background image

1

 

 

Babylon University  
College of Medicine    
Department of physiology 
Dr. Ghafil Saihood Hassan 2016 -2017.  

 

4- Cardiac output, exercise and cardiac hypertrophy.  

 
Objectives: 

1.  Define cardiac output and stroke volume. 
2.  Describe how heart rate and stroke volume interact to control cardiac output. 
3.  State the influence of venous return on cardiac output. 
4.  Define the terms preload, and after load.  
5.  Measurement of COP. 
6.  Conditions that cause increase myocardial contractility. 
7.  Conditions that cause decrease myocardial contractility 
8.  Physiology of exercise. 
9.  Cardiac hypertrophy. 

Cardiac output

: 

  

 Cardiac output is amount of blood pumped out of the heart each minute.

 

   Cardiac output = Stroke volume x heart rate.  
Cardiac  output  (COP)  is  affected  by  body  metabolism,  exercise,  age  and  size  of 
the  body.  In  young,  healthy  men,  resting  COP  average  about  5.6  L/minute.  For 
women, this value is 10-20% less 
Stroke volume: It is the volume of blood ejected from the ventricle on each beat, 
is expressed by the following equation: 
    Stroke volume = End-diastolic volume - End-systolic volume. 
Ejection fraction: It is the fraction of end-diastolic volume ejected in one beat. It 
is normally 55%. It is expressed by the following equation. 
    Ejection fraction = Stroke volume / End-diastolic volume. 
Cardiac index (CI):   
    Because there is a correlation between resting cardiac output (COP) and surface 
area  of  the  body,  it  is  important  to  find  some  mean  by  which  COP  of  different 
sized people can be compared with one another. The COP is frequently stated in 
term  of  the  cardiac  index,  which  is      the  cardiac  output  /minute  /  m²  of  body 
surface. The normal average of cardiac index for adult is about 3.2 L. 
   The  Cardiac  index  is  rapidly  rising  from  2.5  L/minute/

 

m

2

  at  infant  to  a  level 

greater  than  4  L/minute/m²  at  age  10  years,  and  then  declines  to  about  2.4  L  / 
minute / m² at age 80 years. See figure 15. 
 


background image

2

 

 

 

Figure (15): Correlation between CI and age (Guyton & Hall 2006). 

 
The effect of various conditions on COP is summarized in table (2). 
 
Table (2): The effect of various conditions on COP. 

Causes that increase COP   Causes that decrease COP  Causes that no effect on COP 
1-Anxiety and excitement   Sitting or standing from 

lying position 

Sleep. 

2- Eating  

Rapid arrhythmia 

Moderate change in 
environmental temperature

 

3-Exercise 

Heart disease 

 

4- High environmental   
temperature. 

 

 

5- Pregnancy.  

 

 

6- Epinephrine 

 

 
Methods of measurement of COP: 
In the human, COP is measured by indirect methods that do not require surgery. 
1-Direct Fick method:  
   Output of ventricle = O2 consumption (ml/minute) / A O2 – V O2. 
                                  = 250 ml /minute. / 190 ml/ L arterial blood – 140 ml/ L 
                                      venous blood in pulmonary artery. 
                                 = 250 ml/ minute / 50 ml/ L. 
                                 = 5L/minute. 
Arterial  O2  can  be  measured  from  sample  taken  from  any  artery  in  the  systemic 
circulation  as  it  has  same  O2  concentration,  while  venous  O2  concentration  is 
measured  from  pulmonary  artery  (by  catheterization)  because  venous  O2 
concentration differ at different vein of systemic circulation.            
2- Indicator dilution method: Dye or a radioactive isotope of known volume and 
concentration  is  injected  into  an  arm  vein.  The  output  of  heart  is  equal  to  the 


background image

3

 

 

indicator  injected  divided  by  its  average  concentration  in  arterial  blood  after  a 
single circulation through heart. 
3-Thermodilution  method:  The  indicator  used  is  cold  saline.  The  saline  is 
injected into the right atrium through catheter and temperature change in the blood 
is recorded in the pulmonary artery as right ventricular output is the same as left 
ventricular output. The temperature change is inversely proportionate to amount of 
blood flowing through the pulmonary artery. Cold saline is diluted by blood. This 
technique has two important advantages: 1- The saline is completely innocuous. 2- 
The cold is dissipated in tissue.  
The stroke volume is controlled by:     

  Venous return (preload). 

