BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Brno, 2007
Kateřina Kolářová
PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA MASARYKOVY UNIVERZITY KATEDRA FYZIKY
Fyzikální parametry oběhové soustavy před a po zátěži u trénovaných jedinců
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
KATEŘINA KOLÁŘOVÁ Lékařská fyzika, 2007
Ráda bych touto cestou poděkovala MUDr. Lence Forýtkové, CSc. za odborné vedení bakalářské práce, vstřícnost, trpělivost a čas, který mi v průběhu jejího zpracování věnovala. Dále bych chtěla poděkovat prof. RNDr. Vojtěchovi Mornsteinovi, CSc. za cenné připomínky a Mgr. Tomášovi Pavlíkovi z Centra biostatistiky a analýzy za odbornou konzultaci. Děkuji také všem testovaným osobám, za poskytnutí cenných údajů získaných při laboratorních měřeních. Moje poděkování patří také všem nejmenovaným přátelům, kolegům a rodině za jejich podporu v průběhu celého studia.
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala sama a pouze s využitím pramenů v práci uvedených.
Anotace V tomto měření, které se zabývalo fyzikálními parametry oběhové soustavy člověka, bylo důležité porozumět základním fyzikálním a fyziologickým zákonům a poznatkům, které jsou popsány v teoretické části této práce. Měřenými parametry byly: tep, tlak krve, EKG a saturace krve kyslíkem. Hodnoty těchto parametrů byly získány na testovaných osobách, konkrétně od sportovců a lidí, kteří aktivně nesportují. Výsledky měření byly porovnány mezi trénovanými a netrénovanými muži a pak s teoretickou rovinou této práce.
Annotation In this experiment, which is considered by physically parameters of circulatory system of man, was important to know basics physicals and physiologies rules and pieces of knowledge, that are written in the theoretic part of this dissertation. Measured parameters were: pulse, blood pressure, ECG and saturation of blood. Values of these parameters were obtained from tested people, concretely from sportsmen and people, who have never sported. These results of measurement were compared between trained and untrained group of men and then confronted with the theoretic plane of this dissertation.
Klíčová slova: srdce, oběhová soustava, proudění krve, krevní tlak, tep, fyzická zátěž Keywords: heart, circulation system, circulation of blood, blood pressure, pulse, bodily loading
Obsah 1 Úvod............................................................................................................................... 9 Seznam použitých zkratek a symbolů…………………………………………………. 10 2 Teoretická část.............................................................................................................. 11 2.1 Srdce............................................................................................................................ 11 2.1.1 Struktura srdce.......................................................................................................... 11 2.1.2 Vlastnosti srdečního svalu...........................................................................11 2.1.2.1 Srdce jako pumpa (srdeční cyklus) ....................................................................... 12 2.1.3 Fyzikální vlivy, vztahy a ukazatele srdeční činnosti........................................ 12 2.1.3.1 Srdeční frekvence.................................................................................................. 12 2.1.3.1.1 Faktory ovlivňující SF........................................................................................ 12 2.1.3.2 Systolický, tepový objem.......................................................................................13 2.1.3.3 Mechanická práce srdce.........................................................................................13 2.1.3.4 Minutový srdeční výdej......................................................................................... 13 2.1.4 Projevy srdeční činnosti............................................................................................14 2.1.4.1 Typy svodů EKG....................................................................................................14 2.1.4.2 Tvar EKG...............................................................................................................14 2.2 Krevní oběh..................................................................................................................15 2.2.2 Morfofunkční vlastnosti cévního řečiště...................................................................16 2.2.2.1
Arteriální systém...................................................................................................16
2.2.2.2
Žilní systém...........................................................................................................17
2.2.3 Hemodynamika......................................................................................................... 17 2.2.3.1 Význam pružnosti tepen pro hemodynamiku........................................................ 17 2.2.3.2 Prodění krve žilami................................................................................................ 17 2.2.3.2.1 Pomocné mechanismy žilního proudění............................................................. 18 2.2.3.3 Proudění krve......................................................................................................... 18 2.2.3.3.1 Laminární proud..................................................................................................18 2.2.3.3.2 Turbulentní proud................................................................................................18 2.2.3.3.3 Rychlost a proudění krve.....................................................................................19 2.2.3.4 Fyzikální zákony proudění......................................................................................20 2.2.3.4.1 Tlak......................................................................................................................20 2.2.3.4.2 Pascalův zákon.....................................................................................................20
2.2.3.4.3 Hydrostatický tlak...............................................................................................20 2.2.3.4.4 Laplaceův zákon..................................................................................................20 2.2.3.4.5 Rovnice kontinuity............................................................................................. 20 2.2.3.4.6 Rovnice Bernoulliova......................................................................................... 21 2.2.3.4.7 Objemový tok..................................................................................................... 21 2.2.3.4.8 Celkový periferní odpor......................................................................................21 2.2.3.4.9 Úskalí aplikace fyzikálních zákonů................................................................... 21 2.2.3.5 Některé parametry cévního systému......................................................................22 2.2.4 Krevní tlak................................................................................................................ 23 2.2.4.1 Faktory ovlivňující velikost TK.............................................................................23 2.2.4.2 Hodnoty TK........................................................................................................... 24 2.2.4.3 Měření TK............................................................................................................. 24 2.2.5 Tep............................................................................................................................ 26 2.3 Kardiovaskulární systém při fyzickém zatížení.......................................................... 27 2.3.1 Reaktivní změny....................................................................................................... 27 2.3.2 Adaptační změny...................................................................................................... 29 2.4 Použité přístroje v experimentálním měření……………………………………........ 30 2.4.1 Laboratorní váha…………………………………………………………………... 30 2.4.2 Pacientský monitor………………………………………………………………... 31 2.4.3 Ergometr…………………………………………………………………………... 31
3 Cíle bakalářské práce………………………………………………………………... 32
4 Metodika………………………………………………………………………………33 4.1 Výběr jedinců a obecná charakteristika osob……………………………………….. 33 4.1.1 Antropometrie jedinců…………………………………………………………….. 33 4.1.2 Charakteristika souboru……………………………………………………............ 33 4.2 Postup vyšetření……………………………………………………………………... 34 4.2.1 Antropometrické vyšetření………………………………………………………... 34 4.2.2 Měření životně důležitých funkcí člověka …………………………...………….. 35 4.2.3 Zátěžové měření na bicyklovém ergometru formou konstantní zátěže……............ 35
5 Výsledky……………………………………………………………………………… 36 5.1 Naměřené parametry oběhové soustavy…………………………………………….. 36 5.2 Hodnoty zátěžového testu …………………………………………………………... 37 5.3 Výsledky zpracované v podobě tabulek a grafů…………………………………….. 38 5.3.1 Tepová frekvence…………………………………………………………………. 38 5.3.2 Krevní tlak…………………………………………………………………............ 43 5.3.3 Dechová frekvence………………………………………………………………... 44 5.3.4 EKG a saturace krve kyslíkem……………………………………………………. 45
6 Diskuze………………………………………………………………………………... 46
7 Závěr………………………………………………………………………………….. 49
8 Literární přehled…………………………………………………………………….. 50
1 Úvod V názvu bakalářské práce se objevuje pojem fyzikální parametry oběhové soustavy. A otázka zní: Co si vlastně pod těmito parametry představit? Fyzikální parametry jsou ukazatele, které mohou být měřeny nějakým, vhodně zvoleným fyzikálním experimentem, jenž je založen na znalosti obecných fyzikálních zákonů, týkajících se daného prostředí. Protože se v této práci jedná o oběhovou soustavu člověka, přesněji kardiovaskulární systém, je jasné, že v tomto případě bylo použito fyzikálních zákonů náležících hydrodynamice, resp. v tomto případě hemodynamice. Kardiovaskulární soustava se skládá z několika částí, které dělíme buď podle oběhu na malý plicní a velký tělní oběh nebo na systém cévní a krev. Přičemž centrální složkou je vždy srdce, které pracuje jako motor (pumpa) celého sytému a přečerpává tepnami okysličenou krev z plic do celého organismu. Konečné úseky tepen přecházejí v husté sítě vlásečnic, které ústí do žil. Ty se postupně sbíhají do jednotlivých žilných kmenů, které vedou zpět k srdci odkysličenou krev, putující opět k okysličení do plic. Lidské srdce tedy zajišťuje krevní oběh a zaujímá v hierarchii orgánových systémů lidského těla již odpradávna mimořádné postavení. Stačí si jen uvědomit, že každou minutu je do oběhu dodáno 5 – 6 litrů krve, což představuje za 70 let života asi 220 milionů litrů, a stejně tak je ohromující, že při frekvenci sedmdesáti stahů za minutu to za předpokládaných 70 let života činí 2,5 miliardy stahů. Taková dokonalost a vytrvalost je nepochybně jedním z největších divů světa. Oproti tomu na druhé straně stojí kardiovaskulární onemocnění, která jsou nejčastější příčinou úmrtí lidí na celém světě. Je proto nutné jim jakýmkoliv způsobem předcházet. Nejlepší prevencí je proto dodržování správného životního stylu, ke kterému samozřejmě patří i fyzická aktivita člověka. O sportování se všeobecně ví, že je zdraví prospěšné. Sport pěstuje fyzickou krásu a udržuje tělo v dobré zdravotní kondici. Potvrdilo se také, že sport, nevykonávaný na vrcholové úrovni, skutečně hraje preventivní roli při předcházení mnoha chorobám, cukrovkou počínaje a chorobami srdce a cév zdaleka nekonče, a že síla našeho srdce přímo souvisí s naší fyzickou i psychickou kondicí. Při správném a pravidelném tréninku se srdeční sval posiluje a zvětšuje svůj objem. To přispívá k tomu, že je schopné se lépe vyrovnat s fyzickou zátěží a pokrýt veškeré tělem na něj kladené nároky. Z těchto důvodů, má tato práce snahu poukázat na funkční rozdíly mezi „trénovaným“ srdečně-cévním aparátem a oběhovým systémem netrénovaného člověka a potvrdit tak všeobecně známé reakce oběhové soustavy na fyzickou zátěž u těchto dvou skupin lidí.
-9-
Seznam použitých zkratek a symbolů ATH – aktivní tělesná hmota (celková hmotnost člověka bez tukové složky) BMI - (body mass index) index tělesné hmotnosti DTK - tlak diastolický Ek - kinetická energie EKG - elektrokardiografie, elektrokardiogram Ep - potenciální energie MTK - tlak střední NTK - tlak normální PTK - tlak pulsový Q - minutový srdeční výdej Qs - systolický, tepový objem RF - dechová (respirační) frekvence SF - srdeční frekvence SFmax - srdeční frekvence maximální SFtr - srdeční frekvence tréninková SI - základní jednotky měrného systému SI SpO2 - saturace krve kyslíkem STK - tlak systolický TK - krevní tlak ↑ - zvýšení (přírůstek, vzestup, zmnožení) ↓ - zmenšení (úbytek, pokles) 0 - nulová hodnota (žádná změna, bez rozdílu)
Pozn.: V seznamu nejsou uvedeny symboly a zkratky všeobecně známé nebo používané jen ojediněle s vysvětlením v textu.
