39.2 Loftskipti yfir öndunaryfirborð

39.2 Loftskipti yfir öndunaryfirborð

Námsmarkmið

• nefna og lýsa lungnarúmmálum og lungnarýmdum
• útskýra hvernig gasþrýstingur hefur áhrif á flutning lofttegunda inn í líkamann og út úr honum

Uppbygging lungna hámarkar yfirborðsflatarmál þeirra og eykur þannig flæði lofttegunda. Vegna gífurlegs fjölda lungnablaðra, um það bil 300 milljóna í hvoru lunganu í mönnum, er yfirborðsflatarmál lungna mjög stórt, um 75 m². Svo stórt yfirborðsflatarmál eykur magn lofttegunda sem getur flætt inn í lungun og út úr þeim.

Grunnlögmál loftskipta

Loftskipti við öndun eiga sér stað fyrst og fremst með flæði. Flæði er ferli þar sem flutningur ræðst af styrkfallanda. Sameindir lofttegunda hreyfast frá svæði með háan styrk til svæðis með lágan styrk. Blóð með lágan súrefnisstyrk og háan styrk koltvíoxíðs skiptist á lofttegundum við loftið í lungunum. Loftið í lungunum hefur hærri súrefnisstyrk en súrefnissnautt blóð og lægri styrk koltvíoxíðs. Þessi styrkfallandi gerir loftskipti við öndun möguleg.

Hlutþrýstingur er mælikvarði á styrk einstakra þátta í gasblöndu. Heildarþrýstingur blöndunnar er summa hlutþrýstings þáttanna í henni. Flæðishraði lofttegundar er í réttu hlutfalli við hlutþrýsting hennar í heildargasblöndunni. Þetta hugtak er rætt nánar hér fyrir neðan.

Lungnarúmmál og lungnarýmdir

Mismunandi dýr hafa mismunandi lungnarýmd eftir virkni sinni. Blettatígrar hafa þróað með sér mun meiri lungnarýmd en menn; það hjálpar til við að flytja súrefni til allra vöðva líkamans og gerir þeim kleift að hlaupa mjög hratt. Fílar hafa einnig mikla lungnarýmd. Í þeirra tilviki stafar það ekki af því að þeir hlaupi hratt heldur af stórum líkama og þörf fyrir súrefnisupptöku í samræmi við líkamsstærð.

Stærð lungna í mönnum ræðst af erfðum, kyni og hæð. Við hámarksgetu geta lungu meðalstórs fullorðins karlmanns rúmað næstum sex lítra af lofti, en lungu starfa venjulega ekki við hámarksgetu. Loft í lungum er mælt sem lungnarúmmál og lungnarýmdir (Mynd 39.12 og Tafla 39.1). Rúmmál lýsir magni lofts í einni aðgerð, svo sem innöndun eða útöndun. Rýmd er samsett úr tveimur eða fleiri rúmmálum, til dæmis því hversu miklu lofti er hægt að anda inn eftir hámarksútöndun.

Rúmmálinu í lungunum má skipta í fjórar einingar: öndunarrúmmál, útöndunarvararúmmál, innöndunarvararúmmál og loftleif. Öndunarrúmmál (TV) mælir magn lofts sem andað er inn og út í venjulegum andardrætti. Að meðaltali er þetta rúmmál um hálfur lítri, aðeins minna en rúmtak 0,6 lítra drykkjarflösku. Útöndunarvararúmmál (ERV) er viðbótarmagn lofts sem hægt er að anda frá sér eftir venjulega útöndun. Það er varamagnið sem hægt er að anda frá sér umfram venjulega útöndun. Innöndunarvararúmmál (IRV) er aftur á móti viðbótarmagn lofts sem hægt er að anda að sér eftir venjulega innöndun. Loftleif (RV) er magn lofts sem eftir er þegar útöndunarvararúmmáli hefur verið andað frá sér. Lungun eru aldrei alveg tóm: alltaf er eitthvað loft eftir í þeim eftir hámarksútöndun. Ef þessi loftleif væri ekki til staðar og lungun tæmdust alveg, myndu lungnavefirnir festast saman og orkan sem þyrfti til að blása lungun upp aftur gæti orðið of mikil. Þess vegna er alltaf eitthvað loft eftir í lungunum. Loftleif er einnig mikilvæg til að koma í veg fyrir miklar sveiflur í öndunarlofttegundum (O₂ og CO₂). Loftleif er eina lungnarúmmálið sem ekki er hægt að mæla beint, því ómögulegt er að tæma lungun alveg af lofti. Þetta rúmmál er því aðeins hægt að reikna, ekki mæla beint.

