HENGITYS Hengityksen mekaniikka ja keuhkotuuletus L Peltonen 30.10.2017
Mekaniikka: mekaniikka tutkii voimien vaikutusten alaisten kappaleiden lepoa ja liikettä; pyrkii mallintamaan luonnonilmiöitä Keuhkotuuletus: hengityksen minuuttitilavuus; l/min hengitystaajuus x hengitystilavuus; Minuutin aikana hengityselimissä käyneen ilman tilavuus
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) 3
hengitystiet keuhkorakkula Keuhkoverenkierto= pieni verenkierto Vaihe 1: O 2 ja CO 2 vaihtuminen ilmakehän ja keuhkojen välillä Vaihe 2: O 2 ja CO 2 vaihtuminen keuhkojen ja veren välillä O 2 ja CO 2 kuljetus veressä Systeeminen verenkierto = suuri verenkierto H 2 O Soluhengitys ravintoaineet Vaihe 3: O 2 ja CO 2 vaihtuminen veren ja kudosten välillä 4
Alveoli-ilma vaihtuu hitaasti Normaalin uloshengityksen jälkeen keuhkoihin jää vielä reilu 2 l ilmaa (ns. toiminnallinen jäännöskapasiteetti, functional residual capacity, FRC) Lepohengitystilavuus on noin 500 ml, josta 350 menee alveoleihin ja 150 ml jää ilmateihin 350 ml alveoli-ilmasta vaihtuu yhdellä henkäyksellä HITAUDEN MERKITYS: estetään äkilliset muutokset veren hengityskaasujen pitoisuuksissa ja pidetään hengityksen säätelymekanismit vakaina 5
HENGITYKSEN MEKANIIKKAAN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT 1. Fysikaaliset tekijät 2. Hengityslihasten toiminta 3. Keuhkojen ja rintakehän ominaisuudet 4. Hengitysteiden virtausvastus 5. Neuraaliset säätelytekijät 6. Humoraaliset säätelytekijät 6
1 FYSIKAALISET TEKIJÄT Ilmanpaine (vaihtelee) 1 atm = 101.3 kpa = 760 mmhg (merenpinnan tasolla) 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 Komponentti % O 2 20.95 CO 2 0.03 Typpi, N 2 78.09 Argon, Ar 0.93 100.00 Komponentti mmhg O 2 159 CO 2 0.2 Typpi, N 2 ~593 Argon, Ar 7 ~760 7
O 2 ILMASSA JA NESTEESSÄ Kun kaasun osapaine kasvaa, kasvaa myös sen nesteeseen liuennut määrä DALTONIN LAKI: eri kaasumolekyyleistä koostuneen kaasun kokonaispaine on sen komponenttien osapaineiden summa Tasapainotilanteessa kaasu vaikuttaa nesteessä samalla osapaineella kuin kaasufaasissa Kaasun konsentraatio nesteessä = kaasun tilavuus tietyssä tilavuudessa nestettä (esim. ml O 2 /l verta) HENRY N LAKI: Kaasun konsentraatio = osapaine x liukoisuusvakio O 2 100 mmhg O 2 : 209 ml KAASU 1 litra ilmaa CO 2 100 mmhg 4.5 ml O 2 /l 134 ml CO 2 /l VESI N 2 : 791 ml 280 mg 910 mg 1 litra vettä Hengityksen mekaniikan kannalta O 2 : 7 ml H 2 O: 1000 ml inertin kantaja-aineen massa 10 mg 1 000 000 mg vaikuttaa suuresti energiankulutukseen 8
1 FYSIKAALISET TEKIJÄT ilmanpaine-erot paine-ero ilmakehän ja hengityselimistön (alveolin) välillä määrää ilmanvirtauksen ilma virtaa laskevan painegradientin suuntaan ilmanpaine-ero hengityselimistön (P in ) ja niitä ympäröivän kudoksen (P out ) välillä = transmuraalipaine P TM = P in -P out positiivinen P TM pyrkii laajentamaan negatiivinen P TM pyrkii painamaan kasaan ilmanpaine-ero alveolin ja pleuraontelon välillä määrä keuhkojen tilavuuden (P TP transpulmonaalipaine = P A -P IP ) normaalisti P TP on positiivinen eli keuhkot pyrkivät täyttämään sitä ympäröivän tilan kun P TP = 0 keuhkojen tilavuus on < 10% maksimaalisesta tilavuudesta Ilmanpaine-ero pleuraontelon ja ilmakehän välillä = P IP P atm negatiivinen paine pyrkii painamaan rintakehää kasaan positiivinen paine pyrkii laajentamaan rintakehää LIHASTYÖ MUKANA LUOMASSA PAINE-EROJA! 9
KEUHKOPAINEIDEN JA TILAVUUDEN MUUTOKSET LEPOHENGITYKSESSÄ Alveolipaineen muutokset hengityksen aikana (mmhg) Pleuraontelon paineen muutokset hengityksen aikana (mmhg) Hengityksen aikana liikkuvan ilman tilavuus (ml) 10
