PLICNÍ FUNKCE MECHANIKA DÝCHACÍHO SYSTÉMU PŘENOS PLYNŮ DÝCHACÍ SYSTÉM STOMATOLOGIE Prezentaci připravila: doc. MUDr. Milena Šimurdová, CSc. Anat dých sys Kiss ANATOMIE DÝCHACÍCH CEST Dutina nosní Dutina ústní Hltan Hrtan Plíce Průdušnice Vedlejší dutiny nosní termBronchiol s alveolyLidské tělo řasinky dýchacích cest astma v bronších FÁZE TRANSPORTU O2 K BUŇKÁM Folie2 předb cut dýchací cesty alveoly alveolo-kapilární m. plícní kapiláry VYUŽITÍ O2 MITOCHONRIEMI TRANSPORT O2 V KRVI 1 DIFUZE O2 PŘES ALVEOLO-KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU DIFUZE O2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUŇKY VENTILACE PLIC VNITŘNÍ DÝCHÁNÍ výdej CO2 ~250 ml / min příjem O2 ~300 ml / min V KLIDU VENTILACE PLIC Funkce dýchacích cest: üzbavování mechanických nečistot – zachycení ve vrstvičce hlenu (řasinky ho pak sunou do faryngu) übariéra proti vniknutí infekce – lymfatická tkáň üúprava teploty vdechovaného vzduchu – na tělesnou teplotu, zvlhčení üaktivita hl. svaloviny – ovlivňuje plicní ventilaci ühlasové vazy → základní tón DÝCHACÍ CESTY ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR – ZÓNA KONDUKCE 2 NOSNÍ PRŮDUCHY FARYNX LARYNX TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY ZÓNA VÝMĚNY PLYNŮ (alveolo-kapilární membána) CELKOVÁ PLOCHA 70 - 100 m2 Další funkce: oteplení vzduchu, očištění, doplnění vodními parami reflexní odpovědi na dráždivé podněty řeč a zpěv (specifické funkce laryngu) Folie7 před cut ODLITEK DÝCHACÍCH CEST U ČLOVĚKA TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY 3 AERODYNAMICKÝ ODPOR Folie8 předb cut aa ciliární cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura buňky hladké svaloviny chrupavka krevní cévy žláza pohárková buňka mukus 4 AUTONOMNÍ INERVACE SVALOVÝCH BUNĚK muskarinové receptory aktivace acetylcholinem Þ bronchokonstrikce b2-adrenergní receptory aktivace noradrenalinem Þ bronchodilatace BRONCHUS Æ < 1 mm TERMINÁLNÍ BRONCHIOLUS VT = VA + VD VT dechový objem (‘tidal volume’) ~500 ml VA alveolární část dechového objemu ~350 ml VD část dechového objemu v mrtvém prostotu (‘dead volume’) ~150 ml f = 12/min 5 4,2 l/min 6 l/min ALVEOLÁRNÍ VENTILACE VA · = VA x f 1,8 l/min VENTILACE MRTVÉHO PROSTORU VD · = VD x f MINUTOVÁ VENTILACE PLIC V ∙ = VT x f 6 MRTVÝ PROSTOR CELKOVÝ OBJEM, VE KTERÉM NEDOCHÁZÍ K VÝMĚNĚ PLYNŮ U ZDRAVÉHO JEDINCE oba dva prostory jsou prakticky stejné ANATOMICKÝ mrtvý prostor - objem dýchacích cest FUNKČNÍ (celkový) mrtvý prostor ANATOMICKÝ mrtvý prostor + celkový OBJEM ALVEOLŮ bez funkčního kapilárního řečiště Folie10 před cut vodní těsnění k subjektu nádech výdech převrácená nádoba s O2 7 SPIROMETRIE (měření plícních objemů, kapacit, funkčních vyšetření, …) Folie11 před cut bb PLÍCNÍ OBJEMY 8 úroveň po maximálním nádechu DECHOVÝ OBJEM VT (‘tidal volume’) ~2,5 l INSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM IRV EXSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM ERV ~1,7 l DILUČNÍ METODA (metoda zředěného plynu) He ~1,3 l REZIDUÁLNÍ OBJEM RV konec klidného výdechu úroveň po maximálním výdechu Princip metody: 1 Maximální výdech 2 Opakovaný nádech a výdech z a do rezervoáru (známého objemu) s inertním plynem (He) známé koncentrace cp. Þ Složení vzduchu v obou prostorech se vyrovná (ck). konec klidného nádechu He reservoár (Vr) RV cp He reservoár (Vr) RV ck 3 Vypočtení REZIDUÁLNÍHO OBJEMU z počáteční a konečné koncentrace He v rezervoáru (cp, ck). Folie11 před cut bb 9 úroveň maximálního vdechu úroveň maximálního výdechu VK - největší objem vzduchu, který je možno vydechnout po maximálním nádechu VK ~ 4,7 l VK VITÁLNÍ KAPACITA = VT + IRV + ERV CKP CELKOVÁ KAPACITA PLIC = VK + RV ~ 6,0 l CKP ~1,3 l RV FUNKČNÍ REZIDUÁLNÍ KAPACITA < 3,0 l INSPIRAČNÍ KAPACITA > 3,0 l konec klidného výdechu FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC KLIDOVÁ MINUTOVÁ VENTILACE (0,5 l x 12 dechů / min = 6 l/min) MAXIMÁLNÍ PROUDĚNÍ VYDECHOVANÉHO VZDUCHU PEFR (‘peak expiratory flow rate’) (~10 l/s) MAXIMÁLNÍ VOLNÍ VENTILACE po dobu 10 s MVV (125 - 170 l/min) 10 VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KAPACITA (exspirační vteřinová VK, rozepsaný usilovný výdech VK) FEV1 (´forced expiratory volume per 1 sec´) 0 1 3 2 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 FEV1 VK čas (s) ≥ FEV1 VK 80 % Folie17 přech a cut 3 Folie17 přech a cut 1 Folie17 přech a cut 2 VT [l] čas -3 -6 [mm Hg] [mm Hg] +1 -1 P.V = konst PRŮBĚHY TLAKŮ PŘI KLIDNÉM DÝCHÁNÍ PA < PATM PA > PATM PA ALVEOLÁRNÍ (INTRAPULMONÁLNÍ) PA PPL INTRAPLEURÁRNÍ (INTRATORAKÁLNÍ) PPL 11 INSP EXSP naměřená křivka teoretická křivka ? ? Graf změny intrapleur tlaku Graf změny objemu Graf změny plícního tlaku Obrzměny intrapleur tlaku Silbernagl pulmonalis parietalis PLEURA NA VENTILACI SE PODÍLÍ DÝCHÁNÍ V KLIDU AKTIVNÍ SÍLY RESPIRAČNÍCH SVALŮ elasticita plic elasticita hrudníku PASIVNÍ SÍLY VÝDECH - pouze pasivní (elastické) síly (plic) VDECH - aktivní síly inspiračních svalů převládají 12 obr 2a cut DÝCHACÍ SVALY akcesorní svaly mm. intercostales ext. diafragma mm. intercostales int. břišní svaly EXSPIRAČNÍ INSPIRAČNÍ 13 INSPIRAČNÍ SVALY Dýchání V KLIDU diafragma (³ 80 % ) mm. intercostales ext. (≤ 20 % ) navíc akcesorní dýchací svaly (mm. scaleni) EXSPIRAČNÍ SVALY USILOVNÉ dýchání mm. intercostales int. svaly přední břišní stěny Pouze při USILOVNÉM dýchání 14 LAPLACEŮV ZÁKON P tlak (transmurální DP) r radius T napětí stěny 16 sférické struktury P1 > P2 P1 P2 Kolaps alveolu - ATELEKTÁZA Další zvětšení objemu alveolu r T P 2 = P r T ? PATOLOGIE obr 5 přech ALVEOLÁRNÍ EPITELIÁLNÍ BUŇKY makrofág mastné kyseliny, cholin, glycerol, asminokyseliny, atd) BUŇKY TYPU II specializované granulární epiteliální buňky TVORBA SURFAKTANTU surfaktant 17a exocytózou sekretována lamelární tělíska BUŇKY TYPU I tenké epiteliální buňky VÝMĚNA PLYNŮ cirkulace a metabolizmus surfaktantu SURFAKTANT LÁTKA VÝRAZNĚ SNIŽUJÍCÍ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ FOSFOLIPID dipalmitoyl fosfatidyl cholin ÚČINEK HLAVNĚ VE FÁZI VÝDECHU BAROMETRICKÝ TLAK VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg 20 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) O2 20,98 % FO2 @ 0,21 N2 78,06 % FN2 @ 0,78 CO2 0,04 % FCO2 0,0004 Ostatní složky = PO2 = 760 x 0,21 = ~160 mm Hg PN2 = 760 x 0,78 = ~593 mm Hg PCO2 = 760 x 0,0004 = ~ 0,3 mm Hg PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU obr 12 přech cut SLOŽENÍ ALVEOLÁRNÍHO VZDUCHU O2 158,8 CO2 0,3 N2 601,0 … 760 mm Hg INSPIROVANÝ VZDUCH mrtvý prostor O2 100,0 CO2 39,0 H2O 47,0 pravé srdce levé srdce O2 40,0 CO2 45,0 H2O 47,0 N2 … … O2 95,0 CO2 41,0 H2O 47,0 N2 … … O2 40,0 CO2 45,0 H2O 47,0 N2 … … vény arterie periferní kapiláry 21 parciální tlaky v mm Hg O2 115,0 CO2 33,0 H2O 47,0 N2 565,0 … EXSPIROVANÝ VZDUCH 760 mm Hg 760 mm Hg N2 fyziologické zkraty O2 100.0 CO2 39.0 ? ? Alveolární PO2 a PCO2 při volní hypo- a hyperventilaci 22 50 100 2 4 6 8 10 alveolární ventilace (l/min) PAO2 PACO2 0 0 hyperventilace → HYPOKAPNIE → respirační alkalóza hyperventilace hypoventilace → HYPERKAPNIE → respirační acidóza hypoventilace Při dýchání v klidu složení alveolárního vzduchu zůstává konstantní (funkční residuální kapacita ~3 l) I DÝCHACÍ CESTY II MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY III AKTIVNÍ A PASIVNÍ SÍLY DÝCHACÍ SVALY ELASTICITA PLIC COMPLIANCE DECHOVÁ PRÁCE · · · · V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH VI TRANSPORT PLYNŮ (O2 a CO2) obr 13 přech cut ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA ALVEOLÁRNÍ VZDUCH PO2 = 100 PCO2 = 40 (mm Hg) epiteliální buňka alveolu nucleus erytrocyt intersticiální prostor O2 O2 O2 Hb HbO2 CO2 CO2 CO2 0.6 µm ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA ALVEOLUS 23 nucleus průměr~ 5 µm PLÍCNÍ KAPILÁRA endoteliální buňka kapiláry doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0.75 s DIFUZE PLYNŮ obr 16 přech cut PO2 100 PCO2 40 mm Hg 40 100 60 80 mm Hg 24 doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0,75 s Δ PO2 = 60 mm Hg Δ PCO2 = 6 mm Hg venózní krev PO2 40 PCO2 46 mm Hg vyrovnaný stav s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg PO2 PCO2 ČASOVÝ PRŮBĚH VYROVNÁVÁNÍ PO2 A PCO2 V KAPILÁŘE S ALVEOLÁRNÍM VZDUCHEM I DÝCHACÍ CESTY II MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY III AKTIVNÍ A PASIVNÍ SÍLY DÝCHACÍ SVALY ELASTICITA PLIC COMPLIANCE DECHOVÁ PRÁCE · · · · V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH VI TRANSPORT PLYNŮ (O2 a CO2) obr 17 přech b cut obr 17 přech a cut HEMOGLOBIN β α α β 1 nm Fe Fe N N N N N N N N DEOXY OXY polypeptidový řetězec N N N polypeptidový řetězec O2 Fe3+ (methemoglobin) oxidace porfyrin fetální Hb γ γ Fe2+ HEM 25 tetramer Hb4 + 4 O2 ↔ Hb4O8 oxygenace 100 50 0 50 100 CO Hb PO2 (mm Hg) fetální Hb strmá část křivky plató BOHRŮV EFEKT ¯ pH, CO2 VAZEBNÁ KŘIVKA O2 NA HEMOGLOBIN ¯ pH, CO2 BPG (2,3-bisfosfoglycerát) teplota 