Fyziologie
4.2 Hlavní procesy dýchání
4.2 Hlavní procesy dýchání
Ventilace
Ventilace je proces, jímž dochází k výměně plynů mezi zevním prostředím a plícemi, resp. alveoly (alveolární ventilace). Vzduch prochází dýchacími cestami od dutiny nosní a ústní až po plicní sklípky a jeho pohyby (přesuny) jsou dány mechanikou dýchaní.
Při nádechu – inspiriu – se pomocí dýchacích svalů (bránice, některé hrudní svaly) rozšíří hrudní dutina, proto v ní klesá nitrohrudní tlak. Stává se negativním vůči tlaku v okolním prostředí a vzduch začne proudit dýchacími cestami až do plicních sklípků. Zde dochází k výměně plynů.
Při výdechu – exspiriu – se plíce díky své elasticitě začnou samy smršťovat – obsahují elastická vlákna, která byla nádechem rozepjata, stejně jako hrudník, jehož elasticita je rovněž důležitá. Tím uvnitř hrudníku a plic tlak stoupá a vzduch je vytlačen (vydechnut ) ven. Usilovný výdech, kdy je třeba vydechnout celou vitální kapacitu, však vyžaduje aktivní účast exspiračních svalů.
Pro správnou ventilaci je třeba několik faktorů:
- dostatečná průchodnost dýchacích cest
- přiměřená elasticita plic a hrudníku
- tlakové poměry v hrudní dutině – podtlak v prostoru mezi pohrudnicí a poplicnicí (interpleurální prostor)
- činnost dýchacích svalů a jejich řízení příslušnými nervy
- nervové řízení ventilace (dechová centra v mozkovém kmeni)
Nitrohrudní (interpleurální) tlak je tlak v hrudníku. Je negativní vůči tlaku atmosférickému, tzn. že je nižší. Je to důležitý předpoklad k tomu, aby plíce byla rozepjatá, protože má tendenci se díky své stavbě smrťovat. Při usilovném nádechu se nitrohrudní tlak ještě více snižuje, zatímco při usilovném výdechu se naopak stává výrazně pozitivním, tj. převyšuje tlak v plicích.
Klidový dechový objem tvoří cca 500 ml, z toho 150 ml zůstává v tzv. mrtvém prostoru. To je prostor uvnitř dýchacích cest, v němž nedochází k výměně plynů. Jde tedy o horní cesty dýchací (nosní dutinu, hrtan, průdušnice, velké průdušky a jejich větve). Mrtvý prostor však slouží úpravě vzduchu, který se dostává do plicních alveolů. Vzduch se zde čistí, zvhlčuje a předehřívá. Vlastní výměna plynů probíhá v plicních sklípcích (alveolech). Vyměňuje se tedy cca 350 ml vzduchu.
Jako alveolární ventilace se označuje ventilace alveolů, tj. prostorů, kde dochází k výměně plynů.
Hyperventilace je zvýšené dýchání, hypoventilace je snížené dýchání.
Spirometrie
Jde metodu, která měří základní parametry ventilace. Jsou jimi:
- dechový objem (VT): objem vyměněný jedním nádechem/výdechem, cca 500 ml
- inspirační rezervní objem (IRV): objem, který může osoba dále nadechnout po skončení klidného nádechu
- exspirační rezervní objem (ERV): objem, který může osoba dále vydechnout po skončení klidného výdechu
- vitální kapacita (VC): maximální objem vzduchu vyměněný při usilovném nádechu/výdechu; VC=IRV+VT+ERV. Tato hodnota klesá u restrikčních chorob (viz dále).
- usilovný výdech a vteřinová vitální kapacita (FEV1s): provádí se po maximálním nádechu, kdy následuje co nejrychlejší a nejusilovnější výdech (tzv. „usilovný výdech“) – údajem je objem vzduchu vydechnutý za 1 sekundu. Tato hodnota klesá u obstrukčních chorob (viz dále).
- Tiffeneauův index: poměr vteřinové vitální kapacity a vitální kapacity (FEV1s/VC), fyziologicky by měl být minimálně 80 % (tzn. že za 1 vteřinu člověk vydechne asi 80 % toho, co z plic může vydechnout po předchozím usilovném nádechu). Tato hodnota klesá u obstrukčních chorob (viz dále).
- maximální minutová ventilace: objem vzduchu, který člověk může dýchat za minutu při maximálním úsilí
Složení atmosférického a alveolárního vzduchu
Díky mrtvému prostoru je odlišné od vzduchu vdechovaného. Obsahuje méně kyslíku, více oxidu uhličitého a vodních par.
Přibližné a zaokrouhlené hodnoty uvádí následující tabulka – první číslo je parciální tlak v mm Hg, číslo v závorce jsou %. V malém množství jsou ještě vzácné plyny (neon, xenon atd.).