1 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 syrjäy ää muita kaasuja hapen osapaine hengitysteissä: (760 mmhg - 46.9 mmhg) x 0.2095 149 mmg Vaikutus hengitystyöhön Kasvanut ilman tiheys CHARLESIN LAKI Paine / lämpötila = vakio, kun tilavuus on vakio 11
BOYLE N LAKI (Robert Boyle 1627-1691) Paine x tilavuus = vakio, kun lämpötila on vakio. Kaasujen lavuuden ja paineen välinen suhde on käänteinen kun kaasun tilavuus pienenee puoleen, kaksinkertaistuu sen paine 12
Keuhkot toimivat imupumppu periaatteella Sisäänhengitys on aktiivinen tapahtuma. Sisäänhengityslihakset supistuvat rintaontelon tilavuus suurenee ja pleuraontelon paine laskee rintaontelon seinämiin kytkeytyneet keuhkot laajenevat Boyle n lain mukaan alveolipaine laskee ilma virtaa laskevan painegradientin suuntaan keuhkoihin. P TP ja pleuraontelon nesteen koheesio kytkee keuhkot rintakehään P atm ilmakehänpaine P alv alveolipaine Alveolipaine määrää ilmanvirtauksen! 13
Eri tapoja ventiloida Ns. tankkiventilaattori 14
Normaali lepouloshengitys on passiivinen tapahtuma. Sisäänhengityslihakset relaksoituvat keuhkot painuvat kasaan rintaontelon seinämän, pleuran lehdyköiden ja keuhkokudoksen kokoonpainavien voimien vaikutuksesta (recoil) Boyle n lain mukaan alveolipaine suurenee ilma virtaa laskevan painegradientin suuntaan ulospäin. Elastinen palautumispaine ~ recoil 15
2 HENGITYSLIHAKSET 75% rintakehän laajenemisesta Sisäänhengityslihakset + abduktori(loitontaja)lihakset ylempien hengitysteiden seinämissä + selän m. quadratus lumborum (toimii synergistisesti pallean kanssa) Uloshengityslihakset - ei primaarisia uloshengityslihaksia - käytetään aktiivisessa uloshengityksessä esim. rasituksen aikana - lepouloshengityksessä ahtauttavissa keuhkosairauksissa 16
PALLEA DIAPHRAGMA Stabilointi: tasapainottaa pallean painumisen aiheuttamaa alimpien kylkiluiden kohoamista 17
Sisäänhengityksessä rintakehä laajenee kolmeen suuntaan Rintalastan liikkuminen ylös- ja ulos laajentaa rintakehää etu-takasuunnassa Ulompien kylkivälilihasten supistuminen nostaa kylkiluita ja laajentaa rintakehää sivusuunnassa Pallean supistuminen laajentaa rintakehää pystysuunnassa sekä etuja sivusuunnassa 18
Uloshengityksessä rintaontelon tilavuus palautuu sisäänhengitystä edeltävälle tasolle, tai pienenee Kylkiluut ja rintalasta painuvat kasaan lavuus pienenee sivusuunnassa ja etu-takasuunnassa Ulommat kylkivälilihakset relaksoituvat Sisemmät kylkivälilihakset supistuvat Pallea relaksoituu Vatsalihakset supistuvat Rintaontelon tilavuus palautuu Vastalihasten supistuminen työntää palleaa ylöspäin pienentäen rintaontelon tilavuutta pystysuunnassa 19
Pleuraontelon alipaine muodostuu keuhkokudoksen ja rintakehän päinvastaisten recoil -voimien avulla Ilmakehän paine 760 mmhg recoil Hengitystiet Rintaontelon seinämä Alveolipaine = 0 recoil Pleuraontelo Pleuraontelon paine (staattinen) 760 mmhg recoil Keuhkot
PAINOVOIMA ver kaaliasennossa pleuraontelon paine (P IP ) on suurempi keuhkojen alaosassa kuin yläosassa transpulmonaaripaine (P TP ) vaihtelee keuhkojen tyvi (base) ja kärki (apex) osien välillä Pleuraontelossa on normaalisti pieni määrä nestettä; 0,3 ml/kg (V. Kinnula) P PL P TP Paine-erot suhteessa ilmanpaineeseen mitattu alunperin vesimanometrilla pleura-, alveoli 21 ja transmuraalipaine ilmaistu usein vesisenttimetreinä lyhenne 1 cm H 2 O ~ 0.735 mmhg
TOIMINNALLINEN MERKITYS? Uloshengityksen loppuvaihe P TP 1 cm H 2 O ~ 0.735 mmhg Uloshengityksen lopussa keuhkojen yläosin jää enemmän ilmaa 22 kuin alaosiin.
