Transcript Biofyzika dýchacieho systému Ján Jakuš „Dum spiro, spero“

„Dum spiro, spero“
Biofyzika
dýchacieho systému
Ján Jakuš
Biofyzika vonkajšieho
a vnútorného dýchania
Definícia: Dýchanie (respirácia)
jedna z troch základných „vitálnych“
funkcií živého organizmu.
Je to periodický a rytmický proces
vdychovania vzduchu (inspírium)
a jeho vydychovania (exspírium) z
dých. ciest a z pľúc, ktorý za každú
minútu zabezpečuje organizmu
prísun 250 ml O2. a odsun
200 ml CO2 / min. potrebných na
pokrytie jeho metabolických
požiadaviek.
Anatómia dýchacieho systému
Hlavná funkcia dýchania:
proces výmeny plynov medzi
bunkami a vonkajším prostredím,
t.j. transport kyslíka
z vonkajšieho vzduchu do buniek
tela a odvod oxidu uhličitého z
buniek do atmosféry.
Dýchanie vonkajšie a vnútorné :
Schéma respirácie
Vonkajšie a vnútorné dýchanie
Vonkajšie dýchanie
zahrňuje 4 hlavné procesy:
- pľúcnu ventiláciu
- distribúciu vzduchu
- difúziu plynov
- perfúziu pľúc
Ventilácia  cyklická výmena vzduchu
v pľúcach počas vdychu (inspíria) a
výdychu (exspíria), zabezpečená
kontrakciou dýchacích svalov
Distribúcia  miešanie inspirovaného
vzduchu so vzduchom, ktorý zostal
v dýchacích cestách a v pľúcach po
výdychu (150 ml = anatomický mŕtvy
priestor)
Difúzia  prestup O2 a CO2 v smere
tlakového gradientu cez alveolo-kapilárnu
membránu (Fickov zákon)
Perfúzia  cirkulácia krvi pľúcnym
riečišťom
Vnútorné dýchanie, resp. tkanivová
respirácia,
predstavuje difúziu O2 a CO2 medzi
krvou a tkanivami v smere gradientu
parciálnych tlakov.
Vonkajšie (pľúcne) a vnútorné
(tkanivové) dýchanie vyžadujú
normálnu funkciu kardiovaskulárneho
(KV) aparátu a centrálneho nervového
systému – CNS (mozog a miecha).
Mechanika dýchania - hodnotí činnosť
dých. svalov, hrudného koša a pľúc pre
dýchaní.
Prúdenie vzduchu v dých. cestách je
podmienené tlakovým rozdielom medzi
atmosférou a alveolami.
Inspírium - tlak v alveolách nižší ako v
atmosfére
Exspírium - tlak v alveolách prevyšuje
atmosferický tlak.
Dýchanie je „podtlakové“
Podtlak a pretlak v hrudníku - výsledok
kontrakcie dých. svalov : bránice
(diaphragma) a svalov medzirebrových
(vonkajsích a vnútorných)
Úloha bránice, medzirebrových
a prídatných dýchacích svalov

bránica
 prídatné svaly
(auxiliárne)
medzirebrové (interkostálne) svaly
vonkajšie -inspiračné
vnútorné - exspiračné
Bránica  hlavný inspiračný sval,
zodpovedá za 60 % zmeny objemu
hrudníka. Počas pokojného dýchania
klesá kaudálnym smerom asi o 1,5 cm,
pri hlbokom nádychu však až o 7-13 cm.
Mm.intercostales externi  pri
kontrakcii zväčšenie predozadného a
priečneho priemeru hrudníka  vdych.
Mm. intercostales interni  pri
kontrakcii pokles rebier a zmenšenie
priemeru hrudníka  výdych.
Pokojné inspírium  aktívny dej
Pokojné exspírium prevažne pasívny
Pokojný výdych  spôsobený
pasívnym vytláčaním bránice
smerom nahor a retrakčnou silou
hrudného koša a pľúc
Úsilný vdych  kontrakcia bránice
Mm. Intercostales ext. a prídatných
inspiračných svalov (krku a hrudníka).
