LUNGEFYSIOLOGI - oslo-universitetssykehus.no · Normal Tp Hb > 8 g/dl ... R 1/(0,9) 4 = 1,5 r =...

LUNGEFYSIOLOGI

Trinn 1 kurs 23/1-18

Magnus Qvarfort, Overlege

Lungemed avd, OUS-Ullevål

TAKE IN MESSAGE

Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon.

Respirasjonssvikt er et resultat av V/Q-forstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon.

Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.

ANBEFALT LITTERATUR

Respiratorbehandling av voksne (Opdahl)

Kompendium av Baard Ingvaldsen (utg 2008)

Lungesykdommer (Giæver, 3 utg)

Clinical Respiratory Medicine (Albert et al, 3rd ed)

Respirasjonsfysiologi (Fondenes)

Respiratory Physiology, The Essentials (West, 8ed)

Pulmonary Patophysiology (Lange, 2 ed)

INNHOLD

1) ANATOMI

2) OM TRYKK, ENHETER OG BEGREPER

3) FYSIOLOGI OG PATOFYSIOLOGI

4) ER DETTE NØDVENDIG Å VITE NOE OM?

1. LUNGER

Høyre lunge

- 3 lapper (10 segmenter)

Venstre lunge

- 2 lapper (9 segmenter)

1. LUFTVEIER

Bruskstøtte - forsvinner gradvis etter

4-6 delinger

Muskellager - i veggen ned til

respiratoriske alveoler

Slimkjertler – ned til respiratoriske

bronkioler

Bindevev (og bruskstøtten) bidrar til å

holde luftveier åpne under

ekspirasjonen

Gassveksling – skjer i alveolevegger i

respiratoriske bronkioler og alveoler

(17-23 delinger) i form av diffusjon

over alveoleepitel, interstitium og

kapillærendotel

1. MUSKLER

Inspirasjon – aktiv prosess

- Hovedmuskel = Diafragma

- Aksessorisk muskulatur

Ekspirasjon – passiv prosess

- Elastisk återfjæringskraft

Ekspirasjon – aktiv prosess

- Ved arbeid/sykdom

- Aksessorisk muskulatur

1. PLEURA

Pleura

- viscerale mot lunge

- parietale mot brystvegg

IPP normalt negativt

lite væskesjikt gir adhesjon

mellom pleurabladene

1. SIRKULASJON

Lille kretsløpet = lavtrykkssystem

Høyre ventrikkel lungearterier

lungevener venstre atrium

Store kretsløpet = høytrykkssystem

Venstre ventrikkel arterier vener

høyre atrium

Sirkulasjon: C.O. = SV x HF (ca 5l/min)

Respirajsjon: MV = TV x RF (ca 5l/min)

2. OM TRYKK OG ENHETER

HYDROSTATISK TRYKK BT, CVP

KOLLOIDOSMOTISK MOTTRYKK Relatert til S-albumin

GASSTRYKK (PARTIALTRYKK) PaO2, PaCO2,

SATURASJON SaO2, SpO2

TRANSMURALT TRYKK IPP

2. OM BEGREPER

ELASTISITET («återfjæringskraft»)

COMPLIANCE («evne til formendring» el «omvendt stivhet»)

VENTILASJONS-/PERFUSJONSFORSTYRRELSER

SHUNT

DØDROMSVENTILASJON / «DEADSPACE»

Kan illustreres ved: V/Q scintigrafi «V/Q mismatch»

HRCT (inspirasjons- og ekspirasjonsbilder) «Air-trapping»

2. Alveolegassligningen

Forteller oss om det foreligger

V/Q- forstyrrelser eller diffusjonsvansker…

Den forenklede alveoleluftligningen

PAO2 = 20 – 1,25 x PaCO2 A-a gradientens relasjon til alder: A-a gradient = 0,33 + 0,028 x alder Eller: Yngre (<60) <2 Eldre (>60) <3

2. Alveolegassligningen

Eksempel: 45 år gammel dame tidligere hjerte-lungefrisk

innlegges med akutt type II respirasjonssvikt

Blodgass (romluft): PaO2 6,8 og PaCO2 6,4

A-a gradient: 20-(1,25x6,4) – 6,8 = 5,2 (som er forhøyet ifht forventet <2)

Her foreligger både V/Q-forstyrrelser eller diffusjonsvansker og hypoventilasjon (intox eller utmattelse grunnet redusert lungecompliance og/eller økt luftveismotstand?)