  After load. 

  Myocardial contractility.

 

 

  Cardiac compliance 

A- Preload: It is the degree of myocardium to stretch before it contract according 
to  Frank-Starling  law.  Preload  depend  on  the  end  diastolic  volume  (EDV).  End 
diastolic  volume  depends  on  the  amount  of  blood  return  to  the  heart  (venous 
return). As end diastolic volume increase stroke volume increase.    
B- After load: Normally the resistance in pulmonary circulation is low, while the 
resistance  in  systemic  circulation  is  much  higher.  So  the  pressure  in  systemic 
circulation is much higher than that of the pulmonary circulation. As the resistance 
increase  as  in  hypertension  and  in  case  of  aortic  stenosis  disease,  stroke  volume 
and COP drop. See figure 16.

 

 

Figure (16): Correlation between COP and pressure (Guyton & Hall 2006). 

   

C- 

Cardiac compliance:

 

It is the stretch ability. Decreased compliance in disease condition such as in case 
of pericardial effusion affect stroke volume. 
D--Myocardial contractility: It is the intrinsic ability of the cardiac muscle fibers 
to  develop  force  at  a  given  muscle  length.  It  can  be  estimated  by  the  ejection 
fraction,  which  is  normally  55%.  When  contractility  increases,  the  ventricle  can 


background image

4

 

 

develop greater tension, pressure during systole and eject a large volume of blood 
than normal.         
Factors that cause increase myocardial contractility are:  
1-  Sympathetic  stimulation
:  Sympathetic  stimulation  and  noradrenaline  exert  a 
+ve inotropic effect by increasing cyclic-AMP in the cardiac muscle fibers which 
leads to activation of the Ca

+2

 channels and more Ca

+2

 influx from the ECF.  

2- Circulating catecholamine: Catecholamines (epinephrine, norepinephrine and 
dopamine) exert positive inotropic effect. 
3- Change in ionic concentration: 
 Hyperkalemia  decrease  contractility,  while  hypercalcemia  and  hypernatremia 
increase contractility.  Hypernatraemia favors Na

+

 influx and Na

+

-Ca

+2

 exchanger 

carrier, thus it has a +ve inotropic effect. On the other hand, hyponatraemia exerts 
a  -ve  inotropic  effect  by  an  opposite  mechanism.  Hypercalcaemia  exerts  a  +ve 
inotropic effect as a result of more cytosolic Ca

+2

. Whereas hypocalcaemia has a 

little  (or  no)  -ve  inotropic  effect,  since  lowering  of  the  serum  Ca

+2

  level  causes 

fatal  tetany  before  affecting  the  heart.  However,  hypocalcaemia  causes  cardiac 
flaccidity.    
4- Cardiac rate: myocardial contractility increases as heart rate increases because 
increase heart rate increase intracellular Ca concentration.   
5-  Hormones:  Thyroid  hormone  and  glucagons  which  increase  the  formation  of 
cAMP.   
6- Cardiac rhythm: In ventricle extrasystole, the contraction is stronger than the 
preceding  normal  contraction.  Tachycardia  causes  a  +ve  inotropic  effect  while 
bradycardia exerts a -ve inotropic action. The +ve inotropic effect in tachycardia is 
due to increase intracellular Ca

+2

 content.  

