Физиология газообмена в легких

Рассмотреть физиологию газообмена в легких с клинических позиций.
Задача семинара

Потому что любое патологическое состояние, при котором нормальная функция аппарата внешнего дыхания недостаточна для обеспечения необходимого газообмена определяется, как дыхательная недостаточность
Ковалев М.Г.
Почему это важно для врача анестезиолога-реаниматолога?

Острая дыхательная недостаточность
быстро нарастающее (минуты, часы и даже дни) тяжелое состояние, выражающееся в неспособности системы дыхания обеспечить достаточное поступление кислорода в соответствии с метаболическими потребностями организма путем насыщения гемоглобина крови, и/или выведения углекислого газа, адекватного для поддержания нормального баланса в кислотно-основном состоянии крови
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.
Развитие острой дыхательной недостаточности (ОДН) крайне опасно для пациентов, у которых она являются результатом либо нарушения функции дыхательной помпы (дыхательной мускулатуры), либо дисфункции легкого. ОДН является сложной областью для врачей, работающих как внутри, так и за пределами отделения интенсивной терапии (ICU) и в областях медицины с повышенной зависимостью от заболеваний дыхательной системы, потому что этот гетерогенный синдром связан с высокой заболеваемостью и смертностью в больницах, этическими проблемами в управлении решениями по окончанию жизни и увеличением потребления ресурсов здравоохранения.
R. Scala, L. Heunks Highlights in acute respiratory failure Eur Respir Rev 2018; 27: 180008

ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ ОДН
(по характеру расстройств газообмена)
Ковалев М.Г.

Газовый состав крови, как признак ОДН
PaO2 < 60 mm Hg (8 kPa),
PaCO2 > 45 mm Hg (6 kPa),
pH < 7.35
Газовый состав крови при котором возникает
угроза жизни больного
PaO2 < 60 mm Hg (8 kPa),
PaCO2 > 70 mm Hg (9,3 kPa)
pH < 7.3
Ковалев М.Г.

Ключевые положения по анатомии, физиологии и патофизиологии дыхательной системы
Ковалев М.Г.

Дыхательная система – интегральное взаимодействие системы внешнего дыхания (воздухоносной системы и легких), кровеносной системы и клеточного дыхания (внутреннеe дыхание), направленное на поступление О2 в кровь для поддержания аэробного дыхания в митохондриях и удаления промежуточного продукта метаболизма СО2 из крови.
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.
Перемещение газовоздушной смеси
в легких

Ацинус
Проводящая зона
Промежуточная и респираторная зона
Vd= 150-200 ml
(~30% ДО)
ФОЕ = 2.4-3.8 L
(~ 50% ОЕЛ)
Схема функциональной морфологии дыхательной системы по E.Weibil, 1963
Анатомическое мертвое пространство
Ковалев М.Г.

Сопротивление дыхательных путей есть разность давлений в ротовой полости и в альвеолах, деленное на объемную скорость воздушного потока
На глотку и гортань приходится 25% общего сопротивления ДП
На зоны 0-3 приходится 60% общего сопротивления ДП
На зоны 4-16 приходится 15% общего сопротивления ДП
Мелкие дыхательные пути вносят небольшой вклад в общее сопротивление, т.к. в сумме они дают большую площадь поперечного сечения.
На уровне ФОЕ сопротивление дыхательных путей составляет 15 см вод. ст./л/с
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Альвеолярное давление (Pal) представляет собой сумму плеврального давления (Ppl) и давления, создаваемого эластической паренхимой легкого (Pel):
Pal = Ppl + Pel
Плеврального давление зависит от величин и направления сил, создаваемой эластической паренхимой легкого и грудной стенки.
При спокойном дыхании перед началом вдоха Ppl ниже атмосферного давления и составляет, в среднем, -5 см вд. ст. Перед началом выдоха оно снижается до -8-9 см вд. ст.
Ковалев М.Г.

