Физиологические основы дыхания О В Военнов Часть

Физиологические основы дыхания О. В. Военнов

Часть 1 ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ И ЛЕГОЧНОГО ГАЗООБМЕНА

Основная анатомия респираторной системы n 1. 2. 3. 4. Верхние дыхательные пути Носоглотка Гортань Нижние дыхательные пути Трахея Бронхи (до 16 порядка) Бронхиолы (16 -23 порядка) Бронхо-альвеолярная единица (ацинус)

Дыхательные пути n n n В верхних дыхательных путях осуществляется увлажнение и согревание вдыхаемого воздуха. Нижние воздухоносные пути представляют собой систему дихотомически ветвящихся трубок (каждый бронх разветвляется на два меньших бронха). Диаметр каждой последующей ветви меньше диаметра предыдущего бронха, но общая площадь поперечного сечения каждой последующей генерации дыхательных путей возрастает из-за значительного увеличения общего числа ветвей.

Упрощенная схема воздухоносных путей человека (по Е. R. Weibel, 1963)

Дыхательные пути n n n В легком человека 23 генерации дыхательных путей Первые 16 называют проводящими, так как они обеспечивают поступление газа к зонам легких, где происходит газообмен. В проводящих воздухоносных путях нет альвеол, и они не могут участвовать в газообмене. Поэтому в совокупности образуемую ими емкость называют анатомическим мертвым пространством. Объем его составляет около 150 мл.

Дыхательные пути n n Последние семь генераций дыхательных путей состоят из дыхательных бронхиол, альвеолярных ходов и альвеолярных мешочков. Каждое из этих образований дает начало альвеолам. Дыхательная бронхиола первого порядка (Z=17) и все дистально расположенные от нее газообменивающие дыхательные пути образуют легочный ацинус.

Лёгочный ацинус

Альвеола

Механизм газообмена в ДП n n Вдыхаемый воздух продвигается примерно до терминальных бронхиол по механизму объемного потока, однако из-за возрастания общей площади поперечного сечения ВП, вследствие многократных ветвлений, поступательное перемещение газов становится очень незначительным. Главным механизмом вентиляции в дыхательной зоне является диффузия газов.

Механизм газообмена в легких n Газообмен может осуществляться только через плоский эпителий, который появляется в дыхательных бронхиолах (бронхи 17 -19 -го порядка).

Альвеолярно-капилярная мембрана

Газообменная зона Из общей емкости легких (5 л) большая часть (около 3 л) приходится на дыхательную (газобменную) зону. n Она включает около 300 млн. альвеол. Поверхность альвеолярнокапиллярного барьера составляет 50100 м 2, а толщина - 0, 5 мкм. n

Альвеолоциты Эпителий, выстилающий внутреннюю поверхность альвеолы, состоит из двух типов клеток: плоских выстилающих (I тип) и секреторных (II тип) n Клетки первого типа занимают до 95% площади альвеолярной поверхности. Клетки второго типа продуцируют и секретируют сурфактант, состоящий из протеинов и фосфолипидов. n

Сурфактант n n распределяется по альвеолярной поверхности и снижает поверхностное натяжение в результате площадь повехности сокращается до минимума.

Сурфактант n n Во-первых, понижая поверхностное натяжение, он увеличивает растяжимость легкого (уменьшает упругость). Тем самым уменьшается совершаемая при вдохе работа Во-вторых, обеспечивается стабильность альвеол, предотвращается их спадение, а также перемещение воздуха из меньших альвеол внутрь больших альвеол при выдохе

Каскад парциального давления кислорода

О 2 в атмосфере n Парциальное давление О 2 в сухом воздухе (РIО 2) на уровне моря при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. равно 160 мм рт. ст. – (760 21/100 = 160).

О 2 в альвеолах n Воздух в ВДП согревается и в альвеолярном воздухе РАО 2 будет составлять около 100 мм рт. ст. и определяется по следующей формуле: РАО 2 = (760 мм рт. ст. – давление паров воды в альвеолах) (21% - % поглощаемого в легких О 2) = (760 – 47) (21 -7)/100 = 100 мм рт. ст.

