Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. CHƯƠNG 13. VẬN ĐỘNG/GẮNG SỨC

Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology 9th Edition.
Chủ biên: Andrew Lumb, Caroline Thomas. Nhà xuất bản ELSEVIER. Biên dịch: Ts.Bs. Lê Nhật Huy, Ths.Bs. Lê Đình Sáng. ISBN-13: 978-0702079085. 
Ấn bản tiếng Việt của cuốn sách này được dịch & chia sẻ vì mục đích lan toả tri thức, hoàn toàn phi lợi nhuận, duy nhất trên các website sachyhoc.com & yhoclamsang.net của THƯ VIỆN MEDIPHARM. NGHIÊM CẤM THƯƠNG MẠI HOÁ bản dịch tiếng Việt của cuốn sách này dưới bất cứ hình thức nào.

CHƯƠNG 13. VẬN ĐỘNG/GẮNG SỨC

Exercise
Andrew Lumb, MB BS FRCA; Caroline Thomas, BSc MBChB MRCS(Ed) FRCA
Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology, 13, 183-190.e2

Đáp ứng hô hấp đối với quá trình vận động phụ thuộc vào mức độ vận động, và chúng ta có thể phân chia thành ba mức độ cơ bản:

1. Vận động mức độ vừa (moderate exercise) nằm dưới ngưỡng kỵ khí (anaerobic threshold – AT) của đối tượng, và nồng độ lactate trong máu động mạch không tăng. Bệnh nhân hoặc đối tượng có khả năng vận chuyển tất cả lượng oxy cần thiết và duy trì ở trạng thái ổn định (steady state).
2. Vận động cường độ cao (heavy exercise) vượt quá ngưỡng kỵ khí (AT). Nồng độ lactate máu động mạch tăng lên nhưng duy trì không đổi. Chúng ta cũng có thể coi đây là một trạng thái ổn định.
3. Vận động gắng sức (severe exercise) vượt xa ngưỡng kỵ khí (AT), và nồng độ lactate máu động mạch tiếp tục tăng cao. Đây là một trạng thái không ổn định (unsteady state), và đối tượng không thể duy trì mức độ làm việc này lâu dài.

Tiêu Thụ Oxy Trong Quá Trình Vận Động

Luôn tồn tại một mối liên hệ chặt chẽ giữa công suất phát ra bên ngoài và mức tiêu thụ oxy của đối tượng (Hình 13.1). Lượng oxy tiêu thụ lúc nghỉ ngơi (tốc độ chuyển hóa cơ bản – basal metabolic rate) rơi vào khoảng 200 đến 250 mL/phút. Khi cơ thể thực hiện công việc, mức tiêu thụ oxy tăng thêm khoảng 12 mL/phút cho mỗi watt. Giới chuyên môn thường mô tả cường độ vận động dưới dạng đương lượng chuyển hóa (metabolic equivalents – METs), dùng để chỉ số lần nhân lên của mức tiêu thụ oxy lúc nghỉ ngơi bình thường đối với cá nhân đó. Ví dụ, đi bộ nhanh trên đường bằng phẳng đòi hỏi mức tiêu thụ oxy khoảng 1 L/phút (tương đương 4 METs), trong khi chạy với tốc độ 12 km/giờ đòi hỏi khoảng 3 L/phút oxy và được đánh giá là hoạt động ở mức 12 METs. Tác giả trình bày chi tiết các ví dụ khác trong Hình 13.1.