Закон Хагена — Пуазёйля
где:
V - объёмная скорость, м³/с;
R - радиус трубки, м
η - коэффициент динамической вязкости, Па·с;
l – длина трубки
p1 – p2 = ∆p - перепад давления на концах трубки
Для создания ламинарного потока (при низких скоростях потока) через трубку необходима сбалансированность 5 составляющих
Ковалев М.Г.

Закон Хагена — Пуазёйля
η - коэффициент динамической вязкости, Па·с
Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Ковалев М.Г.

Обогащение вдыхаемого воздуха парами H2O будет понижать его вязкость
Пары H2O (η = 6,92 против 17,08 воздуха)
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

При возникновении турбулентного потока при данных размерах дыхательных путей он имеет значительно большее сопротивление по сравнению с ламинарным, что увеличивает работу дыхания.
Турбулентный поток
Ковалев М.Г.
Можно воздействовать на плотность газо-воздушной смеси для уменьшения числа Re.
Гелий (ρ = 0,1785 против 1,293 воздуха)
Re = 2rvρ/η

VE = fд × VT
Общая вентиляция (VE), измеряемая от уровня ротовой полости представляет сумму альвеолярной вентиляции (VA) и вентиляции мертвого пространства VD:
VE = VA + VD
Для того, чтобы происходил газообмен VT должен быть больше VD
Объем анатомического мертвого пространства равен 2,2 ml/kg MT.
Объем альвеолярного мертвого пространства в норме 20-50 ml.
Вентиляция легких
Ковалев М.Г.

Дыхательные пути (воздухоносные пути)
совокупность анатомических структур аппарата внешнего дыхания, представляющих собой дыхательные пространства и трубки, по которым смесь дыхательных газов активно транспортируется из окружающей среды организма к паренхиме легких и обратно - от паренхимы лёгких в среду.
Различают верхние и нижние дыхательные пути.
Условным переходом верхних дыхательных путей в нижние принимается место пересечения пищеварительной и дыхательной систем в верхней части гортани.
Ковалев М.Г.

Система верхних дыхательных путей состоит из:
полости носа , носоглотки и ротоглотки , а также частично ротовой полости, так как она тоже может быть использована для дыхания.
Система нижних дыхательных путей состоит из:
гортани (иногда её относят к верхним дыхательным путям), трахеи и бронхов.
Ковалев М.Г.

Основные функции дыхательных путей:
- поступление О2 в организм
- выведение газообразных (СО2) и парообразных метаболитов
- обеспечение очищения вдыхаемой смеси газов
- защитная
- экскреторная
- увлажнение вдыхаемой смеси газов и выведение воды
- теплообмен
- регулирование потока газовых смесей при дыхании.
- образование голоса
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.
Анатомия газообмена в легких

Легкие, pulmones (от греч. - рneumon), расположены в грудной полости (cavitas thoracis) по сторонам от сердца и больших сосудов, в плевральных мешках, отделенных друг от друга средостением (mediastinum), простирающимся от позвоночного столба сзади до передней грудной стенки спереди.
Правое легкое большего объема, чем левое (приблизительно на 10%, но оно несколько короче и шире):
правый купол диафрагмы стоит выше левого (влияние объема правой доли печени)
сердце располагается больше влево, чем вправо, уменьшая тем самым ширину левого легкого.
Ковалев М.Г.

Верхушки легких выстоят на 3-4 см выше I ребра или на 2-3 см выше ключицы спереди.
Сзади и сверху края легких доходят до уровня VII шейного позвонка.
Снизу и сзади края легких достигают XI ребра.
Края плевральных синусов расположены на 1- 2 ребра ниже края легких.
Ковалев М.Г.

Сегментарное строение легких (схема)
Доли легких:
I – верхняя доля
II – средняя доля
III – нижняя доля
Бронхолегочные сегменты (S):
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, каждый с собственной вентиляцией и кровоснабжением
Базальная пирамида
Справа S: 7, 8, 9, 10
Слева S: 8, 9, 10
Правое легкое
Левое легкое
Ковалев М.Г.

