Praktická cvičení z lékařské biofyziky

Praktická cvičení z lékařské biofyziky Měření fyzické zdatnosti jedince Úkol 1. Změřte pětkrát klidovou tepovou frekvenci a z těchto pěti měření určete průměrnou hodnotu. 2. Proveďte Ljanovu zkoušku fyzické zdatnosti. 3. Vypočítejte a vyhodnoťte tzv. index odolnosti srdce na námahu pomocí Ruffierovy zkoušky. Úvod Účinost, výkonost, fyzická zátěž a práce Pohyb (myšlena fyzická práce a sport) patří mezi základní atributy života člověka.výsledkem aktivity svalů je nejen samotný pohyb (přemístění těla nebo břemena), ale přímým jevem jsou i významné změny v činnosti jednotlivých systémů a orgánů. Reakce organismu na fyzickou zátěž se všeobecně označuje jako odpověď.velikost odpovědi na určitou zátěž je individuální a závisí od více faktorů.obyčejně se vyjadřuje pojmy účinnost a výkonost. Účinost. Účiností rozumíme poměr (vnější) fyzikální práce k celkové energetické výměně, kterou si vyžaduje její uskutečnění. Nejvyšší teoretická účinnost svalů se pohybuje v rozmezí 30-35 %, prakticky je to však asi 25 % a při zvedání břemen jen 5 %. Při stálé rychlosti pohybu účinost nezávisí od pracovní zátěže, a proto zůstává její hodnota i při dlouhém pracovním zatížení stálá. Když se pracovní zařízení zvyšuje lineárně s konstatní rychlostí, stoupá spotřeba kyslíku (O 2 ) do určitého maxima a potom nastává fáze plato. Toto vyrovnání se označuje jako maximální aerobní kapacita. Výkonost. Výkonost je schopnost jedince podávat výkon v určité činnosti. Závisí nejen na zdravotním stavu, trénovanosti, vytrvalosti a nadání, ale i na podmínkách vnějšího prostředí (podnebí, denní čas, hluk apod.). Výkonost člověka výrazně ovlivňuje i psychický stav. Pokles výkonosti nastává při zhoršení zdravotního stavu, nedostatku trénovanosti, emocionální nevyrovnanosti, nadměrném hluku, zhoršení klimatických podmínek a dalších nepříznivých jevech v období před testováním zátěže. Fyzická zátěž a práce. Při fyzické práci a sportu se kombinují různé formy zátěže. K základním formám patří fyzická, psychická a emocionální zátěž. 1

Fyzická zátěž dynamické práce se uskutečňuje změnou délky svalů a vyjadřuje se fyzikálními veličinami. Fyzikální definice práce je daná silou, která působí po určité dráze : W = F. s, kde W práce(j), F síla (N), s dráha (m) Výkon se definuje jako práce vykonaná za určitý čas : P = W/ t, kde P výkon, t čas (s). Určování energetického metabolismu Celkový energetický metabolismus je množství energie spotřebované anebo vynaložené za jednotku času. Vyjadřuje se v kj, resp. v kcal za 1 hodinu anebo za 24 hodin. 1 kalorie (cal = 4,184 J) je množství energie, které je potřebné na ohřátí 1 g vody o 1 o C, z 15 o C na 16 o C. Energetický výdej se měří dvěma způsoby přímou a nepřímou kalorimetrií. Přímá kalorimetrie. Metoda přímé kalorimetrie vychází z předpokladu, že množství energie uvolněné oxidací energetických látek potravy je rovné jako množství energie uvolněné spálením potravy mimo organismus. Kalorimetr je kovová nádoba, ve které se spaluje příslušný potravinový článek, měří se množství tepla vydaného do prostředí. Přímou kalorimetrií je možno měřit množství tepla uvolněné z organismu za časovou jednotku, a to na základě změny teploty vody, která omývá stěny kalorimetra. Energetická hodnota potravy (spalné teplo) je množství tepla uvolněné spálením 1 g látky v kalorimetru. Toto množství se při rozličných substrátech odlišuje. Spálením 1 g cukru se uvolňuje 17,1 kj (4,1 kcal), 1 g bílkovin 23 kj (5,4 kcal) a 1 g tuků 38,9 kj (9,3 kcal). Hodnoty fyzikálního spalného tepla