Prof. dr Vladimir JakovljeviProf. dr Vladimir Jakovljevićć

Predsednik Društva fiziologa Republike Srbije,Council Member International Atherosclerosis Society

Sreda, 04. 12. 2013. god

FIZIOLOGIJA RESPIRATORNOG SISTEMA (1)PLUĆNA VENTILACIJAPLUĆNA CIRKULACIJA

RAZMENA GASOVA

PLUĆNA VENTILACIJA

Disanje (def.) je proces kojim se tkivima stavljaju na raspolaganje odgovarajuće količine gasova (kiseonika i ugljendioksida) neophodnih za normalno funkcionisanje organizma.

Proces disanja obuhvata četiri funkcionalne komponente:

• plućna ventilacija

• razmena gasova između alveola i krvi

• transport gasova u krvi

• regulacija disanja

BIOMEHANIKA PLUĆNE VENTILACIJE

Pluća se rastežu i skupljaju (pasivno)

prateći promene dijametra grudnog koša.

Dijametar grudnog koša se menja aktivnošću disajne muskulature:

a. promenom vertikalnog dijametra – dijafragma (kontrakcija dijafragme povlači donju površinu pluća u inspirijumu) – normalno (mirno) disanjeb. promenom A-P dijametra – pomoćna disajna muskulatura podiže i spušta rebra

Pomoćna disajna muskulatura:

A. Inspiracijski mišići: • mm. intercostales externi (podižu

rebra nagore i upolje)• mm. sternocleideomastoidei (podižu

grudnu kost)• mm. serrati anteriores (podižu rebra

nagore)• mm. scaleni (podižu prva dva rebra

nagore)

Pomoćna disajna muskulatura:

B. Ekspiracijski mišići• mm. intercostales interni (spuštaju

rebra nadole i prema grudnoj kosti)• mm. recti abdominis (povlače donja

rebra naviše i povećanjem pritiska u trbušnoj duplji podižu dijafragmu)

Pleuralni pritisak (pritisak između dva lista pleure):

• u inspirijumu - 7.5 cmH2O

• u ekspirijumu – 5 cmH2O

Alveolarni pritisak (pritisak unutar alveola):

• u inspirijumu -0.5 cmH2O

• u ekspirijumu +0.5 cmH2O

Rastegljivost (komplijansa) pluća – stepen širenja pluća pri povećanju transpulmonalnog pritiska.

Normalna vrednost rastegljivosti oba plućna krila iznosi oko 200 ml/cmH2O

Veličinu rastegljivosti pluća određuju elastična svojstva pluća:

• elastična svojstva plućnog parenhima-1/3• elastična svojstva uzrokovana površinskim naponom

tečnosti koja oblaže unutrašnje zidove alveola -2/3.

Rastegljivost (komplijansa) grudnog koša i pluća – stepen širenja grudnog koša i pluća pri povećanju transpulmonalnog pritiska.

Normalna vrednost rastegljivosti grudnog koša i pluća iznosi oko 110 ml/cmH2O

Elastična svojstva uzrokovana površinskim naponom tečnosti koja oblaže unutrašnje zidove alveola čine 2/3 ukupnih elastičnih sila koje teže da kolabiraju pluća (slika!!!)

Površinski napon tečnosti u alveolama teži da kolabira alveole.

Pritisak koji teži da kolabira alveole (nastaje usled prisustva sloja tečnosti u alveolama) povećava:

• povećanje površinskog napona• smanjenje dijametra alveole (formula)

Surfaktant (sekretuju ga epitelne ćelije alveola) smanjuje površinski napon.

Surfaktant se sastoji od:fosfolipida (dipalmitoil-lecitin – aktivna supstanca) – imaju hidrofilni i hidrofobni deo proteina (apoprotein) jona kalcijuma

U normalnim uslovima udisanje je aktivan proces (ekspiracija je pasivan proces) pa se energija potrebna za disanje koristi samo za udisanje (2-3% BMR).

Rad pri udisanju:

• rad za istezanje (savladavanje elastičnih sila pluća) – najveći deo

• rad za savladavanje tkivnog otpora (viskoznost pluća i grudnog koša)

• rad za savladavanje otpora u disajnim putevima

Mrtvi prostor (VD)– zapremina vazduha koja ne učestvuje u razmeni gasova:

• anatomski mrtvi prostor - zapremina vazduha koja ostaje u velikim disajnim putevima i ne učestvuje u razmeni gasova

• fiziološki mrtvi prostor -zapremina vazduha koja dolazi do alveola ali ne učestvuje u razmeni gasova

Volumen anatomskog mrtvog prostora se određuje posebnom metodom (slika) i izračunava (formula).