FEV1 рpo = FEV 1 preop × [(19 – количество удаляемых Sx) / 19]
или
FEV1 ppo = FEV1 preop × [100 – (Sx × 5.26%)] / 100.
FEV1 – объем форсированного выдоха за 1 секунду (в % к должному)
pро – прогнозируемое послеоперационное значение
preop - предоперационное значение
100 – 100% легочной ткани
19 – количество всех сегментов легких
Sx – один сегмент в удаляемой зоне легких
[(19 – количество удаляемых Sx) / 19 – доля удаляемой части легких
5.26% – % удаляемой легочной ткани, приходящийся на один сегмент легкого
Расчет послеоперационного ОФВ1 для определения функциональной операбельности в торакальной хирургии
Ковалев М.Г.

Альвеолы представляют собой полу-шаровидные выпячивания и состоят из соединительной ткани и эластичных волокон, выстланы тонким прозрачным эпителием и оплетены сетью кровеносных капилляров.
В альвеолах происходит газообмен между кровью и атмосферным воздухом. При этом кислород и углекислый газ проходят в процессе диффузии путь, преодолевая диффузионный барьер из эпителия альвеол, базальной мембраны и стенки кровеносного капилляра, общей толщиной до 0,5 мкм, за 0,3 с
Ковалев М.Г.
Альвеола

Общая площадь внутренней поверхности альвеол меняется между выдохом и вдохом в норме от 40 м² до 120 м²
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Кровообращение в легких или «циркуляция в малом круге кровообращения» состоит из насоса (правого сердца) и сети кровеносных сосудов: легочная артерия с ее ветвями (артериями и артериолами) ведет десатурированную смешанную венозную кровь к легочным капиллярам, где кровь "артериализируется"и возвращается через легочные венулы и вены в левое предсердие.
Кровообращение в легких. Малый круг кровообращения.
Ковалев М.Г.

Кровообращение в легких. Малый круг кровообращения.
В норме легочный кровоток зависит:
- от работы правого желудочка
- работы левого желудочка.
- от дыхания
Ковалев М.Г.

Кровообращение в легких. Зависимость от дыхания.
Во время вдоха усиливается приток крови в грудную клетку и легочный кровоток возрастает.
По завершению вдоха площадь альвеол, а следовательно и газообмена, увеличивается.
При выдохе плевральное давление становится менее отрицательным, что способствует продвижению крови по направлению к левым камерам сердца.
Поскольку легочные сосуды растяжимы, их диаметр зависит от трансмурального давления (разности давлений по обе стороны стенки сосуда).
Ковалев М.Г.

В норме
Особенность легочного кровотока: по мере увеличения кровотока (Q), за счет расширения функционирующих сосудов и раскрытия ранее не перфузируемых артериол легочное сосудистое сопротивление (PVR) сохраняет свое постоянство.
Расчет легочного сосудистого сопротивления:
PVR = (Pla – Plo) / Q
Ковалев М.Г.
Соотношение между давлением и кровотоком в малом круге кровообращения
1 единица Вуда = 1 мм рт. ст. · мин-1 = 80 дин · сек · см-5

Ковалев М.Г.

Распределение перфузии
Малый круг это хорошо растяжимая система низкого сопротивления:
Гравитация распределяет кровоток к основаниям легких
Некоторые капилляры имеют слабый кровоток или же он вообще отсутствует (верхушки легких)
При увеличении кровотока и повышения давления в ЛА капилляры могут вовлекаться и участвовать в газообмене.
Легочные капилляры имеют хорошо растяжимые стенки, поэтому если внутриальвеолярное давление больше давления в легочных капиллярах они суживаются или спадаются.
Кровоток определяет взаимосвязь давления в артериальных легочных сосудах, внутриальвеолярного давления и давления в легочных венах.
Ковалев М.Г.

