Boundless Anatomy and Physiology

Pressure Changes During Pulmonary Ventilation

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

A légzési sebességek típusai

A légzésfiziológiában a légzési sebesség az a sebesség, amellyel a gáz belép a tüdőbe vagy távozik onnan. A ventilációt általában a levegő térfogatának és a légzési ráta szorzataként fejezik ki.

A levegő térfogata utalhat a légzési térfogatra (az egy átlagos légzés során belélegzett mennyiségre) vagy valami specifikusabbra, például a légutakban lévő holt térfogatra. A légzésfiziológiában használt három fő lélegeztetési sebességtípus a következő:

1. Minute ventiláció (VE): A tüdőbe percenként belépő levegő mennyisége. A következőképpen határozható meg: \text{VE}=\text{Légzési térfogat}\times\text{Légzés percenként}
2. Alveoláris ventilláció (VA): Az időegységenként az alveolusokba jutó és a gázcserében részt vevő gázmennyiség. Definíciója: \text{VA}=\left(\text{Légzési térfogat}-\text{Holt térfogat}\right)\times\text{Légzési sebesség}
3. Holt tér szellőzése (VD): Az a levegő mennyisége időegységenként, amely nem vesz részt a gázcserében, például a vezetési zónákban maradó levegő. Definíciója: \text{VD}=\text{Holt térfogat}\times\text{Légzési ráta}.

A percventilláció leírható az alveoláris és a holt tér ventilláció összegeként is, feltéve, hogy a levezetésükhöz használt légzési ráta percenkénti lélegzetvételben van megadva.

A háromféle ventilláció matematikailag kapcsolódik egymáshoz, így az egyik ventillációs ráta változása a másikét is okozhatja. Ez leginkább a holt térfogat változásában nyilvánul meg. A sznorkelcsövön keresztül történő légzés és a tüdőembólia mindkettő növeli a holt térfogat mennyiségét (az anatómiai illetve az alveoláris holt tér révén), ami csökkenti az alveoláris szellőzést.

Az alveoláris szellőzés a legfontosabb szellőzéstípus annak mérése szempontjából, hogy mennyi oxigén jut ténylegesen a szervezetbe, ami negatív visszacsatolási mechanizmusokat indíthat el, hogy a holt tér növekedése ellenére megpróbálja növelni az alveoláris szellőzést. Különösen a szervezet általában a légzés gyakoriságának növelésével próbál megküzdeni a megnövekedett holt tér ellen, hogy megpróbálja fenntartani az alveoláris szellőzés megfelelő szintjét.

Gázok parciális nyomása

Ha a légzés során gázok oldódnak a véráramban, azt általában a gázok parciális nyomásával írják le. A parciális nyomás pontosabban e gázok relatív koncentrációjára utal az általuk oldott állapotban kifejtett nyomás alapján.

A légzésfiziológiában a PAO2 és a PACO2,az oxigén és a szén-dioxid parciális nyomására utal az alveolusokban.

APaO2 és a PaCO2 az oxigén és a szén-dioxid parciális nyomására utal az artériás vérben. A gázok parciális nyomása közötti különbségek az alveoláris levegő és a véráram között az oka annak, hogy a gázcsere passzív diffúzióval történik.

Normális körülmények között a PAO2 körülbelül 100 mmHg, míg a PaO2 80-100 mmHg a szisztémás artériákban, de 40-50 mmHg a tüdőbe tartó tüdőartéria oxigénmentes vérében.

Emlékezzünk arra, hogy a gázok a magas nyomású területekről az alacsony nyomású területek felé haladnak, így az alveolusokban lévő oxigénnek az oxigénmentes vérhez képest nagyobb nyomása magyarázza, hogy az oxigén miért tud passzívan a véráramba diffundálni a gázcsere során.

A PACO2 ezzel szemben 35 mmHg, míg a PaCO2 körülbelül 40-45 mmHg a szisztémás artériákban és 50 mmHg a tüdőartériában. Az alveolusok kapillárisaiban az alveoláris levegőhöz képest nagyobb a parciális nyomás, és így a szén-dioxid koncentrációja is, így a szén-dioxid a gázcsere során passzívan diffundál a véráramból az alveolusokba.

Kiegészítésképpen, mivel a PaCO2 az artériás vér szén-dioxid-koncentrációjának mutatója, a vér pH-értékének mérésére és a légúti acidózis és alkalkózis eseteinek azonosítására is használható.

