HENGITYS Hengityksen mekaniikka ja keuhkotuuletus MITÄ ON HENGITTÄMINEN? Toiminnallinen tapahtumasarja, jonka avulla ihminen saa energian elintoimintoihinsa Laajasti ottaen hengitykseen kuuluvat: 1. ulkoinen hengitys ja hengityskaasujen (happi ja hiilidioksidi) vaihto ympäristön kanssa 2. hengityskaasujen kuljetus veressä ja muissa elimistön nesteissä 3. soluhengitys energia aineenvaihduntaan liittyvät entsyymireaktiot solun sisällä (ATP:n tuottaminen anaerobisesti tai aerobisesti) 1 2 hengitystiet keuhkorakkula Vaihe 1: O 2 ja CO 2 vaihtuminen ilmakehän ja keuhkojen välillä HENGITYKSEN MEKANIIKKAAN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Keuhkoverenkierto= pieni verenkierto Systeeminen verenkierto = suuri verenkierto H 2 O Soluhengitys ravintoaineet Vaihe 2: O 2 ja CO 2 vaihtuminen keuhkojen ja veren välillä O 2 ja CO 2 kuljetus veressä Vaihe 3: O 2 ja CO 2 vaihtuminen veren ja kudosten välillä 3 1. Fysikaaliset tekijät 2. Hengityslihakset 3. Keuhkojen ja rintakehän ominaisuudet 4. Hengitysteiden virtausvastus 5. Neuraaliset säätelytekijät 6. Humoraaliset säätelytekijät 4 1. FYSIKAALISET TEKIJÄT Ilmanpaine (vaihtelee) 1 atm = 101.3 kpa = 760 mmhg (merenpinta) 3000 m merenpinnan yläpuolella ~ 523 mmhg 10 m merenpinnan alapuolella ~ 2 x 760 mmhg ilmakehän koostumus jotakuinkin muuttumaton n. 100 km asti (ns. Karmanin raja) vesihöyryn osapainetta lukuunottamatta hapen osapaine merenpinnan tasalla: 760 mmhg x 0.2095 = 159 mmhg Ilmanpaine, hengityskaasujen osapaineet ja valtimoveren happikyllästeisyys 10 000 ft = 3048 m 6096 m 9144 m 12 192 m Suluissa olevat arvot ovat arvoja akklimatisaation jälkeen. 5 6 1
FYSIKAALISET TEKIJÄT ilmanpaine erot ilmakehän paine, paine hengitysteissä, paine alveoleissa.. paine ero hengityselimistön ja ilmakehän välillä määrää ilmanvirtauksen ilmanpaine ero hengitysteiden (P in ) ja niitä ympäröivän kudoksen (P out ) välillä = transmuraalipaine P TM = P in P out ilmanpaine ero alveolin ja pleuraontelon välillä = transpulmonaalipaine P TP määrää keuhkojen tilavuuden Kun P TP = 0 keuhkojen tilavuus on < 10% maksimaalisesta tilavuudesta Positiivinen P Tp pyrkii laajentamaan keuhkoja Negatiivinen P Tp pyrkii pienentämään keuhkoja LIHASTYÖ LUO PAINE EROJA! 7 FYSIKAALISET TEKIJÄT lämpötila Lämmin ilma voi sitoa enemmän vesihöyryä kuin kylmä ilma (esim. g/m 3 ) vesihöyryn osapaine esimerkiksi ulkona 0 C:ssa 4.6 mmhg sisätiloissa 20 C:ssa 17.5 mmhg Henkitorvessa 37 C:ssa 46.9 mmhg vesihöyry syrjäyttää muita kaasuja hapen osapaine hengitysteissä: (760 mmhg 46.9 mmhg) x 0.2095 149 mmg Vaikutus hengitystyöhön Kasvanut Ilman tiheys 8 FYSIKAALISET TEKIJÄT kaasujen fysikaaliset ominaisuudet DALTONIN LAKI eri kaasumolekyyleista koostuneen kaasun kokonaispaine on sen komponenttien osapaineiden summa BOYLE N LAKI käytännössä: Kaasujen tilavuuden ja paineen välinen suhde on käänteinen kun kaasun tilavuus pienenee puoleen, kaksinkertaistuu sen paine BOYLEN LAKI Paine x tilavuus = vakio, kun lämpötila on vakio Kaasujen tilavuuden ja paineen välinen suhde on käänteinen kun kaasun tilavuus pienenee puoleen, kaksinkertaistuu sen paine CHARLESIN LAKI Paine / lämpötila = vakio, kun tilavuus on vakio HENRYN LAKI Liuenneen kaasun konsentraatio nesteessä = liukoisuusvakio x kaasun osapaine kaasufaasissa 9 10 Keuhkot toimivat imupumppu periaatteella Sisäänhengitys on aktiivinen tapahtuma. Sisäänhengityslihakset supistuvat rintaontelo laajenee Boyle n lain mukaan sama määrä molekyylejä suuremmassa tilavuudessa alentaa pleuraontelo ja alveolipainetta ilma virtaa painegradientin mukaan suuremmasta paineesta pienempään. Painepumppu P atm ilmanpaine alveolipaine P alv Alveolipaine määrää ilmanvirtauksen! 11 12 2
