Kompendium i lungefysiologi

Transkript

1 Kompendium i lungefysiologi RV CC RV TLC FRC FRC TLC 5. utgave 2009 Ole Magnus Filseth Overlege Akuttmedisinsk Forord avdeling/anestesiavdelingen Universitetssykehuset Nord-Norge

2 2 Forord Dette kompendiet omtaler basale deler av lungefysiologien, og er skrevet med henblikk på alle som ønsker en kortfattet innføring i lungefysiologi. Ved Universitetet i Tromsø har det vært brukt i undervisningen i lungefysiologi for 3. års medisinstudenter, og det har også vært brukt i videreutdanning av sykepleiere og på kurs for leger som skal spesialisere seg innen anestesiologi. De delene som er trykt med liten skrift, omhandler kliniske eksempler og/eller mer anestesiologisk orientert stoff, og er derfor ikke pensum for medisinstudentene. For spesialistkandidater innen anestesiologi forutsettes det derimot at man skal ha kunnskap om dette stoffet. Det er klart at et kompendium på 37 sider ikke kan erstatte lærebøker i fysiologi. Jeg slår gjerne et slag for den norske Menneskets fysiologi av Olav Sand et al. For den som ønsker å gå mer i dybden på dette feltet (f.eks de som vil spesialisere seg innen anestesiologi) vil jeg anbefale bibelen innen anvendt lungefysiologi, nemlig J. F. Nunn s Applied Respiratory Physiology, som er et glimrende oppslagsverk Hvert år får jeg tilbakemeldinger på uklare formuleringer og trykkfeil. Jeg er glad for slike tilbakemeldinger enten muntlig eller skriftlig til aneomf@unn.no Tromsø, august 2009 Ole Magnus Filseth overlege akuttmedisinsk avdeling og anestesiavdelingen, UNN.

3 I) Lungemekanikk Innhold 3 Trykk og volum ved respirasjon side 4 Pneumothorax side 5 Spontan respirasjon side 5 Transpulmonalltrykket ved spontan respirasjon og overtrykksventilasjon side 6 Statisk og dynamisk luftveiskollaps side 7 Dynamisk luftveiskollaps, luftveismotstand og lungesykdommer side 8 Dynamisk luftveiskollaps, air trapping, auto-peep og CPAP/BiPAP ved obstruktive tilstander side 9 Auto-PEEP ved respiratorbehandling side 9 Lungevolum side 9 Forholdet mellom FRC og CC side 10 Ventilasjon og dødrom side 11 Beregning av dødrommet, Bohrs ligning side 12 Elastiske krefter og lungenes utvidbarhet side 13 Betydningen av surfactant side 13 Statisk og dynamisk compliance side 15 II) Gassvekslingen i lungene side 17 Forholdet mellom ventilasjon og sirkulasjon i lungene side 19 V/ Q -misforhold side 20 V/ Q -misforhold og kliniske konsekvenser side 20 III) Pulmonalsirkulasjonen, det lille kretsløp side 22 Blodflow og trykk i pulmonalsirkulasjonen side 23 Effekter av endret partialtrykk av CO 2 og O 2 i blodet side 24 Måling av trykk og flow i pulmonalarterien side 24 IV) Regulering av respirasjonen side 24 Perifere kjemoreseptorer side 25 Sentrale kjemoreseptorer side 26 Hva er viktigst av CO 2 og O 2 i regulering av respirasjonen? side 26 Regulering av respirasjonen ved fysisk arbeid side 27 Sammenfatning av regulering av respirasjonen side 27 V) Transport og opptak av oksygen side 28 Sammenhengen mellom SO 2 og PO 2 side 29 Oksygentilbud og -opptak i hvile side 31 Oksygentilbud og -opptak ved fysisk arbeid side 32

4 Oksygentilbud og -opptak ved sykdom og skader side 33 Noen få ord om respirasjonssvikt side 34 Appendix: Måleenheter for trykk og gasslover side 36 Strukturelle karakteristika ved luftveiene side 37 4 Lungene mottar hele kroppens minuttvolum av blod med alle dets immunologiske celler og mediatorer og har direkte kontakt med atmosfærisk luft med dens innehold av partikler og mikroorganismer. Kunnskap om lungefysiologi er ikke bare viktig for forståelsen av lungesykdommer, men kommer også til anvendelse ved all kritisk sykdom eller skade. For eksempel vil en rask vurdering av respirasjonsmøsnter og pustefrekvens gi verdifull informasjon om allmenntilstanden. En voksen person som puster mer enn 25 ganger i minuttet i hvile kan det feile noe alvorlig, uansett om årsaken er skade, sepsis, penumoni eller diabetisk ketoacidose! I) Lungemekanikk Trykk og volum ved respirasjon. Definisjoner av trykk: P A = alveoletrykket P ip = intrapleuraltrykket = intrathorakaltrykket P tp = transpulmonaltrykket (kalles i en del lærebøker også for det transmurale trykket) = P A -- P ip Vanligste måleenhet for trykk som har å gjøre med luftveiene er cm H 2 O. En del lærebøker bruker kpa. Dette er ikke noe problem, for praktiske formål er 1 kpa 10 cm H 2 O (se appendix). Det er vanlig å snakke om luftveistrykket relativt til atmosfæretrykket, slik at vi tenker oss at atmosfæretrykket (omgivende trykk) er lik 0 Vi begynner våre betraktinger rundt det lungevolum som er igjen i lungene etter et vanlig utpust, funskjonell residualkapasitet (FRC). Fra et ståsted sentralt i brysthulen vil elastiske krefter i thoraxveggen og hviletonus i diafragma virke utover mens elastiske krefter i lungevevet virker innover. Når individet slapper av etter et vanlig utpust vil det oppstå en likevekt mellom disse kreftene. Ved denne likevekten får vi et lungevolum = FRC. Pleura kler både lungenes utside (pleura viscerale) og thoraxveggens innside (pleura parietale). Mellom disse to

