Гиперкапния

Гиперкапния (от греческого hyper = «выше» _или «слишком много» и kapnos = « дым »), также известная как гиперкарбия и задержка CO2 , является состоянием аномально повышенного уровня углекислого газа (CO2 ₎ в крови. Углекислый газ является газообразным продуктом метаболизма организма и обычно выводится через легкие . Углекислый газ может накапливаться при любом состоянии, которое вызывает гиповентиляцию , снижение альвеолярной вентиляции (очищение воздуха из небольших мешочков легких, где происходит газообмен ), а также в результате вдыхания CO2 _. Неспособность легких очищать углекислый газ или вдыхание повышенных уровней CO2 _{приводит} к респираторному ацидозу . В конечном итоге организм компенсирует повышенную кислотность, удерживая щелочь в почках, процесс, известный как «метаболическая компенсация».

Острая гиперкапния называется острой гиперкапнической дыхательной недостаточностью ( AHRF ) и является неотложной медицинской ситуацией, поскольку обычно возникает в контексте острого заболевания. Хроническая гиперкапния, при которой обычно присутствует метаболическая компенсация, может вызывать симптомы, но обычно не является неотложной ситуацией. В зависимости от сценария обе формы гиперкапнии можно лечить с помощью лекарств, неинвазивной вентиляции легких с использованием маски или искусственной вентиляции легких .

Гиперкапния представляет опасность при подводном плавании, связанном с задержкой дыхания, подводным плаванием с аквалангом, особенно с ребризерами, и глубоким погружением, где она связана с повышенной плотностью дыхательного газа из-за высокого давления окружающей среды. ^[3]^[4]^[5]

Признаки и симптомы

Гиперкапния может возникнуть в контексте основного заболевания, и симптомы могут быть связаны с этим состоянием или непосредственно с гиперкапнией. Конкретные симптомы, приписываемые ранней гиперкапнии, - это диспноэ (одышка), головная боль, спутанность сознания и летаргия. Клинические признаки включают покраснение кожи, полный пульс (скачущий пульс), учащенное дыхание , преждевременные сердечные сокращения , мышечные подергивания и взмахи руками ( астериксис ). Риск опасных нарушений сердечного ритма увеличивается. ^[6]^[7] Гиперкапния также возникает, когда дыхательный газ загрязнен углекислым газом или дыхательный газообмен не может поспевать за метаболическим производством углекислого газа, что может произойти, когда плотность газа ограничивает вентиляцию при высоком давлении окружающей среды. ^[3]

При тяжелой гиперкапнии (обычно более 10 кПа или 75 мм рт. ст .) симптоматика прогрессирует до дезориентации, паники , гипервентиляции , судорог , потери сознания и в конечном итоге смерти . ^[8]^[9] ${P_{a_{CO_{2}}}}$

Причины

Углекислый газ является нормальным продуктом метаболизма, но он накапливается в организме, если вырабатывается быстрее, чем выводится. Во время интенсивных упражнений скорость выработки углекислого газа может увеличиться более чем в десять раз по сравнению со скоростью выработки во время отдыха. Углекислый газ растворяется в крови и выводится путем газообмена в легких во время дыхания. ^[10] Гиперкапния обычно вызывается гиповентиляцией , заболеванием легких или снижением сознания . Она также может быть вызвана воздействием сред, содержащих аномально высокие концентрации углекислого газа, например, из-за вулканической или геотермальной активности, или повторным вдыханием выдыхаемого углекислого газа . В этой ситуации гиперкапния также может сопровождаться респираторным ацидозом . ^[11]

Острая гиперкапническая дыхательная недостаточность может возникнуть при остром заболевании, вызванном хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), деформацией грудной клетки, некоторыми формами нервно-мышечных заболеваний (такими как миастения гравис ) и синдромом гиповентиляции при ожирении . ^[12] AHRF может также развиться при любой форме дыхательной недостаточности, когда дыхательные мышцы истощаются, например, при тяжелой пневмонии и острой тяжелой астме . Это также может быть следствием глубокого подавления сознания, например, передозировки опиоидов . ^{[ требуется ссылка ]}

Во время погружения

Нормальное дыхание у водолазов приводит к альвеолярной гиповентиляции , что приводит к недостаточному удалению CO2 _или гиперкапнии. Работа Ланфьера в Экспериментальном водолазном подразделении ВМС США дала ответ на вопрос: «Почему водолазы не дышат достаточно?»: ^[13]