Atmosférický vzduch |
Alveolární vzduch | |
Dusík |
596 (78 %) |
573 (74 %) |
Kyslík |
158 (21 %) |
100 (14 %) ↓ |
Oxid uhličitý |
0,3 (0,03 %) |
40 (5 %) ↑ |
Vodní páry |
5,7 (0,7 %) |
47 (6 %) ↑ |
Výměna krevních plynů a difuze
K výměně dochází v alveolech pomocí difuze. Difuze probíhá přes alveolokapilární membránu, na níž se setkávají buňky alveolů (pneumocyty) ze strany plic – tj. vzduchu – a cév (endotelie) – ze strany krve. Pro difuzi je podstatná
- velikost difuzní plochy (celá plocha, na níž se výměna plynů odehrává, je několik desítek metrů čtverečních)
- rozdíl tlaků plynu na alveolární a kapilární straně (tlakový gradient, v jehož směru pak difuze probíhá) – tzn. kyslík jde do krve a oxid uhličitý z krve
- průchodnost plynů přes difuzní membránu, která se liší – oxid uhličitý difunduje asi 20× snadněji než kyslík
Hemoglobin v krvi se dostatečně nasytí kyslíkem již v první třetině svého kontaktu s alveolem („vzduchem“); zbylé dvě třetiny času slouží jako určitá rezerva v případě fyzické námahy (zrychlení průtoku krve plícemi) nebo při nemoci.
Průtok krve plícemi a perfuze
Plicní tkáň získává kyslík tepennými větévkami z aorty (nutritivní, výživový oběh, součást velkého oběhu). Podstatný je oběh funkční, který neslouží přímo plícím, ale slouží výměně plynů v plicích, a tak celému organismu.
Funkční oběh je v podstatě malý oběh. Vychází z pravé komory, která vypuzuje neokysličenou krev s vyšším obsahem oxidu uhličitého do plicní tepny (plicnice), která se v plicích větví až po plicní kapiláry obklopující plicní alveoly. Zde dochází difuzí k výměně plynů, poté se krev okysličená a se sníženým množstvím oxidu uhličitého stéká do plicních žil, které ústí do levé srdeční síně.
Za jednu minutu proteče plícemi srdeční výdej.
Poměr ventilace/perfuze
Poměr ventilace/perfuze (V/Q) je tak rovněž nerovnoměrný. Liší se zejména vrcholy a baze plic. Baze plic (dolní části) jsou více prokrveny, zatímco horní části (vrcholy) méně. Plicní baze jsou i více ventilovány než části horní, ale tento nárůst je méně výrazný než nárůst perfuze. Z toho vyplývá, že poměr V/Q je vyšší v horních částech plic.
Poddajnost (compliance) plic
Plicní tkáň je dostatečně poddajná a zároveň přiměřeně elastická. Poddajnost se uplatňuje zejména při nádechu (aby se plíce nádechu poddala), elasticita při výdechu (plíce se sama smrští, takže klidný výdech nevyžaduje žádnou další energii). Málo poddajná plíce by se málo či obtížně roztahovala při nádechu, málo elastická by se naopak špatně smršťovala při výdechu. Obě takové poruchy skutečně existují.
Poddajnost a elasticita jsou vzájemně obrácené hodnoty. Compliance (C) je tak 1/E (elasticita). Poddajnost se vyjadřuje jako změna objemu, kterou lze docílit změnou tlaku.
C = ΔV/ ΔP
Znamená to, že poddajná plíce je taková, jejíž objem (tj. roztažení) se více zvýší i při malé změně tlaku. Naopak k roztažení plíce málo poddajné je třeba vyvinout velkou tlakovou změnu – tj. vyvinout tak velké úsilí při nádechu, které více sníží tlak v hrudníku během nádechu.
Tento princip compliance platí i pro jiné orgány, např. srdce a další duté orgány těla.
Plicní surfaktant
Během nádechu a výdechu se mění velikost plicních alveolů. Při nádechu se zvětšují, při výdechu zmenšují. Zmenšování alveolů (které si lze s určitým zjednodušením představit jako kouli, resp. balónek) vede k velkému zvýšení povrchového napětí*, což by mohlo způsobit jejich smrštění, „vyfouknutí“ (kolaps) a tím i jejich uzavření a vyřazení z ventilace a výměny plynů.
K zabránění tohoto kolapsu je na vnitřním povrchu alveolů tzv. surfaktant. Je to tuková látka, fosfolipid, který je tvořen pneumocyty typu II (větší buňky na rozdíl od pneumocytů typu I účastnících se výměny plynů). Pokud surfaktant není přítomen, dochází při výdechu ke kolapsu (smrštění) alveolů.
Porucha plicního surfaktantu je závažnou poruchu u nedonošených novorozenců nebo při některých plicních chorobách. Lze ho dodávat léčebně přímo do plic.
*) vychází z Laplaceova zákona – čím je poloměr koule menší a její stěna tenčí, tím je v její stěně větší povrchové napětí
Arbor alveolaris s plicními alveoly obklopenými kapilárními sítěmi, ve kterých dochází k výměně plynů.