- 10 -
2 Teoretická část 2.1 Srdce 2.1.1 Struktura srdce Srdce je dutý svalový orgán uložený v osrdečníku a tvořený čtyřmi oddíly: dvěma předsíněmi a dvěma komorami. Předsíně slouží jako rezervoáry, z nichž se plní komory (Hrazdíra, Mornstein, 2001). Svalovina komor je podstatně silnější než svalovina síní, svalovina levé komory je nejsilnější. Mezi síněmi a komorami jsou blanité chlopně cípaté, které brání zpětnému toku krve z komor do síní a jsou opatřeny šlašinkami, které udržují chlopně v normální poloze. Na začátku aorty a plicní tepny jsou chlopně poloměsíčité, které tlakem krve v aortě uzavřou srdce a zabrání toku krve z aorty a plicní tepna zpět do srdce (Novotný, Hruška, 1997).
Obr. 1. Popis struktury srdce (převzato z: (URL2)) Starlingův zákon: síla stahu srdce závisí na předchozím protažení srdečních vláken (URL 2).
2.1.2 Vlastnosti srdečního svalu Z mechanického pohledu je srdce pumpa, složená ze čtyř oddělených, jednosměrných čerpadel. Vzhledem k existenci malého a velkého krevního oběhu můžeme srdce považovat za synchronizované dvojité čerpadlo, které především vykonává tlakově objemovou práci a pak práci vynaloženou na zrychlení hmoty tepového objemu na rychlost při vypuzení (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005).
- 11 -
2.1.2.1 Srdce jako pumpa (srdeční cyklus) Srdečním cyklem máme na mysli interakce předsíní, komor a chlopní, který má dvě části: systolu (vypuzení krve) a diastolu (plnění dutin, relaxaci) síní a komor. Činností srdce tedy rozumíme jejich rytmické opakování, přičemž srdce vhání krev do tepen (slouží jako přetlakové čerpadlo) a nasává krev z žil (slouží i jako podtlakové čerpadlo).
2.1.3 Fyzikální vlivy, vztahy a ukazatele srdeční činnosti 2.1.3.1 Srdeční frekvence Nejpřístupnějším a proto nejčastěji měřeným parametrem je SF, která je u zdravého člověka dána aktivitou sinusového uzlíku, a která průměrně činí asi 70 cyklů.min-1 (URL 2). Jestliže se SF při zatížení zvyšuje přímo úměrně intenzitě zatížení, pak se zkracuje diastola více než systola. Tento děj trvá až do určité hodnoty - Conconiho prahu, při kterém se komory během nulového nitrokomorového tlaku už nestačí zcela naplnit pouhou svojí relaxací.
2.1.3.1.1 Faktory ovlivňující SF Existuje řada ovlivňujících faktorů: -
genetická dispozice (vrozená vagotonie, sympatikotonie)
-
trénovanost (především vytrvalostního tréninku)
-
teplota tělesného jádra (vzestup teploty o 1 stupeň → zvýšení SF o 10 tep∙min-1)
-
poloha těla (vleže nižší, ve stoji vyšší)
-
klimatické podmínky (v horkém prostředí ↑, v chladném ↓)
-
intenzita a typy fyzické zátěže (nejvyšší SF je u submaximální intenzity zátěže)
-
psychická zátěž (před zkouškou - ↑ až na 140 tep∙min-1)
-
trávení (při trávení se SF ↑)
-
únava (SF může ↑ i při zátěži konané v rovnovážném stavu, tzn. při stejné intenzitě zatížení)
- reflexní dráždění (intrakardiální a extrakardiální vlivy jako např. stimulace z baroreceptorů, chemoreceptorů či proprioreceptorů ovlivňují SF) -
látkové vlivy (hormony, stimulancia – např. adrenalin nebo kofein, efedrin ↑ SF) (URL 2)
- 12 -
2.1.3.2 Systolický, tepový objem Systolický, tepový objem (Qs) je objem krve vypuzený do aorty v průběhu jedné systoly (60-80 ml). Srdce tak koná mechanickou práci. Na konci systoly zůstává v srdci 50 ml krve. Poměr mezi objemem krve na konci diastoly (120 ml) a systolickým objemem (70 ml) se nazývá ejekční frakce a činí u zdravého člověka 60 % (URL 2).
2.1.3.3 Mechanická práce srdce Srdeční sval dodává mechanickou prací krvi energii, která je během průtoku krve krevním řečištěm postupně rozptýlena do organismu ve formě tepla, vznikajícího třením. Nahradíme-li ve zjednodušené představě objemovou práci srdce objemovou prací pístu W, který při každém pohybu vytlačí tlakem p objem krve ∆V, pak celková práce bude dána vzorcem:
W = ∫ p ⋅ ∆V .
Součástí této celkové práce je i tzv. práce kinetická, která se číselně rovná kinetické energii systolického srdečního výdeje: Ek =
1 2 ρ ⋅ v ⋅ ∆V . 2
K výpočtu srdeční práce je třeba znát tlak krve v okamžiku systoly, tepový srdeční výdej a rychlost, již je krev vypuzována ze srdce. Práce pravé komory při jedné systole je rovna 20 % práce levé komory. U srdečního svalu je celková energie tvořena dvěma složkami: složkou, která se při stahu svaloviny mění v mechanickou práci, a složkou, která je potřebná k udržování stálého napětí (tonusu) (Hrazdíra, Mornstein, 2001).
2.1.3.4 Minutový srdeční výdej Minutový srdeční výdej (Q) představuje důležitý parametr srdeční práce a odpovídá 5 l∙min-1. Je násobkem srdeční frekvence a systolického objemu srdečního. Q = SF∙Qs Mereyův zákon říká, že SF a TK jsou v nepřímém vztahu (zejména se to projeví při poklesu TK) (URL 2).
- 13 -
2.1.4 Projevy srdeční činnosti Vedle projevů mechanických a akustických existuje i třetí projev srdeční činnosti – projev elektrický. Ten se zaznamenává pomocí elektrokardiografie (EKG), která převádí akční potenciály do záznamu. Elektrokardiogram je tedy záznam časové závislosti napěťových změn způsobených srdeční akcí, který je snímán z různých míst lidského, dobře vodivého, povrchu. EKG se snímá pomocí aktivní elektrody s indiferentní elektrodou na nulovém napětí (unipolární snímání) nebo pomocí dvou aktivních elektrod (bipolární snímání) (Ganong, 1997). Vlastní elektrody jsou ke kůži připevněny buď gumovými manžetami nebo pomocí přísavek. Dnes se používají i samolepící elektrody (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005).
2.1.4.1 Typy svodů EKG Běžně se používají končetinové svody bipolární (Eithovenovy I., II, III. - měří změny potenciálu mezi dvěma příslušnými elektrodami), končetinové unipolární (Goldbergerovy aVL, aVR, aVF - měří změny potenciálu mezi danou elektrodou a svorkou vzniklou spojením dvou protilehlých elektrod) a hrudní unipolární (Wilsonovy V1-V6, měří změny potenciálu mezi danou elektrodou a svorkou vzniklou spojením tří končetinových svodů, jedná se o nulovou elektrodu) (URL 1).
2.1.4.2 Tvar EKG
Obr. 2. Označení různých vln a kmitů na EKG křivce a jejich časové dimenze (převzato z: (URL 1)) - 14 -
Masa síňového myokardu je ve srovnání se srdečními komorami malá a také elektrické změny doprovázející jeho kontrakce jsou malé. Kontrakce (depolarizace) síní jsou na EKG spojeny s vlnou nazývanou „P“. Masa srdečních komor je velká, a proto jejich depolarizace vyvolává na EKG triplet kmitů, který se nazývá „komplex QRS“. Segment „ST“ s vlnou „T“ odráží návrat komorového myokardu do klidového stavu, tedy jeho „repolarizaci“ (Hampton, 2005). Depolarizace síní se obvykle neprojeví, protože je skryta v komplexu QRS. Jen na některých EKG může být patrna i vlna „U“. Nejlépe se nalézá ve svodech II, aVL, V2-4. Normálně je vlna U ploše pozitivní, vždy menší než vlna T a často nepřesahuje výšku 0,5 - 1 mm. Příčina této vlny není jasná. Soudí se na pozdější repolarizaci septa či opožděnou repolarizaci některých oblastí komory. Také se soudí, že je výsledkem repolarizace Purkyňových vláken. Vyskytuje se fyziologicky u mladých lidí a u sportovců a patologicky u hypokalémie (URL 3). Intervaly mezi jednotlivými vlnami a jim odpovídající děje jsou v tab.1. Normální trvání Průměr Rozsah PR 0,182 0,12-0,20 QRS 0,080 do 0,10 QT 0,400 do 0,43 ST (QT-QRS) 0,320 … Interval
Děje během intervalu depolarizace síní a AV vedení depolarizace komor a depolarizace síní depolarizace a depolarizace komor depolarizace komor
Tab.1. Intervaly na EKG Na záznamu se hodnotí tvary vln a kmitů, jejich výšky, a dále různé vzdálenosti. Výška vln a kmitů je úměrná velikosti srdečního proudu a pro její přesné hodnocení se na začátku záznamu popisuje kalibrační značka. Vzdálenosti nás informují o trván různých dějů srdečního cyklu. K tomu musíme znát rychlost posuvu záznamového papíru, většinou se užívá 25 mm·s-1. Při této rychlosti odpovídá 1 mm trvání 0,04 s. Ze záznamu lze také přesně zjistit SF (Vokurka, Hugo a kolektiv, 2000).
2.2 Krevní oběh Krevní oběh představuje z hydrodynamického hlediska uzavřený systém tvořený třemi složkami ve vzájemných dynamických vztazích. Jsou to: srdce, cévy a krev. Srdce je motorickým orgánem krevního oběhu, který dodává krvi kinetickou energii (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005). Cévy tvoří rozvodný systém. Jsou elastické, roztažitelné a tepny mají schopnost aktivní kontrakce. Krev je pohyblivá nestlačitelná složka, uváděná do pohybu činností srdce (Hrazdíra, Mornstein, 2001).
- 15 -
2.2.2 Morfofunkční vlastnosti cévního řečiště Podle struktury se cévy dělí do tří skupin na artérie a tepny s tří vrstevnou stěnou, přičemž u artérií je střední svalová vrstva silná a u vén slabá. Třetí skupinou jsou kapiláry pouze s jednovrstevnou stěnou, zvanou endotel.
