DÝCHACÍ SYSTÉM Anat dých sys Kiss ANATOMIE DÝCHACÍCH CEST Dutina nosní Dutina ústní Hltan Hrtan Plíce Průdušnice Vedlejší dutiny nosní astma v bronších termBronchiol s alveolyLidské tělo Folie8 předb cut aa ciliární cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura buňky hladké svaloviny chrupavka krevní cévy žláza pohárková buňka mukus 4 AUTONOMNÍ INERVACE SVALOVÝCH BUNĚK muskarinové receptory aktivace acetylcholinem Þ bronchokonstrikce b2-adrenergní receptory aktivace noradrenalinem Þ bronchodilatace BRONCHUS Æ < 1 mm TERMINÁLNÍ BRONCHIOLUS řasinky dýchacích cest FÁZE TRANSPORTU O2 K BUŇKÁM Folie2 předb cut dýchací cesty alveoly alveolo-kapilární m. plícní kapiláry VYUŽITÍ O2 MITOCHONRIEMI TRANSPORT O2 V KRVI 1 DIFUZE O2 PŘES ALVEOLO-KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU DIFUZE O2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUŇKY VENTILACE PLIC VNITŘNÍ DÝCHÁNÍ výdej CO2 ~250 ml / min příjem O2 ~300 ml / min V KLIDU Ventilace plic Funkce dýchacích cest: üzbavování mechanických nečistot – zachycení ve vrstvičce hlenu (řasinky ho pak sunou do faryngu) übariéra proti vniknutí infekce – lymfatická tkáň üúprava teploty vdechovaného vzduchu – na tělesnou teplotu, zvlhčení üaktivita hl. svaloviny – ovlivňuje plicní ventilaci ühlasové vazy → základní tón DÝCHACÍ CESTY ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR – ZÓNA KONDUKCE 2 NOSNÍ PRŮDUCHY FARYNX LARYNX TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY ZÓNA VÝMĚNY PLYNŮ (alveolo-kapilární membána) CELKOVÁ PLOCHA 70 - 100 m2 Další funkce: oteplení vzduchu, očištění, doplnění vodními parami reflexní odpovědi na dráždivé podněty řeč a zpěv (specifické funkce laryngu) 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 5 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 6 MRTVÝ PROSTOR CELKOVÝ OBJEM, VE KTERÉM NEDOCHÁZÍ K VÝMĚNĚ PLYNŮ U ZDRAVÉHO JEDINCE oba dva prostory (jak anatomický, tak funkční) jsou prakticky stejné ANATOMICKÝ mrtvý prostor - objem dýchacích cest (objem nadechnutého vzduchu, který se ještě nesmíchal s alveolárním vzduchem) ALVEOLÁRNÍ mrtvý prostor – množství alveolárního vzduchu, které se dostalo do alveol, ale neúčastní se na výměně plynů (nedostatečné prokrvení, stěna nepropustná pro dýchací plyny) FUNKČNÍ (celkový) mrtvý prostor =ANATOMICKÝ + ALVEOLÁRNÍ MRTVÝ PROSTOR – dusíkový test (hluboký nádech čistého O2, následuje pomalý výdech s kontinuálním monitorováním koncentrace dusíku) Difuze plic BAROMETRICKÝ TLAK VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg 20 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) O2 20,98 % FO2 @ 0,21 N2 78,06 % FN2 @ 0,78 CO2 0,04 % FCO2 0,0004 Ostatní složky = 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 PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU 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 21 parciální tlaky v mm Hg O2 115,0 CO2 33,0 H2O 47,0 N2 565,0 … 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 22 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 dýchání v klidu složení alveolárního vzduchu zůstává konstantní (funkční residuální kapacita ~3 l) obr 13 přech cut ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA ALVEOLÁRNÍ VZDUCH PO2 = 100 PCO2 = 40 (mm Hg) epiteliální buňka alveolu nucleus erytrocyt intersticiální prostor O2 O2 O2 Hb HbO2 CO2 CO2 CO2 0.6 µm ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA ALVEOLUS 23 nucleus průměr~ 5 µm PLÍCNÍ KAPILÁRA endoteliální buňka kapiláry doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0.75 s DIFUZE PLYNŮ obr 16 přech cut PO2 100 PCO2 40 mm Hg 40 100 60 80 mm Hg 24 