Более высокое содержание вдыхаемого кислорода ( ) при 4 атм (400 кПа) объясняло не более 25% повышения концентрации CO ₂ в конце выдоха (ET _CO_₂ ) ^[14] по сравнению со значениями, полученными при той же рабочей нагрузке при дыхании воздухом непосредственно под поверхностью. ^[15]^[16]^[17]^[4] ${P_{i_{O_{2}}}}$
Увеличение работы дыхания объясняет большую часть повышения ( уравнение альвеолярного газа ) при воздействии свыше 1 атм (100 кПа), как показывают результаты, когда гелий был заменен на азот при 4 атм (400 кПа). ^[15]^[16]^[17]^[4] ${P_{a_{CO_{2}}}}$
Неадекватная реакция вентиляции на нагрузку была выявлена тем фактом, что, несмотря на то, что показатели покоя находились в пределах нормы, они заметно возрастали при нагрузке, даже когда дайверы дышали воздухом на глубине всего нескольких футов. ^[15]^[16]^[17]^[4] ${P_{et_{CO_{2}}}}$

Существует ряд причин, по которым углекислый газ не выводится полностью при выдохе дайвера:

Дайвер выдыхает в замкнутое пространство, которое не позволяет всему CO2 _выйти в окружающую среду, например, через длинную трубку , полнолицевую маску для дайвинга или водолазный шлем , а затем дайвер повторно вдыхает из этого мертвого пространства . ^[4]
Очиститель углекислого газа в ребризере водолаза не удаляет достаточное количество углекислого газа из контура (высокий уровень вдыхаемого CO2 ₎ , дыхательный газ загрязнен CO2 _или обратные клапаны в дыхательном контуре неисправны. ^[3]
Дайвер перенапрягается, вырабатывая избыточное количество углекислого газа из-за повышенной метаболической активности, а дыхательный газообмен не может поспевать за метаболическим производством углекислого газа. ^[3]^[18]
Плотность газа ограничивает вентиляцию при высоком давлении окружающей среды. Плотность дыхательного газа выше на глубине, поэтому усилие, необходимое для полного вдоха и выдоха, увеличивается, что затрудняет дыхание и делает его менее эффективным (высокая работа дыхания ). ^[13]^[3]^[18] Более высокая плотность газа также приводит к тому, что смешивание газа в легких становится менее эффективным, тем самым увеличивая эффективное мертвое пространство. ^[4]^[5]
Дайвер намеренно гиповентиляторит , что называется «пропуском дыхания». ^[5]

Пропустить дыхание

Пропуск дыхания — спорный метод экономии дыхательного газа при использовании акваланга открытого цикла , который заключается в кратковременной задержке дыхания между вдохом и выдохом (т. е. «пропуске» вдоха). Это может привести к тому, что CO2 _не будет эффективно выдыхаться. ^[19] Риск разрыва легкого ( легочная баротравма всплытия) увеличивается, если задержка дыхания происходит во время всплытия. Это особенно контрпродуктивно с ребризером , где процесс дыхания качает газ по «петле», проталкивая углекислый газ через скруббер и смешивая свежевведенный кислород. ^[5]

При погружении с ребризером замкнутого цикла выдыхаемый углекислый газ должен быть удален из дыхательной системы, обычно с помощью скруббера, содержащего твердое химическое соединение с высоким сродством к CO ₂ , например, натронную известь . Если его не удалить из системы, он может быть повторно вдыхаем, что приведет к увеличению вдыхаемой концентрации. ^[20]

В условиях гипербарии гиперкапния способствует азотному наркозу и кислородной интоксикации , вызывая расширение сосудов головного мозга, что увеличивает дозировку кислорода в мозг. ^[18]

Механизм

Гиперкапния обычно запускает рефлекс, который увеличивает дыхание и доступ к кислороду (O ₂ ), например, пробуждение и поворот головы во время сна. Невыполнение этого рефлекса может быть фатальным, например, как способствующий фактор синдрома внезапной детской смерти . ^[21]

Гиперкапния может вызывать увеличение сердечного выброса, повышение артериального давления (более высокие уровни углекислого газа стимулируют аортальные и каротидные хеморецепторы с афферентами -CN IX и X- к продолговатому мозгу с последующими хроно- и инотропными эффектами), ^{[ необходимо уточнение ]} и склонность к сердечным аритмиям . Гиперкапния может повышать сопротивление легочных капилляров. ^{[ необходима цитата ]}

