Расчет объема физиологического мертвого пространства

Вдыхаемый воздух содержит настолько малое количество двуокиси углерода, что им можно пренебречь. Таким образом, вся двуокись углерода поступает в выды­хаемый газ из альвеол, куда она попадает из капилляров малого круга кровообраще­ния. Во время выдоха "загруженный" двуокисью углерода альвеолярный газ разво­дится газом мертвого пространства. Это приводит к падению концентрации двуоки­си углерода в выдыхаемом газе по сравнению с таковой в альвеолярном (мертвое пространство понимается здесь как физиологическое, а не анатомми^™^ ьг~.....

Рис. 3-2. Типы мертвого пространства. (А) Л патом и ч ее кос. В обеих единицах кровоток соответ­ствует распределении) вентиляции. Единственными областями, где газообмен не происходит, явля­ются проводящие ВП (затушевано). Отсюда все мертвое пространство в этой модели является анатомическим. Кровь легочных вен полностью оксигенирована. (Б) Физиологическое. В одной единице вентиляция сопряжена с кровотоком (правая единица), в другой (левая единица) кровоток отсутствует. В этой модели физиологическое мертвое пространство включает анатомическое и пспсрфузируемую область легких. Кровь легочных вен оксигепирована частично.

зуя простое уравнение равновесия масс можно рассчитать отношение физиологичес­кого мертвого пространства к дыхательному объему, Vl)/vt.

Общее количество двуокиси углерода (СО₂) в дыхательной системе в любой момент времени представляет собой произведение первоначального объема, в кото­ром содержался СО₂ (альвеолярный объем), и концентрации СО₂ в альвеолах.

Альвеолы содержат смесь газов, включающую О₂, СО₂, N₂ и водяной пар. Каж­дый из них обладает кинетической энергией, создавая тем самым давление (парци­альное давление). Альвеолярная концентрация СО₂ рассчитывается как парциальное давление альвеолярного СО₂, деленное на сумму парциальных давлений газов и во­дяного пара в альвеолах (гл. 9). Поскольку сумма парциальных давлений в альвеолах равна барометрическому давлению, альвеолярное содержание СО₂ может быть рас­считано как:

расо Альвеолярное содержание СО₂ = vax------- ²-, [3-4]

Рв

где: va — альвеолярный объем,

РАСО₂ - парциальное давление СО₂ в альвеолах, Рв — барометрическое давление.

Общее количество СО₂ остается тем же самым после того, как альвеолярный СО₂ смешается с газом мертвого пространства. Поэтому, количество СО₂, выделяе­мое при каждом выдохе, может быть рассчитано как:

Vrx^L-VAx*^, [3-5]

Рв Рв

где: РЁСО₂ — среднее парциальное давление СО₂ в выдыхаемом газе. Уравнение [3-5] может быть записано более просто как:

VT х РЁСО_? = VA x РАС0₂. [3-6]

Уравнение [3-6] показывает, что количество СО_2> выделяемое при каждом выдохе и определяемое как произведение дыхательного объема и парциального давления СО₂ в выдыхаемом газе, равно количеству СО₂ в альвеолах. СО₂ не теряется и не добав­ляется к газу, поступающему в альвеолы из легочного кровообращения; просто пар­циальное давление СО₂ в выдыхаемом воздухе (РИс()₂) устанавливается на новом уровне в результате разведения газом физиологического мертвого пространства. Заменяя VT в уравнении [3-6] на (VD + va), получаем:

(VD + va) х РЁСО₂ = va х Рдсо₂. [3-7]

Преобразование уравнения [3-7] заменой Уд на (Ут — У D) дает:

УР = УТХ^РАС°*-^РЁС°*. ГЗ-8]

РАС0₂

Уравнение [3-8] может быть выражено в более общем виде:

vd РАСО₂-РЁсо₂

₌-----^----------l _[3,_g]

VT PAC0₂ ^J

Уравнение [3-9], известное как уравнение Бора, показывает, что отношение мер­твого пространства к дыхательному объему может быть рассчитано как частное от деления разности РС()₂ альвеолярного и выдыхаемого газов на альвеолярное РС()₂. Поскольку альвеолярное РС()₂ практически совпадает с артериальным Рсо₂(РаС()₂), Vo/Ут может быть рассчитано с помощью одновременного измерения Рсо₂ в про­бах артериальной крови и выдыхаемого газа.