5 5 pleurabladene finnes en væskefilm som både nedsetter friksjonen når pleurabladene glir mot hverandre ved pusting, og som ved hjelp av adhesjonskrefter kleber pleurabladene sammen. Det finnes derfor normalt verken noe rom eller spalte mellom pleurabladene. Når vi snakker om pleuraspalten er det som en betegnelse på en posisjon mellom pleurabladene. Ved FRC vil trykket i pleuraspalten ha et negativt trykk på rundt 5 cm H 2 0. Figur 1: Funksjonell residualkapasitet, FRC Trykk i øvre luftvei = 0 cm H 2 O P A = 0 cm H 2 O Transpulmonaltrykket = P tp = P A P ip = 0 cm H 2 O ( 5 cm H 2 O) = 5 cm H 2 O. Pneumothorax. Hvis vi lager en åpning mellom pleuraspalten og utsiden eller luftveiene (bronkopleural fistel) vil atmosfærisk luft med relativt trykk = 0 cm H 2 O strømme inn og lage en luftkappe rundt lungen, som da får frihet til å trekke seg sammen. Samtidig vil thoraxveggen følge sine krefter og utvide seg. Vi har da en situasjon med pneumothorax, som må behandles med dren med negativt trykk for at lungen igjen skal komme i vegg. En moderat luftkappe rundt lungen skaper sjelden livstruende problemer. Imidlertid kan det oppstå en ventilmekanisme, som medfører at atmosfærisk luft blir dratt inn i pleruahulen ved hvert innpust, uten at lufta unnslipper i ekspiriet. Da danner det seg raskt et overtrykk i pleruahulen. Dette trykker på alle organer i mediastinum, herunder hjertet, og kan raskt skape en livstruende situasjon. Dette må avlastes raskt ved å lage en sikker, åpen forbindelse mellom utsiden og pleruaspalten ved hjelp av f.eks en grov perifer venekanyle i påvente av at man får lagt inn et thoraxdren. Spontan respirasjon. Intrapleutaltrykket = P ip = 5 cm H 2 O Trykk i mediastinum = intrapleuraltrykket = intrathorakaltrykket = 5 cm H 2 O Ved innpust trekkes diafragma ned slik at intrapleuraltrykket P ip blir mer negativt og transpulmonaltrykket P tp øker. Lungene settes på strekk slik at de utvides. Dermed skapes et undertrykk i alveolene. Trykkgradienten mellom øvre luftvei og alveolene driver luft ned i lungene. Ved en vanlig, rolig ekspirasjon slappes diafragma slik at intrapleuraltrykket (og intrathorakaltrykket) blir mindre negativt, men det er fremdeles negativt. Lungene vil da tendere til å trekke seg seg sammen mot FRC og det oppstår et overtrykk i alveolene i størrelsesorden 1 cm H 2 O. Denne gradienten mellom alveoletrykket og det omgivende trykk driver da luft ut av lungene helt til FRC er nådd. Luftveiene holdes hele tiden åpne pga at det negative intrathorakale trykk og elastisiteten i lungene.

6 6 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaafifigaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Trykk i øvre luftvei = 0 cm aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa H 2 O aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Luft strømmer inn i lungene pga aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa forskjellen mellom trykk i øvre aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa luftvei og alveoletrykket. aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa P tp = 1 cm H 2 O ( 7,5 cm H 2 O) = 6,5 cm H 2 O P A = 1 cm H 2 O P ip = 7,5 cm H 2 O Ved innpust trekkes diafragma ned og det oppstår et større intrathorakalt (= intrapleuralt) undertrykk. Transpulmonaltrykket øker. Figur 2: Inspirasjon Generelt gjelder: Til ethvert transpulmonaltrykk svarer et bestemt lungevolum hos det enkelte individ. Det er endringer i transpulmonaltrykket som avstedkommer endringer i lungevolum slik at luft føres ut eller inn i alveolene. Transpulmonaltrykket er det samme for et gitt lungevolum uavhengig av om det foreligger spontan respirasjon (undertrykksventilasjon) eller overtrykksventilasjon (respiratorbehandling) Transpulmonaltrykket ved spontan respirasjon og ved overtrykksventilasjon Det er transpulmonaltrykket som bestemmer de ulike lungevolum. Ved spontan respirasjon vil intrapleuraltykket være negativt både i inspirasjon og rolig ekspirasjon. Ved overtrykksventilasjon, som ved respiratorbehandling, vil luft med overtrykk blåses ned i lungene. Da vil intrapleuraltykket kunne bli positivt. Men ved like lungevolum vil transpulmonaltrykket være likt både ved spontan (undertrykks-) og overtrykksventilasjon, se fig. under. Man kan måle intrapleuraltykket indirekte ved å føre en trykkballong ned i øsofagus, siden intrapleuraltykket er identisk med intrathorakaltrykket. I praksis gjøres dette sjelden selv på respiratorpasienter. Ved respiratorbehandling er man redd for å skade lungene ved å bruke for høye inspiratoriske trykk. Egentlig er det et høyt transpulmonalt trykk man er redd for, men siden man vanligvis ikke måler intrapleuraltykket har man som tommelfingerregel at maksimalt inspiratorisk trykk ikke skal overstige 30 cm H 2 O i lengre perioder.

7 7 Figur 3: Transpulmonaltrykk ved ulike lungevolum ved overtrykksventilasjon (øverst) og ved spontan respirasjon (nederst) P tp = P A -P ip P ip P A P tp = 0,5 kpa P tp = 1,0 k Pa P tp= 0,75 kpa P tp = 0,5 k Pa P tp = 1,0 kpa P tp = 0,75 kpa Transpulmonaltrykket er likt ved like volum både ved spontan resp. og overtrykksvent. Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 50 Statisk og dynamisk luftveiskollaps. Statisk luftveiskollaps oppstår når alveolene har nådd en minste, kritisk størrelse. Da vil ikke lenger surfactantlaget i alveolene motstå overflatespenningen, og de klapper sammen. Hos normale personer er dette tilfelle med de nederst liggende alveolene etter et maksimalt utpust (lungenes residualvolum, se nedenfor). Kollapsen kalles statisk, fordi den er relatert til størrelsen av luftveiene, og ikke til bevegelse av luft ut av eller inn i lungene. Når volumet av lungene etter det påfølgende innpust og et normalt utpust igjen tilsvarer funksjonell residualkapasitet, vil størrelsen av de minste luftveiene igjen overskride det kritiske minstemålet, og de holder seg åpne. Dynamisk luftveiskollaps kan oppstå ved forsert ekspirasjon, der både diafragma-, mage-og thorakalmuskulatur brukes til å presse sammen thorax. I stedet for det sedvanlige undertrykk får vi nå et positivt trykk intrapleuralt (og intrathorakalt). I eksemplet i figuren under oppnås et intrapleuraltrykk på + 80 cm H 2 O. Det samme trykket vil vi da ha intrathorakalt, herunder i lungevevet. Alveolene bidrar på grunn av sin overflatespenning med + 5 cm H 2 O, slik at alveoletrykket blir 85 cm H 2 O. Dette er altså drivtrykket som skal presse lufta ut av lungene. Med atmosfærisk trykk på 0 cm H 2 O (relativt) har vi altså en stor trykkgradient, og vi skulle forvente en stor luftveisstrøm ut. Imidlertid vil det langs luftveiene skje et gradvis trykkfall fra 85 til 0 cm H 2 O. På et punkt vil således trykket i luftveiene være mindre enn det omgivende intrathorakale trykket. Hvis luftveiene var stive rør ville ikke dette bety noe, men alveoleganger og bronkioler holdes utspilte av omgivende elastisk vev og bronkiene

8 8 har brusk som kan stå imot et visst ytre press, men ikke hvis gradienten til omgivende vev blir for stor. I dette tilfellet får vi derfor en hel eller delvis kollaps av luftveiene som varer helt til den forserte ekspirasjonen opphører. Kollapsen kalles dynamisk, fordi den er relatert til at luft strømmer ut av lungene. Hvis personen så ekspirerer med mindre kraft, vil luftveiene igjen holde seg åpne i ekspiriet. Hos normale personer vil dynamisk luftveiskollaps gi seg utslag i at det er en øvre grense for hvor raskt det går an å tømme lungene for luft (ca l/min, langt over det vi har bruk for under alle fysiologiske forhold). Figur 4. Dynamisk luftveiskollaps 80 cm H 2 O P A = 85 cm H 2 O Omgivende (ambient) trykk = 0 cm H 2 O 80 cm H 2 O Intrapleuraltrykk = intrathorakoalt trykk = 80 cm H 2 O Dynamisk luftveiskollaps, luftveismotstand og lungesykdommer. Trykkfallet langs luftveiene inntreffer tidligere (mer perifert i luftveiene) jo mer forsnevret luftveiene er. Dette har å gjøre med at luftmotstanden øker med redusert radius i luftveiene. Motstand ved laminære strømninger i et rør beskrives ved 8 ŋ L R = л r 4 der ŋ er viskositet, L er rørets lengde og r er radius. Formelen sier at en halvering av radius øker motstanden 16 ganger. Ved inspirasjon øker samlet radius av de terminale luftveier R minker Ved ekspirasjon avtar samlet radius R øker Det er størst luftveismotstand i ekspiriet. Dette blir svært merkbart ved ødem, muskelkontraksjon og slimdannelse i bronkiolene, som ved astma.