Volumen anatomskog mrtvog prostora iznosi oko 150 ml.

Minutna alveolarna ventilacija (MAV) je zapremina vazduha koja dolazi u alveole za jedan minut.

Minutna alveolarna ventilacija se izračunava po formuli:

MAV = (VT - VD) x frekvencija disanja

Uloge disajnih puteva:

• sprovođenje vazduha iz atmosfere

do alveola (i natrag)• vlaženje vazduha koji prolazi kroz

disajne puteve• grejanje vazduha koji prolazi kroz

disajne puteve• čišćenje vazduha koji prolazi kroz

disajne puteve

PLUĆNA CIRKULACIJA

Protok krvi kroz plućnu cirkulaciju (približno) je jednak protoku kroz sistemsku cirkulaciju - oko 5 l/min (razlika u bronhijalnim arterijama – minutni volumen levog srca je za 1-2% veći od minutnog volumena desnog srca)

Pritisci u plućnoj cirkulaciji, za isti protok, su manji od sistemske cirkulacije zbog:

• većeg dijametra (osim velikih arterija i velikih vena)

• veće rastegljivosti (prosečno 7 ml/mmHg)

Pritisci u desnoj komori:• sistolni pritisak – 25 mmHg• dijastolni pritisak – 0-1 mmHg

Pritisci u plućnoj arteriji:• sistolni pritisak – 25 mmHg• dijastolni pritisak – 8 mmHg• srednji pritisak – 15 mmHg• pulsni pritisak – 17 mmHg

Pritisak u kapilarima pluća – 7 mmHg

Pritisak u plućnim venama i levoj pretkomori – 1-5 mmHg (prosečno oko 2 mmHg)

Volumen krvi u plućima je 450 ml (oko 9% ukupnog volumena krvi).

U plućnim kapilarima se nalazi oko 70 ml krvi (ostatak je približno jednako podeljen u arterijama i venama).

Pluća služe i kao rezervoar krvi - volumen krvi plućima se može povećati ili smanjiti za 50% (primer snažnog ekspirijuma).

Zone protoka krvi u plućnim kapilarima (efekat gradijenta hidrostatskog protiska):

• Zona 1 – apikalni delovi pluća (hidrostatski pritisak u kapilarima je za 15 mmHg manji nego u visini srca) – nema protoka krvi tokom čitavog srčanog ciklusa

• Zona 2 – srednji delovi pluća – intermitentni protok krvi (krv protiče tokom sistole, tokom dijastole nema protoka krvi)

• Zona 3 – bazalni delovi pluća (hidrostatski pritisak u kapilarima je za 8 mmHg veći nego u visini srca) – kontinuirani protok krvi (krv protiče tokom tokom čitavog srčanog ciklusa)

Normalno u plućima postoje zone 2 i 3.

UU uslovimauslovima fizičkogfizičkog opterećenjaopterećenja ( (zbogzbog povećanjapovećanja pritiskapritiska) ) dolazidolazi dodo povećanjapovećanja protokaprotoka krvikrvi uu svimsvim delovimadelovima plućapluća ( (uu apikalnimapikalnim delovimadelovima zaza 700-800%, 700-800%, uu bazalnimbazalnim delovimadelovima zaza 200-300%). 200-300%).

Kapilarna dinamika u plućima (1)

Sile koje određuju smer kretanja tečnosti u razmeni materija kroz kapilarnu membranu u plućima (Starlingove sile):

• kapilarni pritisak (potiskuje tečnost iz kapilara u međućelijski prostor) je niži nego u sistemskoj cirkulaciji i iznosi oko 7 mmHg

• pritisak međućelijske tečnosti (povlači tečnost iz kapilara u međućelijski prostor) je niži nego u sistemskoj cirkulaciji i iznosi oko -8 mmHg

Kapilarna dinamika u plućima (1)

Sile koje određuju smer kretanja tečnosti u razmeni materija kroz kapilarnu membranu u plućima (Starlingove sile):

• koloidno-osmotski pritisak plazme (povlači tečnost iz međućelijskog prostora u kapilare) iznosi oko 28 mmHg

• koloidno-osmotski pritisak međućelijske tečnosti (povlači tečnost iz kapilara u međućelijski prostor) je veći nego u sistemskoj cirkulaciji (zbog veće propustljivosti kapilara za proteine plazme!) i iznosi oko 14 mmHg

Капиларна динамика у плућима (2)

Neto-filtracioni pritisak iznosi 1 mmHg.

