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 odnosi się do ciśnienia parcjalnego gazu w pęcherzykach płucnych, podczas gdy Pa odnosi się do ciśnienia parcjalnego tego gazu we krwi tętniczej.
  • Wymiana gazowa zachodzi w wyniku dyfuzji biernej, ponieważ PAO2 jest większe niż PaO2 w odtlenowanej krwi.

Kluczowe pojęcia

  • Wentylacja: Cielesny proces oddychania, wdychanie powietrza w celu dostarczenia tlenu i wydychanie zużytego powietrza w celu usunięcia dwutlenku węgla.
  • ciśnienie parcjalne: Ciśnienie wywierane przez gaz, w powietrzu lub rozpuszczony, które wskazuje na stężenie tego gazu.

Rodzaje szybkości wentylacji

W fizjologii oddychania, szybkość wentylacji jest szybkością, z jaką gaz dostaje się do płuc lub je opuszcza. Objętość powietrza może odnosić się do objętości oddechowej (ilość wdychana podczas przeciętnego oddechu) lub do czegoś bardziej specyficznego, jak np. objętość martwej przestrzeni w drogach oddechowych. Trzy główne rodzaje wskaźników wentylacji stosowane w fizjologii oddychania to:

  1. Wentylacja minutowa (VE): Ilość powietrza dostającego się do płuc w ciągu minuty. Można ją zdefiniować jako \tekst{VE}= \tekst{objętość oddechowa} \tekst{oddech na minutę}
  2. Wentylacja pęcherzykowa (VA): Ilość gazu w jednostce czasu, która dociera do pęcherzyków płucnych i bierze udział w wymianie gazowej. Definiuje się ją jako \tekst{VA}=lewa(\tekst{Objętość oddechowa}- \tekst{Objętość przestrzeni martwej}-prawa)\times \tekst{Respiratory Rate}
  3. Wentylacja przestrzeni martwej (VD): Ilość powietrza w jednostce czasu, która nie bierze udziału w wymianie gazowej, jak np. powietrze pozostające w strefach przewodzenia. Definiuje się ją jako \tekst{VD}= \tekst{Objętość przestrzeni martwej} \tekst{Respiratory Rate}.

Dodatkowo wentylacja minutowa może być opisana jako suma wentylacji pęcherzyków płucnych i przestrzeni martwej, pod warunkiem, że częstość oddechów użyta do ich obliczenia jest wyrażona w oddechach na minutę.

Trzy typy wentylacji są ze sobą matematycznie powiązane, więc zmiany w jednym z nich mogą powodować zmiany w pozostałych. Jest to najbardziej widoczne w zmianach objętości przestrzeni martwej. Oddychanie przez rurkę do nurkowania i zatorowość płucna zwiększają objętość przestrzeni martwej (poprzez anatomiczną i pęcherzykową przestrzeń martwą), co zmniejsza wentylację pęcherzykową.

Wentylacja pęcherzykowa jest najważniejszym typem wentylacji dla pomiaru ilości tlenu dostającego się do organizmu, który może zainicjować mechanizmy ujemnego sprzężenia zwrotnego, aby spróbować zwiększyć wentylację pęcherzykową pomimo wzrostu przestrzeni martwej. W szczególności, organizm będzie generalnie próbował zwalczyć zwiększoną przestrzeń martwą poprzez zwiększenie częstotliwości oddechów, aby spróbować i utrzymać wystarczający poziom wentylacji pęcherzykowej.

Częściowe ciśnienie gazów

To jest diagram wymiany gazowej w płucach. Przedstawia on aveoli usuwające dwutlenek węgla z krwi, a następnie dodające tlen do krwi.

Wymiana gazowa w płucach: Diagram wymiany gazowej w płucach.

Gdy gazy rozpuszczają się w krwiobiegu podczas wentylacji, są one ogólnie opisywane przez ciśnienie parcjalne gazów. Ciśnienie parcjalne bardziej szczegółowo odnosi się do względnego stężenia tych gazów przez ciśnienie, jakie wywierają w stanie rozpuszczonym.

W fizjologii oddychania, PAO2 i PACO2, odnoszą się do ciśnień parcjalnych tlenu i dwutlenku węgla w pęcherzykach płucnych.

