35. Pneumotachografie
35.1 Poznámky do cvičení
Pneumotachometry (průtokoměry) jsou založeny na měření rychlosti proudění vzduchu definovaným průřezem, tedy průtoku. Pro měření průtoku obecně využívají různých fyzikálních principů. Nejběžněji v medicíně používané jsou průtokoměry s diferenciálním senzorem tlaku, ultrazvukové průtokoměry, turbínkové průtokoměry a anemometry se žhaveným drátem. Objem vzduchu během dýchacího cyklu je možné stanovit nepřímo, integrací průtoku v čase. Výhody a nevýhody jsou přímo spjaty s vlastním principem daného pneumotachometru. Ultrazvukový průtokoměr například nepředstavuje pro proud vzduchu žádnou překážku a je tak v porovnání s diferenciálním průtokoměrem vhodnější při měřeních spojených s inhalací aerosolů. Výhody těchto zařízení jsou kompaktní rozměry a jednoduchost manipulace. Nevýhody zahrnují nutnost zajistit laminární proudění, linearitu, a poměrně velký mrtvý prostor.
Pneumotachografy jsou zařízení s fixním pneumatickým odporovým prvkem, který způsobí tlakový rozdíl proudícího vzduchu před a za odporovým elementem. Měřená změna tlakuje je přímo úměrná rychlosti proudění vdechovaného nebo vydechovaného vzduchu. Odporovým prvkem může být metalická síť s jemnými oky (Silverman-Lilly) nebo častěji svazek paralelně uspořádaných malých kapilár (Fleisch) o průměru 0,2 – 3 mm a délce 3 cm, který je použit při tomto cvičení.
Patm – tlak na vnějším konci pneumotachografu před odporovým prvkem je přibližně rovný tlaku atmosférickému; Pp – tlak na ústním konci pneumotachografu za odporovým prvkem. Hadičky jsou napojeny na tlakový snímač měřící diferenci tlaků před a za odporovým prvkem.
Tlak na vnějším konci trubice pneumotachografu přibližně odpovídá tlaku atmosférickému (Patm) a klademe ho rovným nule. Průtok vzduchu ( ) je přímo úměrný rozdílu tlaků (DP) a nepřímo úměrný odporu pneumotachografu (Rp). Jedná se o analogii s Ohmovým zákonem (I = U/R; I proud, U napětí, R odpor). Při dýchání do pneumotachografu proudí vzduch přes dva za sebou zařazené odpory: odpor pneumotachografu (Rp) a odpor dýchacích cest (Rd). Pokud známe tlak v alveolech (Palv), tlak na ústním konci trubice pneumotachografu (Pp) a odpor pneumotachografu (Rp), pak platí:
Zavedením vztahu:
lze odvodit rovnici pro výpočet odporu dýchacích cest:
Pneumotachograf měří DPp. Pro zjištění DPalv v průběhu dýchání uzavřeme krátce vnější konec pneumotachografu připravenou záklopkou, čímž dojde k vyrovnání tlaků v alveolech a v dýchacích cestách. Modifikace průběhu naměřeného signálu je zřejmá – viz Obrázek 35-2. Velikost odporu pneumotachografu Rp = 0,086 kPa×s/l.
Komentář: Při normálním dechovém cyklu je pneumotachografem měřen rozdíl tlaků DP. Po uzavření vnějšího konce pneumotachografu záklopkou dochází k vyrovnání tlaků v alveolech a v dýchacích cestách a měřenou veličinou je DPalv. V případě cvičení je výsledkem graf napěťového signálu, přičemž fyzikální jednotka mV se ve zlomku vzorce vykrátí.
Průtočný odpor dýchacích cest
Průtočný odpor dýchacích cest vzniká následkem tření mezi proudícím plynem a stěnou dýchacích cest během dechového cyklu. Závisí na poloměru dýchacích cest a fyzikálních vlastnostech vdechovaného plynu (především viskozitě).