26 fyzikálně rozpuštěný O2 (1.4%) P50 myoglobin methemoglobin fyziologický rozsah v a PCO (mm Hg) obr 19 přech cut TRANSPORT CO2 Cl- H2CO3 CO2 + H2O H2O 27 HCO3- H+ + H+ + deoxyHb- H-deoxyHb HCO3- Cl- CO2 posun Cl- iontů Hamburgerův posun KD KD – karbonát dehydratáza (karboanhydráza) obr 20 přech b cut obr 20 přech a cut HbO2 CO2 O2 H2O CO2 CO2 CO2 fyzikálně rozpuštěný (5,3%) CO2 O2 Cl- HCO3- NaHCO3 Na+ K+ KHCO3 CO2+ H2O HCO3- + H+ CO2 + H 2O HCO3- + H+ (~89%) Hb.CO2 CO2 + Hb-NH2 Hb.NHCOO- (karbamino-Hb) (5,3%) 28 ~60% v plasmě, ~29% v erytrocytech obr 21 přech copy VAZEBNÁ KŘIVKA CO2 zcela odkysličená krev okysličená krev 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 50 60 70 PCO2 (mm Hg) fyzikálně rozpuštěný CO2 a v CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- v periferních tkáních v plících Hb- + H+ HHb Hb.NH.COOH 1 Hb- + H+ HHb 2 ? 29 HALDANEŮV EFEKT fyziologické hodnoty v arteriální a venózní krvi DEOXY-Hb TKÁNĚ: DEOXY-Hb snadno váže H+ (jako slabší kyselina) Þ ↑ množství chemicky vázaného CO2 PLÍCE: OXY-Hb uvolňuje H+ Þ ↓ množství chemicky vázaného CO2 I DÝCHACÍ CESTY II MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY III AKTIVNÍ A PASIVNÍ SÍLY DÝCHACÍ SVALY ELASTICITA PLIC COMPLIANCE DECHOVÁ PRÁCE · · · · V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH VI TRANSPORT PLYNŮ (O2 a CO2) 1 kPa = 7,5 mm Hg VLASTNÍ TKÁŇOVÁ ELASTICITA (vlákna elastinu a kolagenu) SÍLY POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ (rozhraní tekutina-vzduch) 15 obr 3 přech 200 150 100 50 0 0,4 ALVEOLÁRNÍ TLAK (kPa) 0,8 1,2 1,6 2,0 HYSTEREZNÍ SMYČKA INFLACE DEFLACE ELASTICITA PLIC otevírací tlak vzduch solný roztok ELASTICITA PLIC 17b LAPLACEŮV ZÁKON (otevírací tlak alveolů) Dynamické změny v hustotě molekul SURFAKTANTU v průběhu inspirace a exspirace 200 150 100 50 0 0,4 ALVEOLÁRNÍ TLAK (kPa) 0,8 1,2 1,6 2,0 HYSTEREZNÍ SMYČKA otevírací tlak solný roztok vzduch DEFLACE INFLACE Faktory podílející se na HYSTEREZNÍ SMYČCE obr 6 přech b cut COMPLIANCE (OBJEMOVÁ ROZTAŽITELNOST) relaxační tlaková křivka . alveolární tlak DPA (mm Hg) 0 100 50 150 200 -50 -100 0 +1 -1 +2 +3 -2 VK RV V P DP DV 18 FRK (relaxační objem) klidová výdechová poloha STATICKÉ MĚŘENÍ PŘI UZAVŘENÉM SYSTÉMU ¯ tuhost tkáně compliance vzrůstá tuhost tkáně compliance klesá P V C D D = Valsalvův manévr Müllerův manévr PA RESPIRAČNÍ SYSTÉM plíce a hrudník I DÝCHACÍ CESTY II MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY III AKTIVNÍ A PASIVNÍ SÍLY DÝCHACÍ SVALY ELASTICITA PLIC COMPLIANCE DECHOVÁ PRÁCE · · · · V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH VI TRANSPORT PLYNŮ (O2 a CO2) CELKOVÁ PRÁCE DÝCHACÍCH SVALŮ PŘI KLIDNÉM DÝCHÁNÍ ELASTICKÁ PRÁCE pro překonání elastických sil hrudníku a plic DYNAMICKÁ PRÁCE pro překonání odporu dýchacích cest při proudění vzduchu - aerodynamický odpor (28%) 19 (65%) (35%) pro překonání tření při vzájemnému pohybu neelastických tkání - viskózní odpor (7%)