Légzés

A belégzés a légkör és az alveolusok közötti nyomáskülönbség következtében a szervezetbe áramló levegő.

Az inspiráció a belégzésre utal – ez a légzőáram áramlása a szervezetbe. Az embernél ez a környezeti levegő mozgása a légutakon keresztül a tüdő alveolusaiba.

A belégzés folyamata

A belégzés a rekeszizom összehúzódásával kezdődik, ami a mellüreg és a mellhártyaüreg kitágulását eredményezi. A mellhártyaüregben általában alacsonyabb a nyomás a környezeti levegőhöz képest (általában -3 mmHg, belégzéskor jellemzően -6 mmHg), így amikor kitágul, a tüdőn belüli nyomás csökken.

A nyomás és a térfogat fordítottan arányos egymással, így a tüdőn belüli nyomáscsökkenés növeli a tüdőben lévő levegő térfogatát azáltal, hogy külső levegőt vonz a tüdőbe. Ahogy a tüdőben lévő levegő térfogata megnő, a tüdő az intrapleurális nyomás csökkenése következtében (a pleurális üregben lévő nyomás) visszanyomódik a kitágult mellhártyaüreghez.

Az intrapleurális nyomás ereje még ahhoz is elegendő, hogy a tüdőt a belégzés során a tüdő természetes rugalmas visszahúzódása ellenére nyitva tartsa. Az alveoláris zsákok is kitágulnak, mivel a belégzés során levegővel töltődnek fel, ami szintén hozzájárul a tüdőn belüli táguláshoz.

A tüdőn belüli nyomás végül a tüdőn belüli térfogat növekedésével egyre kevésbé lesz negatív, és amikor a nyomás és a térfogat stabilizálódik, a légmozgás megszűnik, a belégzés befejeződik, és megkezdődik a kilégzés (exspiráció). A mélyebb légzések nagyobb légzési térfogattal rendelkeznek, és a sekélyebb légzésekhez képest nagyobb léleken belüli nyomáscsökkenést igényelnek.

A belégzés járulékos izmai

A rekeszizom a légzésben részt vevő elsődleges izom, azonban bizonyos körülmények között számos más izom is szerepet játszik. Ezeket az izmokat a belégzés járulékos izmainak nevezzük.

• Külső bordaközi izmok: A bordák között elhelyezkedő izmok, amelyek segítik a mellüreg és a mellhártyaüreg tágulását a nyugodt és az erőltetett belégzés során.
• A szkuláris izmok: A nyakban lévő izmok, amelyek a felső bordákat (és a felső bordák körüli mellkasi üreget) megemelik, hogy segítsék a légzést. Ezek biztosítják a belégzés mechanizmusát, ha a rekeszizom sérült és nem tud normálisan összehúzódni.
• Sternocleidomastoid izom: A szegycsontot a nyakkal összekötő izmok, amelyek lehetővé teszik a fej forgatását és elfordítását. A felső bordákat ugyanúgy képesek megemelni, mint a scaleneus izmok.
• Trapezius izom: A vállban lévő izmok, amelyek visszahúzzák a lapockát és kitágítják a mellüreg felső részét.

A járulékos izmok a rekeszizomhoz hasonlóan a mellüreg kitágításával segítik a légzést. A rekeszizomhoz képest azonban a mellüreg sokkal kisebb részét tágítják ki. Ezért nem szabad őket a belégzés elsődleges mechanizmusaként használni, mert a rekeszizomhoz képest sokkal kevesebb levegőt vesznek fel, ami sokkal kisebb légzési térfogatot eredményez.

Az énekeseknek például sok levegőre van szükségük az énekléshez szükséges erőteljes hangképzéshez. A kezdő énekeseknél gyakori probléma, hogy a rekeszizom helyett a nyak, a váll és a bordák járulékos izmaival lélegeznek, így sokkal kevesebb levegőhöz jutnak, mint amennyi a megfelelő énekléshez szükséges.

Kilégzés

A kilégzés (vagy exspiráció) a légzőáramnak a szervezetből való kiáramlása.

A kilégzés, más néven kilégzés, a légzőáramnak a szervezetből való kiáramlása. A kilégzés célja az anyagcsere hulladékok, elsősorban a szén-dioxid eltávolítása a szervezetből a gázcsere során. A kilégzés útja a levegőnek a légzés során a vezetési zónából a külső környezetbe történő áramlása.