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 vyrovnaný stav s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg PO2 PCO2 ČASOVÝ PRŮBĚH VYROVNÁVÁNÍ PO2 A PCO2 V KAPILÁŘE S ALVEOLÁRNÍM VZDUCHEM obr 17 přech b cut obr 17 přech a cut HEMOGLOBIN β α α β 1 nm Fe Fe N N N N N N N N DEOXY OXY polypeptidový řetězec N N N polypeptidový řetězec O2 Fe3+ (methemoglobin) oxidace porfyrin fetální Hb γ γ Fe2+ HEM 25 tetramer Hb4 + 4 O2 ↔ Hb4O8 oxygenace 100 50 0 50 100 CO Hb PO2 (mm Hg) fetální Hb strmá část křivky plató BOHRŮV EFEKT ¯ pH, CO2 VAZEBNÁ KŘIVKA O2 NA HEMOGLOBIN ¯ pH, CO2 BPG (2,3-bisfosfoglycerát) teplota 26 fyzikálně rozpuštěný O2 (1.4%) P50 myoglobin methemoglobin fyziologický rozsah v a PCO (mm Hg) Vyšetřovací metody Folie10 před cut vodní těsnění nádech výdech převrácená nádoba s O2 7 SPIROMETRIE (měření plicních objemů, kapacit - funkční vyšetření plic) Principem je stanovení rychlosti proudění vzduchu z měřených rozdílů tlaků mezi vnitřní a vnější stranou membrány spirometru, objemy jsou dopočítávány (spirometry systému PowerLab). Principem je měření rychlosti proudění vzduchu definovaným průřezem z otáček turbínky a objemy jsou dopočítávány (Cosmed). Starší typ spirometru Novější typy spirometru Folie11 před cut bb PLICNÍ OBJEMY 8 úroveň po maximálním nádechu DECHOVÝ OBJEM VT (‘tidal volume’) ~2,5 l INSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM IRV EXSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM ERV ~1,7 l DILUČNÍ METODA (metoda zředěného plynu) He ~1,3 l REZIDUÁLNÍ OBJEM RV konec klidného výdechu úroveň po maximálním výdechu Princip metody: 1 Maximální výdech 2 Opakovaný nádech a výdech z a do rezervoáru (známého objemu) s inertním plynem (He) známé koncentrace cp. Þ Složení vzduchu v obou prostorech se vyrovná (ck). konec klidného nádechu He reservoár (Vr) RV cp He reservoár (Vr) RV ck 3 Vypočtení REZIDUÁLNÍHO OBJEMU z počáteční a konečné koncentrace He v rezervoáru (cp, ck). Folie11 před cut bb 9 úroveň maximálního vdechu úroveň maximálního výdechu VK - největší objem vzduchu, který je možno vydechnout po maximálním nádechu VK ~ 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 konec klidného výdechu ROZEPSANÝ VÝDECH VC •FVC – usilovná vitální kapacita; maximální objem vzduchu, který lze po maximálním nádechu prudce vydechnout •FEV1 – usilovně vydechnutý objem za první sekundu; objem vzduchu vydechnutý s největším úsilím za 1. sekundu po maximální nádechu •FEV1/FVC (%) – Tiffeneaův index – kolem 80 % V [l] Čas [s] 1 s FEV1 0 1 2 3 4 5 1 s V [l] Čas [s] Obstrukční poruchy plic FVC=fyziologická hodnota; FEV1=↓) •tracheální stenóza •astma bronchitis •CHOPN •nádor v dýchacích cestách 0 1 2 3 4 5 1 s V [l] Čas [s] Restrikční poruchy plic (FVC=↓; FEV1= fyziologie) pulmonální příčiny •plicní fibróza •resekce plic •plicní edém •pneumonie extrapulmonální příčiny •ascites •kyfoskolióza •popáleniny •vysoký stav bránice ROZEPSANÝ VÝDECH VC – křivka průtok-objem •PEF – vrcholový výdechový průtok; nejvyšší rychlost na vrcholu usilovného výdechu (odpovídá vzduchu v horních DC) •MEF – maximální výdechové průtoky (rychlosti) na různých úrovních FVC, kterou je ještě třeba vydechnout (nejčastěji na 75 %, 50 % a 25 % FVC) PEF MEF25% MEF50% MEF75% TLC IRV Vt ERV RV IRC VC FRC RV PNEUMOGRAFIE Princip Pneumografie je metoda registrace dýchacích pohybů. Používáme: •snímač (respirační pás) pracující na piezoelektrickém principu (piezoelektrický jev je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování) •respirační pás, na který se přenáší pohyby hrudníku. Polovodičový snímač tlaku registruje změny tlaku v hadici a přenáší tlak na elektrický