Cardiopulmonary physiology and pathology 1

Cardiopulmonary physiology and pathology

เรยบเรยงโดย พ.ญ.อนาลยา กอสกล อาจารยทปรกษา อ.นพ.ดษฎ มศร

สงมชวตทงสตวเซลลเดยวหรอหลายเซลล มความตองการพนฐานอย 3 คอ

1. Extract energy การนำพลงงานมาใช 2. Replication ขยายเผาพนธ 3. Adapt to external environment การปรบตวตอสงแวดลอมภายนอก

Extract energy ATP เปนพลงงานทเซลลของสงมชวตสรางออกมาเพอนำมาใชงานในกระบวนการตางๆ ATP สรางมาจาก Glucose และ

Oxygen ผานกระบวนการ Oxidative Phosphorylation ไดผลผลตเปน 36 ATP ถาไมม Oxygen จะเกดกระบวนการ Anaerobic glycolysis ซงจะได 2 ATP Cardiovascular system เปนระบบทนำสารตงตนไปสเซลลตางๆ ทวรางกายเพอสรางพลงงาน เพอใหสงมชวตดำรงอยได

Cardiovascular system

Oxygen จะไปถงเซลลได ตองประกอบไปดวยกระบวนการดงน 1. Gas exchange เลอดดำตองมารบ O2 ท alveoli, gas exchange ตองดเพอรบ O2 ถา gas exchange ไมด กรบ

O2 ไดไมด 2. Hemoglobin O2 ตองละลายเขาไปในเลอดได ถา Hb concentration ตำ ตวพา O2 นอย O2 ไปสเซลลไมพอ 3. Cardiac output เปน pumping ถาหวใจสบฉดไมดพอ O2 กไปไมถงเซลล 4. Cellular metabolism ถาเซลลไมรบ O2 กเอาไปใชเปนพลงงานไมได อะไรกตามทไปขดขวางการ metabolize

ของเซลลกจะทำใหเซลลขาด O2 ตวอยาง เชน cyanide poisoning

Cardiopulmonary physiology and pathology 2

The Three P’s ถาคนไข shock คอจะตองมความผดปกตอนใดอนหนงใน 3 P น

1. Perfusate ปรมาตร volume – hypovolemic shock 2. Pump หวใจ – cardiogenic shock 3. Pipe ทอ หมายถง vascular system – septic shock, neurogenic shock

Basic Cardiac Physiology

- Heart : Pump - Artery : High pressure, Low volume, High resistance, Low compliance - Vein : Low pressure, High volume, Low resistance, High compliance

หลอดเลอดหวใจ Coronary artery

2 main coronary arteries 1. The right coronary artery supplies - Right ventricle - SA node, AV node - left ventricle (inferior & posterior wall) 2. Left main coronary artery (LMCA) supplies - Left circumflex coronary artery - Left anterior descending coronary artery - conducting system ทตำกวา AV-node - Interventricular septum - Left ventricle (anterior& lateral wall)

Cardiopulmonary physiology and pathology 3

Cardiac output ปรมาตรเลอดสงออกจากหวใจตอนาท (Cardiac output) คอปรมาตรของเลอดทถกสบฉดออกจากหวใจหองลาง

ซายหรอหองลางขวาในระยะเวลาหนงนาท

Cardiac output = heart rate (HR) x stroke volume (SV) SV - ปรมาตรเลอดทถกสบฉดออกจากหวใจในการบบตวหนงครง คาปกต 5 – 6 L/min โดยปจจยทม Cardiac output ผลตอ stroke volume คอ preload, afterload,

myocardial contractility, heart rate Coronary circulation

Coronary artery ออกจาก ascending aorta โดยมการไหลของเลอดในหลอดเลอดหวใจ (coronary flow) ขณะพกอยท 70-80 ml/min ตอ 100 g ของ cardiac tissue โดยขณะออกกำลงกาย สามารถเพมขนไดประมาณ 5 เทา Systolic แรงดนโลหตขณะทหวใจบบตว สวน Diastolic แรงดนโลหตขณะทหวใจคลายตว โดย diastolic เปนตวสบฉดของหวใจ (perfuse heart) เชนในคนท BP 80/50 มการสบฉดของหวใจดกวา 90/40 ดงนนคนไข shock เราตองด diastolic ดวย เพอลดความเสยงของการเกด acute myocardial infarction

เวลาเราดคนไข ตองสนใจ mean arterial blood pressure ไมใชดแคคา systolic หรอ diastolic

MAP = DBP + [1/3(SBP - DBP)] Recognition of shock state

MAP = CO x SVR MAP = SV x HR x SVR

เมอเกดภาวะ shock หรอ mean arterial pressure (MAP) ตำ จะเกดจาก stroke volume (SV) หรอ systemic

venous resistance (SVR) ลดลง จากนนรางกายมการปรบตวโดยการเพม heart rate (HR), tachycardia เพอทำให cardiac output ใหไดเทาเดม

เมอ tachycardia ไมสามารถทำให cardiac output คงท เมอ cardiac output ลดลง รางกายจะมการปรบตวอยางตอมาคอเกด vasoconstriction ทำให diastolic blood pressure สงขน, pulse pressure แคบลง (pulse pressure = systolic blood pressure (SBP) - diastolic blood pressure (DBP)) หลงจากนนถายงควบคมภาวะ shock ไมไดรางกายจะปรบตวโดยการนำเลอดไปเลยงอวยวะสวนทสำคญกอนอวยวะอนๆ เชน สมอง,ไต ดงนนอวยวะทมความสำคญนอยจะมเลอดไปเลยงนอยลง เกดภาวะ end organ hypoperfusion สดทายเมอรางกายไมสามารถควบคมระดบความดนในเลอดไดกจะเกดภาวะ hypotension

