Marek Woźniewski.
Wpływ wysiłku fizycznego na czynność układu oddechowego
1. Zmiany czynności układu oddechowego podczas wysiłku fizycznego
Wysiłek fizyczny powoduje zwiększenie zapotrzebowania mięśni na tlen oraz wytwarzania w nich, ewentualnie wypierania, dwutlenku węgla z wodorowęglanów osocza. Jest ono pokrywane przez nasilenie czynności oddechowej i zwiększenie wymiany gazowej w płucach podczas wysiłku. Czynnikami warunkującymi sprawny przebieg tych procesów są:
- prawidłowa wentylacja pęcherzykowa,
- odpowiedni stosunek wentylacji do perfuzji płuc,
- dostateczny przepływ przez płuca krwi o prawidłowej pojemności tlenowej.
W momencie rozpoczęcia wysiłku fizycznego natychmiast wzrasta wenty1acja płuc. Wzrost ten jest wprost proporcjonalny do intensywności wysiłku, dopóki nie przekroczy ona około 70% intensywności maksymalnej (mierzonej maksymalnym pochłanianiem tlenu przez organizm). Powyżej tego poziomu następuje hiperwentylacja. U ludzi o małej wydolności może pojawić się ona już podczas wysiłków o mniejszej niż 70% intensywności maksymalnej.
Jeżeli obciążenie wysiłkowe jest stałe, to zmiany wentylacji płuc od poziomu spoczynkowego do odpowiadającego intensywności wysiłku mają dwufazowy przebieg. W pierwszym okresie, który ma charakter neurogenny, występuje gwałtowny wzrost wentylacji płuc, a następnie utrzymywanie się jej przez 20-30 s na osiągniętym poziomie. W drugiej fazie wzrasta początkowo szybciej, a później wolniej, osiągając po 3-4 minutach poziom równowagi dynamicznej odpowiadający intensywności wysiłku. W jej kształtowaniu współdziałają już zmiany humoralne. Do czasu uzyskania tej równowagi wyniki badań nie nadają się do oceny.
Spadek wentylacji płuc w pierwszym okresie po zakończeniu wysiłku fizycznego jest szybszy niż jej wzrost na początku tego wysiłku. Analiza fizjologicznych mechanizmów kontrolujących zmiany wentylacji płuc w momencie przejścia od spoczynku do wysiłku i od wysiłku do spoczynku może być przydatna w poznaniu charakteru zaburzeń czynności oddechowej w stanach chorobowych.
Wentylacja płuc może podczas wysiłków fizycznych wzrastać przeszło 25 razy w stosunku do wartości spoczynkowej, osiągając jako maksymalna wentylacja płuc wartość 110-130 litrów na minutę u ludzi o dobrej wydolności fizycznej.
W czasie wysiłku fizycznego dochodzi również do zwiększenia częstości oddechów, które nie przekracza u ludzi dorosłych 50-60 na minutę, oraz objętości oddechowej do około 3 litrów, to jest 60% pojemności życiowej płuc. Wzrost objętości oddechowej podczas wysiłków zachodzi głównie kosztem objętości wdechowej zapasowej, która odpowiednio zmniejsza się. Objętość wydechowa zapasowa zmienia się mniej wyraźnie nawet przy maksymalnych wartościach wentylacji płuc.
Pojemność życiowa płuc podczas wysiłków fizycznych zmniejsza się o 300-400 ml, co odpowiada zwiększeniu objętości krwi w układzie naczyniowym płuc. Wzrasta więc objętość zalegająca. Jej zwiększenie powoduje również wzrost czynnościowej pojemności zalegającej. Ma to znaczenie dla tłumienia zmian ciśnienia w drogach oddechowych i mniejszego wahania ciśnienia COZ podczas gwałtownych ruchów klatki piersiowej, które towarzyszą wysiłkom fizycznym.
Wentylacja pęcherzykowa jest różnicą pomiędzy wentylacją płuc a wentylacją przestrzeni martwej. Ta ostatnia w spoczynku stanowi około 30% wentylacji płuc. Trudności metodyczne uniemożliwiają jej pomiar podczas wysiłków fizycznych. W świetle obecnych badań przyjmuje się, że podczas wysiłków o małej lub umiarkowanej intensywności objętość przestrzeni martwej nie zmienia się istotnie. Wynika stąd zależność wentylacji pęcherzykowej od częstości oddechów. Jeżeli przy tej samej wentylacji płuc częstość oddechów jest większa, to wentylacja pęcherzykowa jest mniejsza.