Z Hagen-Poiseuilleova zákona lze odvodit, že relativně malé změny poloměru dýchacích cest mají velký dopad na jejich odpor. Dojde-li například k dvojnásobnému zvětšení poloměru trubice, sníží se odpor se čtvrtou mocninou – s faktorem 16. K průtočnému odporu dýchacích cest největší měrou přispívají průdušky (viz Obrázek 35-3).
Při vysokých rychlostech proudění plynu přechází laminární proudění v turbulentní (např. během nuceného výdechu). V případě turbulentního proudění není závislost změny tlaku na rychlosti proudění lineární. Chování proudícího plynu je možno posoudit za pomocí Reynoldsova čísla Re. Přibližně platí, že proudění je převážně laminární pro kritickou hodnotu Re<2200, přechodové (rychlostní profil je nestabilní) pro 2200≤Re≤4000 a turbulentí pro Re>4000.
Při nízkých objemech plic dochází v důsledku zmenšeného průměru dýchacích cest ke zvýšení průtočného odporu. Taktéž nemoci, při kterých dochází ke zúžení dýchacích cest, jako je chronické obstrukční plicní onemocnění a astma, jej zvyšují.
Komentář: Z důvodu paralelního řazení malých dýchacích cest (průměr <2 mm) a jejich velkého množství představují větší odpor proudícímu vzduchu velké a středně velké dýchací cesty (průměr >2 mm).
U spontánně dýchajícího dospělého člověka se fyziologický průtočný odpor dýchacích cest pohybuje v rozmezí 2–3 cmH2O/L/s neboli 0,196 – 0,294 kPa∙s/l. Zajímavostí je, že u novorozenců je odpor dýchacích cest mnohonásobně vyšší a dosahuje hodnot v rozmezí 19–28 cmH2O/L/s neboli 1,863 – 2,746 kPa×s/l.
Spirometr vs pneumotachometr
Spirometrické vyšetření může být obecně prováděno s mnoha různými typy zařízení. Kvůli rozdílnému principu funkce je dobré mít na paměti rozdíly mezi původním spirometrem a pneumotachometrem.
Spirometr je zařízení, jehož hlavní částí je krycí zvon o objemu 7 až 10 litrů zavěšený v nádobě s vodou. Otevřený konec zvonu je pod hladinou vody. Dechová aktivita pacienta způsobuje při nádechu posun zvonu dolů a při výdechu naopak nahoru. Vertikální posun zvonu je přímo úměrný objemu vzduchu během dýchacího cyklu. Objem vzduchu byl po mnoho let zaznamenáván perem na otáčecím se bubnu s papírem (kymograf). Spirometr byl s postupem času technologicky zdokonalován a krycí zvon s vodou nahradila suchá válcová těsnění a měchy. Spirometr musí mít obecně malou setrvačnost a nízký odpor ve vztahu k procházejícímu vzduchu. Výhodou těchto systémů je možnost přímého měření objemu a poměrně snadné ověření přesnosti a linearity. Nevýhodou je nárůst CO2 v nádobě a velké rozměry.
Pneumotachometry jsou založeny na měření rychlosti proudění definovaným průřezem, tedy průtoku. Pneumotachometry pro měření průtoku obecně využívají různých fyzikálních principů. Integrací průtoku v čase je možné stanovit objem vzduchu během dýchacího cyklu.
V praxi jsou často veškerá zařízení využívána pro spirometrické vyšetření obecně nazývána spirometry. To je způsobeno nahrazováním původních vodou uzavřených spirometrů pneumotachografy. Tyto vodou uzavřené spirometry a jejich variace byly jako hlavní metoda pro diagnostiku plic používány více než 100 let a je možné se s nimi setkat i dnes.
Kontrolní otázky
Odpor dýchacích cest je:
| vyšší při nádechu. | |
| vyšší při výdechu. | |
| stejný při nádechu i výdechu. | |
| snížený při bronchokonstrikci. |
Odpor dýchacích cest: (vyberte všechny správné odpovědi)
| závisí na poloměru dýchacích cest. | |
| závisí na délce dýchacích cest. | |
| vzniká vzájemným třením molekul vzduchu a třením molekul vzduchu o steny dýchacích cest. | |
| je obecně nižší u astmatiků. |