Легочные капилляры протекают в альвеолярных стенках или перегородках, где они подвергаются воздействию альвеолярного давления (PA). Их калибр определяется трансмуральным давлением этих так называемых альвеолярных сосудов (Pc - PA).
Большие «экстра альвеолярные» сосуды, которые проходят через паренхиму легких, испытывают радиальное тяговое усилие от паренхимы легких на их стенках. Их калибр зависит от объема легких: при увеличении объема легких эти сосуды расширяются пассивно и их сопротивление уменьшается.
Большие грудные сосуды, расположенные вне паренхимы легких, подвергаются воздействию плеврального давления (Ppl).
Особенности перфузии в легких
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Рефлекса Эйлера-Лильестранда (Von Euler U.S., Liljestrand G., 1946)
Гиповентиляция альвеол вызывает легочную артериальную вазоконстрикцию и прекращение кровотока в невентилируемых альвеолах. За счет этого рефлекса предотвращается поступление ненасыщенной кислородом крови в большой круг кровообращения.
Механизм действия гипоксии на легочные сосуды до конца не изучен. Предлагают два альтернативных механизма:
1) прямой эффект гипоксии на гладкую мускулатуру легочных сосудов;
2) непрямой эффект, который гипоксия индуцирует посредством высвобождения вазоактивных медиаторов (серотонин, гистамин, норэпинефрин - НА).
Основными вазодилататоры: ацетилхолин, оксид азота и простациклин.
Легочная артериальная вазоконстрикция
Ковалев М.Г.

ИННЕРВАЦИЯ ЛЕГКИХ
И ЦЕНТРАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ
Ковалев М.Г.

Топография возвратного гортанного нерва
(N. laryngeus recurrens)
Ковалев М.Г.

Парасимпатическая иннервация осуществляется n. vagus, активация которого приводит к спазму мускулатуры бронхов стимуляции секреции слизистых желез.
Симпатическая иннервация легких осуществляется из 3-5 грудных сегментов через симпатическую цепочку.
Ковалев М.Г.
ИННЕРВАЦИЯ ЛЕГКИХ

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.
Чувствительность легких определяется иннервацией межреберными нервами и диафрагмальными нервами (реберная часть и нижняя часть диафрагмы).
Болевые ощущения формируются только при раздражении париетальной плевры.

Источники сигналов в автономный центр контроля дыхания
1. Механорецепторы
- Верхних дыхательных путей
- Легких:
Медленно адаптирующиеся рецепторы: гладкая мускулатура ДП
Быстро адаптирующиеся рецепторы: эпителиоциты ДП (химические и
механические стимулы)
Рефлекс Геринга Брейера: предотвращает перераздутие легких, ингибирует инспираторные нейроны (только у новорожденных)
С-волокна: активируются химическими и механическими стимулами
2. Хеморецепторы
- Периферические хеморецепторы: коротидный гломус и дуга аорты (PaO2,
PaCO2, PH) - приводя к изменениям минутной вентиляции легких.
- Центральные хеморецепторы: продолговатый мозг. Контролируют изменения PaCO2, PH - приводя к изменениям минутной вентиляции легких.
Ковалев М.Г.

Автономный контроль.
Находится в продолговатом мозге: дорсальные и вентральные дыхательные ядра, каждое с инспираторными и экспираторными нейронами.
Функция отдельных нейронов:
- Пейсмекеры, запускающие заданную частоту
- Нейроны, запускающие вдох
- Нейроны, запускающие выдох
- Нейроны переключения с вдоха на выдох.
Ковалев М.Г.
Центральная регуляция дыхания

Ковалев М.Г.

Патологические типы дыхания
1. Гаспиг дыхание – терминальное тип дыхания: редкие судорожные вдохи-выдохи. Возникает при резкой гипоксии мозга.
2. Дыхание типа Чейна-Стокса – характеризуется постепенным возрастание и снижением амплитуды дыхания с возникновением паузы. Отмечается при нарушении работы дыхательных нейронов продолговатого мозга.
3. Атактический тип дыхания – неравномерное, хаотическое, нерегулярное дыхание. Такое дыхание наблюдается при нарушении связи продолговатого мозга с варолиевым мостом.
4. Дыхание Биота – между нормальными дыхательными циклами возникают длительные паузы – до 30 с. Такое дыхание возникает при повреждении дыхательных нейронов варолиевого моста;
6. Дыхательная апраксия – при этом больной не способен произвольно менять глубину и частоту дыхания. Отмечается при поражении лобных долей.
7. Нейрогенная гипервентиляция – при нарушении структур среднего мозга.
8. Апнейстическое дыхание (апнейзис) – отмечается длительный вдох и короткий выдох (при перерезке блуждающего нерва);
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.
Расшифровка состояния газообменной функции легких

