การขนส่งออกซิเจนและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ

ออกซิเจนที่รับเข้าสู่ปอดจะต้องถูกลำเลียงไปในเลือดและส่งไปยังกล้ามเนื้อที่กำลังทำงาน ซึ่งออกซิเจนจะถูกสกัดออกจากเลือดที่ไหลผ่าน ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ (arterio-venous oxygen difference) เป็นตัววัดปริมาณออกซิเจนที่เนื้อเยื่อดึงออกจากเลือดแต่ละหน่วย และเมื่อรวมกับปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออก (cardiac output) จะเป็นตัวกำหนดการใช้ออกซิเจนทั่วร่างกาย หัวข้อนี้จะติดตามการเดินทางของออกซิเจนตลอดเส้นทางการขนส่ง และอธิบายว่าการส่งมอบและการสกัดออกซิเจนเพิ่มขึ้นอย่างไรในระหว่างการออกกำลังกาย

Definition

ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ (arterio-venous oxygen difference) คือความแตกต่างของปริมาณออกซิเจนระหว่างเลือดแดงและเลือดดำผสม ตามหลักการของฟิก การใช้ออกซิเจนเท่ากับปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกคูณด้วยความแตกต่างนี้ ดังนั้นการใช้ออกซิเจนระหว่างการออกกำลังกายจึงเพิ่มขึ้นจากการเพิ่มขึ้นทั้งการไหลเวียนของเลือดและการสกัดออกซิเจน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการขนส่งออกซิเจนจากปอดไปยังไมโทคอนเดรีย หลักการของฟิก (Fick principle) ที่เชื่อมโยงการใช้ออกซิเจนกับปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ การขยายความแตกต่างดังกล่าวเมื่อกล้ามเนื้อสกัดออกซิเจนมากขึ้นระหว่างการออกกำลังกาย และปัจจัยที่กำหนดการใช้ออกซิเจนสูงสุด เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและเพื่อการศึกษา ไม่ใช่การประเมินทางคลินิกหรือการฝึกอบรม

Core questions

• ออกซิเจนถูกลำเลียงจากปอดไปยังกล้ามเนื้อที่กำลังทำงานได้อย่างไร?
• ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำร่วมกันกำหนดการใช้ออกซิเจนได้อย่างไร?
• เหตุใดความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำจึงกว้างขึ้นระหว่างการออกกำลังกาย?
• อะไรเป็นตัวกำหนดอัตราการใช้ออกซิเจนสูงสุด?

Key concepts

• หลักการของฟิก (Fick principle)
• กระบวนการขนส่งออกซิเจน (Oxygen transport cascade)
• ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ (Arterio-venous oxygen difference)
• การส่งมอบออกซิเจน (ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออก x ปริมาณออกซิเจนในเลือดแดง) (Oxygen delivery (cardiac output x arterial oxygen content))
• การสกัดออกซิเจน (Oxygen extraction)
• การใช้ออกซิเจนสูงสุด (VO2max) (Maximal oxygen uptake (VO2max))
• กราฟการแตกตัวของออกซีฮีโมโกลบิน (Oxyhemoglobin dissociation curve)

Mechanisms

ออกซิเจนเคลื่อนที่ไปตามลำดับของความดันย่อยที่ลดลงจากก๊าซในถุงลมไปยังเลือดฝอยในปอด ผ่านการไหลเวียนโลหิตทั่วร่างกาย และเข้าสู่กล้ามเนื้อไปยังไมโทคอนเดรีย การใช้ออกซิเจนทั่วร่างกายอธิบายโดยหลักการของฟิกว่าเป็นผลคูณของปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ (Stringer 1997) ในระหว่างการออกกำลังกาย ปัจจัยทั้งสองจะเพิ่มขึ้น: ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกเพิ่มขึ้นผ่านอัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่หัวใจบีบออกต่อครั้งที่สูงขึ้น ในขณะที่กล้ามเนื้อที่กำลังทำงานจะสกัดออกซิเจนจากเลือดแต่ละหน่วยมากขึ้น ทำให้ปริมาณออกซิเจนในเลือดดำลดลงและขยายความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ การสกัดออกซิเจนได้รับการส่งเสริมโดยการเลื่อนไปทางขวาของกราฟการแตกตัวของออกซีฮีโมโกลบิน (oxyhemoglobin dissociation curve) ในสภาพแวดล้อมที่อบอุ่น เป็นกรด และมีคาร์บอนไดออกไซด์สูงของกล้ามเนื้อที่ทำงาน ซึ่งจะปล่อยออกซิเจนได้ง่ายขึ้น การใช้ออกซิเจนสูงสุดที่ถึงจุดอ่อนล้าสะท้อนถึงความสามารถแบบบูรณาการของเส้นทางการขนส่งนี้ โดยปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกและการแพร่และการใช้ออกซิเจนของกล้ามเนื้อต่างก็มีส่วนร่วมในการจำกัดสูงสุด (Wagner 1996) และความเร็วที่การใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้นเมื่อเริ่มทำงานสะท้อนถึงพลวัตของระบบนี้ (Whipp 1972)