9 9 Dynamisk luftveiskollaps, air trapping, auto-peep og CPAP/BiPAP ved obstruktive tilstander Ved astma og ved kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) vil trykkfallet langs luftveiene inntreffe tidligere og tendensen til dynamisk luftveiskollaps øke. Det kan medføre at lungene ikke når vanlig hvilevolum (FRC) før neste inspirasjon; det oppstår såkalt air trapping. Dette måles i praksis ved at pasienten etter et maksimalt innpust puster ut så kraftig han /hun kan gjennom et måleapparat. Både maksimal ekspirasjonsflow (peak expiratory flow, PEF) og forsert ekspiratorisk volum i løpet av 1 sek (FEV1) brukes. Jo større grad av luftveisobstruksjon, jo lavere verdier for PEF og FEV1. Ved emfysem er elastisiteten i lungene sterkt redusert, noe som medfører at luftveiene har tendens til kollaps selv ved vanlig ekspirasjon. En måte å unngå en slik kollaps på er å redusere trykkfallet i luftveiene ved å puste mot delvis lukkede lepper. Dette sees typisk hos en del emfysempasienter. Ved en alvorlig obstruktiv tilstand vil altså lungene ikke ha nådd sitt vanlige hvilevolum før en ny inspirasjon starter. Ved en ny inspirasjon vil den nye lufta møte gammel og innestengt luft som representerer et mottrykk. Dette mottrykket må overvinnes ved å øke det transpulmonale trykket, slik at ny luft kan strømme inn i lungene. Det mottrykket den under ekspirasjon innestengte lufta forårsaker når en ny inspirasjon skal starte kalles indre PEEP eller auto-peep (PEEP = positive end expiratory pressure). Det kreves økt pustearbeid for å overvinne auto-peep. Dette økte pustearbeidet kan reduseres hvis vi appliserer et ytre mottrykk ved hjelp høy luftveisstrøm i en tettsittende maske. Med CPAP (= continuous positive airways pressure) i størrelsesorden 5 10 cm H 2 O vil obstruktive pasienter ofte oppleve betydelig lettelse i pustearbeidet. Alternativt kan man ved hjelp av et apparat veksle mellom et høyt og et lavt CPAP nivå ganger per minutt. Dette kalles BiPAP, og vekslingen mellom de to CPAP-nivåene innebærer i seg selv en ventilatorisk støtte for pasienten. Auto-PEEP ved respiratorbehandling Ved respiratorbehandling vil vi også kunne støte på auto-peep som beskrevet over hos obstruktive pasienter. Men vi vil også kunne forårsake auto-peep hos helt friske pasienter hvis vi stiller inn respiratoren slik at tida for ekspirasjon blir for kort, f.eks ved å ha svært høy respirasjonsfrekvens og/eller hvis vi forlenger inspirasjonstida mye. Det vil kunne gi uheldige og potensielt farlige utslag både respiratorisk og sirkulatorisk. Man vil se om auto-peep foreligger ved å studere flow-kurver, eller ved kortvarig å låse respiratoren etter en ekspirasjon ( expiratory hold ) og så avlese den trykkøkning en evt auto-peep måtte forårsake. Hvis vi fra før har stilt inn PEEP på respiratoren, vil auto-peep addere seg til denne, slik at PEEP + auto-peep = total PEEP. Lungevolum Volumdefinisjoner: V = gassvolum V T = tidalvolum, volum i et vanlig innpust FRC = funksjonell residualkapasitet, lungevolum etter en vanlig utpust RV = residiualvolum, lungevolum etter maksimal ekspirasjon TLC = total lungekapasitet, volum etter et maksimalt innpust VC = vitalkapasitet, TLC RV, volum fra maksimal innpust til maksimal utpust CC = closing capacity, det lungevolum hvorved de minste luftveier begynner å lukke seg. Vanligvis mindre enn FRC.

10 10 Lukning av ter minale luftveier begynner her FRC Closing capacity CC Figur 5. Lungevolum FRC bestemmes som før nevnt av likevekten mellom krefter som virker i motsatt retning: Thoraxveggens elastiske krefter og muskeltonus i diafragma bidrar til å spile lungene ut, mens lungenes elastiske krefter virker motsatt. FRC varierer betydelig med leie: FRC er større i stående enn i liggende stilling. FRC reduseres dessuten ved sammenfall (atelektase) av lungevev og av alle prosesser som reduserer plassen til lungene (pleuravæske, adipøs eller utspilt abdomen). FRC reduseres også ved generell anestesi (narkose) på grunn av tap av muskeltonus i diafragma. FRC øker litt med alderen, men det har liten klinisk betydning. Figur 6. Anestesi og reduksjon i FRC 450 Thoraks Abdomen FRC SBV 100 Diafr Perifert blodvolum Thoraksvolum: Thoraksareal -250 ml FRC ml Diafragmaforskyvning -500 ml SBV ml -750 ml ml Abdominalt volum: Abdominalareal -100 ml SBV +300 ml Diafragmaforskyvning +500ml PBV +100 ml +400ml +400 ml

11 11 Forholdet mellom FRC og CC Hos et vanlig friskt, ungt menneske vil alle lungeavsnitt være åpne ved FRC. Men når vi forserer ekspirasjonen til vi når residualvolumet (RV), vil de terminale luftveier som befinner seg nederst i lungene lukkes. Dette kalles statisk luftveiskollaps, som beskrevet tidligere. De terminale, nederst liggende luftveiene begynner å lukke seg et Figur 7. Forholdet mellom FRC og CC ved ulike aldre og ulike sted mellom FRC og RV. Det lungevolumet som er igjen når denne lukkingen begynner, kalles closing capacity (CC). CC er en iboende egenskap ved lungevevet, som ikke endrer seg ved ulike kroppsstillinger eller prosesser som begrenser lungenes volum. CC bestemmes av elastisiteten i lungevevet. Jo større grad av elastisk recoil som holder alveolene utspilte, jo lavere vil CC være. CC øker med tap av elastisk vev i lungene. Personer med lungeemfysem kan ha en svær økning i CC. (Pasienter med lungeemfysem vil dermed ha økt tendens både til statisk og dynamisk luftveiskollaps). Vi trenger ikke bry oss med CC så lenge dette volumet er mindre enn FRC. Men når FRC blir mindre enn CC, vil de minste luftveiene være lukket i deler av tidalvolumet. Det vil føre til et misforhold mellom ventilasjon og sirkulasjon i lungene. Resultatet blir dårligere oksygenering av blodet. Mer om dette senere. Ventilasjon og dødrom Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 56 Definisjoner: VD = dødrom (fysiologisk dødrom) V A = alveolær ventilasjon V CO 2 = CO 2 avgift til lungene fra kroppen (pga metabolismen) PaCO 2 = partialtrykket av CO 2 i arterielt blod. PĒCO 2 = partialtrykket av CO 2 i blandet ekspirasjonsluft EtCO 2 = endetidal partialtrykk av CO 2 Minuttvolum = VT frekvens, f.eks 500 ml 15 = 7500 ml