Основной функцией легких является поддержание отношения вентиляции и перфузии на таком уровне, чтобы газообмен между альвеолярным воздухом и альвеолярной капиллярной кровью постоянно оставался эффективным
Ковалев М.Г.

- Альвеолы должны вентилироваться
- Альвеолы должны перфузироваться
- Вентиляция и перфузия должны соответствовать друг другу
Ковалев М.Г.
Для того, чтобы происходил газообмен необходимо:

Ковалев М.Г.

Некоторые области нормального легкого имеют отношение VA / Q> 1, т.е. зоны, где локальная вентиляция (VA) слишком высока по сравнению с локальной перфузией (Q).
Эти гипервентилируемые области отображают эффект мертвого пространства и могут быть названы альвеолярным мертвым пространством, например, в независимых зонах легкого.
Сумма этого альвеолярного мертвого пространства и анатомического мертвого пространства является физиологическим мертвым пространством.
Ковалев М.Г.

Зоны Веста (J.B.West, 1990)
Для того, чтобы происходил газообмен, вентиляция должна соответствовать перфузии.
Однако, даже в норме на верхушках легких вентиляция превышает перфузию (V/Q > 1), а на основании легких перфузия превышает вентиляцию (V/Q < 1)
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Диффузионная способность легких
Ковалев М.Г.

Диффузия газов в легких.
Диффузионная способность легких – это отношение объема газа, продиффундировавшего через легочную мембрану за 1 минуту в расчете на 1 мм рт.ст. градиента давления.
Закон Фика диффузии газов:
Поглощение газа зависит
- от разницы давлений по сторонам мембраны (P1 – P2),
- свойств газа (D),
- площади поверхности мембраны (A) - толщины мембраны (t).
V = [D × A × (P1 – P2)] / t
D, A, t измерить нельзя и их объединяют как T L – фактор переноса или D L – диффузионная способность легких
D L = V / (P1 – P2)
Альвеолокапиллярная мембрана идеальна для газообмена: S = 50-100 m2 ; t = 0,3 µm
Ковалев М.Г.

Длительность прохождения эритроцита (кровоток) через легочные капилляры в покое занимает приблизительно 0,75 сек.
На установление равновесия между газом в альвеолах и легочных венах уходит приблизительно 0,25 сек для O2 и 0,3-0,4 сек для CO2.
В здоровых легких диффузия N2, O2 и CO2 ограничивается перфузией, а в пораженных легких может дополнительно ограничиваться нарушениями диффузии.
Для CO перенос через альвеолярно-капиллярную мембрану полностью зависит от ее диффузионной способности по этому газу.
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Состояния, при которых снижается диффузионная способность легких:
- Уменьшении площади поверхности диффузии
- Увеличении толщины мембраны
- Анемии
- Снижении сердечного выброса
Заболевания легких, которые сопровождаются нарушением их диффузионной способности
- Обструктивная болезнь легких
- Интерстициальные заболевания легких
- Заболевания сосудов легких
- Прогрессирующий туберкулез легких
На диффузию СО2 влияет эффект Холдейна
Ковалев М.Г.

