วันพฤหัสบดีที่ 11 มิถุนายน พ.ศ. 2569

Exercise Physiology

Exercise Physiology

แนวคิดสำคัญ

1.       การออกกำลังกายต้องอาศัยการทำงานร่วมกันของ กล้ามเนื้อ + ระบบเผาผลาญ + หัวใจและหลอดเลือด + ปอดและการแลกเปลี่ยนแก๊ส เพื่อส่ง O₂ ให้เนื้อเยื่อและกำจัด CO₂/H⁺ ที่เพิ่มขึ้นระหว่าง exercise

2.       VO₂ max เป็นตัวชี้วัดสมรรถภาพแอโรบิกสูงสุด (“gold standard” ของ cardiorespiratory fitness)

3.       โดยทั่วไปในคนปกติ ข้อจำกัดหลักของ VO₂ max คือ cardiac output มากกว่าการระบายอากาศ

ศัพท์สำคัญ

ตัวแปร

ความหมาย

V̇E

Minute ventilation

V̇O₂

Oxygen uptake

V̇O₂ max

Highest oxygen uptake ที่เพิ่ม workload แล้วไม่เพิ่มต่อ

V̇CO₂

CO₂ output

RER

V̇CO₂/V̇O₂

LT

Lactate threshold

Ventilatory threshold

จุดที่ V̇CO₂ เพิ่มมากกว่า V̇O₂

Breathing reserve index

V̇Epeak / MVV

RER: respiratory exchange ratio

MVV: maximum voluntary ventilation

กล้ามเนื้อและพลังงาน

ชนิดของกล้ามเนื้อ

ชนิด

ลักษณะ

การใช้งานเด่น

Type I

Myoglobin สูง, mitochondria สูง, oxidative สูง

Endurance, fatigue-resistant

Type IIA

Oxidative + glycolytic

Mixed

Type IIX

Glycolytic สูง, myoglobin ต่ำ

แรงสูง ระยะสั้น

แหล่งพลังงาน

1.       Phosphocreatine (PCr) shuttle

— แหล่งพลังงานทันทีในช่วงเริ่ม exercise/งานระยะสั้น

2.       Oxidative phosphorylation

— แหล่ง ATP หลักและมีประสิทธิภาพสูงสุด (≈26 ATP ต่อ pyruvate) ใช้ glycogen และ fatty acid

3.       Glycolysis

— สร้าง ATP ได้เร็วแต่มีประสิทธิภาพต่ำ (2 ATP ต่อ glucose) และสัมพันธ์กับ lactate accumulation

Lactate ไม่ได้หมายความว่าขาดออกซิเจนเสมอไป

แนวคิดสมัยใหม่มองว่า lactate threshold เกิดเมื่อ pyruvate/lactate production มากกว่าอัตราที่ TCA cycle (Tricarboxylic Acid / Krebs) จะใช้ได้ ไม่ใช่เพียง “anaerobic เพราะขาด O₂” อย่างเดียว

ระบบไหลเวียนโลหิต

Fick principle

V˙O2 = Q˙times (CaO2 − CvO2)

ดังนั้น VO₂ เพิ่มได้จาก cardiac output เพิ่ม หรือ เนื้อเยื่อดึง O₂ เพิ่ม หรือทั้งสองอย่าง

การตอบสนองสำคัญ

1.       Heart rate (HR)

o   เพิ่มเกือบเชิงเส้นกับ VO₂

o   ค่าคาดการณ์สูงสุด: 208 − 0.7 × อายุ (แม่นยำกว่า 220 − อายุ ในหลายกลุ่มประชากร)

2.       Stroke volume (SV)

o   เพิ่มแบบ hyperbolic

o   การฝึก endurance สามารถเพิ่ม SV ได้มาก

3.       Cardiac output

o   เพิ่มได้ประมาณ 4–5 เท่าจาก resting ในคนปกติ

o   Elite athlete อาจ >40 L/min

4.       Systemic circulation

o   SBP เพิ่ม, DBP มักคงเดิม

o   SVR ลดลงจาก vasodilation ในกล้ามเนื้อที่ทำงาน

o   O₂ extraction ratio เพิ่มจาก ~25–30% ที่พัก เป็นได้ถึง ~75% ที่ exercise สูงสุด

ระบบหายใจ

Ventilation

  • V̇E เพิ่มจากทั้ง tidal volume และ respiratory rate
  • สามารถเพิ่มได้ประมาณ 10 เท่า จาก resting

Ventilatory threshold

  • จุดที่ V̇E/V̇O₂ เริ่มเพิ่มขึ้นโดยที่ V̇E/V̇CO₂ ยังไม่เพิ่ม มักใกล้เคียงกับ lactate threshold
  • ใช้ประเมิน fitness และ exercise limitation ได้