12 12 Ikke all luft vi puster inn kommer ned til alveolene: Anatomisk dødrom = volum av luftveiene minus volum av alveolene Fysiologisk dødrom = det volum av luftveiene som ikke deltar i gassvekslingen (inkluderer også ikke-perfunderte alveoler). Dvs fysiologisk dødrom er anatomisk dødrom + volum av ikke-perfunderte alveoler (alveolært dødrom). Hos friske er anatomisk og fysiologisk dødrom tilnærmet like, rundt 150 ml hos en voksen. Når vi i det følgende snakker om dødrom, er det i betydningen fysiologisk dødrom. Alveolær ventilasjon = det respiratoriske minuttvolum som representerer frisk gass (luft). Eksempel: Tidalvolumet = 500ml, dødrommet = 150 ml og respirasjonsfrekvens er 10/min. Det respiratoriske minuttvolum Den alveolære ventilasjonen = 500 ml 10 = 5000 ml = (500ml 150ml) 10 = 3500 ml Dersom avgiften av CO 2 fra blodet til lungene er konstant, er det innenfor fysiologiske grenser et inverst forhold mellom alveolær ventilasjon og PaCO 2 : V CO 2 V A = k PaCO 2 dvs dersom avgiften av CO 2 til lungene er konstant, vil en halvering av V A føre til en dobling av PaCO 2 og omvendt. Hyperventilasjon PaCO 2 Hypoventilasjon PaCO 2 Beregning av dødrommet: Dødrommet per tidalvolum beregnes slik (Bohrs ligning): PaCO 2 --PĒCO 2 VD = VT PaCO 2

13 13 I klinisk praksis kommer Bohrs ligning til anvendelse på anesteserte, intuberte pasienter. Ved generell anestesi til operasjoner brukes rutinemessig en gassanalysator (kapnograf) som beregner partialtrykket av CO 2 i ekspirert luft på slutten av ekspirasjonen (EtCO 2 ). Ved å bytte ut PĒCO 2 med EtCO 2 får man et inntrykk av det dødrommet som skyldes ikke-perfunderte alveoler (alveolært dødrom).ved plutselig nedsatt hjerteminuttvolum, som ved blødningssjokk, vil EtCO 2 falle raskt som følge av at deler av lungene ikke lenger perfunderes. Mer om dette når vi skal ta for oss forholdet mellom ventilasjon og sirkulasjon i lungene. Figur 8. Kapnografi Kapnograf Elastiske krefter og lungenes utvidbarhet (compliance). Elastans beskriver lungenes evne til å trekke seg sammen Compliance beskriver lungenes evne til å utvide seg og er den resiproke motsatsen til elastans.. Stive lunger har høy elastans og lav compliance Betydningen av surfactant Enten vi ligger eller står, kan lungen sammenlignes med en hengende svamp med iboende elastiske krefter som vil trekke lungen sammen. Ved FRC (volumet etter en vanlig ekspirasjon) vil de øverste delene av lungene være forholdsvis utspilt, mens tyngdekraften bevirker at de nederste delene blir mer komprimerte. Resultatet blir at ved FRC vil alveolene som ligger øverst være større enn dem som ligger lengre nede. I fysisk forstand kan alveolene betraktes som bobler med en luft/vann-grenseflate. Ut fra Laplace sin lov skulle alveolenes ulike størrelse kunne skape problemer. For en boble gjelder ligningen 2T P = R

14 der P er trykket inne i boblen, T er overflatespenningen i væsken som omgir boblen og R er radius i boblen. Hvis vi går ut fra at overflatespenningen i væsken er konstant, vil trykket inne i boblen øke når størrelsen på boblen avtar. Altså skulle små alveoler ha et høyere gasstrykk enn store alveoler og dermed tømme seg i de store for så å klappe sammen. Dette ville umuliggjort normal pusting. Hvorfor skjer det ikke? Laplace sin lov skulle bevirke et annet fenomen: Ettersom samtlige alveoler blir mindre ved små lungevolum, skulle man forvente at elastansen var stor ved små lungevolum og liten ved store lungevolum, dvs at små lunger ville ha sterkere tendens til å klappe sammen enn store. Det motsatte er tilfellet. Hvorfor? Svaret ligger i at alveolene er dekket av et lag med fosfolipder kalt surfactant. Surfactant nedsetter overflatespenningen i samtlige alveoler, slik at det i det hele tatt skal være mulig å ekspandere lungene. Dernest reduserer surfactant overflatespenningen mer jo mindre alveolene blir, slik at det faktisk er lettere å ekspandere små enn store alveoler. Derfor stabiliserer surfactant lungene. Surfactant produseres av type II pneumocytter. Produksjonen begynner i fosterlivet rundt uke 28. Først rundt uke 34 er surfactantproduksjonen stor nok til at respirasjonen blir normal. For tidlig fødte barn vil mangle surfactant og vil utvikle IRDS (infant respiratory distress syndrome). De må behandles med respirator grunnet det store ventilasjonsarbeidet og ofte tilføres kunstig surfactant for å overleve. Stresshormonet kortisol påskyder surfactantproduksjonen. Det produseres naturlig hos mor på slutten av svangerskapet. Ved truende prematur fødsel gir man mor et syntetisk kortikosteroid (betametason) før barnet er født. (Det har ingen effekt å gi det til barnet etter at det er født). På den måten har man oppnådd en drastisk reduksjon i IRDS hos premature barn. Voksne pasienter vil også kunne rammes av surfactantmangel. Det sees særlig ved ARDS (adult respiratory distress syndrome), som kan opptre ved alvorlige tilstander som pneumoni, sepsis og store traumer. ARDS innebærer en granulocyttmediert inflammasjon med forstyrrelse bl a av surfactantproduksjonen. Proteinholdig væske lekker ut i alveolene og det kan dannes hyaline membraner som forstyrrer gassvekslingen. Behandlingen er understøttende med ulike strategier for respiratorbehandling. I sjeldne tilfeller gis også surfactant til voksne mennesker med ARDS. 14 Figur 9. Betydningen av surfactant Uten surfactant: Overflatetensjonen er den samme i de to alveolene. Luft i den lille alveolen tømmes i den store. Med surfactant:overflatetensjonen er mye mindre i den minste alveolen. Luft strømmer fra den største alveolen til den minste Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 38