signál. Záznam: •klidové dýchání •dýchání po mírné zátěži •dýchání po intenzivní zátěži Hodnocení záznamu –Ti, Te, BI a Am Am Ti Te BI PNEUMOTACHOGRAFIE Princip Pneumotachograf je přístroj tvořený paralelně uspořádanými trubičkami o stejném průměru. Jedna z trubiček má blízko obou svých konců (ústního a vnějšího) odbočky s hadičkami. Ty jsou napojeny na snímač tlaku, který umožňuje měřit rozdíly tlaku vzduchu na začátku a na konci pneumotachografu úměrné rychlosti vdechovaného nebo vydechovaného vzduchu. •Mechanika dýchání Folie17 přech a cut 3 Folie17 přech a cut 2 VT [l] čas -3 -6 [mm Hg] [mm Hg] +1 -1 PRŮBĚHY TLAKŮ PŘI KLIDNÉM DÝCHÁNÍ PA < PATM PA > PATM ALVEOLÁRNÍ (INTRAPULMONÁLNÍ) PA INTRAPLEURÁRNÍ (INTRATORAKÁLNÍ) PPL 11 INSP EXSP naměřená křivka teoretická křivka Obrzměny intrapleur tlaku Silbernagl NA VENTILACI SE PODÍLÍ DÝCHÁNÍ V KLIDU AKTIVNÍ SÍLY RESPIRAČNÍCH SVALŮ elasticita plic elasticita hrudníku PASIVNÍ SÍLY VÝDECH - pouze pasivní (elastické) síly (plic) VDECH - aktivní síly inspiračních svalů převládají 12 DÝCHACÍ SVALY a) hlavní: • musculi intercostales externi • diaphragma b) pomocné: • musculi scaleni • m.serratus anterior, posterior superior • m.latissimus dorsi • m.pectoralis major, minor • m.subclavius • m.sternocleidomastoideus a) hlavní: • musculi intercostales interni b) pomocné: • svaly stěny břišní • m.serratus posterior inferior • m.quadratus lumborum INSPIRAČNÍ SVALY Dýchání V KLIDU diafragma (³ 80 % ) mm. intercostales ext. (≤ 20 % ) navíc akcesorní dýchací svaly (mm. scaleni) EXSPIRAČNÍ SVALY USILOVNÉ dýchání mm. intercostales int. svaly přední břišní stěny Pouze při USILOVNÉM dýchání 14 dýchábí žebra Silbernagl dychani Hrudní košSilbernagl Bucket-handle and water-pump handle effects ribs Surfaktant Laplaceův zákon LAPLACEŮV ZÁKON P tlak (transmurální DP) r radius T napětí stěny 16 sférické struktury P1 > P2 P1 P2 Kolaps alveolu - ATELEKTÁZA Další zvětšení objemu alveolu r T P 2 = P r T ? PATOLOGIE obr 5 přech ALVEOLÁRNÍ EPITELIÁLNÍ BUŇKY makrofág mastné kyseliny, cholin, glycerol, asminokyseliny, atd) BUŇKY TYPU II specializované granulární epiteliální buňky TVORBA SURFAKTANTU surfaktant 17a exocytózou sekretována lamelární tělíska BUŇKY TYPU I tenké epiteliální buňky VÝMĚNA PLYNŮ cirkulace a metabolizmus surfaktantu SURFAKTANT LÁTKA VÝRAZNĚ SNIŽUJÍCÍ POVRCHOVÉ NAPĚTÍ FOSFOLIPID dipalmitoyl fosfatidyl cholin ÚČINEK HLAVNĚ VE FÁZI VÝDECHU Regulace dýchání řízení dýchání Nervová regulace Chemická regulace Regulace dýchání https://sleep.sharepoint.com/siteimages/Chapter%203.png • •Dýchání je automatický proces, který probíhá mimovolně. • • Automaticita dýchání vychází •z pravidelné (rytmické) aktivity skupin neuronů anatomicky lokalizovaných v prodloužené míše a její blízkosti. • • –Dorzální respirační skupina - umístěná bilaterálně na dorzální straně prodloužené míchy, pouze neurony inspirační, vysílající axony k motoneuronům nádechových svalů (bránice, zevní mezižeberní svaly; jejich aktivace=nádech, při jejich relaxaci=výdech), podílí se na klidovém i usilovném nádechu – – –Ventrální respirační skupina - umístěná na ventrolaterální části prodloužené míchy, horní část: neurony jejichž axony aktivují motoneurony hlavních a pomocných nádechových svalů; dolní část: exspirační neurony s inervací výdechových svalů (vnitřní mezižeberní svaly). Neurony této skupiny jsou v činnosti pouze při usilovném nádechu a výdechu – – – –Pontinní respirační skupina – umístěná dorzálně v horní části mostu, podílí se na kontrole frekvence a hloubky dýchání; ovlivňuje činnost respiračních neuronů v prodloužené míše Regulovaná veličina: alveolární