Мертвое пространство (физиология)

Вдыхаемый воздух не является частью газообмена.

Мертвое пространство — это объем вдыхаемого воздуха, который не участвует в газообмене, поскольку он либо остается в проводящих дыхательных путях, либо достигает альвеол, которые не перфузируются или перфузируются плохо . Это означает, что не весь воздух при каждом вдохе доступен для обмена кислородом и углекислым газом . Млекопитающие вдыхают и выдыхают легкими, тратя впустую ту часть вдоха, которая остается в проводящих дыхательных путях, где не может происходить газообмен.

Компоненты

Общее мертвое пространство (также известное как физиологическое мертвое пространство ) представляет собой сумму анатомического мертвого пространства и альвеолярного мертвого пространства.

Преимущества действительно возникают из-за, казалось бы, расточительной конструкции вентиляции, которая включает мертвое пространство. ^[1]

1. Углекислый газ удерживается, что обеспечивает наличие бикарбонатного буфера в крови и интерстициальной ткани.
2. Вдыхаемый воздух нагревается до температуры тела, что увеличивает сродство гемоглобина к кислороду и улучшает усвоение O2 _. [ ^2]
3. Твердые частицы задерживаются на слизи, выстилающей дыхательные пути, и выводятся посредством мукоцилиарного транспорта .
4. Вдыхаемый воздух увлажняется, что улучшает качество слизи в дыхательных путях. ^[2]

У людей примерно треть каждого спокойного вдоха не имеет изменений в уровнях O ₂ и CO _2. У взрослых этот показатель обычно находится в диапазоне 150 мл. ^[3]

Мертвое пространство можно увеличить (и лучше представить), дыша через длинную трубку, например, трубку . Хотя один конец трубки открыт для воздуха, когда пользователь вдыхает, он вдыхает значительное количество воздуха, оставшегося в трубке от предыдущего выдоха. Таким образом, трубка увеличивает мертвое пространство человека, добавляя еще больше дыхательных путей, которые не участвуют в газообмене.

Анатомическое мертвое пространство

Анатомическое мертвое пространство — это объем проводящих дыхательных путей (от носа , рта и трахеи до терминальных бронхиол). Они проводят газ в альвеолы , но газообмена здесь не происходит. В здоровых легких, где альвеолярное мертвое пространство невелико, метод Фаулера точно измеряет анатомическое мертвое пространство с помощью техники вымывания азота одним вдохом . ^{[4] [5]}

Нормальное значение объема мертвого пространства (в мл) приблизительно равно мышечной массе тела (в фунтах) и в среднем составляет около трети дыхательного объема в состоянии покоя (450-500 мл). В оригинальном исследовании Фаулера анатомическое мертвое пространство составляло 156 ± 28 мл (n=45 мужчин) или 26% от их дыхательного объема. ^[4] Несмотря на гибкость трахеи и меньшие проводящие дыхательные пути, их общий объем (т. е. анатомическое мертвое пространство) мало меняется при бронхоспазме или при тяжелом дыхании во время упражнений. ^{[4] [6]}

Поскольку у птиц трахея длиннее и шире, чем у млекопитающих того же размера, у них непропорционально большое анатомическое мертвое пространство, что снижает сопротивление дыхательных путей. Эта адаптация не влияет на газообмен, поскольку птицы пропускают воздух через легкие — они не вдыхают и не выдыхают, как млекопитающие. ^[7]

Альвеолярное мертвое пространство

Альвеолярное мертвое пространство определяется как разница между физиологическим мертвым пространством и анатомическим мертвым пространством. Оно формируется всеми терминальными респираторными единицами, которые чрезмерно вентилируются относительно их перфузии. Поэтому оно включает, во-первых, те единицы, которые вентилируются, но не перфузируются, и, во-вторых, те единицы, у которых отношение вентиляции к перфузии больше единицы.

У здоровых людей альвеолярное мертвое пространство незначительно, но при некоторых заболеваниях легких оно может значительно увеличиваться из-за несоответствия вентиляции и перфузии .

