ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาที, อัตราการเต้นของหัวใจ, และปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง

ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาที (Cardiac output) คือปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกไปในหนึ่งนาที ซึ่งเป็นผลคูณของอัตราการเต้นของหัวใจ (heart rate) และปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง (stroke volume) ในระหว่างการออกกำลังกาย ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีสามารถเพิ่มขึ้นได้หลายเท่าจากขณะพัก เนื่องจากอัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้นและปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นกลไกหลักในการส่งออกซิเจนไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงาน การที่อัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งมีส่วนร่วมอย่างไร และการที่ทั้งสองค่านี้ไปถึงขีดจำกัดสูงสุดอย่างไร เป็นตัวกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของการออกกำลังกายของร่างกายโดยรวม

Definition

ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาที (Cardiac output) คือปริมาณเลือดที่หัวใจบีบออกในหนึ่งนาที ซึ่งเท่ากับอัตราการเต้นของหัวใจคูณด้วยปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง โดยปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง (stroke volume) คือปริมาณเลือดที่บีบออกต่อการเต้นหนึ่งครั้ง และอัตราการเต้นของหัวใจ (heart rate) คือจำนวนครั้งที่หัวใจเต้นต่อนาที

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคำจำกัดความของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาที พฤติกรรมที่แตกต่างกันของอัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งตั้งแต่ขณะพักจนถึงการออกกำลังกายสูงสุด กลไกที่ทำให้แต่ละค่าเพิ่มขึ้น และวิธีการที่ผลคูณของทั้งสองค่านี้กำหนดการส่งออกซิเจน หัวข้อนี้ถือเป็นสรีรวิทยาอ้างอิงและไม่ได้ให้เกณฑ์การทดสอบหรือคำแนะนำในการฝึกซ้อม

Core questions

• ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีเพิ่มขึ้นจากขณะพักไปสู่การออกกำลังกายสูงสุดมากน้อยเพียงใด และอะไรเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดสูงสุด?
• อัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อความเข้มข้นของการออกกำลังกายเพิ่มขึ้น?
• กลไกใดบ้างที่ทำให้ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งเพิ่มขึ้นในระหว่างการออกกำลังกายแบบพลวัต?
• เหตุใดปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีส่วนกลางจึงถือเป็นข้อจำกัดหลักในการใช้ออกซิเจนสูงสุด?

Key concepts

• ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีเท่ากับอัตราการเต้นของหัวใจคูณด้วยปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง
• กลไกแฟรงก์-สตาร์ลิงและการไหลกลับของเลือดดำ
• อัตราส่วนการบีบออกและปริมาตรเลือดในหัวใจห้องล่างซ้ายช่วงคลายตัวเต็มที่
• อัตราการเต้นของหัวใจสูงสุด
• ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งคงที่
• หลักการของฟิกที่เชื่อมโยงปริมาณเลือดที่สูบฉีดกับปริมาณการใช้ออกซิเจน

Mechanisms

เมื่อเริ่มออกกำลังกาย การลดลงของการทำงานของระบบประสาทพาราซิมพาเทติก ตามด้วยการเพิ่มขึ้นของการกระตุ้นจากระบบประสาทซิมพาเทติก จะทำให้อัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้น ในขณะที่การทำงานของกล้ามเนื้อและการหดตัวของหลอดเลือดดำจะช่วยเพิ่มการไหลกลับของเลือดดำ การเติมเลือดที่มากขึ้น (กลไกแฟรงก์-สตาร์ลิง) ร่วมกับการเพิ่มขึ้นของความสามารถในการหดตัวของหัวใจ จะทำให้ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งเพิ่มขึ้น (Rowell, 1974) ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงความเข้มข้นต่ำถึงปานกลาง จากนั้นมีแนวโน้มที่จะคงที่ ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีในระดับความเข้มข้นสูงจึงขึ้นอยู่กับอัตราการเต้นของหัวใจเป็นส่วนใหญ่ (Åstrand et al., 1964) ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่ออัตราการเต้นของหัวใจสูงสุดสอดคล้องกับปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งที่เกือบสูงสุด และความสามารถในการส่งออกซิเจนส่วนกลางนี้เป็นปัจจัยหลักในการกำหนดปริมาณการใช้ออกซิเจนสูงสุด (Joyner & Casey, 2015)

Clinical relevance

พฤติกรรมของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาที อัตราการเต้นของหัวใจ และปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง เป็นพื้นฐานในการตีความผลการทดสอบการออกกำลังกาย และช่วยอธิบายว่าการทำงานของปั๊มหัวใจที่ลดลงสามารถจำกัดความทนทานต่อการออกกำลังกายได้อย่างไร ข้อมูลนี้เป็นสรีรวิทยาอ้างอิงเชิงพรรณนา และไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแนวทางในการวินิจฉัย พยากรณ์โรค หรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

คำอธิบายเชิงปริมาณมาจากงานวิจัยทางสรีรวิทยาแบบรุกรานแบบคลาสสิกและจากการทบทวนสังเคราะห์มากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก Åstrand และคณะได้วัดปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีในการทำงานแบบกึ่งสูงสุดและสูงสุด และการทบทวนของ Rowell ได้รวบรวมข้อมูลเหล่านี้เข้ากับภาพรวมที่กว้างขึ้นของการควบคุมระบบไหลเวียนโลหิต

History

การวัดปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีโดยตรงในระหว่างการทำงาน โดยใช้เทคนิคการเจือจางสีย้อมและหลักการของฟิก (Fick principle) ได้ถูกนำมาใช้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เพื่อศึกษาว่าปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีสัมพันธ์กับความเข้มข้นของการออกกำลังกายอย่างไร งานวิจัยของ Åstrand และคณะในปี 1964 เป็นคำอธิบายที่เป็นมาตรฐานของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีในระหว่างการทำงานแบบกึ่งสูงสุดและสูงสุด และการทบทวนในภายหลังได้นำผลการวิจัยเหล่านี้ไปรวมไว้ในการควบคุมระบบไหลเวียนโลหิตแบบบูรณาการ

Debates

ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งคงที่จริงหรือไม่ในระหว่างการออกกำลังกายในท่ายืน?

มีการถกเถียงกันว่าปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งจะคงที่ที่ความเข้มข้นปานกลางหรือยังคงเพิ่มขึ้นต่อไปจนถึงความพยายามสูงสุด โดยคำตอบขึ้นอยู่กับท่าทาง ความแข็งแรง และวิธีการวัด ในการออกกำลังกายแบบพลวัตในท่ายืน มักจะพบว่ามีภาวะคงที่

Key figures

• Per-Olof Åstrand
• Bengt Saltin
• Loring Rowell
• Michael Joyner

Seminal works

• astrand-1964
• rowell-1974
• joyner-casey-2015

Frequently asked questions

ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีคำนวณได้อย่างไร?

ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีเท่ากับอัตราการเต้นของหัวใจคูณด้วยปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้ง ดังนั้นจึงสะท้อนทั้งความเร็วที่หัวใจเต้นและปริมาณเลือดที่หัวใจบีบออกในแต่ละครั้ง

อัตราการเต้นของหัวใจหรือปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งเป็นตัวขับเคลื่อนการเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีในระหว่างการออกกำลังกาย?

ทั้งสองมีส่วนร่วม แต่ปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกแต่ละครั้งจะเพิ่มขึ้นเป็นหลักในช่วงความเข้มข้นที่ต่ำกว่าและมีแนวโน้มที่จะคงที่ ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีที่ความเข้มข้นสูงจึงขึ้นอยู่กับการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของอัตราการเต้นของหัวใจเป็นส่วนใหญ่