การแลกเปลี่ยนก๊าซและการแพร่กระจายระหว่างการออกกำลังกาย

ในระหว่างการออกกำลังกาย ปอดจะต้องถ่ายเทออกซิเจนเข้าสู่เลือดและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากเลือดในปริมาณที่มากขึ้นอย่างมาก แม้ว่าการไหลเวียนของเลือดในปอดจะเพิ่มขึ้นหลายเท่าและเซลล์เม็ดเลือดแดงใช้เวลาในหลอดเลือดฝอยปอดน้อยลงก็ตาม การแลกเปลี่ยนก๊าซอธิบายว่าการระบายอากาศในถุงลมปอด การจับคู่ของการระบายอากาศกับการไหลเวียนเลือด และการแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-หลอดเลือดฝอย ทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อรักษาระดับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงให้คงที่ภายใต้ภาระนี้

Definition

การแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดระหว่างการออกกำลังกายคือการถ่ายเทออกซิเจนจากก๊าซในถุงลมปอดเข้าสู่เลือดฝอยในปอด และคาร์บอนไดออกไซด์ในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งถูกกำหนดโดยการระบายอากาศในถุงลมปอด การจับคู่การระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือด และการแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-หลอดเลือดฝอยภายใต้การไหลเวียนที่สูงของการออกกำลังกาย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมปัจจัยกำหนดของการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดระหว่างการออกกำลังกาย ได้แก่ การระบายอากาศในถุงลมปอดและสมการก๊าซในถุงลมปอด การกระจายและการจับคู่ของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด การแพร่กระจายของออกซิเจนผ่านผนังกั้นเลือด-ก๊าซ และบทบาทของเวลาการผ่านของหลอดเลือดฝอย และสถานการณ์ที่ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดงกว้างขึ้น นี่คือข้อมูลอ้างอิงและบทความเพื่อการศึกษา ไม่ใช่การประเมินการแลกเปลี่ยนก๊าซทางคลินิก

Core questions

• ปอดรักษาระดับความดันออกซิเจนในหลอดเลือดแดงให้คงที่ได้อย่างไรเมื่อการไหลเวียนของเลือดในปอดและความเร็วของเซลล์เม็ดเลือดแดงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว?
• การระบายอากาศและการไหลเวียนเลือดในปอดจับคู่กันได้อย่างไรในระหว่างการออกกำลังกาย?
• เมื่อใดที่การแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-หลอดเลือดฝอยกลายเป็นปัจจัยจำกัด?
• เหตุใดความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดงจึงอาจกว้างขึ้นที่อัตราการทำงานสูง?

Key concepts

• สมการก๊าซในถุงลมปอด
• การจับคู่การระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือด (V/Q)
• ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดง
• ข้อจำกัดในการแพร่กระจาย
• เวลาการผ่านของหลอดเลือดฝอยในปอด
• ความสามารถในการแพร่กระจายของปอด
• ภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำในหลอดเลือดแดงที่เกิดจากการออกกำลังกาย

Mechanisms

เมื่อการออกกำลังกายเพิ่มความเข้มข้นขึ้น การระบายอากาศในถุงลมปอดที่เพิ่มขึ้นและการไหลเวียนเลือดที่สม่ำเสมอมากขึ้นจะช่วยปรับปรุงการจับคู่โดยรวมของการระบายอากาศกับการไหลเวียนเลือด ในขณะที่ความสามารถในการแพร่กระจายของปอดเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเปิดใช้งานและขยายหลอดเลือดฝอยในปอดมากขึ้น การถ่ายเทออกซิเจนขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความดันผ่านผนังกั้นเลือด-ก๊าซ และเวลาที่เซลล์เม็ดเลือดแดงใช้ในหลอดเลือดฝอยในปอด ที่ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกสูงมาก เวลาการผ่านนี้จะสั้นลง และในบางบุคคล การปรับสมดุลของออกซิเจนจะไม่สมบูรณ์ ทำให้เกิดข้อจำกัดในการแพร่กระจาย เมื่อรวมกับความไม่เท่าเทียมกันของการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือดในระดับหนึ่ง สิ่งนี้สามารถทำให้ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดงกว้างขึ้น และในนักกีฬาที่มีสมรรถภาพสูงบางคน อาจนำไปสู่การลดลงของความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงที่วัดได้ในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนัก (Dempsey 1999) ประสิทธิภาพของการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดเป็นหนึ่งในส่วนเชื่อมโยงในเส้นทางการขนส่งออกซิเจนที่กว้างขึ้นจากปอดไปยังกล้ามเนื้อ (Wagner 1996) และพลวัตของการรับออกซิเจนเมื่อเริ่มทำงานสะท้อนให้เห็นว่าระบบนี้ตอบสนองได้เร็วเพียงใด (Whipp 1972)