15 15 På tross av at surfactant nedsetter overflatespenningen i alveolene betydelig, vil den meget store væske/luft-grenseflaten som de ca 8 millioner alveoler utgjør begrense lungenes utvidbarhet (compliance). Hvis man fyller en forsøkslunge med vann, forsvinner væske/luft-grenseflaten og lungenes compliance øker. Klinisk har det vært gjort forsøk med å ventilere stive lunger med en væske inneholdende perfluorcarboner, som virker som en syntetisk oksygenbærer. Tidligere trodde man at lungenes elastans ene og alene skyldtes elastiske fibre i lungeparenchymet. Dette spiller en rolle, men vi vet nå at det viktigste bidraget til lungenes elastans er overflatespenningen i væske/luft-grenseflaten. En lunge fylt med vann og senket i vannbad vil ha mye mindre elastans enn en luftfylt lunge. Sammenfatningsvis gjør surfactant følgende: 1. Reduserer overflatespenningen i alveolene og øker lungenes compliance. 2. Reduserer overflatespenningen mer i små enn store alveoler og stabilserer derfor lungene 3. I tillegg nedsetter surfactant lekkasje av væske fra lungekapillærene til alveolene (nedsetter dannelse av lungeødem) Statisk og dynamisk compliance Lungene er normalt svært strekkbare. Når transpulmonmaltrykket øker, medfører det en volumøkning som er avhengig av strekkbarheten til lungene, også kalt lungenes compliance. Compliance defineres slik: ΔV Compliance = ---- Benevningen er ml/cm H 2 O. ΔP Forhold som reduserer lungenes compliance: Lungefibrose, surfactantmangel (f.eks ARDS), redusert FRC. Forhold som øker lungenes compliance: Lungeemfysem Forhold som reduserer thoraxveggens compliance: Ribbebruskens elastisitet og grad av forkalkning, fedme, hudforandringer (systemisk sklerose, arrforandringer). Statisk compliance Statisk compliance i lungene kan finnes ved at en forsøksperson puster inn ulike volum og så holder pusten med åpen munn mens transpulmonaltrykket avleses. Til ethvert volum korresponderer da et transpulmonaltrykk.

16 16 Vi legger også merke til et annet fenomen ved kurven på figuren under: Det inspiratoriske transpulmonaltrykket er for samme volum større enn det ekspiratoriske transpulmonaltrykket, slik at trykk-volum-kurven for inspirasjon og ekspirasjon danner en sløyfe. Dette fenomenet kalles hysterese. Hysterese er et fenomen som er til stede i større eller mindre grad i alle elastiske legemer. Det har ingen klinisk betydning. Vi ser at der kurven er brattest, er compliance størst. Hos et normalt individ er den størst i et område ovenfor FRC. Det betyr altså lettest å puste i dette området. Et fall i FRC vil medføre at compliance i lungene blir mindre, med økt pustearbeid til følge. Figur 10. Statisk trykk-volumkurve Ekspiratoriske knekkpunkt (Expiratory inflection point - EIP) Lungevolum Ideelt tidalvolum Øvre knekkpunkt (Upper inflection point - UIP) Transpulmonaltrykk cm H 2 O Nedre knekkpunkt (Lower inflection point - LIP) Ved respiratorbehandling vil man kunne få til en såkalt kvasistatisk trykk/volum-kurve ved å starte fra FRC med 0 i positivt endeekspiratorisk trykk (PEEP). Man inflaterer så lungene langsomt (over flere sekunder) med et stort tidalvolum, slik at man kan se bort fra den elastiske motstand og luftveismotstansden på den kurven man oppnår. Det nedre knekkpunktet på den inspiratoriske del av sløyfa kalles lower inflection point (LIP), det øvre knekkpunktet for upper inflection point (UIP). Den teoretiske modell som ble lagt til grunn på 1990-tallet sier at ved LIP er alle alveoler åpne, ved UIP begynner noen av alveolene å overstrekkes. I tråd med dette konseptet velges en PEEP lik LIP og et tidalvolum som er lik det korresponderende volum ved UIP minus det volum som oppnås ved at PEEP settes = LIP. De senere år har flere forskere stilt seg kritisk til denne modellen. Særlig ved patologiske prosesser som ARDS er det vist at ulike lungeavsnitt er hetereogene og at de forandrer seg over tid. Ved et gitt tidspunkt vil sammenfalte og ikke-rekrutterbare avsnitt koeksistere både med områder hvor alveoler åpnes under hele inspirasjonen og områder som er åpne ved FRC og som står i fare for å overdistenderes ved de valgte innstillinger for PEEP og tidalvolum. Mange mener derfor det er tvilsomt om man i klinisk praksis kan gjøre bruk av statiske trykk-volum kurver for å bestemme ideell PEEP og ideelt tidalvolum. Ledende lungeforskere som Marini og Gattinoni hevder for eksempel at PEEP og tidalvolum må skreddersys den individuelle pasient og velges i skjæringspunktet mellom gevinst i form av bedret compliance og bedret oksygenering og ulemper i form av barotraume og sirkulatorisk kompromittering. 1 Dynamisk compliance Hvis vi monitorer trykk/volum-forholdet på en skjerm hos en pasient tilkoblet respirator, får vi en helt annerledes kurve enn den for statisk compliance:

17 Figur 11. Dynamisk trykk-volumkurve 17 Volum ΔV Luftveistrykk ΔP Dynamisk compliance = ΔV/ ΔP Ved slutten av inspirasjonen har vi et punkt hvor det ikke er noen flow. ΔV/ ΔP fra utgangsverdiene til dette punktet beskriver dynamisk compliance. Hvis vi tillater en liten pause hvor det ikke går flow på slutten av inspirasjonen, vil den elastiske friksjonen i lungevevet overvinnes og lungevolumet øker samtidig som trykket reduseres. Da har vi laget et punkt på den statiske trykk-volum.kurven. Statisk compliance er altså høyere enn dynamisk compliance. At den monitorerte kurven antar mer eller mindre kuleform, skyldes luftveismotstanden: Jo høyere luftveismotstand, jo mer sfærisk form får kurven. Under respiratorbehandling ser vi sjelden på lungenes compliance isolert. De inspiratoriske trykkene gjenspeiler både lungenes og thoraxveggens samlede compliance. Total compliance regnes ut som en resiprok verdi slik: = total compliance lunge-compliance thorax-compliance Hvis lunge-compliance er 200 ml/cm H 2 O og thorax-compliance er 150 ml/cm H 2 O blir regnestykket slik: = = total compliance Total compliance blir altså 85 ml/cm H 2 O. II) Gassvekslingen i lungene Gassvekslingen i lungene skjer over den alveolær-kapillære barriere, bestående av alveoleepitel, kapillærendotel og en felles basalmembran, i alt ca 0,5 μm tykk (se figur 12). Så sent som rundt år 1900 spekulerte man på om opptaket av oksygen til blodet skyldtes en aktiv prosess over denne barrieren. Det ble etter hvert klart at oksygen, karbondioksyd og andre gasser diffunderer passivt over barrieren langs gradienter mellom partialtrykkene i blod og alveoleluft. Langt ut i det 20. århundre antok man at gassvekslingsproblemer skyldtes patologiske tilstander i den alveolær-kapillære barriere slik at en såkalt alveolær-kapillær blokkering kunne oppstå. Respiratoriske

