cm/minútu. Druhým prostriedkom na ochranu pľúc pred cudzími časticami sú alveolárne makrofágy. Ciliárna aj alveolárna makrofágová funkcia sú zmenené cigaretovým dymom a inými látkami znečisťujúcimi ovzdušie.

Dýchacia oblasť

Zahŕňa dýchacie bronchioly, alveolárne kanály a alveolárne vaky. Výmena plynu sa uskutočňuje prostredníctvom 300 miliónov studní, malých vreciek s priemerom medzi 0,25 a 0,50 mm. Zvýšený počet vrtov poskytuje veľkú plochu na výmenu plynu s rozlohou 60 - 80 m 2, čo je ekvivalent polovice tenisového kurtu. Ich zrúteniu počas dýchania zabráni povrchovo aktívna látka, ochranná tekutina vylučovaná alveolárnymi bunkami typu II, ktorá znižuje povrchové napätie na alveolárnej úrovni [2].

Pľúcna ventilácia

Pľúcna ventilácia, definovaná ako pohyb vzduchu medzi vonkajším prostredím a pľúcami, je pohyb vzduchového stĺpca pozdĺž dýchacích ciest v dôsledku tlakového rozdielu medzi týmito dvoma končatinami. Vdýchnutie nastáva v dôsledku tlakového rozdielu medzi pľúcami a atmosférickým vzduchom, pričom intrapulmonálny tlak je nižší ako atmosférický. Naopak, expirácia je možná, keď intrapleurálny tlak prekročí atmosférický tlak.

inšpirované

Inšpirácia je aktívny proces, ktorý vykonáva predovšetkým bránica, ale aj vonkajšie medzirebrové svaly. Pri inšpirácii sťahom bránice posúva dolný brušný obsah a vonkajšie medzirebrové svaly predtým posúvajú hrudnú kosť a rebrá smerom von. Všetky tieto zmeny vedú k zvýšeniu veľkosti hrudného koša, súčasne so znížením tlaku vo vnútri pľúc. V pokoji, pri atmosférickom tlaku 760 mmHg, klesá intrapulmonálny tlak, ktorý umožňuje zníženie inšpirácie, o 3 mmHg, ale pri intenzívnej fyzickej námahe môže poklesnúť o 80-100 mmHg. Počas núteného dýchania je možné mobilizovať aj pomocné vdychovacie svaly - sternocleidomastoidný sval, scalenové svaly (predné, stredné, zadné) a prsné svaly, ktorých úlohou je zväčšiť veľkosť hrudného koša ďalším predozadným posunom rebier.

expiračný

Výdych je pasívny proces počas odpočinku, ktorý je spôsobený pružnosťou pľúc a hrudníka, ktoré majú tendenciu vrátiť sa do pôvodnej polohy pred inspiračnou expanziou. Pri nútenom výdychu zasahujú aktívne mechanizmy, ako je kontrakcia výdychových svalov - vnútorné medzirebrové svaly, brušné rovné, vnútorné šikmé, veľké chrbtové, bedrový štvorec.

Objemy a kapacity pľúc

Tabuľka č. 1 Zahŕňa definíciu a hodnoty objemov a kapacít pľúc. Niektoré z nich je možné merať pomocou spirometrie. Táto technika sa používa hlavne na diagnostiku určitých respiračných chorôb, ako je astma alebo chronická obštrukčná choroba pľúc.

Objemy a kapacita dýchania

Definícia

Dýchacie objemy

Množstvo vdýchnutého alebo vydychovaného vzduchu počas normálneho dýchania

Vyhraďte si inšpiratívny objem

Množstvo vzduchu, ktoré je možné vdýchnuť nad prílivový objem počas maximálneho nádychu

Rezervný objem vypršania platnosti

Množstvo vzduchu, ktoré je možné vydychovať počas maximálneho výdychu po prílivu

Množstvo vzduchu, ktoré zostáva v pľúcach po maximálnej expirácii. Je to objem vzduchu, ktorý sa nedá vydychovať

Dýchacie schopnosti

Množstvo vzduchu, ktoré je možné vytlačiť von po maximálnej inhalácii

Množstvo vzduchu, ktoré je možné nadýchnuť po normálnom výdychu

Funkčná zvyšková kapacita

Množstvo vzduchu, ktoré zostáva v pľúcach po normálnom výdychu

Celková kapacita pľúc

Množstvo vzduchu v pľúcach na konci maximálneho dychu

Tabuľka 1. Objemy a kapacita dýchania

Alveolokapilárna difúzia

Predstavuje výmenu plynov medzi alveolmi a pľúcnymi kapilárami, ktorá umožňuje obnovenie obsahu kyslíka v arteriálnej krvi a elimináciu oxidu uhličitého z venóznej krvi.