Obr. 3. Rozdílná struktura cév (převzato z: (URL 2)) Ve vnitřní části tepen převařuje buď elastická nebo svalová složka, a tepny se podle toho dělí na tepny elastického nebo svalového typu. Elastická vlákna jsou především v arteriálním řečišti a zajišťují pružnost tepen. Kolagenní vlákna umožňují roztažitelnost, zejména kapilárního a venózního řečiště. Významná je také přítomnost vláken hladké svaloviny. Hladká svalová vlákna tepen umožňují vasokonstrikci a vasodilataci a tím přizpůsobí cévní řečiště aktuálním požadavkům organismu. Vlákna jsou pod řídícím vlivem autonomního nervového systému (URL 2).
2.2.2.1
Arteriální systém
Artérie elastického typu slouží k přenosu tlakové vlny vznikající systolou komor do periferie s co nejmenšími ztrátami. Mohou také změnou průsvitu reagovat na aktuální potřebu přívodu krve. Tyto cévy se při systolickém nárazu krve rozpínají a tlumí tlakovou výchylku, při diastole se vracejí do původního stavu a udržují arteriální tlak na potřebné výši, zachycují systolický vzestup tlaku a zajišťují tak rovnoměrnější proudění krve. Tepny svalového typu se stahují při regulaci průtoku. Hlavní funkcí arteriol je regulace průtoku v cévním řečišti (Kolektiv autorů, 2003).
- 16 -
2.2.2.2 Žilní systém Funkční morfologie žilního systému se vyznačuje navracením krve do srdce za účasti hladkého svalstva a chlopní. Žíly jsou rezervoárem cca 70 % celkového objemu krve. Vény malého a středního velikosti mají průměr 1-9 mm (Kolektiv autorů, 2003).
2.2.3 Hemodynamika Příčinou proudění krve jsou tlakové rozdíly mezi tepnou a žilní částí systému, které vznikají činností srdce (Hrazdíra, Mornstein, 2001).
2.2.3.1 Význam pružnosti tepen pro hemodynamiku Elastické struktury cévní stěny se vlivem krevního tlaku napínají a stěna cévy se deformuje. Deformace stěny cévy není přímo úměrná hodnotě intravaskulárního tlaku krve, ale hodnotě transmurálního tlaku (transmurální tlak je definován jako rozdíl intravaskulárního a extravaskulárního = tkáňového) (Kolektiv autorů, 2003).
Stěna artérií se neprojevuje jako dokonale elastická struktura, ale jako viskózněelastická (prudké zvýšení transmurálního tlaku způsobí větší změnu napětí stěny než stejná úroveň transmurálního tlaku dosažená pomalu). Tepny jsou součástí cévního systému s vysokým tlakem (aorta, artérie, arterioly) a slouží jako rezervoár tlakové energie, která zabezpečuje plynulý tok krve v cévním řečišti i při diastole srdce (Kolektiv autorů, 2003).
2.2.3.2 Proudění krve žilami Ve venulách a malých vénách je tok krve za normálních podmínek kontinuální. Rychlost krve v žilách roste od venul k srdci tak, jak se snižuje celkový průřez cévního řečiště. Vlivem gravitace na vény ležící pod úrovní srdce se projevuje zhoršení podmínek pro žilní návrat, působí zde už velmi omezeně tlakový gradient činnosti levé komory srdce (Kolektiv autorů, 2003).
- 17 -
2.2.3.2.1 Pomocné mechanismy žilního proudění Nejdůležitější z pomocných mechanismů je svalová pumpa, která stlačuje žíly svalovou kontrakcí. Žilní pumpu obsahují prakticky všechny žíly, které mají ve střední svalové vrstvě spirálovitě uspořádaná svalová vlákna, a která svou kontrakcí zvyšují žilní návrat. Zařadit zde můžeme i dýchání, při kterém během inspiria klesá nitrohrudní tlak a tím je krev nasávána do dutých žil a do pravé předsíně, chlopně v žilách zamezují zpětnému proudění. Dalším mechanismem je sací síla srdce, při které jsou během vypuzovací fáze kontrakce myokardu komor taženy cípaté chlopně dolů, tím se roztahují předsíně a klesá v nich tlak. A konečně sem patří i uspořádání cévního svazku, kdy v končetinách jsou probíhající žíly a tepny těsně vedle sebe a tím i tlaková vlna v tepně pomáhá žilnímu proudění (Kolektiv autorů, 2003).
2.2.3.3 Proudění krve Rozeznáváme dva typy proudění krve. To může být buď laminární (přímočaré - při nižší rychlosti) nebo turbulentní (vířivé – při zrychlení proudu) (Kolektiv autorů, 2003).
2.2.3.3.1 Laminární proud Laminárním (proudnicovým) proudem (obr. 4.A) označujeme nekonečně slabou vrstvu krve, která je v přímém kontaktu s cévní stěnou a nepohybuje se. Posupně směrem ke středu proudu se rychlost zvyšuje a uprostřed proudu je nejvyšší. Laminární proudění je zachováno až do kritické rychlosti. Při této rychlosti nebo nad ní je proud turbulentní (Kolektiv autorů, 2003).
2.2.3.3.2 Turbulentní proud Turbulentní proud (obr. 4.B) vytváří zvuky. Přechod proudění od laminárního k turbulentnímu
(obr.
4.C)
charakterizuje
hodnota
tzv.
Reynoldsova
čísla
Re.
Pravděpodobnost turbulence závisí přímo úměrně na hustotě kapaliny ρ, průměru uvažované trubice R, rychlosti proudu v a nepřímo úměrně závisí na dynamické viskozitě η a je dána vztahem Re =
ρ ⋅ R ⋅v . Viskozita krve je zvýšena při zpomalení krevního proudu η
a při ochlazení, kdy nastává hemokoncentrace (Kolektiv autorů, 2003).
- 18 -
A
B
C
Obr. 4. Vznik turbulentního proudění. A, laminární proudění; B, turbulentní proudění (při stejném poloměru jako A je vyšší rychlost proudění); C, změna laminárního proudění na turbulentní při zpomalení toku a zvětšení průměru (převzato z: (URL 1))
2.2.3.3.3 Rychlost a proudění krve Rychlost proudění krve je přímo úměrná průtoku a nepřímo úměrná průsvitu trubice, průměrná rychlost je tedy nejvyšší v aortě a nejnižší v kapilárách. Krev protéká kapilárami rychlostí 0,4 mm·s-1. V proximální části aorty je rychlost toku krve přibližně 40 cm∙s-1 (střední rychlost), průtok je fázický, tzn. že rychlost se v každé fázi mění. Cévní stěna se v systole roztahuje a v diastole stahuje, mluvíme o „Windkessel“ efektu. Kritická rychlost bývá překročena ve vzestupné aortě na vrcholu systolické ejekce. I změny v průsvitu arteriol mají velký vliv na systolický krevní tlak (Kolektiv autorů, 2003). Následkem vnitřního tření při proudění kapaliny trubicí je vektorové pole rychlosti proudění následkem vnitřního tření při proudění nehomogenní. Při podélném řezu trubicí v rovině procházejícím jejím středem vytváří pole rychlostí parabolu (obr. A), protože stěny cév vykazují různý stupeň pružnosti a roztažnosti. Proto parabolický rychlostní profil nalezneme jen v malých artériích. Ve větších artériích se parabolický tvar oplošťuje a ve větších artériích je rychlostní profil zátkový (Beneš, Stránský,Vítek, 2005).
Rychlost proudění vr ve vzdálenosti r od středu trubice je dána vztahem r2 v r = v m (1 − 2 ) , R kde vm je maximální rychlost proudění ve středu trubice. Z tohoto vztahu je zřejmé, že rychlost proudění u stěny trubice (r = R) je nulová. Hodnota vm může být vypočtena ze vztahu vm =
∆PR 2 . 4η
Je přímo úměrná tlakovému spádu ΔP na jednotku délky a průřezu trubice a nepřímo úměrná dynamické viskozitě kapaliny (Beneš, Stránský,Vítek, 2005).
- 19 -
2.2.3.4 Fyzikální zákony proudění 2.2.3.4.1 Tlak Působí-li na plochu S tlaková síla F (kolmo a rovnoměrně), pak skalární veličina p je definována vztahem
p=
F S
(Beneš, Stránský,Vítek, 2005).
2.2.3.4.2 Pascalův zákon Pascalův zákon říká, že tlak má v tekutinách ve všech směrech stejnou velikost, tlaky ve všech bodech téže horizontální roviny jsou stejné a tlak vzrůstá s hloubkou pod volným povrchem (Beneš, Stránský,Vítek, 2005). 2.2.3.4.3 Hydrostatický tlak Hydrostatický tlak p sloupce kapaliny o hustotě ρ =
m v hloubce h pod volným V
povrchem v tíhovém poli o libovolném zrychlení g je p = h∙ρ∙g (Beneš, Stránský,Vítek, 2005). 2.2.3.4.4 Laplaceův zákon Vztah mezi napětím T ve stěně pružné membrány uzavírající objem kapaliny s rozdílem tlaků p uvnitř a vně membrány je dán rovnicí p = T ⋅(
1 1 + ), R1 R2
kde R1 a R2 jsou hlavní poloměry křivosti membrány v daném bodě (Beneš, Stránský,Vítek, 2005). 2.2.3.4.5 Rovnice kontinuity Při ustáleném proudění ideální kapaliny uzavřeným systémem trubic o nestejném průměru platí (za předpokladu, že proudící kapalina je nestlačitelná), že součin průřezu S a rychlosti v ve všech uvažovaných bodech konstantní: S1 ⋅ v1 = S 2 ⋅ v 2 . Zanedbají-li se třecí síly, lze i sumu Ep a Ek kapaliny považovat za konstantní. Potenciální energie je dána tlakovým spádem mezi oběma body: E p = ( p 2 − p1 ) ⋅ ∆V . Rozdíl kinetické energie jednotkového objemu kapaliny mezi uvažovanými body je dána vztahem:
Ek =
1 1 ρ ⋅ v 22 − ρ ⋅ v12 (Hrazdíra, Mornstein, 2001). 2 2 - 20 -
2.2.3.4.6 Rovnice Bernoulliova Oba uvedené vztahy jsou základem tohoto zákona, podle něhož je suma Ek a Ep tekutiny v každém bodě uvažovaného systému konstantní (jde o zákon zachování energie). S přihlédnutím k vlivu gravitace platí: Σp +
1 ρ ⋅ v 2 + ρ ⋅ h ⋅ g = konst. (Hrazdíra, Mornstein, 2001). 2
2.2.3.4.7 Objemový tok Objem ΔQ kapaliny, která protéká přímou trubicí o poloměru R, délce L, při tlakovém spádu ΔP za čas Δt je dán Poiseuillovým – Hagenovým vztahem ∆V π 1 R4 = ∆P ⋅ ⋅ ⋅ ∆t 8 η L
(Beneš, Stránský,Vítek, 2005).