Den forenklede alveoleluftligningen: PAO2 = 20 – 1,25 x PaCO2

3. LUNGEFYSIOLOGI

a) Ventilasjon - Respirasjonssenter

Nevromuskulær funksjon

Brystvegg/skjelett & fedme

Lungecompliance

Luftveismotstand

b) Gassveksling - Diffusjon

c) Blodomløp - Hjertets funksjon

Makro+mikrosirkulasjon

O2-transport & vevsoksygenering

3a. VENTILASJON

Reguleres etter metabolske krav: pH 7,35-7,45

PaCO2 4,7-6 kPa

PaO2 > 8 kPa

Hypoventilasjon = PaCO2 > 6kPa

Hyperventilasjon = PaCO2 < 4,7kPa

3a. pH

Bestemmes av frie [H+] i blod

CO2+ H2O H2CO3 H+ + HCO3-

PROTEIN – H H+ + PROTEIN-

NORMAL: pH 7,35-7,45 ALVORLIG ALKALOSE: pH > 7,6

ALVORLIG ACIDOSE: pH < 7,2 HJERTE: NEGATIV INOTROPI, ARYTMIER

Bikarbonatbuffertligningen

CO2 + H20 ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+

H+ + Prot- ↔ HProt

3a. ACIDOSE

RESPIRATORISK (økt PaCO2)

ALVEOLÆR HYPOVENTILASJON

METABOLSK (økt fritt H+)

LAKTACIDOSE trauma/kir,sepsis

KETOACIDOSE diabetes,sult

RENAL ACIDOSE nyresvikt

INTOX eksogene syrer

TAP AV BIKARBONAT diare,fistel,stomi

3a. ALKALOSE

RESPIRATORISK (redusert PaCO2)

ALVEOLÆR HYPERVENTILASJON

Panikk/angst; trauma, sepsis

METABOLSK (minsket fritt H+)

OVERKOMPENSERT RESPIRATORISK ACIDOSE

OPPKAST (TAP AV SALTSYRE)

DIURETIKA (HEMMER HCO3- ELIMINERING)

DIALYSE / LANGVARIG HEMOFILTRASJON

3a. PRODUKSJON AV CO2

Basalmetabolisme ca 250ml CO2 / min

Øker ved anstrengelse, stress, feber ++

Bikarbonatbehandling øker CO2 produksjon

Sjokk/iskjemi/stans gir høy lokal vevs-PCO2:

Høy PvCO2

Lav PaCO2 / ET PaCO2 (grunnet hyperventilering)

…og anaerob metabolisme ↑ Laktat

CO2 løst (PaCO2) og bundet (HbCO2, H2CO3)

CO2 + H2O H2CO3 HCO3

- + H+

3a. ELIMINERING AV CO2

Bohr-effekten beskytter mot hypoksemi i vev

Sur miljø med mye H+ og CO2 minsker Hb’s affinitet for O2

Haldan-effekten øker elimineringen av CO2 i lungene

Basisk miljø med høy O2 øker Hb’s affinitet for O2

CO2 diffunderer 20 ganger lettere enn O2

Alvolær ventilasjon vs produksjon avgjør PaCO2

Alveolær hypoventilasjon = PaCO2 > 6kPa

3a. OKSYGENBEHOV

SaO2 85-90% ved: Normal Tp

Hb > 8 g/dl

Normal CO

Normal laktat

SaO2 > 92% ved: Høy feber

Hjertesykdom

SaO2 > 96% ved: Kritisk sykdom

Høy laktat - organiskjemi

BTS Guidelines Oxygen Therapy, 2017: - KOLS 88-92% - Andre 94-98%

Oxygen Alert Card

3a. RESPIRASJONSSENTER

Nevrongrupper i: Forlengede marg (medulla oblongata)

Hjernebroen (pons) – «rytmesenter»

Sentrale kjemoreseptorer

Hjernestammen

Acidose i CSF stimulerer

Hyperkapni

Hypoksemi Laktat

Hypoksemi «sløver» ellers CNS

3a. RESPIRASJONSSENTER

Perifere kjemoreseptorer

Carotid- (og aorta)legemer

Hyperkapni og hypoksemi stimulerer

Primary motor cortex corollary discharge Limbic motor corollary discharge Medullary respiratory corollary discharge

Medullary chemoreceptors Carotid and aortic bodies

Chest wall joint and skin receptors

Airway C-fibers Pulmonary C-fibers (J-receptors) Slowly adapting pulmonary stretch receptors Rapidly adapting pulmonary stretch receptors Vascular receptors (heart and lung)

Trigeminal skin receptors Upper airway «flow» receptors

Metaboreceptors in respiratory pump muscles Tendon organs in respiratory pump muscles Muscle spindles in respiratory pump muscles