Úsilný výdych  kontrakcia
brušných svalov (brušný lis) a mm.
intercostales interni
Mechanizmus pľúcnej ventilácie:
POKOJNÉ INSPÍRIUM
 kontrakcia bránice a vonkajších
medzir. svalov   negativita PPl  
negativita PP   vznik tlakového
gradientu (zvonka-dovnútra)  
inspiračný prietok   inspiračný
pľúcny objem
POKOJNÉ EXSPÍRIUM:
pasívny pohyb bránice nahor a
retrakčná sila pľúc a hrudníka  ľahko
pozitívny PP pri malej negativite PPl  
vznik tlakového gradientu (zvnútranavonok)   exspiračný prietok
vzduchu   exspiračný pľúcny objem
ÚSILNÉ INSPÍRIUM (práca a cvičenie) :
Zosilnenie sťahu bránice spolu
s kontrakciou tzv. auxiliárnych
inspiračných svalov  väčšia negativita
Ppl, Pp  zvýšenie inspiračného prietoku
vzduchu  zvýšenie množstva
vdýchnutého pľúcneho objemu
ÚSILNÉ EXSPÍRIUM : Kontrakcia
brušných svalov a vnútorných medzir.
svalov  pozitívne hodnoty PAbd ,Ppl , PP
 veľký exspiračný prietok vzduchu
 veľký exspirovaný objem
Záznam pleurálneho tlaku, intrapulmonálneho
tlaku, prietoku vzduchu a dychového objemu
počas pokojného inspíria (insp) a exspíria (exsp)
Pľúcne objemy
 dychový objem (tidal volume VT) = 0,5 l
 inspiračný rezervný objem (IRV) = 2,5 l
 exspiračný rezervný objem (ERV) = 1,5 l
 reziduálny objem (RV)
= 1,2 l
(kolapsový vzduch 0,4 l + minimálny vzduch 0,8 l)
Pľúcne kapacity
Vitálna kapacita pľúc (VC) = VT + IRV + ERV
Inspiračná kapacita (IC) = VT + IRV
Funkčná reziduál. kapacita (FRC) = ERV+ RV
Celková kapacita pľúc (TLC) =  vš. objemov
Poddajnosť pľúc (compliance - C)
počítame ako zmenu objemu (v l)
na zmenu tlaku (v kPa) :
N = 2l /kPa
Fibróza
C
Emfyzém

Slučka dynamickej poddajnosti
Slučka celkového prúdového odporu
dýchacích ciest (počítame ako pomer
tlaku a prietoku)
(kPa x l x s-1)
astma bronchiale
 Raw
dilatácia
dýchacích ciest
 Raw
Ventilácia pľúc a distribúcia vzduchu
minútová ventilácia : MV = VT . f
alveolárna ventilácia : AV = MV – (VD . f)
(VD = 150 ml – mŕtvy objem)
Pri dychovom objeme (VT) 500 ml a frekvencii
dýchania (fd) 12 dychov . min-1 predstavuje
minútová ventilácia 6 l . min-1, z čoho na
alveolárnu ventiláciu pripadá 4,2 l . min-1.
Maximálna voluntárna ventilácia (MMV)
predstavuje najväčší objem vzduchu
preventilovaný pľúcami za 1 minútu
(120-170 l . min-1).
Atmosferický, alveolárny a exspirovaný
vzduch
Atmosferický vzduch = zmes O2 (20,93%),
CO2 (0,03 %), N2 (78,06 %), He a iných
stopových plynov (0,92%) a vodných pár.
Parciálne tlaky plynov závisia na
atmosferickom tlaku (PB) a kolíšu podľa
nadmorskej výšky.
Pri atmosferickom tlaku 101,3 kPa
(760 torr ,1 atm,) a tlaku vodných pár
0,8 kPa (suchý vzduch) je parciálny tlak
O2 ( P02 ) cca 21 kPa a PCO2 0,04 kPa
Daltonov zákon
pre výpočet parciálnych tlakov dýchacích
plynov (v zmesi plynov : čím vyššia
koncentrácia plynu, tým väčší jeho
parciálny tlak)
PO2 = V% O2 x ( PB - PH2O ) / 100
napr. PO2 v atmosferickom vzduchu pri
hladine mora je :
PO2 = 20,93 x (101,3 – 0,8) / 100 = 21,03 kPa
Obdobne počítame P02, PCO2, PN2 aj
v alveolárnom príp v exspirovanom vzduchu.