2.2.3.4.8 Celkový periferní odpor Odpor proudění Rp následkem vnitřního tření kapaliny a poloměru cévy. Při průtoku newtonovské kapaliny pevnou trubicí je definován jako poměr tlakového spádu k objemovému toku,
Rp =
∆P 8 L = ⋅η ⋅ 4 . Q π R
Odpory jednotlivých úseků cévního řečiště se sčítají a vytvářejí celkový periferní odpor. Z celkového periferního odporu připadá na úsek arteriální 68 % (z toho kolem 40 % na arterioly), na úsek kapilární 27 % a na úsek venózní 7 %. Celkový periferní odpor se počítá ze středního tlakového rozdílu mezi aortou a pravou předsíní, který za předpokladu, že tlak v pravé síni se blíží nule, je ΔP = 13,3 kPa, a z klidového minutového objemu srdečního (Q = 8,3-5·m3·s-1). Velikost periferního odporu je asi 1,5.105 kPa·m-3·s. Je třeba podotknout, že zvýšený periferní odpor (PO) cévního řečiště zvyšuje TK (Beneš, Stránský,Vítek, 2005).
2.2.3.4.9 Úskalí aplikace fyzikálních zákonů Ovšem použitelnost fyzikálních zákonů má v biologii své meze. Aplikace fyzikálních zákonů zde představují jen aproximaci ke skutečným poměrům. Např. Bernoulliova rov. předpokládá, že molekuly kapaliny se v celém průřezu trubice pohybují stejnou rychlostí – po zanedbání tření. Ve skutečnosti však rychlost jednotlivých vrstev kapaliny v trubici kolísá od hodnot nulových (u stěny) po hodnoty maximální (ve středu trubice). Rozdělení rychlostí jednotlivých vrstev má proto parabolický tvar. I Poiseuillův – Hakenův zákon pro krevní oběh je jen aproximací, protože zákon byl definován pro tekutiny newtonského typu (zatímco krev se od nich svými vlastnostmi poněkud liší) (Hrazdíra, Mornstein, 2001).
- 21 -
2.2.3.5 Některé parametry cévního systému
Obr. 5. Vztahy mezi rychlostí krevního proudu, krevním tlakem a plochou řečiště (převzato z: (URL 2))
Ukazatel 1. celkový objem krve (%) 2. tlak krve (torry) 3. rychlost proudu (cm·s-1) 4. celkový průřez 5. odpor stěn
artérie 20 140 až 50 (arterioly) 0 až 20 (arterioly) nejmenší velký
kapiláry 5 0,05 největší malý
vény 75 30 –10 až 2 (v. cava) 4 až 14 (v. cava) menší malý
Tab. 2. Charakteristiky hlavních částí cévního řečiště
Céva Tlak (kPa)- střední Poloměr Tloušťka Celkový průřez (cm2) aorta a velké artérie 13,3 ≤1,3 cm 2 mm 4,5 malé artérie 12 0,5 cm 1 mm 20 arterioly 8 0,15-0,06 mm 20 μm 400 kapiláry 4 4 μm 1 μm 4500 žilky 2,6 10 μm 2 μm 4000 žíly 2 ≥ 200 μm 0,5 mm 40 vena cava 1,3 1,6 cm 1,5 mm 1,8 Tab. 3. Některé parametry cévního systému
- 22 -
2.2.4 Krevní tlak Jako TK označujeme tlakovou sílu proudící krve působící na plošnou jednotku cévní stěny. Hnací silou pro oběh krve jsou z fyzikálního hlediska právě rozdíly tlaku mezi tepennou a žilnou částí oběhové soustavy, čili hydrodynamický tlakový spád. Protože žilní tlak je téměř nulový, můžeme považovat za hnací sílu v oběhové soustavě přímo velikost arteriálního krevního tlaku. Krevním tlakem se pak obvykle rozumí tlak arteriální, pokud není uvedeno jinak. TK je také dán vlivem objemové a tlakové práce srdce, vazkostí krve, odporem cév ale i spolupůsobením gravitace (Novotný, Hruška, 1997). Rozdíl mezi systolickým tlakem a diastolickým tlakem se nazývá tlaková amplituda. Systolický tlak slouží k vytlačení krve do aorty a k udělení potenciální energie elastické deformace stěně aorty a dalším tepnám, diastolický tlak k pohánění krve v periferní části krevního oběhu (Beneš, Stránský,Vítek, 2005). Velikost TK je sána vztahem TK = Q∙PO. Je třeba zdůraznit, že na základě doporučení Americké i Evropské kardiologické společnosti se nevyjadřují naměřené hodnoty krevního tlaku v kPa podle SI, ale většinou v mmHg nebo torrech (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005).
2.2.4.1 Faktory ovlivňující velikost TK -
věk (tlak s věkem ↑, děti 90/60, starší osoba 140/90)
-
pohlaví (u mužů častěji vyšší tlak)
-
polohu těla (vleže je lehce nižší)
-
činnost různých orgánů (↑ při práci, trávení)
-
emoce (↑)
-
teplotu (↑ za chladu, ↓ v teple)
-
změnu výživy
-
stav při a po fyzické zátěži
- 23 -
2.2.4.2 Hodnoty TK Naměřené hodnoty arteriálního tlaku: -
NTK = 120/80 torrů (16/10 kPa)
-
STK : 90-120 mmHg (horní hranice 150 mmHg)
-
DTK: 60-80 mmHg (horní hranice 90 mmHg) tlaková amplituda je normálně kolem 50 torrů
-
tlak rychle klesá v malých artériích a arteriolách, střední rychlost na konci arterioly je 30-38 torrů
-
velikost poklesu tlaku výrazně závisí na kontrakci nebo dilataci (URL 2)
Empirické vztahy pro výpočet fyziologických hodnot TK: v m Muži: STK = 110 + + ⋅ 133,3 [Pa] 2 10
2v m Ženy: STK = 102 + + ⋅ 133,3 [Pa] 3 6
v m DTK = 74 + + ⋅ 133,3 [Pa] 10 7
v m DTK = 78 + + ⋅ 133,3 [Pa] 6 12
(Mornstein, 2004).
Vypočtené hodnoty: -
PTK = STK - DTK
-
MTK = DTK +
1 PTK 3
(střední tlak se rovná diastolickému tlaku + jedné třetině tlakové amplitudy) (URL 2)
2.2.4.3 Měření TK Pro měření TK platí Bernoulliho zákon. TK je součtem tlaku dynamického a statického. Z pohledu hemodynamiky je rozhodující tlak dynamický, proto vždy měříme tlak krve na úrovni srdce, na a. brachialis (nepřímá metoda měření), aby se vyloučil vliv hydrostatického tlaku krve. Tepenný tlak lze měřit buď přímou metodou po zavedení kanyly do tepny a připojení k elektronickému manometru nebo nepřímou metodou. Nejčastěji se měří nepřímo (URL 2).
- 24 -
Princip nepřímé metody (manžetové) Všechny nepřímé metody měření TK vycházejí z principu Riva – Rocciho metody (obr. 6), při které porovnáváme tlak vzduchu v nafukovatelné manžetě se STK a DTK krve v artérii (Mornstein, 2004). Při těchto metodách tak používáme manžety na přerušení toku krve. Neměříme proto tlak v artérii, ale v manžetě. Tato metoda tedy spočívá na principu zevního zúžení průtoku tepnou nafukovací manžetou, napojenou na rtuťový tonometr. Po nahuštění manžety nad systolický tlak vyšetřované osoby se zvolna vypouští vzduch z manžety. Při vyrovnání tlaku v manžetě se systolickým tlakem v tepně začne za zúžením přerušovaně turbulentně proudit krev v pulsním rytmu do dolní části paže, krev naráží na stěny před tím vyprázdněné tepny Krokotkův fenomén (obr. 7), což je slyšet ve sluchátku fonendoskopu nad a. cubitalis v loketní jamce. Zvuky se oslabí ve chvíli, kdy v manžetě tlak klesne pod diastolický tlak a krev začne opět proudit (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005).
Digitální tonometr je založen na oscilometrickém principu, kdy sonda umístěná v manžetě vyhodnocuje změny elektrického pole způsobené pohybem komprimované cévní stěny, je-li komprese vyšší než diastolický a nižší než systolický tlak. Protože změny elektrického pole může vyvolávat i každý kosterní sval, není možné tuto metodu použít u lidí trpících trvalým svalovým třesem nebo u dětí, které nejsou klidné (Navrátil, Rosina a kolektiv, 2005).
Obr. 6. Měření krevního tlaku (převzato z: (URL 2))
- 25 -
TK [mmHg]
t [s] Obr. 7. Znázornění Krokotkova fenoménu v závislosti na STK a DTK (převzato z: (URL 1))
2.2.5 Tep Celý děj od naplnění síní a komor a vypuzení krve do arteriálního řečiště ze srdce nazýváme srdeční cyklus. Tento děj ovšem závisí i na objemu krve, tlaku a rychlosti krevního proudu. Opakuje se s frekvencí přibližně 70 cyklů∙min-1. Tlaková vlna, která při srdeční činnosti probíhá arteriální částí cévního systému, se nazývá tep neboli puls (Novotný, Hruška, 1997). Série těchto vln odpovídá srdečnímu rytmu a frekvenci. Z rychlosti a charakteru tepu lze usoudit na činnost srdce a na některé jeho arytmie (Vokurka, Hugo a kolektiv, 2000).
Pulsová vlna je rychlejší než rychlost krevního proudu, je hmatná na periferii. Grafickým znázorněním žilního pulsu je flebogram a arteriálního sfygmogram (URL 2).