Кислородный каскад Парциальное давление (напряжение) кислорода в артериальной крови (Ра. О 2) около 80 -90 мм рт. ст. , в венах (РVO 2) = 40 мм рт. ст. n Для митохондрий достаточно 5 мм рт. ст. n

Каскад СО 2 Рт. СО 2 = 46 -50 мм рт ст n РVCO 2 = 42 -47 мм рт. ст. n РАСО 2 = 34 -44 мм рт. ст. n Ра СО 2 = 35 -45 мм рт ст n Рi. СО 2 - практически равно 0 n

Обмен СО 2 n n Скорость образования СО 2 (VCO 2) у здорового человека массой 70 кг в состоянии покоя составляет около 200 мл в 1 мин. Альвеолярное напряжение углекислого газа (РАСО 2) отражает баланс между общей выработкой (продукцией) углекислого газа (VCO 2) и альвеолярной вентиляцией (элиминацией СО 2)

Обмен СО 2 n n При отсутствии нарушения вентиляции (снижения или увеличения объема альвеолярной вентиляции) PETCO 2 почти равно парциальному давлению углекислого газа в альвеолярном воздухе (PАCO 2). PАCO 2 лишь на 1 мм рт. ст. меньше, чем парциальное давление CO 2 в артериальной крови (Pа. CO 2).

Газообмен n При нормальной альвеолярной вентиляции в условиях спонтанного дыхания организм поддерживает постоянство состава альвеолярного воздуха, поддерживая РАО 2 на уровне 90 -110 мм рт. ст. , а РЕТСО 2 - 34 -44 мм рт. ст

Газообмен n n n FETCO 2 (PETCO 2) можно определить с помощью капнографа. (FETCO 2 = 4, 9 -6, 4 об% (PETCO 2 = 34 -44 мм рт. ст. ) Гипервентиляция вызывает гипокапнию (FETCO 2 < 4, 9 об%, PETCO 2 < 34 мм рт. ст. ) - дыхательный алкалоз Гиповентиляция вызывает гиперкапнию (FETCO 2 > 6, 4 об%, PETCO 2 > 44 мм рт. ст. ) - дыхательный ацидоз

Газообмен в легких обеспечивается тремя механизмами: вентиляцией альвеол n диффузией газов через альвеолокапиллярную мембрану n кровотоком в легочных капиллярах n

Механика газообмена в легких n n Легочная вентиляция – обмен газов во время вдоха и выдоха между атмосферой и альвеолами Спонтанный ДЦ: под влиянием дыхательной мускулатуры возникает движение воздуха в легкие, т. к. Р в альвеолах меньще давления в ДП, при этом увеличивается V. Вдох продолжается до тех пор пока Р в альвеолах превышает давление в ДП - начинается выдох – ведущий к уменьшению V в легких и снижению Р в альвеолах до момента, когда давление в альвеолах становится меньше, чем в ВДП

При вдохе лучше вентилируется верхушка лёгких

Статические легочные объемы n n n Дыхательный объем состояния покоя (Vt) Резервный объем вдоха (IRV) Резервный объем выдоха (ERV) Остаточный объем после максимального выдоха (RV) Функциональная остаточная емкость – объем газов в легких после спокойного выдоха (FRC = ERV + RV)

Спирограмма

Статические легочные объемы Жизненная емкость легких (VC) – объем газов между максимальным вдохом и максимальным выдохом n Общая емкость легких (ТLC) – сумма всех объемов VC + RV n Объем закрытия (CV) – объем легких на выдохе при котором происходит экспираторное закрытие бронхиол n

Статические легочные объемы n n n Емкость закрытия (СС) – сумма объема закрытия и остаточной емкости. Закрытие легких происходит чаще и раньше в дорсобазальных частях легких, в которых давление окружающих тканей превышает эндобронхиальное давление Cнижение FRC приводит к увеличению СС

Факторы, понижающие FRC n n n n Положение на спине Полнота Торакальные операции Операции на верхнем этаже брюшной полости Курение Возраст ХОБЛ

Ёмкости лёгких n n 1. Общая емкость легких (ОЕЛ) - объем воздуха, находящегося в легких после максимального вдоха. 2. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) включает в себя дыхательный объем, резервный объем вдоха, резервный объем выдоха. ЖЕЛ - это объем воздуха, выдохнутого из легких после максимального вдоха при максимальном выдохе (ЖЕЛ = ОЕЛ – ОО); ЖЕЛ составляет у мужчин 3, 5 - 5, 0 л, у женщин - 3, 0 -4, 0 л.

Ёмкости лёгких n n 3. Емкость вдоха (Евд) равна сумме дыхательного объема и резервного объема вдоха, составляет в среднем 2, 0 - 2, 5 л. 4. Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) - объем воздуха в легких после спокойного выдоха. В легких при спокойном вдохе и выдохе постоянно содержится примерно 2500 мл воздуха, заполняющего альвеолы и нижние дыхательные пути. Благодаря этому газовый состав альвеолярного воздуха сохраняется на постоянном уровне.