Расчет

Так же, как мертвое пространство теряет часть вдыхаемого воздуха, мертвое пространство разбавляет альвеолярный воздух во время выдоха. Количественно оценивая это разбавление, можно измерить физиологическое мертвое пространство, используя концепцию баланса масс , как выражено уравнением Бора . ^{[8] [9]}

${\displaystyle {\frac {V_{d}}{V_{t}}}={\frac {P_{a\,{\ce {CO2}}}-P_{e\,{\ce {CO2}}}}{P_{a\,{\ce {CO2}}}}}}$

где — объем мертвого пространства, — дыхательный объем; ${\displaystyle V_{d}}$ ${\displaystyle V_{t}}$

${\displaystyle P_{a\,{\ce {CO2}}}}$- парциальное давление углекислого газа в артериальной крови, а

${\displaystyle P_{e\,{\ce {CO2}}}}$парциальное давление углекислого газа в смешанном выдыхаемом воздухе.

Физиологическое мертвое пространство

Уравнение Бора используется для измерения физиологического мертвого пространства. К сожалению, для использования уравнения требуется концентрация углекислого газа (CO ₂ ) в альвеолах, но это не единственное значение, поскольку соотношение вентиляции и перфузии различно в разных единицах легкого как в норме, так и при болезни. На практике артериальное парциальное давление CO ₂ используется в качестве оценки среднего альвеолярного парциального давления CO ₂ , модификация, введенная Хенриком Энгхоффом в 1938 году (Enghoff H. Volumen inefficax. Bemerkungen zur Frage des schadlichen Raumes. Upsala Läkarefören Forhandl., 44:191-218, 1938). По сути, единственное значение артериального pCO ₂ усредняет различные значения pCO ₂ в разных альвеолах, и, таким образом, делает уравнение Бора пригодным для использования.

Количество CO _{2 ,} выдыхаемого здоровыми альвеолами, разбавляется воздухом в проводящих дыхательных путях (анатомическое мертвое пространство) и газом из альвеол, которые чрезмерно вентилируются по отношению к их перфузии. Этот коэффициент разбавления можно рассчитать после определения смешанного выдыхаемого pCO ₂ в выдыхаемом воздухе (либо путем электронного мониторинга выдыхаемого воздуха, либо путем сбора выдыхаемого воздуха в газонепроницаемый мешок (мешок Дугласа) и последующего измерения pCO ₂ смешанного выдыхаемого газа в сборном мешке). Алгебраически этот коэффициент разбавления даст нам физиологическое мертвое пространство, рассчитанное по уравнению Бора:

${\displaystyle {\frac {V_{\ce {physiological\,dead\,space}}}{V_{t}}}={\frac {P_{a\,{\ce {CO2}}}-P_{\ce {mixed\,expired\,CO2}}}{P_{a\,{\ce {CO2}}}}}}$

Альвеолярное мертвое пространство

Альвеолярное мертвое пространство определяется как разница между физиологическим мертвым пространством (измеренным с помощью модификации Энгхоффа уравнения Бора) и анатомическим мертвым пространством (измеренным с помощью метода одиночного вдоха Фаулера).

Клиническим показателем размера альвеолярного мертвого пространства является разница между артериальным парциальным давлением CO2 _{и парциальным давлением CO2} в конце выдоха .

Анатомическое мертвое пространство

Другой маневр используется при измерении анатомического мертвого пространства: испытуемый выдыхает полностью, глубоко вдыхает смесь газов 0% азота (обычно 100% кислорода), а затем выдыхает в оборудование, которое измеряет объем азота и газа. Этот последний выдох происходит в три фазы. Первая фаза (фаза 1) не содержит азота, поскольку это газ, который является 100% кислородом в анатомическом мертвом пространстве. Затем концентрация азота быстро увеличивается в течение короткой второй фазы (фаза 2) и, наконец, достигает плато в третьей фазе (фаза 3). Анатомическое мертвое пространство равно объему, выдыхаемому во время первой фазы, плюс объем до средней точки перехода от фазы 1 к фазе 3.