Diễn Tiến Theo Thời Gian Của Sự Gia Tăng Mức Tiêu Thụ Oxy

Mức tiêu thụ oxy tăng nhanh khi bắt đầu một đợt vận động, kèm theo sự gia tăng sản xuất carbon dioxide (carbon dioxide production) và nồng độ lactate trong máu tăng nhẹ. Với vận động mức độ vừa (Hình 13.2, A), cơ thể nhanh chóng đạt được trạng thái bình nguyên, và nồng độ lactate duy trì ở mức thấp hơn nhiều so với mức tối đa bình thường lúc nghỉ ngơi (dưới 3,5 mmol/L). Ở mức vận động cường độ cao, mức tiêu thụ oxy (V̇O₂), lượng carbon dioxide sản xuất (V̇CO₂) và lactate đều tăng nhanh hơn, và cũng đạt đến mức ổn định trong vòng vài phút. Mức độ gia tăng này liên quan mật thiết đến công suất phát ra và thể lực của đối tượng (Hình 13.2, B). Nếu mức độ vận động vượt quá khoảng 60% khả năng vận động tối đa (maximal exercise ability) của đối tượng (xem phần sau), sự gia tăng tiêu thụ oxy thường xuất hiện thêm một thành phần chậm (slow component) thứ phát. Thành phần này gắn liền với sự gia tăng liên tục của nồng độ lactate trong máu, cuối cùng sẽ buộc đối tượng phải ngừng vận động (Hình 13.2, C). Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều giả thuyết để giải thích cho thành phần chậm này của V̇O₂, bao gồm tình trạng tăng nhiệt độ cơ thể, chi phí oxy cho việc thở (oxygen cost of breathing), nhiễm toan lactic (lactic acidosis) và những thay đổi trong quá trình chuyển hóa cơ bắp do việc huy động các loại sợi cơ khác nhau trong quá trình vận động kéo dài. Cho đến nay, cơ chế sinh lý cốt lõi liên kết giữa nhu cầu oxy của cơ bắp và sự cung cấp oxy trong quá trình vận động, cũng như diễn tiến thời gian của phản ứng này, vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.

Hình 13.1: Sự tiêu thụ oxy ở trạng thái ổn định với các mức độ vận động khác nhau. Đường màu đỏ liền nét biểu thị mức tiêu thụ oxy của toàn cơ thể như một hàm số của mức công suất phát triển. Đường cong màu xanh dương là ước tính về chi phí oxy cho việc thở để đáp ứng với tình trạng tăng thông khí (hyperventilation) gia tăng trong quá trình vận động. METs, Đương lượng chuyển hóa (Metabolic equivalents), là số lần nhân lên của mức tiêu thụ oxy cơ bản cần thiết cho các hoạt động khác nhau.

Sự Lấy Oxy Tối Đa

V̇O₂max là tốc độ lấy oxy tối đa mà một cá nhân có thể đạt được. Một thanh niên khỏe mạnh và sung sức có thể đạt mức V̇O₂max khoảng 40 mL/phút/kg (đối với nữ) và 48 mL/phút/kg (đối với nam). Mức này tương đương với việc tiêu thụ hơn 3 lít oxy mỗi phút ở một nam giới nặng 70 kg. Tuy nhiên, loại hình vận động kích thích đạt mức V̇O₂max lại khác nhau ở mỗi người; do đó, trong các bài kiểm tra gắng sức tăng dần đơn thuần, mức V̇O₂ cao nhất ghi nhận được sẽ đại diện cho mức đáp ứng đỉnh, ký hiệu là V̇O₂peak. Cụ thể, V̇O₂max đại diện cho giới hạn chức năng sinh lý trên của cá nhân đó, trong khi V̇O₂peak chỉ phản ánh giới hạn chức năng trên trong một bài kiểm tra cụ thể và là thuật ngữ được ưu tiên sử dụng trong tài liệu này. Các giá trị bình thường của V̇O₂peak thoái triển khoảng 8% mỗi thập kỷ sau tuổi 30. Một lối sống tĩnh tại, thiếu vận động có thể làm giảm V̇O₂peak xuống chỉ còn 50% so với giá trị dự kiến. Ngược lại, việc tập luyện (training) thường xuyên có thể cải thiện V̇O₂peak đáng kể, và các vận động viên chuyên nghiệp thường xuyên chạm các mốc lên tới 5 L/phút. Mức cao nhất (trên 6 L/phút) thường thấy ở các vận động viên chèo thuyền, do họ phải huy động khối lượng cơ lớn hơn các bộ môn khác và đòi hỏi nỗ lực hô hấp cực kỳ khủng khiếp, chẳng hạn như thể tích thông khí phút (minute volume) lên tới 200 L/phút (thể tích khí lưu thông – tidal volume đạt 3,29 L với tần số 62 nhịp thở/phút).