Obr. 8. Flebogram (převzato z: (URL 2))
Obr. 9. Sfygmogram (převzato z: (URL 2)) - 26 -
2.3 Kardiovaskulární systém při fyzickém zatížení 2.3.1 Reaktivní změny Redistribuce krve (přesun do svalů) nastává při kompenzační vasokonstrikci vnitřních orgánů. Vzniká relativní ischémie s následky (ledviny – zátěžová proteinurie, žaludeční sliznice - dispozice pro vznik vředové choroby). Zvýšení ukazatelů oběhových funkcí v závislosti na intenzitě zatížení, nejvyšší hodnoty jsou u submaximální intenzity zatížení, pro SF platí i maximální intenzita (URL 2).
ostatní útroby ledviny kůže srdce CNS svaly
klid 600 1400 1100 500 250 750 1200
Q [l∙min-1]
5,8
lehká těžká maximální 400 400 100 1100 600 300 900 600 250 1500 1900 600 350 750 1000 750 750 750 4500 12500 22500 9,5
17,5
25
Tab. 4. Distribuce krve při různých intenzitách
Obr. 10. Distribuce krve při různých intenzitách
zatížení (ml) (převzato z: (URL 2))
zatížení (v %) (převzato z: (URL 2))
SF se při zatížení zvyšuje přímo úměrně intenzitě zatížení až do určité hodnoty (Conconiho práh). Rozdílná reakce je pozorována u vagototonika a sympatikotonika (obdoba u trénovaného, netrénovaného jedince). Vagotonik má nižší klidové, zátěžové i pozátěžové hodnoty SF (URL 2).
t [min] Obr. 11. Oběhová reakce při zatížení (převzato z: (URL 2)) - 27 -
Pro výpočty maximální a submaximální hodnoty srdeční frekvence jsou používány orientační vzorečky. Někdy jsou používány korekce s ohledem na pohlaví (Placheta, Siegelová a kol., 2005).
SFsubmax = 200 - věk Nejčastěji se používá vzorec: SFmax = 220 – věk (roky) SFmax = 210 – (0,65 ∙ věk)
Jiné postupy:
SFmax = 186 – 0,36 ∙ věk (bicyklový ergometr v sedě, muži) (Placheta, Siegelová, Štejfa a spol., 2005).
Systolický objem, Qs
Minutový výdej srdeční, Q
netrénovaný: klid 60-80 ml
max. 150 ml
netrénovaný: klid 5 l
max. 20-25 l
trénovaný:
max. 200 ml
trénovaný:
max. 35-40 l
klid 100 ml
klid 5 l
(URL 2)
intenzita činnosti
TK (torry) STK DTK
klid 120 80
mírná 120-140 50-80
střední 130-170 80
Tab. 5. Hodnoty TK při různých intenzitách činnosti
- 28 -
submax. 180-240 30-100
max. 190 100
2.3.2 Adaptační změny Řadíme sem změny: strukturální: hypertrofii srdce -
koncentrická – objevuje se u vzpěračů, dochází ke zmenšení komor. Vlastní jednorázovou výkonnost jedince to však neovlivňuje.
-
excentrická – je zjištěná u vytrvalců. Projevuje se regulativní dilatací komor, v důsledku projevu ekonomie srdeční práce.
Při strukturální hypertrofii se pozoruje lepší vaskularizace (prokrvení, kolaterály) srdečního i kosterního svalu.
funkční: Projevem je lepší ekonomika trénovaného člověka (↓ SF, ↑ systolický výdej, ↑ maximální hodnoty Qs i Q a lepší utilizace kyslíku myokardem) (URL 2).
Obr. 12. Změny oběhových parametrů v klidu a při zatížení u trénovaného a netrénovaného jedince (převzato z: (URL 2))
- 29 -
2.4 Použité přístroje v experimentálním měření 2.4.1 Laboratorní váha Značného rozšíření se dostalo elektroimpedančním metodám. Jde o přístroje, které měří odpor lidského těla vůči elektrickému proudu (impedanci) pomocí dvou elektrod (buď pro horní končetiny nebo pro dolní končetiny). Člověk s větší tukovou složkou a menším množstvím vody je lepším izolátorem a klade větší odpor. Na elektroimpedančním principu je založena i váha, která byla použita při samotném měření. Pomocí tohoto přístroje tak bylo možno určit svalovou a tukovou složku (URL 4).
Obr. 12. ETA 1773 90000
Pro hodnocení množství tuku, příp. míry obezity, se v běžné populaci nejčastěji používá BMI, který je dán vztahem: BMI =
hmotnost[kg ] . výška[m]2
BMI je však ukazatel vztahu hmotnosti k výšce a u velmi svalnatých jedinců vychází velmi vysoký, ačkoliv mají velmi nízkou tukovou složku (kulturistika). Proto je pro posuzování tukové složky vhodnější a správnější používat metody a přístroje, které vypočtou množství tuku (URL 4). Na základě těchto přístrojů, popř. metod, lze proto určit i tzv. aktivní tělesnou hmotu (ATH) člověka, která může být vyjádřena vzorcem ATH = celková hmotnost člověka – tuková složka jedince.
- 30 -
2.4.2 Pacientský monitor Tento přístroj může kontrolovat a sledovat parametry životních funkcí, ke kterým patří EKG, TK, dechová a tepová frekvence a saturace krve kyslíkem.
Obr. 13. Multiparametrický monitor PM – 9000
2.4.3 Ergometr Ergometrie je zátěžový test s přesně dávkovaným nebo měřeným výkonem (za použití ergometru). Ergometry jsou speciální stroje s přesně dávkovatelnou mechanickou zátěží – odporem vůči pracujícím svalům. Vyšetřované osobě je poskytována možnost provádět měřitelný výkon [W] po určitou dobu ([h:min:s]) a vykonat tak práci [J = W·s]. Na displeji tohoto přístroje se dále vyskytují údaje o ujeté vzdálenosti a průměrné rychlosti, průměrný tep a „spálená“ energie vynaložená v průběhu výkonu (URL 4).
Obr. 14. KETTLER EX 1 7983-700 - 31 -
3 Cíle bakalářské práce „Fyzikální parametry oběhové soustavy před a po zátěži u trénovaných jedinců.“ Náplní a cílem této práce je z fyzikálního hlediska seznámit veřejnost s morfologií a funkcí srdce a cévního systému. Posoudit změny různých fyzikálních parametrů, především oběhové soustavy, v závislosti na zátěži u trénovaných jedinců a dále také porovnání těchto získaných hodnot s hodnotami kardiovaskulárního systému nesportující populace (postup „měření“ netrénovaných osob je stejný jako při „měření“ sportovců). A následně tak experimentálně ukázat výhody vytrvalostní sportovní aktivity na oběhovou soustavu, zvláště pak na srdce jako hlavní část.
- 32 -
4 Metodika 4.1 Výběr jedinců a obecná charakteristika osob 4.1.1 Antropometrie jedinců č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
věk [roky] 24 16 16 17 15 20 22 22 20 20
druh sportu běžecké lyžování běžecké lyžování běžecké lyžování běžecké lyžování běžecké lyžování běžecké lyžování karate cyklistika fotbal orientační běh
výška [m] 1,81 1,84 1,78 1,86 1,72 1,83 1,68 1,92 1,81 1,86
celková hmotnost [kg] 75,0 71,0 60,5 69,0 58,5 75,5 67,0 82,5 78,0 74,0
ATH [kg] 70,0 66,0 56,5 65,5 54,5 70,5 62,0 77,0 72,0 70,0
BMI [kg∙m-2] 22,9 21,0 19,1 19,9 19,8 22,5 23,7 22,4 23,8 21,4
Tab. 6. Identifikace sportovců č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
věk [roky] 25 22 25 23 30 25 20 20 22 24
výška [m] 1,87 1,80 1,80 1,77 1,86 1,76 1,80 1,80 1,72 1,73
celková hmotnost [kg] 119,0 98,0 66,5 59,5 107,0 66,5 83,0 87,0 75,0 70,0
ATH [kg] 74,5 68,5 58,5 54,0 70,0 57,5 75,5 64,0 58,0 58,0
BMI [kg∙m-2] 34,0 30,2 20,5 19,0 30,9 21,5 25,6 26,9 25,4 23,4
Tab. 7. Identifikace nesportovců
4.1.2 Charakteristika souboru Pro měření bylo náhodně vybráno deset zdravých sportovců mužského pohlaví ve věku 15 až 24 let s průměrem 19,0 a směrodatnou odchylkou 2,9. Jejich BMI se pohyboval od 19,1 do 23,8 s průměrem 21,7 a směrodatnou odchylkou 1,6. ATH byla v intervalu od 57,5 do 57,0 kg s průměrem 66,4 kg a směrodatnou odchylkou 6,4 kg. Všichni provozují nějaký sport závodně s pravidelnými tréninky 3 – 5x týdně.
- 33 -
Srovnávací skupina čítala také deset zdravých mužů, s tím rozdílem, že tito vybraní jedinci se sportu vůbec nevěnují. Jejich věk byl v rozmezí od 20 do 30 let s průměrem 23,6 a směrodatnou odchylkou 2,8. V případě BMI byly hodnoty v intervalu 19,0 až 34,0 s průměrem 25,7 a se směrodatnou odchylkou 4,6. Jejich ATH se pohybovala od 54,0 do 75,5 kg s průměrem 63,9 kg a směrodatnou odchylkou 7,4 kg.
4.2 Postup vyšetření V této experimentální práci bylo využíváno ústavní přístrojové vybavení: pacientský monitor, ergometr a laboratorní váha. U každého jedince byla provedena identifikace (viz tab. 6, 7). Fyzikální parametry oběhové soustavy byly monitorovány pomocí multiparametrického monitoru PM – 9000.
4.2.1
Antropometrické vyšetření
Každý jedinec byl před samotným výkonem zvážen na laboratorní váze typu ETA 1773 90000, která umožnila určit také aktivní tělesnou hmotu sportovce. A protože víme, že veškerou aktivní práci konají pouze svaly a tuková hmota je naopak pasivní, můžeme vzhledem k fyzické aktivitě tvrdit, že pro pohyb s přebytečnou zátěží (zde myslíme tukovou složku) je třeba vynaložit větší práce. Bez tohoto poznatku by se však naše měření stala neobjektivními a mezi sebou nesrovnatelnými, protože každý z měřených jedinců měl v těle jiným procentem zastoupenou tukovou složku. ATH tedy představovala pro celé měření klíčový parametr, neboť na 1 kg ATH byla stanovena zátěž 3 watty (3 W∙kg-1 ATH). Tzn., že např. jedinci mající ATH rovnou 60 kg byla nastavena na ergometru zátěž 180 W. Při takové zátěži pak sportovec (nesportovec) „šlapal“ tak dlouho [min], než spálil energii velikosti 800 kJ (měřeno ergometrem). Ve skutečnosti však sportovec (nesportovec) vynaložil energii, při měření, rovnou 3200 kJ, což plyne z následujícího vzorce, uvedeném v návodu pro práci s ergometrem: E(kJ) =
( P ⋅ t ⋅ 4) , 1000
kde faktorem 4 je násobeno působení člověka na ergometr, neboť toto působení na ergometr dle návodu přístroje představuje cca 25%.
- 34 -
Měření životně důležitých funkcí člověka
4.2.2
Před vlastním výkonem na ergometru byl dobrovolníkovi změřen, pomocí digitálního tonometru, TK vleže a v klidu a jeho hodnota byla zobrazena na obrazovce pacientského monitoru. Zároveň byla stejným přístrojem změřena TF a natočeno klidové EKG pomocí bipolárních hrudních svodů. Jako „vedlejší“ parametry byly změřeny RF a SpO2.