platí i pro oxidaci cukrů a tuků v organismu. Oxidace bílkovin v těle není úplná, protože koncovými produkty katabolismu jsou kromě CO 2 a H 2 O i močovina a příbuzné dusíkaté látky s určitým obsahem energie. Z tohoto důvodu je fyziologická energetická hodnota bílkovin nižší a ve skutečnosti tvoří jen 17,1 kj (4,1 kcal) z 1 g. Nepřímá kalorimetrie. Bazální a pracovní metabolismus se v medicínské praxi měří většinou nepřímo. Nepřímé měření se opírá o poznatek, že množství tepla uvolněné za jednotku času při přeměně látek v organismu je možné vypočítat podle množství spotřebovaného O 2 a vytvořeného CO 2.. Kyslík v organismu se neukládá do zásoby, a tak je možné jeho spotřebu lehko určit spirometrem. Množství energie, která se uvolňuje v organismu při spotřebě 1 l kyslíku, závisí od druhu oxidovaných živin a označuje se jako energetický ekvivalent O 2. Výdej energie se při zjištěné spotřebě O 2 je potom součinem spotřebovaného kyslíku a známého energetického ekvivalentu (tabulková hodnota) na základě aktuálního respiračního kvocientu. Zjištěná hodnota bazálního metabolismu za 24 h. se porovnává s normou, s tzv.standardem, který je dán součtem hodnoty bazálního metabolismu pro hmotnost a pohlaví a hodnoty pro věk a výšku daného pohlaví (tabulkové hodnoty). Standardní bazální metabolismus je možné vypočítat i podle vzorce : BM = 293. hmotnost (kg) 0,75 Výsledkem porovnání je procentní vyjádření změny bazálního metabolismu oproti standardu pro daného jedince. 2

Fyzické zatížení se měří v laboratorních podmínkách veloergometrem nebo na pohyblivém koberci se známou rychlostí pohybu a úhlem sklonu. Snadno realizovatelnou formou fyzické zátěže je výstupový test (step test), kliky, zvedání činky, atd. Při každém fyzickém zatížení vznikají izotonické nebo izometrické stahy svalů proti odporu. Vykonaná fyzická práce se v takových případech označují jako pozitivní dynamická práce. Při negativní dynamické práci (např.chození ze schodů nebo přemísťování závaží z vyšší polohy na zem) sval zabraňuje pádu. Statická práce je typická pro izometrické stahy svalů, při kterých síla nepůsobí po dráze (např.držení závaží v ruce). Z fyzikálního hlediska se všechna energie potřebná na výkon statické práce izometrické kontrakce svalu přemění na teplo. Účinnost takové práce je nulová. Statická práce se odlišuje od dynamické práce i tím, že při izometrické kontrakci svalových vláken se zvýšením vnitrosvalového tlaku stlačují krevní kapiláry, přičem se zhoršuje zásobování svalu krví. Prokrvení se zhoršuje tehdy, když síla stahu při izometrické kontrakci překračuje hodnotu 15 % jeho maximální síly. Výsledkem je převaha anaeróbního získávání energie, které se spojí s tvorbou kyseliny mléčné a jejím hromaděním ve svalu. Statická práce, která si vyžaduje větší sílu, proto vyvolává velmi rychle únavu. Srdce a krevní oběh. Při dynamické práci svalu jsou změny v oběhové soustavě zaměřené na zvýšení přísunu živin a odvod vznikajícího tepla a produktů metabolizmu. K charakteristickým změnám patří zvětšení systolického objemu srdce a zvýšené překrvení svalů a kůže. Prokrvení svalu se zvyšuje v průběhu 20-30 s víc než 20-krát (může odčerpávat až 90 % minutového objemu levé komory) a vyvolává změny srdeční frekvence, pulzového objemu i tlaku krve. Frekvence akce srdce se výrazně zvyšuje při dynamické práci. Při lehké práci dosahuje v průběhu 5-10 minut rovnovážnou hodnotu a tato hodnota se udržuje až do skončení práce. Při těžké práci, spojené se stálým zatížením, křivka srdeční frekvence nedosahuje ustálený stav, ale neustále se