PaO2 i PaCO2 odnoszą się do ciśnień parcjalnych tlenu i dwutlenku węgla we krwi tętniczej. Różnice ciśnień parcjalnych gazów między powietrzem w pęcherzykach płucnych a strumieniem krwi są przyczyną tego, że wymiana gazowa zachodzi na drodze dyfuzji biernej.

W warunkach prawidłowych PAO2 wynosi około 100 mmHg, podczas gdy PaO2 wynosi 80-100 mmHg w tętnicach systemowych, ale 40-50 mmHg w odtlenowanej krwi w tętnicy płucnej idącej do płuc.

Przypomnijmy, że gazy przemieszczają się z obszarów o wysokim ciśnieniu do obszarów o niskim ciśnieniu, więc większe ciśnienie tlenu w pęcherzykach płucnych w porównaniu z ciśnieniem odtlenowanej krwi wyjaśnia, dlaczego tlen może biernie dyfundować do krwiobiegu podczas wymiany gazowej.

Odwrotnie, PACO2 wynosi 35 mmHg, podczas gdy PaCO2 wynosi około 40-45 mmHG w tętnicach systemowych i 50 mmHg w tętnicy płucnej. Ciśnienie parcjalne, a tym samym stężenie dwutlenku węgla, jest większe w kapilarach pęcherzyków płucnych w porównaniu z powietrzem w pęcherzykach płucnych, dlatego dwutlenek węgla będzie biernie dyfundował z krwiobiegu do pęcherzyków płucnych podczas wymiany gazowej.

Dodatkowo, ponieważ PaCO2 jest wskaźnikiem stężenia dwutlenku węgla we krwi tętniczej, można go wykorzystać do pomiaru pH krwi i identyfikacji przypadków kwasicy i zasadowicy oddechowej.

Wdychanie

Wdychanie to przepływ powietrza do organizmu, który jest spowodowany różnicą ciśnień między atmosferą a pęcherzykiem płucnym.

Cel nauczania

Zarys mechaniki wdechu

Kluczowe wnioski

Kluczowe punkty

  • W przypadku ludzi wdech to przepływ powietrza do organizmu ze środowiska zewnętrznego, przez drogi oddechowe i do pęcherzyków płucnych.
  • Wdech rozpoczyna się skurczem przepony, który powoduje rozszerzenie klatki piersiowej i jamy opłucnej oraz spadek ciśnienia (zwany również wzrostem podciśnienia).
  • W wdech jest wykonywany przez wiele dodatkowych mięśni, takich jak mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne, mięśnie skaleniowe, mięsień mostkowo-obojczykowo-sutkowy i mięsień trapezowy.
  • Oddychanie tylko mięśniami pomocniczymi zamiast przeponą jest uważane za nieefektywne i dostarcza znacznie mniej powietrza podczas wdechu.
  • Podciśnienie w jamie opłucnej jest wystarczające, aby utrzymać płuca otwarte pomimo naturalnej elastyczności tkanki. Jama klatki piersiowej zwiększa swoją objętość, powodując spadek ciśnienia (częściowe podciśnienie) w samych płucach.
  • Dopóki ciśnienie w pęcherzykach płucnych jest niższe niż ciśnienie atmosferyczne, powietrze będzie nadal poruszać się do wewnątrz, ale jak tylko ciśnienie ustabilizuje się, ruch powietrza ustaje.

Kluczowe pojęcia

  • wdech: Wciąganie powietrza do płuc, realizowane u ssaków przez uniesienie ścian klatki piersiowej i spłaszczenie przepony.
  • Mięśnie pomocnicze: Mięśnie, które pomagają rozszerzyć małe części klatki piersiowej, działające dodatkowo do przepony lub zastępujące ją w przypadku uszkodzenia przepony.
  • Ciśnienie wewnątrzopłucnowe: Ciśnienie wewnątrz jamy opłucnej, które jest ujemne w porównaniu z powietrzem zewnętrznym i staje się jeszcze bardziej ujemne podczas wdechu.

