Boundless Anatomy and Physiology

Pressure Changes During Pulmonary Ventilation

Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.

Learning Objective

Differentiate among the types of pulmonary ventilation: minute, alveolar, dead space

Key Takeaways

Key Points

  • Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.
  • The three types of ventilation are minute ventilation, alveolar ventilation, and dead space ventilation.
  • The alveolar ventilation rate changes according to the frequency of breath, tidal volume, and amount of dead space.
  • PA označuje alveolární parciální tlak plynu, zatímco Pa označuje parciální tlak tohoto plynu v arteriální krvi.
  • Výměna plynů probíhá z pasivní difuze, protože PAO2 je větší než PaO2 v deoxygenované krvi.

Klíčové pojmy

  • ventilace: Tělesný proces dýchání, vdechování vzduchu za účelem dodání kyslíku a vydechování spotřebovaného vzduchu za účelem odstranění oxidu uhličitého.
  • Parciální tlak: Tlak vyvíjený plynem, ať už ve vzduchu nebo rozpuštěným, který udává koncentraci tohoto plynu.

Typy ventilačních rychlostí

V dýchací fyziologii je ventilační rychlost rychlost, kterou plyn vstupuje do plic nebo je opouští. Ventilace se obecně vyjadřuje jako objem vzduchu krát dechová frekvence.

Objem vzduchu se může vztahovat k dechovému objemu (množství vdechnuté při průměrném nádechu) nebo k něčemu konkrétnějšímu, například k objemu mrtvého prostoru v dýchacích cestách. Ve fyziologii dýchání se používají tři hlavní typy ventilačních rychlostí:

  1. Minutová ventilace (VE): Množství vzduchu vnikajícího do plic za minutu. Lze ji definovat jako \text{VE}=\text{Dýchací objem}\times\text{Dýchnutí za minutu}
  2. Alveolární ventilace (VA): Množství plynu za jednotku času, které se dostane do plicních sklípků a zapojí se do výměny plynů. Je definována jako \text{VA}=\left(\text{Dýchací objem}-\text{Objem mrtvého prostoru}\right)\times\text{Respirační frekvence}
  3. Ventilace mrtvého prostoru (VD): Množství vzduchu za jednotku času, které se nepodílí na výměně plynů, například vzduch, který zůstává ve vodivých zónách. Je definována jako \text{VD}=\text{Objem mrtvého prostoru}\times\text{Respirační frekvence}.

Dodatečně lze minutovou ventilaci popsat jako součet alveolární ventilace a ventilace mrtvého prostoru za předpokladu, že dechová frekvence použitá k jejich odvození je vyjádřena v deších za minutu.

Tyto tři typy ventilace jsou vzájemně matematicky propojeny, takže změny jedné ventilační frekvence mohou způsobit změnu ostatních. Nejvíce je to patrné při změnách objemu mrtvého prostoru. Dýchání přes šnorchl a plicní embolie zvyšují objem mrtvého prostoru (prostřednictvím anatomického, respektive alveolárního mrtvého prostoru), což sníží alveolární ventilaci.

Alveolární ventilace je nejdůležitějším typem ventilace pro měření toho, kolik kyslíku se skutečně dostane do těla, což může iniciovat mechanismy negativní zpětné vazby, které se snaží zvýšit alveolární ventilaci navzdory zvýšení mrtvého prostoru. Tělo se obecně snaží bojovat proti zvýšenému mrtvému prostoru zejména zvýšením frekvence dechů, aby se pokusilo udržet dostatečnou úroveň alveolární ventilace.

Parciální tlak plynů

Toto je schéma výměny plynů v plicích. Zobrazuje aveoli odstraňující oxid uhličitý z krve a následně přidávající kyslík do krve.

Výměna plynů v plicích: Schéma výměny plynů v plicích.

Když se plyny během ventilace rozpouštějí v krevním řečišti, obecně se popisuje parciální tlak plynů. Parciální tlak konkrétněji označuje relativní koncentraci těchto plynů podle tlaku, který vyvíjejí v rozpuštěném stavu.

V dýchací fyziologii se PAO2 a PACO2,označují parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého v alveolech.

PaO2 a PaCO2 označují parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého v arteriální krvi. Rozdíly v parciálních tlacích plynů mezi alveolárním vzduchem a krevním řečištěm jsou důvodem, proč výměna plynů probíhá pasivní difuzí.