TOIMINNALLINEN MERKITYS? Sisäänhengityksen loppuvaihe P TP Alaosat ventiloituvat paremmin kuin yläosat. Kuvaa ventilaatiota keuhkojen eri osissa. 23
Transpulmonaaripaine ilmaistu kilopascaleina (kpa) 1 Pa = 0.0075 mmhg 24
Keuhkojen tyviosa on kärkiosaa paremmin ventiloitu & perfusoitu (huom. ventilaatio-perfuusio suhde pienempi tyviosassa) 25
Mitä seuraa jos alipaine häviää? Keuhko kytkeytyy irti rintakehän seinämästä ja kollapsoituu. Atelektaasi = keuhkon tai sen osan ilmattomuus Koska mediastinum on täydellinen, kollapsoituu vain traumanpuoleinen keuhko. Ei hengitysääniä auskultoitaessa. 26
Paineilmarinnassa syntyy kudosläppä, joka estää ilman virtauksen takaisin ulos uloshengityksen aikana Copyright HHervonen, Netter 27
3 KEUHKOJEN JA RINTAKEHÄN OMINAISUUDET Komplianssi (myötäävyys, peräänantavuus) C = DV/DP kuvaa sitä, kuinka helposti keuhkot antavat myöten kun sisäänhengityksessä tehdään työtä hengityslihaksilla alueittain 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 kun hengitystaajuus nousee (kts. B&B, kuva 27-15) 28
3 KEUHKOJEN JA RINTAKEHÄN OMINAISUUDET Komplianssiin vaikuttavia tekijöitä: Ikääntyminen: keuhkojen komplianssi ( senile emphysema ); rintakehän komplianssi (mm. rintarangan osteoporoosi, kyfoosi, rintakehän jäykistyminen) lihavuus: rintakehän komplianssi keuhkopöhö, pleuranesteily hengityselinsairaudet (emphysema, keuhkofibroosi ) 29
3 KEUHKOJEN JA RINTAKEHÄN OMINAISUUDET Elastanssi (kimmoisuus), komplianssin käänteisarvo E = 1/C kuvaa keuhkoissa sitä, kuinka hyvä on niiden kyky tyhjentyä uloshengityksessä keuhkojen kokoonpainavat voimat ( recoil ) pyrkivät supistamaan venynyttä keuhkokudosta kudosvoimat (sileä lihas, elastiini, kollageeni) pintajännitysvoimat nesteen ja ilman rajapinnassa Elastanssi keuhkolaajentumassa ja fibroosissa? 30
Ilma-neste -rajapinnan pintajännitys vaikuttaa merkittävästi keuhkojen recoiliin Alveolia kokoonpainava paine (P) on suoraan verrannollinen alveolin pintajännitykseen (T) ja kääntäen verrannollinen alveolin läpimittaan (r =säde): 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 merkittävästi ilma-neste rajapinnan pintajännitystä Alhainen pintajännitys estää myös nesteen kertymisen alveoliin. 33
SURFAKTANTTI Lamellikappale 34
SURFAKTANTIN KOMPOSITIO ~ Dipalmitoyylifosfatidyylikoliini 62 % Fosfatidyyliglyseroli 5 % Muut fosfolipidit 10 % Neutraalit lipidit 13 % Proteiinit (mm. apoproteiinit) 8 % Hiilihydraatit 2 % 35
Pintajännitys muodostaa suurimman vastuksen keuhkojen täyttymiselle ei pintajännitystä pintajännitys (Kuvaa lihastyötä) Hystereesi* ilmiö keuhkojen komplianssissa inflaation ja deflaation aikana, eräs johtopäätös: tarvitaan enemmän lihastyötä (suurempi paine-ero!) avaamaan sulkeutuneet alveolit kuin pitämään avoinna olevat auki * viive, viivästyminen ; tilavuuden muutos laahaa paineen muutoksen perässä 36
Surfaktantin merkitys vastasyntyneen hengitystyölle IRDS = surfaktantin puutteesta aiheutuva keskosen hengitysvaikeusoireyhtymä 37
Edelleen, Surfaktantti estää myös alveolin liikatäytön sisäänhengityksen aikana Surfaktanttimolekyylien tiheys rajapinnassa alenee alveolin tilavuuden suuretessa 38