Zastúpenie O2, CO2 (v obj. %) a ich parc. tlaky
(v kPa), spolu s parc. tlakom H2O, N2 v atm.,
v exspir. a v alv. vzduchu, ako aj v artér.
a venóznej krvi
O2
(%)
20,93
CO2
(%)
0,03
15,1
4,3
6,3
75,3
Alveolárny
vzduch
13,2
5,1
6,2
76,4
Artériová
krv
19,8
50
6,3
Venózna
krv
14-15
55
6,3
Atmosfer.
vzduch
(suchý)
Exspir.
vzduch
PH2O PN2
(kPa) (kPa)
0,8 79,04
PaO2
(kPa)
21,06
PCO2
(kPa)
0,04
15,3
5,73
13,4 5,33
76,4 8
5,2
12,7
76,4
5,2 6,13
0,8
Výmena dýchacích plynov
cez alveolokapilárnu membránu
prebieha formou difúzie, ktorá závisí
od parciálnych tlakov jednotlivých
plynov (O2 a CO2) v alveolárnom
vzduchu a kapilárnom pľúcnom riečišti.
Pri difúzii:
tlakový gradient pre
O2= 13,4 – 5,2 = 8 (kPa)
O2 = 100 – 40 = 60 (torr)
tlakový gradient
pre CO2 = 6,13–5,33 = 0,8 (kPa)
C02= 46 - 40 = 6 (torr)
(1 kPa= 7,5 mmHg =cca 10 H2O cm)
Difúzia plynov v pľúcach - morfológia
Difúzia plynov
cez alveolokapilárnu membránu
Difúzia O2 a CO2 cez alveolokapilárnu (AK)
membránu sa riadi Fickovym zákonom.
V = (P1 – P2) . A . k
s
kde P1 a P2 sú parciálne tlaky,
A = difúzna plocha (70 m2) ,
s = hrúbka membrány (0,8 um)
k = difúzna konštanta.
Difúzna konštanta závisí od zloženia
membrány a druhu difundujúceho plynu
(pre CO2 je 20-krát väčšia ako pre O2 )
VO2 = 15 – 20 ml / min.
Dynamika difúzie cez AK membránu
Rozpustnosť plynov v krvnej plazme
Henryho zákon - množstvo plynu
fyzikálne rozpustného v kvapaline,
je úmerné parciálnemu tlaku plynu nad
kvapalinou a jeho koeficientu rozpustnosti.
Množstvo O2 , rozpusteného v 1 l krvi
určíme zo vzorca:
SO2 =  . PO2 . 1000 / PB = 3,0 ml/l krvi
Množstvo CO2 v 1l krvi je:
SCO2 =  . P CO2 . 1000/ PB = 27ml/l krvi.
(kde  je koeficient rozpustnosti, P je
parciálny tlak plynu a PB je celkový
barometrický tlak)
Koeficient rozpustnosti  pre O2 = 0,024 a
 pre CO2 = 0,57. Rozpustnosť CO2 v krvi je
teda približne 24x väčšia ako kyslíka.
PERFÚZIA - transport O2 a CO2 krvou
O2 - ako fyzikálne rozpustený v plazme
a chemicky viazaný na hemoglobín.
V 1 l artériovej krvi je 200 ml O2 , z toho len
3 ml pripadajú na fyzikálne rozpustený O2 a
197 ml je chemicky viazané na hemoglobín.
Fyzikálne rozpustený O2 podmieňuje
parciálny tlak a tým umožňuje difúziu.
CO2 - ako fyzikálne rozpustený v plazme, a
chemicky viazaný vo forme bikarbonátov a
karbaminohemoglobínu. V 1 l venóznej krvi
je 27 ml fyzikálne rozpusteného CO2
(v plazme), zbytok cca 520 ml je viazaný v
ostatných dvoch formách.
Prajem Vám pekný deň