Пациент на искусственной вентиляции легких

Глубина и частота нашего дыхания определяются хеморецепторами и стволом мозга, которые изменяются под воздействием ряда субъективных ощущений. При искусственной вентиляции легких в принудительном режиме пациент дышит с частотой и дыхательным объемом, которые диктует аппарат. Из-за мертвого пространства более медленные глубокие вдохи (например, десять вдохов по 500 мл в минуту) эффективнее, чем быстрые поверхностные вдохи (например, двадцать вдохов по 250 мл в минуту). Хотя количество газа в минуту одинаково (5 л/мин), большая часть поверхностных вдохов — это мертвое пространство, которое не помогает кислороду попадать в кровь. ^{[ необходима цитата ]}

Механическое мертвое пространство

Механическое мертвое пространство или внешнее мертвое пространство — это объем в проходах дыхательного аппарата , в котором дыхательный газ течет в обоих направлениях, когда пользователь вдыхает и выдыхает, заставляя последний выдыхаемый газ немедленно вдыхаться при следующем вдохе, увеличивая необходимый дыхательный объем и дыхательное усилие для получения того же количества пригодного для использования воздуха или дыхательного газа, и увеличивая накопление углекислого газа из-за неглубоких вдохов. По сути, это внешнее расширение физиологического мертвого пространства. ^[10]

Его можно уменьшить за счет:

• Использование отдельных впускных и выпускных каналов с односторонними клапанами, размещенными в каждом канале, обычно между каждым каналом и мундштуком. Это ограничивает мертвое пространство между обратными клапанами и ртом или носом пользователя. Не весь объем между обратными клапанами обязательно является мертвым пространством, поскольку выдыхаемый газ в узких каналах не обязательно будет хорошо смешиваться со свежим газом из вдыхаемого канала, но можно обоснованно предположить, что выдыхаемый газ за пределами выпускных обратных клапанов не будет смешиваться со свежим газом, если клапаны функционируют правильно. Общее эффективное мертвое пространство можно минимизировать, сохраняя объем этого внешнего мертвого пространства как можно меньше, но это не должно чрезмерно увеличивать работу дыхания, которая может стать критической в ​​дыхательных аппаратах, используемых при высоком давлении окружающей среды. ^[11]
• С полнолицевой маской или водолазным шлемом по требованию :
  • Сохранение небольшого внутреннего объема
  • Наличие небольшой внутренней оронозальной маски внутри основной маски или шлема, которая отделяет наружный дыхательный проход от остальной части внутреннего пространства маски.
  • В некоторых моделях полнолицевых масок предусмотрен загубник, подобный тем, что используются в регуляторах для дайвинга. Он выполняет ту же функцию, что и рото-носовая маска, но может еще больше уменьшить объем внешнего мертвого пространства за счет вынужденного дыхания ртом (и действует как кляп, мешая четко говорить).

Эффекты

Мертвое пространство уменьшает количество свежего дыхательного газа, который достигает альвеол во время каждого вдоха. Это уменьшает количество кислорода, доступного для газообмена, и количество углекислого газа, которое может быть удалено. Накопление углекислого газа обычно является более заметным эффектом, если только дыхательный газ не является гипоксическим, как это происходит на большой высоте. Организм может компенсировать это в некоторой степени, увеличивая объем вдыхаемого газа, но это также увеличивает работу дыхания и эффективно только тогда, когда соотношение мертвого пространства к дыхательному объему уменьшается в достаточной степени, чтобы компенсировать дополнительную нагрузку углекислого газа из-за увеличенной работы дыхания. Продолжающееся накопление углекислого газа приведет к гиперкапнии и респираторному дистрессу .

Изменения при занятиях спортом

У здоровых людей Vd _{составляет} около одной трети от Vt _в состоянии покоя и уменьшается при физической нагрузке примерно до одной пятой, в основном за счет увеличения Vt _, поскольку анатомическое мертвое пространство не сильно меняется, а альвеолярное мертвое пространство должно быть незначительным или очень маленьким. ^[12]

Внешнее мертвое пространство для данного дыхательного аппарата обычно фиксировано, и этот объем необходимо добавлять к дыхательному объему, чтобы обеспечить эквивалентную эффективную вентиляцию при любом заданном уровне нагрузки.