Ilman kulkuväylät ja kaasujen vaihtoalueet = anatominen kuollut tila Fysiologinen kuollut tila = anatominen kuollut tila + kaasujen vaihtoon osallistumattomat alveolit 39
4 HENGITYSTEIDEN VIRTAUSVASTUS Hengitysteiden läpimitta tärkein tekijä vastus kasvaa läpimitan pienetessä (Poiseuille n kaava) Passiivinen säätely hengityssyklin mukainen keuhkojen inflaatio (laajentuminen) ja deflaatio (kutistuminen) rintaontelon ulkopuoliset ja sisäpuoliset hengitystiet käyttäytyvät eri tavoin (kts. spirometrian harjoitustyömoniste) 40
Virtausvastus cmh 2 O/l/s Normaalissa keuhkossa suurin virtausvastus ilmenee kahdeksan ensimmäisen ilmatie sukupolven alueella 41
KESKINÄISEN RIIPPUVUUDEN PERIAATE PRINCIPLE OF INTERDEPEDENCE Toisiinsa yhteydessä olevia alveoleja Alveolin kollapsi Ympäröivät alveolit vetävät kasaanpainuneen auki Alveolien suurempi myötäävyys ja venyttyminen vetävät myös jäykempiä hengitysteitä mekaanisesti auki 42
Aktiivinen säätely katekoliamiinit, asetyylikoliini, paikalliset vaikuttajat (histamiini) ilman epäpuhtaudet, hengityselinsairaudet, lääkkeet SUPISTAVAT LAAJENTAVAT 43
Miten veri/ilma virtaa? Reynoldsin numero: Re = 2rvρ η r = kuvaa suonen/ilma- tai hengitystien läpimittaa, v = keskimääräinen virtausnopeus, ρ (rho) = nesteen /ilman tiheys (kg/m 3 ), η (eta) = nesteen/ilman viskositeetti (sisäinen kitka) 44 Downloaded from: StudentConsult (on 15 October 2013 12:36 PM) 2005 Elsevier
Virtauksen pyörteisyys lisää virtausvastusta lisääntyy, kun virtausnopeus kasvaa on suurinta ylähengitysteissä puhtaasti turbulenttia virtausta trakeassa on pienintä pienissä keuhkoputkissa virtaus on puhtaasti laminaarista terminaalisten bronkiolusten distaalipuolella lisää hengitystyötä 45
Hengitysteiden haarautuva rakenne tekee ilmanvirtauksesta keuhkoissa pääasiassa transitionaalista laminaarinen virtaus muuttuu haarautumakohdissa turbulentiksi 46
Ilman pyörteistä virtausta tuulitunnelissa Kiitos! 47
NORMAALI ULOSHENGITYS normaalissa hengityksessä hengitysteiden virtausvastus on alhainen kitkan aiheuttama paineen pudotus ilmateiden alueella jää pieneksi ilmatiet pysyvät auki ILMAKEHÄN PAINE SUURTEN ILMATEIDEN RUSTORAKENTEET HENGITYSTEIDEN PAINE INTRAPLEURAALIPAINE ALVEOLIPAINE ΔP = 5 mmhg liisa.m.peltonen@helsinki.fi 48
ULOSHENGITYS LIEVÄN RASITUKSEN AIKANA esim. liikunnan aikana aktiivinen uloshengitys lisää intrapleuraalipainetta kun alveolipaine kohoaa ja virtausvastus on edelleen alhainen, tapahtuu kitkasta aiheutuva paineen aleneminen ilmateissä vasta tuettujen ilmateiden alueella ilmatiet pysyvät auki ΔP = 5 mmhg liisa.m.peltonen@helsinki.fi 49
MAKSIMAALINEN ULOSHENGITYS intrapleuraali- ja alveolipaine kohoavat merkittävästi kun paine laskee kitkan takia tuettomissa hengitysteissä alle pleurapaineen, ilmatiet menevät kiinni (dynaaminen kompressio) ja ilmanvirtaus estyy dynaaminen kompressio tapahtuu terveellä henkilöllä vasta alhaisissa keuhkotilavuuksissa ( closing volume ) ΔP = 5 mmhg liisa.m.peltonen@helsinki.fi 50
OBSTRUKTIIVINEN KEUHKOSAIRAUS ennenaikainen kompressio tapahtuu lähinnä kahdesta syystä: 1. paineen lasku ilmateissä voimistuu lisääntyneen virtausvastuksen takia 2. intrapleuraalipaine on korkeampi kuin terveellä, sillä esim. keuhkoja rintaontelon seinämästä poispäin vetävä recoil on heikentynyt (emfyseema) ΔP = 3 mmhg 51