Inspiracja odnosi się do wdechu – jest to przepływ prądu oddechowego do organizmu. U ludzi jest to ruch powietrza z otoczenia przez drogi oddechowe do pęcherzyków płucnych.

Proces wdechu

Wdech rozpoczyna się skurczem przepony, który powoduje rozszerzenie klatki piersiowej i jamy opłucnej. Jama opłucnej ma zwykle niższe ciśnienie w porównaniu do powietrza w otoczeniu (-3 mmHg normalnie i zwykle -6 mmHg podczas wdechu), więc kiedy się rozszerza, ciśnienie wewnątrz płuc spada.

Ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne do siebie, więc spadek ciśnienia wewnątrz płuc zwiększa objętość powietrza w płucach poprzez wciągnięcie powietrza z zewnątrz do płuc. Ponieważ objętość powietrza w płucach wzrasta, płuca na skutek spadku ciśnienia śródopłucnowego (ciśnienia wewnątrz jamy opłucnej) odpychają się od rozszerzonej jamy opłucnej.

Siła ciśnienia śródopłucnowego wystarcza nawet do utrzymania płuc w pozycji otwartej podczas wdechu, pomimo naturalnego sprężystego odrzutu płuc. Woreczki pęcherzykowe również rozszerzają się w wyniku wypełnienia powietrzem podczas wdechu, co przyczynia się do rozszerzenia płuca.

W końcu ciśnienie wewnątrz płuca staje się mniej ujemne wraz ze wzrostem jego objętości, a kiedy ciśnienie i objętość ustabilizują się, ruch powietrza ustaje, wdech się kończy, a rozpoczyna się wydech. Głębsze oddechy mają większą objętość oddechową i wymagają większego spadku ciśnienia wewnątrzopłucnowego w porównaniu do płytszych oddechów.

To jest schematyczny rysunek całego układu oddechowego, zawiera wewnętrzne szczegóły, takie jak pęcherzyki płucne. Ilustruje on układ oddechowy jako złożony, połączony system, w którym opór w dowolnej jego części może powodować problemy.

Układ oddechowy: Opór w każdej części dróg oddechowych może powodować problemy.

Mięśnie pomocnicze wdechu

Przepona jest podstawowym mięśniem zaangażowanym w oddychanie, jednak kilka innych mięśni odgrywa rolę w pewnych okolicznościach. Mięśnie te określane są jako mięśnie pomocnicze wdechu.

  • Mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne: Mięśnie znajdujące się pomiędzy żebrami, które pomagają jamie klatki piersiowej i jamie opłucnej rozszerzyć się podczas spokojnego i wymuszonego wdechu.
  • Mięśnie skośne: Mięśnie w szyi, które podnoszą górne żebra (i jamę klatki piersiowej wokół górnych żeber), aby pomóc w oddychaniu. Zapewniają one mechanizm wdechu, gdy przepona jest uszkodzona i nie może się normalnie skurczyć.
  • Mięsień mostkowo-obojczykowo-sutkowy: Mięśnie, które łączą mostek z szyją i pozwalają na obrót i obracanie głowy. Mogą one podnosić górne żebra, tak jak mięśnie skalene.
  • Mięsień trapezius: Mięśnie w ramionach, które cofają łopatkę i rozszerzają górną część klatki piersiowej.

Mięśnie pomocnicze wspomagają oddychanie poprzez rozszerzanie klatki piersiowej w podobny sposób jak przepona. Rozszerzają one jednak znacznie mniejszą część klatki piersiowej w porównaniu do przepony. Dlatego nie powinny być używane jako główny mechanizm wdechu, ponieważ pobierają znacznie mniej powietrza w porównaniu do przepony, co skutkuje znacznie mniejszą objętością oddechową.

Na przykład, śpiewacy potrzebują dużo powietrza, aby wspierać potężną produkcję głosu potrzebną do śpiewania. Częstym problemem u początkujących śpiewaków jest oddychanie za pomocą mięśni pomocniczych szyi, ramion i żeber zamiast przepony, co daje im znacznie mniejszy zapas powietrza niż ten potrzebny do prawidłowego śpiewania.

Wydech

Wydech (lub wydech) to wypływ prądu oddechowego z organizmu.