Clinical relevance

การวัดการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างการออกกำลังกาย เช่น ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดง และความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดแดง ให้ข้อมูลสำหรับการตีความการทดสอบสมรรถภาพหัวใจและปอด และการศึกษาว่าโรคปอดจำกัดการออกกำลังกายได้อย่างไร บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาปกติเพื่อการอ้างอิง และไม่ใช่แนวทางการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

คำอธิบายเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนก๊าซในการออกกำลังกายอ้างอิงจากการศึกษาในมนุษย์โดยใช้เทคนิคการกำจัดก๊าซเฉื่อยหลายชนิดและการวัดก๊าซในเลือดแดง พร้อมด้วยบทวิจารณ์เชิงบูรณาการและตำราสรีรวิทยาทางเดินหายใจ (Dempsey 1999; Wagner 1996; ตำราของ West) หลักฐานที่นำเสนอเป็นเชิงกลไกและเชิงสังเกตการณ์

History

การแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดระหว่างการออกกำลังกายได้รับการชี้แจงผ่านงานวิจัยในช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมปอดกับหลอดเลือดแดง เทคนิคการกำจัดก๊าซเฉื่อยหลายชนิดสำหรับการแยกแยะการกระจายตัวของการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือด และการศึกษาข้อจำกัดในการแพร่กระจายและภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำในผู้ที่มีสมรรถภาพทางกายดี (Wagner 1996; Dempsey 1999)

Debates

เหตุใดภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำในหลอดเลือดแดงที่เกิดจากการออกกำลังกายจึงเกิดขึ้นในนักกีฬาบางคนแต่ไม่เกิดขึ้นในคนอื่น?

การมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของข้อจำกัดในการแพร่กระจาย ความไม่เท่าเทียมกันของการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือด และภาวะหายใจน้อยเกินไปสัมพัทธ์ต่อการลดลงของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงที่พบในบุคคลที่มีสมรรถภาพทางกายดีบางคนในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนักยังคงเป็นหัวข้อที่ถกเถียงกันอย่างต่อเนื่อง

Key figures

• Jerome A. Dempsey
• Peter D. Wagner
• John B. West
• Brian J. Whipp
• Susan R. Hopkins

Seminal works

• dempsey-1999
• wagner-1996

Frequently asked questions

เหตุใดปอดจึงรักษาระดับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงให้คงที่ในระหว่างการออกกำลังกาย?

การระบายอากาศและการไหลเวียนเลือดที่เพิ่มขึ้นและสม่ำเสมอมากขึ้น การเปิดใช้งานหลอดเลือดฝอยในปอดที่เพิ่มความสามารถในการแพร่กระจาย และความแตกต่างของความดันออกซิเจนที่มากผ่านเยื่อหุ้มปอด ทำให้เลือดสามารถรับออกซิเจนได้เกือบเต็มที่แม้ในอัตราการไหลเวียนที่สูง

ภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำในหลอดเลือดแดงที่เกิดจากการออกกำลังกายคืออะไร?

คือการลดลงของความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงที่วัดได้ในระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนัก ซึ่งพบในนักกีฬาที่ได้รับการฝึกฝนมาอย่างดีบางคน โดยมีสาเหตุมาจากข้อจำกัดในการแพร่กระจายจากการที่เวลาการผ่านของเซลล์เม็ดเลือดแดงสั้นลง และความไม่เท่าเทียมกันของการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือดบางส่วน