FUNKCE DÝCHACÍHO SYSTÉMU PLÍCNÍ OBRANNÉ FUNKCE (např. mukociliární clearence, obranná funkce plícních makrofágů, …) METABOLICKÉ A ENDOKRINNÍ FUNKCE (např. tvorba surfaktantu, přeměna angiotenzinu I na angiotensin II, …) DALŠÍ FUNKCE DÝCHACÍ SYSTÉM DÝCHACÍ CESTY (KONVEKCE) PLÍCE - orgán, v němž dochází k výměně plynů (DIFUZE) PUMPA umožňující VENTILACI plic (HRUDNÍ STĚNA S DÝCHACÍMI SVALY) TRANSPORT O2 A CO2 V KRVI NERVOVÝ SYSTÉM REGULUJÍCÍ FUNKCI DÝCHACÍCH SVALŮ (oblasti CNS, eferentní motorické neurony k dýchacím svalům a aferentní neurony od různých receptorů) 1 FÁZE TRANSPORTU O2 K BUŇKÁM Folie2 předb cut ALVEOLY ALVEOLO-KAPILÁRNÍ M. PLÍCNÍ KAPILÁRY VYUŽITÍ O2 MITOCHONRIEMI TRANSPORT O2 V KRVI 2 DIFUZE O2 PŘES ALVEOLO-KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU DIFUZE O2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUNĚK VENTILACE PLIC DÝCHACÍ CESTY VNITŘNÍ DÝCHÁNÍ výdej CO2 ~250 ml / min příjem O2 ~300 ml / min V KLIDU 250 300 I ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA PLÁN ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ DIFUZE PLYNU PŘES BARIÉRU mezi dvěma oblastmi závisí také na VLASTNOSTECH BARIÉRY 3 VE SMĚSI PLYNŮ RYCHLOST DIFUZE složek směsi plynů závisí na jednotlivých GRADIENTECH PARCIÁLNÍCH TLAKŮ RYCHLÉ VYROVNÁNÍ TLAKU v uzavřeném prostoru POHYB plynu probíhá z oblasti vyššího tlaku do oblasti s nižším tlakem podél poklesu TLAKOVÉHO GRADIENTU Při ROVNOVÁZE SMĚSI PLYNŮ NAD KAPALINOU každá složka se v kapalině rozptýlí úměrně : PARCIÁLNÍMU TLAKU v plynné fázi ROZPUSTNOSTI této složky v kapalině VZTAHY MEZI MĚŘENÝMI VELIČINAMI P V = n R T Pokud se n a T nemění, je P V = konstanta 4 P - tlak [Pa] [mm Hg] n - látkové množství [mol] V - objem [m3] [l] T - absolutní teplota [K] R - univerzální plynová konstanta [J/K.mol] 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) fyzikální jednotka práce a energie [ J ] V P n T n T V R P = ROVNICE IDEÁLNÍHO PLYNU PARCIÁLNÍ TLAKY VE SMĚSI PLYNŮ Ve směsi dvou plynů v daném objemu n1 , n2 - látková množství plynů (ncelk = n1 + n2) 5 F1 + F2 = 1 Daltonův zákon – ZÁKON PARCIÁLNÍCH TLAKŮ PARCIÁLNÍ TLAKY mohu být vyjádřeny pomocí frakcí P1 = F1 Pcelk P2 = F2 Pcelk Podle Daltonova zákona P1 + P2 = Pcelk O2 20,98 % FO2 @ 0,21 N2 78,06 % FN2 @ 0,78 CO2 0,04 % FCO2 = 0,0004 ostatní složky BAROMETRICKÝ (ATMOSFERICKÝ) TLAK NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg 6 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU na úrovni moře PO2 = 760 x 0,21 = 160 mm Hg PN2 = 760 x 0,78 = 593 mm Hg PCO2 = 760 x 0,0004 = 0,3 mm Hg I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA DÝCHACÍ CESTY ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR -ZÓNA KONDUKCE NOSNÍ PRŮDUCHY FARYNX LARYNX TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY 7 ZÓNA VÝMĚNY PLYNŮ (alveoly) CELKOVÝ OBJEM alveolů na konci klidného výdechu ~3 l CELKOVÁ PLOCHA ~ 100 m2 PŘECHODNÁ ZÓNA RESPIRAČNÍ BRONCHIOLY ALVEOLÁRNÍ PŘÍVODY Další funkce: oteplení vzduchu, očištění a nasycení vodními parami