MED RAZGL 2012; 51: 291-308 PREGLEDNI ČLANEK Andraž Stožer1, Jurij Dolenšek2, Marjan Slak Rupnik3 Fiziologija pljuč - prvi del Pulmonary Physiology - Part One IZVLEČEK_ KLJUČNE BESEDE: fiziologija pljuč, mehanika dihanja, ventilacija, perfuzija, regulacija dihanja Zrak, ki ga vdihnemo, potuje po dihalnih poteh do alveolov. Na tej poti se v dihalnih poteh relativno majhen volumen zraka najprej segreje in zasiti z vlago, v alveolih pa se pomeša z relativno velikim volumnom tam nahajajoče se plinske zmesi. Slednja vsebuje v primerjavi s plinsko zmesjo zraka manj kisika in mnogo več ogljikovega dioksida. Na ta način med dihanjem med atmosfero in alveolno plinsko zmesjo razmeroma hitro izmenjujemo razmeroma majhen volumen, zato se sestava alveolnega zraka skorajda ne spreminja. Namen dihanja je torej ustvarjanje skoraj konstantnega pretoka kisika iz alveolov v vensko kri ter ogljikovega dioksida iz venske krvi v alveole. V pričujočem, prvem delu pregleda fiziologije pljuč najprej opredelimo pljučne volumne, kapacitete in pretoke. Nato se posvetimo mehaniki dihanja in analiziramo časovno odvisnost tlakov, volumnov in pretokov v dihalnem sistemu ter izpeljemo njihovo odvisnost od statičnega in dinamičnega upora. Z novim pristopom odpravimo dosedanjo zmedo pri prikazovanju med dihanjem opravljenega dela. Nadaljujemo s podrobno obravnavo dejavnikov, ki vplivajo na sestavo zraka v dihalnih poteh in alveolih. Zaključujemo z vlogo difuzijske izmenjave O2 in CO2 preko alveolokapilarne membrane pri izenačevanju delnih tlakov obeh plinov med tekočinsko fazo v krvi in plinsko fazo v alveolnem zraku. _ 269 ABSTRACT KEY WORDS: lung physiology, respiratory mechanics, ventilation, perfusion, regulation of breathing Inspired air flows down the airways to reach the alveoli. Along this way, the temperature of this relatively small volume of air equilibrates with body temperature and becomes saturated with water vapour. In the alveolar space, the inspired air mixes with a relatively large volume of alveolar gas that contains less oxygen and by far more carbon dioxide. Since a relatively small volume is relatively frequently exchanged between one and the other compartment, the composition of alveolar gas changes only slightly. Therefore breathing in principle supports two net fluxes, a practically constant flux of oxygen from the alveoli to the venous blood and of carbon dioxide to alveoli. In this first part of our review of lung physiology, we first define lung volumes, capacities and flows. We further deal with mechanics of breathing and analyse temporal characteristics of pressures, volumes and flows in the respiratory system, and show how they depend on static and dynamic resistances. A novel and clear graphic presentation of work of breathing is given at the end of the chapter on mechanics. We continue with a detailed analysis of factors that determine the composition of the inhaled and alveolar gas mixture and conclude by pointing out the role of diffusional exchange of oxygen and carbon dioxide across the alveolocapillary membrane in equilibrating partial pressures of both gases between the fluid phase in the blood and the gaseous phase in the alveoli. 1 Asist. Andraž Stožer, dr. med., Inštitut za fiziologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Mariboru, Slomškov trg 15, 2000 Maribor; stozera@googlemail.com 2 Asist.dr. Jurij Dolenšek, univ.dipl.biol., Inštitut za fiziologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Mariboru, Slomškov trg 15, 2000 Maribor 3 Prof.dr. Marjan Slak Rupnik, univ.dipl.biol., Inštitut za fiziologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Mariboru, Slomškov trg 15, 2000 Maribor A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 270 UVOD V dihalnem sistemu poteka pljučno (zunanje) dihanje. To v sodelovanju z obtočili zagotavlja kisik (O2), ki se porablja pri celičnem (notranjem) dihanju, in odstranjuje ogljikov dioksid (CO2), ki pri notranjem dihanju nastaja. V sodelovanju z ledvicami in jetri dihalni sistem vzdržuje acido-bazno ravnotežje. Transport plinov - kisika iz atmosfere do tkiv in ogljikovega dioksida od tkiv do atmosfere -vključuje dva konvektivna in dva difuzijska procesa. Konvektivna prenosa plinov sta alveol-na ventilacija in perfuzija, difuzija pa poteka preko alveolokapilarne membrane in preko kapilar perifernih tkiv. V prispevku obravnavamo ventilacijo in difuzijo preko alveoloka-pilarne membrane z novimi koncepti in na kvantitativen način. Odnosa med plinsko fazo in vsebnostjo plinov v krvi, njihovega konvek-tivnega prenosa do tkiv in difuzije preko tkivne kapilarne membrane se podrobneje ne lotevamo, ker presegajo okvir zunanjega dihanja. PLJUČNI VOLUMNI, KAPACITETE IN PRETOKI Med normalnim dihanjem v času vdiha (in-spirija) vdihnemo in med izdihom (ekspiri-jem) izdihnemo dihalni volumen (DV), katerega volumen znaša približno 0,5 litra (slika 1). Ves dihalni volumen ne doseže respi-ratornega epitelija in ne prispeva k izmenjavi plinov. Zaradi tega dihalni volumen razdelimo na dva dela, od katerih enega obdaja neres-piratorni, drugega pa respiratorni epitelij. Prvega imenujemo mrtvi prostor, drugega pa alveolni prostor. Normalno dihamo s frekvenco 12-15 vdihov na minuto. Totalno ventilacijo (TV) razdelimo na ventilacijo mrtvega prostora (VMP) in alveolno ventilacijo (AV): TV = VMP+AV. (1) Izberimo kot tipično velikost mrtvega prostora 0,14 litra in izračunajmo tipične vrednosti VMP in AV: VMP = 0,141 • 12/min = 1,71/min, AV = 0,36 1 • 12/min = 4,31/min. V vseh primerih v nadaljevanju za AV uporabljamo natanko to vrednost (4,3 l/min). Inspiratorni rezervni volumen (IRV) je volumen zraka, ki ga lahko dodatno vdihnemo po normalnem vdihu. Ekspiratorni rezervni volumen (ERV) je volumen zraka, ki ga lahko dodatno izdihnemo po normalnem izdihu. Rezidualni volumen (RV) je volumen zraka, ki ostane v pljučih po maksimalnem izdihu in znaša približno 1-1,5 litra. Na vseh slikah v nadaljevanju uporabljamo vrednost 1,5 litra.1 Kapacitete so vsote dveh ali več volumnov (slika 1). Inspiratorna kapaciteta (IC) je volumen zraka, ki ga lahko vdihnemo po normalnem izdihu. Analogno je ekspiratorna kapaciteta (EC) volumen zraka, ki ga lahko izdihnemo po normalnem vdihu. Funkcionalna rezidualna kapaciteta (FRC) je volumen zraka, ki ostane v pljučih po normalnem izdihu. Ker so na koncu normalnega izdiha vse dihalne mišice sproščene, je FRC tudi volumen dihalnega sistema, pri katerem se sistem uravnovesi (glej poglavje Mehanika dihanja). Vitalna kapaciteta (VC) obsega največjo prostornino zraka, ki ga lahko izdihnemo po maksimalnem vdihu. Totalna pljučna kapaciteta (TLC) je volumen zraka v pljučih na koncu maksimalnega vdiha. Pri določevanju funkcionalnega stanja dihalnega sistema običajno ocenimo tudi povprečni pretok v prvi sekundi forsiranega izdiha, t. i. forsiran ekspiratorni volumen v prvi sekundi (FEVj) - slika 1, slika 2 - in največji pretok med forsiranim izdihom (angl. peak expiratory flow, PEF). 