Normaali lepouloshengitys on passiivinen tapahtuma. Sisäänhengityslihasten supistuminen estyy keuhkokudoksen luontainen recoil vetää keuhkoja kasaan alveolipaine nousee kun keuhkojen tilavuus pienenee. Sisäänhengityslihakset: 1) pallea (75% rintakehän laajenemisesta) 2) ulommat kylkivälilihakset Apulihakset: päänkiertäjälihas kylkiluunkannattajat Muut: Abduktori(loitontaja)lihakset ylempien hengitysteiden seinämissä 2. HENGITYSLIHAKSET Elastinen palautumispaine ~ recoil 13 14 PALLEA DIAPHRAGMA Sisäänhengityksessä rintakehä laajenee kolmeen suuntaan Rintalastan liikkuminen ylös ja ulos laajentaa rintakehää etu takasuunnassa 15 Ulompien kylkivälilihasten supistuminen nostaa kylkiluita ja laajentaa rintakehää sivusuunnassa Pallean supistuminen laajentaa rintakehää pystysuunnassa sekä etuja sivusuunnassa 16 Uloshengityslihakset: ei primaarisia UH lihaksia käytetään aktiivisessa uloshengityksessä esim. rasituksen aikana ja lepouloshengityksessä ahtauttavissa keukosairauksissa 1) sisemmät kylkivälilihakset 2) vatsalihakset HENGITYSLIHAKSET Uloshengityksessä rintaontelon tilavuus palautuu sisäänhengitystä edeltävälle tasolle, tai pienenee Ulommat kylkivälilihakset relaksoituvat Pallea relaksoituu Kylkiluut ja rintalasta painuvat kasaan tilavuus pienenee sivusuunnassa ja etutakasuunnassa Sisemmät kylkivälilihakset supistuvat Vatsalihakset supistuvat 17 Rintaontelon tilavuus palautuu Vastalihasten supistuminen työntää palleaa ylöspäin pienentäen rintaontelon tilavuutta pystysuunnassa 18 3
Pleuraontelon alipaine muodostuu keuhkokudoksen ja rintakehän päinvastaisten recoil voimien avulla 760 mmhg Ilmakehän paine recoil Hengitystiet Rintaontelon seinämä Alveolipaine = 0 recoil Pleuraontelo Pleuraontelon paine (staattinen) recoil Keuhkot 19 20 PAINOVOIMA pleuraontelon paine (P PL ) on suurempi keuhkojen alaosassa kuin yläosassa transpulmonaaripaine (P TP ) vaihtelee keuhkojen tyvi (base) ja kärki (apex) osien välillä Toiminnallinen merkitys? Uloshengityksen loppuvaihe Pleuraontelossa on normaalisti pieni määrä nestettä; 0,3 ml/kg (V. Kinnula) P TP P TP 1 cm H 2 O ~ 0.735 mmhg Paine erot suhteessa ilmanpaineeseen mitattu alunperin vesimanometrilla pleura, alveoli ja transmuraalipaine ilmaistu usein vesisenttimetreinä 21 lyhenne 1 cm H 2 O ~ 0.735 mmhg Uloshengityksen lopussa keuhkojen yläosin jää enemmän ilmaa kuin alaosiin. 22 Toiminnallinen merkitys? Sisäänhengityksen loppuvaihe: P TP Alaosat ventiloituvat paremmin kuin yläosat. Kuvaa ventilaatiota keuhkojen eri osissa. 23 Transpulmonaalipaine ilmaistu kilopascaleina (kpa) 1 Pa = 0.0075 mmhg 24 4
Keuhkojen tyviosa on kärkiosaa paremmin ventiloitu ja perfusoitu Mitä seuraa jos alipaine häviää? Keuhko kytkeytyy irti rintakehän seinämästä. Koska mediastinum on täydellinen, kollapsoituu vain traumanpuoleinen keuhko. Ei hengitysääniä auskultoitaessa. 25 26 Paineilmarinnassa syntyy kudosläppä, joka estää ilman virtauksen takaisin ulos uloshengityksen aikana KEUHKOPAINEIDEN JA TILAVUUDEN MUUTOKSET Alveolipaineen muutokset hengityksen aikana (mmhg) Pleuraontelon paineen muutokset hengityksen aikana (mmhg) Copyright HHervonen, Netter 27 Hengityksen aikana liikkuvan ilman tilavuus (ml) 28 3. KEUHKOJEN JA RINTAKEHÄN OMINAISUUDET KEUHKOJEN JA RINTAKEHÄN OMINAISUUDET Komplianssi (myötäävyys, peräänantavuus) C = V/ P vaihteleva ominaisuus Staattinen komplianssi (kudosominaisuudet staattisissa olosuhteissa, ei