A kilégzés folyamata

A kilégzés jellemzően passzív folyamat, amely a rekeszizom (amely a belégzés során összehúzódott) ellazulásából történik. Az elsődleges oka annak, hogy a kilégzés passzív, a tüdő rugalmas visszahatásának köszönhető. A tüdő rugalmasságát a tüdőszövetek extracelluláris mátrixában található elasztin nevű molekuláknak köszönheti, és a szurfaktáns tartja fenn, egy olyan kémiai anyag, amely a víz felületi feszültségének csökkentésével megakadályozza, hogy a tüdő rugalmassága túl nagy legyen. Szurfaktáns nélkül a tüdő a kilégzés végén összeesne, és így sokkal nehezebb lenne újra belélegezni. Mivel a tüdő rugalmas, automatikusan visszatér kisebb méretére, amint a levegő elhagyja a tüdőt.

A kilégzés akkor kezdődik, amikor a belégzés véget ér. Ahogy a tüdőüreg megnövekedett negatív nyomása a belégzés során a levegő felvételéhez vezet, a mellhártyaüreg a kilégzés során összehúzódik (a rekeszizom ellazulása miatt),ami nyomást gyakorol a tüdőre, és az üregben lévő nyomás kevésbé lesz negatív. A nyomás növekedése a tüdőn belüli térfogat csökkenéséhez vezet, és a levegő kiszorul a légutakba, ahogy a tüdő visszanyeri kisebb méretét. A mellhártyaüreg azért olyan fontos a légzés szempontjából, mert nyomása megváltoztatja a tüdő térfogatát, és súrlódásmentes teret biztosít a tüdő számára, amelyhez képest a légzés során kitágul és összehúzódik.

Míg a kilégzés általában passzív folyamat, lehet aktív és erőltetett folyamat is. Az erőltetett kilégzésben két izomcsoport vesz részt.

• A belső bordaközi izmok: A bordakosár izmai, amelyek segítenek leengedni a bordakosarat, ami lenyomja a mellüregre, és így kényszerített kilégzést okoz. Ne feledje, hogy ezek nem azonosak a külső bordaközi izmokkal, amelyek a belégzésben vesznek részt.
• A hasizmok: Bármilyen számú hasi izom, amelyek alulról nyomást gyakorolnak a rekeszizomra, hogy kitágítsák azt, ami viszont összehúzza a mellkasi üreget, erőltetett kilégzést okozva.

Ez a tüdő rugalmas tulajdonságai miatt történik, valamint a belső bordaközi izmok miatt, amelyek leengedik a bordakosarat és csökkentik a mellkasi térfogatot. Ahogy a mellkasi rekeszizom kilégzés közben ellazul, az általa lenyomott szövetek felfelé emelkednek, és nyomást gyakorolnak a tüdőre a levegő kilégzése érdekében.

A kilégzés irányítása

A kilégzés lehet akaratlagos vagy akaratlan, hogy különböző célokat szolgáljon a szervezet számára. A kilégzés e két típusát a szervezeten belül különböző központok irányítják.

Az akaratlagos kilégzést aktívan irányítjuk. Általában úgy határozzák meg, hogy a levegőt a tüdőben tartják és meghatározott ütemben engedik ki, ami lehetővé teszi annak ellenőrzését, hogy mikor és mennyi levegőt lélegezzenek ki. Erre van szükség a beszéd vagy éneklés során történő hangképzéshez, amely nagyon specifikus kontrollt igényel a levegő felett, vagy akár egyszerűbb tevékenységekhez, mint például egy gyertya elfújása a születésnapon. Az akaratlagos kilégzést irányító idegrendszeri komponens a motoros kéreg (a felszálló légzőpálya), mivel az irányítja az izommozgásokat, de ez a pálya nem teljesen ismert, és az agyban számos más lehetséges hely is érintett lehet.

Az akaratlan kilégzés nem áll tudatos kontroll alatt, és fontos összetevője az anyagcsere-funkcióknak. Ilyen például az alvás vagy a meditáció közbeni légzés. A légzésminták változásai metabolikus okokból is bekövetkezhetnek, például a negatív visszacsatolásból eredő acidózisban szenvedő embereknél a légzésszám növekedése révén. Az önkéntelen kilégzés fő idegi irányítóközpontját a medulla oblongata és a pons alkotja, amelyek az agytörzsben, közvetlenül az agy alatt helyezkednek el. Bár ez a két struktúra részt vesz az idegi légzésszabályozásban, más anyagcsere-szabályozó funkciókat is ellátnak más testrendszerek, például a szív- és érrendszer számára.