Физиологические эффекты

Высокое артериальное парциальное давление углекислого газа ( ) вызывает изменения в мозговой активности, которые отрицательно влияют как на тонкий мышечный контроль, так и на рассуждения. Изменения ЭЭГ , указывающие на незначительные наркотические эффекты, могут быть обнаружены для выдыхаемого газа, парциальное давление углекислого газа в конце выдоха ( ) увеличивается с 40 торр (0,053 атм) до приблизительно 50 торр (0,066 атм). Дайвер не обязательно замечает эти эффекты. ^[10] ${P_{a_{CO_{2}}}}$ ${P_{ET_{CO_{2}}}}$

Более высокие уровни имеют более сильный наркотический эффект: спутанность сознания и нерациональное поведение могут возникнуть около 72 торр (0,095 атм), а потеря сознания около 90 торр (0,12 атм). Высокий уровень запускает реакцию борьбы или бегства, влияет на уровень гормонов и может вызывать беспокойство, раздражительность и неадекватные или панические реакции, которые могут быть вне контроля субъекта, иногда без предупреждения. Вазодилатация является другим эффектом, особенно в коже, где сообщаются чувства неприятного тепла, и в мозге, где кровоток может увеличиться на 50% при 50 торр (0,066 атм). Внутричерепное давление может повыситься с пульсирующей головной болью. Если это связано с высоким уровнем, высокая доставка кислорода в мозг может увеличить риск кислородной интоксикации ЦНС при парциальном давлении, обычно считающимся приемлемым. ^[10] ${P_{a_{CO_{2}}}}$ ${P_{a_{CO_{2}}}}$ ${P_{ET_{CO_{2}}}}$ ${P_{a_{CO_{2}}}}$

У многих людей кайф вызывает чувство одышки, но отсутствие этого симптома не является гарантией того, что другие эффекты не проявляются. Значительный процент смертей от ребризеров был связан с задержкой CO _2. После устранения причины эффекты кайфа могут исчезнуть через несколько минут или часов. ^[10] ${P_{a_{CO_{2}}}}$ ${P_{a_{CO_{2}}}}$

Диагноз

Анализы газов крови могут проводиться, как правило, путем пункции лучевой артерии , в условиях острых проблем с дыханием или других острых медицинских заболеваний. Гиперкапния обычно определяется как уровень углекислого газа в артериальной крови более 45 мм рт. ст. (6 кПа). Поскольку углекислый газ находится в равновесии с углекислым газом в крови, гиперкапния снижает pH сыворотки, что приводит к респираторному ацидозу. Клинически влияние гиперкапнии на pH оценивается с использованием отношения артериального давления углекислого газа к концентрации иона бикарбоната, . ^[^{необходима цитата}^] ${P_{a_{CO_{2}/HCO_{3}^{-}}}}$

толерантность

СО2токсичность в животных моделях

Испытания, проведенные на беспородных собаках, показали физиологическое воздействие углекислого газа на организм животного: после вдыхания смеси 50% CO2 _и 50% воздуха, дыхательные движения усиливались примерно на 2 минуты, а затем уменьшались на 30–90 минут. Хилл и Флэк показали, что концентрации CO2 _до 35% оказывают возбуждающее действие как на кровообращение, так и на дыхание, но концентрации свыше 35% оказывают на них угнетающее действие. ^{[ необходима цитата ]} Артериальное давление (АД) временно снижалось во время усиленного дыхательного движения, а затем снова повышалось и некоторое время сохранялось на исходном уровне. Частота сердечных сокращений немного замедлялась сразу после вдыхания газовой смеси. Считается, что первоначальное снижение АД с уменьшением частоты сердечных сокращений обусловлено прямым угнетающим действием CO2 _на сердце, а возвращение артериального давления к исходному уровню было обусловлено быстрым повышением . Через 30–90 минут наступает угнетение дыхательного центра, и постепенно или внезапно развивается гипотония из-за снижения сердечного выброса, что приводит к апноэ и в конечном итоге к остановке кровообращения. ${P_{a_{CO_{2}}}}$

При более высоких концентрациях CO ₂ потеря сознания наступала почти мгновенно, а дыхательные движения прекращались через 1 минуту. Через несколько минут апноэ наблюдалась остановка кровообращения. Эти данные свидетельствуют о том, что причиной смерти при вдыхании высоких концентраций CO ₂ является не гипоксия, а интоксикация углекислым газом. ^[23]

Уход

Лечение острой гиперкапнической дыхательной недостаточности зависит от основной причины, но может включать в себя медикаменты и механическую респираторную поддержку. У тех, у кого нет противопоказаний, неинвазивная вентиляция легких (NIV) часто используется вместо инвазивной искусственной вентиляции легких . ^[12] В прошлом препарат доксапрам (дыхательный стимулятор) использовался при гиперкапнии при остром обострении хронической обструктивной болезни легких , но существует мало доказательств в поддержку его использования по сравнению с NIV, ^[24] и он не фигурирует в последних профессиональных рекомендациях. ^[12]