Trong sinh lý học vận động (exercise physiology), các chuyên gia thường sử dụng V̇O₂peak như một thước đo chuẩn mực về thể lực tim mạch hô hấp (cardiorespiratory fitness). Đối tượng sẽ thực hiện một chuỗi bài tập gắng sức tăng dần cường độ, trong khi hệ thống phế dung kế (spirometric method) đo lường liên tục chỉ số V̇O₂. Ở mọi mức độ vận động ngoại trừ vận động gắng sức, V̇O₂ sẽ đạt đến trạng thái bình nguyên trong vòng vài phút (Hình 13.2), và đây chính là mức V̇O₂peak của đối tượng. Ở các cường độ gắng sức cao hơn, như ở các vận động viên, việc xác định thời điểm chính xác đạt đến mức lấy oxy tối đa khá khó khăn do sự hiện diện của thành phần chậm trong mức tiêu thụ oxy. Các vận động viên ưu tú hiếm khi đạt được một trạng thái bình nguyên rõ rệt ở mức V̇O₂peak; do đó, các bác sĩ thể thao thường sử dụng các tiêu chí phụ như nồng độ lactate huyết tương tăng cao hoặc tỷ số trao đổi hô hấp (respiratory exchange ratio) tăng lên để xác định V̇O₂peak. Ở mức V̇O₂peak của các vận động viên đã qua tập luyện, các cơ vận động (locomotor muscles) tiêu thụ khoảng 80% tổng lượng oxy cung cấp. Với thể tích thông khí phút (minute volumes) rất cao trong quá trình vận động, mức tiêu thụ oxy của chính các cơ hô hấp cũng trở nên đáng kể, chiếm khoảng 5% tổng lượng V̇O₂ ở cường độ vận động vừa và lên tới 10% ở mức V̇O₂peak (Hình 13.1).

Hình 13.2: Sự thay đổi về lượng oxy tiêu thụ (V̇O₂, đường màu đỏ nét liền), sản lượng carbon dioxide (V̇CO₂, đường màu xanh dương đứt nét) và nồng độ lactate trong máu (đường chấm màu cam) tại thời điểm bắt đầu các mức độ vận động khác nhau. (A) Vận động từ nhẹ đến vừa với nồng độ lactate ít hoặc không tăng; (B) Vận động cường độ cao với nồng độ lactate tăng lên đến một mức cao hơn, nhưng ổn định; (C) Vận động gắng sức, vượt qua ngưỡng kỵ khí khi các mức nồng độ tiếp tục tăng lên khi quá trình vận động tiếp diễn. Lưu ý rằng, với vận động gắng sức (C), sự gia tăng lượng oxy tiêu thụ diễn ra theo hai pha, với pha thứ hai là một thành phần “chậm”.

Đáp Ứng Của Hệ Thống Cung Cấp Oxy

Việc tăng mức tiêu thụ oxy lên 10 hoặc 20 lần đòi hỏi hệ tuần hoàn và hệ hô hấp phải thiết lập một mạng lưới thích ứng vô cùng phức tạp.

Cung Cấp Oxy

Khả năng cung cấp oxy là tích số của cung lượng tim (cardiac output) và hàm lượng oxy động mạch (arterial oxygen content). Do cơ thể không thể gia tăng hàm lượng oxy động mạch lên đáng kể, việc tăng cung lượng tim đóng vai trò sống còn. Tuy nhiên, cung lượng tim không thể (và thực tế là không bao giờ) tăng theo tỷ lệ thuận tuyệt đối với mức tiêu thụ oxy. Ví dụ, mức tiêu thụ oxy 4 L/phút tương đương mức tăng gấp 16 lần so với trạng thái nghỉ ngơi. Cung lượng tim điển hình ở mức độ vận động này chỉ đạt khoảng 25 L/phút (Hình 13.3), tức là chỉ gấp 5 lần giá trị lúc nghỉ. Do đó, cơ thể bắt buộc phải gia tăng khả năng chiết xuất oxy (oxygen extraction) từ máu. Hình 13.3 cho thấy mức tăng tương đối lớn nhất của cung lượng tim diễn ra ở cường độ vận động nhẹ. Ngay ở mức tiêu thụ oxy 1 L/phút, cung lượng tim đã đạt gần 50% giá trị tối đa của nó.