zvyšuje následkem vznikající únavy. Po skončení práce se srdeční frekvence upravuje a dosahuje klidovou hodnotu. Čas potřebný na dosažení výchozích hodnot je delší po vyčerpávající práci než po práci lehké. Podle současných názorů nemá průměrná frekvence srdce v průběhu pracovní směny přesahovat hodnotu 110 úderů/min (anebo převyšovat klidovou frekvenci srdce o 25 pulzů/min). Při zátěži, by neměla pulzová frekvence přesahovat hodnoty uvedené v tab. 1 Věk (roky) Doporučená frekvence srdce při práci Maximální frekvence srdce do 30 31-40 41-50 51-60 61-70 150 150 140 130 130 195 185 182 170 162 Tab.1 Maximální doporučená hodnota srdeční frekvence při práci a maximální dosažitelná hodnota podle věku (Upraveno dle Nováka, 1998) Maximální pracovní hodnoty srdeční frekvence se pohybují v rozmezí 75-80 % nejvyšších přípustných hodnot tepové frekvence srdce. 3

Se zřetelem na přímý úměrný vztah mezi spotřebou O 2, tepovou frekvencí a fyzickou zátěží se používá jako ukazatel zdatnosti dýchacího a kardiovaskulárního systému pulzový kyslík. Je to množství O 2, které může srdce přepravit jedním pulzem a vyjadřuje ho podíl minutové spotřeby O 2 a tepové frekvence. Podle velikosti pracovního zatížení, minutového objemu srdce a využití O 2 v tkáních se hodnota pulzového kyslíku u dospělých pohybuje v rozmezí 4-20 ml na 1 pulz. Na EKG je možné pozorovat při fyzické zátěži sinusovou tachykardii, sinusovou arytmii, zvýšení vlny P v II. a III. sestupu a pozitivitu v III. sestupu, jako je zkrácení intervalů PQ, QT a komplexu QRS. Segment ST se nemění, vlna T se krátkodobě snižuje a oplošťuje a vlna U je výraznější v II. a III. sestupu. Systolický vytlačovaný objem se zvyšuje zpočátku o 20-30 ml a v době pracovního zatížení zůstává stálý. Až při maximální zátěži a vysoké srdeční frekvenci se čas plnění srdce v diastole zkracuje a systolický objem částečně klesá. Výrazně se mění systémový, systolický tlak krve. Při dynamické práci se úměrně se zvyšováním výkonu zvyšuje tento tlak až na 26,6 kpa (200 mmhg). Naproti tomu se diastolický tlak krve prakticky nemění, dokonce může mírně klesat. U zdravého člověka způsobuje pracovní zatížení jen nepatrné zvýšení tlaku v pravé komoře. Při fyzické námaze nastává redistribuce krve ze splanchnické oblasti do pracujících kostrových svalů. Po skončení práce se část kapilár opět uzavírá a přítok krve svaly klesá. Efekt se však nemusí projevit hned, a proto se po velké námaze doporučuje přerušovat fyzickou zátěž postupně (např. po sprintu vyběhat apod.), jinak hrozí při nedostatečném venózním návratu a perfúzií jiných cirkulací (např.cerebrální) ortostatický kolaps. Složení krve. V krvi se mění hodnoty hematokritu, viskozity i měrné hmotnosti. Přesunem z krevních rezerv se vyplavuje zvýšené množství erytrocytů i leukocytů (pracovní leukocytóza), v krevním obrazu se zvyšuje počet neutrofilních granulocytů a lymfocytů a zároveň klesá počet eozinofilních granulocytů. Při krátkodobé námaze se zvyšuje koncentrace glukózy až o 60 %, při dlouhodobé zátěži však klesá jako příznak blížícího se vyčerpání. Koncentrace laktátu (normální hodnoty okolo 1 mmol/l) se při těžké práci zvyšuje v průběhu 30 min až na 15 mmol/l. Koncentrace volných mastných kyselin se při nejtěžší fyzické práci zvyšuje čtyřnásobně. Po příjmu potravy s vysokým obsahem sacharidů se však koncentrace těchto kyselin zvyšuje jen nepatrně (pravděpodobně proto, že zvýšené uvolňování inzulínu brzdí lipolýzu). Při tělesné námaze se v krvi zvyšuje i koncentrace elektrolytů (např.k + ) a některých organických látek (např. aminotransfer). Zvýšenou koncentraci těchto intracelulárních látek v krvi je možné vysvětlit vznikem netěsnosti membrány svalových buněk při práci. Upravení stavu do klidové hodnoty trvá několik dní. 4