Podczas wysiłków fizycznych, szczególnie o umiarkowanej intensywności, stosunek wentylacji do perfuzji płuc poprawia się. Staje się on bardziej równomierny na obszarze całych płuc. Jest to wynikiem wzrostu ciśnienia w tętnicy płucnej i objętości krwi w płucach.
Wraz ze wzrostem wentylacji w czasie wysiłku fizycznego wzrasta nieproporcjonalnie praca oddechowa lub odpowiadający jej koszt t1enowy oddychania. Po przekroczeniu poziomu wentylacji płuc 130 1/min prawie cała ilość t1enu zawarta w każdym dodatkowym litrze powietrza przepływającego przez płuca zużywana jest przez mięśnie oddechowe. Przy określonej wentylacji pęcherzykowej praca oddechowa jest duża zarówno przy małej, jak i dużej częstości oddechów.
Podczas wysiłków fizycznych kilkakrotnie zwiększa się też wraz z obciążeniem pojemność dyfuzyjna płuc. Przyczyną tego jest przede wszystkim zwiększenie powierzchni wymiany gazów między atmosferą pęcherzyków płucnych a krwią przepływającą przez płuca.
Jednym z czynników warunkujących prawidłową pracę oddechową jest sprawność mięśni oddechowych. Podobnie jak inne mięśnie szkieletowe, mogą one także ulegać zmęczeniu. Może to utrudniać lub uniemożliwiać utrzymywanie wentylacji płuc na poziomie zapewniającym stałą prężność CO2 we krwi. O zmęczeniu mięśni oddechowych decydują:
- praca oddechowa, która zależy od wentylacji płuc, częstości oddechów, objętości oddechowej oraz podatności i oporów w układzie oddechowym;
- siła mięśni oddechowych, którą warunkują: pojemność płuc, zaniki mięśni lub choroby układu nerwowo-mięśniowego oraz stan dożywienia;
- wydajność pracy tych mięśni (współczynnik pracy użytecznej.
Objawami zmęczenia mięśni oddechowych są gwałtowne, szybkie ruchy oddechowe, paradoksalne ruchy powłok jamy brzusznej oraz naprzemienne oddychanie przeponowe i żebrowe. Zmęczenie tych mięśni może odgrywać pewną rolę w wyzwalaniu duszności przy oddychaniu wbrew zwiększonemu oporowi mechanicznemu, hiperwentylacji oddechowej lub osłabieniu mięśni oddechowych.
Duszność wysiłkowa występuje zwykle wówczas, gdy wentylacja płuc przekroczy 50-60% maksymalnej dowolnej wentylacji płuc. U ludzi o małej wydolności fizycznej duszność może wystąpić jeszcze przed osiągnięciem tego poziomu. Stosunek wentylacji płuc do maksymalnej dowolnej wentylacji płuc w chwili duszności wysiłkowej stanowi wskaźnik duszności. Jest on często mniejszy u ludzi z chorobami układu krążenia (np. zwężenie lewego ujścia żylnego) lub układu oddechowego (np. astma oskrzelowa).
Duszność wysiłkową wyzwalają najprawdopodobniej bodźce nerwowe docierające do ośrodkowego układu nerwowego z mechanoreceptorów płuc i ściany klatki piersiowej. Dochodzi do tego, gdy występuje dysproporcja pomiędzy siłą wywieraną na płuca przez mięśnie wydechowe a zmianą ich objętości pod wpływem tej siły.
2. Wpływ systematycznego wysiłku fizycznego na czynność układu oddechowego u osób zdrowych
Na skutek stosowania treningu fizycznego dochodzi do zmian wartości parametrów układu oddechowego. Zwiększa się pojemność życiowa płuc oraz maksymalna wentylacja płuc. Częstość oddechów podczas submaksymalnych wysiłków jest mniejsza, a ich głębokość większa. Zmniejsza się też praca oddechowa przypadająca na 1 litr powietrza przepływającego przez płuca. Wzrasta pojemność dyfuzyjna płuc zarówno w spoczynku, jak i w czasie wysiłku. Przyczyną tego może być zwiększenie ogólnej ilości hemoglobiny we krwi, szczególnie w łożysku włośniczkowym płuc. Duży wpływ na to ma także zwiększenie ogólnej objętości krwi w płucach i poprawa stosunku wentylacji do perfuzji płuc. W wyniku treningu fizycznego zwiększa się również przepływ krwi przez szczytowe segmenty płuc. Ułatwia to wymianę gazową w płucach, zwiększając stosunek wentylacji pęcherzykowej do włośniczkowego przepływu krwi przez płuca.
