Мертвое пространство (физиология)

Вдыхаемый воздух не участвует в газообмене

Мертвое пространство — это объем вдыхаемого воздуха, который не принимает участия в газообмене, поскольку либо остается в проводящих дыхательных путях, либо достигает альвеол, которые не перфузируются или плохо перфузируются . Это означает, что не весь воздух при каждом вдохе доступен для обмена кислорода и углекислого газа . Млекопитающие вдыхают и выдыхают легкие, 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 получаются от, казалось бы, расточительной конструкции вентиляции, включающей мертвое пространство. ^[1]

1. Углекислый газ сохраняется, что делает возможным образование бикарбонатного буфера в крови и интерстиции.
2. Вдыхаемый воздух доводится до температуры тела, что увеличивает сродство гемоглобина к кислороду , улучшая поглощение О _{2 .} ^[2]
3. Твердые частицы задерживаются на слизи, выстилающей проводящие дыхательные пути, что позволяет удалить их посредством мукоцилиарного транспорта .
4. Вдыхаемый воздух увлажняется, улучшая качество слизи дыхательных путей. ^[2]

У человека около трети каждого дыхания в состоянии покоя не сопровождается изменением уровней O ₂ и CO ₂ . У взрослых он обычно находится в пределах 150 мл. ^[3]

Мертвое пространство можно увеличить (и лучше представить), дыша через длинную трубку, например трубку . Хотя один конец трубки открыт воздуху, 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, не участвующих в газообмене.

Анатомическое мертвое пространство

Анатомическое мертвое пространство — это объем проводящих дыхательных путей (от носа , рта и трахеи до терминальных бронхиол). Они проводят газ к альвеолам , но газообмена здесь не происходит. В здоровых легких, где альвеолярное мертвое пространство невелико, метод Фаулера точно измеряет анатомическое мертвое пространство, используя технику вымывания азота за один вдох . ^{[4] [5]}

Нормальное значение объема мертвого пространства (в мл) примерно соответствует безжировой массе тела (в фунтах) и составляет в среднем 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% их дыхательного объема. ^[4] Несмотря на гибкость трахеи и меньшие размеры проводящих дыхательных путей, их общий объем (т.е. анатомическое мертвое пространство) мало меняется при бронхоконстрикции или при тяжелом дыхании во время физической нагрузки. ^{[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. Этому способствуют все терминальные дыхательные единицы, которые подвергаются чрезмерной вентиляции по сравнению с их перфузией. Поэтому в него входят, во-первых, те отделения, которые вентилируются, но не перфузируются, и, во-вторых, те отделения, у которых вентиляционно-перфузионное соотношение больше единицы.

Альвеолярное мертвое пространство незначительно у здоровых людей, но оно может резко увеличиваться при некоторых заболеваниях легких из-за несоответствия вентиляции и перфузии .

Расчет

Точно так же, как мертвое пространство тратит часть вдыхаемого воздуха, мертвое пространство разбавляет альвеолярный воздух во время выдоха. Путем количественной оценки этого разведения можно измерить физиологическое мертвое пространство, используя концепцию баланса массы , выраженную 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 смеси выдыхаемого (выдыхаемого) воздуха.

Физиологическое мертвое пространство

Уравнение Бора используется для измерения физиологического мертвого пространства. К сожалению, для использования уравнения необходима концентрация углекислого газа (CO ₂ ) в альвеолах, но это не единая величина, поскольку вентиляционно-перфузионное соотношение различно в разных отделах легких как в норме, так и при заболевании. На практике артериальное парциальное давление CO ₂ используется для 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). Фактически, одно артериальное значение pCO ₂ усредняет различные значения pCO ₂ в разных альвеолах и, таким образом, делает уравнение Бора пригодным для использования.

Количество CO ₂ , выдыхаемого из здоровых альвеол, разбавляется воздухом проводящих дыхательных путей (анатомическое мертвое пространство) и газом из альвеол, которые чрезмерно вентилируются по сравнению с их перфузией. Этот коэффициент разбавления можно рассчитать после определения смешанного 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 в выдыхаемом воздухе. смешанный выдыхаемый газ в мешке для сбора). 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 использованием модификации Энггофа уравнения Бора) и анатомическим мертвым пространством (измеренным с использованием метода единого дыхания Фаулера).