Как пример для расчета, рассмотрим данные здорового человека, чья минутная вентиляция (6 л/мин) достигалась при дыхательном объеме 0.6 л и частоте дыхания 10 дых/мин. В пробе артериальной крови РаС()₂ равнялось 40 мм рт. ст., а в пробе выдыхаемого газа РЕСО, — 28 мм рт. ст. Вводя эти величины в уравнение [3-9], получаем:

У°Л°_--?в ₌ 0.30 VT 40

Мертвое пространство эо

Отсюда У D составляет (0.30 х 600 мл) или 180 мл, а У А равняется (600 iv./i 180 мл) или 420 мл. У любого взрослого здорового человека У 0/У'Г колеблется от 0.30 до 0.35.

Влияние вентиляторного паттерна на vd/vt

В предыдущем примере дыхательный объем и частота дыхания были точно у ка заны, что позволило вычислить VD и УА после того, как была определена вел ичи на УD/VT. Рассмотрим что произойдет, когда здоровый человек массой 70 кг" на ки ь -зует" три различных дыхательных паттерна для поддержания одной и топ же минут­ной вентиляции (рис. 3-3).

На рис. 3-ЗА VE составляет 6 л/мин, Ут — 600 мл и f — 10 дых/мин. У человека массой 70 кг объем мертвого пространства равен примерно 150 мл. Кате было отмече­но ранее, 1 мл мертвого пространства приходится на один фунт веса тела. Отсюда VI) равняется 1500 мл (150x10), va -4500 мл (450x10), a VD/VT- 150/600 пли 0.25.

Испытуемый увеличил частоту дыхания до 20 дых/мин (рис, 3-ЗБ). Нслн \ 'М поддерживалась на прежнем уровне 6 л/мин, то Ут будет равен 300 мл. П;>и У г> ь 150 мл vd и УА достигают 3000 мл/мин. УD/УТ увеличится до 150/300 или 0.5. Это г частый поверхностный дыхательный паттерн представляется неэффективным с точ

Рис. 3-3. Влияние дыхательного паттерна на объем мертвого пространства, неличину альнеспярпои иептиляции и Vn/V'r. Мертвое пространство обозначено затушеванной площадь!') В каждом слу­чае минутная вентиляция составляет 6 л/мин; дыхательная система показала i> коип.е идг.ха. (А) Дыхательный объем равен 600 мл, частота дыхания — 10 дых/мин. (Б) Дыхательный объгм;;,иик-уменьшен, а частота дыхания вдвое увеличена. (В) Дыхательный объем удвоен, а частота ди\аш<ч

.............. 11..,,..,,.,.,^,,.,.,.,,,, _м._г,₄ Mitii\rrii4u kpim и MvnilHI ОГТЛГКМ ПОСТОЯННОМ, OT'.IOMICilMc М'Ч'

ки зрения выведения СО₂, поскольку половина каждого вдоха вентилирует мертво пространство.

Наконец, VT увеличился до 1200мл, а частота дыхания снизилась д 5 дых/мин (рис. 3-3 В). Vli! осталась прежней -- 6 л/мин, vd понизилась д< 750 мл/мин, a va повысилась до 5250 мл/мин. VD/VT уменьшилось до 150/1201 или 0.125. Во всех трех примерах общая вентиляция оставалась без изменений, од нако заметно отличалась альвеолярная вентиляция. Из дальнейшего обсуждение станет ясно, что альвеолярная вентиляция является определяющим фактором ско рости выделения СО₂.

Отношение между альвеолярной вентиляцией и скоростью образования СО₂

Скорость образования СО₂ (Vco₂) у здорового человека массой 70 кг в состоя­нии покоя составляет около 200 мл в 1 мин. Система регуляции дыхания "установ­лена" на поддержание РаС()₂ на уровне 40 мм рт. ст. (гл. 16). В устойчивом состоянии скорость, с которой СО₂ выводится из организма, равна скорости ее образования. Отношение между РаС()₂, VCO₂ и VA приведено ниже:

VA = Kx-^-_l [3-10]

РаС0₂

где: К — константа, равная 0.863; VA выражена в системе BTPS, a Vco₂ —в систе­ме STPD (приложение 1, с. 306).

Уравнение [3-10] показывает, что при постоянной скорости образования дву­окиси углерода РаСО- изменяется обратно пропорционально альвеолярной вентиля­ции (рис. 3-4). Зависимость РЛС()₂, а отсюда и РаС()₂ (тождество которых обсужда­ется в гл. 9 и 13) от va можно оценить с помощью рис. 3-4. В действительности изменения Рсо₂ (альвеолярного ил и артериального) определяются отношением меж­ду \/д и vk,t. e. величиной VD/VT (раздел "Расчет объема физиологического мер­твого пространства"). Чем выше VD/VT, тем большая Vi<; необходима для измене­ния Уд и РаСО;,.