Z drugiej strony 3-tygodniowe unieruchomienie w łóżku nie powoduje zmian wskaźników wentylacyjnych ani podczas submaksymalnych wysiłków fizycznych, ani w spoczynku. Dotyczy to całkowitej pojemności dyfuzyjnej, wentylacji minutowej oraz stosunku wentylacji do pochłaniania tlenu.
Stwierdzono jedynie zmniejszenie maksymalnej wentylacji płuc, które odpowiadało zmianom maksymalnego pochłaniania tlenu i maksymalnej pracy. Było jednak następstwem, a nie przyczyną zmniejszenia się maksymalnego pochłaniania t1enu i pracy maksymalnej. Czynność oddechowa nie zmienia się więc pod wpływem 3-tygodniowego unieruchomienia.
3. Wpływ wysiłku fizycznego na czynność układu oddechowego u chorych na przewlekle choroby płuc
Stosowanie wysiłku fizycznego u chorych na przewlekłe choroby układu oddechowego ma na celu:
obiektywną ocenę stopnia zaburzeń czynności płuc
- określenie wydolności tych chorych oraz dopuszczanych obciążeń,
- ułatwienie rozpoznania przyczyn i mechanizmów upośledzenia oddychania, - ocenę skuteczności leczenia,
- usprawnianie.
Chorzy na przewlekłe choroby układu oddechowego mają ograniczoną wydo1ność wysiłkową. Podczas wysiłku fizycznego występuje u nich nadmierna w stosunku do obciążenia wentylacja płuc. Jest ona spowodowana większym przyspieszeniem oddechów i znacznie mniejszym wzrostem objętości oddechowej niż u ludzi zdrowych. W różnym stopniu zwiększone są nieelastyczne opory oddechowe i praca oddechowa. Powoduje to wraz z nierównomiernym przepływem krwi przez płuca zakłócenia stosunku wentylacji płuc do ich perfuzji Zmniejsza się wentylacja pęcherzykowa. W czasie wysiłku dochodzi do nieznacznego obniżenia lub nawet wzrostu stosunku wentylacji przestrzeni martwej do objętości oddechowej.
U części chorych pojawia się, a u innych nasila, hipoksemia. Jej przyczyną jest niedostosowanie wentylacji i perfuzji występujące w części płuc. W innych przypadkach zanika przypuszczalnie przepływ krwi przez kapilary niedostatecznie wentylowanych pęcherzyków. Wysiłkowa hipoksemia jest przyczyną odruchowego, dalszego zwiększenia się wentylacji płuc w wyniku bodźców z chemoreceptorów zatoki szyjnej. Hiperwentylacja części pęcherzyków płucnych podczas wysiłku przy obniżonej wentylacji pęcherzykowej może prowadzić do rozwoju lub zwiększenia hiperkapni.
Pewną rolę w ograniczeniu wydolności tych chorych odgrywa także zmęczenie mięśni oddechowych. Występuje ono, gdy wentylacja płuc przekracza 40% maksymalnej minutowej dowolnej wentylacji płuc. Nie bez znaczenia są również zmiany czynności układu krążenia w ograniczeniu zdolności wysiłkowych chorych na przewlekłe choroby układu oddechowego. Szczególnie dotyczy to niedostatecznego zwiększenia objętości wyrzutowej serca oraz znacznego wzrostu ciśnienia krwi w tętnicy płucnej w czasie wysiłku. Wszystkie opisane zmiany prowadzą do duszności wysiłkowej i zmniejszenia możliwości wysiłkowych. Chorzy mają często zdolność do wykonywania krótkotrwałych wysiłków fizycznych o znacznej intensywności i duże ograniczenie zdolności do wysiłków długotrwałych
Dzięki systematycznemu stosowaniu wysiłku fizycznego 0 odpowiednim natężeniu dochodzi do zwiększenia możliwości wysiłkowych chorych na przewlekłe choroby układu oddechowego. Nieznane jest jednak podłoże fizjologiczne tej poprawy. Nie występuje bowiem systematyczne zwiększenie sprawności wentylacyjnej, poprawa stosunku wentylacji do perfuzji lub wentylacji do płucnego krążenia krwi. Pewne znaczenie może mieć doskonalenie koordynacji ruchów i w wyniku tego zwiększenie współczynnika pracy użytecznej.
Ostatnio zaczyna się stosować u tych chorych ćwiczenia zwiększające siłę mięśni oddechowych, co może być przyczyną poprawy wentylacji pęcherzykowej.