Za normálních podmínek je PAO2 přibližně 100 mmHg, zatímco PaO2 je 80-100 mmHg v systémových tepnách, ale 40-50 mmHg v odkysličené krvi plicní tepny směřující do plic.

Připomeňme, že plyny se pohybují z oblastí s vysokým tlakem do oblastí s nízkým tlakem, takže větší tlak kyslíku v plicních sklípcích ve srovnání s tlakem odkysličené krve vysvětluje, proč může kyslík během výměny plynů pasivně difundovat do krevního oběhu.

Proti tomu PACO2 je 35 mmHg, zatímco PaCO2 je asi 40-45 mmHG v systémových tepnách a 50 mmHg v plicní tepně. Parciální tlak, a tedy i koncentrace oxidu uhličitého, je v kapilárách alveolů vyšší než v alveolárním vzduchu, takže oxid uhličitý bude při výměně plynů pasivně difundovat z krevního řečiště do alveolů.

Protože PaCO2 je navíc ukazatelem koncentrace oxidu uhličitého v arteriální krvi, lze jej použít k měření pH krve a k identifikaci případů respirační acidózy a alkózy.

Inspirace

Inspirace je proudění vzduchu do organismu, které je způsobeno tlakovým rozdílem mezi atmosférou a alveolem.

Cíl výuky

Uveďte mechaniku inspirace

Klíčové poznatky

Klíčové body

  • U člověka je inspirace proudění vzduchu do organismu z vnějšího prostředí, přes dýchací cesty a do alveolů.
  • Vdech začíná nástupem kontrakce bránice, která má za následek rozšíření hrudní a pohrudniční dutiny a snížení tlaku (nazývá se také zvýšení podtlaku).
  • Na vdechu se podílí mnoho pomocných svalů – například vnější mezižeberní svaly, skalenové svaly, sternocleidomastoidní sval a trapézový sval.
  • Dýchání pouze pomocí pomocných svalů namísto bránice je považováno za neefektivní a poskytuje při nádechu mnohem méně vzduchu.
  • Podtlak v pohrudniční dutině je dostatečný k tomu, aby udržel plíce otevřené navzdory přirozené pružnosti tkáně. Hrudní dutina zvětšuje svůj objem, což způsobuje pokles tlaku (částečný podtlak) uvnitř samotné plíce.
  • Dokud je tlak v alveolech nižší než tlak atmosférický, vzduch se bude pohybovat dovnitř, ale jakmile se tlak ustálí, pohyb vzduchu se zastaví.

Klíčové pojmy

  • vdech: Vtahování vzduchu do plic, které se u savců uskutečňuje zvednutím hrudních stěn a zploštěním bránice.
  • pomocné svaly: Svaly, které pomáhají rozšiřovat malé části hrudní dutiny a pracují buď jako doplněk bránice, nebo ji nahrazují, pokud dojde k poranění bránice.
  • intrapleurální tlak: Tlak uvnitř pohrudniční dutiny, který je ve srovnání s vnějším vzduchem záporný a při vdechu se stává ještě zápornějším.

Inspirace se vztahuje k vdechu – je to proudění dýchacího proudu do organismu. U člověka jde o pohyb okolního vzduchu dýchacími cestami do plicních sklípků.

Proces vdechu

Vdech začíná kontrakcí bránice, která má za následek rozšíření hrudní dutiny a pohrudniční dutiny. V pohrudniční dutině je normálně nižší tlak ve srovnání s okolním vzduchem (normálně -3 mmHg a obvykle -6 mmHg při vdechu), takže při jejím rozšíření klesá tlak uvnitř plic.

Tlak a objem jsou ve vzájemném nepřímém vztahu, takže pokles tlaku uvnitř plic zvětšuje objem vzduchu uvnitř plic tím, že do plic vtahuje vnější vzduch. Jak se objem vzduchu uvnitř plíce zvětšuje, plíce se v důsledku poklesu intrapleurálního tlaku (tlaku uvnitř pohrudniční dutiny) tlačí zpět proti rozšířené pohrudniční dutině.

Síla intrapleurálního tlaku je dokonce dostatečná na to, aby udržela plíce otevřené během nádechu navzdory přirozenému pružnému zpětnému rázu plíce. Alveolární váčky se v důsledku naplnění vzduchem během vdechu také rozpínají, což přispívá k rozpínání uvnitř plic.