ilmanvirtausta, P a =P atm ) Dynaaminen komplianssi (kudosominaisuudet kun keuhkot toiminnassa, P a < P atm, P a > P atm ) Komplianssi alenee, kun hengitysfrekvenssi nousee Sairaudet muuttavat komplianssia, esimerkiksi keuhkolaajentumassa se on suurentunut, fibroosissa pienentynyt Elastanssi, komplianssin käänteisarvo E = 1/C keuhkojen kokoonpainavat voimat kudosvoimat (sileä lihas, elastiini, kollageeni) pintajännitysvoimat nesteen ja ilman rajapinnassa molemmat pyrkivät supistamaan venynyttä keuhkokudosta (recoil) Rintakehän kimmovoimat pyrkivät laajentamaan rintakehää lepotilassakin Elastanssi keuhkolaajentumassa ja fibroosissa? 29 30 5
Ilma neste rajapinnan pintajännitys vaikuttaa merkittävästi keuhkojen recoiliin Alveolia kokoonpainava paine (P) on suoraan verrannollinen alveolin pintajännitykseen (T) ja kääntäen verrannollinen alveolin läpimittaan (r): P = 2T/r Johtaa siihen, että pienet alveolit pyrkivät tyhjenemään suuriin paine eron takia ja painumaan kasaan 31 32 Terveissä keuhkoissa näin ei tapahdu, koska alveolista erittyvä surfaktantti tasaa alveoleja kokoonpainavan voiman vähentämällä ilma neste rajapinnan pintajännitystä SURFAKTANTTI Alhainen pintajännitys estää myös nesteen kertymisen alveoliin. Lamellikappale 33 34 SURFAKTANTIN KOMPOSITIO ~ Pintajännitys muodostaa suurimman vastuksen keuhkojen täyttymiselle ei pintajännitystä pintajännitys Dipalmitoyylifosfatidyylikoliini 62% Fosfatidyyliglyseroli 5% Muut fosfolipidit 10% Neutraalit lipidit 13% Proteiinit (mm. apoproteiinit) 8% Hiilihydraatit 2% (Kuvaa lihastyötä) 35 Hystereesi ilmiö: tarvitaan enemmän lihastyötä (suurempi paineero!) avaamaan sulkeutuneet alveolit kuin pitämään avoinna olevat auki 36 6
Surfaktantin merkitys vastasyntyneen hengitystyölle Edelleen, Surfaktantti estää myös alveolin liikatäytön sisäänhengityksen aikana Surfaktantti molekyylien tiheys rajapinnassa alenee alveolin tilavuuden suuretessa 37 38 Ilman kulkuväylät ja kaasujen vaihtoalueet = anatominen kuollut tila 39 40 4. HENGITYSTEIDEN VIRTAUSVASTUS Hengitysteiden läpimitta tärkein tekijä vastus kasvaa läpimitan pienetessä (Poiseuille n kaava) passiivinen säätely hengityssyklin mukainen keuhkojen inflaatio ja deflaatio rintaontelon ulkopuoliset ja sisäpuoliset hengitystiet käyttäytyvät eri tavoin KESKINÄISEN RIIPPUVUUDEN PERIAATE PRINCIPLE OF INTERDEPEDENCE Toisiinsa yhteydessä olevia alveoleja Alveolin kollapsi Ympäröivät alveolit vetävät kasaanpainuneen auki Virtausvastus (cmh 2 O s / l) Kroonisessa, ahtauttavassa keuhkosairaudessa virtausvastus on aina tervettä keuhkoa suurempi Alveolien suurempi myötäävyys ja venyttyminen vetävät myös jäykempiä hengitysteitä mekaanisesti auki Keuhkojen tilavuus (l) 41 42 7
Terminaalinen ilmatiehyt Hengitystiehyitä Sileälihassoluja elastisia säikeitä Keuhkorakkula Hengitystiehyitä Keuhkorakkulatiehyitä Keuhkorakkulasäkki Keuhkorakkula = hengityselimistön toiminnallinen yksikkö! aktiivinen säätely katekoliamiinit, asetyylikoliini, paikalliset vaikuttajat (histamiini) ilman epäpuhtaudet, hengityselinsairaudet, lääkkeet Keuhkorakkulatiehyen suuaukko 43 44 Virtauksen pyörteisyys lisää virtausvastusta lisääntyy, kun virtausnopeus kasvaa on suurinta ylähengitysteissä (puhtaasti turbulenttia virtausta trakeassa) on pienintä pienissä keuhkoputkissa (puhtaasti laminaarista virtausta terminaalisten bronkiolusten distaalipuolella) lisää hengitystyötä Hengitysteiden haarautuva rakenne tekee ilmanvirtauksesta keuhkoissa pääasiassa transitionaalista (laminaarinen virtaus muuttuu haarautumakohdissa turbulentiksi) 45 8