Объём альвеолярной вентиляции n n n Наиболее важным показателем легочной вентиляции является объем альвеолярной вентиляции (VА). Часть вдыхаемого газа, попавшего в альвеолярное пространство и использованное для газообмена Va = (Vt – Vd) f Остальная часть общего объема является вентиляцией так называемого мертвого пространства (VD).

Мертвое пространство (Vd) n n n Часть дыхательной системы не выполняющая функцию газообмена – воздухоносные пути – анатомическое мертвое пространство (Vda, 2 мл/кг, 150 мл) Часть невентилируемых альвеол, в которых не происходит обмена газов – альвеолярное мертвое пространство (Vdalv) Функциональное мертвое пространство – Vdf = Vda+Vdalv = Vt (1 - Pet. CO 2/Pa. CO 2)

Мертвое пространство/дыхательный объем (Vd/Vt) Vd/Vt = 0, 3 n При Vd/Vt = 0, 7 работа дыхательной мускулатуры критическая, обмен газов – нерегулируемый (гипоксия и гиперкапния) n В п/о периоде часто до 0, 5 n

Дыхательная зона – объем АВ n Из общей емкости легких (5 л) большая часть (около 3 л) приходится на дыхательную зону, которая включает в себя около 300 млн. альвеол, площадь которых 50 -100 м 2,

Объём альвеолярной вентиляции n n n газообмен в легких определяется не минутным объемом дыхания (VE = 5, 6 -8, 1 л/мин в норме), а объемом альвеолярной вентиляции, которая рассчитывается по формуле: VA = VE - VD = (VT-VD) f = (500 -150) 12 = 4, 2 л/мин, где f – частота дыхания лучше оценивать на основании определения содержания Рет. СО 2

Диффузия Транспорт через альвеоло-каппилярную мембрану кислорода в артериальную кровь на эритроцит и углекислого газа из венозной крови в альвеолы n Зависит от – градиента давления газов, площади и толщины АКМ, объема протекающего кровотока n

Нарушения диффузии

Диффузия газов Сопротивление АКМ для различных газов различно n Для СО 2 в 20 раз меньше, поэтому препятствия для диффузии О 2 (гипоксемия) проявляются раньше, чем для СО 2 (гиперкапния) n Индекс оксигенации – Ра. О 2/Fi. O 2 n

Кровоток в легких (Qc) n n среднее давление в легочной артерии (15 мм рт. ст. ) систолическое давление в легочном стволе составляет около 25 мм рт ст разность давлений в малом круге 10 мм рт ст сопротивление в ЛС в 10 раз меньше, чем в системных 1, 7 мм рт. ст. /л мин-1

Гипоксическая локальная легочная вазоконстрикция n При локальной альвеолярной гиповентиляции происходит рефлекторная вазоконстрикция сосудов гиповентилируемой области с перераспределением кровотока в зоны нормальной вентиляции (снижение легочного шунта)

Легочная гипертензия n n При хронической гиповентиляции легочное венозное сопротивление и давление в легочной артерии постоянно повышенно – легочная гипертензия При сепсисе, пневмонии, использовании нитратов, аминофиллина легочное венозное сопротивление в гиповентилируемых областях снижается – усиливается праволегочный шунт

Легочная перфузия Поток крови проходящий через функциональные легочные каппиляры (Qt) n Шунт – часть крови, которая проходит через невентилируемые легочные каппиляры (Qs) n МОС = Qt + Qs n

Неравномерность лёгочного кровотока

Зоны Va/Qt в легких (West) n n n 1 зона – Ра > Pлк > Рв Максимальная оксигенация, перфузия в систолу, затруднен венозный отток 2 зона - Pлк > Pа > Рв Перфузия в систолу и диастолу, затруднен венозный отток 3 зона - Рлк > Рв > Ра Максимальная перфузия, минимальная оксигенация

Вентиляция/перфузия при ИВЛ При увеличении РЕЕР объем 1 -й зоны увеличивается, а 2 -й и 3 -й – уменьшается n При РЕЕР более 10 см вод ст перфузия ЛК зависит от мощности правого желудочка. n При ПЖН снижается преднагрузка на ЛЖ и уменьшается МОС n

Вентиляция/перфузия Альвеолярная вентиляция – 4 л/мин n МОС – 5 л/мин n Va/Qt = 0, 8 n Нижние части легких – лучше перфузируются n Верхние части легких - лучше вентилируются n

Внутрилегочный право-левый легочный шунт (Qs/Qt) n n n В плоховентилируемом, но хорошоперфузированном легочном пространстве не происходит газообмена и неокисленная кровь попадает из легочной артерии в легочную вену (Qs). Отношение этой части крови к объему крови, протекающему через нормально работающие альвеолы (Qt) – право-левый шунт (Qs/Qt) 3 -5%