V konečném důsledku se tlak uvnitř plic stává méně negativním, protože objem uvnitř plic se zvětšuje, a když se tlak a objem stabilizují, pohyb vzduchu se zastaví, vdech skončí a začne výdech (exhalace). Hlubší nádechy mají větší dechové objemy a vyžadují větší pokles nitrohrudního tlaku ve srovnání s mělčími nádechy.

Jedná se o schematický nákres celého dýchacího ústrojí, zahrnuje vnitřní detaily, jako je aveoli. Znázorňuje dýchací ústrojí jako složitý, propojený systém, kde odpor v kterékoli jeho části může způsobit problémy.

Dýchací ústrojí: Odpor v kterékoli části dýchacího ústrojí může způsobit problémy.

Přídatné svaly nádechu

Překážka je hlavním svalem, který se podílí na dýchání, nicméně za určitých okolností hraje roli několik dalších svalů. Tyto svaly se označují jako přídatné svaly nádechu.

  • Vnější mezižeberní svaly: Svaly umístěné mezi žebry, které pomáhají rozšiřovat hrudní dutinu a pohrudniční dutinu během klidného a nuceného nádechu.
  • Svaly skalenové: Svaly na krku, které zvedají horní žebra (a hrudní dutinu kolem horních žeber) a pomáhají tak při dýchání. Poskytují mechanismus pro nádech v případě, že je bránice poškozena a nemůže se normálně stahovat.
  • Sternocleidomastoidní sval: Svaly, které spojují hrudní kost s krkem a umožňují rotaci a otáčení hlavy. Mohou zvedat horní žebra podobně jako skalenové svaly.
  • Trapeziální sval: Svaly v ramenou, které stahují lopatku a rozšiřují horní část hrudní dutiny.

Přídatné svaly napomáhají dýchání tím, že rozšiřují hrudní dutinu podobně jako bránice. Ve srovnání s bránicí však rozšiřují mnohem menší část hrudní dutiny. Proto by neměly být používány jako primární mechanismus nádechu, protože v porovnání s bránicí pojmou mnohem méně vzduchu, což má za následek mnohem menší dechový objem.

Například zpěváci potřebují hodně vzduchu, aby podpořili silnou produkci hlasu potřebnou pro zpěv. Častým problémem začínajících zpěváků je dýchání pomocí pomocných svalů krku, ramen a žeber namísto bránice, což jim poskytuje mnohem menší přísun vzduchu, než jaký je potřeba ke správnému zpěvu.

Výdech

Výdech (neboli exspirace) je odchod dechového proudu z organismu.

Cíl výuky

Odhalte mechaniku výdechu

Klíčové poznatky

Klíčové body

  • U člověka je výdech pohyb vzduchu z průdušek přes dýchací cesty do vnějšího prostředí během dýchání.
  • Výdech je pasivní proces díky elastickým vlastnostem plic.
  • Při nuceném výdechu se zapojují vnitřní mezižeberní svaly, které snižují hrudní koš a zmenšují objem hrudníku, zatímco břišní svaly tlačí na bránici, což způsobuje stahování hrudní dutiny.
  • Relaxace hrudní bránice způsobuje kontrakci pohrudniční dutiny, která vyvíjí tlak na plíce, aby vypudily vzduch.
  • Mozkové řízení výdechu lze rozdělit na řízení dobrovolné a mimovolní.

Klíčové pojmy

  • Mezižeberní svaly: Mezižeberní svaly jsou několik skupin svalů, které probíhají mezi žebry a pomáhají formovat a pohybovat hrudní stěnou.
  • výdech:

Výdech, nazývaný také exhalace, je proudění dýchacího proudu ven z organismu. Účelem výdechu je odstranění metabolických odpadů, především oxidu uhličitého z těla z výměny plynů. Dráha výdechu je pohyb vzduchu z vodivé zóny ven, do vnějšího prostředí během dýchání.

Jedná se o schematický nákres celého dýchacího ústrojí, zahrnuje vnitřní detaily, jako jsou aveoly. Znázorňuje dýchací ústrojí jako složitý, propojený systém, kde odpor v kterékoli jeho části může způsobit problémy.

Dýchací ústrojí: Při uvolnění bránice se stahuje pohrudniční dutina, která působí tlakem na plíce, čímž se zmenšuje objem plic, protože vzduch je pasivně vytlačován z plic.

