FUNKCE DCHACHO SYSTMU DAL FUNKCE PLCN OBRANN FUNKCE

FUNKCE DÝCHACÍHO SYSTÉMU DALŠÍ FUNKCE PLÍCNÍ OBRANNÉ FUNKCE (např. mukociliární clearence, obranná funkce plícních makrofágů, …) METABOLICKÉ A ENDOKRINNÍ FUNKCE (např. tvorba surfaktantu, přeměna angiotenzinu I na angiotensin II, …)

DÝCHACÍ SYSTÉM DÝCHACÍ CESTY (KONVEKCE) PLÍCE - orgán, v němž dochází k výměně plynů (DIFUZE) PUMPA umožňující VENTILACI plic (HRUDNÍ STĚNA S DÝCHACÍMI SVALY) TRANSPORT O 2 A CO 2 V KRVI NERVOVÝ SYSTÉM REGULUJÍCÍ FUNKCI DÝCHACÍCH SVALŮ (oblasti CNS, eferentní motorické neurony k dýchacím svalům a aferentní neurony od různých receptorů) 1

FÁZE TRANSPORTU O 2 K BUŇKÁM DÝCHACÍ CESTY VENTILACE PLIC ALVEOLY ALVEOLO-KAPILÁRNÍ M. DIFUZE O 2 PŘES ALVEOLO-KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU PLÍCNÍ KAPILÁRY DIFUZE O 2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUNĚK V KLIDU příjem O 2 ~300 ml / min výdej CO 2 ~250 ml / min 250 300 TRANSPORT O 2 V KRVI VYUŽITÍ O 2 MITOCHONRIEMI VNITŘNÍ DÝCHÁNÍ 2

PLÁN I ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ RYCHLÉ VYROVNÁNÍ TLAKU v uzavřeném prostoru POHYB plynu probíhá z oblasti vyššího tlaku do oblasti s nižším tlakem podél poklesu TLAKOVÉHO GRADIENTU DIFUZE PLYNU PŘES BARIÉRU mezi dvěma oblastmi závisí také na VLASTNOSTECH BARIÉRY VE SMĚSI PLYNŮ RYCHLOST DIFUZE složek směsi plynů závisí na jednotlivých GRADIENTECH PARCIÁLNÍCH TLAKŮ Při ROVNOVÁZE SMĚSI PLYNŮ NAD KAPALINOU každá složka se v kapalině rozptýlí úměrně : PARCIÁLNÍMU TLAKU v plynné fázi ROZPUSTNOSTI této složky v kapalině 3

VZTAHY MEZI n V MĚŘENÝMI VELIČINAMI T P ROVNICE IDEÁLNÍHO PLYNU P= n RT V P - tlak [Pa] [mm Hg] n - látkové množství [mol] V - objem [m 3] [l] T - absolutní teplota [K] R - univerzální plynová konstanta [J/K. mol] P V = n R T Pokud se n a T nemění, je P V = konstanta 1 k. Pa = 7, 5 mm Hg (torr) [ J ] fyzikální jednotka práce a energie 4

PARCIÁLNÍ TLAKY VE SMĚSI PLYNŮ Daltonův zákon – ZÁKON PARCIÁLNÍCH TLAKŮ Ve směsi dvou plynů v daném objemu n 1 , n 2 - látková množství plynů (ncelk = n 1 + n 2) F 1 + F 2 = 1 Podle Daltonova zákona PARCIÁLNÍ TLAKY mohu být vyjádřeny pomocí frakcí P 1 = F 1 Pcelk P 2 = F 2 Pcelk P 1 + P 2 = Pcelk 5

SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU O 2 20, 98 % N 2 78, 06 % CO 2 0, 04 % FO 2 0, 21 FN 2 0, 78 FCO 2 = 0, 0004 ostatní složky BAROMETRICKÝ (ATMOSFERICKÝ) TLAK NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU na úrovni moře PO 2 = 760 x 0, 21 = 160 mm Hg PN 2 = 760 x 0, 78 = 593 mm Hg PCO 2 = 760 x 0, 0004 = 0, 3 mm Hg 1 k. Pa = 7, 5 mm Hg (torr) 6

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

DÝCHACÍ CESTY ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR -ZÓNA KONDUKCE NOSNÍ PRŮDUCHY FARYNX Další funkce: LARYNX oteplení vzduchu, očištění a nasycení vodními parami TRACHEA reflexní odpovědi na dráždivé podněty řeč a zpěv (specifické funkce laryngu) BRONCHY BRONCHIOLY ZÓNA TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY PŘECHODNÁ ZÓNA RESPIRAČNÍ BRONCHIOLY ALVEOLÁRNÍ PŘÍVODY VÝMĚNY PLYNŮ (alveoly) CELKOVÝ OBJEM alveolů na konci klidného výdechu ~3 l CELKOVÁ PLOCHA ~ 100 m 2 7