Клиническим показателем размера альвеолярного мертвого пространства является разница между артериальным парциальным давлением CO _{2 и парциальным давлением CO 2} в конце выдоха .

Анатомическое мертвое пространство

При измерении анатомического мертвого пространства используется другой прием: испытуемый полностью выдыхает, глубоко вдыхает смесь газов с 0% азота (обычно 100% кислорода), а затем выдыхает в оборудование, измеряющее объем азота и газа. Этот заключительный выдох происходит в три фазы. Первая фаза (фаза 1) не содержит азота, поскольку в анатомическом мертвом пространстве это газ, на 100% состоящий из кислорода. Затем концентрация азота быстро увеличивается во время короткой второй фазы (фаза 2) и, наконец, достигает плато в третьей фазе (фаза 3). Анатомическое мертвое пространство равно объему выдоха во время первой фазы плюс объем до середины перехода от фазы 1 к фазе 3.

Вентилируемый пациент

Глубина и частота нашего дыхания определяются хеморецепторами и стволом мозга и модифицируются рядом субъективных ощущений. При механической вентиляции 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) более эффективны, чем быстрые поверхностные вдохи (например, двадцать вдохов по 250 мл в минуту). Хотя количество газов в минуту одинаковое (5 л/мин), значительная часть поверхностных вдохов представляет собой мертвое пространство, которое не способствует попаданию кислорода в кровь. ^{[ нужна 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 при вдохе и выдохе пользователя, в результате чего последний выдыхаемый газ немедленно вдыхается при следующем вдохе, увеличивая необходимое дыхательный объем и дыхательное усилие, чтобы получить такое же количество пригодного для использования воздуха или дыхательного газа, а также увеличение накопления углекислого газа при поверхностном дыхании. По сути, это внешнее расширение физиологического мертвого пространства. ^[10]

Его можно уменьшить за счет:

• Использование отдельных впускных и выпускных каналов с односторонними клапанами, расположенными 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 представляет собой мертвое пространство, поскольку выдыхаемый газ в узких воздуховодах не обязательно хорошо смешивается со свежим газом из вдыхательного канала, но можно разумно предположить, что выдыхаемый газ за пределами выпускных обратных клапанов не смешать со свежим газом, если клапаны работают правильно. Общее эффективное мертвое пространство можно свести к минимуму, сохраняя объем этого внешнего мертвого пространства как можно меньшим, но это не должно чрезмерно увеличивать работу дыхания, которая может стать критической в ​​дыхательных аппаратах, используемых при высоком внешнем давлении. ^[11]
• С полнолицевой маской или водолазным шлемом :
  • Сохранение внутреннего объема небольшим
  • Наличие небольшой внутренней ориназальной маски внутри основной маски или шлема, которая отделяет внешний дыхательный проход от остальной внутренней части маски.
  • В некоторых моделях полнолицевых масок устанавливается загубник, подобный тем, что используются в регуляторах для дайвинга, который выполняет ту же функцию, что и ориназальная маска, но может еще больше уменьшить объем внешнего мертвого пространства за счет принудительного дыхания ртом ( и действует как кляп, мешая четко говорить).

Последствия

Мертвое пространство уменьшает количество свежего дыхательного газа, который достигает альвеол при каждом вдохе. Это уменьшает количество кислорода, доступного для газообмена, и количество углекислого газа, которое можно удалить. Накопление углекислого газа обычно является более заметным эффектом, если только дыхательный газ не является гипоксическим, как это происходит на большой высоте. Организм может в некоторой степени компенсировать это за счет увеличения объема вдыхаемого газа, но это также увеличивает работу дыхания и эффективно только тогда, когда отношение мертвого пространства к дыхательному объему уменьшается настолько, чтобы компенсировать дополнительную нагрузку углекислым газом из-за усиление работы дыхания. Продолжающееся накопление углекислого газа приведет к гиперкапнии и респираторному дистрессу .