ดงนนการจะตรวจสอบวาผปวยมภาวะ shock หรอไมโดยการตรวจหาภาวะความดนโลหตตำ อาจจะชาเกนไป จงควรตรวจสอบโดยการคนหาจากภาวะ end organ hypoperfusion, pulse pressure ทแคบลง หรอจาก tachycardia โดยภาวะ tachycardia เปนอยางแรกทเราจะพบได

Cardiopulmonary physiology and pathology 4

Blood pressure เกดจากเลอดไหลออกจากหวใจ เขาไปในหลอดเลอด ประกอบดวย Systole : stroke volume ทออกจากหวใจจะไปขยายให proximal aorta ขยายตวขน เกดเปน systolic blood

pressure , สวน Systolic blood pressure จะสงหรอตำ ขนอยกบ stroke volume และ compliance ของ aorta ถา stroke volume ปกต, compliance ของ aorta ปกตคา SPB จะเทากบ 120 mmHg

ถา SBP สง แสดงวาเกดจาก vascular compliance ไมด พบไดในผปวยความดนโลหตสง เสนเลอดแขงตวขน ถา SBP ตำ เกด จาก Stroke volume นอย

Diastole : หลอดเลอด aorta ทขยายตวไดหดกลบลงมา เลอดทคางใน proximal aorta ถกบบลงมา ใหไหลไปส peripheral tissue เกดเปน diastolic pressure เพราะฉะนน สงทจะบงบอกวา DBP จะสงหรอตำคอแรงตานทานหลอดเลอดสวนปลาย (systemic vascular resistance)

Mean Arterial Pressure = Diastolic Pressure + (1/3× Pulse Pressure) Pulse Pressure = Systolic Pressure – Diastolic Pressure

ดงนน เมอ Pulse pressure แคบ หมายถง stroke volume ตำ หรอ systemic vascular resistance สง และ

เมอ pulse pressure กวางแสดงวา stroke volume สง หรอ systemic vascular resistance ตำ Flow

กฎของโอหม 𝐹𝑙𝑜𝑤 (𝑄) = (𝑃𝑖 – 𝑃𝑜)/𝑅

𝐶𝑂 = 𝑀𝐴𝑃 – (𝑃𝑅𝐴/𝑆𝑉𝑅)

𝑀𝐴𝑃 = 𝐶𝑂 × 𝑆𝑉𝑅

คาปกตของ MAP ประมาณ 90-100 mmHg คาความดนของ Right atrium (PRA) มคานอยมากเมอเทยบ กบคา MAP จงประมาณไดเปน 0 จากสมการ

Cardiopulmonary physiology and pathology 5

CO = SV x HR SV = EDV - ESV MAP = CO x SVR

= SV x HR x SVR = (EDV – ESV) x HR x SVR

= EDV x (EDV – ESV)/EDV x HR x SVR

จากสมการจะพบวา คา MAP จะเปลยนแปลงตามปจจย 4 อยางคอ

- EDV คอ Preload - (EDV – ESV)/EDV คอ Ejection fraction ซงเปนตวทบอกถง Contractility - HR คอ Rhythm จงหวะการเตนหวใจ ถาเรวหรอชาไปจะมผลทำให mean arterial pressure เปลยนแปลง - SVR คอ Afterload

Preload

Preload คอ ปรมาตรของเลอดกอนทจะสบฉดออกจากหวใจ คา Preload จะดหรอไม ขนอยกบวาเลอดไหลกลบเขาสหวใจมากนอยเทาไหร ดงนน Venous return จงเปนตวทกำหนด Preload ของหวใจ Venous return (VR) อตราการไหลของเลอดกลบสหวใจ

- CO must equal to VR : Cardiac output ตองเทากบ Venous return เสมอ ถา VR มาก CO มากตาม เลอดจะไมไปตกคางทไหน ถา VR มาก CO นอย เลอดตกคางทปอด

- Right atrial pressure คอ คาความดนปลายทางทสามารถรบ VR เขามาได (outflow pressure of VR) ถา PRA สง VR จะตำ, ถา PRA ตำ VR จะสง

- Mean systemic pressure คอความดนททำใหเลอดไหลกลบเขาสหวใจ RA โดย Mean systemic pressure ขนอยกบปจจย 4 อยาง ไดแก 1. Vascular compliance 2. Stressed volume 3. Resistance to venous return 4. Blood flow distribution

Cardiopulmonary physiology and pathology 6

Vascular compliance (Cv) คอสวนทสามารถรองรบปรมาตรทมการเคลอนไหวได หวใจจะปมเลอดออกมาไดตองมสวนทสามารถรองรบเลอด

(compliance vessel) นนกคอ เสนเลอด vein โดยความดนทเกดขนเรยกวา Mean systemic pressure Mean systemic pressure

เมอหวใจหยดเตน arterial pressure จะลดลง เลอดจะเทเขาไปในเสนเลอด vein ทำให venous pressure จะสงขนเลกนอย จนถงจดๆ หนงทความดนทงระบบเลอดทง artery, vein, และ heart chamberมคาเทากน ความดนนนๆ เรยกวา Mean systemic pressure ซงกคอความดนเฉลยของทง artery และ vein เมอหวใจหยดเตน Stress volume (Vs)

คอ ปรมาตรทกอใหเกดความดน (Mean systemic pressure) จากสมการ Compliance = Volume / Pressure