Légzésminták

A légzés egy autonóm folyamat, amely a levegőt mozgatja be és ki a tüdőből.

A légzési minták a légzési frekvenciára utalnak, amelyet a légzések gyakoriságaként határoznak meg egy bizonyos idő alatt, valamint a légzés során keringetett levegő mennyiségére (légzési térfogat). A légzésminták számos betegség fontos diagnosztikai kritériuma, köztük olyanoké is, amelyek nem csak magát a légzőrendszert érintik.

A légzésminták jellemzői

A légzésszám a légzések időbeli gyakorisága. Az időtartam változó, de általában percenkénti lélegzetvételben fejezik ki, mert ez az időtartam lehetővé teszi a percenkénti szellőzés becslését. Normál légzés során a belégzés és kilégzés során ciklikusan átáramló levegő mennyiségét nevezzük légzési térfogatnak (tidal volume, VT), és ez az egy légzés során kicserélt levegő mennyisége. A légzési térfogat és a légzésszám szorzata a percventilláció, amely a tüdőfunkció egyik legfontosabb mutatója. Egy átlagos felnőtt embernél az átlagos légzésszám 12 légzés/perc, a légzési térfogat 0,5 liter, a percventilláció pedig 6 liter/perc, bár ezek a számok egyénenként változnak. A csecsemők és a gyermekek légzési sebessége lényegesen magasabb, mint a felnőtteké.

A légzésszámot a vegetatív idegrendszer önkéntelen folyamatai szabályozzák. Különösen a medulla és a pons légzőközpontjai szabályozzák a teljes légzésszámot a szervezeten belülről érkező különféle kémiai ingerek alapján. A hipotalamusz is befolyásolhatja a légzésszámot érzelmi és stresszreakciók során.

Normális és megváltozott légzésminták

Az eupnoe a nyugalmi állapotban lévő egyén normális légzésszámát jelenti. Számos más kifejezés írja le a kóros légzésmintákat, amelyek számos betegség tüneteire utalnak, amelyek közül sok nem elsősorban légzőszervi betegség. A megváltozott légzésminták néhány gyakoribb kifejezése:

• Dyspnoe: általában légszomjnak nevezik. Drámaian csökkent légzési térfogatot és néha megnövekedett légzésszámot ír le, ami a légszomj érzetéhez vezet. Többek között szorongásos rohamok, tüdőembólia, szívroham és tüdőtágulás gyakori tünete.
• Hypernoé: a szervezet anyagcsere-szükségleteinek kielégítése érdekében megnövekedett légcserélt légmennyiségre utal, ami a légzés gyakoriságának megváltozásával járhat vagy nem járhat. Ez a testmozgás és a nagy magassághoz való alkalmazkodás tünete, amelyek általában nem jelentenek problémát, de előfordulhat vérszegénységben vagy szeptikus sokkban szenvedőknél is, ami problémás.
• Tachypnoe: fokozott légzésszámot ír le. Gyakran szénmonoxid-mérgezés vagy pneumónia tünete.
• Bradypnoe: csökkent légzésszámot ír le. Gyakran magas vérnyomás, szívritmuszavarok vagy pajzsmirigy alulműködésből eredő lassú anyagcsereráta tünete.
• Apnoe: Átmeneti légzésmegállás, amely hamarosan újra kezdődik. Ez az alvási apnoe fő tünete, amikor a légzés alvás közben átmenetileg leáll.

Ezek a kifejezések mind megváltozott légzési mintázatot írnak le a megnövekedett vagy csökkent (vagy leállt) légzési térfogat vagy légzésszám révén. Fontos megkülönböztetni ezeket a kifejezéseket a hiperventillációtól és a hipoventillációtól, amelyek a megváltozott légzési mintázat helyett az alveoláris gázcsere (és így a vér pH-értékének) rendellenességére utalnak, de társulhatnak megváltozott légzési mintázattal. Például a szorongásos rohamok során a nehézlégzés vagy a tachypnoe gyakran együtt jelentkezik hiperventillációval, bár nem mindig.