plícní objemy
Plícní objemy a jejich měření
Dýchání
Hnací silou pro výměnu vzduchu mezi plícními sklípky (alveoly) a zevním prostředím jsou různé tlaky v obou částech. Při vdechu (inspirace) musí být tlak v alveolech nižší, než tlak vzduchu v prostředí (atmosférický tlak). Tlak v alveolech se označuje jako pulmonální tlak (ppulm).
Při výdechu (exspirace) musí být tlakový rozdíl opačný. Jestliže se vezme atmosférický tlak jako nula, má ppulm během inspirace negativní hodnotu, během exspirace pozitivní hodnotu. Z toho vyplývá, že se musí objem plic při nádechu zvětšit, při výdechu zmenšit. Tyto objemové změny zajišťují pohyby bránice (přímo) a pohyby hrudníku za pomoci příslušných dýchacích svalů (nepřímo). Vdech se zajišťuje oploštěním bránice a zvednutím hrudníku v důsledku kontrakce dýchacích svalů. Naproti tomu výdech způsobují svaly přední břišní stěny, které vytlačují bránici nahoru a také zmenšení objemu hrudníku a plic, které pasivně nastává v důsledku jejich hmotnosti a pružnosti. Plíce mají za normálních okolností tendenci zmenšovat svůj objem, tedy se smršťovat. Je to způsobeno jejich elasticitou a povrchovým napětím v alveolech.
Aby byly změny objemu hrudníku při ventilaci vzduchu efektivní, musí plíce tyto pohyby kopírovat. Přitom nejsou plíce nijak mechanicky upevněny ani na hrudník a ani na bránici. Toto kopírování pohybu hrudníku zajišťuje tenká vrstvička tekutiny, která vyplňuje objem mezi plícnicí (pleura pulmonalis) a pohrudnicí (pleura parietalis). Protože není tekutina roztažitelná, působí jako pomyslné lepidlo a přidržuje plíce u hrudní stěny (mezi plícnicí a pohrudnicí vzniká podtlak). Jakou ohromnou sílu má přilnavost tekutiny k oběma blánám lze přirovnat k pokusu, kdy se přiloží dvě mokrá skla (o stejné ploše, jakou má plícnice a pohrudnice) k sobě a snažili bychom se je od sebe odtrhnout. Pokud skla po sobě nesklouznou, nedokážeme vyvinout takovou sílu, abychom je od sebe odtrhli. Tlak v této tekutině se označuje jako intrapleurální tlak (také intratorakální, ppl). Když se hrudník při vdechu roztáhne a zvětší svůj objem, podtlak se zvětší a to vyvolá i roztažení plíc (začnou zvětšovat svůj objem). Při normálním výdechu se podtlak zmenší. Pouze při usilovném výdechu a zapojení pomocných výdechových svalů může nastat stav, kdy se intrapleurální tlak stane pozitivním.
Plícní objemy
Po normálním klidném výdechu se hrudník ocitne v uvolněné pozici označované jako střední (klidová) dechová poloha. Při normální inspiraci se do plic dostane asi 0,5 l vzduchu. Tento objem se označuje jako dechový objem (VT, na obrázku znázorněný fialovou barvou). Tento objem lze navýšit při maximálním úsilí přibližně na 3 l, plíce tedy dokážou přijmout dalších asi 2,5 l vzduchu nad klidový dechový objem. Toto množství vzduchu je inspiračním rezervním objemem (modrá barva).
Zapojením dýchacích svalů je možné po normálním výdechu z plic vydechnout ještě dalších asi 1,5 l vzduchu (exspirační rezervní objem, zelená barva). Tyto rezervní plícní objemy jsou využívány v okamžiku, kdy normální klidový dechový objem nestačí pro výměnu vzduchu např. při nadměrné svalové práci. Ale i po usilovném výdechu zůstává ještě v plících určitý objem vzduchu, tzv. reziduální objem.
