LUNGEFYSIOLOGI Trinn 1 kurs 26/1-16 Magnus Qvarfort, Overlege Lungemed avd, OUS-Ullevål
TAKE IN MESSAGE Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon. Respirasjonssvikt er et resultat av V/Qforstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon. Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.
ANBEFALT LITTERATUR Respiratorbehandling av voksne (Opdahl) Kompendium av Baard Ingvaldsen (utg 2008) Lungesykdommer (Giæver, 3 utg) Clinical Respiratory Medicine (Albert et al, 3rd ed) Respirasjonsfysiologi (Fondenes) Respiratory Physiology, The Essentials (West, 8ed) Pulmonary Patophysiology (Lange, 2 ed)
INNHOLD 1) ANATOMI 2) OM TRYKK, ENHETER OG BEGREPER 3) FYSIOLOGI OG PATOFYSIOLOGI 4) ER DETTE NØDVENDIG Å VITE NOE OM?
1. LUNGER Høyre lunge - 3 lapper (10 segmenter) Venstre lunge - 2 lapper (9 segmenter)
1. MUSKLER Inspirasjon aktiv prosess - Hovedmuskel: Diafragma - Aksessorisk muskulatur Ekspirasjon passiv prosess - Elastisk återfjæringskraft Ekspirasjon aktiv prosess - Ved arbeid/sykdom - Aksessorisk muskulatur
1. PLEURA Pleura - viscerale mot lunge - parietale mot brystvegg IPP normalt negativt lite væskesjikt gir adhesjon mellom pleurabladene
1. SIRKULASJON Lille kretsløpet - lavtrykkssystem Høyre ventrikkel lungearterier lungevener venstre atrium Store kretsløpet - høytrykkssystem Venstre ventrikkel arterier vener høyre atrium C.O. = SV x HF (ca 5l/min) MV = TV x RF (ca 5l/min)
2. OM TRYKK OG ENHETER HYDROSTATISK TRYKK BT, CVP KOLLOIDOSMOTISK MOTTRYKK Relatert til S-albumin GASSTRYKK (PARTIALTRYKK) P a O 2, P a CO 2, SATURASJON S a O 2, S p O 2 TRANSMURALT TRYKK IPP
2. OM BEGREPER ELASTISITET («strikk» eller «spenst») COMPLIANCE («evne til formendring» el «omvendt stivhet») VENTILASJONS-/PERFUSJONSFORSTYRRELSER SHUNT DØDROMSVENTILASJON / «DEADSPACE» Kan illustreres ved: V/Q scintigrafi «V/Q mismatch» HRCT (inspirasjons- og ekspirasjonsbilder) «Air-trapping»
2. Alveolegassligningen Forteller oss om det foreligger V/Q forstyrrelser eller diffusjonsvansker Den forenklede alveoleluftligningen PAO 2 = 20 1,25 x PaCO 2 A-a gradientens relasjon til alder: A-a gradient = 0,33 + 0,028 x alder Eller: Yngre (<60) <2 Eldre (>60) <3
Den forenklede alveoleluftligningen: PAO 2 = 20 1,25 x PaCO 2 2. Alveolegassligningen Eksempel: 45 år gammel dame tidligere hjerte-lungefrisk innlegges med akutt type II respirasjonssvikt Blodgass (romluft): PaO 2 6,8 og PaCO 2 6,4 A-a gradient: 20-(1,25x6,4) 6,8 = 5,4 (som er forhøyet ifht forventet <2) Her foreligger både V/Q-forstyrrelser eller diffusjonsvansker og hypoventilasjon (intox eller utmattelse?)