1 Prostornino vdihanega in izdihanega zraka merimo s spirometrom (lat. spiro = diham, metor = merim). Klasični zvonasti spirometer sestavlja zvon, napolnjen z zrakom, ki »plava« na vodi med stenama cilindra. Pisalo je pripeto na zvon, rezultate pa zapisuje na vrteči se boben (kimograf). Med vdihom porabimo zrak iz zvona, zato se pisalo premakne in izpiše vrednost vdihanega volumna, izdihani zrak pa preko premika zvona na valju zapiše vrednost izdihanega volumna. Rezultati prikazujejo časovne spremembe v volumnih. RV s spirometrijo ne moremo izmeriti. MED RAZGL 2012; 51 Običajno lahko odrasla oseba z maksimalnim trudom izdiha 66-83 % volumna vitalne kapacitete v prvi sekundi (FEVj), 75-94% v prvih dveh sekundah (FEV2) in 78-97 % v prvih treh sekundah (FEV3). Normalne vrednosti PEF so odvisne od spola in telesne višine ter upadajo s starostjo. Spodnja normalna meja lahko med 35. in 70. letom pade s 635 na 520 l/min, seveda pa so lahko pretoki precej večji, kot je spodnja normalna meja.2 Slika 1. Dihalni volumni in pljučne kapacitete. IRV- inspiratorni rezervni volumen, DV - dihalni volumen, ERV- ekspiratorni rezervni volumen, RV - rezidualni volumen, FRC - funkcionalna rezidualna kapaciteta, IC - inspiratorna kapaciteta, EC - ekspiratorna kapaciteta, FEV^ - forsiran ekspiratorni volumen v prvi sekundi, VC - vitalna kapaciteta, TLC - totalna pljučna kapaciteta. 271 Slika 2. Pretok zraka med forsiranim izdihom. Normalna krivulja, kjer forsiran ekspiratorni volumen v prvi sekundi (FEVt) predstavlja vsaj 80% vitalne kapacitete (VC). Pri bolniku z obstruktivno pljučno boleznijo (črtkana črta) je FEV; zaradi počasnejšega izdiha manjši. Naklon krivulje v vsakem trenutku predstavlja hitrost pretoka. 2 Vrednosti so podane za 175 cm visokega moškega. A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 272 Osebe z obstruktivnimi pljučnimi boleznimi imajo povečan upor dihalnih poti ali zmanjšano podajnost, ki povzročita, da izmerimo nižje vrednosti pretokov - FEVi ali PEF. MEHANIKA DIHANJA Pod pojmom mehanika dihanja v širšem pomenu besede analiziramo sile, ki povzročajo dihalne gibe in pretok zraka, in razmerja med tlaki in volumni ter pretoki v dihalnem sistemu. Dihalni gibi Alveolno ventilacijo omogoča uporaba dihalnih mišic. Glavne mišice, ki omogočajo vdih med normalnim dihanjem, so prepona in zunanje medrebrne mišice. Izdih je med normalnim dihanjem pasiven proces zaradi elastičnih lastnosti pljuč. Ob povečani potrebi po ventilaciji uporabimo dodatne mišice, ki pomagajo prsni koš pri forsiranem vdihu dvigovati, pri forsiranem izdihu pa spuščati. Kaj povzroči, da ob aktivaciji dihalnih mišic zrak vdre v pljuča? Prepona zaradi svoje kupolaste namestitve pri skrčenju potisne vsebino trebušne votline navzdol in naprej, poveča volumen prsnega koša in tako sodeluje pri vdihu. Zunanje in notranje medrebrne mišice so nameščene na rebrih in omogočajo vdih (zunanje) in izdih (notranje). Prve se pripenjajo na zgornjem rebru bolj proksimal-no kot na spodnjem rebru, druge pa bolj distal-no. Navor (M) je fizikalna količina, ki določa, v katero smer se bo rebro zasukalo okoli svoje osi vrtenja: M = F ■ x, (2) pri tem je F sila, ki deluje na rebro na oddaljenosti x od osi vrtenja (slika 3). Skrčitev mišice povzroči sili, ki delujeta tako na zgornje kot na spodnje rebro in sta po velikosti enaki. Smer vrtenja tako določa x, ki je v primeru zunanjih medrebrnih mišic daljši za silo, ki je usmerjena navzgor. Rebra se zato zasukajo navzgor (slika 3A). Ker je večina reber togo vpetih po celotnem obodu prsnega koša, premik reber navzgor poveča površino prečnega preseka prsnega koša in s tem njegov volumen. Nasprotno pa je za notranje medre-brne mišice navor sile S, ki je usmerjena navzdol, večji od navora sile, ki potiska rebra navzgor. Tako skrčitev notranjih medrebrnih mišic spušča rebra in manjša volumen prsnega koša (slika 3B). Pod pojmom mehanika dihanja v ožjem pomenu besede razumemo predstavitev in analizo odnosov med tlakom in volumnom ter med tlakom in pretokom, kakršni vladajo med dihalnim ciklom. Te odnose določata statični in dinamični upor dihalnega sistema. Tlaki in volumske razmere med dihanjem Na koncu normalnega izdiha je tlak v alveolih, t. i. alveolni tlak (PA), enak zunanjemu zračnemu tlaku (PBAR) (slika 4), saj ni pretoka, v plevralnem prostoru vlada plevralni tlak (PP). Tipična vrednost PP je okrog -5 cmH2O glede na PBAR, a se vrednost pri pokončnih pljučih spreminja od apeksa proti bazi (bolj negativna na apeksu pljuč in manj negativna na bazi pljuč). Slednje ključno vpliva na razmerje med ventilacijo in perfuzijo v različnih delih pljuč, kar podrobno opišemo v drugem delu pregleda fiziologije pljuč. Razliko med alveol-nim in plevralnim tlakom imenujemo trans-pulmonalni tlak (PTP): PTP = PA - PP. (3) Transpulmonalni tlak 5 cmH2O je transmu-ralni tlak, potreben, da se pljuča pri dani podaj-nosti nahajajo pri volumnu, kakršnega zavzamejo na koncu izdiha. Razliko med alveolnim in barometrskim tlakom imenujemo intrapulmonalni tlak (PPUL): PPUL = PA - PBAR. (4) Razlika med plevralnim in barometrskim tlakom pa je intraplevralni tlak (PPLEV): PPLEV = PP - PBAR. (5) Med normalnim vdihom (slika 5) razširitev prsnega koša odmakne parietalni list plevre od visceralnega in s tem povzroči znižanje PP in zato PPLEV (PP se zniža, PBAR se ne spremeni). Navidezno lahko učinek razširjenega prsnega koša razdelimo v tri korake. V prvem se zniža PPLEV in zato zviša PTP ob nespremenjenem PA in volumnu alveolov (VA). V drugem koraku zvišan PTP raztegne alveole in ob nespremenjeni množini zraka v njih (saj še nič zraka ne vdre iz zunanjosti) poveča nji- MED RAZGL 2012; 51 hov volumen. Zato se, kot predvideva plinski zakon, zniža PA: PA1 ■ VA1 = PA2 ■ VA2. (6) Z indeksom A1 označimo razmere pred raz-tegom alveolov, z indeksom A2 pa po raztegu. Zaradi znižanega PA se pojavi negativen PPUL (enačba 4, slika 4 in slika 5). V tretjem koraku zato zrak vdre iz zunanjosti, množina zraka v alveolih se povečuje, PA pa narašča do vrednosti PBaR.3 Na koncu vdiha je ob odprtem glotisu vrednost PPUL spet enaka PBAR. 273 Slika 3. Učinek dihalnih mišic. A: Zunanje medrebrne mišice rebra dvignejo in prsni koš razširijo. Navor sile, ki je usmerjena navzgor (-F), je večji, kot je navor sile, ki je usmerjena navzdol (F), saj ima prva sila daljšo ročico (razdaljo med osjo vrtenja rebra in prirastiščem mišice). Prsni koš dvigujejo tudi na sliki označene pomožne inspiratorne mišice. B: Notranje medrebrne mišice rebra spustijo in volumen prsnega koša zmanjšajo. Sila, ki je usmerjena navzdol (-S), ima daljšo ročico, zato je njen navor večji in rebra se zasukajo navzdol. Volumen prsnega koša manjšajo tudi pomožne dihalne mišice izdiha. Gibanje reber omejujejo elastične lastnosti prsnega koša in pljuč (v shemi označeno kot zagozde). 3 Pljuča lahko ventiliramo tudi tako, da ustvarjamo v zunanjosti tlak, ki je višji od PA- npr. med umetnim dihanj em. Tudi tako vzpostavimo negativni intrapulmonalni tlak med vdihom in pozitivnega med izdihom. A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 Slika 4. Tlaki, ki določajo volumen dihalnega sistema. PPU[- intra-pulmonalni tlak, PA - alveolni tlak, PP - transpulmonalni tlak, PP - plevralni tlak, PBAR - barometrski tlak v okolici, PPLEV - intra-plevralni tlak. Med normalnim izdihom (slika 5) sprostitev dihalnih mišic povzroči primik parietalne-ga lista plevre k visceralnemu. Pplev se zviša, Ptp se zniža in volumen alveolov se ob dani množini zraka v njih zmanjša, Pa pa naraste. Ppul postane pozitiven, to pa povzroči iztok zraka iz pljuč med izdihom. Med forsiranim vdihom prsni koš močno razširimo, kar zniža Pp in Pplev4 bolj kot normalno. To povzroči močno zvišanje Ptp močno znižanje PA ter PpuL in hitro vdiranje zraka v alveole. Na koncu forsiranega vdiha je trans-pulmonalni tlak višji kot na koncu normalnega vdiha, ker je vdih potekel do večjega volumna. Med forsiranim izdihom ekspira-torne mišice močno zvišajo Pplev, znižajo Ptp bolj kot normalno, stisnejo alveole in zvišajo Pa in PpuL. Pretok zraka med izdihom je zato večji kot normalno. 274 Slika 5. Tlaki in volumske razmere med normalnim dihanjem. Pred začetkom vdiha je PA enak PBAR. Večanje prsnega koša povzroči znižanje PP in s tem PPLEV ter porast PTP, kar razširi pljučno tkivo in povzroči znižanje PA ter negativen PPU[, zrak zato vdira v pljuča. Na koncu vdiha oz. ob začetku izdiha je PA enak PBAR. Sprostitev dihalnih mišic povzroči porast PP, znižanje PTP in zmanjšanje volumna alveolov pri dani množini zraka v njih. PA poraste, PPUL postane pozitiven in zrak začne izhajati iz pljuč. PBAR v modelu zaradi enostavnosti zavzema vrednost 0. Na ta način je v plevralnem prostoru prikazana vrednost enaka PPLEV in ne PP. V alveolnem prostoru prikazana vrednost pa ustreza PPUL. 4 Največje vrednosti, omejene z močjo inspiratornih mišic, se gibljejo okoli -100 cm^O. Ce je Pp na koncu normalnega izdiha enak -5 cm^O, iz tega sledi, da lahko človek, ki se nahaja pod vodo in diha preko z gladino povezane cevi, premakne prsni koš proti inspiriju največ do globine 95 cm. Na tej globini pod gladino je namreč pbar za 95 cmH2O višji kot na gladini in tlak preko stene prsnega koša - intraplevralni tlak (Pplev=Pp - Pbar) enak -100 cm^O. Od te globine naprej tlak okolišnje vode premaga moč inspiratornih mišic in stiska toraks! MED RAZGL 2012; 51 MOČNO FORSIRAN VDIH MOČNO točka f I t 0 Slika 6: Dinamična kompresija dihalnih poti. Prikazane so tlačne razmere med močno forsiranim vdihom (levo) in izdihom (desno). Dihalne mišice med vdihom znižajo PPLEV in PA oz. med izdihom močno zvišajo Pm in Pm. Vzdolž dihalnih poti se vzpostavijo tlačni gradienti. Le v primeru močno forsiranega izdiha je tlak v plevralnem prostoru višji kot tlak v dihalnih poteh in se dihalne poti stisnejo. Močno forsiran izdih se značilno razlikuje od močno forsiranega vdiha. Močna razteg-nitev oziroma skrčitev prsnega koša močno zniža oziroma zviša PPLEV in posledično PPUL. Pri forsiranem vdihu je tlak povsod v dihalnih poteh višji (manj negativen) od tlaka v ple-vralnem prostoru. Med močno forsiranim izdihom pa PPLEV doseže pozitivne vrednosti. Ker tlak v dihalnih poteh zavzema vrednosti med PA in PBAR, to pomeni, da na določeni točki od alveolov proti zunanjosti vzdolž dihalnih poti PPLEV postane višji od tlaka v dihalnih poteh. Na tej točki, ki jo imenujemo točka enakih tlakov, pride do stisnjenja dihalnih poti, kar imenujemo dinamična kompresija dihalnih poti. Normalno je točka enakih tlakov na področju, kjer so dihalne poti ojačane s hrustancem in je stisk dihalnih poti onemogočen. Pri povečanem uporu v dihalnih poteh pa se ta točka pomakne bolj proti alveolom in dinamična kompresija vodi v stisnjenje neo-jačanih dihalnih poti. Statični (elastični) upor Statični upor (-RSTAT) je opredeljen kot razmerje med spremembo tlaka in spremembo volumna in je obratna vrednost kompliance ali podajnosti (C), ki je razmerje med spremembo volumna in spremembo tlaka: RSTAT = — dp dV' c = dV, dP R, STAT ' 1 C (7) (8) (9) Statični upor bomo predstavili, kot je v fiziologiji navada, na grafu odvisnosti volumna od tlaka (slika 7). Na takšnem grafu naklon neposredno predstavlja podajnost. Namesto statičnega upora bomo zato v nadaljevanju uporabljali podajnost, bralec pa naj ima v mislih, da večja podajnost pomeni manjši statični upor in obratno. Med vdihom in izdihom se za praktično enako vrednost (dV) spremenijo volumen pljuč, volumen prsnega koša in volumen celotnega dihalnega sistema (pljuč in prsnega koša). Pri tem pa je za to spremembo volumna za vsako od naštetih struktur potrebna druga tlačna razlika preko stene ustrezne strukture, ki jo določajo podajnost pljuč, podajnost toraksa in podajnost dihalnega sistema kot celote. Sprememba tlaka preko dihalnega sistema kot celote, potrebna za to 275 A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 276 spremembo volumna, je določena s spremembo volumna in s skupno podajnostjo pljuč in prsnega koša (CTOt): dP — dV C TOT (10) Tlak, ki določa spremembo volumna celotnega dihalnega sistema, je intrapulmonalni tlak, PPUL. Vrednosti PPUL so prikazane na osi x slike 7 za dihalni sistem kot celoto (polna črta), podajnost celotnega dihalnega sistema (CTOT) pa lahko zapišemo kot: dV (11) C — -CTOT ~ dP, PUL Tlak, ki določa spremembo volumna samo prsnega koša, je PPLEV. PPLEV je tisti, katerega vrednosti so prikazane na osi x slike 7 za izoliran prsni koš (črtkano), podajnost prsnega koša (CTOR) pa je enaka: dV (12) CTOR - ' dP, PLEV Tlak, ki določa spremembo volumna izoliranih pljuč, pa je transpulmonalni tlak (PTP). Na tem mestu izpostavimo še, da je PTP enak tudi razliki med PPUL in PPLEV5: P — P - P — P - P PTP~ PA PP ~ PPUL pPLEV. (13) Ptp je prikazan na osi x slike 7 za izolirana pljuča (črta-pika), podajnost pljuč (CPUL) pa je enaka: dV dV d( PPUL PPLEV) dPTP (14) Podajnost zdravih pljuč določa v največji meri površinska napetost na meji med zrakom in tekočino na steni alveolov, v manjši meri pa elastičnost mreže alveolov in zunaj-celični matriks (elastin in kolagen).6 Površinska napetost je sila, ki vleče molekule tekočine na površini skupaj zaradi večje privlačne sile med molekulami vode v primerjavi s privlačnimi silami med plinom in tekočino. Zaradi površinske napetosti je potrebna večja sila in s tem večji PTP, da razpnemo pljuča na izbrani volumen (slika 8, črtkana črta). Alveolne celice tipa II izločajo mešanico, sestavljeno večinoma iz lipidov in nekaj proteinov, ki jo imenujemo surfaktant. Lipidi na površini so s svojimi hidrofobnimi repi usmerjeni stran od površine in molekul vode. Zaradi svoje hidrofobne narave zmanjšujejo privlak molekul vode na površini in površinsko napetost. PTP, potreben, da pljuča razpnemo, je manjši, podajnost pljuč s surfaktantom pa je večja (slika 7, slika 8, polna črta). Brez surfaktanta bi bili za dihanje potrebni večji PTP in s tem veliko večje delo. Iz enačb 11-13 za skupno podajnost, podajnost toraksa oz. pljuč sledi, da je obratna vrednost skupne podajnosti enaka vsoti obratnih vrednosti podajnosti toraksa in pljuč: — dV Cpul = d(P - P ) ^ ( PUL PLEV> 1 — dPPUL dPPLEV — 1 1 . CPUL dV dV CTOT CTOR C C C TOT PUL TOR (15) 5 Pri novorojencu je nekaj minut po porodu intraplevralni tlak na koncu normalnega vdiha (PA = 0) enak približno -10 cm^O, na koncu normalnega izdiha pa približno 0 cm^O in ob kirurškem odprtju prsnega koša pljuča ne kolabirajo. Sčasoma pa se po rojstvu povečajo retrakcijske sile pljuč in intraplevralni tlak ob koncu normalnega ekspirija doseže negativne vrednosti. Ce se zaradi poškodbe stene prsnega koša ali pljučnega parenhima vzpostavi komunikacija med alveoli in plevralnim prostorom ali med atmosferskim zrakom in plevralnim prostorom, zrak vdre v plevralni prostor (v katerem vlada nižji tlak), tlak v njem pa naraste do vrednosti alveolarnega oziroma barometrskega tlaka. Pljuča kolabirajo, hkrati pa slabše sledijo respiratornim premikom toraksa, saj gre del spremembe volumna toraksa na račun zraka, ki vdira v ali izhaja iz plevralnega prostora. Takemu stanju pravimo pnevmotoraks in je posebej ogrožujoče, kadar zrak v plevralni prostor med vdihom lahko vdira, med izdihom pa iz njega ne more izhajati (ven-tilni pnevmotoraks). V tem primeru namreč pride do pomika mediastinuma na zdravo stran, izrazitega oviranja ventilacije in do pretisnjenja velikih žil v mediastinumu. 