Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity1 Ergometrie Praktické cvičení z fyziologie (jarní semestr: 10. – 12. týden) Studijní materiály byly vytvořeny za podpory projektu MUNI/FR/1474/2018 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity2 Ergometrie ̶ Zátěžové vyšetření – snímání EKG a dalších parametrů v závislosti na zvyšujícím se stupni zátěže na ergometru ̶ Kromě EKG lze snímat: ̶ spotřeba O2, výdej CO2, krevní tlak, krevní vzorky (hlavně laktát) ̶ Typy ergometrů ̶ Rotoped – zátěž hlavně dolní poloviny těla ̶ Veslařský trenažér – zátěž horní poloviny těla ̶ Rumpálový ergometr – rotoped pro ruce, u para/kvadruplegie ̶ Schůdky ̶ Běžící pás ̶ Uplatnění ̶ Sportovní medicína ̶ Rehabilitační medicína ̶ Kardiologie Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity3 Základní protokoly ergometrie ̶ Rampový ̶ Kontinuální růst ̶ Stupňovitý ̶ Jednostupňový ̶ Stupňový s přestávkami ̶ Kombinovaný Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity4 Metabolismus srdečního svalu ̶ Náročný na prokrvení, hustá kapilarizace ̶ Prokrvuje se především na začátku diastoly, protože v systole je sval v kontrakci a cévy jsou uzavřené. To platí především pro levou komoru, která vyvíjí vyšší tlak – je zranitelnější. ̶ Srdce je jako domácí prasátko, zpracuje, co se mu dává ̶ 60 % volné mastné kyseliny, triglyceridy (60 – 90 % acetyl_CoA z beta oxidace) ̶ 35 % sacharidy ̶ 5% ketolátky (hladovění nebo neléčený diabetes) ̶ Za normálních okolností (mimo ischenii a max výkon) metabolizuje laktát ̶ Vysoká spotřeba kyslíku ̶ Fyziologicky jen oxidativní fosforilace – maximalizace tvorby ATP, vysoké množství mitochondrií ̶ Stačí malá ischemie pro narušení metabolismu Patologicky za anaerobních podmínek (ischémie) se pyruvát redukuje na laktát – anaerobní glykolýza ztráta kontraktilní funkce, arytmie, smrt buněk. Uvolnění troponinu z cytoplazmy myocytů – marker infarktu myokardu Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity5 Metabolismus kosterního svalu ̶ Během svalové práce se svalové cévy rozšiřují (metabolická autoregulace) a průtok krve svalem stoupá ̶ Při posilování dochází k prokrvení až po relaxaci svalu ̶ Rytmická zátěž vede ke kolísání průtoku, který však v průměru může být až 20 x vyšší než v klidu ̶ Je-li prokrvení dostatečné, nabídka O2 pokrývá poptávku – zdrojem ATP jsou aerobní procesy ̶ Je-li zátěž příliš vysoká, že poptávka po O2 převyšuje nabídku – aerobní resyntéza ATP nestačí ̶ Část O2 se zpočátku uvolní z myoglobinu ̶ Zpočátku resyntéza ATP pomocí kreatinfosfátu ̶ Anaerobní glykolýza – méně efektivní, tvorba laktátu ̶ Hromadění laktátu → acidóza, inhibice enzymů a svalové práce ̶ Krátkodobě výrazné navýšení svalového výkonu Sprint na 100m – 85% energie z anaerobní glykolýzy Závod na 2,5 km, 10 min – 20% anaerobně Běh na víc jak hodinu – 5% anaerobně průtokkrvesvalem čas Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity6 Srdeční frekvence a zátěž, W170 ̶ Se zvyšující se zátěží roste srdeční frekvence (SF) lineárně až k dosažení maximální hodnoty ̶ Maximální srdeční frekvence - závislá na věku ̶ Odhad max. srdeční frekvence = 220-věk, jsou i jiné vzorce ̶ Limitem je délka refrakterní fáze akčního potenciálu myokardiocytu a také přílišné zkrácení diastoly, kdy se zpracuje čas pro plnění komor krví a prokrvení myokardu ̶ Klidová srdeční frekvence – závislá na trénovanosti ̶ U trénovaných jedinců klesá třeba až na 50 bpm v klidu ̶ Index W170: pracovní kapacita při srdeční frekvenci 170 bpm ̶ Max u netrénovaného 180 bpm, u trénovaného až 220 bpm věk Do 30 31 - 40 41 - 50 51 - 60 61 – 70 Maximální srdeční frekvence 195 185 182 170 162 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity7 Srdeční frekvence a zátěž, W170 Do frekvence 180/min je vzestup srdeční frekvence při kontinuálním nárůstu zátěže LINEÁRNÍ W170 : Index zjišťující pracovní kapacitu při srdeční frekvenci 170 tep/min. Je vyšší u trénovaného jedince. 