3a. «DYSPNE» multifaktorielt

3a.INTRATHORACALE TRYKK

Lungens elastisitet trekker lungen sammen

Thoraxveggens elastisitet ekspanderer thorax

Ekspirasjon til likevekt (=FRC)

Intrapleuralt trykk (IPP) holdes negativt

gjennom hele respirasjonssyklus (< -5kPa)

Tilsikter utspente lunger og åpne luftveier

3a. POISEUILLES LOV

R 1/(0,9)4 = 1,5

r = 0,24

R 1/(0,24)4 = 300

bronko -

konstr. r = 0,9

3a. VENTILASJON

INSPIRASJON

Diafragmakuplene senkes (innerv. av C3-C5)

Intercostal muskulatur ekspanderer thorax

Negativt intrathoracalt trykk trekker inn luft

EKSPIRASJON

Diafragmakuplene heves (relakserer)

Aksessorisk inspirasjonsmuskulatur relakserer

Økt intrathoracalt trykk presser ut luft

3a. VENTILASJON

SPONTAN (UNDERTRYKKS)VENTILASJON

Alveoler apikalt er størst ved FRC

Størst ekspansjon av små alveoler basalt

Skaper størst undertrykk og ventileres dermed best

KONTROLLERT OVERTRYKKSVENTILASJON

Apikale deler har høyest compliance

Apikale lungeavsnitt blir ventilert mest

Gir mer eller mindre dødromsventilasjon og shunt

Risiko for atelektaser (spesielt ved mye slim, økt buktrykk, lav

PEEP, hyperinflasjon og høy FiO2)

3a. DØDROMSVENTILASJON & SHUNT

SHUNT DØDROMSVENTILASJON

3a. DØDROMSVENT. & SHUNT - kroppens kompensasjon

VASOKONSTRIKSJON BRONKKONSTRIKSJON

3a. DØDROMSVENTILASJON

Tilstander med dødromsventilasjon

«Luft som ikke kommer i kontakt med blod»

Emfysem

Mindre diffusjonsareal og tapte kapillærer

Hypovolemi (apikale lungeavsnitt)

Mindre mengde sirkulerende blodvolum

Lungeembolisme

Andre tilstander med V>Q

Dødrom estimeres utfra ET CO2 og PaCO2

Lav ET CO2 sml med PaCO2 = stort dødrom

3a. iPEEP

= INTRINSIC PEEP / AUTO-PEEP

Def. ende-ekspiratorisk luftveistrykk > 1ATM

«Airtrapping» grunnet tidlig lukning av luftveier Obstruktive lungesykdommer (astma, KOLS)

iPEEP må oppheves før inspirasjon kan starte Økt respirasjonsarbeid fra høy FRC

Negative konsekvenser for hjerte og ventilasjon Økt inspiratorisk arbeid utmattelse

Hyperinflasjon Økt dødromsventilasjon PaO2 ↓ PaCO2 ↑

Negativt intrathoracalt trykk økt preload og afterload

iPEEP kan reduseres med PEEP / CPAP / EPAP

PEEP

V

C ePEEPi

TTE

RE C

1

1

3a. DIFFUSJONSKAPASITET

DLCO

= diffusjonskapasitet for CO

Avhenger av:

- Mengde blod gjennom lungene

- Overflate areal for diffusjon

- Barriere tykkelse og integritet

3a. VENTILASJONSSVIKT

Medikamenter

Opiater, benzodiazepiner

Utmattelse

Lav compliance «stive lunger»

Lungeødem

Atelektaser/Pneumoni

Lungefibrose

Økt luftveismotstand

Slim/Slimhinneødem

Bronkospasme

Redusert nevromuskulær funksjon

Muskulær svekkelse/sykdom, elektrolyttforstyrrelse

3b. DIFFUSJON

PAO2…

Barometertrykk ved havnivå = 101,3 kPa

FiO2 i romluft = 0,21

Fukting (pH2O) = 6,3 kPa

PaCO2 (= PACO2) = 5,3 kPa

PAO2 ≈ 0,21(101,3-6,3) - 5,3/0,8 ≈ 13,3 kPa

PaO2 = PAO2 – (0,33 + 0,028 x alder)

Alveolegassligningen: PAO2 ≈ FiO2 (PATM-pH2O)-PaCO2/RER

3b. FiO2 og PaO2

Alveolegassligningen: PAO2 = FiO2 (PATM-pH2O)-PaCO2/RER

Hva hvis vi teoretisk øker FiO2 til 40%? (PaCO2 = 4kPa) - PAO2 = 0,4 x (101,3-6,3) - 4/0,8=33kPa