Višak tečnosti koji se filtrira u plućni intersticijum se otklanja:• limfnim sudovima • isparavanjem preko alveola

FIZIČKI PRINCIPI RAZMENE GASOVA

Difuzija kiseonika i ugljen-dioksida

kroz respiratornu membranu

Proces difuzije gasova se sastoji od slobodnog kretanja molekula gasa kroz respiratornu membranu.

Izvor energije za difuziju gasova kroz respiratornu membranu je kinetička energija samih gasova.

Neto-difuzija nekog gasa kroz respiratornu membranu zavisi od koncentracijskog gradijenta između dve strane membrane.

Ukoliko postoji razlika u koncentracijama rastvorenih gasova sa jedne i druge strane respiratorne membrane doći će do neto-difuzije gasova.

Veličina neto-difuzije gasova (D) kroz respiratornu membranu zavisi od:

ΔP – razlike u pritiscima gasova sa jedne i druge strane membraneA – površine respiratorne membraneS – rastvorljivosti gasad – debljine respiratorne membraneMW – molekulske mase gasa

RelativniRelativni difuzionidifuzioni koeficijentikoeficijenti zaza respiratornerespiratorne gasovegasove uu telesnimtelesnim tečnostimatečnostima ((akoako sese uzmeuzme dada jeje difuzionidifuzioni koeficijentkoeficijent zaza kiseonikkiseonik 1 1):):

Parcijalni pritisci gasova u:• atmosferskom vazduhu• vazduhu koji se nalazi u disajnim putevima• alveolarnom vazduhu

Povećana ventilacija alveola povećava PAO2.

Povećano preuzimanje kiseonika u krv smanjuje PAO2.

Normalna vrednost je PAO2 u alveolama ≈ 104 mmHg.

Povećana ventilacija alveola smanjuje PACO2.

Povećano oslobađanja ugljendioksida iz krvi plućnih kapilara u alveole povećava PACO2.

Normalna vrednost je PACO2 ≈ 40 mmHg.

Respiratorna membrana (struktura):

1. sloj tečnosti koji iznutra oblaže alveolu (sadrži surfaktant)

2. epitelna ćelija alveola3. bazalna membrana epitela4. uzani intersticijalni prostor

između alveolarnog epitela i kapilarne membrane

5. bazalna membrana kapilara6. endotelna ćelija kapilara

Ali i gasovi moraju proći i kroz plazmu i membranu eritrocita!

Difuzioni kapacitet respiratorne membrane za ugljendioksid je 400-500 ml/min/mmHg (???).

Kako je ΔP za ugljendioksid manja od 1 mmHg, neto-difuzija ugljendioksida nije izmerena do sada.

U uslovima fizičkog opterećenja dolazi do povećanja difuzionog kapaciteta respiratorne membrane (i do 3x):

• otvaranjem do tada zatvorenih kapilara• popravljanjem odnosa ventilacija/perfuzija

Uticaj odnosa ventilacija/perfuzija (VA/Q) na PAO2 i PACO2

• VA/Q = 0 jer u bazama pluća nema ventilacije alveola pa su PAO2 i PACO2 jednaki vrednostima koje imaju u venskoj krvi sistemske cirkulacije

• VA/Q = ∞ jer u vrhovima pluća nema perfuzije kapilara pa su PAO2 i PACO2 jednaki vrednostima koje imaju u ovlaženom udahnutom vazduhu

• VA/Q = normalan jer je u srednjim delovima pluća dobra ventilacija alveola i dobra perfuzija kapilara, pa su vrednosti PAO2 ≈ 104 mmHg i PACO2 ≈ 40 mmHg.

Fiziološki šant

Kada je odnos VA/Q manji od normalnog (deo venske krvi se ne oksigeniše), krv koja protiče kroz neventilirane kapilare se naziva – fiziološki šant.

Primeri fiziološkog šanta su krv koja protiče kroz bronhijalne krvne sudove i bazalni delovi pluća

(slaba ventilacija).

Veličina fiziološkog šanta se izračunava po formuli (gornja slika)

Fiziološki mrtvi prostor

Kada je odnos VA/Q veći od normalnog, deo ventiliranog vazduha dospelog u alveole se ne koristi za razmenu gasova jer je perfuzija slaba - fiziološki mrtvi prostor (uzaludna ventilacija).

Primer fiziološkog mrtvog prostora su apikalni delovi pluća (zona 1) – slaba pefuzija.

Veličina fiziološkog mrtvog prostora se izračunava po Borovoj jednačini (donja slika)

VEŽBA:TESTOVI PLUĆNE VENTILACIJE

Ispitivanje funkcije pluća je od posebnog značaja, pri čemu se vrši ispitivanje različitih komponenti:ventilacije, distribucije, difuzije i perfuzije pluća.

Metoda kojom se ispituje funkcija pluća naziva se SPIROMETRIJA.

Volumen gasa u plućima je određen:-svojstvima plućnog parenhima i toraksa-snagom respiracijskih mišića-plućnim refleksima-svojstvima disajnih puteva

Aparati za merenje plućnih volumena –SPIROMETRI

1. Spirometri sa zatvorenim sistemom - u osnovi mere volumene; dezintegracijom (deljenjem) izmerenog volumena po vremenu se izračunava volumenska brzina tj. protok.

2. Kod otvorenog spirometrijskog sistema se neposredno meri protok vazduha; izmereni protok se integriše po vremenu (pomnoži sa vremenom).

Merni deo instrumenta se zove PNEUMOTAHOGRAF. Može biti sa Flajšovim (Fleisch-pneumotach) cevčicama ili Lilijevom (Lilly (screen) pneumotach ) mrežicom, koje imaju poznati otpor.

Registrovanjem razlike u pritisku ispred i iza dela sa otporom i deljenja dobijene razlike u pritisku poznatim otporom dobija se protok.

MERENJE I ODREĐIVANJE PLUĆNIH VOLUMENA I KAPACITETA

1. Statički plućni volumeni i kapaciteti

2. Dinamički plućni volumeni i ventilacijski kapacitet

*Na vrednost parametara plućne funkcije utiču godine života, pol i telesna masa ispitanika.

Statički plućni volumeni:

• Disajni (Tidal) volumen (VT) – zapremina gasa koja se udahne ili izdahne prilikom normalne respiracije – iznosi oko 500 ml.

• Inspiracijski rezervni volumen (IRV) – zapremina gasa koja se može udahnuti nakon normalnog inspirijuma – iznosi oko 3000 ml.

• Ekspiracijski rezervni volumen (ERV) – zapremina gasa koja se može izdahnuti nakon normalnog ekspirijuma – iznosi oko 1100 ml.

• Rezidualni volumen (RV) – zapremina gasa koja ostaje u plućima nakon maksimalnog ekspirijuma – iznosi oko 1200 ml.

*На вредност параметара плућне функције утичу

године живота, пол и телесна маса испитаника.

Statički plućni kapaciteti:

• Inspiracijski kapacitet (IC) – maksimalna zapremina gasa koja se može udahnuti nakon normalnog ekspirijuma (iznosi oko 3500 ml) i izračunava se po formuli:

IC = VT + IRV

• Funkcionalni rezidualni kapacitet (FRC) – zapremina gasa koja ostaje u plućima nakon normalnog ekspirijuma (iznosi oko 2300 ml) i izračunava se po formuli:

FRC = ERV + RV

• Vitalni kapacitet (VC) – maksimalna zapremina gasa koja se može ekspirirati nakon maksimalnog inspirijuma (iznosi oko 4600 ml) i izračunava se po formuli:

VC = VT + IRV + ERV

• Totalni kapacitet pluća (TLC) – maksimalna zapremina gasa koja se nalazi u plućima nakon maksimalnog inspirijuma (iznosi oko 5800 ml) i izračunava se po formuli:

TLC = VT + IRV + ERV + RV ili TLC = VC + RV* RV= metoda dilucije helijuma

Dinamički plućni volumeni i ventilacijski kapacitet

Za razliku od statičkih plućnih volumena, dinamički plućni volumeni se određuju pri maksimalnom i forsiranom ekspirijumu ili inspirujumu.

Mogu se dobiti spirometrijski i izraziti kao promena volumena u funkciji vremena: kriva volumen – vreme ili kao kriva protok – volumen.

1.Forsirani ekspiracijski volumen u prvoj sekundi (FEV1) predstavlja volumen vazduha koji se iz položaja maksimalnog inspirijuma izdahne u toku prve sekunde forsiranog ekspirijuma i predstavlja prosečan protok vazduha u ovom periodu vremena.Kao izmerena vrednost se uzima najveća ostvarena vrednost od najmanje tri FEV1.

• Tifno (Tiffeneau) indeks predstavlja udeo vazduha ekspiriranog u prvoj sekundi (forsiranog ekspirijuma) u odnosu na ukupni forsirani vitalni kapacitet.

Izračunava se po formuli:

Tifno (Tiffeneau) indeks = FEV1 / FVC * 100%

• U fiziološkim uslovima vrednost Tifno (Tiffeneau) indeksa je veća

od 70 %.

Povećanje indeksa iznad normalnih vrednosti ukazuje na

povećanu elastičnost pluća (pluća su čvršća), a smanjenje na opstrukciju strujanju vazduha!

HVALA NA PAŽNJI HVALA NA PAŽNJI !!