ODLITEK DÝCHACÍCH CEST U ČLOVĚKA TRACHEA BRONCHY BRONCHIOLY TERMINÁLNÍ BRONCHIOLY AERODYNAMICKÝ ODPOR 8 a

řasinkový cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura mukus AUTONOMNÍ INERVACE (tonus hladké svaloviny) muskarinové receptory aktivace bronchokonstrikce 2 -adrenergní receptory aktivace bronchodilatace buňky hladké svaloviny žláza chrupavka BRONCHIÁLNÍ TONUS V PRŮBĚHU DÝCHÁNÍ NÁDECH – bronchodilatace (aktivace sympatiku) krevní cévy pohárková buňka VÝDECH – bronchokonstrikce (aktivace parasympatiku) BRONCHUS TERMINÁLNÍ BRONCHIOLUS < 1 mm 9

MUKOCILIÁRNÍ CLEARANCE BRONCHITIS CHRONICA CYSTICKÁ FIBRÓZA mukoviscidóza Komplexní genetická porucha tvorba solu je omezena hlavně defektními Cl- kanály v apikální membráně epiteliálních buněk CFTR 10 -20 m cilie vrstva gelu vrstva solu (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). posun hlenu s částicemi KOLOIDNÍ ROZTOK S ROZDÍLNOU VISKOZITOU 10

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

VT dechový objem (‘tidal volume’) ~500 ml VT = VA + VD VA alveolární část dechového objemu ~350 ml VD část dechového objemu v mrtvém prostotu (‘dead volume’) ~150 ml ∙ V = VT x f MINUTOVÁ VENTILACE PLIC 6 l/min · VA = VA x f f = 12/min ALVEOLÁRNÍ VENTILACE 4, 2 l/min · VD = VD x f VENTILACE MRTVÉHO PROSTORU 1, 8 l/min Při POVRCHNÍM RYCHLÉM DÝCHÁNÍ MINUTOVÁ VENTILACE PLIC může být normální (6 l/ min), přesto ALVEOLÁRNÍ VENTILACE je snížena ve srovnání s POMALÝM HLUBOKÝM DÝCHÁNÍM. 11

MRTVÝ PROSTOR V DÝCHACÍM SYSTÉMU CELKOVÝ OBJEM, VE KTERÉM NEDOCHÁZÍ K VÝMĚNĚ PLYNŮ ANATOMICKÝ - objem dýchacích cest FUNKČNÍ (CELKOVÝ) ANATOMICKÝ mrtvý prostor + celkový OBJEM ALVEOLŮ bez funkčního kapilárního řečiště U ZDRAVÉHO JEDINCE oba prostory jsou prakticky identické 12

MĚŘENÍ ANATOMICKÉHO MRTVÉHO PROSTORU jednodechový N 2 test (‘single breath’ N 2 test) během nádechu čistého O 2 80 kohoutek jednosměrný ventil převodní systém objem vzduchu (l) analyzátor N 2 pneumotachograf II střední bod přechodné fáze I 0 0, 2 0, 1 integrátor III % N 2 MODIFIKOVANÝ SPIROMETER 100 % O 2 VD čas (s) KŘIVKA N 2 (%) Fáze I - mrtvý prostor naplněný 100 % O 2 Fáze II - přechodná fáze (směs O 2 a alveolárního vzduchu) Fáze III - alveolární plató ? ZAČÁTEK EXSPIRACE N 2 O 2 N 2 13

ANATOMICKÝ MRTVÝ PROSTOR BOHROVA ROVNICE PCO 2 = FCO 2. Pcelk VE ……. objem vydechnutého vzduchu PCO 2 E … parciální tlak CO 2 ve vydechnutém vzduchu PCO 2 A … parciální tlak CO 2 v alveolárním vzduchu ? PCO 2 A můžeme změřit v posledních 10 ml vydechnutého vzduchu VE = VD + VA PV=n. RT n. CO 2 E = n. CO 2 D + n. CO 2 A n. CO 2 ~ PCO 2 V ………? 14

FUNKČNÍ (celkový) MRTVÝ PROSTOR BOHROVA ROVNICE FUNKČNÍ MRTVÝ PROSTOR získáme, jestliže alveolární PCO 2 A nahradíme PCO 2 a (v arteriální krvi). U ZDRAVÝCH JEDINCŮ oba parciální tlaky jsou téměř identické U PLÍCNÍCH ONEMOCNĚNÍ více alveolů bez funkčního kapilárního řečiště PCO 2 a 15

