Bio fyzika dýchacieho systému Ján Jakuš

1. Biofyzikadýchacieho systémuJán Jakuš „Dum spiro, spero“

2. Biofyzika vonkajšieho a vnútorného dýchaniaDefinícia: 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.

3. Anatómia dýchacieho systému

4. 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.

5. Dýchanie vonkajšie a vnútorné :Schéma respirácie

6. Vonkajšie a vnútorné dýchanie

7. Vonkajšie dýchanie zahrňuje 4 hlavné procesy:-pľúcnu ventiláciu -distribúciu vzduchu-difúziu plynov- perfúziu pľúc

8. Ventilácia cyklická výmena vzduchu vpľúcach počas vdychu(inspíria) a výdychu(exspíria), zabezpečená kontrakciou dýchacích svalovDistribúcia  miešanie inspirovaného vzduchu so vzduchom, ktorý zostal v dýchacích cestách a v pľúcach po výdychu (150 ml = anatomický mŕtvypriestor)Difúziaprestup O2 a CO2 v smere tlakového gradientu cez alveolo-kapilárnumembránu (Fickov zákon)Perfúziacirkulácia krvi pľúcnym riečišťom

9. Vnútorné dýchanie, resp. tkanivová respirácia, predstavuje difúziu O2 a CO2 medzi krvou a tkanivami v smere gradientu parciálnych tlakov.Vonkajšie (pľúcne) a vnútorné (tkanivové) dýchanievyžadujú normálnufunkciu kardiovaskulárneho (KV) aparátu acentrálneho nervového systému– CNS (mozog a miecha).

10. 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)

11. Úloha bránice, medzirebrových a prídatných dýchacích svalov bránica  prídatné svaly medzirebrové (interkostálne) svaly(auxiliárne) vonkajšie -inspiračné vnútorné - exspiračné

12. 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 dejPokojné exspíriumprevažne pasívny

13. Pokojný výdych spôsobený pasívnym vytláčaním bránice smerom nahor a retrakčnou silou hrudného koša a pľúcÚsilný vdych kontrakcia bránice Mm. Intercostales ext. a prídatných inspiračných svalov (krku a hrudníka).Úsilný výdych kontrakcia brušných svalov (brušný lis) a mm. intercostales interni

14. Mechanizmus pľúcnej ventilácie: POKOJNÉ INSPÍRIUMkontrakcia bránice a  vonkajších medzir. svalov negativita PPl  negativita PP vznik tlakového gradientu (zvonka-dovnútra) inspiračný prietok  inspiračný pľúcny objemPOKOJNÉ EXSPÍRIUM:pasívny pohyb bránice nahor aretrakčná sila pľúc a hrudníka  ľahko pozitívny PP pri malej negativite PPlvznik tlakového gradientu (zvnútra-navonok)   exspiračný prietok vzduchu exspiračný pľúcny objem

15. 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 objemuÚSILNÉEXSPÍRIUM:Kontrakcia brušných svalov a vnútorných medzir. svalov pozitívne hodnoty PAbd ,Ppl , PPveľký exspiračný prietok vzduchu veľký exspirovaný objem

16. Záznam pleurálneho tlaku, intrapulmonálneho tlaku, prietoku vzduchu a dychového objemu počas pokojného inspíria (insp) a exspíria (exsp)

17. 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)

18. Pľúcne kapacityVitálna kapacita pľúc (VC) = VT + IRV + ERVInspiračná kapacita (IC) = VT+ IRV Funkčná reziduál. kapacita (FRC) = ERV+ RV Celková kapacita pľúc (TLC) = vš. objemov

19. Poddajnosť pľúc (compliance - C)počítame ako zmenu objemu(v l)na zmenu tlaku (v kPa) :N = 2l /kPaFibróza CEmfyzémSlučka dynamickej poddajnosti

20. Slučka celkového prúdového odporu dýchacích ciest (počítame ako pomer tlaku a prietoku)(kPa x l x s-1)astma bronchialeRawdilatácia dýchacích ciest Raw

21. Ventilácia pľúc a distribúcia vzduchuminútová ventilácia: MV = VT . falveolárna 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).

22. Atmosferický, alveolárny a exspirovaný vzduchAtmosferický 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 pár0,8 kPa (suchý vzduch) je parciálny tlak O2 ( P02 )cca21 kPa a PCO20,04 kPa

23. Daltonov zákonpre výpočet parciálnych tlakov dýchacích plynov (v zmesi plynov : čím vyššia koncentrácia plynu, tým väčší jeho parciálny tlak)PO2 = V% O2 x ( PB - PH2O) / 100napr. PO2 v atmosferickom vzduchu pri hladine moraje :PO2 = 20,93 x (101,3 – 0,8) / 100 = 21,03 kPa Obdobne počítame P02, PCO2, PN2 aj v alveolárnom príp v exspirovanom vzduchu.

24. Zastúpenie O2, CO2 (v obj. %) a ich parc. tlaky (v kPa), spolu s parc. tlakom H2O, N2vatm., v exspir.a valv. vzduchu, ako aj v artér. a venóznej krvi

25. Výmena dýchacích plynovcez alveolokapilárnu membránu prebieha formou difúzie, ktorá závisíod parciálnych tlakov jednotlivých plynov (O2 a CO2) v alveolárnom vzduchu a kapilárnom pľúcnom riečišti.Pri difúzii:tlakový gradient preO2= 13,4 – 5,2 = 8 (kPa) O2 = 100 – 40 = 60 (torr)tlakový gradientpre CO2 = 6,13–5,33 = 0,8 (kPa) C02= 46 - 40 = 6 (torr)(1 kPa= 7,5 mmHg =cca 10 H2O cm)

26. Difúzia plynov v pľúcach - morfológia

27. Difúzia plynov cez alveolokapilárnu membránu

28. Difúzia O2 a CO2 cez alveolokapilárnu (AK) membránu sa riadiFickovym zákonom.V = (P1 – P2) . A . kskde P1 a P2sú 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.

29. Dynamika difúzie cez AK membránu

30. Rozpustnosť plynov v krvnej plazmeHenryho zákon - množstvo plynu fyzikálne rozpustného v kvapaline,je úmerné parciálnemu tlaku plynu nad kvapalinou a jeho koeficientu rozpustnosti. MnožstvoO2 , rozpusteného v 1 l krvi určíme zo vzorca:SO2 =  . PO2 . 1000 / PB = 3,0 ml/l krviMnožstvo 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 CO2v krvi je teda približne 24x väčšia ako kyslíka.

31. PERFÚZIA - transport O2 a CO2krvouO2- ako fyzikálne rozpustený v plazme a chemicky viazaný na hemoglobín. V 1 l artériovej krvi je 200 mlO2, z toho len 3 ml pripadajú na fyzikálne rozpustený O2 a 197 ml je chemicky viazané na hemoglobín. Fyzikálne rozpustený O2 podmieňuje parciálny tlaka 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. 

32. Prajem Vám pekný deň