Alveolo-kapilárna membrána

Venózna krv z vena cava sa pumpuje z pravého srdca do pľúc cez pľúcne tepny a kapiláry. Posledne menované tvoria okolo alveol hustú sieť s malým kapilárnym priemerom veľkosti červených krviniek, takže na tejto úrovni cirkulujú erytrocyty zarovnané, čo predlžuje čas kontaktu s pľúcnym tkanivom, aby sa zlepšila účinnosť výmeny plynov. V pokoji zostáva krv v nepriamom kontakte s alveolárnym vzduchom po dobu 0,75 sekundy. Alveolokapilárna bariéra alebo membrána je hrubá 0,2 až 0,6 mm a skladá sa z alveolárnej steny, kapilárnej steny a bazálnych membrán.

Pľúcny prietok krvi

Pokojový prietok krvi v pľúcach je medzi 4 a 6 l/min v závislosti od pása človeka, približne rovnako ako prietok ľavého srdca.

Q = prietok krvi v pľúcach

P = krvný tlak

R = periférny vaskulárny odpor

Aj keď sa prietok krvi v pľúcach rovná systémovému prietoku krvi, tlaky a rezistencie v oblasti pľúc sú nižšie ako systémové. Priemerný tlak v pľúcnej tepne je 15 mmHg v porovnaní so 100 mmHg v aorte. Nízky pľúcny periférny vaskulárny odpor možno vysvetliť odlišnou anatómiou pľúcnych krvných ciev, ktoré sú tenšie a majú nižší obsah hladkého svalstva.

Difúzia kyslíka a oxidu uhličitého

Difúzia plynov medzi rôznymi kompartmentmi tkanív je daná Fickovým zákonom:

V = (P1 - P2) x D x A/G

V = rýchlosť difúzie

P1 - P2 = rozdiel v parciálnom tlaku plynu na oboch stranách tkaniva

D = koeficient difúzie plynu

A = výmenná oblasť

G = hrúbka tkaniva

Štruktúra dýchacieho systému je dobre prispôsobená výmenám plynov, ktoré sa pri fyzickej námahe môžu zvýšiť 20-krát. Parciálne tlaky CO2 a O2 v krvi, ktoré sa dostanú do pľúc, sú 46, respektíve 40 mmHg. Parciálne tlaky CO2 a O2 v alveolárnom vzduchu sú 40, respektíve 105 mmHg. Výsledkom je, že oxid uhličitý difunduje z krvi do alveol a kyslík z alveolárneho vzduchu do krvi, pričom v pľúcach zostáva parciálny tlak 100 mmHg pre O2 a 40 mm Hg pre CO2. Je zrejmé, že tlakový gradient CO2 medzi kapilárami a alveolmi je relatívne malý, iba 6 mmHg, ale je postačujúci, pretože difúzny gradient CO2 je 20-krát vyšší ako gradient O2.

Pomer ventilácie/infúzie

V predchádzajúcich kapitolách sa zaoberal pľúcnym prietokom krvi, respektíve difúziou plynov alveolokapilárnou bariérou. Aby výmena plynu prebehla optimálne, musí byť prietok pľúcnej krvi (Q) úmerný prietoku alveolárneho vzduchu (VA). Inými slovami, studňa musí byť dobre nalievaná, ale tiež dobre vetraná, aby bola výmena plynov optimálna. Nerovnováha medzi ventiláciou a infúziou vedie k zmenenej výmene plynov medzi alveolmi a krvou v pľúcnych kapilárach. Ideálny pomer ventilácie/infúzie (VA/Q) je 1, ale v skutočnosti nie je ani zďaleka jednotný, líši sa podľa oblasti pľúc,> 1 v hornej polovici a H2CO3 -> H + + HCO3 -

