Клиническая физиология и патофизиология дыхания
advertisement
Физиология дыхания Храпов К.Н. Система дыхания • «внешнее дыхание» • транспорт газов кровью • тканевое дыхание Содержание лекции 1. Функциональная анатомия системы дыхания 2. Механика дыхания 3. Вентиляция 4. Легочный кровоток 5. Диффузия 6. Вентиляционно-перфузионные отношения 7. Транспорт газов 8. Регуляция дыхания Функциональная анатомия системы дыхания Эпителий носовой полости при электронной микроскопии Строение дыхательных путей (Из:WeibelE.R. Morphometry of the Human Lung SpringerVerlag,1963.) Кривая зависимости суммарного поперечного сечения воздухоносных путей от их порядка Строение стенки трахеи • Ep- эпителий • Bm- базальная мембрана • LP- lamina propria • Bv- вены • HC- хрящ • Ad-адвентиция (From Kessel RG, Karoon RH: Tissues and organs. In A Text-Atlas of Scanning Electron Microscopy, San Francisco, WH Freeman & Sons, 1979) Структура стенки ВП (По: Weibel E.R., Taylor R.C. Design and structure of the human lung/ In: Fishman A.P. ed/ Pulmonary Diseases and Disorders. Vol.1. New York: McGraw-Hill, 1988: 14.) Эпителий трахеи при электронной микроскопии Поперечный срез бронха и смежной артерии (Br)- бронх и смежная легочная артерия (PA). (EL) - эпителий, (LP) - lamina propria, (SM) – гладкая мускулатура, (BV)- бронхиальная вена. (From Kessel RG, Karoon RH: Tissues and organs. In A Text-Atlas of Scanning Electron Mi­croscopy, San Francisco, WH Freeman & Sons, 1979) Строение паренхимы легкого Легочное интерстициальное пространство с капилляром, проходящим между двумя альвеолами. Капилляр выпячивается в просвет расположенной справа альвеолы через ее тонкую (газообменную) стенку. Интерстициальное пространство сливается с толстой стенкой левой альвеолы. ( Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.) Строение паренхимы легкого при электронной микроскопии • Br-сегментарные бронхи • TB- теринальные бронхиолы • RB- дыхательные бронхиолы • AD - альвеолярные ходы • PA –легочные артерии • PV-легочные вены (From Kessel RG, Karoon RH: Tissues and organs. In A Text-Atlas of Scanning Electron Microscopy, San Francisco, WH Freeman & Sons, 1979) Ацинус при электронной микроскопии • • • TB – териминальные бронхиолы RB – дыхательные бронхиолы AD – дыхательные ходы (From Kessel RG, Karoon RH: Tissues and organs. In A Text-Atlas of Scanning Electron Microscopy, San Francisco, WH Freeman & Sons, 1979) Альвеолоциты I и II типов Строение альвеолы Строение альвеолы Альвеолярный макрофаг Сегменты легких Анатомические соотношения ВП, легочных артерий, легочных вен и лимфатических сосудов (По: Nagaishe С., Nagasawa N., Okado Y., Yainashita M., Inaba N. Functional Anatomy and Histology of the Lung. Baltimore: Univer­sity Park Press, 1972 ) Иннервация легких Механика дыхания – область физиологии дыхания, которая рассматривает силы, ответственные за движения потока воздуха внутрь грудной клетки и обратно. Как легкие закреплены в грудной клетке, и как они движутся Компоненты движущего давления Ptot= (E·ΔV) + (R·V') + (I·V'') Ptot - движущее давление; E - эластичность; R - сопротивление; V’- объемная скорость потока воздуха; I - инерционность; V'’ - скорость изменения объемной скорости воздушного потока Кривая объем -давление Растяжимость легких С= 1/Е =ΔV/P Е - эластичность; ΔV - изменение объема легких; P- давление. При данном поверхностном натяжении газ из меньшей альвеолы будет перемещаться в большую, поскольку меньший радиус кривизны (r1r2) создает более высокое давление (Р1 Р2) в меньшей альвеоле (закон Лапласа) Кривые объем-давление у здоровых и больных людей Направление вектора эластической отдачи грудной клетки в зависимости от дыхательного объема • Кривые "давление-объем" для грудной клетки, легких и комплекса "грудная клетка + легкие" в вертикальном (А) и горизонтальном (Б) положении. (Из: Scurr С., Feldman S. Scientific Foundations of Anesthesia,1982.) Свойства дыхательной системы, определяющие сопротивление потоку V= P/R P - движущее давление; R- сопротивление. V = Pr4/8l; r - радиус трубки - вязкость газа l - длина трубки P= 8lV/ r4 = kV Типы воздушных потоков • А. Ламинарный. Б. Турбулентный. • В. Переходный (с завихрениями в области ветвлений). Турбулентный поток • (P=kV2), R~d/r5 d - плотность газа • Re = 2rVd/ (число Рейнольдса где: V- средняя скорость потока d - плотность газа. Зависимость сопротивления дыхательных путей от объема легких ( Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.) Поток газа (А) при форсированном выдохе после максимального вдоха с различным усилием и (Б) с максимальным усилием после вдохов различной глубины. (Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.) Механизм развития ЭЗДП Кривая форсированного выдоха Постоянная времени = CR= = 0,1л/см 2 см Н2О/ (л с)= 0,2 с Время, соответствующее 1 - это время, необходимое для расправления альвеолы приблизительно на 60% от максимального объема. Расправление на 99 % требует времени, равного 4τ. Работа дыхания во время вдоха и ее составляющие Схема переноса О2 от атмосферного воздуха к тканям (по J. В. West: Ventilation/Blood Flow and Gas Exchange, ed. 3. Oxford, Blackwell, 1977) Вентиляция Как воздух поступает в альвеолы • PACO2 = КVCO2/VA, (К - константа, равная 0,863) • VA = ЧД (VT-VD); • VD /VT = Paco2 - Peco2/ Paco2 (Уравнение Бора) Мертвое пространство включает объем дыхательных путей, в которых не происходит газообмен (анатомическое мертвое пространство), и объем неперфузируемых альвеол (альвеолярное мертвое пространство). Сумма анатомического и альвеолярного мертвого пространства называется физиологическим мертвым пространством. Уравнение альвеолярного газа РАО2 = РIО2- РАСО2(FiO2+ 1-FiO2/R), где: • РiО2 – давление кислорода во вдыхаемом газе, • FiO2 - фракционная концентрация О2 во вдыхаемом газе, • R - дыхательное газообменное соотношение. Пример расчета РАО2 исходя из уравнения альвеолярного газа • • • • РАО2 = РIО2- РАСО2(FiO2+ 1-FiO2/R) R = VCO2/ VO2= 200/250 = 0,8 FiO2 = 0,21; РАСО2 = 40 мм рт.ст., Барометрическое давление – 760 мм рт.ст., давление водяного пара 47 мм рт.ст. РIО2= (760-47)×0,21 • РАО2 =[(760-47)×0,21] – 40 × [0,21+ (1-0,21)/0,8]= 149-48 =101 мм рт.ст. Влияние силы тяжести на давление в плевральной полости и растяжимость альвеол при вертикальном положении тела Спирограмма, показывающая статические легочные объемы и емкости (по J.F.Nunn,1987) Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану (Как газы переходят через стенки альвеол) VG DM ·(P1 P2 ) • • • • где: DM - диффузионная способность, VG - скорость переноса газа через тканевую поверхность, P1 - парциальное давление газа по одну сторону тканевой поверхности, P2- парциальное давление газа по другую сторону тканевой поверхности. Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану DM k ·A / d · / MМ - DM - диффузионная способность, - () - растворимость газа в ткани, - (А) площадь тканевой поверхности - (d) –толщина барьера, - (МM)- молекулярная масса газа DM Поглощение закиси азота, угарного газа, кислорода по ходу легочного капилляра Равновесие альвеолярного и капиллярного О2 в норме (А) и при патологии легких (Б) Сопротивление диффузии VG DM ·(P1 P2 ) Рассчитанные изменения РСО2 на фоне нормальной и нарушенной диффузии Легочное кровообращение Как кровеносные сосуды выводят из легких газы Легочный кровоток • Из 5 л крови, протекающих через легкие за 1 мин, в легочных капиллярах одномоментно находятся и участвуют в газообмене только 70—100 мл. • Емкость капилляров легких относительно постоянна, но общий внутрилегочный объем крови может изменяться от 500 до 1000 мл. • Переход из горизонтального в вертикальное положение сопровождается уменьшением внутрилегочного объема крови (оно может достигать 27 %); положение Тренделенбурга оказывает противоположный эффект. Величины давления в большом и малом кругах кровообращения Схема внеальвеолярных сосудов Два механизма снижения сопротивления легочных сосудов Влияние легочного объема на сопротивление легочных сосудов в условиях постоянного трансмурального