200 180 160 140 120 100 Srdečnífrekvence[tepy/min] Výkon [W] nebo [W/kg] 90 W170 W170 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity8 Respirační kvocient (RQ) ̶ Poměr: vyprodukovaný CO2 / přijatý O2 ̶ Poskytuje informaci ohledně zpracovaného substrátu ̶ Sacharidy: RQ = 1, Lipidy: RQ = 0,7; Proteiny: RQ = 0,8 ̶ Poskytuje informaci o metabolismu ̶ zátěž nebo metabolická acidóza RQ > 1; Volní hypoventilace nebo metabolická alkalóza RQ < 0,7 ̶ Je ovlivněn ventilací ̶ Volní hyperventilace RQ > 1 – CO2 se vydýchává z těla ̶ Volní hypoventilace RQ < 0,7 ̶ Intenzivní fyzická zátěž: RQ až 2, po zátěži QR = 0,5 ̶ Anaerobní glykolýza – tvorba laktátu, vydechuje se víc CO2 než spotřebuje ̶ Po zátěži obnovení energetických zdrojů – zpracování laktátu, obnovení ATP, kreatinfosvátu a okysličení myglobinu – vyšší spotřeba O2 než výdej CO2 ̶ Zlom křivky RQ v závislosti na stupni zátěže udává anaerobní práh Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity9 Kyslíkový dluh ̶ Energie pokrývající práci svalu = aerobní zdroje + anaerobní zdroje ̶ Pokud poptávka po O2 překročí nabídku, přechází sval na anaerobní glykolýzu (produkovaný laktát ve vyšší koncentraci však inhibuje enzymy a svalovou práci) ̶ Prokrvení svalu stoupá až lehce po začátku práce – už v tuto chvíli začíná kyslíkový dluh, který je ale při lehké zátěži konstantní a při těžké se stále zvyšuje. ̶ Anaerobní zdroje: oxidovaný myoglobin, kreatinfosfát, anaerobní glykolýza ̶ Kyslíkový dluh: kyslík, který je potřeba pro obnovu kreatinfosfátu, odbourání laktátu a oxidaci myoglobinu ̶ Je to spotřeba kyslíku po zátěži, která převažuje nad klidovou spotřebou kyslíku ̶ Měří se spotřeba O2 po zátěži, dokud se neustálí na bazální hodnotě – dluh je rozdíl mezi O2 po zátěži a bazální spotřebou O2 ̶ Dluh může být až 6x vyšší než klidová spotřeba – anaerobní glykolýza během zátěže umožňuje významné navýšení výkonu svalu Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity10 Práh – anaerobní, laktátový ̶ Anaerobní práh – předěl mezi aerobním a anaerobním získáváním energie – úroveň zátěže, při které začíná anaerobní glykolýza ̶ Stanovuje se podle laktátového prahu, ventilačního prahu nebo cirkulačního prahu a udává se v % jejich maximálních hodnot ̶ Laktátový práh ̶ Během stupňující se zátěže se odebírá krev a zjišťuje se laktát. Z hodnot se vytvoří křivka a hledá se bod zlomu, kdy se laktát začíná rychleji hromadit Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity11 Práh – ventilační, cirkulační ̶ Ventilační práh ̶ Křivka ventilace, spotřeby O2, respiračního kvocientu nebo ventilačního ekvivalentu pro kyslík v závislosti na stupni zátěže. Hledá se bod zlomu (změna trendu) (Ventilační ekvivalent pro kyslík: množství kyslíku, který přijmeme z 1l vzduchu) ̶ Cirkulační práh ̶ Na záznamu srdeční frekvence se v závislosti na stupni zátěže se měří, kdy došlo ke zpomalení nárůstu srdeční frekvence ̶ Obecně je schopnost dosahování maximálních výkonů limitovaná několika faktory: kardiovaskulární systém, dýchací systém, pohybový systém Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity12 Práh - ventilační Respirační kvocient Výdej CO2 převýší spotřebu O2 Ventilace/spotřeba O2 anebo výdej CO2 ventilaceRespirační ekvivalentproO2 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity13 Termoregulace během zátěže ̶ Energie tvořená svalem ≈ uskutečněná práce + tvorba ATP + teplo ̶ Účinnost svalu ̶ pracujícího izotonicky je asi 50% (50% energie se mění v pohybovou, 50% v tepelnou) ̶ Pracujícího izometricky je skoro 0% ̶ Zvýšená tvorba tepla ve svalu přetrvává až 30 min po skončení práce – metabolické procesy vedoucí k zotavení svalu ̶ Přebytečné teplo je potřeba odvádět ̶ Zapojené mechanismy termoregulace závisí na teplotě jádra a okolí ̶ Pocení a evaporace, vedení, proudění, záření ̶ Prokrvení povrchových žilních pletení – zpočátku dochází k omezení průtoku krve kůží kvůli redistribuci krve během zátěže, a to až dokud nepřeváží termoregulační mechanismy ̶ Tvorba tepla svalem se využívá k zahřátí těla během podchlazení třesová termogeneze 14 Fyziologické změny během zátěže ̶ Cílem změn v kardiovaskulárním systému během zátěže je zvýšení průtoku a redistribuce krve směrem do pracujícího svalu. Změny proto budou záviset na intenzitě a typu zátěže (dynamická nebo statická). ↑srdeční frekvence ↑ síla stahu aktivace sympatiku ↓odpor cév svalu ↑srdeční výdej (průtok krve systémem) ↑STK ↑žilní návrat Omezení průtoku krve v těchto orgánech ↑plnění srdce ↑odpor v GIT (vazokonstrikce) ↑metabolická aktivita svalu metabolická autoregulace cév (vazodilatace) ↑ průtok krve svalem ↓DTK Redistribuce krve v těle ↓celkový odpor Dynamická zátěž Fyziologické změny během zátěže ̶ Krevní tlak silně závisí na intenzitě a typu zátěže. ̶ Dynamická zátěž zapojující více svalů vede k nárůstu systolického krevního tlaku (díky nárůstu srdečního výdeje) a k poklesu diastolického (díky poklesu celkové periferní rezistence) – například běh, plavání ̶ Až 20x zvýšení prokrvení svalů, zvýšení srdečního výdeje (sval může odebírat až 90% srdečního výdeje) ̶ Izometrická zátěž po čas kontrakce zvyšuje systolický i diastolický tlak – například vzpírání (cévy ve svalu jsou uzavřené svalovou kontrakcí) ̶ Po ukončení zátěže je periferní rezistence stále nízká (cévy ve svalech a kůži jsou stále dilatované), ale žilní návrat klesá (sval již nepravuce) a srdeční aktivita klesá →hypotenze→ mdloba (tzv. „vykrvácení do svalu“) ̶ pH: při těžké práci díky laktátu vzniká metabolická acidóza, lehká práce pH nemění ̶ Dýchací systém ̶ Prvotní zvýšení je vyvoláno stimulací proprioreceptorů ve svalech ̶ Se zvyšující se zátěží a spotřebou O2 lineárně roste ventilace. Při těžké práci ventilace převyšuje spotřebu O2 – metabolická acidóza způsobená laktátem zvyšuje ventilaci. ̶ VO2max: maximální spotřeba kyslíku, které tělo dokáže využít za 1min – závisí na věku, konstituci, zdravotním stavu, trénovanosti – je limitována jak pohybovým aparátem, tak kardiovaskulárním systémem ̶ Hladiny O2 a CO2 v arteriální krvi se při aerobní zátěži nemění – ventilace pokrývá spotřebu. Při těžké práci v důsledku acidózy a hyperventilace klesá CO2 v arteriální krvi. Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity16 Adaptace na zátěž - srdce ̶ Zvyšuje se vliv parasympatiku na srdce, snižuje se vliv sympatiku ̶ Sportovní srdce – fyziologické zvětšení srdce ̶ hypertrofie svaloviny (bez zvýšení počtu vláken) – hlavně u rychlostních a silových sportů ̶ dilatace dutin (především levé komory) – u vytrvalostních sportů ̶ Sportovní bradykardie – snížení klidové frekvence pod 60/min ̶ Rezervy: ̶ Chronotropní rezerva = HR max/HR klid (3 -5) Netrenovaný: klid 80 bpm, max 180 bpm Trenovaný: klid 40, max 180 bpm ̶ Rezerva systolického objemu = SV max/ SV klid (1,5) Netrénovaný: klid 70 ml, max 100 ml Trénovaný: klid 140 ml, max 190 ml ̶ Srdeční rezerva = srdeční výdej max/srdeční výdej klid Netrénovaný (3): klid 5,6 l/min, max 18 l/min Trénovaný (6): klid 5,6 l/min, max 35 l/min ̶ Koronární rezerva: 3,5 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity17 Žilní návrat a mechanismy žilního návratu ̶ žilní návrat je návrat krve do pravého srdce ̶ mechanismy: ̶ žilní chlopně a svalová pumpa ̶ podtlak v hrudníku při nádechu (a přetlak v břišní dutině) ̶ sací síla systoly – systola komor změní tvar pravé síně (vtáhnutí trojcípé chlopně do komory), síň zvětší svůj objem a nasaje krev ̶ síla zezadu (vis a tergo): tlak, co zbyl z MAP