Proces výdechu

Výdech je obvykle pasivní proces, ke kterému dochází z uvolnění svalu bránice (který se smršťoval při nádechu). Hlavním důvodem, proč je výdech pasivní, je pružný zpětný ráz plic. Pružnost plic je způsobena molekulami zvanými elastiny v extracelulární matrix plicní tkáně a je udržována surfaktantem, chemickou látkou, která zabraňuje přílišné pružnosti plic tím, že snižuje povrchové napětí vody. Bez surfaktantu by plíce na konci výdechu zkolabovaly, což by značně ztížilo opětovné nadechnutí. Protože jsou plíce pružné, automaticky se vrátí do své menší velikosti, jakmile vzduch plíce opustí.

Výdech začíná po ukončení nádechu. Stejně jako zvýšený podtlak v pluerální dutině vede k nasávání vzduchu během nádechu, pohrudniční dutina se během výdechu stáhne (v důsledku uvolnění bránice),což působí tlak na plíce a způsobí, že tlak uvnitř dutiny je méně negativní. Zvýšení tlaku vede ke zmenšení objemu uvnitř plic a vzduch je vytlačován do dýchacích cest, protože plíce se vrací ke své menší velikosti. Pohrudniční dutina je pro dýchání tak důležitá, protože její tlak mění objem plic a poskytuje prostor bez tření, o který se plíce během dýchání rozpínají a smršťují.

Přestože je výdech obecně pasivní proces, může být také procesem aktivním a vynuceným. Na nuceném výdechu se podílejí dvě skupiny svalů.

  • Vnitřní mezižeberní svaly: Svaly hrudního koše, které pomáhají snižovat hrudní koš, čímž tlačí na hrudní dutinu a způsobují nucený výdech. Všimněte si, že nejsou totožné s vnějšími mezižeberními svaly, které se podílejí na vdechu.
  • Břišní svaly:

K tomu dochází díky elastickým vlastnostem plic a také díky vnitřním mezižeberním svalům, které snižují hrudní koš a zmenšují objem hrudníku. Když se hrudní bránice při výdechu uvolní, způsobí, že se tkáň, kterou stlačila, zvedne směrem nahoru a vytvoří tlak na plíce, aby vypudila vzduch.

Kontrola výdechu

Výdech může být dobrovolný nebo nedobrovolný, aby sloužil různým účelům těla. Tyto dva typy výdechu jsou řízeny různými centry v těle.

Dobrovolný výdech je aktivně řízen. Obecně je definováno zadržováním vzduchu v plicích a jeho uvolňováním pevnou rychlostí, což umožňuje kontrolovat, kdy a kolik vzduchu se má vydechnout. Je nutný pro tvorbu hlasu při řeči nebo zpěvu, které vyžadují velmi specifickou kontrolu nad vzduchem, nebo i při jednodušších činnostech, jako je sfouknutí svíčky na narozeninách. Součástí nervové soustavy, která řídí samovolný výdech, je motorická kůra (vzestupná dýchací dráha), protože řídí pohyby svalů, ale tato dráha není zcela objasněna a existuje mnoho dalších možných míst v mozku, která mohou být také zapojena.

Samovolný výdech není pod vědomou kontrolou a je důležitou součástí pro metabolické funkce. Příkladem může být dýchání během spánku nebo meditace. Ke změnám dechových vzorců může docházet také z metabolických důvodů, například prostřednictvím zvýšené dechové frekvence u lidí s acidózou v důsledku negativní zpětné vazby. Hlavní nervové řídicí centrum pro mimovolní výdech tvoří prodloužená mícha a pons, které se nacházejí v mozkovém kmeni přímo pod mozkem. Tyto dvě struktury se sice podílejí na nervové kontrole dýchání, ale mají také další metabolické regulační funkce pro jiné tělesné systémy, například kardiovaskulární systém.

Dýchací vzorce

Dýchání je autonomní proces, při kterém dochází k pohybu vzduchu do plic a z plic.

Cíl výuky

Popsat proces dýchání u člověka

Klíčové poznatky

Klíčové body

  • Dýchací vzorce se u jedince skládají z dechového objemu a dechové frekvence.
  • Průměrný dechový vzor je 12 dechů za minutu a 500 ml na nádech.
  • Eupnoe je normální dýchání v klidu.
  • Existují typy změněných dechových vzorců, které jsou příznaky mnoha onemocnění.
  • Změněné dechové vzorce se týkají změn dechové frekvence nebo množství vzduchu vyměněného během dýchání a ne vždy znamenají změny alveolární ventilace.
  • Mechanismus vzniku ventilačního vzorce zahrnuje integraci nervových signálů centry řízení dýchání ve dřeni a ponsu.