18 18 problemer ved lungeødem, sklerodermi, sarkoidose, asbestose og lungefibrose ble forklart ved en slik alveolær-kapillær blokkering som man antok hindret gassdiffusjonen. Utover på og -70tallet kom det imidlertid studier som etter hvert gjorde at framstående lungefysiologer forkastet denne forklaringen, selv om forestillingen har vist seg svært seiglivet i klinisk praksis. Det ble klart at det i forholdet mellom alveoler og lungekapillærer fantes en aktiv side, hvor den alveolær-kapillære barrieren holdt seg tynn, selv ved de ovennevnte sykdomsprossessene, og at det på den andre side fantes en fortykket, passiv side med større interstitielt rom, hvor man kunne se ulike sykdomsforandringer. I dag er det allmenn enighet om at selv ikke ved ARDS, hvor det dannes hyaline membraner som kler alveolenes innside, er gassvekslingen over den alveolær-kapillære barrieren i seg selv hovedproblemet. Derimot tilskrives nå forskjellige gassvekslingsproblemer i lungene i hovedsak ulike former for misforhold mellom ventilasjon av alveoler og perfusjon av kapillærer. Denne forståelsen ligger til grunn for moderne behandling ved både akutt og kronisk lungesvikt. Figur 12. Elektronmikroskopi av den alveolær-kapillære barriere Kapillærendotel Interstitielt rom med bl.a fibroblaster på den passive siden Alveoleepitel Alveolær-kapillær barriere, ca 0.5 μm tykk, på den aktive siden Alveole Alveole Kapillær Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 50

19 Forholdet mellom ventilasjon og sirkulasjon i lungene. 19 V = gassvolum Q = blodvolum V = gassflow Q = blodflow Ved spontan respirasjon vil de nederst liggende deler av lungen ventileres best. Dette gjelder uansett om vi står eller ligger, gitt at FRC hele tiden er større enn CC (CC øker med alderen slik at CC især i liggende stilling med tiden kan komme til å bli større enn FRC. Da ventileres ikke lenger de nederst liggende lungeavsnitt best). Grunnen til at de nederst liggende lungeavsnitt ventileres best, er at her er alveolene minst ved starten av inspirasjonen. Ved slutten av inspirasjonen har de nederst liggende alveolene oppnådd en større volumendring enn de øverst liggende alveolene. V A, den alveolære ventilasjonen, er altså større i de basale lungeavsnitt. Ved sideleie vil den nederst liggende lungen dessuten ventileres bedre enn den øverst liggende lungen. Dette fordi diafragma til den nederste lungene er satt mer på strekk (dvs trykt i kranial retning grunnet press fra abdominalorganer) enn den øverste. Resultatet blir en kraftigere kontraksjon i denne delen av diafragma og en større volummessig endring for nederste enn for øverste lunge. Hvordan passer så dette ventilasjonsmønsteret sammen med lungesirkulasjonen? Ideelt sett skulle forholdet mellom ventilasjon og sirkulasjon, V /Q -forholdet, være 1:1. I realiteten er det en ganske god match, for lungen som helhet er V /Q -forholdet ca 4 / 5. I de øvre deler av lungen er perfusjonen mindre enn ventilasjonen, i de nedre deler er det omvendt. Se nedenfor om pulmonalsirkulasjonen. Ved en rekke sykdomsprosesser endres V /Q -forholdet, og vi snakker da om et V /Q - misforhold. l/min.. Perfusjon Q Ventilasjon V Bunn.... Topp.. V/Q <1 V/Q = 1 V/Q > 1 Figur 13. Fordeling mellom ventilasjon og sirkulasjon i lungene

20 V /Q - misforhold 20 Det kan tenkes to ytterpunkter i V /Q -forholdet: 1) V /Q = 0. Blod perfunderer ikke-ventilerte alveoler. Da foreligger en ekte shunt i det aktuelle lungeavsnitt. Uansett hvor mye oksygen som tilsettes inspirajonslufta, vil ikke dette blodet oksygeneres og vi får tilblanding av venøst blod i det blodet som går fra lungevenene over til venstre hjertehalvdel. 2) V /Q = Ventilerte alveoler blir ikke perfundert. Dette gir en økning i det fysiologiske dødrom slik at det blir en diskrepans mellom CO 2 innhold i blodet og CO 2 -innholdet i ekspirasjonslufta, jmfr Bohrs ligning og de kliniske applikasjonene av den. Imidlertid er det som regel ikke disse ytterpunktene som dominerer ved V /Q - misforhold. Det vanligste er at vi har regional hypoperfusjon (V /Q > 1) eller regional hypoventilasjon (V /Q < 1). Ulike former for V /Q -misforhold og kliniske konsekvenser. Venøs tilblanding (V /Q < 1): Venøs tilblanding medfører at innholdet av oksygen og karbondioksyd i arterielt blod endres omtrent i samme størrelsesorden målt i ml/dl. Men fordi CO2 er mye mer løselig enn O2 i blod, og fordi CO2-dissosiasjonskurven er mye brattere enn oksygenets dissosiasjonskurve, vil PaCO 2 kun øke ubetydelig, mens PaO 2 vil få et markant fall. Se figur 14 under. Venøs tilblanding kjennetegnes altså først og fremst ved nedsatt oksygenering, som bare delvis responderer på ekstra tilført oksygen i inspirasjonslufta. Pa CO2 vil stige

21 ubetydelig og endog kunne være redusert som følge av hyperventilasjon sekundært til hypoksien. Figuren under beskriver en idealisert modell for venøs tilblanding, hvor det enten er en fullstendig høyre-venstreshunting av blod eller helt normale V /Q -forhold i en og samme lunge. Med denne simplifiserte modellen som utgangspunkt kan man regne ut den intrapulmonale shunt, beskrevet som en fraksjon av venøs tilblanding i arterielt blod: Figur 15. Betydningen av venøs tilblanding 21 Effekt av 10 % venøs shunt Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 179 Venøs tilblanding Kons. av O2 i endekapillært blod Kons av O2 i arterielt blod = Hjerteminuttvolum Kons. av O2 i endekapillært blod Kons av O2 i blandet venøst blod I praksis får man ikke målt konsentrasjonen av O 2 i pulmonalt endekapillært blod (blod som har passert luftholdige alveoler) og må estimere den til ca 20 ml/dl. Svaret på utregningen blir en %-andel som estimerer den intrapulmonale shunten. I klinisk praksis har man sjelden nytte av å gjøre beregninger av den intrapulmonale shunten. Å påvise nedsatt oksygenering ved en redusert arteriell PO 2 er enklere og gir oss like mye informasjon om at det foreligger shunting. Kliniske eksempler på venøs tilblanding: Små vener i hjertet ve. dreneres til venstre hjertehalvdel (venae cordis minimae). Normalt, minimal venøs tilblanding, ingen klinisk betydning. Noe av den venøse drenasjen fra bronkialsirkulasjonen går direkte til pulmonalvenene og derfra til venstre hjertehalvdel. Normalt, ingen klinisk betydning Medfødt hjertefeil med shunt direkte fra høyre til venstre hjertehalvdel. Kan være svært alvorlig. Pneumoni. Den infiserte delen av lunga vil kunne ha dårlig luftholdighet og en reaktiv hyperemi pga inflammasjonen. Kan gi tachypnoe og betydelig redusert oksygenering. Lungeødem. Når alveolene fylles av ødemvæske oppstår en shuntmekanisme. Ved fulminant lungeødem vil også bronkialtreet fylles med ødemvæske og nærmest drukne pasienten. Kan gi alvorlig respirasjonssvikt. Atelektase. Kan være forårsaket av tumor eller sekretstagnasjon. Det atelektatiske lungevevet ventileres ikke, og shunting kan oppstå.