4.2.3
Zátěžové měření na bicyklovém ergometru formou konstantní zátěže Po naměření výše uvedených klidových hodnot, byl testovaný jedinec vyzván
k maximálnímu výkonu na bicyklovém ergometru značky KETTLER EX 1 7983-700, na kterém byla nastavena neměnná zátěž na 3 W∙kg-1 ATH (dynamická zátěž konstantní intenzity). Během zátěže však nemohly být již zmíněné fyzikální parametry oběhové soustavy z technických důvodů měřitelné. Teprve až za jednu minutu po skončení výkonu, po spálení energie 800 kJ, a po opětovné vertikalizaci byly opět změřeny hodnoty TK, TF a RF, SpO2 a natočeno EKG pomocí II bipolárního končetinového svodu. Stejné měření proběhlo i 3 min. po skončení zátěže.
- 35 -
5 Výsledky 5.1 Naměřené parametry oběhové soustavy Všechny tabulky a grafy vycházejí z naměřených hodnot zaznamenaných v tab. 8 a tab. 9. Sportovci TF [tep∙min-1] č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
klid 54 58 67 56 60 58 61 60 54 67
RF [dech∙min-1 ]
TK (STK,MTK,DTK) [mmHg]
Max. 1' po zát. 3' po zát. 195 113 98 171 103 89 181 122 105 186 121 105 188 113 98 182 120 87 202 151 104 216 123 104 193 132 100 181 131 111
Klid 102 / 77 / 64 113 / 86 / 73 110 / 77 / 61 99 / 70 / 55 116 / 75/ 55 114 / 83 / 68 110 / 87 / 76 122 / 87 / 70 119 / 89 / 74 111 / 83 / 69
1' po zátěži 158 / 107 / 81 142 / 102 / 82 162 / 100 / 69 145 / 94 / 68 160 / 148 / 71 189 / 122 / 89 144 / 97 / 73 162 / 98 / 66 163 / 112 / 87 153 / 100 / 74
3' po zátěži 117 / 83 / 66 113 / 79 / 62 115 / 74 / 53 116 / 75 / 55 121 / 78 / 57 140 / 94 / 71 109 / 77 / 61 141 / 89 / 63 133 / 88 / 66 127 / 86 / 65
klid 17 28 16 18 25 18 10 11 10 11
1' po zát. 3' po zát. 36 21 39 26 38 18 28 28 39 18 39 25 12 15 25 18 24 40 25 28
Tab. 8. Přehled hodnot oběhové soustavy naměřených u sportovců
Nesportovci TF [tep∙min-1]
RF [dech∙min-1 ]
TK (STK, MTK, DTK) [mmHg]
č.
klid
max.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
63 79 70 59 56 61 64 59 69
196 181 180 191 167 193 187 197 193
150 136 123 135 112 138 136 140 119
117 115 106 100 90 101 115 117 103
123 / 110 / 112 / 103 / 118 / 117 / 114 / 113 / 106 /
10
75
184
139
121
116 / 89 / 75
1' po zát. 3' po zát.
Klid
1' po zátěži
90 / 83 / 85 / 75 / 87 / 90 / 85 / 86 / 82 /
74 70 72 61 72 76 70 73 70
3' po zátěži
klid
1' po zát. 3' po zát.
172 / 119 / 93 155 / 110 / 87 139 / 90 / 66 117 / 78 / 59 133 / 88 / 66 114 / 79 / 62 132 / 84 / 62 112 / 72 / 59 134 / 87 / 64 123 / 88 / 70 141 / 92 / 68 121/ 82 / 62 116 / 81 / 64 105 / 74 / 58 153 / 100 / 73 117 / 84 / 67 120 / 81 / 61 109 / 74 / 57
27 27 16 11 16 17 15 10 15
65 31 37 64 11 19 38 42 38
32 32 26 29 17 38 25 26 26
150 / 97 / 70
11
40
29
121 / 81 / 61
Tab. 9. Přehled hodnot oběhové soustavy naměřených u nesportovců
- 36 -
5.2 Hodnoty zátěžového testu Hodnoty byly získány ze zátěžového testu bicyklové ergometrie a jsou uvedeny v tab. 10 a 11 jen pro zajímavost, jako vedlejší „produkt“ hlavního měření.
Sportovci č.
zátěž [W]
t [min]
dráha [km]
ø rychlost [km∙h-1]
ø TF [tep∙min-1]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
210 200 170 195 165 210 185 230 215 210
15:40 16:49 19:44 17:15 20:21 15:56 18:02 14:20 15:32 15:56
13,4 11,2 11,9 12,7 13,3 11,7 12,9 13,2 9,3 9,6
51,4 40,1 36,4 44,4 45,4 44,4 43,1 55,3 35,9 36,6
169 146 166 176 175 152 146 156 156 163
Tab. 10. Přehled hodnot získaných ze zátěžového testu provedeného u sportovců
Nesportovci č.
zátěž [W]
t [min]
dráha [km]
ø rychlost [km∙h-1]
ø TF [tep∙min-1]
1
220
15:04
4,4
17,6
100
2 3 4 5 6 7 8 9 10
205 175 160 210 170 225 190 175 175
16:20 18:54 20:46 15:56 19:26 14:51 17:21 19:05 19:35
5,4 4,6 12,8 5,5 4,9 4,7 7,5 11,6 4,1
19,7 14,6 37,2 20,7 14,9 19,0 25,8 36,6 14,2
152 161 128 147 154 173 178 179 168
Tab. 11. Přehled hodnot získaných ze zátěžového testu provedeného u nesportovců
- 37 -
5.3 Výsledky zpracované v podobě tabulek a grafů 5.3.1 Tepová frekvence Hodnoty vystupující v tab. 12 představují mediány deseti naměřených absolutních hodnot TF u sportovců a deseti absolutních hodnot u nesportovců v jednotlivých fázích měření. Medián pro výpočet průměrné hodnoty byl použit z toho důvodu, že má lepší vlastnosti pro charakteristiku naměřených hodnot při malém vzorku. To vyplývá z následující definice mediánu. Medián je číselná charakteristika, která člení soubor naměřených hodnot na dvě stejně početné části. Medián proto určíme tak, že seřadíme naměřené hodnoty podle velikosti a najdeme hodnotu, která je ve středu řady. Při normálním rozdělení souboru má medián stejnou hodnotu jako aritmetický průměr. Medián je méně citlivý na extrémní hodnoty jednotlivých měření než aritmetický průměr (Mornstein a spolupracovníci, 2004).
t [min] v klidu na konci zátěže (max.) 1´po zátěži 3´po zátěži
Sportovci TF [tep∙min-1] 59,0 187,0 121,5 102,0
Nesportovci TF [tep∙min-1] 63,5 189,0 136,0 110,5
Tab. 12. Reakce TF na zátěž v čase u obou testovaných skupin
200 180 160 140 TF [tep.min-1]
120 100 80 60 40 klid
max
1´po zátěži
3´po zátěži
t [min] Sportovci
Nesportovci
Obr. 15. Závislost TF na zátěži v čase u obou testovaných skupin - 38 -
Z obr. 15 je patrné, že TF sportovců je ve všech měřených okamžicích o něco nižší než nesportovců. Maximální TF jsou ale téměř shodné. Křivky naznačují, že u trénovaného člověka dochází po zátěži k rychlejšímu návratu TF ke klidovým hodnotám a tedy i k rychlejší regeneraci organismu.
K porovnání skutečně naměřených hodnot (obr. 15) je přiložen graf uvedený v (Placheta, Siegelová, Štejfa a spol., 2005). Fáze úvodní, předchází vlastnímu fyzickému výkonu či vlivu jiného zatížení. SF se zvyšuje nad obvyklou klidovou frekvenci, někdy i o desítky tepů, v závislosti na předpokládané náročnosti zátěže. (Při experimentálním měření nezaznamenán.) Fáze průvodní je charakteristická prudkým vzestupem hodnot v části iniciální (cca 10 – 30 s) a následujícím pozvolnějším vzrůstem (cca 1- 3 min.) v závislosti a intenzitě zátěže, která je rozhodující i pro další průběh odezvy. Při intenzitách nižších až středních se SF ustálí na hodnotách rovnovážného stavu úměrných výkonu; při zátěžích vyšších intenzit však stále roste a může dosáhnout i maxima. Fáze následná, zotavovací, závislá především na druhu a intenzitě zátěže, začíná nejprve prudkým poklesem, po 3 – 5 minutách pokračuje pozvolnějším snižováním, které může trvat i desítky minut, potřebných k dosažení výchozích, resp. klidových hodnot.
Obr. 16. Reakce hodnot TF, naměřených u 10 zdravých, zdatných 20letých mužů při zátěžích 1, 2, 3 a 4 W kg-1 na bicyklovém ergometru v sedě. Na základě obr. 16 lze konstatovat, že graf je velmi podobný grafu na obr. 15 - 39 -
Hodnoty vystupující v tab. 13 představují opět mediány deseti naměřených hodnot TF u sportovců a deseti hodnot u nesportovců v jednotlivých fázích měření, tentokrát však vyjádřených v procentech. Tato čísla tedy odpovídají hodnotám uvedených v tab. 12, ale mají procentuelní podobu.
Sportovci TF [%] 31,0 100,0 65,5 50,9
t [min] v klidu na konci zátěže (max.) 1´po zátěži 3´po zátěži
Nesportovci TF [%] 33,9 100,0 71,3 55,4
Tab. 13. Reakce TF na zátěž v čase u obou testovaných skupin vyjádřená v %.
Naměřené absolutní hodnoty TF (jak u sportovců, tak nesportovců) jsou nyní v obr. 17 vyjádřeny sloupci a nikoliv spojnicemi jednotlivých bodů, jako tomu bylo u obr. 15. Toto procentuelní vyjádření mediánu TF u obou skupin umožňuje mezi sebou objektivně a lépe porovnat změnu TF u trénovaných a netrénovaných jedinců, která byla vyvolaná zátěží. Obr. 15. Závislost TF na zátěži v čase a její změna mezi časovými úseky vyjádřená v %.
100,0 100,0
100 90 80
71,3 70
65,5
TF 60 [%]
55,4 50,9
50 40 31,0
33,9
30 20 klid
max
1´po zátěži t [min]
Sportovci
Nesportovci
Obr. 17. Závislost TF na zátěži v čase vyjádřená v %.