Rýmdir eru mælingar á tveimur eða fleiri rúmmálum. Öndunarrýmd (VC) mælir hámarksmagn lofts sem hægt er að anda að sér eða frá sér í einni öndunarlotu. Hún er summa útöndunarvararúmmáls, öndunarrúmmáls og innöndunarvararúmmáls. Innöndunarrýmd (IC) er magn lofts sem hægt er að anda að sér eftir lok venjulegrar útöndunar. Hún er því summa öndunarrúmmáls og innöndunarvararúmmáls. Starfræn loftleif (FRC) er rúmmál lofts sem eftir er eftir venjulega útöndun, það er summa ERV og RV. FRC mælir magn viðbótarlofts sem hægt er að anda frá sér eftir venjulega útöndun. Að lokum er heildarlungnarýmd (TLC) mæling á heildarmagni lofts sem lungun geta haldið. Hún er summa loftleifar, útöndunarvararúmmáls, öndunarrúmmáls og innöndunarvararúmmáls.

Lungnarúmmál eru mæld með aðferð sem kallast öndunarmæling. Mikilvæg mæling við öndunarmælingu er þvingað útöndunarrúmmál (FEV), sem mælir hversu miklu lofti er hægt að þvinga út úr lungunum á tilteknu tímabili, venjulega einni sekúndu (FEV₁). Auk þess er mæld þvinguð öndunarrýmd (FVC), sem er heildarmagn lofts sem hægt er að anda frá sér með valdi. Hlutfall þessara gilda (FEV₁/FVC) er notað til að greina lungnasjúkdóma, þar á meðal astma, lungnaþembu og bandvefsmyndun. Ef FEV₁/FVC-hlutfallið er hátt eru lungun ekki eftirgefanleg, það er þau eru stíf og þenjast illa út, og sjúklingurinn er líklegast með bandvefsmyndun í lungum. Sjúklingar anda þá frá sér mestum hluta lungnarúmmálsins mjög hratt. Þegar FEV₁/FVC-hlutfallið er lágt er aftur á móti mótstaða í lungunum, sem er einkennandi fyrir astma. Þá er erfitt fyrir sjúklinginn að koma lofti út úr lungunum og það tekur langan tíma að ná hámarksútöndunarrúmmáli. Í báðum tilvikum verður öndun erfið og fylgikvillar geta komið fram.

Starfstengsl

Öndunarþerapisti

Öndunarþerapistar, eða sérfræðingar í öndunarmeðferð, meta og meðhöndla sjúklinga með lungna- og hjarta- og æðasjúkdóma. Þeir vinna sem hluti af læknateymi við að þróa meðferðaráætlanir fyrir sjúklinga. Öndunarþerapistar geta meðhöndlað fyrirbura með vanþroskuð lungu, sjúklinga með langvinna sjúkdóma eins og astma eða eldri sjúklinga með lungnasjúkdóma á borð við lungnaþembu og langvinna lungnateppu (COPD). Þeir geta stjórnað háþróuðum búnaði, svo sem þrýstiloftskerfum, öndunarvélum, blóðgasgreinum og endurlífgunartækjum. Sérhæft nám til að verða öndunarþerapisti leiðir almennt til BS-gráðu með sérhæfingu í öndunarmeðferð. Vegna fjölgunar aldraðra er búist við að atvinnutækifæri öndunarþerapista verði áfram góð.