reflexní odpovědi na dráždivé podněty řeč a zpěv (specifické funkce laryngu) Folie7 před cut ODLITEK DÝCHACÍCH CEST U ČLOVĚKA TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY 8a AERODYNAMICKÝ ODPOR Folie8 předb cut aa řasinkový cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura buňky hladké svaloviny chrupavka krevní cévy žláza pohárková buňka mukus 9 AUTONOMNÍ INERVACE (tonus hladké svaloviny) muskarinové receptory aktivace Þ bronchokonstrikce b2-adrenergní receptory aktivace Þ bronchodilatace BRONCHUS Æ < 1 mm TERMINÁLNÍ BRONCHIOLUS NÁDECH – bronchodilatace (aktivace sympatiku) VÝDECH – bronchokonstrikce (aktivace parasympatiku) BRONCHIÁLNÍ TONUS V PRŮBĚHU DÝCHÁNÍ MUKOCILIÁRNÍ CLEARANCE cilie vrstva gelu vrstva solu CYSTICKÁ FIBRÓZA mukoviscidóza Komplexní genetická porucha Þ tvorba solu je omezena hlavně defektními Cl- kanály v apikální membráně epiteliálních buněk CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). 10 BRONCHITIS CHRONICA posun hlenu s částicemi KOLOIDNÍ ROZTOK S ROZDÍLNOU VISKOZITOU I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA VT = VA + VD VT dechový objem (‘tidal volume’) ~500 ml VA alveolární část dechového objemu ~350 ml VD část dechového objemu v mrtvém prostotu (‘dead volume’) ~150 ml f = 12/min 11 4,2 l/min 6 l/min ALVEOLÁRNÍ VENTILACE VA · = VA x f 1,8 l/min VENTILACE MRTVÉHO PROSTORU VD · = VD x f MINUTOVÁ VENTILACE PLIC V ∙ = VT x f Při POVRCHNÍM RYCHLÉM DÝCHÁNÍ MINUTOVÁ VENTILACE PLIC může být normální (6 l/ min), přesto ALVEOLÁRNÍ VENTILACE je snížena ve srovnání s POMALÝM HLUBOKÝM DÝCHÁNÍM. 12 MRTVÝ PROSTOR V DÝCHACÍM SYSTÉMU CELKOVÝ OBJEM, VE KTERÉM NEDOCHÁZÍ K VÝMĚNĚ PLYNŮ U ZDRAVÉHO JEDINCE oba prostory jsou prakticky identické FUNKČNÍ (CELKOVÝ) ANATOMICKÝ - objem dýchacích cest ANATOMICKÝ mrtvý prostor + celkový OBJEM ALVEOLŮ bez funkčního kapilárního řečiště Folie16a před c cut Folie16a před aa cut kohoutek jednosměrný ventil analyzátor N2 pneumotachograf převodní systém 80 0 čas (s) 0,1 0,2 I II III MĚŘENÍ ANATOMICKÉHO MRTVÉHO PROSTORU 13 integrátor 100 % O2 během nádechu čistého O2 Fáze I - mrtvý prostor naplněný 100 % O2 Fáze II - přechodná fáze (směs O2 a alveolárního vzduchu) Fáze III - alveolární plató KŘIVKA N2 (%) VD střední bod přechodné fáze ZAČÁTEK EXSPIRACE ? O2 N2 N2 MODIFIKOVANÝ SPIROMETER jednodechový N2 test (‘single breath’ N2 test) ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR 14 PCO2A můžeme změřit v posledních 10 ml vydechnutého vzduchu PCO2 A … parciální tlak CO2 v alveolárním vzduchu VE ……. objem vydechnutého vzduchu PCO2 E … parciální tlak CO2 ve vydechnutém vzduchu P V = n R T nCO2 ~ PCO2V VE = VD + VA ? nCO2 E = nCO2 D + nCO2 A PCO2 = FCO2 . Pcelk BOHROVA ROVNICE ………? FUNKČNÍ (celkový) MRTVÝ PROSTOR 15 U ZDRAVÝCH JEDINCŮ oba parciální tlaky jsou téměř identické FUNKČNÍ MRTVÝ PROSTOR získáme, jestliže alveolární PCO2A nahradíme PCO2a (v arteriální krvi). BOHROVA ROVNICE U PLÍCNÍCH ONEMOCNĚNÍ více alveolů bez funkčního kapilárního řečiště Þ PCO2a