давления легочных капилляров Измерение кровотока в легком в вертикальном положении с помощью радиоактивного ксенона (J. М. Hughes et al.: Respir. Physiol., 4 : 58, 1968) Модель, демонстрирующая неравномерность распределения легочного кровотока в трех зонах легкого Вентиляционноперфузионные отношения Модель газообмена в легких Как соотношение между вентиляцией и кровотоком влияет на газообмен (J. В. West: Ventilation/ Blood Flow and Gas Exchange, ed. 3. Oxford, Blackwell, 1977) Распределение отношения вентиляция/кровоток в целом легком (А) и в направлении от верхушки к основанию (Б) в вертикальном положении Из: West J В. Ventilation/Blood Flow and Gas Exchange, 3rd ed. Blackwell, 1977) Регионарные различия в газообмене в нормальных легких Шунтирование и венозная примесь • В физиологии дыхания под шунтированием понимают возврат десатурированной смешанной венозной крови из правых отделов сердца в левые без насыщения кислородом в легких • Под абсолютными шунтами понимают анатомические шунты и те легочные единицы, где V/Q равно нулю. • Относительный шунт — участок легкого с низким, но не нулевым значением V/Q. • Венозная примесь — это количество смешанной венозной крови, которое необходимо добавить к крови конечных легочных капилляров, чтобы снизить парциальное давление кислорода в ней до уровня РаО2. Уравнение шунта Qs/Qt=(Сс'О2-СаО2)/(Сс'О2-CvO2), • • • • где: Qs/Qt - фракция шунтируемой крови, Сс'О2 - содержание кислорода в легочной капиллярной крови, СаО2; - содержание кислорода в артериальной крови, CvO2 — содержание кислорода в смешанной венозной крови. Гипоксемия, вызванная шунтом Транспорт кислорода кровью • О2 емкость крови = [Hb] 1,34 О2 /гHb/100 мл крови • СаО2 = [(1,34)[Hb](SaО2)] + [(Pa)(0,0031)] • CaO2=(1,34·150·0,98)+(0,031·100)=200,08 млО2/л крови; • CvO2=(1,34·150·0,75)+(0,031·40)=151,99 млО2/л крови; • Артериовенозная разница по кислороду при этом составит: • CaO2- CvO2=200,08-151,99=48,09 млО2/л крови. Доставка кислорода • DО2 = СаО2 х Qt (мл/мин) • DO2 = ([(Hb) 1,34 % насыщения] + [0,0031PaO2 )Qt (мл/мин) = 200 мл О2/л крови 5 л/мин = 1000 мл О2/мин (520-720мл/мин/м2) • Потребление О2 = VO2 = Q(CaO2- CvO2) Сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина при изменениях рН, температуры тела и концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) в эритроцитах Транспортные формы СО2 крови • Растворенная СО2 (α=0,3мл/л крови/мм рт.ст.) • • • • около 10 % Анион бикарбоната СО2+Н2О ↔ Н2СО3↔ Н+ + НСО3 около 60 % Карбаминовые соединения Hb-NH2+CO2↔Hb-NH-COOH↔ Hb-NHCOO-+H+ около 30 % Транспорт СО2 кровью Кривая диссоциации для СО2 (эффект Холдейна) Регуляция дыхания Система регуляции дыхания, как контур отрицательной обратной связи Как регулируется газообмен Дыхательная нейроанатомия • PNCпневматаксический центр • DRG –дорзальная дыхательная группа нейронов • VRG- вентральная дыхательная группа нейронов Центральные хеморецепторы Каротидные тельца 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Общая сонная артерия Внутренняя сонная артерия Наружная сонная артерия Каротидное тельце Каменистый ганглий Нерв каротидного синуса Верхний шейный ганглий Ганглиогломулярный нерв Узловатый ганглий 1. Хеморецепторные клетки 2. Поддерживающие клетки 3. Синаптические пузырьки 4. Окончания нерва каротидного синуса 5. Нерв каротидного синуса 6. Капилляры А . Основные типы легочных рецепторов: • (1) медленно адаптирующие рецепторы растяжения, • (2) быстро адаптирующие рецепторы растяжения, • (3) J-рецепторы. Список литературы 1. 2. 3. Гриппи М.А. Патофизиология легких: пер. с англ. – [3-е изд. испр.] – М.,СПб: Binom; : Невский диалект, 2001. – 344 с. Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы: пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 200 с. Физиология дыхания и анестезия // Дж.Эдвард Морган-мл., Мэгид С.Михаил. Клиническая анестезиология : пер. с англ . – М.; СПб. : Изд-во Бином-Невский диалект, 2000. – Кн.2. – С.311-326. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