Ióny H + sa viažu na hemoglobín a spúšťajú Bohrov efekt, čím posúvajú svoju disociačnú krivku doprava. Ióny HCO3 - difundujú z plazmatických erytrocytov výmenou za ióny Cl - iónová výmena známa ako Hamburgerov fenomén. Krv sa dostáva do pľúc, kde dochádza k reverznej reakcii a exspiruje CO2:

Výmena tkanivových plynov

Schopnosť extrahovať kyslík tkanivami je priamo úmerná intenzite bunkového aeróbneho metabolizmu. Arterio-venózny rozdiel v kyslíku sa môže zvýšiť zo 4 - 5 ml O2/100 ml krvi na 17 - 18 ml 02/100 ml krvi na svalovej úrovni. Po uvoľnení do sarkolemmy je kyslík transportovaný do mitochondrií myoglobínom, proteínom podobným hemoglobínu, ale s vyššou afinitou k O2. Po oxidačnom svalovom metabolizme sa produkuje CO2, ktorý podľa tlakového gradientu difunduje do krvného sektoru, cez ktorý sa transportuje do pľúc.

Nervová kontrola vetrania

Udržiavanie PO2, PCO2 a pH krvi čo najbližšie k normálnym limitom počas cvičenia si vyžaduje dokonalú koordináciu medzi kardiovaskulárnym a dýchacím systémom. To sa do značnej miery dosahuje nedobrovoľnou reguláciou pľúcnej ventilácie. Táto kontrola ešte nie je úplne objasnená kvôli zložitosti zapojených nervových spojení. Dýchacie svaly sú aktivované motorickými neurónmi pod kontrolou dýchacích centier v mozgovom kmeni (inspiračné a výdychové centrum miechy), pričom tieto centrá určujú rytmus a amplitúdu dýchania. Horné kortikálne centrá môžu zároveň dobrovoľne ovládať dýchanie a komunikovať priamo s motorickými neurónmi dýchacích svalov. Na regulácii ventilácie sa podieľajú ďalšie dve centrá - apneické centrum stimuluje inspiračné centrum v žiarovke, čo umožňuje predĺženie inspirácie, a pneumotaxické centrum vysiela inhibičné impulzy s úlohou regulácie inspiračného objemu.

Dýchanie nie je regulované iba pod nervovou kontrolou. Môže byť tiež ovplyvnený centrálnymi (žiarovka) alebo periférnymi (aortálna tyčinka, karotické dutiny) chemoreceptory, ktoré sú citlivé na zmeny krvných plynov. Kostrové svaly môžu tiež zasahovať do regulácie ventilácie prostredníctvom chemo- a mechanoreceptorov.

Dýchanie pri fyzickej námahe

Pľúcna ventilácia za jednu minútu sa rovná súčinu dychovej frekvencie a dychového objemu.

V (l/min) = FR x VT

Počas fyzickej námahy sa môže zvyšovať na základe oboch zložiek, takže (tabuľka č.3):

pokojová dychová frekvencia je 12-15 dychov/min., môže sa zvýšiť námahou 3 až 4,5-krát, až okolo 50-60 dychov/min;
prílivový objem (0,5 L v pokoji) sa môže počas fyzickej námahy zvýšiť 6-7 krát, ale nie viac ako hodnota vitálnej kapacity;
teda od 6 do 7 l/min. sa môže ventilácia zvýšiť až na viac ako 150 l/min.

Odpočinok/fyzická námaha	Rýchlosť dýchania (dychy/min.)	Dychový objem(L/dych)	Pľúcna ventilácia (l/min)
Oddych	12	0,5	6
Mierna fyzická námaha	30	2.5	75
Intenzívna fyzická námaha	50	3.0	150

Tabuľka 3. Hodnoty pľúcnej ventilácie v pokoji a pri miernom a intenzívnom cvičení