Cel nauczania

Zarys mechaniki wydechu

Key Takeaways

Key Points

  • W człowieku, wydech to ruch powietrza z oskrzeli, przez drogi oddechowe, do środowiska zewnętrznego podczas oddychania.
  • Wydech jest procesem pasywnym z powodu elastycznych właściwości płuc.
  • Podczas wymuszonego wydechu, wewnętrzne mięśnie międzyżebrowe, które obniżają klatkę żebrową i zmniejszają objętość klatki piersiowej, podczas gdy mięśnie brzucha naciskają na przeponę, co powoduje skurcz klatki piersiowej.
  • Relaksacja przepony piersiowej powoduje skurcz jamy opłucnej, która wywiera nacisk na płuca, aby wydalić powietrze.
  • Mózgowa kontrola wydechu może być podzielona na kontrolę dobrowolną i kontrolę mimowolną.

Kluczowe pojęcia

  • Mięśnie międzyżebrowe: Mięśnie międzyżebrowe to kilka grup mięśni, które biegną pomiędzy żebrami i pomagają formować i poruszać ścianę klatki piersiowej.
  • Wydech: Czynność lub proces wydychania, lub wysyłanie dalej w postaci pary lub oparów; evaporation.

Wydech, zwany również ekshalacją, jest przepływem prądu oddechowego z organizmu. Celem wydechu jest usunięcie odpadów metabolicznych, głównie dwutlenku węgla z organizmu z wymiany gazowej. Droga wydechu to ruch powietrza poza strefę przewodzenia, do środowiska zewnętrznego podczas oddychania.

Jest to schematyczny rysunek całego układu oddechowego, zawiera wewnętrzne szczegóły, takie jak aveoli. Ilustruje on układ oddechowy jako złożony, połączony system, w którym opór w jakiejkolwiek jego części może powodować problemy.

Układ oddechowy: Gdy przepona się rozluźnia, jama opłucnej kurczy się, co wywiera nacisk na płuca, co zmniejsza objętość płuc, ponieważ powietrze jest pasywnie wypychane z płuc.

Proces wydechu

Wydech jest zazwyczaj procesem pasywnym, który zachodzi z rozluźnienia mięśnia przepony (który skurczył się podczas wdechu). Podstawowym powodem, dla którego wydech jest pasywny, jest sprężystość płuc. Elastyczność płuc jest spowodowana cząsteczkami zwanymi elastynami w macierzy zewnątrzkomórkowej tkanek płuc i jest utrzymywana przez surfaktant, substancję chemiczną, która zapobiega zbyt dużej elastyczności płuc poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Bez surfaktantu płuca zapadałyby się pod koniec wydechu, co znacznie utrudniałoby ponowny wdech. Ponieważ płuca są elastyczne, automatycznie powracają do swoich mniejszych rozmiarów, gdy powietrze opuszcza płuca.

Wdech zaczyna się, gdy kończy się wdech. Tak jak zwiększone ujemne ciśnienie w jamie opłucnej prowadzi do pobierania powietrza podczas wdechu, tak samo jama opłucnej kurczy się podczas wydechu (z powodu rozluźnienia przepony), co wywiera nacisk na płuca i powoduje, że ciśnienie wewnątrz jamy jest mniej ujemne. Wzrost ciśnienia prowadzi do zmniejszenia objętości w płucach, a powietrze jest wypychane do dróg oddechowych, gdy płuca wracają do swoich mniejszych rozmiarów. Jama opłucnej jest tak ważna dla oddychania, ponieważ jej ciśnienie zmienia objętość płuc i zapewnia pozbawioną tarcia przestrzeń, w której płuca rozszerzają się i kurczą podczas oddychania.

Wydech jest na ogół procesem biernym, ale może być również procesem aktywnym i wymuszonym. Istnieją dwie grupy mięśni, które są zaangażowane w wymuszony wydech.

  • Mięśnie międzyżebrowe wewnętrzne: Mięśnie żeber, które pomagają obniżyć klatkę piersiową, która naciska w dół na jamę klatki piersiowej, powodując wymuszony wydech. Należy pamiętać, że nie są one tożsame z zewnętrznymi mięśniami międzyżebrowymi zaangażowanymi w wdech.
  • Mięśnie brzucha: Dowolna liczba mięśni w jamie brzusznej, które wywierają nacisk na przeponę od dołu, aby ją rozszerzyć, co z kolei powoduje skurcz klatki piersiowej i wymuszony wydech.

Dzieje się tak z powodu elastycznych właściwości płuc, jak również wewnętrznych mięśni międzyżebrowych, które obniżają klatkę żebrową i zmniejszają objętość klatki piersiowej. Gdy przepona piersiowa rozluźnia się podczas wydechu, powoduje to, że tkanka, która została wciśnięta, unosi się do góry i wywiera nacisk na płuca, aby wydalić powietrze.

Kontrola wydechu

Wydech może być dobrowolny lub mimowolny, aby służyć różnym celom dla organizmu. Te dwa rodzaje wydechu są kontrolowane przez różne ośrodki w organizmie.

Wydech dobrowolny jest aktywnie kontrolowany. Jest on ogólnie zdefiniowany przez zatrzymanie powietrza w płucach i wypuszczanie go w ustalonym tempie, co umożliwia kontrolę nad tym, kiedy i ile powietrza należy wydychać. Jest to wymagane do produkcji głosu podczas mowy lub śpiewu, który wymaga bardzo specyficznej kontroli nad powietrzem, a nawet prostszych czynności, takich jak zdmuchiwanie świeczki w dniu urodzin. Składnikiem układu nerwowego, który kontroluje dobrowolny wydech, jest kora ruchowa (wstępująca droga oddechowa), ponieważ kontroluje ona ruchy mięśni, ale ta droga nie jest w pełni zrozumiała i istnieje wiele innych możliwych miejsc w mózgu, które również mogą być zaangażowane.

Mimowolny wydech nie jest pod świadomą kontrolą i jest ważnym składnikiem funkcji metabolicznych. Przykłady obejmują oddychanie podczas snu lub medytacji. Zmiany we wzorcach oddechowych mogą również wystąpić z powodów metabolicznych, takich jak zwiększona częstość oddechów u osób z kwasicą z ujemnego sprzężenia zwrotnego. Główne neuronalne centrum kontroli dla mimowolnego wydechu składa się z rdzenia przedłużonego i móżdżku, które znajdują się w pniu mózgu bezpośrednio pod mózgiem. Podczas gdy te dwie struktury są zaangażowane w neuronalną kontrolę oddychania, mają one również inne metaboliczne funkcje regulacyjne dla innych układów ciała, takich jak układ sercowo-naczyniowy.

Wzory oddychania

Oddychanie jest procesem autonomicznym, który przemieszcza powietrze do i z płuc.

Cel nauczania

Opisać proces oddychania u ludzi

Kluczowe wnioski

Kluczowe punkty

  • Wzorce oddychania składają się z objętości oddechowej i częstości oddechów u danej osoby.
  • Przeciętny wzorzec oddychania to 12 oddechów na minutę i 500 mL na oddech.
  • Eupnea to normalne oddychanie w spoczynku.
  • Istnieją rodzaje zmienionych wzorców oddechowych, które są objawami wielu chorób.
  • Zmiany wzorców oddechowych odnoszą się do zmian w częstości oddechów lub ilości powietrza wymienianego podczas oddychania i nie zawsze wskazują na zmiany w wentylacji pęcherzyków płucnych.
  • Mechanizm generowania wzorca oddechowego obejmuje integrację sygnałów nerwowych przez ośrodki kontroli oddychania w rdzeniach i móżdżku.

Kluczowe pojęcia

  • Zmienione wzorce oddechowe: Nieprawidłowe wzorce oddechowe, które zazwyczaj wskazują na zbyt szybką lub zbyt wolną częstość oddechów lub zbyt dużą lub zbyt małą objętość oddechową.
  • Objętość oddechowa: Ilość powietrza wypartego lub wymienionego w jednym oddechu.

Schematy oddychania odnoszą się do częstości oddechów, która jest definiowana jako częstotliwość oddechów w danym okresie czasu, jak również ilość powietrza cyklicznie podczas oddychania (objętość oddechowa). Wzorce oddechowe są ważnym kryterium diagnostycznym dla wielu chorób, w tym takich, które dotyczą nie tylko samego układu oddechowego.

Charakterystyka wzorców oddechowych

Częstotliwość oddechów to częstość oddechów w czasie. Okres czasu jest zmienny, ale zwykle wyrażany w oddechach na minutę, ponieważ ten okres czasu pozwala na oszacowanie wentylacji minutowej. Podczas normalnego oddychania, objętość powietrza przepływającego przez wdech i wydech nazywana jest objętością oddechową (VT) i jest to ilość powietrza wymieniana podczas jednego oddechu. Objętość oddechowa pomnożona przez częstość oddechów to wentylacja minutowa, która jest jednym z najważniejszych wskaźników funkcji płuc. U dorosłego człowieka średnia częstość oddechów wynosi 12 oddechów na minutę, przy objętości oddechowej wynoszącej 0,5 litra i wentylacji minutowej wynoszącej 6 litrów na minutę, choć liczby te różnią się w zależności od osoby. Niemowlęta i dzieci mają znacznie wyższą częstość oddechów niż dorośli.

Krzywa spirometryczna: Normalna częstość oddechów odnosi się do cyklicznego wdychania i wydychania objętości oddechowej (VT).

Częstość oddechów jest kontrolowana przez mimowolne procesy autonomicznego układu nerwowego. W szczególności, ośrodki oddechowe w rdzeniach i móżdżku kontrolują ogólną częstość oddechów w oparciu o różne bodźce chemiczne pochodzące z organizmu. Podwzgórze może również wpływać na częstość oddechu podczas reakcji emocjonalnych i stresowych.

Normalne i zmienione wzorce oddychania

Eupnea jest terminem określającym normalną częstość oddechu dla osoby w spoczynku. Kilka innych terminów opisuje nieprawidłowe wzorce oddychania, które wskazują na objawy wielu chorób, z których wiele nie jest głównie chorobami układu oddechowego. Niektóre z bardziej powszechnych terminów określających zmienione wzorce oddychania obejmują:

  • Dyspnea: powszechnie nazywana dusznością. Opisuje gwałtownie zmniejszoną objętość oddechową i czasami zwiększoną częstość oddechów, co prowadzi do uczucia duszności. Jest to częsty objaw napadów lękowych, zatorów płucnych, zawałów serca i rozedmy płuc, między innymi.
  • Nadciśnienie: odnosi się do zwiększonej objętości powietrza cyklicznie w celu zaspokojenia potrzeb metabolicznych organizmu, co może lub nie może obejmować zmiany w częstotliwości oddychania. Jest to objaw wysiłku fizycznego i przystosowania do dużych wysokości, które generalnie nie są problematyczne, ale może być również obserwowany u osób z anemią lub wstrząsem septycznym, co jest problematyczne.
  • Tachypnea: opisuje zwiększoną częstość oddechów. Często jest objawem zatrucia tlenkiem węgla lub pnuemonii.
  • Bradypnea: opisuje zmniejszoną częstość oddechów. Często jest objawem nadciśnienia tętniczego, arytmii serca lub powolnego tempa metabolizmu spowodowanego niedoczynnością tarczycy.
  • Apnea: Przejściowe zatrzymanie oddychania, które rozpoczyna się ponownie wkrótce potem. Jest to główny objaw bezdechu sennego, w którym oddychanie tymczasowo zatrzymuje się podczas snu.

Wszystkie te terminy opisują zmieniony wzorzec oddychania poprzez zwiększoną lub zmniejszoną (lub zatrzymaną) objętość oddechową lub częstość oddechów. Ważne jest, aby odróżnić te terminy od hiperwentylacji i hipowentylacji, które odnoszą się do zaburzeń wymiany gazowej w pęcherzykach płucnych (a tym samym pH krwi), a nie do zmienionego wzorca oddychania, ale mogą być związane ze zmienionym wzorcem oddychania. Na przykład duszność lub tachypnea często występują razem z hiperwentylacją podczas napadów lęku, choć nie zawsze.

Dodaj komentarz