22 Pleuravæske, adipositias og annet som reduserer FRC slik at CC blir større enn FRC. 22 Hypoksisk pulmonal vasokonstriksjon (HPV): Dette er en refleks som fører til at blodforsyningen til dårlig ventilerte lungeavsnitt reduseres. Bidrar til å normalisere V /Q - forholdet. Kan oppheves av medikamenter som virker vasodilaterende, f.eks nitroglycerin. Hypoperfusjon (V /Q > 1): Lavt hjerteminuttvolum slik det sees ved sirkulasjonssvikt (kardiogent sjokk, septisk sjokk, blødningssjokk, anafylaktisk sjokk). Lungeemboli. Gir økning i alveolært dødrom (og dermed fysiologisk dødrom). Store lungeembolier vil også føre til lavt hjerteminuttvolum. Hypoperfusjon kjennetegnes ved økt CO 2 innhold i blodet og lavt CO 2 -innhold i ekspirasjonslufta. Imidlertid vil ofte ikke Pa CO2 øke nevneverdig pga en kompensatorisk hyperventilasjon, i hvertfall før alvorlig sirkulasjonssvikt inntrer. Lavt hjerteminuttvolum vil også regelmessig føre til nedsatt oksygenering av blodet. III) Pulmonalsirkulasjonen, det lille kretsløp. Pulmonalsirkulasjonen har like stor flow som systemkretsløpet, men bare ca sjettedelen av blodtrykket til systemkretsløpet. Tunica media i veggene i pulmonalarteriene er halvparten så tykk som i systemarteriene. I de store pulmonalarteriene inneholder veggene hovedsakelig elastisk vev. I pulmonalarterier fra 1 mm og mindre i diameter består veggene hovedsakelig av glatt muskulatur. Pulmonalarteriene forgrener seg Den pulmonalvaskulære forgrening Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 149 omtrent på samme måte som luftveiene, men uten den samme symmetrien. Samlet blodvolum i pulmonalarterietreet er ca 150 ml hos en voksen person.

23 23 Blodflow og trykk i pulmonalsirkulasjonen Flow gjennom lungekarsengen varierer som systemkretsløpet mellom 5 25 l/min (hos godt trente). Selv ved maksimal flow øker trykket i pulmonalarteriene ubetydelig. En følge av det lave trykket i pulmonalarteriene er at blodflow gjennom lungene påvirkes av tyngdekraften, slik at de til enhver tid nederst liggende delene av lungene perfunderes best. Det er vanlig å dele lungesirkulasjonen inn i tre horisontale soner, hvor sone 1 er den øverste. Her er alveoletrykket (P A ) større enn pulmonalarterietrykket (P a ) og følgelig er det ingen flow i denne sonen. I sone 2 er P a større enn P A, og flow bestemmes av denne trykkforskjellen. I den nederste sonen er også lungevenetrykket P V større enn P A, og flow bestemmes av forskjellen mellom P a og P V. Figur 16. Inndeling av lungen i soner etter blodflow Fra J.F. Nunn: Nunn s Applied Respiratory Physiology, 4 th ed 1997, s. 33 Motstanden i pulmonalkretsløpet følger Ohms lov: Drivtrykk gjennom lungene Pulmonalvaskulær motstand (PVR) = Hjerteminuttvolum

24 Benevnelsen er dyn sec cm -5 Drivtrykket i lungene er forskjellen på middel pulmonalarterietrykk og trykket i venstre atrium. Mer om måling av disse variablene nedenfor. 24 Effekter på lungearteriene av endret partialtrykk av CO 2 og O 2 i blodet. Hypoksi fører i lungekarsengen til vasokonstriksjon, kalt hypoksisk pulmonal vasokonstriksjon (HPV). Se over. Hypercapni fører også til en viss vasokonstriksjon og forsterker effekten av HPV. Måling av trykk og flow i pulmonalarterien. Ved mistanke om pulmonal hypertensjon eller ved monitorering av kritisk syke pasienter er det av interesse å måle trykk og flow i pulmonalarterien. Dette kan gjøres på flere måter. Den vanligste i klinisk bruk i dag er å bruke et kateter (Swan-Ganz-kateter) som føres inn i en stor vene, gjennom høyre atrium og høyre ventrikkel og ut i pulmonalarterien. Dette er mulig ved å blåse opp en ballong i tuppen av kateteret. Kateteret vil så flyte med blodstrømmen til det havner i en gren av pulmonalarterien. Ved hjelp av termodilusjonsteknikk kan hjerteminuttvolum bestemmes. Trykket i pulmonalarterien avleses direkte på en skjerm. Når ballongen er oppblåst slik at den kiler seg fast i en lungearterie, kan det måles et trykk i tuppen av kateteret som gjenspeiler trykket i venstre atrium. Slik kan lungekarmotstanden regnes ut. Hjerteminuttvolum kan også måles ved hjelp av Ficks prinsipp: Oksygenforbruk Hjerteminuttvolum = O2-innhold i arterielt blod O2-innhold i venøst blod En slik måling forutsetter at man måler oksygenforbruket ved hjelp av et spirometer i et lukket sirkelsystem. Dette er tungvindt og brukes lite i klinisk praksis. IV) Regulering av respirasjonen. I 1812 ble det påvist at rytmiske inspiratoriske bevegelser består selv om både storehjerne og lillehjerne fjernes, men at pusting opphører hvis medulla oblongata