Cv = Vs / Pms Pms = Vs / Cv

เพราะฉะนน Pms จะมากหรอนอยขนอยกบ Vs , Cv Vs คอ volume ทเตมเขาไปในรางกาย Cv คอ แสดงวาหลอดเลอดหดตวไดดมากนอยแคไหน

Resistance to venous return (Rv)

Flow (Q) = Pi – Po / R VR = (Pms - PRA ) / RV VRmax = (Pms - 0 ) / Rv

= (Vs / Cv ) / Rv = Vs / ( Cv x Rv)

ดงนน VR ขนกบ Vs (intravascular volume), venous time constant (Cv x Rv ) Cv x Rv = time constant (ของไหลทไหลผานsegmentนนๆ จะผานเรวหรอชา)

- time constant สง แปลวา Cv สง (มvasodilate) x resistance สง ดงนนของไหลผานไดชา หรอทเรยกวา slow time constant

- time constant ตำ แปลวา Cv ตำ (ม vasoconstrict) x resistance ตำ ดงนนของไหลผานไดเรว หรอทเรยกวา fast time constant จากสมการ VR = Vs / ( Cv x Rv) จงสรป venous return ขนกบ Stroke volume (Vs) ซงกคอ intravascular

volume, ถา intravascular volume มากทำให VR มาก ถา intravascular volume นอยทำให VR นอย และขนกบ venous time constant (Cv x Rv ) ถาvenous time constant สง - ม vasodilate ทำให VR นอย และถา venous time constant ตำ – ม vasodilate ทำให VR นอย

Cardiopulmonary physiology and pathology 7

Regulation of Mean systemic pressure คาทกำหนด mean systemic pressure มหลายตวแปรดงทกลาวมา ในภาวะชอกเราตองการเพมคา mean

systemic pressure เพอทำใหcardiac output สงขน การเปลยนแปลงของกราฟนจงเปนไปได 3 แบบ คอ แกน x คอ pressure (mean systemic pressure) แกน y คอ volume (stress volume) V0 คอ unstressed volume คอ volume ทมอยในรางกายทไมกอใหเกด pressure จนถงระดบนงจนเกด pressure ขนมาได ปรมาตรนนเรยกวา stress volume และ pressure ทเกดจาก stress volume คอ mean systemic pressure

1. เนองจากเราตองการเพม mean systemic pressure การจะทำใหกราฟเลอนไปทางแกน Y มากขน คอการเพม volume เมอ stress volume เพม mean systemic pressure จะเพมตาม

2. ทำให unstressed volume ลดลง กราฟจะเลอนไปทางขวา วธทจะลด unstress volume ลดลงคอการทาทา Trendelenburg position ในสมยกอนจะทำกนในคนไขทมภาวะ shock เปนการทาใหเลอดใน peripheral เขามาใน central venous system ทำใหลด unstress volume เพราะฉะนน total volume ไมเปลยนแปลงแต unstressed volume ลดลง

3. เปลยน slope ของกราฟ slope คอ compliance เมอ compliance ลดลง mean systemic pressure จะเพมขน การทำให compliance ลดลง กคอการทำใหเกด vasoconstriction

Blood flow distribution

คอ การกระจายของ blood flow วาไปเลยงอวยวะไหนมากนอยเทาไหร , เมอเกดภาวะชอก รางกายจะปรบตวใหเลอดไปเลยงในอวยวะทสำคญ อวยวะทไมสำคญ เลอดกจะไปเลยงนอย normal blood flow ม fraction 1 และ 2 แยกกน, F1 ม organ ทม compliance ตำ รองรบปรมาณเลอด ไดนอย และเลอดกไหลผานไดเรว เปน fast time constant อยตรง visceral organ สวน F2 ม organ ทม compliance สง รองรบปรมาณเลอดไดมาก เลอดไหลผานไดชา เปน slow time constant สวนใหญคอ venous ทอยตรงบรเวณ skin

Cardiopulmonary physiology and pathology 8

ในภาวะปกตทมเลอดไหลผานเทาๆกน, F1 มเลอดไหลกลบมามาก, F2 กลบมานอย ไดเปน normal venous return, เมอมการ shift เลอดไหลผานสวนทเปน slow time constant เยอะ (slow fraction) เลอดจะไปกองทสวนทม compliance สงไดเยอะ เลอดกจะไหลกลบมาไดนอย venous return จงลดลง

ในทางกลบกน ถาเลอดไปในสวนของ fast time constant มากขน, เลอดไป organ ทม compliance ตำ คางอยไดไมนาน ไหลกลบมาเปน venous return, venous return จงเพมขน Regulation of venous return

mean systemic pressure มผลกบ venous return เนองจาก Pms เปนแรงดนตนทางทจะทำใหเลอดกลบเขาสหวใจ เปน venous return จากกราฟ แกน x คอ right atrium pressure แกน y คอ venous return หรอกคอ cardiac output คา mean systemic pressure ของคนปกตมคาประมาณ 8 mmHg ถา right atrium pressure มคาเทากนคอ 8 mmHg กจะไมเกดการไหล ไมม pressure gradient, venous return = 0 เมอ Pra มคาเทากบ 0, VR(CO) 6 L/min ซงเปนคาปกต ดงนน ถาตองการจะเพม VR ใหมากขน ตองเพม Pms, ถา Pms ลดลง คา VR (CO) จะลดลงตามมา

Cardiopulmonary physiology and pathology 9

Left ventricular performance

เมอหวใจบบตวไดดขน (Improved systolic function), curve ของ cardiac function จะ shift ขนบน, เมอหวใจบบตวนอยลง (Diminished systolic function), curve ของ cardiac function จะ shift ลงลาง, ถากราฟ shift ไปทางดานขวาแปลวาม diastolic dysfunction ซงกคอไมสามารถรองรบเลอดได Classification of Shock