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

SPIROMETRIE (přímá měření plícních objemů, kapacit, funkční vyšetření, …) STANDARDIZACE naměřených hodnot (věk, pohlaví, tělesná výška, …) převrácená nádoba s O 2 vodní těsnění nádech výdech subjekt 16

PLÍCNÍ OBJEMY INSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM IRV úroveň maximálního vdechu [ l ] ~2, 5 konec klidného nádechu DECHOVÝ OBJEM VT (‘tidal volume’) EXSPIRAČNÍ REZERVNÍ OBJEM ERV REZIDUÁLNÍ OBJEM RV ~1, 7 ~1, 3 DILUČNÍ METODA (inertní plyn He) n. RV He = np, r He – nk, r He ck He …konečná koncentrace He He rezervoár (V) úroveň maximálního výdechu n=c. V Vr …. . objem rezervoáru cp He …počáteční koncentrace He RV konec klidného výdechu (rozdíl mezi počátečním a konečným množstvím He v rezervoáru) RV rezervoár (V) 17

úroveň maximálního vdechu INSPIRAČNÍ KAPACITA VK > 3, 0 l CKP konec klidného výdechu RV ≤ 25% CKP RV úroveň maximálního výdechu ~1, 3 l FUNKČNÍ REZIDUÁLNÍ KAPACITA < 3, 0 l VK ~ 4, 7 l VITÁLNÍ KAPACITA = VT + IRV + ERV Největší objem vzduchu, který je možno vydechnout po maximálním nádechu CKP CELKOVÁ KAPACITA PLIC = VK + RV ~ 6, 0 l 18

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KAPACITA (exspirační vteřinová VK, rozepsaný usilovný výdech VK ), FEV 1 (‘forced expiratory volume per 1 s’ ) 6 objem (l) 5 4 3 VK FEV 1 2 FEV 1 1 VC 0 1 2 3 4 5 čas (s) 6 ≥ 80 % 7 8 9 KLIDOVÁ MINUTOVÁ VENTILACE (0, 5 l x 12 dechů / min = 6 l/min) MAXIMÁLNÍ VOLNÍ VENTILACE po dobu 10 s (125 - 170 l/min) MAXIMÁLNÍ PRŮTOK VYDECHOVANÉHO VZDUCHU PEFR při použití pneumotachografu (‘peak expiratory flow rate’) (~10 l/s) 19

VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KAPACITA PLIC FEV 1 zdravý jedinec 100 vitální kapacita (%) 80 FEV 1 pacient s obstrukcí dýchacích cest 50 FEV 1 35 FEV 1 25 0 VK 1 2 3 4 5 6 7 8 čas (s) VTEŘINOVÁ VITÁLNÍ KPAPACITA umožňuje rozlišení OBSTRUKČNÍCH PORUCH (astma bronchiale) od RESTRIKČNÍCH (plícní edém, fibróza, emfyzém) 20

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

ČASOVÝ PRŮBĚH TLAKŮ při klidném dýchání P. V = konst VDECH ΔP = Q. R POISEUILLEŮV ZÁKON Q … průtok vzduchu analogie Ohmova zákona R. . . aerodynamický odpor dýchacích cest VÝDECH PA < PATM PA > PATM VT [l] čas ? +1 [mm Hg] PA -1 PPL -3 ? [mm Hg] naměřená křivka teoretická křivka -6 PTP = PA - PPL PA ALVEOLÁRNÍ (INTRAPULMONÁLNÍ) PPL INTRAPLEURÁRNÍ (INTRATORAKÁLNÍ) TRANSPULMONÁLNÍ 21

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

SLOŽENÍ ALVEOLÁRNÍHO VZDUCHU parciální tlaky v mm Hg INSPIROVANÝ VZDUCH O 2 158, 8 CO 2 0, 3 N 2 601, 0 … mrtvý prostor 760 mm Hg pravé srdce vény EXSPIROVANÝ VZDUCH O 2 40, 0 CO 2 45, 0 H 2 O 47, 0 N 2 … … O 2 100, 0 CO 2 39, 0 H 2 O 47, 0 N 2 760 mm Hg O 2 40, 0 CO 2 45, 0 periferní kapiláry H 2 O 47, 0 N 2 … … O 2 100. 0 CO 2 39. 0 O 2 115, 0 CO 2 33, 0 H 2 O 47, 0 N 2 564, 0 … ? 760 mm Hg fyziologické zkraty ? levé srdce O 2 95, 0 CO 2 41, 0 H 2 O 47, 0 N 2 … … arterie 22