3. LUNGEFYSIOLOGI a) Ventilasjon - Respirasjonssenter Nevromuskulær funksjon Brystvegg/skjelett b) Gassveksling - Diffusjon c) Blodomløp - Makro+mikrosirkulasjon O 2 -transport & vevsoksygenering
3a. VENTILASJON Regleres etter kroppens metabole krav: ph 7,35-7,45 P a CO 2 4,7-6 kpa P a O 2 > 8 kpa Hypoventilasjon = P a CO 2 > 6kPa Hyperventilasjon = P a CO 2 < 4,7kPa
3a. ph Bestemmes av frie [H + ] i blod Bikarbonatbuffertligningen CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO - 3 PROTEIN CO H H + + PROTEIN - 2 + H 2 0 H 2 CO 3 HCO - 3 + H + H + + Prot - HProt NORMAL: ph 7,35-7,45 ALVORLIG ALKALOSE: ph > 7,6 ALVORLIG ACIDOSE: ph < 7,2 HJERTE: NEGATIV INOTROPI, ARYTMIER
3a. ACIDOSE RESPIRATORISK (økt P a CO 2 ) ALVEOLÆR HYPOVENTILASJON METABOL (økt mengde frie H + ) LAKTACIDOSE KETOACIDOSE RENAL ACIDOSE INTOX TAP AV BIKARBONAT (HCO 3- )
3a. ALKALOSE RESPIRATORISK (redusert P a CO 2 ) ALVEOLÆR HYPERVENTILASJON METABOL (minsket mengde frie H + ) OVERKOMPENSERT RESPIRATORISK ACIDOSE OPPKAST (TAP AV SALTSYRE) DIURETIKA (HEMMER HCO - 3 ELIMINERING) DIALYSE / LANGVARIG HEMOFILTRASJON
3a. ELIMINASJON AV CO 2 Basalmetabolisme ca 250ml CO 2 / min Øker ved anstrengelse, stress, feber ++ CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + CO 2 diffunderer 20 ganger lettere enn O 2 CO 2 løst (P a CO 2 ) og bundet (HbCO 2 ) Bikarbonatbehandling øker CO 2 produksjon
3a. CO 2 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + Alveolær hypoventilasjon P a CO 2 > 6kPa Sjokk/iskjemi/stans gir høy lokal vevs-pco 2 : Høy P v CO 2 Lav P a CO 2 / ET P a CO 2 (grunnet hyperventilering) Bohr-effekten beskytter mot hypoksemi i vev med mye H + og CO 2 (minsker Hb affinitet for O 2 ) og anaerob metabolisme Laktat
3a. OKSYGENBEHOV S a O 2 85-90% ved: Normal Tp Hb > 8 g/dl Normal CO Normal laktat SaO2 > 92% ved: Høy feber Hjertesykdom SaO2 > 96% ved: Kritisk sykdom Høy laktat - organiskjemi
3a. RESPIRASJONSSENTER Nevrongrupper i: Forlengede marg (medulla oblongata) Hjernebroen (pons) «rytmesenter» Sentrale kjemoreseptorer Hjernestammen Acidose stimulerer Hyperkapni Hypoksemi Laktat Hypoksemi «sløver» ellers CNS
3a. RESPIRASJONSSENTER Perifere kjemoreseptorer Hyperkapni og hypoksemi stimulerer
3a. DYSPNE Primary motor cortex corollary discharge Limbic motor corollary discharge Medullary respiratory corollary discharge Medullary chemoreceptors Carotid and aortic bodies DYSPNE Trigeminal skin receptors Upper airway «flow» receptors Chest wall joint and skin receptors Airway C-fibers Pulmonary C-fibers (J-receptors) Slowly adapting pulmonary stretch receptors Rapidly adapting pulmonary stretch receptors Vascular receptors (heart and lung) Metaboreceptors in respiratory pump muscles Tendon organs in respiratory pump muscles Muscle spindles in respiratory pump muscles