Jako vitální kapacita plic se označuje objem vzduchu, který se v plících dokáže vyměnit maximálním výdechem po maximálním vdechu (na obrázku objemy znázorněné modrou + fialovou + zelenou barvou), tedy součet dechového objemu + inspiračního rezervního objemu + exspiračního rezervního objemu (průměrně 4,5 až 5,7 l u mladého muže cca 180 cm vysokého). Celková kapacita plic zahrnuje navíc ještě reziduální objem (celkem cca 6 až 6,5 l). Občas se ještě objevuje termín funkční reziduální kapacita, což je reziduální objem + rezervní exspirační objem.
Všechny uvedené objemy silně kolísají v závislosti na věku, velikosti těla, složení těla, pohlaví a především na stavu trénovanosti, tedy na kondici těla. Vitální kapacita může činit 3 l stejně tak třeba i 7 l a přesto obě hodnoty mohou být v pořádku a nemusí se jednat o nenormální stav. Pro možnost porovnávání určitých skupin obyvatelstva byly provedeny jisté standardizace. Pro normální vitální kapacitu obyvatel Evropy byly odvozeny vztahy uvedené na následující tabuli.
Podle těchto rovnic lze vypočítat přibližnou vitální kapacitu plic a lze s nimi postihnout pouze relativně velké odchylky od statisticky určené normy. Přesné hodnoty lze získat pouze spirometrickým měřením. Velkou vypovídací hodnotu mají opakovaná měření v delších časových úsecích (roky), protože se zachytí změny (například při sledování průběhu plícního onemocnění, stupně trénovanosti apod.).
Protože objem je stavová veličina, je závislá na dalších fyzikálních veličinách, především na teplotě a tlaku. Stavová rovnice umožňuje provádět přepočet objemů plynů.
Při sestavování bilance plynů při dýchání se rozeznávají 3 různé stavy. Stav za standardní teploty a tlaku, suchý vzduch - STPD (standard temperature, pressure, dry). Stav při saturaci vzduchu vodními parami, za teploty a tlaku okolí - ATPS (ambient temperature, pressure, saturated) a stav při tělesné teplotě a tlaku, vzduch saturovaný vodními parami - BTPS (body temperature, pressure, saturated). V rovnicích na následující tabuli jsou použity zaokrouhlené hodnoty.
Měření plícních objemů
S vyjímkou reziduálního objemu a kapacit, ve kterých je reziduální objem zahrnut, je možné všechny zbývající objemy měřit. Měření se provádí pomocí spirometru. Klasický spirometr je nádoba s vodou, do které je vložen zvon dnem vzhůru. Vyšetřovaná osoba dýchá pomocí hadice a tato je napojena na vzduch uzavřený ve vnitřním válci přiklopeným obráceným zvonem (na obrázku vyznačený červeně) a vodní hladinou. Vnější válec je otevřený a vodní hladina je tedy vystavena atmosférickému tlaku vzduchu. Objem vzduchu pod zvonem se mění podle nádechu a výdechu, zvon podle toho mění svoji polohu a ta je vhodným způsobem přenášena na zapisovací zařízení. Váha zvonu je vyrovnána vhodným protizávažím.
Na následující tabuli je znázorněn spirometrický (spirografický) záznam. Fialově je zvýrazněn rozsah objemu vzduchu při normálním klidovém dýchání. Žlutá křivka představuje záznam pořízený perem připevněným na protizávaží zvonu spirometru (znázorněno modrou šipkou).
Moderní spirometry měří pomocí kalibrované turbínky s magnetickým přenosem otáček. Podle rychlosti a směru otáček turbíny zaznamenávají objem vdechovaného a vydechovaného vzduchu. Obvykle tyto přístroje současně měří koncentraci kyslíku a oxidu uhličitého jak ve vdechovaném, tak zejména ve vydechovaném vzduchu. Pomocí těchto přístrojů lze měřit celou řadu důležitých veličin, jako je minutová ventilace, změny objemů při nádechu a výdechu, lze stanovit plícní poddajnost (complianci), spotřebu kyslíku apod.