- 40 -
3´po zátěži
Obr. 17 ukazuje rozdíly TF mezi jednotlivými fázemi testu. Mezi klidovou a maximální TF (tedy 100 % TF) činí nárůst TF u sportovců 69 % a u nesportovců 66,1 %. Mezi maximální hodnotou TF a TF měřenou 1 min. po zátěži je naopak zaznamenán pokles TF u trénovaných osob o 34,5 % a u netrénovaných jen 28,7 %. Z tohoto výsledku lze tedy usoudit, že sportovci mají bezprostředně po výkonu schopnost rychlejšího návratu TF ke klidovým hodnotám než v případě nesportovců. V okamžiku měřeném 3 min. po výkonu se TF u sportovně aktivních jedinců snížila o 14,6 % a u nesportovců dokonce o 15,9 % vzhledem k hodnotám změřených 1 min. po zátěži. V tomto případě již rozdíly mezi oběmi skupinami nejsou tak výrazné. Ze čtyř hodnot TF naměřených (v klidu, na konci průvodní fáze a ve fázi zotavovací) u každého dobrovolníka byly vypočteny dva rozdíly TF. A to mezi maximální TF (před koncem zátěže) a TF změřenou 1 min. po zátěži a mezi max. hodnotou TF a hodnotou TF změřené po 3 min. od ukončení fyzické aktivity. Byly tak získány hodnoty, o které se TF 1 min., resp. 3 min. po zátěži od max. TF sníží. Tato čísla jsou pak vyjádřena v procentech, ze kterých byl opět určen medián. t [min]
Sportovci Nesportovci
TFmax – TF 1´po zátěži [%]
34,5
28,7
TFmax – TF 3´po zátěži [%]
48,1
40,9
Tab. 14. Pokles TF po ukončení výkonu vyjádřená v %. 50
48,1
45 40,9 40 TF [%] 35
30
34,5
28,7
25 TFmax – TF 1´po zátěži
TFmax – TF 3´po zátěži t [min]
Sportovci
Nesportovci
Obr. 18. Procentuelní vyjádření poklesu TF z max. hodnoty na hodnotu TF změřenou po 1´a po 3´od ukončení zátěže. - 41 -
Na tomto obrázku je velmi dobře vidět, o kolik procent z max. TF se sníží TF u sportovce a o kolik u sportovně nezaměřeného člověka 1 min. po ukončení tělesné aktivity a v okamžiku 3 min. od konce zátěže. Jejich „uklidnění“ činí od maximální hodnoty do hodnoty změřené 1 min. po zátěži 34,5 % a do dalšího měřeného okamžiku snížení o dalších 13,6 %, přičemž u netrénovaného to je jen 28,7 % a pak 12,2 %. Hodnoty změřené 3 min. od výkonu se ovšem u obou měřených souborů se liší o 1,4 %. V prvním měřeném okamžiku byla TF sportovce o 5,8 % a po uplynutí dalších dvou minut o 7,2 % nižší vzhledem k netrénovanému dobrovolníkovi.
- 42 -
5.3.2 Krevní tlak
t [min] klid 1´po zátěži 3´po zátěži
STK [mmHg] DTK [mmHg] Sportovci Nesportovci Sportovci Nesportovci 112,0 113,5 68,5 72,0 159,0 136,5 73,5 66,0 119,0 117,0 62,5 61,5
Tab. 15. Reakce TK na zátěž v čase. .
180 160 140 TK [mmHg]
120 100 80 60 40
Klid
1´po zátěži
3´po zátěži
t [min] Sportovci STK
Sportovci DTK
Nesportovci STK
Nesportovci DTK
Obr. 19. Závislost TK (STK, DTK) na zátěži v čase a její změna mezi časovými úseky.
Z obr. 19 je patrné, v jakém vztahu jsou k sobě velikosti STK a DTK u sportovců a nesportovců. STK je u obou skupin v klidu a 3´po zátěži téměř stejný, ale hodnota STK 1´po zátěži je u trénovaných osob mnohem vyšší. Hodnotu STK u netrénovaných mužů převyšuje téměř o 14 %. U DTK je situace podobná, s rozdílem, že DTK u nesportovců je oproti hodnotám sportovců o 10 % nižší a celkově klesá.
- 43 -
5.3.3 Dechová frekvence Měření bylo původně zaměřeno jen na kardiovaskulární systém. Ale vzhledem k tomu, že dýchání je také oběhovou soustavou a patří k životně důležitým funkcím, byly proto hodnoty RF také sledovány. Klidová hodnota RF u netrénovaného jedince se pohybuje kolem 16 dech∙min-1 a u sportovce okolo 10 dech∙min-1. Při intenzivní fyzické námaze se může dechový objem zvýšit z klidové hodnoty 0,5 l na objem 1,5 l s frekvencí až 40 dech·min-1. t [min] v klidu 1´po zátěži 3´po zátěži
Sportovci RF [dech∙min-1] 16,5 32,0 23,0
Nesportovci RF [dech∙min-1] 15,5 38,0 27,5
Tab. 16. Závislost RF na zátěži v čase.
38,0
40 32,0
35 30
27,5
RF 25 [dech.min-1] 20
23,0
16,5
15,5
15 10 klid
1´po zátěži
3´po zátěži
t [min]
Sportovci
Nesportovci
Obr. 20. Závislost RF na zátěži v čase. Obr. 20 vypovídá o tom, jaký vliv má trénovanost na dýchací soustavu. Klidové hodnoty sice nejsou rozdílné u sportovců a nesportovců, ale situace se mění při pohledu na hodnoty RF měřené 1 min. a 3 min. po ukončení působení zátěže. V těchto okamžicích se čísla přiklánějí ve prospěch sportovců, neboť v měření provedeném 1 min. od ukončení fyzické aktivity je jejich RF oproti RF netrénovaných dobrovolníků asi o 15,8 % nižší a po dalších dvou minutách rozdíl činil okolo 16,4 %.
- 44 -
5.3.4 EKG a saturace krve kyslíkem Následující obr. 21, 22 a 23 ukazují, jak křivka EKG mění svůj tvar, resp. svoji frekvenci opakování vln „P“ a „T“ a komplexu QRS v závislosti na intenzitě konané práce a pak následné reakci na ni. Z křivky lze tedy pozorovat, mimo tvaru a uložení srdce, popř. jeho patologie, i změnu SF, která odpovídá TF. Tyto změny mohou být způsobené např. fyzickou zátěží, psychickými stavy, změnou teploty, únavou atd. Vzorové křivky byly zaznamenány u sportovce s označením č. 6.
Obr. 21. Křivka EKG zaznamenaná u sportovce č. 6 - klidový stav, odpovídá naměřené TF 58 tep∙min-1.
Obr. 22. Křivka EKG zaznamenaná u sportovce č. 6 - 1 min. po zátěži, odpovídá naměřené TF 120 tep∙min-1.
Obr. 23. Křivka EKG zaznamenaná u sportovce č. 6 - 3 min. po zátěži, odpovídá naměřené TF 87 tep∙min-1.
Při sledování saturace krve kyslíkem, nebyly zjištěny téměř žádné rozdíly mezi sportovci a nesportovci. U obou zkoumaných souborů se velikost SpO2 pohybovala v intervalu 97 – 100 %.
- 45 -
6 Diskuse Základním ukazatelem, ve kterém se liší sportovec od nesportovce v klidových hodnotách, je srdeční frekvence. Tato sportovní bradykardie se projevuje hlavně ve zotavovací fázi po výkonu, ve které se jeho TF rychleji navrací ke klidovým hodnotám, a je důsledkem „přeladění“ trénovaného organismu do tzv. vagotonie. Trend změn u sympatonika a vagotonika je podobný jako u netrénovaného a trénovaného člověka. V klidu a při zatížení by měl mít tedy trénovaný jedinec hodnoty nižší než netrénovaný, zatímco při maximálním zatížení by rozdíly neměly být jednoznačné (Havlíčková a kolektiv, 2004). To je zdůvodnitelné tím, že každý člověk, ať sportující nebo nesportující, má fyziologicky danou maximální (submaximální) hodnotu TF, která je dána vztahem 220 – věk (popř. 200 – věk), přičemž velikost vykonané práce bývá převážně u nesportovně založených lidí menší. To potvrzují i tab. 10 a 11, ze kterých lze vyčíst, že obě srovnávací skupiny sice měly takřka stejně vysokou TF, ale vzdálenost, „ujetá“ na ergometru, byla u trénovaných mužů 2 – 3krát větší. Naměřené hodnoty TF jak u sportovců, tak nesportovců tyto teorie potvrzují. V klidové fázi měření není sice výsledek moc přesvědčivý, ale to může být dáno, v případě sportovců, psychickou zátěží v podobě přehnané motivace dosáhnout co nejlepšího výsledku v průběhu měření, hlukem, pozorováním nějaké činnosti, motorickým neklidem apod. Ekonomizace funkce u trénovaného jedince se tedy projeví nižší frekvencí a vyšším objemem.
Dalším ukazatelem „sportovního srdce“ je krevní tlak. Krevní tlak není konečnou cílovou veličinou, jejíž stabilita by musela být primárně udržována. Je prostředkem stability hladin významných látek (kyslíku, metabolitů atd.), a to za všech okolností. Proto při tělesné námaze a zátěži tlak roste – aby bylo dosaženo intenzivnějšího průtoku a transportu z míst produkce do míst spotřeby a zmíněné hodnoty neklesly pod (anebo nestouply nad) kritickou mez. S věkem stoupá výrazněji hodnota STK, protože tepny ztrácejí svoji pružnost následkem zvětšeného obsahu vaziva (zejména kolagenu) v jejich stěnách. Regulace tlaku však souvisí mimo jiné i se zadržováním vody v těle a tak i s celým hormonálním systémem řízení vodního a elektrolytového hospodářství (Vácha, Bičík, Petrásek, Šimek, Fellnerová, 2004). V tomto měření byl potvrzen Mereyův zákon, který říká, že SF a TK jsou v nepřímém vztahu (zejména se to projeví při poklesu TK). Nebo-li, zvýší-li se SF, pak poklesne TK a naopak. Ze vzorců Q = SF∙Qs a TK = Q·PO je pak získán vztah TK = SF∙Qs·PO (*), který
- 46 -
potvrzuje naměřené hodnoty a závislosti TK mezi sportovci a nesportovci. Jak již bylo zmíněno v teorii, Qs je u trénovaných osob v klidu i při maximální zátěži zhruba o 25 % větší než u netrénovaných. Podle vzorce (*) tedy vyplývá, že při téměř shodné SF maximálního zatížení, jak u sportovců tak nesportovců, musí být TK sportovců vyšší. Např. TF (stejná pro sportovce a nesportovce) má hodnotu X tep∙min-1. Qs činí pro trénovaného jedince při zátěži asi 200 ml a netrénovaného 150 ml. Dosadíme-li tato čísla do vztahu (*) a předpokládáme PO pro oba (zdravé) jedince stejný, pak je zřejmé, že pro zachování „rovnosti“ TF, musí mít sportovec vyšší STK než netrénovaná osoba. Tento fakt lze vysvětlit i z logické fyzikální úvahy. Protože je prokázáno, že se sportovec „prezentuje“ tzv. sportovním srdcem s hypertrofovanou levou komorou, která je schopna nasát větší objem krve a následně ji vypudit do tělního oběhu, pak je pro tento úkon nutné vynaložení větší síly (práce), než v případě pojmutí menšího objemu krve do levé komory u nesportovce. Je proto zřejmé, že tlak vyvíjený, při vystříknutí krve, na stěny cév sportovce je větší. To je podloženo definicí tlaku, neboť je rozdíl, jestli stejně úzkou trubicí projde malý nebo velký objem tekutiny (Q je u sportovce při průběhu zátěže v rozmezí 35 – 40 l a u nesportovce jen 20 – 25 l). Nebo-li, z hydromechaniky plyne, že množství protékající tekutiny je přímo úměrné tlaku a nepřímo úměrné odporu trubice; dále, že rychlost proudu závisí přímo na tlaku a na čtvrté mocnině průměru trubice a nepřímo na viskozitě tekutiny a na délce trubice (Seliger, Vinařický, Trefný, 1983). Co se týče DTK, ten zůstává bez výraznějších změn, nebo lehce klesá. I tento fakt potvrzují naměřené výsledky. Porovnání naměřených hodnot s některými referenčními hodnotami zátěžového TK je velmi obtížné, protože údaje v písemnictví se vzájemně značně liší. Souvisí to nepochybně s rozdíly mezi vyšetřovanými soubory, s různými metodologickými přístupy atd.