Breathing reserve

  • BRI = V̇Epeak / MVV
  • คนปกติมักไม่เกิน ~0.75 ที่ peak exercise → แสดงว่าปอดยังเหลือ reserve
  • Parenchymal lung disease มักมี reserve ต่ำ

Ventilatory efficiency

  • ดูจาก V̇E/V̇CO₂ slope หรือ nadir V̇E/V̇CO₂
  • ค่า >30–32 บ่งชี้ประสิทธิภาพต่ำ พบใน HF และ pulmonary hypertension

การรักษา Oxygenation ระหว่าง exercise

PaO₂ โดยทั่วไปคงใกล้ค่าปกติแม้ metabolic demand สูงขึ้น เนื่องจาก:

1.       Hyperventilation → PAO₂ สูงขึ้น

2.       V/Q matching ดีขึ้น

3.       Diffusing surface area เพิ่ม

4.       Shunt fraction ลดลง

นักกีฬาระดับสูงบางคนอาจมี exercise-induced arterial desaturation ได้จาก diffusion limitation และ transit time สั้นมาก

Cardiopulmonary Exercise Testing (CPET)

ตัวชี้วัดหลัก

ตัวชี้วัด

ความหมายทางคลินิก

Peak VO₂ / VO₂ max

ตัวชี้วัด fitness และ prognosis

Lactate threshold

สะท้อนความสามารถในการทำงานแบบต่อเนื่อง

V̇E/V̇CO₂ slope

Ventilatory efficiency

Heart rate reserve

Chronotropic competence

Breathing reserve

ข้อจำกัดจากระบบหายใจ

VO₂ max ปกติ มักตัด pathology รุนแรงได้มาก

ถ้า VO₂ max ปกติ มักตัดโรคหัวใจ ปอด และ neuromuscular ที่รุนแรงได้มาก แม้ยังอาจมี abnormality เล็กน้อยที่ถูกชดเชยได้

Lactate Threshold (LT)

  • จุดที่ lactate ในเลือดเริ่มเพิ่มอย่างต่อเนื่อง
  • คนปกติมักเกิดที่ >40% ของ predicted VO₂ max
  • นักกีฬา endurance อาจเลื่อนไปที่ 80–90% ของ VO₂ max
  • ในโรคหัวใจ มักเกิดเร็วขึ้น (threshold ต่ำลง)

สาเหตุของความล้า (Fatigue)

Peripheral fatigue เกี่ยวข้องกับ

1.       Metabolite accumulation (H⁺, lactate, K⁺, ammonia)

2.       Depletion ของ phosphocreatine/ATP

3.       Glycogen depletion (“hitting the wall” ใน endurance event)

การฝึกช่วยลด lactate และ ammonia accumulation ที่ workload เดียวกัน

Adaptations ต่อการฝึก

Muscle

  • Mitochondria เพิ่ม
  • Capillary density เพิ่ม
  • Fiber hypertrophy (resistance training)
  • Fat utilization ดีขึ้น

Cardiovascular

  • LV hypertrophy แบบ physiological
  • Stroke volume เพิ่ม
  • Peripheral resistance ลด
  • Resting HR ลด

Respiratory

  • V̇E ที่ workload เดียวกันลดลง
  • Ventilatory efficiency ดีขึ้น

Overall

  • VO₂ max เพิ่ม
  • Lactate threshold สูงขึ้น
  • ทน exercise ได้มากขึ้น

ประเด็นที่ใช้บ่อยทางคลินิก

1.       VO₂ max ต่ำ + HR reserve ต่ำ → พิจารณา chronotropic incompetence/β-blocker effect

2.       VO₂ max ต่ำ + breathing reserve ต่ำ → pulmonary limitation

3.       V̇E/V̇CO₂ slope สูง → HF / pulmonary vascular disease

4.       Lactate threshold ต่ำ → deconditioning, HF, ischemia หรือโรคระบบเผาผลาญ

5.       Anemia ลด exercise capacity ผ่านการลด CaO₂ แม้ปอดและหัวใจปกติ

Bottom line

1.       สมรรถภาพการออกกำลังกายเป็นผลรวมของ O₂ delivery (หัวใจ/เลือด) + O₂ extraction (กล้ามเนื้อ) + ventilation/gas exchange (ปอด).

2.       VO₂ max เป็นตัวชี้วัดหลักของ aerobic capacity และมักถูกจำกัดโดย cardiac output ในคนปกติ.

3.       Lactate threshold และ ventilatory efficiency (V̇E/V̇CO₂) เป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมิน fitness และโรคหัวใจ/ปอด.

4.       การฝึก endurance ทำให้เกิดการปรับตัวทั้งที่ กล้ามเนื้อ หัวใจ หลอดเลือด และปอด ส่งผลให้ VO₂ max สูงขึ้นและทน exercise ได้มากขึ้น.

 

ที่
ป้ายกำกับ:

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

สมัครสมาชิก: ส่งความคิดเห็น (Atom)