3a.INTRATHORACALE TRYKK Lungens elastisitet trekker lungen sammen Thoraxveggens elastisitet ekspanderer thorax Ekspirasjon til likevekt (=FRC) Intrapleuralt trykk (IPP) holdes negativt gjennom hele respirasjonssyklus (< -5kPa)
3a. POISEUILLES LOV slimlag t = 0,1 t = 0,26 bronko - konstr. r = 0,9 r = 0,24 R 1/(0,9) 4 = 1,5 R 1/(0,24) 4 = 300
3a. LUFTVEISMOTSTAND 4 R aw (cm H 2 O/L/sec) 2 0 RV Lungevolum TLC
3a. VENTILASJON INSPIRASJON Diafragmakuplene senkes (innerv. av C3-C5) Intercostal muskulatur ekspanderer thorax Negativt intrathoracalt trykk trekker inn luft EKSPIRASJON Diafragmakuplene heves (relakserer) Inspirasjonsmuskulatur relakserer Økt intrathoracalt trykk presser ut luft
3a. VENTILASJON SPONTAN (UNDERTRYKKS)VENTILASJON Alveoler apikalt er størst ved FRC Ekspansjon av alveoler størst basalt Skaper størst undertrykk og ventileres dermed best OVERTRYKKSVENTILASJON Apikale deler har høyest compliance Apikale lunger ventileres best Gir mer eller mindre dødromsventilasjon og shunt Risiko for atelektaser (spes ved mye slim, lav PEEP og høy FiO 2 )
3a. DEADSPACE & SHUNT SHUNT DØDROMSVENTILASJON
3a. DEADSPACE & SHUNT - kroppens kompensasjon VASOKONSTRIKSJON BRONKKONSTRIKSJON
3a. DØDROMSVENTILASJON Tilstander med dødromsventilasjon «Luft som ikke kommer i kontakt med blod» Emfysem Mindre diffusjonsareal og tapte kapillærer Hypovolemi (apikale lungeavsnitt) Mindre mengde blod Lungeembolisme (Q=0) V>Q V/Q > 1 Dødrom estimeres utfra ET CO 2 og P a CO 2 Lav ET CO 2 sml med P a CO 2 = stort dødrom
3a. ipeep PEEP V T i = C e 1 TE ( RE C 1) PEEP = INTRINSIC PEEP / AUTO-PEEP «Airtrapping» grunnet tidlig lukning av luftveier Obstruktive lungesykdommer (astma, KOLS) ipeep må oppheves før inspirasjon kan starte Økt respirasjonsarbeid ipeep kan reduseres med PEEP / EPAP Negative konsekvenser for hjerte og ventilasjon Økt inspiratorisk arbeid utmattelse Hyperinflasjon Økt dødromsventilasjon hyperkapni Negativt intrathoracalt trykk økt preload og afterload
3a. DIFFUSJONSKAPASITET DLCO = diffusjonskapasitet for CO Avhenger av: - Mengde blod gjennom lungene - Overflate areal for diffusjon - Barriere tykkelse og integritet
3a. VENTILASJONSSVIKT Medikamenter Utmattelse Opiater, benzodiazepiner Lav compliance «stive lunger» Lungeødem Atelektaser Pneumoni/inflammasjon Lungefibrose Økt luftveismotstand Slim Slimhinneødem Bronkospasme
3b. DIFFUSJON P A O 2 Alveolegassligningen: P A O 2 = FiO 2 (P ATM -ph 2 O)-P a CO 2 /RER Barometertrykk ved havnivå = 101,3 kpa FiO 2 i romluft = 0,21 Fukting (ph 2 O) = 6,3 kpa P a CO 2 (= P A CO 2 ) = 5,3 kpa P A O 2 = 0,21(101,3-6,3) - 5,3/0,8 = 13,3 kpa
Alveolegassligningen: P A O 2 = FiO 2 (P ATM -ph 2 O)-P a CO 2 /RER 3b. P A O 2 Hva hvis vi øker FiO 2 til 40%? P a CO 2 4kPa (lett hyperventilerende på blodgass) P A O 2 = 0,4 x (101,3-6,3) 4/0,8 = 33kPa P a O 2 <33kPa betyr V/Q forstyrrelse (oftest shunt) eller diffusjonsvansker Høyde gir fall i atmosfærstrykk og dermed P A O 2 Barometertrykket halvert på 5500moh