25 25 fjernes. Dette er i samsvar med det vi ser hos såkalte hjernedøde pasienter, som har opphevet intrakraniell sirkualsjon. De har ikke hjernenervereflekser og puster ikke, selv om hjertet slår og andre organer fungerer dersom respirasjonen holdes kunstig i gang ved hjelp av en respirator. I medulla oblongata finner vi respirasjonssenteret som fungerer som en slags sentral koblingsboks for inngående og utgående nerveimpulser, som styrer den rytmiske veksling mellom inspirasjon og ekspirasjon. Det dreier seg om et svært komplekst system som involverer minst 6 ulike typer neuroner med særegne fyringsmønstre. De danner flere rytmegenererende nettverk som virker i parallell. Dette gjør systemet robust, slik at hvis noen av nettverkene skades, vil de gjenværende sørge for at den rytmiske respirasjonen opprettholdes. Pustingen kan til en viss grad viljestyres. Mønsteret av respiratoriske bevegelser kan endres innenfor grenser som styres av gasstensjonen av O 2 og CO 2 i blodet. Snakking, hosting, synging og oppblåsning av doble luftmadrasser på campingferie er eksempler. Pustingen påvirkes av søvn og psykisk tilstand. Nerveimpulsene til respirasjonssenteret fra kjemoreseptorene, som responderer på tensjonen av O 2 og CO 2 i blodet, regnes som de viktigste i reguleringen av respirasjonen i hvile. Perifere kjemoreseptorer Til de perifere kjemoreseptorene regnes carotislegemene og aortalegemene. Imidleritd spiller aortalegemene en neglisjerbar rolle, slik at vi i praksis kan se bort fra dem. Carotislegemene finnes i bifurcaturen for arteria carotis communis. De finnes i par bilateralt. Hvert legeme er ca 6 mm 3 stort, men kan gjennomgå hypertrofi ved kronisk hypoksi (som ved langvarig opphold i høytliggende områder). Carotislegemene inneholder hulrom med en perfusjon som er ca 10 ganger så høy som deres egen metabolisme skulle tilsi. Derfor er den arterielle/venøse O 2 -differansen svært liten. De er svært følsomme for små endringer i PO 2 og H + -konsentrasjon i blodet, og gir respons i løpet av 1-3 sekunder. De stimuleres især av nedsatt PO 2, som forårsaker økt ventilasjon. De stimuleres også av økning i H + -konsentrasjon, enten denne er forårsaket av høy PCO 2 eller er utslag av metabolsk acidose. Hypoperfusjon av carotislegemene, slik man ser ved sirkulasjonssvikt, fører også til økt stimulering. Noen få ellers friske i normalbefolkningen mangler ventilatorisk respons på hypoksi. Vanligvis sørger da sentrale kjemoreseptorer som styres av CO 2 -nivået for at et tiltstrekkelig nivå av PO 2 opprettholdes. Men disse kan aldri bli kandidater for noen Mt. Everest-ekspedisjon, og det vil også være svært farlig for disse å hyperventilere før et fridykk under vann! Det er et svært viktig klinisk poeng at kjemoreseptorene reagerer både ved nedsatt PO 2, økt H + - konsentrasjon i blodet og nedsatt sirkulasjon. I alle tilfeller svarer organismen ved å øke respirasjonsfrekvensen. Ulike mekansimer som metabolsk acidose, hypoksi og blødningssjokk vil alle føre til økt respirasjonsfrekvnes. Å telle puls er en selvfølge ved ethvert journalopptak. Men å telle

26 26 respirasjonsfrekvens er minst like viktig! Det er vist at høy respirasjonsfrekvnes er en bedre prediktor for død ved alvorlige traumer enn noen annen enkeltstående fysiologisk parameter 2. Respirasjonsfrekvens over 30 per min hos voksen pasient som har vært utsatt for traume er alene nok til å utløse full traumealarm i de nye retningslinjene (august 2004) på UNN. Respirasjonsfrekvens over 25 per min er et alvorlig faresignal uansett om årsaken er indremedisinsk eller kirugisk. Sentrale kjemoreseptorer Disse sitter i medulla oblongata, i nær relasjon til respirasjonssenteret. De er sensitive for svingninger i ph i cerebrospinalvæsken (CSF). Siden blod-hjernebarrieren er permeabel for CO 2, men ikke for H +, vil disse kjemoreseptorene stimuleres selektivt av en økning i PCO 2 og ikke av en økning i H + -konsentrasjonen i blodet som følge av en metablosk acidose. CO 2 krysser blod hjernebarrieren og omdannes til H + i CSF via karbonsyre: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - De sentrale kjemorespetorene er viktigere enn de perifere når det gjelder respons på endringer i PCO 2. De stimuleres ikke av hypoksi. Tvert om kan de hemmes av hypoksi, slik at hvis PO 2 i vevet i medulla oblongata synker til ned mot 1,7 kpa, vil den rytmiske respirasjonen oppheves. Figur 17 Regulering av respirasjonen: Kjemoreseptorer Sentrale og perifere: Sentrale: I hjernestammen, tett ved respirasjonssenteret. Følsomme for CO2- svingninger. Perifere: I carotislegemene og aortabuen. Mest følsomme for O2- svingninger. Hva er viktigst av PO 2 og PCO 2 i reguleringen av respirasjonen? Forsøk på normale frivillige indikerer at reduksjon av oksygeninnholdet med inntil 40 prosent i inspirasjonslufta ikke fører til økt respirasjonsvolum, selv om PaO 2 ved

27 Figur 18. Relativ betydning av PO 2 og PCO 2 27 Minuttvolumet holder seg konstant helt til oksygeninnholdet i inspirasjonslufta er nede i ca 14 % (fig. til venstre), fordi tendens til økt ventilasjon holdes nede når PaCO 2 blir mindre (fig. til høyre). Først ved PaO 2 på ca 5,4 kpa øker ventilasjonen. denne FiO2 er bare ca 5,3 kpa. Årsaken er en tilbakemeldingssløyfe der betydningen av PaCO 2 er større enn PaO 2 (se figur). Først ved lave PaO 2 får O 2 større betydning enn CO 2. Ved kronisk obstruktive lungesykdommer (KOLS) med kronisk forhøyede verdier av PaCO 2 kan kjemoreseptorenes respons på stigende PaCO 2 svekkes. Dermed vil de perifere kjemoreseptorenes følsomhet for nedsatt PaO 2 bli avgjørende for stimulering av respirasjonen. Hvis man gir for mye oksygentilskudd til slike personer, kan man oppleve at de får en økning i PaCO 2. Dette skyldes dels at stimulus til å puste i form av nedsatt PaO 2 faller bort, til dels skyldes det komplekse endringer i V/Qforholdet som medfører økt dødromsventilasjon og den såkalte Haldane-effekten, som medfører at når blodet oksygeneres bedre, vil mindre CO 2 være bundet til amino-grupper i blodet og således føre til økt PaCO 2. Til slutt vil PaCO 2 stige så høyt (> 10 kpa) at bevisstløshet inntrer (såkalt CO 2 -narkose). Frykt for CO 2 -narkose er svært utbredt hos helsepersonell i behandling av personer med KOLS som har forverring av sin lidelse. Resultatet er at det av og til gis altfor lite oksygen til alvorlig hypoksiske pasienter. I alle fall bør man preshospitalt tilstrebe å holde arteriell oksygensaturasjon over 90 % (målt med pulsoksymeter). Ved å følge pasientens pustefrekvens- og mønster kan man gripe inn og evt assistere ventilasjonen med f.eks maske og bag hvis man er redd for hypoventilasjon. Pasienter med alvorlige anfall av astma bronchiale skal alltid ha rikelig med oksygen (5 10 liter O 2 på maske). CO 2 - stigning hos slike pasienter skyldes i regelen at de er for utslitte til å klare det store pustearbeidet som et slikt anfall medfører. Det er en stor medisinsk feil å skru ned på oksygentilførselen for å stimulere til økt pusting på utslitte pasienter, enten de lider av kroniske eller akutte lungesykdomer! Regulering av respirasjonen ved hardt fysisk arbeid (trening). I hvile ansees de arterielle blodgasstensjonene å ha en helt dominerende rolle i reguleringen av minuttventilasjonen. Dette er ikke tilfelle under trening. Selv ved utmattende fysisk arbeide finner man ikke endringer i PaCO 2 eller PaO 2 i forhold til hvileverdiene. Umiddelbart etter start av hardt fysisk arbeid skjer det en rask økning i minuttventilasjonen før arbeidet har hatt noen metabolske følger. Umiddelbart etter avsluttet arbeid finner man en like brå reduksjon i ventilatorisk minuttvolum. Nervøse og hormonelle faktorer og reflekser fra ledd, muskler og baroreseptorer spiller nok en rolle, men det finnes ingen god forklaring på at den alveolære ventilasjonen under trening er nøyaktig tilpasset økningen i kroppens oksygenforbruk.