7- Myethylxanthine: Such as caffeine and theophylline that inhibit the breakdown 
of cAMP by phosphodiesterase. So they exert a +ve inotropic effect.  
 8-Digoxin; This drug inhibit  the Na

+

-K

+

 ATPase and  Na

+

-Ca

+2

 exchanger in  the 

sarcolemma of the cardiac muscle fibers, so the intracellular Na

+

 concentration and 

the intracellular Ca

+2

 concentration increase. Digoxin is the drug used in treatment 

of the heart failure. 
9-Temperature:  A  moderate  rise  of  the  body  temperature  strengthens  cardiac 
contractility (by increasing the Ca

+2

 influx and ATP formation in the muscle) while 

an  excessive  rise  of  the  body  temperature  (e.g.  in  fever)  exhausts  the  metabolic 
substrates in  the  cardiac muscle  and  decreases its  contractility.  Hypothermia  also 
decreases cardiac contractility. 
Factors causes decrease contractility:  
1-Myocardial infarction.   
2
Myocarditis.  
3Hypercapnia, hypoxia and acidosis.  An increase of the blood [H

+

] i.e. drop of 

the blood pH (acidosis) produces a –ve inotropic effect, whereas  a decrease of the 
blood [H

+

] i.e. rise of the blood pH (alkalosis) produces a + ve inotropic effect.  

4-Parasympathetic stimulation.  


background image

5

 

 

5-Drugs: Barbiturates, procainamide (and other anesthetic drugs) as well as Ca

+2

 

blocker  drugs  all  have  a  –ve  inotropic  effect  by  decreasing  Ca

+2

  influx  into  the 

cardiac muscle fibers. 
6-Toxins: Several toxins (e.g. certain snake venoms and the toxin released by the 
diphtheria microorganisms) produce a-ve inotropic effect (mostly by a direct action 
on the contractile mechanism of the cardiac muscle). 

:                                                                                      

Effect of exercise

  

1-Blood  flow  is  increase  from  5.5  L/min  to  20  –  35L/min.  The  total  amount  of 

oxygen entering blood increase from 250 ml/min at rest to 4000 ml/min             

 

2-Ventilation increases with onset of exercise.                                                        

  

3- When exercise becomes more vigorous, buffering of increased amount of lactic 

acid that are produced liberates more CO2, and the further increase ventilation.

 

 4-  As  result  of  the  accumulation  of  CO2  and  rise  in  temperature,  the  capillary 
bed of contracting muscle is dilated. Increase metabolic rate of muscle to rise as 
much as 100 fold during exercise.  

    Fatigue is produced by decline in blood pH produced by lactic acidosis.  
COP increase during exercise by: 
1-Sympathetic stimulation.  
2- Increase catecholamine release. 
3-Increase venous return.  
4 - Decrease after-load 

Cardiac hypertrophy: 

1-Prolonged volume over load: It leads to eccentric hypertrophy. Increase in left 
ventricle volume, with little increase in wall thickness. The stroke volume is triple.  
2-Prolonged  pressure  over  load:  It  will  cause  concentric  hypertrophy  of 
ventricular wall, an increase in thickness of ventricular wall, but ventricular end-
diastolic volume remains unchanged. Figure (17). 
 

 

Figure (17): Effect of volume and pressure overload.    

 
Conditions associated with prolong volume over load: 
1-Chronic exercise in the athlete.  


background image

6

 

 

2-  Anaemia,  due  to  lower  viscosity  of  blood,  lower  resistance  of  venous 
return  by  decrease  TPR  because  lack  of  O2  delivery  to  tissue  due  to  low 
RBC and Hb. 
3- Mitral regurgitation. 
4- Aortic regurgitation

5- Systemic arteriovenous fistula.  
6- Left to right shunt due to ventricular-septal defect. 
7- Hyperthyroidism

Conditions associated with increased pressure over load: 
Increase in the left ventricular pressure by: 
1- Hypertension and aortic stenosis. 
2- Increase in the right ventricular pressure by pulmonary artery hypertension and 
pulmonary valve stenosis.  




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 136 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل