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 hänvisar till det alveolära partialtrycket av en gas, medan Pa hänvisar till partialtrycket av den gasen i artärblodet.
  • Gasutbytet sker genom passiv diffusion eftersom PAO2 är större än PaO2 i syrefritt blod.

Nyckeltermer

  • ventilation: Den kroppsliga andningsprocessen, inandning av luft för att tillföra syre och utandning av förbrukad luft för att avlägsna koldioxid.
  • Partialtryck: Det tryck som utövas av en gas, antingen i luft eller löst, och som anger koncentrationen av den gasen.

Typerna av ventilationshastigheter

I andningsfysiologin är ventilationshastigheten den hastighet med vilken gasen kommer in i eller lämnar lungan. Ventilation uttrycks i allmänhet som luftvolym gånger en andningsfrekvens.

Luftvolymen kan avse tidalvolym (den mängd som inandas i ett genomsnittligt andetag) eller något mer specifikt, t.ex. volymen av det döda utrymmet i luftvägarna. De tre huvudtyperna av ventilationshastigheter som används inom andningsfysiologin är:

  1. Minuteventilation (VE): Mängden luft som kommer in i lungorna per minut. Den kan definieras som \text{VE}=\text{Tidalvolym}\times\text{andetag per minut}
  2. Alveolär ventilation (VA): Den mängd gas per tidsenhet som når alveolerna och blir involverad i gasutbytet. Den definieras som \text{VA}=\left(\text{Tidalvolym}-\text{Dödrumsvolym}\right)\times\text{Respirationsfrekvens}
  3. Dödrumsventilation (VD): Mängden luft per tidsenhet som inte deltar i gasutbyte, t.ex. den luft som stannar kvar i de ledande zonerna. Den definieras som \text{VD}=\text{Dödrumsvolym}\times\text{Respirationsfrekvens}.

Också minutventilation kan beskrivas som summan av alveolär- och dödrumsventilation, förutsatt att andningsfrekvensen som används för att härleda dem är i termer av andetag per minut.

De tre ventilationstyperna är matematiskt kopplade till varandra, så förändringar i den ena ventilationsfrekvensen kan leda till en förändring av den andra. Detta är tydligast vid förändringar av dödrumsvolymen. Att andas genom ett snorkelrör och att ha en lungemboli ökar båda mängden dödrumsvolym (genom anatomiskt respektive alveolärt dödrum), vilket minskar den alveolära ventilationen.

Alveolär ventilation är den viktigaste ventilationstypen för att mäta hur mycket syre som faktiskt kommer in i kroppen, vilket kan initiera negativa återkopplingsmekanismer för att försöka öka den alveolära ventilationen trots ökningen av det döda utrymmet. I synnerhet kommer kroppen i allmänhet att försöka bekämpa det ökade döda utrymmet genom att öka andningsfrekvensen för att försöka upprätthålla tillräckliga nivåer av alveolär ventilation.

Gasernas partiella tryck

Detta är ett diagram över gasutbytet i lungorna. Det visar hur aveoli tar bort koldioxid från blodet och sedan tillför syre till blodet.

Gasutbyte i lungorna: Diagram över gasutbyte i lungorna.

När gaser löses upp i blodomloppet under ventilationen beskrivs de i allmänhet med gasernas partialtryck. Partialtryck hänvisar mer specifikt till den relativa koncentrationen av dessa gaser genom det tryck de utövar i löst tillstånd.

I andningsfysiologin hänvisar PAO2 och PACO2,till partialtrycken av syre och koldioxid i alveolerna.

PaO2 och PaCO2 hänvisar till partialtrycken av syre och koldioxid i artärblodet. Skillnader i gasernas partialtryck mellan den alveolära luften och blodet är orsaken till att gasutbytet sker genom passiv diffusion.

Under normala förhållanden är PAO2 cirka 100 mmHg, medan PaO2 är 80-100 mmHg i de systemiska artärerna, men 40-50 mmHg i det syrefria blodet i lungartären som går till lungorna.

Håll dig i minnet att gaser rör sig från områden med högt tryck till områden med lågt tryck, så det högre trycket av syre i alveolerna jämfört med trycket i det syrefria blodet förklarar varför syre passivt kan diffundera in i blodomloppet under gasutbytet.

Omvänt är PACO2 35 mmHg, medan PaCO2 är cirka 40-45 mmHG i systemiska artärer och 50 mmHg i lungartären. Partialtrycket, och därmed koncentrationen av koldioxid, är högre i de i kapillärerna i alveolerna jämfört med den alveolära luften, så koldioxid kommer passivt att diffundera från blodomloppet till alveolerna under gasutbytet.

Den kan dessutom, eftersom PaCO2 är en indikator på koncentrationen av koldioxid i artärblodet, användas för att mäta blodets pH-värde och identifiera fall av respiratorisk acidos och alkalkos.

Inspiration

Inandning är det luftflöde in i en organism som beror på en tryckskillnad mellan atmosfären och alveolen.

Lärandemål

Oplysning av inspirationens mekanik

Nyckelresultat

Nyckelpunkter

  • Inspiration är hos människor flödet av luft in i en organism från den yttre miljön, genom luftvägarna och in i alveolerna.
  • Inandningen börjar med början av en sammandragning av diafragman, vilket resulterar i en expansion av bröst- och pleurahålorna och en minskning av trycket (även kallad ökning av det negativa trycket).
  • Det finns många accessoriska muskler som är involverade i inandningen – till exempel yttre interkostalmuskler, scalene-musklerna, sternocleidomastoideusmuskeln och trapeziusmuskeln.
  • Att andas enbart med hjälp av de accessoriska musklerna i stället för med diafragman anses vara ineffektivt och ger mycket mindre luft vid inandning.
  • Det negativa trycket i pleurahålan är tillräckligt för att hålla lungorna öppna trots vävnadens inneboende elasticitet. Thoraxhålan ökar i volym vilket orsakar en tryckminskning (ett partiellt vakuum) i själva lungan.
  • Så länge trycket i alveolerna är lägre än det atmosfäriska trycket kommer luften att fortsätta att röra sig inåt, men så snart trycket stabiliseras upphör luftrörelsen.

Nyckelbegrepp

  • inspiration: Dra in luft i lungorna, vilket hos däggdjur sker genom att bröstkorgsväggarna höjs och membranet plattas ut.
  • Accessoriska muskler: Muskler som hjälper till att expandera små delar av brösthålan, och som antingen arbetar utöver membranet eller ersätter det om membranet blir skadat.
  • intrapleuralt tryck: Trycket inne i lungsäcken, som är negativt jämfört med luften utanför och blir ännu mer negativt vid inspiration.

Inspiration hänvisar till inandning – det är flödet av andningsströmmen in i en organism. Hos människor är det rörelsen av omgivande luft genom luftvägarna och in i lungornas alveoler.

Inspirationsprocessen

Inspirationen börjar med en sammandragning av diafragman, vilket resulterar i en expansion av brösthålan och pleurahålan. Pleurahålan har normalt ett lägre tryck jämfört med omgivande luft (-3 mmHg normalt och vanligtvis -6 mmHg vid inspiration), så när den expanderar sjunker trycket inne i lungorna.

Tryck och volym är omvänt relaterade till varandra, så det sjunkande trycket inne i lungan ökar volymen av luft inne i lungan genom att dra in luft utifrån i lungan. När luftvolymen inne i lungan ökar trycker lungan tillbaka mot den expanderade pleurahålan till följd av det minskade intrapleurala trycket (trycket inne i pleurahålan).

Kraften från det intrapleurala trycket är till och med tillräcklig för att hålla lungorna öppna under inandning trots lungans naturliga elastiska rekyl. Alveolärsäckarna expanderar också till följd av att de fylls med luft under inspirationen, vilket bidrar till expansionen inne i lungan.

Till slut blir trycket inne i lungan mindre negativt i takt med att volymen inne i lungan ökar, och när trycket och volymen stabiliseras upphör luftrörelsen, inspirationen avslutas och exspirationen (utandningen) börjar. Djupa andetag har högre tidalvolymer och kräver en större minskning av det intrapleurala trycket jämfört med ytligare andetag.

Det här är en schematisk ritning av hela luftvägarna, inkludera inre detaljer såsom aveoli. Den illustrerar luftvägarna som ett komplext, sammankopplat system där motstånd i någon del av det kan orsaka problem.

Respiratoriska systemet:

Accessory Muscles of Inspiration

Membranet är den primära muskeln som är involverad i andningen, men flera andra muskler spelar en roll under vissa omständigheter. Dessa muskler kallas accessoriska inandningsmuskler.

  • Externa interkostala muskler: Muskler som ligger mellan revbenen och som hjälper brösthålan och pleurahålan att expandera under lugn och forcerad inspiration.
  • Scalene-muskler: Muskler i nacken som lyfter de övre revbenen (och brösthålan runt de övre revbenen) för att hjälpa till med andningen. De utgör en mekanism för inspiration när diafragman är skadad och inte kan kontrahera normalt.
  • Sternocleidomastoidmuskel: Muskler som förbinder bröstbenet med halsen och möjliggör rotation och vridning av huvudet. De kan lyfta de övre revbenen på samma sätt som scalene-musklerna.
  • Trapeziusmuskeln: Muskler i axlarna som drar in skulderbladet och expanderar den övre delen av brösthålan.

Accessormusklerna underlättar andningen genom att expandera brösthålan på samma sätt som diafragman. De expanderar dock en mycket mindre del av brösthålan jämfört med diafragma. Därför bör de inte användas som den primära mekanismen för inandning, eftersom de tar in mycket mindre luft jämfört med diafragman vilket resulterar i en mycket lägre tidalvolym.

Till exempel behöver sångare mycket luft för att stödja den kraftfulla röstproduktion som krävs för att sjunga. Ett vanligt problem hos nyblivna sångare är att de andas med de accessoriska musklerna i nacken, axeln och revbenen i stället för med diafragman, vilket ger dem en mycket mindre lufttillförsel än vad som behövs för att sjunga ordentligt.

Expiration

Expiration (eller utandning) är flödet av andningsströmmen ut ur organismen.

Lärandemål

Oplysning av expirationens mekanik

Nyckelresultat

Nyckelpunkter

  • Hos människor är utandning rörelsen av luft ut ur bronkialrören, genom luftvägarna, till den yttre miljön under andningen.
  • Utandning är en passiv process på grund av lungornas elastiska egenskaper.
  • Vid forcerad utandning används de inre interkostala musklerna som sänker bröstkorgen och minskar bröstkorgsvolymen medan magmusklerna trycker upp diafragman vilket gör att brösthålan dras ihop.
  • Relaxering av bröstmembranet orsakar sammandragning av pleurahålan som sätter tryck på lungorna för att driva ut luften.
  • Hjärnans kontroll av utandning kan delas upp i frivillig kontroll och ofrivillig kontroll.

Nyckelbegrepp

  • Intercostalmuskulatur: Interkostalmusklerna är flera grupper av muskler som löper mellan revbenen och hjälper till att forma och flytta bröstväggen.
  • Utandning: Handlingen eller processen att andas ut, eller sända ut i form av ånga eller ångor; avdunstning.

Expiration, även kallad utandning, är flödet av andningsströmmen ut ur organismen. Syftet med utandning är att avlägsna metaboliskt avfall, främst koldioxid från kroppen genom gasutbyte. Utandningsvägen är rörelsen av luft ut ur ledningszonen, till den yttre miljön under andningen.

Detta är en schematisk ritning av hela luftvägarna, inkluderar inre detaljer såsom aveoli. Den illustrerar luftvägarna som ett komplext, sammankopplat system där motstånd i någon del av det kan orsaka problem.

Respiratoriska systemet: När diafragman slappnar av drar pleurahålan ihop sig, vilket utövar ett tryck på lungorna, vilket minskar lungornas volym när luften passivt trycks ut ur lungorna.

Expirationsprocessen

Expiration är typiskt sett en passiv process som sker från avslappningen av diafragmamuskeln (som drog ihop sig under inspirationen). Den främsta anledningen till att expirationen är passiv beror på lungornas elastiska rekyl. Lungornas elasticitet beror på molekyler som kallas elastiner i lungvävnadernas extracellulära matrix och upprätthålls av surfaktant, en kemikalie som förhindrar att lungornas elasticitet blir för stor genom att minska ytspänningen från vatten. Utan surfaktant skulle lungorna kollapsa i slutet av utandningen, vilket skulle göra det mycket svårare att andas in igen. Eftersom lungan är elastisk återgår den automatiskt till sin mindre storlek när luften lämnar lungan.

Exandningen börjar när inandningen slutar. Precis som lungsäckens ökade negativa tryck leder till att luft tas upp under inandningen kommer lungsäcken att dra ihop sig under utandningen (på grund av att membranet slappnar av),vilket utövar ett tryck på lungorna och gör att trycket i lungsäcken blir mindre negativt. En ökning av trycket leder till en minskning av volymen inuti lungan, och luften trycks ut i luftvägarna när lungan återgår till sin mindre storlek. Pleurahålan är så viktig för andningen eftersom dess tryck förändrar lungornas volym, och den ger ett friktionsfritt utrymme för lungorna att expandera och dra ihop sig mot under andningen.

Men även om expirationen i allmänhet är en passiv process kan den också vara en aktiv och påtvingad process. Det finns två grupper av muskler som är involverade i forcerad utandning.

  • Interna interkostala muskler: Muskler i bröstkorgen som hjälper till att sänka bröstkorgen, vilket trycker ner brösthålan och orsakar forcerad utandning. Observera att detta inte är samma sak som de yttre interkostala musklerna som är involverade i inspirationen.
  • Abdominalmuskler: Detta sker på grund av lungornas elastiska egenskaper samt de inre interkostala musklerna som sänker bröstkorgen och minskar volymen i bröstkorgen. När bröstmembranet slappnar av under utandning får det vävnaden som det har tryckt ner att stiga överst och sätta press på lungorna för att driva ut luften.

    Kontroll av expiration

    Expirationen kan vara antingen frivillig eller ofrivillig för att tjäna olika syften för kroppen. Dessa två typer av expiration styrs av olika centra i kroppen.

    Frivillig expiration styrs aktivt. Den definieras i allmänhet genom att luft hålls kvar i lungorna och släpps ut i en bestämd takt, vilket gör det möjligt att kontrollera när och hur mycket luft som ska andas ut. Det krävs för röstproduktion under tal eller sång, vilket kräver mycket specifik kontroll över luften, eller till och med enklare aktiviteter, som att blåsa ut ett ljus på sin födelsedag. Den komponent i nervsystemet som kontrollerar den frivilliga utandningen är den motoriska hjärnbarken (den uppåtgående andningsbanan), eftersom den kontrollerar muskelrörelser, men denna bana är inte helt klarlagd, och det finns många andra möjliga platser i hjärnan som också kan vara inblandade.

    Den ofrivilliga utandningen står inte under medveten kontroll, och är en viktig komponent för metabolisk funktion. Exempel på detta är andning under sömn eller meditation. Förändringar i andningsmönster kan också uppstå av metaboliska skäl, till exempel genom ökad andningsfrekvens hos personer med acidos på grund av negativ återkoppling. Det huvudsakliga neurala kontrollcentret för ofrivillig utandning består av medulla oblongata och pons, som ligger i hjärnstammen direkt under hjärnan. Även om dessa två strukturer är involverade i den neurala andningskontrollen har de också andra metaboliska regleringsfunktioner för andra kroppssystem, till exempel det kardiovaskulära systemet.

    Aandningsmönster

    Aandning är en autonom process som förflyttar luft in och ut ur lungorna.

    Lärandemål

    Beskriv andningsprocessen hos människor

    Nyckelresultat

    Nyckelpunkter

    • Aandningsmönster består av tidalvolym och andningsfrekvens hos en individ.
    • Ett genomsnittligt andningsmönster är 12 andetag per minut och 500 mL per andetag.
    • Eupné är normal andning i vila.
    • Det finns typer av förändrade andningsmönster som är symtom på många sjukdomar.
    • Altererade andningsmönster hänvisar till förändringar i andningsfrekvens eller luftmängd som byts ut under andningen, och indikerar inte alltid förändringar i alveolär ventilation.
    • Mekanismen för generering av ventilationsmönstret innebär att neurala signaler integreras av andningskontrollcentra i märgen och pons.

    Nyckelbegrepp

    • förändrade andningsmönster: Onormala andningsmönster som indikerar indikerar typiskt sett antingen för snabb eller för långsam andningsfrekvens eller för mycket eller för lite tidalvolym.
    • Tidalvolym: Mängden luft som förflyttas eller utbyts under ett enda andetag.

    Aandningsmönster avser andningsfrekvensen, som definieras som frekvensen av andetag under en tidsperiod, samt mängden luft som cyklas under andningen (tidalvolym). Andningsmönster är ett viktigt diagnostiskt kriterium för många sjukdomar, inklusive vissa som involverar mer än själva andningssystemet.

    Karaktäristika för andningsmönster

    Andningsfrekvensen är frekvensen av andetag under en viss tid. Tidsperioden är variabel, men uttrycks vanligen i andetag per minut eftersom det den tidsperioden gör det möjligt att uppskatta minutventilationen. Under normal andning kallas den luftvolym som cyklas genom inandning och utandning för tidalvolym (VT) och är den mängd luft som utbyts under ett enda andetag. Tidalvolym multiplicerad med andningsfrekvensen är minutventilation, som är en av de viktigaste indikatorerna på lungfunktionen. Hos en genomsnittlig vuxen människa är den genomsnittliga andningsfrekvensen 12 andetag per minut, med en tidalvolym på 0,5 liter och en minutventilation på 6 liter per minut, även om dessa siffror varierar från person till person. Spädbarn och barn har betydligt högre andningsfrekvens än vuxna.

    Spirometrikurva: Den normala andningsfrekvensen avser cyklisk inandning och utandning av tidalvolym (VT).

    Andningsfrekvensen styrs av ofrivilliga processer i det autonoma nervsystemet. I synnerhet styr andningscentren i märgen och pons den totala andningsfrekvensen utifrån en mängd olika kemiska stimuli från kroppens inre. Hypotalamus kan också påverka andningsfrekvensen vid känslomässiga och stressreaktioner.

    Normala och förändrade andningsmönster

    Eupné är termen för den normala andningsfrekvensen för en individ i vila. Flera andra termer beskriver onormala andningsmönster som indikerar symtom på många sjukdomar, varav många inte huvudsakligen är andningssjukdomar. Några av de vanligaste termerna för förändrade andningsmönster är:

    • Dyspné: kallas vanligen för andnöd. Det beskriver dramatiskt minskad tidalvolym och ibland ökad andningsfrekvens, vilket leder till en känsla av andfåddhet. Det är ett vanligt symtom vid bland annat ångestattacker, lungembolier, hjärtattacker och emfysem.
    • Hyperné: avser ökad luftvolym som cyklas för att tillgodose kroppens metaboliska behov, vilket kan innebära en förändring av andningsfrekvensen eller inte. Det är ett symtom på träning och anpassning till hög höjd, vilket i allmänhet inte är problematiskt, men kan också ses hos personer med anemi eller septisk chock, vilket är problematiskt.
    • Takypné: beskriver ökad andningsfrekvens. Ofta ett symptom på kolmonoxidförgiftning eller pnuemoni.
    • Bradypné: Beskriver minskad andningsfrekvens. Ofta ett symtom på hypertoni, hjärtarytmi eller långsam ämnesomsättning på grund av hypotyreos.
    • Apné: Övergående stoppad andning som börjar igen kort därefter. Det är huvudsymptomet vid sömnapné, där andningen tillfälligt upphör under sömnen.

    Dessa termer beskriver alla ett förändrat andningsmönster genom ökad eller minskad (eller stoppad) tidalvolym eller andningsfrekvens. Det är viktigt att skilja dessa termer från hyperventilation och hypoventilation, som hänvisar till avvikelser i det alveolära gasutbytet (och därmed pH-värdet i blodet) i stället för ett förändrat andningsmönster, men de kan vara förknippade med ett förändrat andningsmönster. Till exempel dyspné eller takypné förekommer ofta tillsammans med hyperventilation under ångestattacker, men inte alltid.

Lämna en kommentar