Přístroj Body Coach a) Obecná specifikace Přístroj Body Coach v podobě náramkových hodinek umožňuje měření srdeční tepové frekvence. Body Coach nabízí i celou řadu dalších, běžných funkcí: měření času, stopky, nastavení alarmu a hodinového signálu, osvětlení displaye, apod. b) Technické parametry - operační teplota 0 40 C - minimální měřitelná tepová frekvence: 43 tepů/min - maximální měřitelná tepová frekvence: 199 tepů/min - vodotěsnost do 10 m (je zakázáno používat tlačítka ve vodě) - lithiová baterie CR 2032, životnost baterie 1 rok Úkoly 1. Měření klidové tepové frekvence Změřte pětkrát klidovou tepovou frekvenci a z těchto pěti měření určete průměrnou hodnotu. Postup měření - paži s hodinkami položte lehce na stůl - přiložte ukazováček (bříško prstu, ne špičku) na nižší senzor (lesklé tlačítko v dolní části svrchní strany hodinek) - přiložte prostředníček (bříško prstu, ne špičku) na vyšší senzor (lesklé tlačítko v horní části svrchní strany hodinek) - palcem jemně tlačte na řemínek zespoda na zápěstí - tiskněte prst zlehka na horní senzor, nezatlačujte ho - lehce stiskněte spodní senzor rozbliká se ikona srdíčka na displayi - během měření držte prsty na senzorech - vyčkejte na pípnutí, které předchází zobrazení údaje (5-7 sekund) - při neúspěchu měření opakujte - na závěr zkoušky změřte krevní tlak 2. Ljanova zkouška fyzické zdatnosti Měříme dobu během níž se normalizuje zátěží zrychlená srdeční frekvence. Čím zdatnější jedinec, tím rychleji se tepová frekvence po skončení zátěže vrací ke klidové hodnotě. Postup měření - zjistíme klidovou tepovou frekvenci 5

- zátěž představuje minutový běh na místě rychlostí 2 kroky za sekundu (při běhu vyšetřovaný málo zvedá kolena a naráží patami do hýžďových svalů) - tepovou frekvenci změříme během prvních 15 sekund po cvičení a potom vždy během prvních 15 sekund v každé následující minutě, a to tak dlouho, dokud se puls nevrátí k výchozí klidové hodnotě - po zátěži změříme také krevní tlak Vyhodnocení zkoušky 1. Velmi dobrá zdatnost: návrat tepové frekvence ke klidové hodnotě ve 2. minutě 2. Dobrá zdatnost: návrat k výchozí hodnotě ve 3. minutě 3. Střední zdatnost: pokles tepové frekvence ve 2. minutě na hodnoty o 1-2 tepy vyšší, než byla klidová hodnota, a setrvání na této úrovni ještě ve 3. a 4. minutě 4. Podprůměrná zdatnost: návrat k výchozí hodnotě ve 4. minutě 5. Špatná zdatnost: návrat tepové frekvence ke klidovým hodnotám v 6. minutě a později 6. Porovnejte změnu tepové frekvence se změnou tlaku okamžitě po námaze. 7. Vyhodnoťte svou fyzickou zdatnost dle obou naměřených hodnot 3. Ruffierova zkouška Při této zkoušce vypočítáme a vyhodnotíme tzv. index odolnosti srdce na námahu. Opět porovnáme tepovou frekvenci s měřeným tlakem před zátěžovým testem a po zátěžovém testu Postup měření - zjistíme klidovou tepovou frekvenci (TF) - změříme krevní tlak - během 45 sekund provede vyšetřovaný 30 hlubokých dřepů - ihned po ukončení cvičení změříme tepovou frekvenci (TFD) - vyšetřovaný se posadí - přesně za 1 minutu po skončení dřepů změříme opět tepovou frekvenci (TFK) - změříme krevní tlak - vypočteme index odolnosti podle vzorce: Hodnocení indexu (TF + TFD + TFK 200) / 10 1. Výborný: méně než 0 2. Velmi dobrý: 0 5 3. Průměrný: 5 10 4. Slabý: 10 15 5. Velmi slabý: více než 15 6. Porovnáme vypočítaný index s naměřeným tlakem a porovnáme s teorií (viz úvod) 6