Clinical relevance

การใช้ออกซิเจน ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออก และความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ เป็นตัวแปรสำคัญในการทดสอบสมรรถภาพหัวใจและปอด และในการทำความเข้าใจว่าเหตุใดภาวะหัวใจ ปอด และโลหิตวิทยาจึงลดความสามารถในการออกกำลังกาย เนื้อหานี้เสนอสรีรวิทยาปกติเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ข้อมูลนี้อ้างอิงจากการศึกษาในมนุษย์ที่วัดการใช้ออกซิเจน ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออก และปริมาณออกซิเจนในเลือดระหว่างการออกกำลังกาย และจากการวิเคราะห์แบบบูรณาการของปัจจัยที่กำหนดการขนส่งออกซิเจนสูงสุด ซึ่งสังเคราะห์ในบทวิจารณ์และตำราสรีรวิทยา (Wagner 1996; Stringer 1997; ตำราของ West) หลักฐานที่นำเสนอเป็นเชิงกลไกและเชิงสังเกตการณ์

History

กรอบแนวคิดสำหรับการขนส่งออกซิเจนย้อนไปถึงหลักการของอดอล์ฟ ฟิก ในศตวรรษที่ 19 ที่เชื่อมโยงการใช้ออกซิเจนกับการไหลเวียนของเลือดและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ สรีรวิทยาการออกกำลังกายในศตวรรษที่ 20 ได้วัดตัวแปรเหล่านี้ในอัตราการทำงานต่างๆ และพัฒนารูปแบบบูรณาการของข้อจำกัดในการใช้ออกซิเจนสูงสุด (Wagner 1996; Stringer 1997)

Debates

อะไรเป็นตัวจำกัดการใช้ออกซิเจนสูงสุด?

มีการถกเถียงกันว่าขีดจำกัดสูงสุดของการใช้ออกซิเจนถูกกำหนดโดยการส่งมอบออกซิเจนส่วนกลางเป็นหลัก (ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกและปริมาณออกซิเจนในเลือดแดง) หรือโดยการแพร่และการใช้ประโยชน์ในกล้ามเนื้อส่วนปลาย โดยการวิเคราะห์แบบบูรณาการชี้ให้เห็นถึงการมีส่วนร่วมจากหลายขั้นตอนของกระบวนการขนส่ง

Key figures

• Peter D. Wagner
• Karlman Wasserman
• Brian J. Whipp
• William W. Stringer
• August Krogh

Seminal works

• wagner-1996
• stringer-1997

Frequently asked questions

ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำบอกอะไรเรา?

มันบ่งชี้ว่าเนื้อเยื่อสกัดออกซิเจนจากเลือดแต่ละหน่วยไปมากน้อยเพียงใด ความแตกต่างที่กว้างขึ้นระหว่างการออกกำลังกายหมายความว่ากล้ามเนื้อกำลังดึงออกซิเจนที่เลือดส่งมาให้ไปใช้มากขึ้น

การใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้นมากระหว่างการออกกำลังกายได้อย่างไร?

ตามหลักการของฟิก การใช้ออกซิเจนคือปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออกคูณด้วยความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำ และระหว่างการออกกำลังกายทั้งสองอย่างจะเพิ่มขึ้น: หัวใจสูบฉีดเลือดมากขึ้นและกล้ามเนื้อสกัดออกซิเจนที่เลือดนำมาให้ในสัดส่วนที่มากขึ้น