Klíčové pojmy

  • změněné vzorce dýchání: Abnormální vzorce dýchání, které obvykle ukazují na příliš rychlou nebo příliš pomalou dechovou frekvenci nebo na příliš velký nebo příliš malý dechový objem.
  • dechový objem:

Dýchací vzorce se týkají dechové frekvence, která je definována jako frekvence nádechů za určitý časový úsek, a také množství vzduchu obíhajícího během dýchání (dechový objem). Dechové vzorce jsou důležitým diagnostickým kritériem u mnoha onemocnění, včetně některých, která se týkají nejen samotného dýchacího systému.

Charakteristika dechových vzorců

Dýchací frekvence je frekvence dechů v průběhu času. Časový úsek je různý, ale obvykle se vyjadřuje v deších za minutu, protože tento časový úsek umožňuje odhadnout minutovou ventilaci. Při normálním dýchání se objem vzduchu cyklicky obíhajícího při nádechu a výdechu nazývá dechový objem (VT) a představuje množství vzduchu vyměněného během jednoho nádechu. Dechový objem vynásobený dechovou frekvencí je minutová ventilace, která je jedním z nejdůležitějších ukazatelů funkce plic. U průměrného dospělého člověka je průměrná dechová frekvence 12 dechů za minutu, dechový objem 0,5 litru a minutová ventilace 6 litrů za minutu, i když se tato čísla u jednotlivých osob liší. Kojenci a děti mají výrazně vyšší dechovou frekvenci než dospělí.

Spirometrická křivka: Normální dechová frekvence se vztahuje k cyklickému nádechu a výdechu dechového objemu (VT).

Dýchací frekvence je řízena mimovolními procesy autonomního nervového systému. Zejména dechová centra ve dřeni a v ponsu řídí celkovou dechovou frekvenci na základě různých chemických podnětů z nitra těla. Hypotalamus může také ovlivňovat dechovou frekvenci při emočních a stresových reakcích.

Normální a změněné dechové vzorce

Eupnoe je označení pro normální dechovou frekvenci jedince v klidu. Několik dalších termínů popisuje abnormální vzorce dýchání, které svědčí o příznacích mnoha nemocí, z nichž mnohé nejsou převážně respiračními chorobami. Mezi nejběžnější termíny pro změněné vzorce dýchání patří:

  • Dyspnoe: běžně se nazývá dušnost. Popisuje dramaticky snížený dechový objem a někdy i zvýšenou dechovou frekvenci, což vede k pocitu dušnosti. Je běžným příznakem mimo jiné záchvatů úzkosti, plicní embolie, srdečního infarktu a rozedmy plic.
  • Hypernoe: označuje zvýšený objem vzduchu cyklicky proudícího k uspokojení metabolických potřeb organismu, což může, ale nemusí zahrnovat změnu frekvence dýchání. Je příznakem cvičení a adaptace na vysokou nadmořskou výšku, které obecně nejsou problematické, ale může se vyskytnout i u osob s anémií nebo septickým šokem, což problematické je.
  • Tachypnoe: popisuje zvýšenou frekvenci dýchání. Často je příznakem otravy oxidem uhelnatým nebo pnuemonie.
  • Bradypnoe: popisuje sníženou dechovou frekvenci. Často je příznakem hypertenze, srdeční arytmie nebo pomalé metabolické rychlosti při hypotyreóze.
  • Apnoe: Přechodné zastavení dýchání, které brzy poté opět začne. Jedná se o hlavní příznak spánkové apnoe, při níž dochází k dočasnému zastavení dýchání během spánku.

Všechny tyto pojmy popisují změněný vzorec dýchání prostřednictvím zvýšeného nebo sníženého (či zastaveného) dechového objemu nebo dechové frekvence. Je důležité tyto termíny odlišit od hyperventilace a hypoventilace, které se týkají abnormalit v alveolární výměně plynů (a tím i pH krve) namísto změněného vzorce dýchání, ale mohou být se změněným vzorcem dýchání spojeny. Například dušnost nebo tachypnoe se často vyskytují společně s hyperventilací během záchvatů úzkosti, i když ne vždy.

Napsat komentář