I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA Folie10 před cut vodní těsnění subjekt nádech výdech převrácená nádoba s O2 16 SPIROMETRIE STANDARDIZACE naměřených hodnot (věk, pohlaví, tělesná výška, …) (přímá měření plícních objemů, kapacit, funkční vyšetření, …) Folie11 před cut bb PLÍCNÍ OBJEMY 17 úroveň maximálního vdechu DECHOVÝ OBJEM VT (‘tidal volume’) DILUČNÍ METODA (inertní plyn He) REZIDUÁLNÍ OBJEM RV ~1,3 úroveň maximálního výdechu n = c V Vr …..objem rezervoáru EXSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM ERV ~1,7 ~2,5 INSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM IRV [ l ] konec klidného výdechu konec klidného nádechu rezervoár (V) RV He rezervoár (V) RV cp He …počáteční koncentrace He ck He …konečná koncentrace He nRV He = np,r He – nk,r He (rozdíl mezi počátečním a konečným množstvím He v rezervoáru) Folie11 před cut bb 18 úroveň maximálního vdechu úroveň maximálního výdechu VK Největší objem vzduchu, který je možno vydechnout po maximálním nádechu ~ 4,7 l VK VITÁLNÍ KAPACITA = VT + IRV + ERV CKP CELKOVÁ KAPACITA PLIC = VK + RV ~ 6,0 l CKP ~1,3 l RV FUNKČNÍ REZIDUÁLNÍ KAPACITA < 3,0 l INSPIRAČNÍ KAPACITA > 3,0 l RV CKP ≤ 25% konec klidného výdechu I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA Folie13 před cut 0 1 3 2 4 5 6 7 8 9 čas (s) 1 2 3 4 5 6 FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KAPACITA (exspirační vteřinová VK, rozepsaný usilovný výdech VK ), FEV1 (‘forced expiratory volume per1s’ ) FEV1 VK KLIDOVÁ MINUTOVÁ VENTILACE (0,5 l x 12 dechů / min = 6 l/min) MAXIMÁLNÍ PRŮTOK VYDECHOVANÉHO VZDUCHU PEFR při použití pneumotachografu (‘peak expiratory flow rate’) (~10 l/s) MAXIMÁLNÍ VOLNÍ VENTILACE po dobu 10 s (125 - 170 l/min) 19 ≥ FEV1 VC 80 % Folie14 před cut 0 1 2 3 4 5 6 7 8 50 100 FEV1 zdravý jedinec pacient s obstrukcí dýchacích cest FEV1 čas (s) VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KAPACITA PLIC FEV1 20 25 80 35 VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KPAPACITA umožňuje rozlišení OBSTRUKČNÍCH PORUCH (astma bronchiale) od RESTRIKČNÍCH (plícní edém, fibróza, emfyzém) FEV1 VK I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA Folie17 přech a cut 3 Folie17 přech a cut 1 Folie17 přech a cut 2 VDECH VÝDECH VT [l] čas -3 -6 [mm Hg] [mm Hg] +1 -1 21 P.V = konst PA < PATM PA > PATM PA ALVEOLÁRNÍ (INTRAPULMONÁLNÍ) PA PPL INTRAPLEURÁRNÍ (INTRATORAKÁLNÍ) PPL TRANSPULMONÁLNÍ PTP = PA - PPL ČASOVÝ PRŮBĚH TLAKŮ při klidném dýchání Q … průtok vzduchu R ... aerodynamický odpor dýchacích cest POISEUILLEŮV ZÁKON ΔP = Q.R analogie Ohmova zákona naměřená křivka teoretická křivka ? ? I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA obr 12 přech cut SLOŽENÍ ALVEOLÁRNÍHO VZDUCHU O2 158,8 CO2 0,3 N2 601,0 … 760 mm Hg INSPIROVANÝ VZDUCH mrtvý prostor O2 100,0 CO2 39,0 H2O 47,0 pravé srdce levé srdce O2 40,0 CO2 45,0 H2O 47,0 N2 … … O2 95,0 CO2 41,0 H2O 47,0 N2 … … O2 40,0 CO2 45,0 H2O 47,0 N2 … … vény arterie periferní kapiláry 22 parciální tlaky v mm Hg O2 115,0 CO2 