Внутрилегочный право-левый легочный шунт (Qs/Qt) n n Частично Qs/Qt может быть компенсирован за счет Fi. O 2, но при Qs/Qt выше 30% даже вентиляция чистым кислородом неспособна обеспечить повышение Рао 2 Увеличение Рао 2 возможно лишь при мобилизации альвеолярного пространства, вовлечение в вентиляцию ранне коллабированных альвеол

V/Q соотношения

V/Q соотношения Абсолютные шунты - анатомические шунты и те легочные единицы, где V/Q равно нулю. n Относительный шунт - участок легкого с низким, но не нулевым значением V/Q. n

Расчёт фракции шунтированной крови n n Qs/Qt - фракция шунтируемой крови, Сс'О 2 - содержание кислорода в легочной капиллярной крови, Са. О 2; - содержание кислорода в артериальной крови, Cv. O 2 - содержание кислорода в смешанной венозной крови.

Часть 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКИХ

Основные параметры механики дыхания n n n n Дыхательный объем (Vt) Частота дыхания (f) Минутный объем вентиляции (MV) Скорость потока (F) Давление в дыхательных путях (Paw) Сопротивление в дыхательных путях (R aw) Податливость (С) Работа дыхания (WB)

Сопротивление в ДП (Raw) Аэродинамическое сопротивление ДП – соотношение между падением давления от ротовой полости до альвеол и потоком газов R aw = ΔP/ Q (к. Па/л/с или см вод ст/л/с) n Ламинарное сопротивление n Турбулентное сопротивление n

Сопротивление в ДП (Raw) n n Сопротивление дыхательных путей (R) рассчитывают как частное от деления разницы между Ppeak и РЕЕР на величину пикового потока и характеризует изменения потока под влиянием давления R = (Ppeak – РЕЕР) : F У здоровых взрослых людей R = 1, 3 – 3, 6 см Н 2 О/(л с-1), у детей – 5, 5 см Н 2 О / (л с-1)

Сопротивление в ДП (Raw) n n n На вдохе – уменьшается, т. к. увеличивается диаметр бронхов На выдохе – увеличивается, т. к. уменьшается просвет бронхов Увеличивается при давлении из вне, при ХОБЛ, бронхоспазме, гиперсекреции бронхов

Податливость (C) Изменение объема легких при изменении давления n С = ΔV / ΔP n Характеризует эластические свойства легких и грудной клетки n S – образная графическая зависимость – релаксационная кривая легких n

Кривая «объем-давление»

Статическая податливость (Cst) отношение выдыхаемого альвеолярного объема к разнице альвеолярного давления на вдохе и на выдохе n Cst = Vte / (Pai – Pae) n Cst = Vte / (Pplato – PEEP) n Новорожденные 100 -200 мл/к. Па n Дети 200 -400 мл/к. Па n Взрослые 700 -1000 мл/к. Па = 50 - 100 мл/см Н 2 О. n

Патологические состояния с пониженной податливостью n n n n n РДСВ Бронхопневмония Отек легких Аспирационный синдром Ателектазы Высокое стояние диафрагмы Фиброз Патология сурфактанта Ателектаз

Эластичность n n Величина обратная податливости Мера упругости - отражает способность лёгких к сохранению своих форм и размеров Чем больше эластичность, тем меньше податливость Жёсткие лёгкие – низкая податливость, но большая эластичность

Постоянная времени Произведение комплайнса и сопротивления в дыхательных путях n Характеризует время необходимое для вдоха/выдоха при данных С и R n te– 63% ДО, 2 te – 85% ДО, 3 te - 95% ДО n

Работа дыхания (WB) n n n Количество энергии, необходимое для совершения газообмена между атмосферой и легкими WB = P x V (Дж) Работа во времени – мощность дыхания – 2, 5 -5 Дж/мин В норме тратится 2% ПО 2 Предел работы дыхания 10 -15 Дж/мин (20% ПО 2) – требует вентиляционной поддержки

Работа дыхания Работа по преодолению сил трения n Работа по преодолению податливости легких и грудной клетки (эластичная работа) n При избыточной работе дыхания – развивается усталость дыхательной мускулатуры и вентиляционная (дыхательная) недостаточность n

Работа дыхания При обструкции – увеличение РД связано с увеличением сопротивления на вдохе и выдохе (выдох – активный) n При рестрикции – увеличение РД связано с увеличением работы по преодолению эластичных сил n

Дыхание – жизнь… Спасибо за внимание