ventilace aby v každém okamžiku zajišťovala potřeby organismu pro přísun kyslíku a výdej CO2 (přísun vzduchu do zóny plic, která je v těsném kontaktu s krví – terminální respirační jednotka) Z dechového objemu 500ml přijde do oblasti respirace jen 350ml (dech objem-mrtvý prostor) Alveolární ventilace VA= df * (Dech objem - Objem mrtvého prostoru) VA=12*(500-150)=4200ml/min CHEMORECEPCE Periferní – glomus caroticum (perfuze 2000 ml/100 g tkáně/min) glomus aorticum pO2 hypoxie (pCO2 hyperkapnie) (pH acidóza) Centrální (centrální chemosenzitivní oblast – ventrální strana prodloužené míchy) Zvýšení pCO2 v krvi – je nejvýznamnější stimul, CO2 projde rychle HEB ……zvýšení H+ intersticiální tekutiny Snížení pH krve je menším podnětem pro stimulaci dýchání pO2 Chemické faktory ovlivňující dechové centrum: •Centrální chemoreceptory • - na ventrální straně prodloužené míchy •Adekvátní podnět: zvýšení pCO2 a koncentrace H+ • • -centrální chemoreceptor reaguje i na pokles pH z jiných příčin (laktázová acidóza, ketoacidóza) - •Periferní receptory • – glomus caroticum, glomus aorticum •(Stimulace dýchání probíhá cestou n. vagus a n. glossopharyngeus). •Reagují na pokles pO2, (zvýšení pCO2 a pH). Obzvlášť reagují na pokles pO2 pod fyziologickou hodnotu v arteriální krvi (12,5kPa). • •Mechanismus účinku: následkem poklesu tvorby ATP v mitochondriích se depolarizuje membrána receptorů a nastává jejich excitace (zvýšení tvorby vzruchů v aferentních nervech) •z http://www.medicine.mcgill.ca/physio/resp-web/sect8.htm, Nechemické vlivy Různé typy receptorů ve stěnách dýchacích cest Dráždivé receptory ve sliznici dýchacích cest – rychle se adaptující, Stimulovány řadou chemických látek (histamin, serotonin, cigaretový kouř). Společnou odpovědí na podráždění je zvýšená sekrece hlenu, zúžení laryngu a bronchů C-receptory (v blízkosti plicních cév =J receptory)– volná nervová zakončení vagových nemyelinizovaných vláken (typu C) v intersticiu bronchů a alveolů; Podráždění mechanické (zvýšené roztažení plic, zvýšený tlak v plicním oběhu, plicní edém) i chemické; Reflexní odpověď – zrychlené mělké dýchání, bronchokonstrikce, zvýšená produkce hlenu, dráždivý kašel Tahové receptory (stretch receptory) pomalu se adaptující, v hladké svalovině trachei a bronchů; jejich podráždění tlumí aktivitu respiračního centra v mozkovém kmeni – Hering-Breuerovy reflexy. Další vlivy: Baroreceptory – vagové manévry – tlumí i respirační centrum Podráždění proprioreceptorů svalů a kloubů při aktivním i pasivním pohybu končetin ovlivňuje činnost respiračních neuronů v mozkovém kmeni (uplatnění pro vzestup plicní ventilace při svalové práci) Aferentace z proprioreceptorů inspiračních svalů pomáhá prostřednictvím zpětné vazby přizpůsobit sílu kontrakce těchto svalů aktuálnímu odporu hrudníku a dýchacích cest tak, aby bylo dosaženo požadovaného dechového objemu Vyšší nervová centra Limbický systém, hypotalamus – ovlivnění dýchání při silné bolesti či emocích Kolaterály kortikospinálních drah=mozková kůra – aktivuje respirační centra při svalové práci Ovlivnění vůlí Zadržení dechu při potápění, změnit rytmicitu dýchání při mluvení, zpívání, hře na dechový nástroj. Dráhy vycházející z motorické kůry přímo ovlivňují činnost motoneuronů dýchacích svalů = automatická a volní kontrola od sebe odděleny (lze regulovat dýchání vlastní vůlí za fyziologických podmínek, dokud nedojde k výrazným odchylkám pO2, pCO2 , H+ - pak je volní kontrola nahrazena automatickou Vliv tělesné teploty nepřímo – přes urychlení metabolismu; přímá stimulace dechového centra zvýšenou teplotou Šťastné a veselé, nejlépe „fyziologické“ vánoce!