• Hypovolemic shock - Hemorrhagic, non-hemorrhagic

• Cardiogenic shock - Myocardial failure, Valve failure, Conduction, Tamponade

• Distributive shock - Sepsis, SIRS, Adrenal insufficiency, Anaphylaxis

• Obstructive shock - Tamponade, increase intrathoracic pressure, IVC obstruction, pulmonary embolism

• Neurogenic shock - Anatomic induced

• Miscellaneous - Toxin, metabolic

• Mixed

Cardiopulmonary physiology and pathology 10

Hypovolemic shock

ในคนไขทม hypovolemic shock เมอภาวะ hypovolemia, stress volume ลดลง, mean systemic pressure ลดลง, venous return ลดลง, cardiac output ลดลง

เมอรางกายมการ compensate โดยการกระตน endogenous catecholamine ทำให heart rate สงขน, ม vasoconstriction แต cardiac output เพมขนไดไมมาก การรกษาผปวยในภาวะ hypovolemic shock จงตองให volume ทเพยงพอ เพอเพม stress volume, เพม mean systemic pressure

สรป ในภาวะ hypovolemic shock จะมคา cardiac output ลดลง, right atrial pressure ลดลง, pulmonary capillary wedge pressure ลดลง, SVR สง Cardiogenic shock

เกดจากม cardiac decompensation, เมอหวใจบบตวไมได จงมเลอดคางในหวใจ ทำให right atrium pressure สงขน venous return สงขน แต cardiac output ไมเพมมาก การรกษาม 2 วธ

1. Dopamine มผลทำใหหวใจบบตวดขน และมผล vasoconstriction, cardiac output จงสงขน แตจะมคา right atrium pressure สงดวย โอกาสเกด pulmonary edema จะสงขน

2. Dobutamine มผลทำใหหวใจบบตวดขน สวนผลตอ venous return มผล vasodilatation ทำใหลด resistance ตอ venous return ดงนนคา right atrium pressure จะนอยกวาการให dopamine ทำใหเกด pulmonary edema นอยกวา

Cardiopulmonary physiology and pathology 11

Septic shock

เกดจาก relative hypovolemia, microvascular leakage, myocardial suppression เมอม microvascular leakage, afterload จงลดลง หวใจจงบบตวไดดขน แตเนองจากม relative hypovolemia ดวยจงมvenous return ลดลง cardiac output ลดลง เมอมการ resuscitate อยางเพยงพอ venous return จะสงขน cardiac output สงขนได แตถาปลอย ใหเกด late septic shock จะเกด myocardial suppression

สรปใน early septic shock จะมคา right atrial pressure ไมเปลยนแปลง, cardiac output สงขน, pulmonary capillary wedge pressure ลดลง, SVR ลดลง late septic shock จะมคา right atrial pressure สง, cardiac output ลดลง, pulmonary capillary wedge pressure สง, SVR สง Obstructive shock

เชน tension pneumothorax, ม intrathoracic pressure สง, right atrium pressure จงสงขนมาก, venous

return ลดลง cardiac output ตำ การให inotropes หรอ volume infusion กไมสามารถเพม cardiac output ได การรกษาตองลด intrathoracic pressure ใหอยในภาวะปกต ในภาวะ obstructive shock จะมคา cardiac output ลดลง, right atrial pressure สง, pulmonary capillary wedge pressure ตำหรอสง , SVR สง

Cardiopulmonary physiology and pathology 12

Neurogenic shock

เกดจากม vasodilatation เลอดจะไปกองอยท peripheral vessel ทำให mean systemic pressure ลดลง venous return ลดลง cardiac output ตำ, ถาม spinal injury เหนอตอระดบ T4 จะม cardiac suppression หวใจจะทำงานนอยลง cardiac output ลดลง การให Dopamine สามารถเพม cardiac output ได จะมคา cardiac output ตำ, right atrial pressure ตำ, pulmonary capillary wedge pressure ตำ, SVR ตำ ระบบทางเดนหายใจ

การหายใจ คอ กระบวนการทรางกายเอาออกซเจนเขามานำไปใช และเอาคารบอนไดออกไซทเปนของเสยออกไป โดยเกดขนสองระดบ

- การหายใจภายนอก (External respiration) เปนการนำออกซเจนจากอากาศเขาไปในปอด จากปอดเขาไปในเลอด และจากเลอดสงไปทเนอเยอ ประกอบดวย 3 ชนตอน 1. Ventilation 2. Diffusion 3. Transportation

- การหายใจภายใน (Internal respiration) เปนการหายใจระดบเซลล (Cellular respiration) เปนการ แลกเปลยนกาซระหวางเซลล และสารนำทอยรอบๆ เซลล

โครงสรางของอวยวะทเกยวกบทางเดนหายใจ

1. ทอทางเดนหายใจ 1.1 Conducting zone

เรมจาก trachea มาสนสดท terminal bronchiole ทำหนาทเปนทางผานของอากาศ ชวยใหอากาศทหายใจเขาไปอนและชน และยงทำหนาทเปนตวกรองสงแปลกปลอมทปนมากบอากาศในขณะทหายใจเขา เนองจากสวนนไมมการแลกเปลยนอากาศ จงเรยกวา anatomical dead space (150 ml)

1.2 Respiratory zone เรมจากrespiratory bronchiole ซงมเยอบผวบางๆ แตกแขนงเปน alveolar ducts และประกอบไปดวยถงลมเลกๆ เรยกวา alveoli ทผนงของ alveoli จะมหลอดเลอดฝอยกระจายอยเพอทำหนาทแลกเปลยนกาซ

