Plíce a dýchání Vratislav Fabián 5.1.2009

Biofyzika vnějšího a vnitřního dýchání Dýchání (respirace) patří ke třech základních „vitálních“ funkcí živého organizmu. Je to periodický a rytmický proces vdechování vzduchu (inspirium) a jeho vydechování (expirium) z dýchacím cest a  z  plic, který za každou minutu zabezpečuje organizmu přísun 250 ml O2. a odsun 200 ml CO2 / min. potřebných na pokrytí jeho metabolických požadavků.

Hlavní funkce dýchání proces výměny plynů mezi buňkami a vnějším prostředím, t.j. transport kyslíku z vnějšího vzduchu do buněk těla a odvod oxidu uhličitého z buněk do atmosféry.

Dýchání vnější a vnitřní

Dýchání vnější a vnitřní

Vnější dýchání 4 hlavní procesy - plicní ventilace - distribuce vzduchu - difuze plynů - perfuze plic

Vnější dýchání Ventilace  cyklická výměna vzduchu v plicích v průběhu nádechu (inspirium) a výdechu (expirium), zabezpečená kontrakcí dýchacích svalů Distribuce  smíchání inspirovaného vzduchu ze vzduchem, který zůstal v dýchacích cestách a v plicích po výdechu (150 ml = anatomický mrtvý prostor) Difuze  přestup O2 a CO2 ve směru tlakového gradientu přes alveolokapilární membránu (Fickův zákon) Perfuze  cirkulace krve plicním řečištěm

Vnitřní dýchání Vnitřní dýchání, resp. tkáňová respirace, představuje difuzi O2 a CO2 mezi krví a tkání ve směru gradientu parciálních tlaků. Vnější (plicní) a vnitřní (tkáňové) dýchání vyžadují normální funkci kardiovaskulárního (KV) systému a centrálního nervového systému – CNS (mozek a mícha).

Mechanika dýchání Mechanika dýchání - hodnotí činnost dých. svalů, hrudního koše a plic pro dýchání. Proudění vzduchu v dých. cestách je podmíněné tlakovým rozdílom mezi atmosférou a alveolami. Inspirium - tlak v alveolách nižší než v atmosféře Exspirium - tlak v alveolách převyšuje atmosférický tlak. Dýchání je „podtlakové“ Podtlak a přetlak v hrudníku - výsledek kontrakce dých. svalů : bránice (diaphragma) a mezižeberních svalů (vnějších a vnitřních)

Dýchací svaly Bránice  hlavný inspirační sval, zodpovídá za 60 % změny objemu hrudníku. V průběhu klidného dýchání klesá asi o 1,5 cm, pri hlubokém nádechu však až o 7-13 cm. Mm.intercostales externi  při kontrakci zvětšení předozadního a příčného průměru hrudníka  vdech. Mm. intercostales interni  při kontrakci pokles žeber a zmenšení průměru hrudníku  výdech. Klidný nádech  aktivní děj Klidný výdech  převážně pasivní

Nádech, výdech Klidný výdech  způsobený pasivním vytláčením bránice směrem nahoru a retrakční silou hrudního koše a plic Usilovný nádech  kontrakce bránice Mm. intercostales ext. a dalších inspiračních svalů (krku a hrudníka). Usilovný výdech  kontrakce břišních svalů a mm. intercostales interni.

Mechanismus plicní ventilace KLIDNÝ NÁDECH:  kontrakce bránice a  vnějších mezižeberních svalů   negativita PPl   negativita PP   vznik tlakového gradientu (zvějšku-dovnitř)   inspirační průtok   inspirační plicní objem KLIDNÝ VÝDECH:  pasivní pohyb bránice nahoru a retrakční síla plic a hrudníku  lehce pozitivní PP při malé negativitě PPl   vznik tlakového gradientu (zevnitř-ven)   exspirační průtok vzduchu   exspirační plicní objem

Plicní tlaky, průtok a objem

Plicní objemy  dechový objem (tidal volume VT) = 0,5 l  inspirační rezervní objem (IRV) = 2,5 l  exspirační rezervní objem (ERV) = 1,5 l  reziduální objem (RV) = 1,2 l

Plicní kapacity Vitální kapacita plic (VC) = VT + IRV + ERV Inspirační kapacita (IC) = VT + IRV Funkční reziduál. kapacita (FRC) = ERV+ RV Celková kapacita plic (TLC) =  všech objemů

Ventilace plic a distribuce vzduchu minutová ventilace : MV = VT . F alveolární ventilace : AV = MV – (VD . f) (VD = 150 ml – mrtvý objem) Při dechovém objemu (VT) 500 ml a frekvenci dýchání (fd) 12 dechů . min-1 představuje minutová ventilace 6 l . min-1, z čehož na alveolární ventilaci připadá 4,2 l . min-1. Maximální voluntární ventilace (MMV) představuje najvětší objem vzduchu převentilovaný plicemi za 1 minutu (120-170 l . min-1).