3c. O 2 dissosiasjonskurven P a O 2 13,3 8 kpa S a O 2 97,5 91% P a O 2 8 5 kpa S a O 2 91 71% Påvirker ( ): CO 2 Acid 2,3-DPG Exercise Tp
3b. HEMOGLOBIN - Erytrocytten har 4 bindningssteder for O 2 til Fe - Oksygen bundet til Hb : ca 200ml/l (=1 liter/min) - Oksygen fysiologisk løst : ca 3ml/l (=15 ml/min) - > 5g/dl deoxy(genert)-hb cyanose - Anemi Redusert D(elivered)O 2 Redusert viskositet og afterload C.O. P a O 2 avh av: FiO 2, ventilasjon, diffusjon (V/Q) S a O 2 avh av: P a O 2, dissosiasjonskurven, Hb struktur DO 2 = S a O 2 x Hb x HF x SV
3c. VEVSOKSYGENERING Behov varierer fra organ til organ: Basale behov (for overlevelse) Behov for spesialiserte funksjoner Hjerte og hjerne >> hud og nyrer Feber Behov øker 10-13% / grad C Medikamenter Anestesimiddler, Opiater (-) Adrenerga, Levaxin (+)
3c. AEROB METABOLISME Glucose 38 ATP + H 2 O + CO 2 Mitokondrien er cellens aerobe fabrikk Sitronsyresykkel: ATP + CO 2 Elektrontransport Respirasjonskvosient: RQ = Produsert CO 2 / Forbrukt O 2
3c. ANAEROB METABOLISME Glucose 2 ATP + Laktat + Elektroner Laktat metaboliseres i lever > nyrer, hjerte Grense for anaerob metabolisme: P ic O 2 < 0,15-0,4 kpa P vc O 2 < 2,7 kpa
3c. OKSYGENTOKSISITET Respirasjonskjeden/elektrontransport O 2 tar opp 4 elektroner og danner ROI + H 2 O O 2 - (superoksid) H 2 O 2 (hydrogenperoksyd) OH - (hydroksyl radikal) Forsvar Enzymer (superoksyd dismutase, katalase) ROI-Scavengers (antioksydanter) Skademekanismer Reperfusjonsskader Oksydativ stress ved HBO og v/høy FiO 2 over lang tid?
3c. ØDEM Ødem = Transudat/Eksudat > Lymfetransport Hydrostatisk trykk (BT) Hjertesvikt Kolloidosmotisk trykk (Albumin) Hypoalbuminemi øker tendens til ødem Karpermeabilitet Betennelse ødem Anafylaksi, trauma, brannskader Infeksjoner, reperfusjonsødem, ARDS
3c. MIKROSIRKULASJON Q = P/R Q = Blodstrøm P = Perfusjonstrykk / Drivtrykk BT - venetrykk R = Motstand Kardimensjon Vevs/transmuralt trykk Viskositet Erytrocytter og proteiner
3b. BLODOMLØP Klaffeløst lavtrykkssystem PAP = 25/10 mm Hg (middeltrykk ca 15) Perfusjon av lungeavsnitt er avhengig av: Lungearterietrykket R = (MPAP-PCWP)/CO Venstre atrietrykk Blodvolum, ve ventrikkel compliance & funksjon, mitralklaffefunksjon Høyde i forhold til hjertet (gravitasjon) Rask oksygenering i lungekapillærer 140ml blod passerer over 70-90m 2
3b. PULMONAL HYPERTENSJON NORMALE LUNGEKAR Økt blodvolum karmotstanden synker PULMONAL HYPERTENSJON Økt blodvolum karmotstand øker Dyspne og hypoksemi ved anstrengelse økt høyre ventrikkel belastning Høyre ventrikkel dilatasjon/hypertrofi HV svikt
Qs/Qt = (S c O 2 -S a O 2 )/(S c O 2 -S v O 2 ) 3b. SHUNT ANATOMISK SHUNT F eks intrakardiale shunter FYSIOLOGISK SHUNT «Lungeshunt» EKTE SHUNT Atelektase, ARDS V=0 V/Q = 0 Lav P a O 2 Liten effekt av økt FiO 2 (lav P a O 2 /FiO 2 ) PARTIELL SHUNT Bronkospasme, lungeødem V<1 V/Q< 1 Lav P a O 2 Effekt av økt FiO 2