6 Pri boleznih lahko zadnja dva dejavnika značilno spremenita podajnost pljuč. Propad elastičnih elementov v primeru emfizematskega propada celičnih sten podajnost poveča, zatrditev matriksa pa v primeru pljučne fibroze podajnost zmanjša. MED RAZGL 2012; 51 P [cmH2O] Slika 7. Odvisnost volumna od tlaka za pljuča (polna (rta), prsni koš (Stkano) in dihalni sistem kot celoto (črta-pika). Naklon krivulje, ki prikazuje celotni dihalni sistem, je v območju normalnih volumnov dvakrat manjši od naklona krivulj, ki opisujeta pljuča in toraks. Hkrati je vidno, da sta naklona slednjih dveh približno enaka. Osenčena pravokotnika označujeta podroji, ki sta v nadaljevanju podrobneje prikazani na slikah 10 in 11. V - volumen, P - tlak, FRC - funkcionalna rezidualna kapaciteta, RV - rezidualni volumen, VC - vitalna kapaciteta. 277 PTP [cmH2O] Slika 8. Surfaktant zmanjša površinsko napetost in poveča podajnost pljuč. Na sliki je prikazana odvisnost volumna od tlaka za pljuča. V - volumen, P - tlak, FRC - funkcionalna rezidualna kapaciteta, RV - rezidualni volumen, VC - vitalna kapaciteta. A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 278 Z drugimi besedami, statični upor celotnega dihalnega sistema je vsota statičnih uporov pljuč in toraksa: [STATTOR. (16) R STATt, = R, 'STATPr R Iz slike 7 je razvidno, da je preko razmeroma velikega razpona volumnov odnos med volumnom in tlakom linearen tako za pljuča kot za toraks in celotni dihalni sistem in da je torej podajnost pljuč, toraksa in dihalnega sistema na tem odseku konstantna. Tipične vrednosti znašajo približno: CFUr« 0,21/cmH2O, CTOT~ 0,11/cmH2O. Na sliki 7 in v nadaljevanju so iz didaktičnih razlogov zmeraj uporabljene in prikazane natanko zgornje vrednosti. Toraks je zelo težko stisniti do zelo majhnih volumnov, pljuča pa zelo težko razpeti do zelo velikih volumnov. Odnos med volumnom in tlakom za celotni dihalni sistem je posledično sigmoiden. Osrednji del je linearen. Kljub močno pozitivnim vrednostim PPUL na desni strani slike 7 oz. močno negativnim na levi so spremembe volumnov dihalnega sistema zelo majhne pri majhnih oz. velikih volumnih. Na koncu normalnega izdiha v točki A (volumen pljuč je takrat enak FRC) je dihalni sistem v ravnovesju. Prsni koš sicer teži k raztegnitvi, pljuča pa h kolapsu, a PPLEV, potreben za vzdrževanje volumna pljuč pri vrednosti FRC, je nasprotno enak PTP, potrebnemu za vzdrževanje volumna prsnega koša pri vrednosti FRC, saj je vrednost PPUL na koncu normalnega izdiha enaka 0. Obe nasprotujoči si težnji se tako v točki A ravno izničita.7 Zato se volumen pljuč, potem ko sprostimo vse dihalne mišice, uravnoteži točno na vrednosti FRC v točki A slike 7. V točki B slike 7 je v ravnovesju prsni koš (PPLEV=0). Do te točke se pri vdihovanju prsni koš pasivno razteza in med vdihom je aktivno potrebno premagovati samo retrakcijske sile pljuč. Pri volumnih, večjih od tega, pa je treba opravljati delo tudi za razpenjanje prsnega koša. Vdihovanje od točke C na sliki 7 (V = RV + VC) naprej ni mogoče, saj od tod naprej z močjo inspiratornih mišic ne moremo več premagati retrakcijskih sil prsnega koša in pljuč. Tudi bistveno večja moč inspi-ratornih mišic pomaga le malo, saj podajnost pljuč pri velikih volumnih strmo pada (krivulja postaja vedno bolj položna). Točka D na sliki 7 prikazuje stanje na koncu najglobljega izdiha (V = RV). Bolj globok izdih ni mogoč, ker z močjo ekspiratornih mišic ne moremo bolj stisniti prsnega koša. Tudi bistveno večja moč ekspiratornih mišic pomaga le malo, saj podajnost toraksa pri majhnih volumnih strmo pada. Pljuča so približno v tej točki v ravnovesju (PTP = 0) in ohranjajo volumen kljub praktični odsotnosti tlačne razlike preko stene alveolov. Viskozni upor Viskozni upor se pojavi zaradi pretoka zraka in trenja v tkivih in ga tvorijo trije prispevki: • upor proti pretoku zraka v dihalnih poteh, • neelastični upor v tkivih in • vztrajnostni odpor. Druga dva sta v primerjavi s prvim zanemarljivo majhna. Pretok zraka skozi dihalne poti poganja razlika med alveolnim in barometr-skim tlakom, torej intrapulmonalni tlak (PPUL). Tok v dihalnih poteh je delno laminaren. Takšen pretok skozi določen odsek (V), tlačno C™ „« 0,21/cmHO 7 Krivulje za statični upor oziroma podajnost dihalnega sistema v praksi dobimo tako, da preiskovancu naročimo, da počasi vdihne do določenega volumna, zapre glotis in sprosti dihalne mišice kot pri izdihu, nato pa izmerimo tlačno razliko med tlakom v alveolih in barometrskim tlakom (intrapulmonalni tlak). Ce hkrati merimo še intraplevralni tlak, lahko določimo tudi podajnost pljuč in toraksa. Podajnost pljuč lahko določimo tudi tako, da preiskovanec vdihne do določenega volumna in v tem položaju z močjo mišic zadrži dihalni sistem pri odprtem glotisu. V tem primeru j e intrapulmonalni tlak enak nič (PPUL = PBAR) in podajnost izračunamo tako, da spremembo volumna delimo s spremembo intraplevralnega tlaka. Slednjega lahko neinvazivno ocenimo s pomočjo sonde v lumnu požiralnika. Zaradi anatomske lege zunaj pljuč in hkrati znotraj prsnega koša ter njegove podajne stene namreč tlak v lumnu požiralnika sledi spremembam tlaka v plevralnem prostoru. MED RAZGL 2012; 51 razliko (AP), ki ga poganja, in upor (R), povezuje Hagen-Poisseuilleov zakon: V = ^, R P = -P + P PPLEV PTP PPUL. (19) R= V = 8 • ni AP • n • r4 8^ n i ' (17) pri tem je r polmer, l dolžina določenega ceva-stega odseka in n viskoznost. Predvsem na razvejitvah v bronhialnem vejevju in ob patoloških zožitvah postane pretok turbulenten in zanj veljajo drugačne zakonitosti. Kljub temu celoten dinamični upor v dihalnih poteh (Rdin) navadno izrazimo z enačbo, v kateri upoštevamo razliko v tlakih preko celotnega upora (ppul): rdin = P _ PUL V (18) Njegova vrednost normalno znaša okrog 2 cmH2O/l/s. K tej vrednosti prispevajo predvsem sapnik, sapnici in veliki bronhiji, saj skupen presek v manjših bronhijih in bronhiolih močno naraste, kar močno zmanjša skupen upor teh delov dihalne poti (velik skupen r). V nadaljevanju je iz didaktičnih razlogov povsod uporabljena in prikazana natanko zgornja vrednost. Kvantitativna analiza volumnov, tlakov in pretokov pri dinamičnem dihanju V dejanskem dihalnem ciklu odnos med volumnom in tlakom določata oba, elastični in viskozni upor. Dihalne mišice odmikajo steno prsnega koša in prepono od stene pljuč in