Cardiopulmonary physiology and pathology 13

โดยสวนทมการแลกเปลยนกาซคอ respiratory membrane ซงประกอบดวย alveolar กบ capillary walls โดย alveolar wall ประกอบดวยเซลลชนเดยวคอ type I epithelial cells แลกเปลยนโดย simple diffusion สวน type II สราง surfactant เพอลด surface tension ไมให alveoli collapse

Cardiopulmonary physiology and pathology 14

2. ปอด เปนอวยวะภายในชองอกทปดทบ มกระดกซโครงเปนโครงเสรมใหความแขงแรง เนอเยอปอดประกอบดวยแขนง

ของหลอดลมมากมาย ทปลายของแขนงจะเปนเยอบาง ลกษณะเปนกระเปาะ คอ ถงลม ซงมทงหมดประมาณ 300 ลานหนวย ทำใหม diffusing area รวมประมาณ 80 ถง 90 ตารางเมตร

ปอดมเลอดมาเลยงดวยระบบหลอดเลอดแดง ซงแยกเปนอสระเรยก pulmonary circulation นอกจากนยงมแขนงของ bronchial arteries ซงแยกจาก descending aorta ของ systemic circulation มาเลยงสวน conducting airways สำหรบ pulmonary circulation นนเปนระบบ low pressure และ low resistance

3. กลามเนอหายใจ การขยายตวและหดตวของปอดเกดจากการเคลอนไหวของทรวงอก ตอนหายใจเขา ทำงานเปนแบบ active

process คอมการหดตวของ external intercostal muscle และ diaphragm เพอให thoracic cavity ขยายขน เกด negative pressure ทำใหลมวงเขามาในปอด ตอนหายใจออก diaphragm และ external intercostal muscle เปน passive process ทำใหใน alveoli เปนบวก flow กจะวงออก ถาคนไขหอบมากๆ จะมการใชกลามเนอชวยในการหายใจออก คอ Internal intercostal muscle มการหดตว

การระบายอากาศและการไหลเวยนเลอดผานปอด

ในการหายใจเขาหรอออกครงหนงๆ รางกายจะไดรบอากาศเขาหรอออกจากปอดเปนสวนๆ ตามปรมาตรและความจของปอด ปรมาตรของปอด (Lung volume) แบงเปน 4 สวนคอ

1. Tidal volume (TV) คอปรมาตรของอากาศในการหายใจเขาหรอหายใจออกในครงหนงๆ ในผใหญจะมคาปกตประมาณ 500 ml

2. Inspiratory reserve volume (IRV) คอปรมาตรของอากาศทสามารถหายใจเขาเพมไดอกจนเตมทตอจากการหายใจเขาตามปกต มคาประมาณ 2100 - 3200 ml

3. Expiratory reserve volume (ERV) คอปรมาตรของอากาศทสามารถหายใจออกไดอกจนเตมทตอจากการหายใจออกตามปกต มคาประมาณ 1,000 – 1200 ml

4. Residual volume (RV) คอปรมาตรของอากาศทยงคงเหลอคางอยในปอด หลงจากการหายใจออกอยางเตมท มคาประมาณ 1,200 ml

Cardiopulmonary physiology and pathology 15

ความจของปอด (Lung capacities) แบงเปน 4 สวนคอ

1. Inspiratory capacity (IC) คอความจของปอดทคดเปนปรมาตรของอากาศทหายใจเขาไปไดเตมทหลงจากหายใจออกตามปกต หรอเปนผลรวมของ TV + IRV ปกตมคาประมาณ 3,800 ml

2. Functional residual capacity (FRC) คอความจปอดทคดเปนปรมาตรของอากาศคงเหลออยในปอดหลงจากหายใจออกตามปกต หรอเปนผลรวมของ ERV + RV ปกตมคาประมาณ 2,200 ml

3. Vital capacity (VC) คอความจของปอดทคดเปนปรมาตรของอากาศหายใจออกเตมทหลงจากการหายใจเขาเตมท หรอเปนผลรวมของ IRV + TV + ERV ปกตมคาประมาณ 4,800 ml

4. Total lung capacity (TLC) คอความจของปอดทคดเปนปรมาตรของอากาศทงหมดเมอหายใจเขาเตมท หรอเปนผลรวมของ VC + RV ปกตมคาประมาณ 6,000 ml

Dead space

ปรมาตรสญเปลา (Dead space) คอภาวะท Ventilation (V) ปกต แต Perfusion (Q) เปนศนย เชน บรเวณชองทางเดนหายใจสวนบนจนถง terminal bronchiole เปนบรเวณทมอากาศผานเขาออกแตไมมการแลกเปลยนกาซ เราเรยกสวนนวา anatomical dead space มปรมาตรประมาณ 150 ml

อตราสวนระหวาง Dead space volume กบ Tidal volume คอ VD/VT = 150/500 = 0.3 สวนของถงลมปอดบางสวนทในบางสภาวะไมมเลอดไหลใน pulmonary capillary ทำใหอากาศในถงลมไมมการ

แลกเปลยนกาซ เรยกสวนนวา alveolar dead space เชนในคนไข emphysema, shock ม cardiac out put นอย ถาทงสองสวนนรวมกนเรยกวา physiological dead space ซงในคนทปอดมการทำงานปกต physiological

dead space จะมคาเทากบ anatomical dead space ถาสดสวนของ dead space มากกวา 0.3 ใหสงสยวาคนไขมพยาธสภาพททำใหเกด dead space

Cardiopulmonary physiology and pathology 16

สดสวนของ dead space หาจาก

VD/VT = (PaCO2-PECO2)/PaCO2 Normal ratio = 0.2 – 0.35 during resting breating

Ventilation

การระบายอากาศ (Ventilation) หรอการเขาออกของอากาศในระบบทางเดนหายใจ สามารถแบงไดดงน - Pulmonary ventilation คอปรมาตรอากาศทหายใจเขาออกปกตใน 1 นาท ในคนปกตถามการหายใจประมาณ

12 ครงตอนาท จะได Pulmonary ventilation = Tidal volume x RR

= 500 x 12 = 6,000 ml/min

- Alveolar ventilation คอ ปรมาตรการระบายอากาศอากาศทอยในถงลมใน 1 นาท Alveolar ventilation = (Tidal volume – Dead space volume) x RR

= (500-150) x 12 = 4,200 ml/min

จากความรขางตนนทำใหเราทราบวาอตราสวนระหวาง Dead space volume กบ Tidal volume คอ 150/500 = 0.3 ดงนนถาพบวาอตราสวนนมากกวา 0.3 แสดงวานาจะม dead space ทเพมขน นอกจากน อตราสวนระหวาง Dead space volumeกบ Tidal volume สามารถคำนวณไดจากสมการ

VD/VT = (PaCO2-PECO2)/PaCO2 ซงคา PaCO2 นจะแปรผนตรงกบปรมาณ CO2 และแปรผกผนกบ alveolar ventilation สำหรบ pattern ของการหายใจทตางกนกสงผลตอ alveolar ventilation ทแตกตางกนถงแมจะม pulmonary ventilation ทเทากน

Cardiopulmonary physiology and pathology 17

การไหลเวยนของเลอดผานปอด (pulmonary circulation) เรมจากเลอดทไหลออกจากหวใจหองขวาลางไปสปอดโดย 99% จะไหลผานแขนงของหลอดเลอด pulmonary artery เกดขบวนการแลกเปลยนกาซเมอผาน pulmonary capillaries และกลบสหวใจหองบนซายทาง pulmonary veins หลอดเลอดในระบบ pulmonary circulation จะมผนงหลอดเลอดทบาง มคาความตานทานของหลอดเลอดในระบบไหลเวยนตำมากเมอเทยบกบ systemic circulation และมคาความดนเลอดของระบบตำเชนกน

สำหรบคาความตานทานของเลอดในระบบ pulmonary circulation หรอ pulmonary vascular resistance คำนวณไดจากสตร PVR = (MPAP-PAWP)/CO

ซงคา pulmonary blood pressure และ CO นนสามารถวดไดจากการใช Pulmonary artery catheter ปจจยทมผลตอ pulmonary vascular resistance แบงเปน Active และ Passive control โดย active control ไดแก

- Hypoxic pulmonary vasoconstriction ซงเปนกลไกของรางกายทตอบสนองเมอ PO2 ใน alveolar ลดลง - Endothelium-derived vasoactive substances เชน Nitric oxide, Endothelin - Low blood pH จะกระตนใหเกด vasoconstriction โดยเฉพาะเมอเกดภาวะ alveolar hypoxia - ยาบางชนดททาใหเกด sympathetic outflow เพมขนและเกด vasoconstriction

สำหรบ passive control เชน Blood pressure เมอเกด pressure ทสงขนใน Pulmonary circulation จะเกด mechanism สองอยางคอ Recruitment และ Distension จะทำให PVR ตำลง อกปจจยหนงคอ lung volume ถา lung volume ทตำหรอสงเกนไปจะม PVR ทเพมขน

สดสวนของการระบายอากาศและเลอดทมาถงลมปอด (Ventilation-Perfusion ratio) ในคนปกตขณะพกจะมอตราการหายใจประมาณ 12 ครงตอนาท tidal volume 500 ml เปน anatomical dead space 150 ml ดงนนคา alveolar ventilationจะเทากบ (500-150) x 12 = 4,200 ml/min ในขณะพกหวใจจะมเลอด perfusion มายงปอดเพอแลกเปลยนกาซประมาณ 5,000 ml/min ดงนน ventilation-perfusion ratio(V/Q) = 0.84 (คาปกต 0.8-1) ถาคา V/Q >1 จะถอวาม V/Q mismatch ในลกษณะของ dead space effect และถา V/Q <0.8 จะถอวาม V/Q mismatch ในลกษณะของ shunt effect

Dead space effect เปนภาวะ V/Q mismatchในรปแบบ V/Q>1 ตวอยางเชน Perfusion ลดลง รางกายขาดสารนา เสยเลอด ความดนโลหตตำ หรอ Ventilation เพมขน การหายใจเรวและหายใจลก การชวยหายใจดวยแรงดนบวกสงๆ

Cardiopulmonary physiology and pathology 18

Shunt เปนภาวะท Ventilation(V) = 0 แต Perfusion(Q) ปกต แบงเปน anatomical shunt เชน bronchial systemic vein (normal), VSD (abnormal) และ Physiologic or intrapulmonary shunt

Shunt effect เปนภาวะ V/Q mismatchในรปแบบ V/Q<0.8 ตวอยางเชน Perfusionเพมขน Lt. side heart failure มนำในรางกายเกนกวาปกต หรอ Ventilationลดลง การหายใจลดลงจากยากดการทำงานของระบบประสาท มนำหรอของเหลวในถงลม การกระจายของเลอดในปอดนนสามารถอธบายไดดวย Model zone of lung โดย

- zone 1 ทอยดานบนสดของปอดจะม blood perfusion ไปนอย ม pressure ของ alveolar สงกวาของ artery และสงกวาของ vein

- zone 2 จะม pressureของ artery สงกวาของ alveolar และสงกวาของ vein - zone 3 จะม pressure ของ artery สงกวาของ vein และสงกวาของ alveolar ดงนนหากมการใส pulmonary

artery catheter ควรจะใสเขาไปใน zone 3 เนองจากalveolar PO2 มผลตอการวดคาใน circulation นอยมาก

Cardiopulmonary physiology and pathology 19

ความสมพนธของการกระจายของเลอดและอากาศในปอด โดยทบรเวณยอดของปอดจะม ventilationมากกวา perfusion ในขณะทดานลางของปอดจะม perfusion มากกวา ventilation ซงถอวาม V/Q mismatch ทงค

เมอพจารณาเทยบระหวางภาวะ dead space กบ shunt จะพบวาหากเกดภาวะ dead space ถงแมจะม perfusion นอยแตรางกายยงม ventilation ทำให PO2 ยงอยในเกณฑทด ขณะทเมอเกดภาวะ shunt ถงแมจะม perfusion ทดแตเมอไมม ventilation จงทำให PO2 ตำ ดงนน shunt จงมความสมพนธกบภาวะ hypoxemia มากกวา

ในปอดของคนเรามกจะมภาวะ shunt อยแลวสวนหนง จงทำใหเกด A-a gradient ขนซงกคอผลตางของ Partial pressure ของ O2 ใน alveolar (PAO2) กบใน artery (PaO2) ซง PaO2 จะไดจากการเจาะ ABG สวน PAO2 จะไดจากการคำนวนตาม Alveolar gas equation

PAO2 = FiO2(760 - PH2O) - PaCO2/R เมอเราทราบคา A-a gradient แลวเราสามารถนามาประยกตใชในการ approach ผปวยทมภาวะ hypoxemia ได

สรปภาวะทม gas exchange ผดปกตไดดงน

- Hypoventilation เชน drug overdose จะม P(A-a)O2 ปกต response ตอ O2 ไดด - V/Q mismatch อนๆ เชน partial airway obstruction จะม P(A-a)O2 เพมขน response ตอ O2 ไดด - Shunt เชน atelectasis, pneumonia จะม P(A-a)O2 เพมขน response ตอ O2 ไดไมด

Cardiopulmonary physiology and pathology 20

ในทาง clinic นนเราสามารถวด shunt ไดโดยใช - P(A-a)O2 - PaO2 / PAO2 - PaO2 / FiO2

แตถาตองการวด shunt อยางละเอยดสามารถคำนวนไดตามสมการ shunt equation ดงน Qs/Qt = (Cco2 – Cao2) / (Cco2 – Cvo2)

Qs = Pulmonary Physiologic Shunt (mL/min) Qt = Cardiac Output (mL/min) CCO2 = End-pulmonary-capillary Oxygen Content CaO2 = Arterial oxygen content CVO2 = Mixed Venous Oxygen Content

ถา shunt fraction

- <10% แสดงวาปกต - ถาอยในชวง 10-19% แสดงวาม intrapulmonary abnormality - ถาอยในชวง 20-29% แสดงวาม significant abnormality ตองการ ventilator support with PEEP - ถา >30% แสดงวาม severe disease

กลศาสตรการหายใจ (Mechanic of respiration)

การหายใจเขาและออกจากปอดเกดจากความแตกตางระหวางความดนบรรยากาศและความดนในถงลม โดยเวลาหายใจเขาทรวงอกขยายความดนในถงลมจะลดตำลง อากาศจงไหลเขาสปอดจนกระทงความดนภายในปอดเพมขนเทากบความดนบรรยากาศ สวนเวลาหายใจออกทรวงอกและเนอเยอปอดซงมความยดหยนจะหดตวกลบสปรมาตรเดม ความดนภายในปอดจงเพมขนจนมากกวาความดนบรรยากาศ อากาศจงไหลออกจากปอดสภายนอก ความตานทานการหายใจ (Resistance of breathing) ไดแก

- Elastic resistance ของปอดและทรวงอก เปนแรงตานททาใหปอดและทรวงอกกลบสสภาพเดมหลงจากทมการยดขยาย โดยelastic resistance ของปอดจะแปรผกผนกบ compliance (C) ซงหมายถงการเปลยนแปลงของปรมาตรตอ 1 หนวยความดนทเปลยน ดงสมการ C=V/P ฉะนน elastic resistanceจะเทากบ 1/C หรอ P/V

- Airway resistance เกดจากการเสยดสของโมเลกลในอากาศดวยกนเองกบทางเดนหายใจ airway resistance นปกตจะมคานอย แตถามการหายใจเรวขน เชน ขณะออกกำลงกาย หรอทางเดนอากาศมขนาดเลกลง เชน Asthma จะทาให airway resistanceมากขน คา airway resistance สามารถหาไดจากสตร R = P/F เมอ P คอ Driving pressure (mouth pressure-alveolar pressure) และ F คออตราการไหลของอากาศ

- Tissue resistance เกดจากการเสยดสของเนอเยอทเคลอนไหวระหวางการหายใจ มคานอยมาก ในคนปกตจะมคาเปนศนย ในการหายใจเขาจะตองมแรงทสามารถเอาชนะทง elastic resistance และ airway resistance แรงนกคอ

applied pressureหรอ delta P ซงคำนวนไดจาก equation of motion

Cardiopulmonary physiology and pathology 21

ΔP = Pel+ P r + Pacc Pel = Elastic pressure Pacc = Accelerative pressure Pr = Resistance pressure ตวอยางของผปวยทม resistance สงผดปกตไดแกผปวย asthma และผปวยทม elastance สงผดปกตไดแกผปวย

pulmonary edema, ARDS, pneumonia ซงเราสามารถชวยผปวยกลมนไดดวยการใส PEEP ซงจะทาให compliance มากขน การขนสงกาซในเลอด (Gas transportation)