Men..økende FiO2 gir økende fysiologisk shunting da luftveier med lavest V/Q kollaberer lavere PaO2

- Quick and dirty - 1. FiO2 x 66 0,4 x 66 = 26,4kPa

- 2. FiO2% x 6/7,5 – PaCO2 = 32 – 5 = 27kPa Økende høyde over bakken gir økende fall i PATM, PAO2 og PaO2

- Tommelfingerregel 10% per 1000m

3c. O2 dissosiasjonskurven

PaO2 13,3 – 8 kPa SaO2 97,5 – 91%

PaO2 8 – 5 kPa SaO2 91 – 71%

Påvirker ():

CO2

Acid

2,3-DPG

Exercise

Tp

3b. HEMOGLOBIN - Hemoglobin har 4 bindningssteder for O2 til Fe-ioner

- Oksygen bundet til Hb : 200ml/l (1 liter/min)

- Oksygen fysiologisk løst : 3ml/l (15 ml/min)

- > 5g/dl deoxy(genert)-Hb cyanose

- Anemi Redusert D(elivered)O2

Redusert viskositet og afterload C.O.↑

PaO2 avh av: FiO2, ventilasjon, diffusjon (V/Q)

SaO2 avh av: PaO2, dissosiasjonskurven, Hb struktur

DO2 = HF x SV x ((Hb x 1,39 x SaO2) + (PaO2 x 0,003))

3c. VEVSOKSYGENERING

Behov varierer fra organ til organ: Basale behov (for overlevelse)

Behov for spesialiserte funksjoner

Hjerte og hjerne >> hud og nyrer

Feber

Metabolisme øker 10-13% / grad C

Nedkjøling reduserer metabolismen

Medikamenter

Anestesimiddler, Opiater (-)

Adrenerga, Levaxin (+)

3c. AEROB METABOLISME

Glucose 38 ATP + H2O + CO2

Mitokondrien er cellens aerobe fabrikk

Sitronsyresykkel: ATP + CO2

Elektrontransport

Respirasjonskvosient:

RQ = Produsert CO2/ Forbrukt O2

3c. ANAEROB METABOLISME

Glucose 2 ATP + Laktat + Elektroner

Laktat metaboliseres i lever > nyrer, hjerte

Vilkårlig grense for anaerob metabolisme:

PicO2 < 0,15-0,4 kPa

PvcO2 < 2,7 kPa

3c. OKSYGENTOKSISITET

Respirasjonskjeden/elektrontransport O2 tar opp 4 elektroner og danner ROI + H2O

O2- (superoksid)

H2O2 (hydrogenperoksyd)

OH- (hydroksyl radikal)

Forsvar Enzymer (superoksyd dismutase, katalase)

ROI-Scavengers (antioksydanter)

Skademekanismer Reperfusjonsskader

Oksydativ stress ved HBO og v/høy FiO2 over lang tid?

3c. ØDEM

Ødem = Transudat/Eksudat > Lymfetransport

Hydrostatisk trykk (BT) Hjertesvikt

Kolloidosmotisk trykk (Albumin) Hypoalbuminemi øker tendens til ødem

Karpermeabilitet Betennelse ødem

Anafylaksi, trauma, brannskader

Infeksjoner, reperfusjonsødem, ARDS

3c. MIKROSIRKULASJON

Q = P/R

Q = Blodstrøm

P = Perfusjonstrykk / Drivtrykk BT - venetrykk

R = Motstand Kardimensjon

Vevs/transmuralt trykk

Viskositet Erytrocytter og proteiner

3b. BLODOMLØP

Klaffeløst lavtrykkssystem PAP = 25/10 mm Hg (middeltrykk ca 15)

Perfusjon av lungeavsnitt er avhengig av: Lungearterietrykket

R = (MPAP-PCWP)/CO

Venstre atrietrykk Blodvolum, ve ventrikkel compliance & funksjon, mitralklaffefunksjon

Høyde i forhold til hjertet (gravitasjon)

Rask oksygenering i lungekapillærer 140ml blod passerer over 70-90m2

3b. PULMONAL HYPERTENSJON

NORMALE LUNGEKAR

Økt blodvolum karmotstanden synker

PULMONAL HYPERTENSJON

Økt blodvolum karmotstand øker

Dyspne og hypoksemi ved anstrengelse

økt høyre ventrikkel belastning

Høyre ventrikkel dilatasjon/hypertrofi HV svikt

3b. SHUNT

ANATOMISK SHUNT F eks intrakardiale shunter

ALVEOLÆR SHUNT «Lungeshunt»