parameter, na katerega neposredno vplivajo, je plevralni (Pp) oziroma intraplevralni tlak (PPLEV). S tem pa posredno ustvarijo dve razliki v tlakih. Prva je razlika v tlakih med zunanjim zrakom in alveoli, druga pa razlika v tlakih preko stene alveolov. Prva skupaj z uporom v vsakem trenutku določa pretok zraka v pljuča in iz njih, druga pa skupaj s po-dajnostjo v vsakem trenutku določa volumen pljuč. Z drugimi besedami, PPLEV si lahko predstavljamo kot vsoto PPUL in nasprotne vrednosti PTP (glej enačbo 13 in sliko 9). Pre-oblikujmo enačbo 13: Ta oblika zapisa je posebno koristna za predstavitev dogajanja med dihanjem, saj nazorno ilustrira, da se del razlike v tlaku, ki jo ustvarijo dihalne mišice (PPLEV), porabi za premagovanje statičnega (-PTP) in del za premagovanje dinamičnega upora (PPUL). Ce bi lahko normalen dihalni volumen (slika 9a) vdihnili in izdihnili neskončno počasi, bi bil pretok v vsakem trenutku enak 0 (slika 9g, črtkana črta), tlak v alveolih pa bi bil v vsakem trenutku enak barometrskemu tlaku in s tem bi bil intrapulmonalni tlak enak nič (slika 9e, črtkano). Povedano drugače, za neskončno počasen pretok tlačna razlika ni potrebna. V tem hipotetičnem primeru statičnega dihanja PPLEV po obliki natačno sledi krivulji spreminjanja volumna (slika 9c, črtkano), saj premaguje samo statični upor (bralec naj se spomni, da so vrednosti na ordinatah slik 9a in c v tem primeru direktno povezane preko podajno-sti). Prikaz opisanega primera na sliki 9 je con-tradictio in adiecto, saj je za lažjo primerljivost z dinamičnim dihanjem neskončno počasno dihanje predstavljeno v končnem času 5 sekund! Pri dinamičnem dihanju je intraplevral-ni tlak med vdihom bolj negativen in med izdihom manj negativen (bolj pozitiven) kot v primeru statičnega dihanja. Pri realnem vdihu normalnega dihalnega volumna v 2,5 sekundah (točke A ^ B ^ C) se intraplevralni tlak zniža bolj kot v prejšnjem hipotetičnem primeru, saj zrak iz zunanjosti preko realnega upora dihalnih poti v alveole ne vdira neskončno hitro (kar bi zagotovilo, da bi intrapulmo-nalni tlak ves čas ostajal enak nič). Zato se med vdihom zaradi vleka dihalnih mišic znižata intraplevralni in intrapulmonalni tlak (slika 9c, slika 9e). Navpična puščica med točkama B in B' na sliki 9c prikazuje del znižanja PPLEV, ki se zgodi na račun premagovanja dinamičnega upora, premagovanje statičnega upora pa je označeno med točkama B' in B''. Ta del je za vsako točko v času med dihalnim ciklom posebej prikazan na sliki 9e. Intrapulmonalni tlak neposredno določa pretok, zveza med enotami na ordinatah slike 9e in slike 9g je dinamični upor. Med izdihom normalnega dihalnega volumna v 2,5 sekundah (točke C ^ D ^ E) PPUL doseže pozitivne 279 4 n • r A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 280 Slika 9. Odvisnost volumna pljuč, intraplevralnega, intrapulmonalnega tlaka in pretoka zraka od (asa. Grafa a in b prikazujeta (asovno spreminjanje volumna med normalnim in forsiranim dihanjem. Med normalnim dihanjem se v 2,5 sekundah vdihne volumen 0,5 litra in nato izdihne v naslednjih 2,5 sekundah. Med forsiranim dihanjem se v dvakrat krajšem (asovnem intervalu vdihne in izdihne 1 liter zraka. Frekvenca dihanja je v prvem primeru 12/min in v drugem 24/min. V primeru stati(nega dihanja ((rtkana (rta na grafih c in d) intraplevralni tlak sledi poteku volumna, tako da je pri ve(jih volumnih bolj negativen in pri manjših manj negativen. Sorazmer-nostni faktor je podajnost plju(, ki je v modelu enaka 0,2 l/cmHfl. Na koncu normalnega vdiha bi bil intraplevralni tlak v primeru MED RAZGL 2012; 51 statičnega dihanja tako enak -7,5 cmH2O (za 2,5 cmH2O bolj negativen kot v mirovni legi na koncu izdiha) in v primeru forsiranega dihanja -10 cmH2O (za 5 cmH2O bolj negativen kot v mirovni legi na koncu izdiha). Med normalnim dinamičnim dihanjem v resnici intraplevralni tlak med vdihom v vsaki točki razen na začetku in koncu vdiha doseže bolj negativne vrednosti (graf 2c), tako da se med vdihom pojavi negativen intrapulmonalni tlak (graf e), ki vsesa v pljuča zrak iz zunanjosti. Intrapulmonalni tlak v našem modelu doseže najmanjšo vrednost -1 cmH2O (graf e, točka B). Ta intrapulmonalni tlak preko upora v dihalnih poteh, enakega 2 cmH2O/l/s, požene največji pretok 0,5 l/s (graf g, točka B). Med izdihom v vsaki točki razen na začetku in koncu izdiha intraplevralni tlak doseže manj negativne vrednosti (graf c), tako da se med izdihom pojavi pozitiven intrapulmonalni tlak (graf e), ki potisne zrak iz pljuč proti zunanjosti. Intrapulmonalni tlak v našem modelu doseže največjo vrednost 1 cmH2O (graf e, točka D). Ta intrapulmonalni tlak preko upora v dihalnih poteh, enakega 2 cmH2O/l/s, požene največji pretok 0,5l/s (graf g, točka D). Med forsiranim dinamičnim dihanjem intraplevralni tlak med vdihom v vsaki točki razen na začetku in koncu vdiha doseže veliko bolj negativne vrednosti (graf d), tako da se med vdihom pojavi izrazito negativen intrapulmonalni tlak (graf f), ki vsesa v pljuča zrak iz zunanjosti. Intrapulmonalni tlak v našem modelu doseže najmanjšo vrednost -4 cmH2O (graf f, točka B). Ta intrapulmonalni tlak preko upora v dihalnih poteh, enakega 2 cmH2O/l/s, požene največji pretok 2 l/s (graf h, točka B). Med izdihom v vsaki točki razen na začetku in koncu izdiha intraplevralni tlak doseže bistveno manj negativne (lahko celo pozitivne, ni prikazano na grafu) vrednosti (graf d), tako da se med izdihom pojavi izrazito pozitiven intrapulmonalni tlak (graf e), ki potisne zrak iz pljuč proti zunanjosti. Intrapulmonalni tlak v našem modelu doseže največjo vrednost 4 cmH2O (graf e, točka D). Ta intrapulmonalni tlak preko upora v dihalnih poteh, enakega 2 cmH2O/l/s, požene največji pretok 2 l/s (graf h, točka D). AV - sprememba volumnov, PPLEV - intraplevralni tlak, Pm - intrapulmonalni tlak, V - pretok zraka. vrednosti (PPLEV pa manj negativne kot v statičnem primeru), saj zrak iz alveolov preko realnega upora izhaja končno hitro in popuščanje vleka dihalnih mišic med izdihom alveolni zrak stisne do pozitivnih vrednosti, ker zrak iz alveolov ne steče dovolj hitro, da bi se volumen pljuč takoj zmanjšal na novo vrednost, pri kateri bi bila PPLEV in Ptp nasprotno enaka. Pri forsiranem dihanju z dvakrat večjim dihalnim volumnom in dvakrat višjo frekvenco dihanja (slika 9b) sta dosežena maksimalno negativen in maksimalno pozitiven Ppul štirikrat večja kot pri normalnem dihanju (slika 9f) in ustvarita štirikrat večji pretok zraka med vdihom in izdihom (slika 9h, v tem modelu nismo upoštevali, da se dinamični upor pri večjih pretokih zaradi več turbulenc in dinamične kompresije poveča). Del PPLEV, ki premaguje statični upor (slika 9d, črtkana črta), je tudi v tem primeru zrcalna slika poteka volumna. Ta del tlaka je glede na normalno dihanje v vsakem trenutku dvakrat večji, saj je volumen dihanja v tem primeru dvakrat večji kot normalno (hkrati smo upoštevali, da se podajnost v razponu volumnov od konca normalnega oziroma forsiranega izdiha do konca forsiranega vdiha ne spremeni). Med dihanjem opravljeno delo Med spreminjanjem volumna dihalnega sistema dihalne mišice opravljajo delo. Delo je integral produkta med tlakom (P) in spremembo volumna (V): V2 A =J P ■ dV, (20) Vi pri čemer Vj in V2 označujeta začetno in končno vrednost volumna. V našem primeru na koncu normalnega izdiha obstaja preko stene pljuč razlika v tlakih 5 cmH2O (PTP), preko stene prsnega koša razlika v tlakih -5 cmH2O (PPLEV) in preko dihalnega sistema 0 cmH2O (PPULM, slika 7, točka A). Dihalni sistem kot celota je v ravnovesni legi, pljuča težijo k manjšemu volumnu, toraks pa k večjemu volumnu. Med vdihom se tlačna razlika preko stene toraksa zmanjšuje in zato toraks opravlja (oddaja) delo, tlačna razlika preko stene pljuč pa narašča, zato morajo za razpenjanje pljuč inspiratorne mišice opraviti delo. V primeru statičnega dihanja lahko delo, opravljeno pri raztezanju pljuč in celotnega dihalnega sistema, ter energijo, sproščeno (oddano) pri raztezanju toraksa, ponazorimo s pomočjo slike 7. Na sliki 10 je prikazan povečan del slike 7. Na sliki 10a ploščina trapeza A'AB'CC' prikazuje delo, potrebno za raztegni-tev pljuč pri vdihu (točke A ^ B' ^ C) 0,5 litra dihalnega volumna. Med tem vdihom se ob raztezanju toraksa sprosti količina energije (toraks opravi delo), prikazana s ploščino trapeza A'C'C"A" na sliki 10b. Razlika med 281 A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 282 a 3,5 3,0 b 3,5 C' / t c / / / / A' A' /A 5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 ! PTP [cmH2O] 6 7 8 j /C C' / / / / / / * A A' V [L] d V [L] 3, 3, 3, 3, 3, 0 5 0 5 0 1 1 1 m 5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 PpLEV M2O] 6 7 8 F /C D/ ' B' E/ /a 5 -4 -3 -2-10 1 2 3 4 P [cmH2O] 6 7 8 T c i 'F / 5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 PpUL M2O] Slika 10. Odvisnost volumna od tlaka in opravljeno delo oziroma oddana energija za pljuča (a) in toraks (b). Razlika med a in b neposredno (c) in kot površina pod črto, ki prikazuje premik celotnega dihalnega sistema (d). V - volumen, Pp - transpulmonalni tlak, PpLEV - intraplevralni tlak, P - tlak, Pm - intrapulmonalni tlak. obema je neto med vdihom opravljeno delo, prikazano s ploščino trikotnika ACG na sliki 10c. Njegova ploščina je natanko enaka ploščini trikotnika A'FC' na sliki 10d, ki med vdihom opravljeno delo prikazuje kot ploščino pod črto, po kateri se dejansko premika celotni dihalni sistem. Na slikah 10c in 10d prikazana ploščina predstavlja med vdihom opravljeno delo, hkrati pa je to količina energije, ki se sprosti med izdihom (točke C ^ D' ^ E). V primeru hipotetičnega statičnega dela se vsa v elastičnih strukturah naložena energija med izdihom pretvori v toplotno energijo. MED RAZGL 2012; 51 a 4,0 3,5 3,0 b 4,0 f c / / \ k / \ \ BV ' b \ ....... 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - PPLEV I 6 -mH2O] 7 - 8 - 9 -1 0 -1 1 -1 3,5 3,0 f\ \ x \ \ d / d/ G b /B hi ¡\ / \ \ -2 -3 -4 -5 -6 -7 Pplev nm] -9 -10 -12 283 Slika 11. Delo, opravljeno med normalnim dihanjem (zgoraj) in forsiranim dihanjem (spodaj). Podroben opis slike je v besedilu. V - volumen, Pm- intraplevralni tlak. V primeru realnega dinamičnega dihanja je med vdihom opravljeno delo večje, saj je potrebno ustvariti realen pretok zraka v pljuča in upoštevati dinamični upor. Prav tako se med izdihom nekaj v elastičnih strukturah shranjene energije porabi za delo, potrebno za ustvarjanje pretoka zraka iz pljuč. Na sliki 11 je prikazan povečan ustrezno označen odsek slike 7. Točke na sliki 11a ustrezajo točkam s slike 9 za normalno dihanje. Med normalnim vdihom opravljeno delo je enako ploščini trikotnika ACF, povečani za ploščino sivo označenega odseka ABCD'E. Za izdih potrebno delo ustreza ploščini odseka CDED'C. Slednja je manjša od celotne med izdihom sproščene elastične energije (trikotnik ACF) in normalen izdih je popolnoma pasiven. Točke na sliki 11b ustrezajo točkam iz slike 9 za forsirano dihanje. Med forsiranim vdihom opravljeno delo je enako ploščini trikotnika ACF, povečani za ploščino sivo označenega odseka ABCD'E. Za izdih potrebno delo ustreza ploščini odseka CDGHED'C. Slednja je manjša od celotne med izdihom sproščene elastične A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 284 energije (trikotnik ACF). Proti koncu izdiha, ko se je že skoraj vsa elastična energija sprostila (od točke G naprej), pa je za ustvarjanje pretoka zraka iz pljuč potrebno delo večje od količine elastične energije, ki je še na voljo, in delo, predstavljeno s ploščino odseka GHEG, morajo aktivno opraviti ekspiratorne mišice. Izdih ni več samo pasiven. Ta delež dela, ki ga morajo zagotoviti ekspiratorne mišice, se bistveno poveča v primeru povečanega upora ali večjih pretokov (večji dihalni volumen ob enaki frekvenci dihanja ali višja frekvenca ob enakem dihalnem volumnu). V teh primerih lahko Pplev med izdihom doseže pozitivne vrednosti (ni prikazano na grafih).8 DELNI TLAKI PLINOV V ZRAKU IN ALVEOLIH V fiziologiji za opis vsebnosti plinov v krvni plazmi pogosto uporabimo pojem delnega (parcialnega) tlaka določenega plina (npr. O2, CO2). Delni tlak plina x (Px) je del tlaka, ki ga k skupnemu tlaku plinske mešanice prispeva plin x: PX = FX ■ PBAR , (21) pri čemer Fx pomeni volumski oziroma molski delež plina v plinski mešanici pri atmosferskem tlaku (PBAR). Enačba 21 je znana tudi kot Daltonov zakon. Pri fiziologiji pljuč uporabljamo nestandardne enote za tlak, in sicer bodisi milimetre živega srebra (mmHg) bodisi centimetre vode (cmH2O). Zapomnimo si uporabno konverzijo enot: 1atm = 1,013 bar = 101,3kPa = = 1033cmH2O = 760mmHg. V poenostavljeni različici velja: 1 atm = 1bar = 1000cmH2 O = 7 60mmHg.(22) Izračunajmo, kakšni so delni tlaki za O2 in CO2 (Po Pco2) v zraku v naši okolici. Upoštevajmo molski delež O2 (FO2 = 0,21) in CO2 (FCO2 = 0,0003), nadmorsko višino 0 metrov in uporabimo enačbo 21: PO2 = 0,21 -760 mmHg = 160mmHg, PCO2= 0,0003 - 760 mmHg = 0,2mmHg s 0mmHg. Opazimo lahko, da je zaradi malega deleža CO2 v zraku njegov PCO2 praktično enak 0. Vzdolž prevodnih delov dihalnih poti do alveolov, kjer poteka večina izmenjave plinov, se zrak navlaži in segreje. V plinski mešanici v sapniku moramo zato upoštevati še delež vode. PH2O je odvisen od temperature in pri 37 °C doseže vrednost približno 47 mmHg. Zgoraj so upoštevani deleži O2 in CO2 suhega zraka, sedaj to upoštevajmo v enačbi 21 in iz-računajmo POl in PCOl za vlažen zrak, kot ga najdemo v sapniku (PIT): PITO2 = 0,21 - (760 - 47) mmHg = 150mmHg, pnco2 = 0,0003 - (760 - 47) mmHg = = 0,2 mmHg s 0mmHg. Slika 12 kaže, kako se PO2 spreminja vzdolž svoje poti v človeškem telesu - iz atmosfere preko sapnika in alveolov do arterijske krvi. V sapniku se Po2 zniža s 160 na 150 mmHg na račun navlaženosti. V alveolih delni tlak O2 (PAO2) upade na 100mmHg, v arterijski krvi je delni tlak O2 (PaO2) nižji še za nekaj milimetrov Hg. V perifernih tkivih kri oddaja O2 in delni tlak v venski krvi doseže vrednost približno 40 mmHg (Pvo2). Kaj določa delni tlak plinov v alveolih, v arterijski krvi in v venski krvi? V prvem koraku poglejmo, kaj določa tlake v alveolih. Delni tlak določenega plina v alveolih določajo: • barometrski tlak, • sestava vdihanega zraka, • hitrost nastajanja oziroma porabe plina v metabolizmu, • alveolna ventilacija (AV) in • razmerje med AV in perfuzijo (Q) pljuč. Najprej bomo poiskali izraze za vrednosti delnih tlakov v alveolih, kot če bi jih določali le prvi štirje dejavniki. V naslednjem poglavju bomo nato prikazali odnos med tlaki v alveo- 8 Vzorec dihanja se pri zdravih posameznikih in pljučnih bolnikih oblikuje tako, da je med dihanjem opravljeno delo čim manjše. Pri ljudeh s pljučno fibrozo (zmanjšana podajnost, za premagovanje elastičnih sil je potrebno večje delo) je dihanje bolj plitvo in hitrejše kot normalno, pri ljudeh z obstruktivnimi boleznimi (povečan upor, zvečana podajnost) pa je dihanje globoko (zaradi večje podajnosti manj dela pri premagovanju elastičnih sil) in počasno (zaradi manjših pretokov relativno manj dela za ustvarjanje pretokov). MED RAZGL 2012; 51 285 Slika 12. Vrednosti delnih tlakov vzdolž poti O2 v človeškem telesu. V sapniku je P02 manjši kot v atmosferskem zraku na račun vodne pare. V alveolih je manjši zaradi prehajanja 02v kri in privzemanja C02v alveole. V arterijski krvi je P02 manjši zaradi različnega razmerja AV/Q v različnih delih pljuč in fiziološkega šanta (glej Drugi in Tretji del »Fiziologije pljuč« za razlago vpliva razmerja A V/Q in šanta). V venski krvi se P02 zniža zaradi porabe v perifernih tkivih. P02 - delni tlak 02, Pt02 - delni tlak 02 v vdihanem zraku, PtJ02 - delni tlak 02 v sapniku, PA02- delni tlak 02v alveolih, Pa0l2 - delni tlak 02v arterijski krvi, Pv02 - delni tlak 02v venski krvi. lih in arterijski ter venski krvi. V poglavju za tem pa bomo analizirali, kako na delne tlake v alveolih, arterijski in venski krvi vpliva razmerje med AV in perfuzijo pljuč. Izračunajmo delni tlak v alveolih za CO2 (paco2). PACO2 se značilno razlikuje od pco2 v vdihanem zraku (P[CO2) , saj se v alveolih vdi-hanemu zraku dodaja CO2, ki nastaja v procesih celičnega metabolizma. Upoštevaje zakon o ohranjanju mas nastavimo enačbo, v kateri upoštevamo, da je pretok CO2 z izdihanim zrakom (VECO2) enak seštevku preto- ka CO2 z vdihanim zrakom (VlCO2) in hitrosti nastajanja CO2 v celičnem metabolizmu (VCO2): (23) veco2 = VITCO2 + VCO2 Pretok določenega plina je enak deležu alveol-ne ventilacije (AV), ki mu pripada, in je odvisen od Fx: Vx = Fx • AV. (24) Upoštevajmo enačbo 24 v enačbi 23 in nastavimo izpeljavo za alveolno enačbo za CO2: (25) faco2 •AV = fitco2 •AV + vco2 , A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 286 pri čemer je FACO2 delež CO2 v alveolih (in zato v izdihanem zraku) in FITCO2 delež v vdiha-nem trahealnem zraku. Upoštevajmo FITCO2 = 0 in enačbo (21): P ACQ, P, ^ -AV = Ve BAR in zapišimo alveolno enačbo za CO2: P, ACQ, AV ■ P BAR' (26) P ACQ, 4300 ml/min 200ml/min TT TT =--860 mmHg = 40 mmHg 4300ml/min Kaj pa delni tlak O2 v alveolnem zraku? Izpe-ljimo enačbo. Analogno enačbi 23 zapišimo: vito2 = v&eo2 + vo2, (27) pri čemer sta VITq2 in VEO2 pretoka kisika v vdi-hanem trahealnem (torej vlažnem) oz. izdihanem zraku, VO2 pa hitrost porabe kisika. Upoštevajmo enačbo 24 in zapišimo: Fito2 av = fEO2 av + Vo2, (28) pri čemer sta FITOi oz. FEO2) pripadajoča deleža O2 v vdihanem trahealnem oz. izdihanem zraku. Upoštevajmo enačbo 21 in izrazimo: P, ITQ, ■ AV = AQ, ■ AV + V Q, .(29) lBAR BAR Enačbo 29 delimo z AV in množimo s -Pbar, izpostavimo PAO2 in zapišimo alveolno enačbo za kisik: PA q2 = pitq2 VQ, ■ PBAR AV (30) Ker je trahealni zrak navlažen, upoštevamo ph2o: V ■ P ■ P Q, PBAR PAQ, AV To bi bila tudi končna oblika alveolne enačbe za CO2, če ne bi PACO2, VCO2 in AV posamezno merili in izražali pod različnimi fizikalnimi pogoji.9 Zato je v enačbi 26 potreben korekcijski faktor k = 1,13. Ce za AV vzamemo vrednost AV = 4,3 l/min, dobimo za PACO2 ob upoštevanju faktorja k: 200 ml/min 760mmHg • 1,13 = vq' pbar (31) pao2 = fio2-(pbar PH2O) = FIO2 • ( PBAR- PH2O ) - AV pri čemer je FIO2 delež O2 v suhem zraku.10 Izračunajmo, kakšen je PAO2 ob upoštevanju VO2 = 250 ml/min: n ... TT 250 ml/ min pao = 150mmHg -^^———— 760 mmHg- ■1,13 = 150 mmHg - 4300 ml/min 250mm/min 4300 ml/min ■ 860 mmHg = 100 mmHg. Podobno kot za CO2 smo tudi tukaj upoštevali korekcijski faktor zaradi neenakih pogojev, pri katerih merimo PAO2, AV in VECO2. Na prvi pogled bi se morda zdelo bolj smiselno opisovati koncentracijo raztopljenega plina, vendar ima uporaba delnega tlaka nekaj prednosti. Predvsem lahko z delnim tlakom opišemo količino plinov tako v plinski (v alveolih, sapniku) kot v tekočinski fazi (koncentracija plina, prosto raztopljenega v krvi). Ce si predstavljamo, da je nad tekočino plinska mešanica z znanimi delnimi tlaki v stacionarnem stanju, lahko zapišemo koncentracijo v tekočini prosto raztopljenega plina kot: [plina \aztopljen Pplina (32) pri čemer je Pplina delni tlak plina nad tekočino in s topnostni koeficient plina. Enačba 32 pa je znana tudi kot Henryev zakon. 9 Pac02 izražamo pri telesni temperaturi in tlaku ter za zrak, ki ne vsebuje vodne pare. Te pogoje označujemo tudi s kratico BTPD (angl. body temperature and pressure, dry). AV izražamo pri telesni temperaturi in tlaku in za zrak, ki je zasičen z vodno paro. Te pogoje označujemo tudi s kratico BTPS (angl. body temperature and pressure, saturated with H2O vapor). VCO2 izražamo pri temperaturi 0 °C in barometrskem tlaku ter za zrak, ki ne vsebuje vodne pare. Te pogoje označujemo tudi s kratico STPD (standard temperature and pressure, dry). Ce v izrazu 26 desno stran zmnožimo s k, je rezultat enak, kot če bi namesto barometrskega tlaka vstavili vrednost, ki je za 100 mmHg višja od normalnega barometrskega tlaka, torej 860 mmHg. To pravilo je preprosto in bralcu svetujemo, da si ga zapomni namesto korekcijskega faktorja 1,13. 10 Vrednost prvega zmožka na desni strani enačbe smo že izračunali zgoraj (150 mmHg). MED RAZGL 2012; 51 DIFUZIJA PREKO ALVEOLOKAPILARNE MEMBRANE Naslednji korak plinov na poti do tkiv je prehod iz alveolov v kri preko alevolokapilarne bariere. Prehod plinov v pljučih poteka pasivno v smeri od višjega proti nižjemu delnemu tlaku plina. Hitrost difuzije skozi tkivo (v na- šem primeru alevolokapilarno) opišemo s Fick-ovim zakonom za difuzijo: * — < I" V (33) pri čemer A pomeni površino bariere, D difu-zijski koeficient, d debelino bariere in (Pj - P2) razliko v delnih tlakih plina. Prehod plina je torej hitrejši čez tanjšo bariero, ki ima veliko delež dolžine kapilare (%) 287 Slika 13. Pg2 v krvi vzdolž alveolne kapilare. Normalno POi v krvni plazmi naraste iz venske vrednosti (40mmHg) do vrednosti v alveolnem zraku (100 mmHg) na približno prvi tretjini dolžine kapilare. Kljub zmanjšanju difuzijske kapacitete na polovico (¥ • D) ali trikratnemu povečanju perfuzije (3^0) se delni tlak v plazmi izenači z delnim tlakom v alveolih, vendar bolj proti koncu kapilare. Visoka nadmorska višina (3.000m) zaradi nižjega barometrskega tlaka zniža alveolni P0 (50 mmHg). Zaradi nespremenjene porabe in s tem ekstrakcije O2v perifernih tkivih je nižji tudi PWf P0 v kapilari pri normalni perfuziji doseže vrednost Pmi Če se poveča perfuzija na visoki nadmorski višini, ne pride do izenačitve tlakov in difuzija postane hitrost omejujoči dejavnik. PO2 - delni tlak O2, Dp- difuzijska kapaciteta pljuč, 0 - perfuzija pljuč. A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 288 Slika 