Bilance plynů při ventilaci
Srdce přečerpává v klidu přibližně 5 l krve za minutu, přičemž malým krevním oběhem (přes plíce) projde za minutu celý tento objem (minutový srdeční výdej). Krev transportuje v klidu z plic do periférií přibližně 0,3 l kyslíku za minutu (V´O2), z periférií do plic naopak transportuje asi 0,25 l oxidu uhličitého (V´CO2). K tomu, aby se tyto objemy dostaly do alveolů nebo byly odtud vydechnuty, je zapotřebí vdechnout (a také vydechnout) asi 7,5 l vzduchu za minutu (minutová ventilace - V´(E)). Při dechové frekvenci (BF) 15 dechů za minutu to pak odpovídá dechovému objemu 0,5 l. Za těchto podmínek pak alveolární ventilace činí cca 5,25 l vzduchu za minutu, rozdíl (7,5 - 5,25 = 2,25 l) připadá na ventilaci mrtvého prostoru.
Podle Daltonova zákona je celkový tlak plynné směsi daný součtem parciálních (částečných) tlaků jednotlivých plynů obsažených ve směsi. Na následujícím schématu jsou znázorněny parciální tlaky při plícní ventilaci, z důvodů větší názornosti a pro určité zjednodušení je uvažovaný suchý vdechovaný vzduch a standardní podmínky (atmosférický tlak vzduchu 101,3 kPa). V prvním řádku je uveden parciální tlak konkrétního plynu v kPa. Protože se ještě stále poměrně často vyjadřuje tlak v mm rtuťového sloupce, je tato hodnota uvedena ve druhém řádku. Ve třetím řádku je uvedena procentuálně vyjádřená koncentrace daného plynu ve ventilovaném vzduchu (z důvodů větší přehlednosti je zaokrouhlena na celá čísla).
Vzduch obsahuje 20,9 % kyslíku, 0,03 % oxidu uhličitého a 79,07 % dusíku a ostatních vzácných plynů dohromady. Aplikací Daltonova zákona lze tedy určit parciální tlak kyslíku ve vzduchu (20,9 x 101,3 : 100 = 21,17 kPa) a podobně i ostatních plynů. Přepočet na mm rtuťového sloupce vychází ze skutečnosti, že 760 mm je 101,325 kPa. Vypočítaných 21,17 kPa tedy odpovídá 158,8 mm Hg. Při průchodu vzduchu dýchacími cestami se vzduch nasytí vodními parami a parciální tlak vodních par stoupne na maximální hodnotu, což je při 37°C 6,27 kPa. V důsledku toho klesá parciální tlak kyslíku z 21,17 kPa na 19,87 kPa a odpovídajícím způsobem klesají i parciální tlaky oxidu uhličitého a dusíku.
Používané zkratky
V následujícím přehledu jsou uvedeny používané zkratky pro nejdůležitější statické a dynamické plícní objemy případně kapacity. Statické objemy lze změřit spirometricky, dynamické jsou měřeny jako objem za časovou jednotku (jde tedy vlastně o průtoky). V závorce jsou uvedeny orientační hodnoty, které se však mohou mezi dospělými jedinci měnit o více jak 30 % v závislosti na tělesné konstituci, trénovanosti a věku.
Zkratky jsou odvozeny od počátečních písmen anglického označení - reziduální objem (Residual Volume), exspirační rezervní objem (Exspiratory Reserve Volume), dechový objem (Tidal Volume), inspirační rezervní objem (Inspiratory Reserve Volume), funkční reziduální kapacita (Functional Residual Capacity), inspirační kapacita (Inspiration Capacity), vitální kapacita (Vital Capacity), celková plícní kapacita (Total Lung Capacity), minutová ventilace (Minute Ventilation), maximální minutová ventilace (Maximal Minute Ventilation), usilovná vitální kapacita (Forced Vital Capacity), jednovteřinová vitální kapacita (Forced Exspiratory Volume in 1 s), maximální výdechový proud vzduchu (peak Exspiratory Flow).
Na následující tabuli jsou znázorněné statické parametry měřitelné prostou spirometrií. Uvedené hodnoty objemu jsou orentační, mohou se mezi jedinci významně lišit. Na záznamové křivce je červeně zvýrazněna část, která se týká i dynamické spirometrie (viz dále).
Na této tabuli jsou znázorněné dynamické parametry měřitelné spirometrií pouze v závislosti na čase. Proto je na ose y uveden jako parametr průtok, tedy objem za časovou jednotku.
Související články
Transport plynů při dýchání - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.