Изменения с помощью упражнений

У здоровых людей V _d составляет около одной трети от V _t в состоянии покоя и снижается при нагрузке примерно до одной пятой, главным образом, за счет увеличения V _t , поскольку анатомическое мертвое пространство существенно не меняется, а альвеолярное мертвое пространство должно быть незначительным или очень маленький. ^[12]

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

Смотрите также

• Уравнение Бора  - уравнение, описывающее количество физиологического мертвого пространства в легких человека.
• Кристиан Бор  – датский врач и профессор физиологии
• Метод многократного удаления инертных газов  - Медицинская техника
• Дыхательная система  - Биологическая система газообмена у животных и растений.

Рекомендации

1. Вест Дж.Б. (2011). Физиология дыхания: основы (9-е изд.). Филадельфия: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-1-60913-640-6.
2. Уильямс Р., Рэнкин, Н., Смит, Т., Галлер, Д., Сикинс, П. (ноябрь 1996 г.). «Связь между влажностью и температурой вдыхаемого газа и функцией слизистой оболочки дыхательных путей». Медицина критических состояний . 24 (11): 1920–9. дои : 10.1097/00003246-199611000-00025. ПМИД  8917046.
3. «Ненужная вентиляция». Ccmtutorials.com . Проверено 27 ноября 2013 г.
4. Фаулер WS (1948). «Исследование функции легких. II. Дыхательное мертвое пространство». Являюсь. Дж. Физиол . 154 (3): 405–416. дои : 10.1152/ajplegacy.1948.154.3.405. ПМИД  18101134.
5. Хеллер Х., Кенен-Бергманн М., Шустер К. (1999). «Алгебраическое решение определения мертвого пространства согласно графическому методу Фаулера». Компьютерные биомедицинские исследования . 32 (2): 161–7. дои : 10.1006/cbmr.1998.1504. ПМИД  10337497.
6. Берк ТВ, Кюнг, М, Бурки, НК (1989). «Легочный газообмен во время бронхоконстрикции, вызванной гистамином, у астматиков». Грудь . 96 (4): 752–6. дои : 10.1378/сундук.96.4.752. ПМИД  2791669.
7. Вест Дж.Б. (2009). «Сравнительная физиология легочного гемато-газового барьера: уникальное решение для птиц». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 297 (6): Р1625-34. дои : 10.1152/ajpregu.00459.2009. ПМК 2803621 . ПМИД  19793953. 
8. Бор, К. (1891). Über die Lungenathmung. Сканд. Арх. Физиол. 2: 236-268.
9. Клок Р. (2006). «Мертвое пространство: от простоты к сложности». J Appl Physiol . 100 (1): 1–2. doi : 10.1152/classessays.00037.2005. ПМИД  16357075.статья
10. Балмейн Б.Н., Уилхайт Д.П., Бхаммар Д.М., Бабб Т.Г. (2020). «Внешнее мертвое пространство объясняет половые различия в дыхательной реакции на субмаксимальные физические нагрузки у детей с ожирением и без него». Респираторная физиология и нейробиология . 279 . дои : 10.1016/j.resp.2020.103472. ISSN  1569-9048. ПМЦ 7384949 . ПМИД  32512232. 
11. Митчелл С., Кронье Ф., Мейнджиес В., Бритц Х. (2007). «Смертельная дыхательная недостаточность во время технического погружения с ребризером при экстремальном давлении». Авиат Спейс Энвайрон Мед . 78 (2): 81–86. ПМИД  17310877.
12. Бальмейн Б.Н., Томлинсон А.Р., Макнамара Дж.П., Сарма С., Левин Б.Д., Хайнан Л.С., Бэбб Т.Г. (28 февраля 2022 г.). «Физиологическое мертвое пространство при физической нагрузке у больных сердечной недостаточностью с сохраненной фракцией выброса». Журнал прикладной физиологии . 132 (3): 632–640. doi : 10.1152/japplphysical.00786.2021. ПМК 8897014 . ПМИД  35112932. 

дальнейшее чтение

• Аренд Буюйс. 1964. «Дыхательное мертвое пространство». в Справочнике по физиологии. Раздел 3: Дыхание. Том 1. Уоллес О. Фенн и Герман Ран (редакторы). Вашингтон: Американское физиологическое общество.
• Джон Б. Уэст. 2011. Респираторная физиология: основы. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс; Девятое издание. ISBN 978-1609136406 . 

Внешние ссылки

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