14. PCg2 vzdolž kapilare. PcO2 normalno pade z vrednosti v venski krvi (45 mmHg) na vrednost PA (40 mmHg) približno na prvi tretjini kapilare. Zmanjšanje difuzijske kapacitete na polovico (% • Dp) ali dvakratno povečanje periuzije (2Q) ne preprečita, da bi se PCOl izenačil s PACg2 vzdolž kapilar. PCg2 - delni tlak O2, Dp- difuzijska kapaciteta pljuč, Q - periuzija pljuč. površino. Velika površina alveolov (50-100m2) in majhna debelina bariere (do 0,3 pm) pomagata k hitremu difuzijskemu prehodu plinov. Difuzijski koeficient D je odvisen od molekulske mase plina (M) in topnostnega koeficienta (s): D = k ■ 4M ' (34) pri čemer k pomeni konstanto. Tako bo prehod hitrejši za pline, ki imajo velik topnostni koeficient in majhno molekulsko maso. Združimo konstante v enačbah 33 in 34 v t. i. di-fuzijsko kapaciteto pljuč (DP) in zapišimo: 0 = Dv (p - P2). (33) Prehod plinov določa razlika v delnih tlakih plinov na eni in na drugi strani alveolokapilar-ne bariere. Na začetku kapilare je ta razlika približno enaka 60 mmHg (P\o2 = 100 mmHg in Pvo2 = 40 mmHg). Ta razlika v delnih tlakih poganja tok O2 iz alveolov v kri. Zaradi velikega difuzijskega toka se PO2 v krvi kljub razmeroma kratkemu kontaktnemu času krvi z alveolokapilarno bariero (približno 3/4 sekunde) praktično izenači s PAO2 že na približno prvi tretjini poti vzdolž alveolne kapilare (slika 13). Tako nastane arterijska kri, katere po2 (Pao2) je enak pao2. Vadba zaradi povečanega minutnega volumna srca skrajša kontaktni čas krvi z al-veolokapilarno bariero, tudi na V sekunde. Kljub temu je difuzijska kapaciteta pljuč zadostna, da se delna tlaka v kapilarah izenačita in ne izmerimo razlike v Po2 v kapilarah in PAO2 (slika 13). Difuzijska kapaciteta pljuč je celo tako velika, da niti zmanjšanje DP na polovico ne spremeni Po na koncu kapilar ob s MED RAZGL 2012; 51 normalni perfuziji. Problematična je navadno šele kombinacija obojega. Na višji nadmorski višini (3.000 m) se zniža PAO2 (50 mmHg) in PvO2 zaradi nespremenjene hitrosti oddajanja O2 v tkivih. Zato je manjša arterijsko-venska razlika v PO2, prav tako pa alveolovenska razlika v PO2, ki v primeru na sliki 13 znaša 30 mmHg. Manjša razlika v delnih tlakih povzroči počasnejši tok O2. Vadba ali bolezenska odebelitev sten na visoki nadmorski višini povzročita, da PO2 v kapilarah ne doseže PAO2, kar poslabša z nadmorsko višino sproženo hipoksemijo. Slika 14 opisuje, kako se v kapilarah pljuč spreminja PCO?. Ker je topnostni koeficient za CO2 večji od koeficienta za O2, molekulski masi pa se le malo razlikujeta, bo difuzijski koeficient za CO2 in s tem tudi difuzijska kapaciteta za CO2 večja, kot je za O2. Slednje povzroči, da bo tok CO2 pri enaki alveolovenski razliki v PCO2 veliko večji od toka O2. Po drugi strani pa je razlika v delnih tlakih med mešano vensko krvjo (45 mmHg) in alveoli (40 mmHg) manjša kot v primeru O2. Učinka si med seboj nasprotujeta in izkaže se, da se PCO2 v kapilarah izenači s PACO2 še pred koncem kapilar tudi v primeru povečane perfu-zije ali zmanjšane difuzijske kapacitete. LITERATURA 1. West JB. Respiratory Physiology: The Essentials. 7th ed. Baltimore: Lippincot Williams & Wilkins; 2005. 2. West JB. Pulmonary Pathophysiology: The Essentials. 7th ed. Baltimore: Lippincot Williams & Wilkins; 2008. 3. Whipp BJ. Pulmonary Ventilation. In: Greger R, Windhorst U, eds. Comprehensive human physiology. From cellular mechanisms to integration. 1st ed. Vol. 2. Heidelberg: Springer; 1996. p. 2015-36. 4. Piiper J. Pulmonary Gas Exchange. In: Greger R, Windhorst U, eds. Comprehensive human physiology. From cellular mechanisms to integration. 1st ed. Vol. 2. Heidelberg: Springer; 1996. p. 2037-49. 5. Morrell M. Respiration. In: Petersen OH, ed. Human Physiology: Lecture Notes. 5th ed. Oxford: Blackwell Publishing; 2007. p. 425-93. 6. Bajrovič FF. Kronična obstruktivna pljučna bolezen. In: Ribarič S, ed. Seminarji iz patološke fiziologije. 1st ed. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Medicinska fakulteta, Inštitut za patološko fiziologijo; 2008. p. 63-72. 7. Sket D. Dinamična kompresija dihalnih poti. In: Ribarič S, ed. Temelji patološke fiziologije. 1st ed. Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Medicinska fakulteta, Inštitut za patološko fiziologijo; 2009. p. 217-22. 8. Kohl FV. Lunge und Atmung. In: Siegenthaler W, ed. Klinische Pathophysiologie. 8th ed. Stuttgart: Thieme; 2001. p. 745-77. 9. Bartels H. Gaswechsel. In: Keidel WD, ed. Kurzgefasstes Lehrbuch der Physiologie. 4th ed. Stuttgart: Thieme; 1975. p. 4-1-4-35. 10. Despopoulos A, Silbernagl S. Respiration. In: Despopoulos A, Silbernagl S, eds. Color Atlas of Physiology. 5th ed. Stuttgart: Thieme; 2003. p. 106-36. 11. Thews G, Thews O. Lungenatmung. In: Schmidt RF, Lang F, eds. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 30th ed. Heidelberg: Springer; 2007. p. 755-85. 12. Jelkmann W. Atemgastransport. In: Schmidt RF, Lang F, eds. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 30th ed. Heidelberg: Springer; 2007. p. 803-15. 13. Bakran I, Zuškin E. Poremecaji disanja. In: Gamulin S, Maruši} M, Krvavica S, eds. Patofiziologija. 2nd ed. Zagreb: Jugoslavenska medicinska naklada; 1990. p. 903-28. 14. Guyton AC, Hall JE. Pulmonary Ventilation. In: Guyton AC, Hall JE, eds. Textbook of Medical Physiology. 12th ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2011. p. 471-80. 15. Guyton AC, Hall JE. Physical Principles of Gas Exchange; Diffusion of Oxygen and Carbon Dioxide Through the Respiratory membrane. In: Guyton AC, Hall JE, eds. Textbook of Medical Physiology. 12th ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2011. p. 491-501. 16. Boron WF. Organization of the Respiratory System. In: Boron WF, Boulpaep EL, eds. Medical Physiology: A cellular and molecular approach. 2nd ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2009. p. 613-29. 17. Boron WF. Mechanics of Ventilation. In: Boron WF, Boulpaep EL, eds. Medical Physiology: A cellular and molecular approach. 2nd ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2009. p. 630-51. 18. Boron WF. Transport of Oxygen and Carbon Dioxide in the Blood. In: Boron WF, Boulpaep EL, eds. Medical Physiology: A cellular and molecular approach. 2nd ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2009. p. 672-84. A. STOZER, J. DOLENŠEK, M. SLAK RUPNIK FIZIOLOGIJA PLJUC - PRVI DEL MED RAZGL 2012; 51 19. Boron WF. Gas Exchange in the Lungs. In: Boron WF, Boulpaep EL, eds. Medical Physiology: A cellular and molecular approach. 2nd ed. Philadelphia: Saunders Elsevier; 2009. p. 685-99. 20. Cloutier M. The Respiratory System. In: Berne RM, Levy MN, Koeppen BM et al, eds. Physiology. 5th ed. St. Louis: Mosby; 2004. p. 443-536. 21. Dietl P, Deetjen P. Atmung. In: Deetjen P, Speckmann EJ, Hescheler J, eds. Physiologie. 4th ed. München: Urban&Fischer; 2005. p. 481-513. 22. Baumann R, Kurtz A. Atmung. In: Klinke R, Pape HC, Kurtz A, et al, eds. Physiologie. 6th ed. Stuttgart: Thieme; 2010. p. 258-312. 23. Riley RL, Cournand A. »Ideal« Alveolar Air and the Analysis of Ventilation-Perfusion Relationships in the Lungs. J Appl Physiol. 1949; 1 (12): 825-47. Prispelo 5.12.2011 290