Газовый состав крови:
PaO2 > 60 mm Hg,
35 mm Hg < PaCO2 < 45 mm Hg
pH > 7.35
Это маркеры газообмена!
В артериальной крови при Hb 150 g/L содержится
205 ml/L O2 и 520 ml/L CO2.
- Только 0,3% О2 в артериальной крови находится в растворенном состоянии, остальная часть - в химически связанном состоянии в эритроцитах в виде оксигемоглобина (HbO2).
- Только 2,5% СО2 в артериальной крови находится в растворенном состоянии. Остальная часть - в химически связанном в эритроцитах (карбогемоглобин - HbCO2, H2CO3, KHCO3) и в плазме (NaHCO3).
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Расчетные величины
Уравнение альвеолярного газа
PAO2 = (PB - PвпH2O)×FiO2 – PaCO2/RQ
вп – водяных паров
RQ – дыхательный коэффициент (0,8)
Альвеолярно-артериальная разница по кислороду
PAO2 - PaO2 = DAaO2 (N - не более 5-15 mm Hg)
Респираторный индекс (индекс оксигенации, индекс Горовитца):
PaO2/FiO2 = 450-500 mm Hg (N)
Не менее 285 mm Hg
Ковалев М.Г.

Расчет DAaPO2 необходим
для взвешенной оценки причин гипоксемии
1. Оценить эффективную FiO2
2. Нормальные значения – альвеолярная гиповентиляция
Оценить силу дыхательных мышц:
Снижена – нарушение нейромышечной проводимости
Нормальная – нарушения центрального генеза
3. Повышенные значения
при PvO2↓ - напряжение в системе транспорта кислорода
при PvO2 N:
- нарушение диффузии альвеолокапиллярной мембраны
- ↑ Qs/Qt
- увеличение альвеолярного мертвого пространства (эмболии)
- комбинация причин
Ковалев М.Г.

Фракция внутрилегочного шунта (Qs/Qt )
Классическая формула:
Qs/Qt = (CcO2 – CaO2) / (CcO2 – CvO2)
где Qs – кровоток по шунту
где Qt – тотальный пульмональный кровоток
CcO2 – идеальное содержание кислорода в легочном капилляре (сохранена вентиляция, сохранен кровоток)
CaO2 – содержание кислорода в артериальной крови
CvO2 - содержание кислорода в смешанной венозной крови
СbloodO2 = Hb g/L×1.34×StO2+PO2×0.031 (в литре крови)
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

А. Г. Камкин, И. С. Киселева. Физиология дыхания / Атлас по физиологии // В двух томах. Том 2: учеб. Пособие. - 2012.
Фракция шунта (Qs /Qt) из бронхиальной артерии
Ковалев М.Г.

Влияние FiO2 на оксигенацию артериальной крови при различных значениях Qs/Qt
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Пульсоксиметрия
Определение насыщения гемоглобина кислородом на периферии (SpO2).
Измерение сатурации основано на различном поглощении. света оксигенированным и восстановленным Hb.
Два источника света на одной стороне и два регистрирующих элемента на другой стороне.
SpO2 [в %] = 100×HbO2 /(HbO2 +HbR)
N = 97-100% (точность измерений 4-5%)
В присутствии МеtHb - занижение значений
COHb - завышение значений
Датчик может выделять флуктуацию артериальной компоненты сигнала, что позволяет построить плетизмограмму и рассчитать Ps.
Ковалев М.Г.

Капнометрия
Капнометрия с капнографией используется для оценки качества альвеолярной вентиляции (VA), мертвого пространства и содержания CO2 в альвеолярном газе
(ET СО2 ).
В основе определения - инфракрасная спектроскопия или масс-спектрометрия (поглощение инфракрасных лучей с длиной волны 4,27 мкм).
ETCO2 (D)
AB - изолиния
BC – вымывание СО2
мертвого пространства
CD – альвеолярное плато
DE - быстрый спад
BD – выдох
DEA – вдох
Ковалев М.Г.

При нормальном VA/Q : PaCO2 - ET СО2 ≤ 5 mm HG
Нормовентиляция – нормальные величины PaCO2 (35-45 mm Hg)
Гипервентиляция (гипокапния) - PaCO2 < 35 mm Hg
Гиповентиляция (гиперкапния) - PaCO2 > 45 mm Hg
Не путать !!!
Гипопноэ
Гиперпноэ
Ковалев М.Г.

Ковалев М.Г.

Расчет альвеолярной вентиляции
Уравнение Бора
Ковалев М.Г.
в норме Vd / Vt <0.4

Ковалев М.Г.