Alveolární PO 2 a PCO 2 při volní hypo- a hyperventilaci alveolární PO 2 a PCO 2 (mm Hg) PAO 2 100 Při KLIDNÉM DÝCHÁNÍ složení alveolárního vzduchu zůstává téměř konstantní díky objemu FUNKČNÍ REZIDUÁLNÍ KAPACITY (~3 l) 50 hyperventilace hypoventilace PACO 2 0 0 2 4 6 alveolární ventilace (l/min) 8 10 hyperventilace → HYPOKAPNIE → respirační alkalóza hypoventilace → HYPERKAPNIE → respirační acidóza 23

I FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI PLYNŮ II DÝCHACÍ CESTY III MĚŘITELNÉ PARAMETRY · · MRTVÝ PROSTOR PLÍCNÍ OBJEMY FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC CHARAKTERISTICKÉ TLAKY IV ALVEOLÁRNÍ VZDUCH V ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNA

RESPIRAČNÍ MEMBRÁNA alveolární epiteliální buňka nucleus ERYTROCYT kapilární endoteliální buňka ALVEOLÁRNÍ VZDUCH PO 2 = 100 PCO 2 = 39 (mm Hg) O 2 CO 2 O 2 nucleus Hb Hb. O 2 ALVEOLO-KAPILÁRNÍ (RESPIRAČNÍ) MEMBRÁNA intersticiální prostor PLÍCNÍ KAPILÁRA CO 2 průměr okolo 5 µm 1 µm 0. 75 s doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 24

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ RYCHLOST DIFUZE PLYNŮ V PLÍCÍCH FICKŮV ZÁKON –ZÁKON DIFUZE (ml/min) CELKOVÝ POVRCH ALVEOLO-KAPILÁRNÍ MEMBRÁNY A (~ 100 m 2 ) ( A: emfyzém) DÉLKA DIFUZNÍ DRÁHY - TLOUŠŤKA (SÍLA) MEMBRÁNY l (~1 μm)( l: zánět, plícní edém) ROZDÍL PARCIÁLNÍCH TLAKŮ (PA - Pc) DIFUZNÍ KOEFICIENT PLYNU k. D (závisí na molekulární hmotnosti a rozpustnosti plynu v daném prostředí – fibróza plícní tkáně) 25

ČASOVÝ PRŮBĚH PO 2 A PCO 2 V KAPILÁŘE PŘI EKVILIBRACI S ALVEOLÁRNÍM VZDUCHEM PO 2 100 PCO 2 40 mm Hg venózní krev PO 2 40 PCO 2 46 mm Hg 100 80 Δ PCO 2 = 6 mm Hg rovnovážný stav s alveolárním vzduchem mm Hg Δ PO 2 = 60 mm Hg PO 2 100 PCO 2 40 PO 2 60 40 PCO 2 0, 75 s doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 26

DIFUZNÍ KAPACITA PLIC DL · V – rychlost difuze plynu (ml/min) PA- Pc – rozdíl parciálních tlaků CO O 2 CO 2 (hnací síla difuze) INDEX DIFUZNÍ KAPACITY PLIC Pro měření DL je vhodný CO. PCO v plazmě je zanedbatelný, proto se měří pouze PACO a pokles CO v alveolech za jednotku času (VCO ). 0. 75 s · DLCO = / P VCO ACO V KLIDU DLCO = 17 ml/ min/ mm Hg DLO 2 = 21 ml/ min/ mm Hg DLO 2 vzrůstá při tělesné námaze ( V ) a klesá u plícních onemocnění ( A, l ) DLCO 2 » DLO 2 k. DCO 2 » k. DO 2

EQUILIBRATION OF O 2, N 2 O, AND CO PARTIAL PRESSURES IN CAPILLARY BLOOD WITH ALVEOLAR PRESSURES relative partial pressure alveolar partial pressure level N 2 O (nitrous oxide) INERT GAS O 2 used for cerebral and coronary blood flow measurements N 2 O (very rapid equilibration) CO (carbon monoxide) CO AVIDLY BOUND IN ERYTHROCYTE (no equilibration) 0. 25 0. 50 time (s) 0. 75 time interval of erythrocyte contact with respiratory membrane used for assessment of diffusing capacity of the lungs DL

INTRAPLEURÁLNÍ TLAK natažené APEX PPL ve vzpřímené poloze VLIV GRAVITACE NA VENTILACI -7, 35 mm Hg HODNOTY NA KONCI KLIDNÉHO VÝDECHU MAXIMÁLNÍ INSPIRIUM -1, 84 mm Hg stlačené 100 BAZE 50 MAXIMÁLNÍ EXSPIRIUM RV +7, 35 PLÍCNÍ OBJEM % ALVEOLY V apex = V. f V baze 0 -14, 7 -22, 05 -1, 84 -7, 35 INTRAPLEURÁLNÍ TLAK [mm Hg] PPL 7, 35 mm Hg = 10 cm H 2 O