4. ORGANSVIKT Organsvikt = forstyrret spesial funksjon Mekanismer DIC: Aktivert koagulasjon iskjemi Anoxi: Hypoksemi, hypoperfusjon Toksisitet: Myoglobin, Ab, Kontrast, ROI
4. RESPIRASJONSSVIKT EKSTERNE ÅRSAKER Trauma Lungekontusjon Pneumothorax / hemothorax Ustabil thorax / trauma INTERNE ÅRSAKER Pneumoni Sekretstagnasjon / atelektaser Aspirasjon ARDS
4. LUNGEØDEM Interstitium Lymfekar har kapasitet 6ggr normal nettofiltrasjon Interstitielt ødem Hydrostatisk trykk, kolloidosmotisk trykk, karpermeabilitet Kan gi obstruksjon av bronkioler Astma cardiale Lungeødem Sekundært til interstitielt ødem Venstresidig hjertesvikt økt trykk post-kapillært ødem i interstitium og i alveoler
4. ARDS ÅRSAK Sek til trauma/kirurgi, toksiner, sepsis, aspirasjon PATOFYSIOLOGI Ødelagt alveolært epitel og betennelse i endotel Klassisk perifere symmetriske alveolære ødemer DEFINISJON Bilaterale diffuse lungefortetninger PCWP < 18mm Hg Vesentlig shuntstørrelse ARDS: P a O 2 / FiO 2 < 40 kpa
4. LUNGEEMBOLI Embolier i karseng Dødromsventilasjon (Q=0) Inflammasjon og luftveiskonstriksjon regionalt Tette lungearterier og vasospasme PHT Konsekvenser Belastning på høyre ventrikkel Arytmi, iskjemi, akutt hjertesvikt, død Redusert forsyning til venstre ventrikkel Hypotensjon og takykardi Hyperventilasjon grunnet hypoksemi Lav P a CO 2
4. PNEUMONI PUSS/SLIM, ØDEM (Relativ) shunt redusert P a O 2 (hypoksemi) SENKER COMPLIANCE Øker muskelarbeid Utmattelse økt P a CO 2 KOMPLIKASJONER Lokale: Abscess, Empyem Systemiske: Sepsis, DIC, ARDS
4. KOLS KRONISK (OBSTRUKTIV) BRONKITT Produktiv hoste og kronisk variabel luftveisobstruksjon EMFYSEM Air trapping hyperinflasjon økt pustearbeid Liten vitalkapasitet (små tidalvolumer) med relativt stor dødromsventilasjon takypne KOLS eksaserbasjon Slim partiell shunt (V<Q) hypoksemi Økt obstruksjon hyperinflasjon økt pustearbeid Pneumoni & atelektaser shunt og lungecompliance
4. ASTMA ØKT LUFTVEISMOTSTAND Bronkospasme Slimhinneødem Slim Astma eksaserbasjon Slim partiell shunt (V<Q) hypoksemi Økt obstruksjon hyperinflasjon økt pustearbeid Pneumoni & atelektaser shunt og lungecompliance
4. OKSYGENBEHANDLING + NIV O 2 Viktig å motvirke skadelige effekter av hypoksemi Nesekateter, OxyMask, maske m/reservoar, Optiflow CPAP (henviser til egen forelesning i dette tema ) O 2 resistent hypoksemi ipeep (astma, KOLS) BiPAP CPAP + Ventilasjonsstøtte Indikasjoner: KOLS med akutt hyperkapnisk respirasjonssvikt Reduserer behov for intubasjon og komplikasjoner, korter ned sykehusopphold og øker overlevelse (Cochrane Collaboration 2009) Truende respiratorisk utmattelse (vurder intubasjon) Alternativ til CPAP ved dårlig toleranse (for CPAP)
TAKE HOME MESSAGE Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon. Respirasjonssvikt er et resultat av V/Qforstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon. Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.