Dýchání trénovaných osob při fyzické zátěži bylo zrychlené, ale i prohloubené. Se zvyšující se intenzitou zatížení tedy rostla potřeba tkání získávat kyslík a proto docházelo k nárůstu ventilace. Minutová ventilace je přímo úměrná intenzitě zatížení, ale pouze do hodnoty anaerobního prahu. Ve vyšších intenzitách cvičení není dosaženo rovnovážného stavu mezi aerobními (oxidačními) ději a to vede k vyššímu zapojení anaerobní glykolýzy a tím i k vyšší produkci laktátu. Vyšší koncentrace laktátu pak vyvolává acidózu, která je upravována bikarbonátovým
- 47 -
pufrovacím systémem. Při chemické reakci se z labilní H2CO3 uvolňuje oxid uhličitý, jehož zvýšená koncentrace dráždí dýchací centrum a vyvolává hyperventilaci (URL 1). U nesportovců tedy pravděpodobně docházelo k ještě většímu odvětrávání CO2 z alveolů než v případě sportovců. Na základě tohoto poznatku by mohlo být vysvětleno, proč byla RF u netrénovaných mužů povrchní a tím i rychlejší. Tento stav dále způsobuje podráždění sympatiku, což vedlo k následnému vyvolání tachykardie. Tím se zároveň vysvětluje i zvýšení SF. Podle získaných výsledků (obr. 20) lze usoudit, že rozdíl mezi trénovaným a netrénovaným jedincem je tedy v lepší ekonomice dechových funkcích. Tzn., lepší distribucí vzduchu, nižší frekvencí dýchání související s vyšším dechovým objemem, lepší mechanikou dýchání a z toho vyplývající lepší utilizací kyslíku a vyšší maximální spotřebou kyslíku. Toto všechno vede k rychlejšímu nástupu RF do setrvalého stavu.
EKG záznam je nejvhodnější metodou k měření SF. Téměř všechny druhy zátěží vyvolávají určité změny na EKG křivce. Při posuzování změn je třeba brát v úvahu celou řadu faktorů, vedoucí k falešně pozitivním či negativním výsledkům vyšetření. Průběh EKG křivky a její změny necháváme odborníkům, lékařům a přesahoval by rámec naší práce.
SpO2 je závislá na parciálním tlaku arteriální krve a koncentraci hemoglobinu. Její hodnoty se udržují nad 90 %. V této práci byly hodnoty určeny pulsovým oxymetrem, který změřil SpO2 v oblasti prstu. U obou zkoumaných souborů se velikost SpO2 pohybovala v intervalu 97 – 100 %.
- 48 -
7 Závěr Obr. 15 potvrdil fakt, že TF sportovců je celkově nižší než hodnoty TF sportovně neaktivních jedinců. Obr. 17 potvrdil skutečnost, že u sportovců dochází k rychlejšímu návratu TF ke klidovým hodnotám. Obr. 20 konstatuje, že netrénovaní jedinci dýchají při fyzické zátěži s vyšší frekvencí kvůli pocitu nedostatečného množství kyslíku a velikost TK odpovídá rovněž poznatkům uvedených v druhé kapitole. Z těchto poznatků lze usoudit, že i přes měření malého počtu osob obou souborů, nemožnost měření fyzikálních parametrů oběhové soustavy v průběhu celé zátěže, způsobené technickými důvody, a řadou mnoha ovlivňujících faktorů, byla měření v celku úspěšná. Na základě experimentu bylo zjištěno, že výsledky potvrzují předpoklady a následující poznatky. Adaptace kardiovaskulárního systému na fyzickou zátěž je podmíněna pravidelnou vytrvalostní činností přiměřeného druhu a intenzity. Adaptace periferie se projevuje zvýšením kapilarizace činných svalů. Dochází k zvětšení počtu
ploch mitochondrií a tak k lepší
utilizaci nabízeného kyslíku i energetických zdrojů. Adaptace srdce na vytrvalostní zátěž je provázena morfologickými (hypertrofie stěny levé komory) i funkčními změnami. Funkčně je adaptovaný myokard vybaven vyšší kontraktilitou a lepším vyprazdňováním dutin a tudíž i vyšší ejekční frakcí, lépe využívá laktátu jako energetického zdroje, má lepší koronární perfuzi, vyšší koronární rezervu a klade podstatně nižší nároky na dodávku kyslíku při téže SF ve srovnání s neadaptovanými jedinci (Placheta, Siegelová, Štejfa a spol., 2005).
Vytrvalostní trénink má tedy, obecně vzato, ze zmíněných poznatků, mnoho pozitivních účinků na lidské tělo. Díky přizpůsobení dýchacího systému neztrácíme příliš brzy dech, díky lepšímu prokrvení jsou tělo a mozek lépe zásobovány kyslíkem, díky pozitivní změně srdeční aktivity, činnosti cév a krve pracuje naše srdce ekonomičtěji. Tyto a mnoho jistě dalších faktorů zlepšují všeobecně tělesné a duševní zdravý člověka. Můžeme také říci, že se díky úměrnému vytrvalostnímu tréninku zlepšuje fyzická a psychická odolnost proti dlouhodobému zatížení, a to nejen ve sportu, ale i v zaměstnání, ve volném čase a v rodinném životě. Vytrvalostní trénink je tedy vynikající možností, jak udržet tělo na vysoké zdravotně preventivní fyzické i psychické úrovni.
- 49 -
8 Literární přehled BENEŠ, Jiří, STRÁNSKÝ, Pravoslav, VÍTEK, František. Základy lékařské biofyziky. 1. vyd. Praha: Karolinum, 2005. 196 s. ISBN 80-246-1009-4. GANONG, William F. Přehled lékařské fysiologie. 1. vyd. Jinočany: H&H, 1997. 681 s. ISBN 80-85787-36-9. HAMPTON, John R. EKG stručně, jasně, přehledně. 2. vyd., rozšířené Praha: Grada Publishing, a.s., 2005. 152 s. ISBN 80-247-0960-0. HAVLÍČKOVÁ, Ladislava a kolektiv. Fyziologie tělesné zátěže I.: Obecná část. 2. vyd. Praha: Univerzita Karlova v Praze – Nakladatelství Karolinum, 2004. 203 s. ISBN 80-7184-875-1. HRAZDÍRA, Ivo, MORNSTEIN, Vojtěch. Lékařská biofyzika a přístrojová technika. 1. vyd. Brno: Neptun, 2001. 396 s. ISBN 80-902896-1-4. Kolektiv autorů. Modul A - Teoretické základy medicíny I. 1. vyd. Praha: TRITON, 2003. 301 s. ISBN 80-7254-362-8. MORNSTEIN, Vojtěch a spolupracovníci. Biofyzikální praktikum. 3. vyd. Brno: Masarykova univerzita v Brně, 2004. 150 s. ISBM 80-210-2980-3. NAVRÁTIL, Leoš, ROSINA, Jozef a kolektiv. Medicínská biofyzika. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, a.s., 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4. NOVOTNÝ, Ivan, HRUŠKA, Michal. Biologie člověka: pro gymnázia. 2. vyd., upravené Praha: Fortuna, 1997. 136 s. ISBN 80-7168-462-7. PLACHETA, Zdeněk, SIEGELOVÁ, Jarmila a kolektiv. Praktická cvičení z klinické fyziologie: po bakalářské studium Specializace ve zdravotnictví. 1. vyd. Brno: Vydavatelství MU, 2005. 57 s. ISBN 80-210-3620-6. PLACHETA, Zdeněk, SIEGELOVÁ, Jarmila, ŠTEJFA, Miloš a spol. Zátěžová diagnostika v ambulantní a klinické praxi. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, a.s., 1999. 286 s. ISBN 80-7169-271-9. SELIGER, Václav, VINAŘICKÝ, Richard, TREFNÝ, Zdeněk. Fyziologie člověka pro fakulty tělesné výchovy a sportu. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1983. 432 s. Publikace č. 66-03-33/1. VÁCHA, Martin, BIČÍK, Vítězslav, PETRÁSEK, Richard, ŠIMEK, Vladimír, FELLNEROVÁ, Ivana. Srovnávací fyziologie živočichů. 2. vyd. Brno: Masarykova univerzita v Brně, 2004. 165 s. ISBN 80-210-3379-7.
- 50 -
VOKURKA, Martin, HUGO, Jan a kolektiv. Praktický slovník medicíny. 6. rozšířené vyd. Praha: MAXDORF s.r.o., 2000. 490 s. ISBN 80-85912-38-4.
Internetové zdroje: (URL 1) FRANĚK, Miroslav, VACULÍN, Šimon. Multimediální návody k praktickým cvičením oboru normální fyziologie [online]. 2004 [cit. dne 2007-3-23]. Dostupné z:
(URL 2) Fyziologie člověka a tělesných cvičení [online]. [cit. Dne 2007-3-23]. Dostupné z: (URL 3) HAMAN, Petr. Základy EKG [online]. [cit.dne 2007-3-23]. Dostupné z: (URL 4) NOVOTNÝ, Jan. Kapitoly sportovní medicíny [online]. 9. prosince 2003 [cit. dne 2007-3-23]. Dostupné z:
- 51 -