Gasþrýstingur og öndun

Hægt er að skilja öndunarferlið betur með því að skoða eiginleika lofttegunda. Lofttegundir hreyfast frjálst, en gasagnir rekast stöðugt á veggi ílátsins sem þær eru í og mynda þannig gasþrýsting.

Loft er blanda lofttegunda, aðallega köfnunarefnis (N₂; 78,6 prósent), súrefnis (O₂; 20,9 prósent), vatnsgufu (H₂O; 0,5 prósent) og koltvíoxíðs (CO₂; 0,04 prósent). Hver lofttegund í blöndunni hefur sinn þrýsting. Þrýstingur einstakrar lofttegundar í blöndu kallast hlutþrýstingur þeirrar lofttegundar. Um það bil 21 prósent andrúmsloftsins er súrefni. Koltvíoxíð er hins vegar í mun minna magni, 0,04 prósent. Hlutþrýstingur súrefnis er því mun meiri en hlutþrýstingur koltvíoxíðs. Hlutþrýsting hvaða lofttegundar sem er má reikna þannig:

Pₐₜₘ, loftþrýstingurinn, er summa allra hlutþrýstinga lofttegunda andrúmsloftsins:

Þrýstingur andrúmsloftsins við sjávarmál er 760 mm Hg. Hlutþrýstingur súrefnis er því:

og fyrir koltvíoxíð:

Í mikilli hæð lækkar Pₐₜₘ en hlutfall lofttegundanna breytist ekki; lækkun hlutþrýstings stafar af lægri loftþrýstingi.

Þegar loftblandan nær lungunum hefur hún rakast. Þrýstingur vatnsgufunnar í lungunum breytir ekki heildarþrýstingi loftsins, en taka þarf tillit til hans í jöfnunni fyrir hlutþrýsting. Í þessum útreikningi er vatnsgufuþrýstingurinn (47 mm Hg) dreginn frá loftþrýstingnum:

og hlutþrýstingur súrefnis er:

Þessi þrýstingur ákvarðar loftskipti, eða flæði lofttegunda, í kerfinu. Súrefni og koltvíoxíð flæða eftir sínum þrýstingsfallanda, frá hærri hlutþrýstingi til lægri. Skilningur á hlutþrýstingi hverrar lofttegundar hjálpar því til við að skýra hvernig lofttegundir hreyfast í öndunarkerfinu.

Loftskipti yfir lungnablöðrur

Í líkamanum nota frumur líkamsvefja súrefni og mynda koltvíoxíð sem úrgangsefni. Hlutfallið milli myndunar koltvíoxíðs og notkunar súrefnis kallast öndunarhlutfall (RQ). RQ er breytilegt frá 0,7 til 1,0. Ef líkaminn notaði aðeins glúkósa sem eldsneyti væri RQ jafnt og 1. Þá myndaðist eitt mól af koltvíoxíði fyrir hvert mól af súrefni sem væri notað. Glúkósi er þó ekki eina eldsneyti líkamans. Prótein og fita eru einnig notuð sem eldsneyti. Þess vegna myndast minna koltvíoxíð en sem nemur súrefnisnotkuninni og RQ er að meðaltali um 0,7 fyrir fitu og um 0,8 fyrir prótein.

RQ er notað til að reikna hlutþrýsting súrefnis í lungnablöðrum, það er P_O2 í lungnablöðrum. Hér að ofan var hlutþrýstingur súrefnis í lungunum reiknaður sem 150 mm Hg. Lungun tæmast þó aldrei alveg við útöndun; innandað loft blandast því loftleif og hlutþrýstingur súrefnis í lungnablöðrum lækkar. Þess vegna er styrkur súrefnis í lungum lægri en í loftinu utan líkamans. Með því að þekkja RQ má reikna hlutþrýsting súrefnis í lungnablöðrum:

Með RQ = 0,8 og P_CO₂ í lungnablöðrum = 40 mm Hg er P_O2 í lungnablöðrum:

Athugið að þessi þrýstingur er lægri en í ytra lofti. Hann er þó enn hærri en hlutþrýstingur súrefnis í blóði þegar það kemur inn í lungun, þannig að súrefni flæðir frá innandaða loftinu í lungnablöðrunum (P_O2 = 100 mm Hg) inn í blóðrásina (P_O2 = 40 mm Hg) (Mynd 39.13).