Zvyšovanie ventilácie na začiatku fyzickej námahy sa deje v dvoch fázach: kvázi okamžitá, náhla, po ktorej nasleduje postupné zvyšovanie. Prvý z nich je dôsledkom proprioceptorov vo svaloch a kĺboch, ktoré spúšťajú očakávanú reakciu motorickej kôry, stimulujúc inspiračné centrum s cieľom upraviť ventilačnú odpoveď. Druhý stupeň je výsledkom metabolickej aktivity vyvolanej fyzickou námahou, ktorá zahŕňa teplotné výkyvy a chemické zmeny v sektore krvi a svalov. Cez centrálne a periférne chemoreceptory sú teda stimulované inspiračné centrá. Regulácia ventilácie pri fyzickej námahe je zložitý proces, ktorý zahŕňa nielen zásah nervových a chemických mechanizmov, ale aj vplyv stresových hormónov, elektrolytov a teploty na dýchacie centrá rôznymi prostriedkami.

Astma vyvolaná fyzickou námahou

Astma vyvolaná fyzickou námahou je definovaná ako prechodné zúženie dýchacích ciest po alebo počas fyzickej námahy, ku ktorému dochádza u pacientov s nediagnostikovanou astmou a zahŕňa príznaky ako kašeľ, dýchavičnosť, sipot. Niektorí autori uprednostňujú termín bronchokonstrikcia vyvolaná námahou a vyskytuje sa u 55% výkonných športovcov, ktorí sa počas detstva alebo neskôr v rámci svojej športovej kariéry venujú zimným športom alebo plávaniu [4,5]. Táto patológia súvisí s bronchospazmom v dôsledku dlhotrvajúcej hyperventilácie, etiopatogénny mechanizmus ešte nie je úplne objasnený, predpokladajú sa dve hypotézy - termálna a osmotická.

Pokiaľ ide o tepelnú hypotézu, bronchospazmus je výsledkom zníženia teploty na úrovni priedušiek v dôsledku hyperventilácie, po ktorej nasleduje rýchle zvýšenie teploty na konci fyzickej aktivity. Tieto dve udalosti spôsobujú vazokonstrikciu, reaktívnu hyperémiu v bronchiálnej mikrocirkulácii, edém steny, čo vedie k zúženiu bronchiálneho priemeru. V osmotickej teórii spôsobuje dlhodobá hyperventilácia v prostredí suchého vzduchu tepelné straty odparovaním vody z dýchacích ciest. Extracelulárna tekutina v sliznici sa stáva hyperosmolárnou, čo vedie k prechodu vody z intracelulárneho do extracelulárneho prostredia. Táto intracelulárna dehydratácia vedie k uvoľňovaniu zápalových mediátorov zo žírnych buniek a epiteliálnych buniek (histamín, prostaglandíny, leukotriény), mediátorov spôsobujúcich bronchiálny edém a bronchospazmus zápalovým mechanizmom [6].

Bez ohľadu na predpokladané hypotézy je výskyt bronchospazmu vyvolaného cvičením výsledkom kombinácie environmentálnych a genetických faktorov. Športy, ktoré najčastejšie čelia tejto patológii, sú zimné športy, korčuľovanie, plávanie, pólo [5,7].

Prispôsobenie dýchacieho systému výkonnostným športom

Početné špecializované štúdie sa zamerali na zmeny dýchacieho systému u výkonnostných športovcov. Boli kvantifikované pomocou spirometrie, pričom športovci mali z hľadiska spirometrických parametrov vyššie hodnoty v porovnaní so sedavými ľuďmi, pričom najvyššie hodnoty pľúc boli zaznamenané pri vytrvalostných športoch - veslovanie, plávanie, maratón, triatlon, päťboj, cyklistika [8 ]. Ďalšia štúdia porovnávala spirometrické hodnoty medzi rôznymi športovými hrami, respiračné objemy boli vyššie v póle v porovnaní s futbalom, hádzanou alebo basketbalom [9].

Štúdium fyziologických parametrov výkonnostných športovcov je jedinečnou príležitosťou na preskúmanie adaptácie človeka na rôzne druhy fyzickej námahy a tréningu. Okrem toho pochopenie účinkov fyzickej námahy na ľudský organizmus môže mať za následok fyziologické zdôvodnenie vykonávania odporúčaní týkajúcich sa pohybu a fyzickej aktivity u pacientov s rôznymi patológiami; toto odvetvie športovej medicíny má v budúcnosti veľkú perspektívu [10].