33,0 H2O 47,0 N2 564,0 … EXSPIROVANÝ VZDUCH 760 mm Hg 760 mm Hg N2 fyziologické zkraty O2 100.0 CO2 39.0 ? ? Alveolární PO2 a PCO2 při volní hypo- a hyperventilaci 23 50 100 2 4 6 8 10 alveolární ventilace (l/min) PAO2 PACO2 0 0 hyperventilace → HYPOKAPNIE → respirační alkalóza hyperventilace hypoventilace → HYPERKAPNIE → respirační acidóza hypoventilace Při KLIDNÉM DÝCHÁNÍ složení alveolárního vzduchu zůstává téměř konstantní díky objemu FUNKČNÍ REZIDUÁLNÍ KAPACITY (~3 l) I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA obr 13 přech cut RESPIRAČNÍ MEMBRÁNA nucleus ERYTROCYT O2 O2 O2 Hb HbO2 CO2 CO2 CO2 1 µm 24 0.75 s doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu nucleus alveolární epiteliální buňka ALVEOLÁRNÍ VZDUCH PO2 = 100 PCO2 = 39 (mm Hg) kapilární endoteliální buňka ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA intersticiální prostor PLÍCNÍ KAPILÁRA průměr okolo 5 µm FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ RYCHLOST DIFUZE PLYNŮ V PLÍCÍCH 25 ROZDÍL PARCIÁLNÍCH TLAKŮ (PA - Pc) FICKŮV ZÁKON –ZÁKON DIFUZE (ml/min) DÉLKA DIFUZNÍ DRÁHY - TLOUŠŤKA (SÍLA) MEMBRÁNY l (~1 μm)( l: zánět, plícní edém) CELKOVÝ POVRCH ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNY A (~ 100 m2 ) (¯ A: emfyzém) DIFUZNÍ KOEFICIENT PLYNU (závisí na molekulární hmotnosti a rozpustnosti plynu v daném prostředí – fibróza plícní tkáně) kD obr 16 přech cut PO2 100 PCO2 40 mm Hg 40 100 60 80 mm Hg 26 doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0,75 s Δ PO2 = 60 mm Hg Δ PCO2 = 6 mm Hg venózní krev PO2 40 PCO2 46 mm Hg rovnovážný stav s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg PO2 PCO2 ČASOVÝ PRŮBĚH PO2 A PCO2 V KAPILÁŘE PŘI EKVILIBRACI S ALVEOLÁRNÍM VZDUCHEM DIFUZNÍ KAPACITA PLIC DL V – rychlost difuze plynu (ml/min) · (hnací síla difuze) PA- Pc – rozdíl parciálních tlaků O2 CO2 0.75 s CO DLCO = / PACO VCO · DLCO2 » DLO2 DLO2 = 21 ml/ min/ mm Hg DLCO = 17 ml/ min/ mm Hg V KLIDU DLO2 vzrůstá při tělesné námaze ( V ) a klesá u plícních onemocnění (¯ A, l ) × kDCO2 » kDO2 × Pro měření DL je vhodný CO. PCO v plazmě je zanedbatelný, proto se měří pouze PACO a pokles CO v alveolech za jednotku času (VCO ). INDEX DIFUZNÍ KAPACITY PLIC EQUILIBRATION OF O2, N2O, AND CO PARTIAL PRESSURES IN CAPILLARY BLOOD WITH ALVEOLAR PRESSURES O2 N2O CO time (s) 0.25 0.50 0.75 (very rapid equilibration) (no equilibration) alveolar partial pressure level time interval of erythrocyte contact with respiratory membrane CO (carbon monoxide) AVIDLY BOUND IN ERYTHROCYTE used for assessment of diffusing capacity of the lungs DL N2O (nitrous oxide) INERT GAS used for cerebral and coronary blood flow measurements Folie19 přech cut INTRAPLEURÁLNÍ TLAK APEX BAZE -7,35 mm Hg -1,84 mm Hg 50 100 0 +7,35 -14,7 -1,84 -7,35 MAXIMÁLNÍ EXSPIRIUM DV apex DV baze 7,35 mm Hg = 10 cm H2O RV HODNOTY NA KONCI KLIDNÉHO VÝDECHU -22,05 MAXIMÁLNÍ INSPIRIUM INTRAPLEURÁLNÍ TLAK [mm Hg] = V. f VLIV GRAVITACE NA VENTILACI PPL ve vzpřímené poloze PPL natažené stlačené ALVEOLY