ในการขนสงออกซเจนนนออกซเจนในเลอดจะประกอบไปดวยออกซเจนทละลายในพลาสมา (dissolve oxygen) และออกซเจนทรวมกบฮโมโกลบน (oxyhemoglobin) ซงสามารถคำนวนปรมาณของออกซเจนไดดงน

Dissolve oxygen = O2 solubility coefficient x PO2 = 0.003 x 100 = 0.3 ml /100 ml (blood)

Oxyhemoglobin = O2 capacity of Hb x Hb x SO2

= 1.34 x 15 x (98/100) = 1.97 ml /100 ml (blood)

ผลรวมของ Dissolve oxygen กบ Oxyhemoglobin เรยกวา Oxygen content(CaO2) จะมคา 19.7 + 0.3 =

20 ml ตอเลอด 100 ml แต Oxygen content เพยงอยางเดยวไมเพยงพอทจะนำเลอดไปใหยงเนอเยอได รางกายจะตองม Cardiac output เพอชวยใหการขนสงเลอดและออกซเจนดาเนนไปได โดยผลคณของ Oxygen content กบ Cardiac output จะเรยกวา Oxygen delivery

Oxygen delivery = Oxygen content x Cardiac output = 20 ml/100ml of blood x 5,000 ml/min = 1,000 ml/min

เมอเราขนสงออกซเจนไปยงเนอเยอแลว เนอเยอจะนาออกซเจนไปใช เรยกวา Oxygen consumption (VO2)

สามารถคำนวนไดโดย VO2 = CO (CaO2 - CvO2)

โดยทวไปมคาประมาณ 250 ml/min ถาหากเรากลบขางสมการเปน CO = VO2/(CaO2-CvO2) จะเรยกวา Fick principle และเมอเนอเยอนาออกซเจน

ไปใช สดสวนระหวางปรมาณของออกซเจนทเซลลรบไปใชใน 1 นาท ตอปรมาณของออกซเจนในเลอดแดง เรยกวา Oxygen extract ratio สามารถคำนวนไดจากสตร

Oxygen extract ratio = (CaO2-CvO2)/CaO2 ในภาวะปกตมคาเทากบ 0.25

Cardiopulmonary physiology and pathology 22

ในผปวยทม Oxygen delivery ตำลงเรอยๆ ไมวาจะเปนจากภาวะ shock หรอ anemia รางกายกจะมการ extract oxygen มากขนเรอยๆ จนถงจดหนงท extraction ratio เทากบ 0.67 รางกายจะไมสามารถ extract oxygenไดแลวจะทาให oxygen consumption ลดลงรางกายจงเกด anaerobic metabolism ทาใหมการสราง Lactic acid เพมมากขน ในผปวยบางกลมเชน sepsis จะมปญหาเรองการ extraction oxygen ไดนอยกวาปกต เรยกวาม pathologic supply dependence เราสามารถดแลผปวยกลมนไดโดยลด oxygen consumption เชน ชวยผปวยใหมการหายใจเขากบventilator และทำการเพม oxygen delivery ใหมากขน และในผปวยกลม trauma, burn ถงแมวาจะมการ extract oxygen ไดตามปกต แตผปวยเหลานจะม oxygen consumption ทสง จงควรใหการดแลโดยลด oxygen consumption และทาการเพม oxygen delivery ใหมากขนเชนกน Pathologic supply dependence

สำหรบกระบวนการปลอยออกซเจนในเลอดเขาสเซลลตางๆ ในรางกาย เรมขนเมอมการ perfusion ของเลอดมายงอวยวะตางๆ ในรางกาย เซลลจะมกลไกในการทาใหออกซเจนสามารถแตกตวแยกกบ hemoglobin ไดงายโดยปจจยตางๆ ดงน

- อณหภมในเซลลทสงกวา เชน ในเซลลกลามเนอทอตราเมตาบอลซมสง จะมผลใหความสามารถในการจบระหวาง O2 กบ hemoglobin นอยลง เมอเลอดไปหลอเลยงจงมแนวโนมทจะปลอยออกซเจนไดงายขน

- ภาวะทเซลลมปรมาณ CO2 สงและสภาวะเปนกรด (The Bohr effect) - การเพมขนของ 2,3 diphosphoglycerate (2,3 DPG) ซงเปนสารทเกดขนในขบวนการ glycolysis ของเมดเลอด

แดง ในเมดเลอดแดงจะไมม mitochondria ดงนนขบวนการสรางพลงงานจงขนกบ glycolysis เปนหลก ในบางสภาวะ เชน ขณะออกกาลงกาย ภาวะทรางกายขาดออกซเจน จะกระตนใหเกดขบวนการ glycolysis เพมขน ทำใหเพมระดบของ 2,3 DPG มผลใหความสามารถในการจบกนของ O2 และ hemoglobin ลดลง

Oxygen dissociation curve

ในผปวยทมภาวะ anemia จะม Oxygen content ลดลงถงแมวาจะม Oxygen consumption เทาเดมแตกทาใหเกดtissue hypoxia ได รางกายจะ compensate โดยการเพม Cardiac output สวนในผปวยทม CO poisoning จะม Oxygen content ลดลงเหมอนภาวะ anemia แตจะม Affinity ทเพมขนจงทาใหมการจบกนของ O2 และ hemoglobin แนนกวา เราสามารถแกไขไดโดยการเพม FiO2 เพอขจด CO ออกไป