Очень тяжелая дыхательная недостаточность, при которой также может присутствовать гиперкапния, часто лечится с помощью экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО), при которой кислород добавляется в кровь, а углекислый газ удаляется непосредственно из нее. ^[25]

Относительно новым методом является экстракорпоральное удаление углекислого газа (ЭККО ₂ R). Эта методика удаляет CO ₂ из кровотока и может сократить время, необходимое для искусственной вентиляции легких у пациентов с AHRF; она требует меньших объемов кровотока по сравнению с ЭКМО. ^[25]^[26]

Терминология

Гиперкапния — это противоположность гипокапнии , состояния аномально низкого уровня углекислого газа в крови.

Смотрите также

Мертвое пространство (физиология) – вдыхаемый воздух не является частью газообмена.
Гипокапния – состояние пониженного содержания углекислого газа в крови.
Удушье инертным газом – недостаточное количество кислорода во вдыхаемом воздухе
Озеро Ниос — кратерное озеро в северо-западном регионе Камеруна.
Закисление океана – снижение уровня pH в океане.
Допустимая гиперкапния – Гиперкапния при дыхательной недостаточности
Пытка водой – метод пытки, имитирующий утопление.

Ссылки

^ Токсичность воздействия углекислого газа, симптомы отравления CO2, пределы воздействия углекислого газа и ссылки на процедуры тестирования на токсичные газы Дэниел Фридман – InspectAPedia
^ Дэвидсон, Клайв. 7 февраля 2003 г. «Морское уведомление: Углекислый газ: Опасность для здоровья». Австралийское управление морской безопасности.
^ abcde Энтони, Гэвин; Митчелл, Саймон Дж. (2016). Поллок, Н. В.; Селлерс, Ш. Х.; Годфри, Дж. М. (ред.). Физиология дыхания при погружениях с ребризером (PDF) . Ребризеры и научное погружение. Труды семинара NPS/NOAA/DAN/AAUS 16–19 июня 2015 г. Центр морских наук Ригли, остров Каталина, Калифорния. стр. 66–79.
^ abcdef Lanphier EH (1956). «Физиология азотно-кислородной смеси. Фаза 5. Добавленное респираторное мертвое пространство (Значение в тестах отбора персонала) (Физиологические эффекты в условиях погружения)». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США . AD0725851.
^ abcd Митчелл, Саймон (август 2008 г.). «Четыре: Удержание углекислого газа». В Mount, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия исследований и погружений с использованием газовых смесей (1-е изд.). Miami Shores, Флорида: Международная ассоциация дайверов с использованием нитрокса. стр. 279–286. ISBN 978-0-915539-10-9.
^ Stapczynski J. S, "Глава 62. Респираторный дистресс" (Глава). Tintinalli JE, Kelen GD, Stapczynski JS, Ma OJ, Cline DM: Tintinalli's Emergency Medicine: A Comprehensive Study Guide, 6-е издание: "PageError". Архивировано из оригинала 2011-07-07 . Получено 2009-05-26 ..
^ Morgan GE Jr., Michael MS, Murray MJ, "Глава 3. Дыхательные системы" (Глава). Morgan GE Jr., Michael MS, Murray MJ: Клиническая анестезиология, 4-е издание: "AccessMedicine - Lange Anesthesiology: Key Concepts". Архивировано из оригинала 2008-04-14 . Получено 2009-05-26 ..
^ ab Lambertsen, Christian J. (1971). «Переносимость и токсичность углекислого газа». Центр данных по биомедицинскому стрессу в окружающей среде, Институт экологической медицины, Медицинский центр Пенсильванского университета . Отчет IFEM № 2–71.
^ Глатт младший HA; Мотсей GJ; Уэлч BE (1967). «Исследования переносимости углекислого газа». Технический отчет школы аэрокосмической медицины на авиабазе Брукс, Техас . SAM-TR-67-77.
^ abcd Shykoff, Barbara; Warkander, Dan (28 февраля 2018 г.). «Что за шумиха вокруг CO2 в дыхательном газе?». Shearwater.com .
^ Демент, Рот, Крайгер, «Принципы и практика медицины сна», 3-е издание, 2000 г., стр. 887. ^{[ мертвая ссылка ]}