Í lungunum flæðir súrefni út úr lungnablöðrunum og inn í háræðarnar sem umlykja þær. Súrefni, um 98 prósent, binst afturkræft við öndunarlitarefnið blóðrauða í rauðum blóðkornum. Rauð blóðkorn flytja súrefni til vefjanna, þar sem súrefni losnar frá blóðrauða og flæðir inn í frumur vefjanna. Nánar tiltekið er P_O2 í lungnablöðrum hærra (P_ALV O₂ = 100 mm Hg) en P_O2 í blóði háræðanna (40 mm Hg). Vegna þessa þrýstingsfallanda flæðir súrefni niður fallandann, út úr lungnablöðrunum og inn í blóð háræðanna, þar sem O₂ binst blóðrauða. Á sama tíma er P_CO₂ í lungnablöðrum lægra (P_ALV CO₂ = 40 mm Hg) en P_CO₂ í blóði (45 mm Hg). CO₂ flæðir því niður sinn þrýstingsfallanda, út úr háræðunum og inn í lungnablöðrurnar.

Súrefni og koltvíoxíð hreyfast óháð hvort öðru; hvort um sig flæðir niður sinn eigin þrýstingsfallanda. Þegar blóð yfirgefur lungun um lungnabláæðar er P_O2 í bláæðablóði 100 mm Hg og P_CO₂ 40 mm Hg. Þegar blóð fer inn í háræðar líkamsvefja tapar það súrefni og tekur upp koltvíoxíð vegna þrýstingsmunar milli vefja og blóðs. Í háræðum líkamsvefja er P_O2 í blóði 100 mm Hg, en í vefjafrumum er P_O2 40 mm Hg. Þessi þrýstingsfallandi knýr flæði súrefnis út úr háræðunum og inn í vefjafrumurnar. Á sama tíma er P_CO₂ í blóði 40 mm Hg og P_CO₂ í líkamsvefjum 45 mm Hg. Þrýstingsfallandinn knýr CO₂ út úr vefjafrumum og inn í háræðarnar. Blóð sem snýr aftur til lungna um lungnaslagæðar hefur P_O2 í bláæðablóði 40 mm Hg og P_CO₂ 45 mm Hg. Blóðið fer inn í lungnaháræðar, þar sem loftskipti milli háræða og lungnablaðra hefjast á ný (Mynd 39.13).

Myndræn tenging

Hver eftirfarandi fullyrðinga er röng?

1. Í vefjunum lækkar P_O2 þegar blóð fer frá slagæðum til bláæða, en P_CO₂ hækkar.
2. Blóð fer frá lungum til hjarta til líkamsvefja, síðan aftur til hjarta og loks til lungna.
3. Blóð fer frá lungum til hjarta til líkamsvefja, síðan aftur til lungna og loks til hjarta.
4. P_O2 er hærra í lofti en í lungum.

Svar: C. Blóð fer frá líkamsvefjum aftur til hjarta áður en það fer til lungna.

Í stuttu máli knýr breyting á hlutþrýstingi frá lungnablöðrum til háræða súrefni inn í vefina og koltvíoxíð frá vefjunum inn í blóðið. Blóðið er síðan flutt til lungna, þar sem þrýstingsmunur í lungnablöðrum leiðir til flutnings koltvíoxíðs úr blóðinu og inn í lungun og flutnings súrefnis inn í blóðið.

Tengill í námsefni

Horfðu á þetta myndband til að læra hvernig öndunarmæling er framkvæmd.