Отношение между альвеолярной вентиляцией, альвеолярным Ро₂ и альвеолярным Рсо₂

Подобно тому, как Рлсо₂ определяется балансом между продукцией СО₂ и аль­веолярной вентиляцией, альвеолярное Р()₂ (Р/\()₂) является функцией скорости по­глощения кислорода через альвеолярно-капиллярную мембрану (гл. 9) и альвеоляр-

Рис. 3-4. Соотношение между аль­веолярной вентиляцией и альвео­лярным Рш,. Альвеолярное Рсо, на­ходится в обратной зависимости от альвеолярной вентиляции. Степень вокдсйс'пжя изменении милу гной вентиляции на альвеолярное Рс:о,:;апмсит от отношения между венти­ляцией мертвого пространства и об­щей вентиляцией. Представлено от­ношение дли человека среднего сло­жения со стабильной нормальной скоростью образования (.'О,- (около 200 м ч/мип)

пой вентиляции. Поскольку парциальные давления азота и водяного пара в альвео­лах постоянны, РА()₂ и РЛС()₂ изменяются реципрокно по отношению друг к другу в зависимости от изменений альвеолярной вентиляции. Рис. 3-5 показывает рост рао, по мере увеличения VA.

Сумма парциальных давлений О₂, СО₂, N_:> и водяного пара в альвеолах равна барометрическому давлению. Поскольку парциальные давления азота и водяного пара постоянны, парциальное давление О₂ либо СО^ может быть рассчитано, если одно из них известно. Расчет основывается на уравнении альвеолярного газа:

1-FlOo

рао_? = Рю_? - Рдсо₂ (Fio₂ + ———), [3-11]

R

где: РЮ₂ — Ро₂ во вдыхаемом газе,

FlO₂ — фракционная концентрация О₂во вдыхаемом газе,

R — дыхательное газообменное отношение.

R, дыхательное газообменное отношение, выражает скорость выделения СО^ относительно скорости поглощения О₂ (V()₂), т. e. R = Vco₂ / V(>₂. В устойчивом состоянии организма дыхательное газообменное отношение равно дыхательному ко­эффициенту (RQ), который описывает отношение продукции двуокиси углерода к потреблению кислорода на клеточном уровне. Это отношение зависит от того, что преимущественно используется в организме в качестве источников энергии — угле­воды или жиры. В процессе метаболизма 1 г углеводов выделяется больше СО₂.

В соответствии с уравнением альвеолярного газа РЛ()₂ может быть рассчи­тано как парциальное давление О₂ во вдыхаемом газе (РЮ₂) минус величина, кото­рая включает РЛСО₂ и фактор, учитывающий изменение общего объема газа, если поглощение кислорода отличается от выделения двуокиси углерода: [ Fl()₂ + (1 ••-- Fl()₂)/RJ. У здорового взрослого человека со средними размерами тела в состоянии покоя V()₂ составляет около 250 мл/мин; VCO₂ — приблизительно 200 мл/мин. R, таким образом, равно 200/250 или 0.8. Заметим, что величина IFlO, + (1 - FlO₂)/RJ снижается до 1.2, когда FlOz^ 0.21, и до 1.0 при FlOa» 1.0 (если в каждом случае R = 0.8).

Как пример для расчета РЛ()₂, рассмотрим здорового человека, который дышит комнатным воздухом и у которого РаС()₂ (приблизительно равное РЛС()₂) составля­ет 40 мм рт. ст. Принимаем барометрическое давление равным 760 мм рт. ст. и дав­ление водяного пара — 47 мм рт. ст. (вдыхаемый воздух полностью насыщается во­дой при нормальной температуре тела). Рю₂ рассчитывается как произведение об­щего парциального давления "сухих" газов в альвеолах и фракционной концентра­ции кислорода: т. е. Рю₂ = (760 - 47) х 0.21. Отсюда Рло₂ = [(760 - 47) х 0.21 J -40[0.21 + (1 -0.21)/0.8] = 149-48= 101 мм. рт. ст.

Рис. 3-5. Соотношение между альвеолярной вентиляцией иаль-иеолярным Ро, Альвеолярное 1^}()₂ растет с увеличением альве­олярной вентиляции до достиже­ния плато