Смотрите также

• Уравнение Бора  – Уравнение, описывающее объем физиологического мертвого пространства в легких человека.
• Кристиан Бор  – датский врач и профессор физиологии
• Методика удаления множественного инертного газа  – Медицинская техника
• Дыхательная система  – биологическая система у животных и растений, обеспечивающая газообмен.

Ссылки

1. West JB (2011). Физиология дыхания: основы (9-е изд.). Филадельфия: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-1-60913-640-6.
2. Williams R, Rankin, N, Smith, T, Galler, D, Seakins, P (ноябрь 1996 г.). «Взаимосвязь между влажностью и температурой вдыхаемого газа и функцией слизистой оболочки дыхательных путей». Critical Care Medicine . 24 (11): 1920–9. doi :10.1097/00003246-199611000-00025. PMID  8917046.
3. "Расходы на вентиляцию". Ccmtutorials.com . Получено 27.11.2013 .
4. Fowler WS (1948). «Исследования функции легких. II. Дыхательное мертвое пространство». Am. J. Physiol . 154 (3): 405–416. doi :10.1152/ajplegacy.1948.154.3.405. PMID  18101134.
5. Хеллер Х., Кёнен-Бергманн М., Шустер К. (1999). «Алгебраическое решение определения мертвого пространства по графическому методу Фаулера». Comput Biomed Res . 32 (2): 161–7. doi :10.1006/cbmr.1998.1504. PMID  10337497.
6. Burke TV, Küng, M, Burki, NK (1989). «Легочный газообмен во время вызванной гистамином бронхоконстрикции у астматиков». Chest . 96 (4): 752–6. doi :10.1378/chest.96.4.752. PMID  2791669.
7. West JB (2009). «Сравнительная физиология легочного барьера кровь-газ: уникальное птичье решение». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 297 (6): R1625-34. doi :10.1152/ajpregu.00459.2009. PMC 2803621. PMID  19793953 . 
8. Бор, К. (1891). Über die Lungenathmung. Сканд. Арх. Физиол. 2: 236-268.
9. Klocke R (2006). «Мертвое пространство: от простоты к сложности». J Appl Physiol . 100 (1): 1–2. doi :10.1152/classicessays.00037.2005. PMID  16357075.статья
10. Balmain BN, Wilhite DP, Bhammar DM, Babb TG (2020). «Внешнее мертвое пространство объясняет половые различия в респираторной реакции на субмаксимальные упражнения у детей с ожирением и без него». Respiratory Physiology & Neurobiology . 279 . doi :10.1016/j.resp.2020.103472. ISSN  1569-9048. PMC 7384949 . PMID  32512232. 
11. Митчелл С., Кронье Ф., Мейнджиес В., Бритц Х. (2007). «Смертельная дыхательная недостаточность во время технического погружения с ребризером при экстремальном давлении». Aviat Space Environ Med . 78 (2): 81–86. PMID  17310877.
12. Balmain BN, Tomlinson AR, MacNamara JP, Sarma S, Levine BD, Hynan LS, Babb TG (28 февраля 2022 г.). «Физиологическое мертвое пространство во время упражнений у пациентов с сердечной недостаточностью с сохраненной фракцией выброса». Журнал прикладной физиологии . 132 (3): 632–640. doi :10.1152/japplphysiol.00786.2021. PMC 8897014. PMID  35112932. 

Дальнейшее чтение

• Arend Bouhuys. 1964. «Дыхательное мертвое пространство». в Handbook of Physiology. Раздел 3: Дыхание. Том 1. Уоллес О. Фенн и Герман Ран (редакторы). Вашингтон: Американское физиологическое общество.
• Джон Б. Уэст. 2011. Физиология дыхания: Основы. Lippincott Williams & Wilkins; Девятое издание. ISBN 978-1609136406 . 

Внешние ссылки

• Страница «Мертвое пространство» на сайте интерактивной респираторной физиологии Медицинской школы Джонса Хопкинса.