^ abc Дэвидсон, А. Крейг; Банхэм, Стивен; Эллиотт, Марк; Кеннеди, Дэниел; Гелдер, Колин; Глоссоп, Аластер; Чёрч, Алистер Колин; Криг-Браун, Бен; Додд, Джеймс Уильям; Фелтон, Тим; Фоэкс, Бернард; Мэнсфилд, Ли; Макдоннелл, Линн; Паркер, Роберт; Паттерсон, Кэролайн Мари; Совани, Милинд; Томас, Линн (14 марта 2016 г.). «Руководство BTS/ICS по вентиляции легких при острой гиперкапнической дыхательной недостаточности у взрослых». Thorax . 71 (Suppl 2): ii1–ii35. doi : 10.1136/thoraxjnl-2015-208209 . PMID 26976648.
^ ab US Navy Diving Manual, 6-е издание. США: US Naval Sea Systems Command. 2006. Архивировано из оригинала 2008-05-02 . Получено 2008-06-10 .
^ ET _{CO ₂} определяется как уровень углекислого газа, выделяемого в конце выдоха.
^ abc Lanphier, EH (1955). «Физиология азотно-кислородной смеси, фазы 1 и 2». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США . AD0784151.
^ abc Lanphier EH, Lambertsen CJ, Funderburk LR (1956). «Физиология азотно-кислородной смеси – Фаза 3. Система отбора проб газа в конце выдоха. Регулирование углекислого газа у водолазов. Тесты на чувствительность к углекислому газу». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США . AD0728247.
^ abc Lanphier EH (1958). «Физиология азотно-кислородной смеси. Фаза 4. Чувствительность к углекислому газу как потенциальное средство отбора персонала. Фаза 6. Регулирование углекислого газа в условиях погружения». Технический отчет экспериментального водолазного подразделения ВМС США . AD0206734.
^ abc Митчелл, Саймон (9 мая 2016 г.). «Дыхательная недостаточность при техническом дайвинге». DAN Southern Africa. Архивировано из оригинала 2021-11-13 . Получено 6 октября 2021 г. – через YouTube .
^ Чешир, Уильям П.; Отт, Майкл С. (2001). «Головная боль у дайверов». Головная боль: Журнал головной и лицевой боли . 41 (3): 235–247. doi :10.1046/j.1526-4610.2001.111006235.x. PMID 11264683. S2CID 36318428. Углекислый газ может коварно накапливаться у дайвера, который намеренно периодически задерживает дыхание (пропускает дыхание) в ошибочной попытке сохранить воздух
^ Ричардсон, Дрю; Мендуно, Майкл; Шривз, Карл, ред. (1996). «Труды форума по ребризерам 2.0». Семинар по науке и технологиям дайвинга. : 286.
^ Кинни, Ханна С.; Тхэч, Брэдли Т. (2009). «Синдром внезапной детской смерти». The New England Journal of Medicine . 361 (8): 795–805. doi :10.1056/NEJMra0803836. PMC 3268262. PMID 19692691 .
^ "Текущий и исторический график уровней углекислого газа (CO2)". Co2levels.org . Получено 11 июня 2022 г. .
^ Permentier, Kris; Vercammen, Steven; Soetaert, Sylvia; Schellemans, Christian (4 апреля 2017 г.). «Отравление углекислым газом: обзор литературы о часто забываемой причине интоксикации в отделении неотложной помощи». International Journal of Emergency Medicine . 10 (1): 14. doi : 10.1186/s12245-017-0142-y . ISSN 1865-1372. PMC 5380556. PMID 28378268 .
^ Гринстоун, М.; Лассерсон, Т.Дж. (2003). «Доксапрам при вентиляционной недостаточности из-за обострений хронической обструктивной болезни легких». База данных систематических обзоров Кокрейна (1): CD000223. doi :10.1002/14651858.CD000223. PMID 12535393.
^ аб Пизани, Лара; Поластри, Массимилиано; Пачилли, Анжела Мария Грация; Нава, Стефано (2018). «Экстракорпоральная поддержка легких при гиперкапнической дыхательной недостаточности». Респираторный уход . 63 (9): 1174–1179. doi : 10.4187/respcare.06277 . ПМИД 30166412.
^ Моралес-Кинтерос, Луис; Дель Сорбо, Лоренцо; Артигас, Антонио (2019). «Экстракорпоральное удаление углекислого газа при острой гиперкапнической дыхательной недостаточности». Annals of Intensive Care . 9 (1): 79. doi : 10.1186/s13613-019-0551-6 . PMC 6606679. PMID 31267300 .