Atm., alveol. a exp. vzduch Atmosférický vzduch = směs O2 (20,93%), CO2 (0,03 %), N2 (78,06 %), He a jiných vzácných plynů (0,92%) a vodních par. Parciální tlaky plynů závisí na atmosférickém tlaku (PB) a kolísají podle nadmořské výšky. Při atmosférickém tlaku 101,3 kPa (760 torr ,1 atm,) a tlaku vodních par 0,8 kPa (suchý vzduch) je parciální tlak O2 ( P02 ) cca 21 kPa a PCO2 0,04 kPa

Daltonův zákon pro výpočet parciálních tlaků dýchacích plynů (ve směsi plynů : čím vyšší koncentrace plynů, tím větší jeho parciální tlak) PO2 = V% O2 x ( PB - PH2O ) / 100 např. PO2 v atmosférickém vzduchu při hladině moře je : PO2 = 20,93 x (101,3 – 0,8) / 100 = 21,03 kPa Obdobně počítame P02, PCO2, PN2 , a to i v alveolárním případně v exspirovaném vzduchu.

Parciální tlaky O2 (%) CO2 PH2O (kPa) PN2 PaO2 PCO2 20,93 0,03 0,8 Atmosfer. vzduch (suchý) 20,93 0,03 0,8 79,04 21,06 0,04 Exspir. vzduch 15,1 4,3 6,3 75,3 15,3 5,73 Alveolární 13,2 5,1 6,2 76,4 13,4 5,33 Arteriální krev 19,8 50 8 12,7 5,2 Venózní 14-15 55 6,13

Výměna dýchacích plynů přes alveolokapilární membránu probíhá formou difuze, která závisí na parciálních tlacích jednotlivých plynů (O2 a CO2) v alveolárním vzduchu a kapilárním plicním řečišti. Pri difuzi: tlakový gradient pro O2 O2= 13,4 – 5,2 = 8 (kPa) O2 = 100 – 40 = 60 (torr) tlakový gradient pro CO2 CO2 = 6,13–5,33 = 0,8 (kPa) C02= 46 - 40 = 6 (torr) (1 kPa= 7,5 mmHg =cca 10 H2O cm) 

Tónová audiometrie: převodní nedoslýchavost vpravo Kochleární rezerva Tónová audiometrie: převodní nedoslýchavost vpravo

Fickův zákon Difuze O2 a CO2 přes alveolokapilární (AK) membránu se řídí Fickovým zákonem. V = (P1 – P2) . A . k s kde P1 a P2 jsou parciální tlaky, A = difuzní plocha (70 m2) , s = tloušťka membrány (0,8 um) k = difuzní konstanta. Difúzna konstanta závisí na složení membrány a druhu difundujícího plynu (pro CO2 je 20-krát větší než pro O2 )

Rozpustnost plynů v krevní plazmě Henryho zákon - množství plynu fyzikálně rozpuštěného v kapalině, je úměrné parciálnímu tlaku plynu nad kapalinou a jeho koeficientu rozpustnosti. Množství O2 , rozpuštěného v 1 l krve určíme ze vzorce: SO2 =  . PO2 . 1000 / PB = 3,0 ml/l krve Množství CO2 v 1l krve je: SCO2 =  . P CO2 . 1000/ PB = 27ml/l krve. (kde  je koeficient rozpustnosti, P je parciální tlak plynu a PB je celkový barometrický tlak) Koeficient rozpustnosti  pre O2 = 0,024 a pro CO2 = 0,57. Rozpustnost CO2 v krvi je teda približne 24x větší než pro kyslík.

Perfúze O2 - jako fyzikálně rozpuštěný v plazmě a chemicky vázaný na hemoglobin. V 1 l arteriální krve je 200 ml O2 , z toho jen 3 ml připadají na fyzikálně rozpuštěný O2 a 197 ml je chemicky vázáno na hemoglobin. Fyzikálně rozpuštěný O2 podmiňuje parciální tlak a tým umožňuje difuzi. CO2 - jako fyzikálně rozpuštěný v plazmě, a chemicky vázaný ve formě bikarbonátů a karbaminohemoglobinu. V 1 l venózní krve je 27 ml fyzikálně rozpuštěného CO2 (v plazmě), zbytek cca 520 ml je vázaný v ostatních dvou formách. 

Reference Leoš Navrátil, Jozef Rosina a kolektiv: Medicínská biofyzika Ján Jakuš: Biofyzika dýchacieho systému