”EKTE” SHUNT

Atelektase, ARDS

V=0 V/Q = 0 Lav PaO2

Liten effekt av økt FiO2 (lav PaO2/FiO2)

PARTIELL SHUNT

Bronkospasme, slim

V<1 V/Q< 1 Lav PaO2

Effekt av økt FiO2

Qs/Qt = (ScO2-SaO2)/(ScO2-SvO2)

4. ORGANSVIKT

Organsvikt = forstyrret spesial funksjon

Mekanismer DIC: Aktivert koagulasjon iskjemi

Anoxi: Hypoksemi, hypoperfusjon

Toksisitet: Myoglobin, Ab, Kontrast, ROI

4. RESPIRASJONSSVIKT

EKSTERNE ÅRSAKER

Intoksikasjon

Trauma Lungekontusjon

Pneumothorax / hemothorax

Ustabil thorax / trauma

INTERNE ÅRSAKER

Pneumoni / sekretstagnasjon / atelektaser

Obstruktiv lungesykdom

Lungeembolisme

ARDS ++

4. «LUNGEØDEM»

Interstitium Lymfekar har kapasitet 6ggr normal nettofiltrasjon

Interstitielt ødem Hydrostatisk trykk, kolloidosmotisk trykk, karpermeabilitet

Kan gi obstruksjon av bronkioler ”Astma cardiale”

Lungeødem Sekundært til interstitielt ødem

Venstresidig hjertesvikt økt trykk post-kapillært

ødem i interstitium og i alveoler

4. ARDS

ÅRSAK DAD sek til trauma/kirurgi, infeksjon/sepsis m.m.

PATOFYSIOLOGI Økt karpermeabilitet lavtrykksødem

Shunt forbi væskefylte alveoler hypoksemi

BERLIN DEFINISJON (-12) Akutt debut <1uke

Bilaterale diffuse lungefortetninger

Ingen kardial svikt eller overhydrering

Vesentlig shuntstørrelse (mild-moderat-alvorlig) PaO2 / FiO2 < 40 kPa med PEEP ≥5 cm H2O

4. LUNGEEMBOLISME

Embolier i karseng

Dødromsventilasjon +

Inflammasjon + komp luftveiskonstriksjon shunt

Tette lungearterier og vasospasme PHT

Konsekvenser

Belastning på høyre ventrikkel (TpT, pro-BNP)

Arytmi, iskjemi, akutt hjertesvikt, død

Redusert forsyning til venstre ventrikkel

Hypotensjon og takykardi

Hyperventilasjon grunnet hypoksemi Lav PaCO2

4. PNEUMONI

PUSS/SLIM, ØDEM (Partiell) shunt redusert PaO2 (hypoksemi)

SENKER COMPLIANCE Øker muskelarbeid

Utmattelse økt PaCO2

KOMPLIKASJONER Lokale: Abscess, Empyem

Systemiske: Sepsis, DIC, ARDS

4. KOLS

KRONISK (OBSTRUKTIV) BRONKITT

Produktiv hoste og kronisk variabel luftveisobstruksjon

EMFYSEM

Air-trapping (↑RV), iPEEP og hyperinflasjon (↑FRC)

Økt dødromsventilasjon takypne, økt pustearbeid

KOLS eksaserbasjon Obstruksjon ↑dødromsventilasjon

Air-trapping, iPEEP og hyperinflasjon ↑pustearbeid

Pneumoni, slim & atelektaser shunt, ↓lungecompl

4. ASTMA

ØKT LUFTVEISMOTSTAND

Bronkospasme

Slimhinneødem

Slim

Astma eksaserbasjon Slim partiell shunt (V<Q) hypoksemi

Økt obstruksjon hyperinflasjon dødromsventilasjon økt pustearbeid

Pneumoni & atelektaser shunt og ↓lungecompliance

4. OKSYGENBEHANDLING + NIV

O2

Viktig å motvirke skadelige effekter av hypoksemi

Nesekateter, OxyMask, maske m/reservoar, HFNOT

CPAP (henviser til egen forelesning i dette tema…)

O2 resistent hypoksemi

iPEEP (astma, KOLS)

BiPAP CPAP + Ventilasjonsstøtte

Indikasjoner: KOLS med akutt hyperkapnisk respirasjonssvikt

Reduserer behov for intubasjon og komplikasjoner, korter ned sykehusopphold og øker overlevelse (Cochrane Collaboration 2009)

Truende respiratorisk utmattelse (vurder intubasjon)

Alternativ til CPAP ved dårlig toleranse (for CPAP)

TAKE HOME MESSAGE

Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon.

Respirasjonssvikt er et resultat av V/Q- forstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon.

Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.