LUNGEFYSIOLOGI Trinn 1 kurs 23/1-18 Magnus Qvarfort, Overlege Lungemed avd, OUS-Ullevål
TAKE IN MESSAGE Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon. Respirasjonssvikt er et resultat av V/Q-forstyrrelser, 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. LUFTVEIER Bruskstøtte - forsvinner gradvis etter 4-6 delinger Muskellager - i veggen ned til respiratoriske alveoler Slimkjertler ned til respiratoriske bronkioler Bindevev (og bruskstøtten) bidrar til å holde luftveier åpne under ekspirasjonen Gassveksling skjer i alveolevegger i respiratoriske bronkioler og alveoler (17-23 delinger) i form av diffusjon over alveoleepitel, interstitium og kapillærendotel
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 Sirkulasjon: C.O. = SV x HF (ca 5l/min) Respirajsjon: 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 («återfjæringskraft») 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 = 5,2 (som er forhøyet ifht forventet <2) Her foreligger både V/Q-forstyrrelser eller diffusjonsvansker og hypoventilasjon (intox eller utmattelse grunnet redusert lungecompliance og/eller økt luftveismotstand?)
3. LUNGEFYSIOLOGI a) Ventilasjon - Respirasjonssenter Nevromuskulær funksjon Brystvegg/skjelett & fedme Lungecompliance Luftveismotstand b) Gassveksling - Diffusjon c) Blodomløp - Hjertets funksjon Makro+mikrosirkulasjon O 2 -transport & vevsoksygenering
3a. VENTILASJON Reguleres etter metabolske 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 METABOLSK (økt fritt H + ) LAKTACIDOSE trauma/kir,sepsis KETOACIDOSE diabetes,sult RENAL ACIDOSE nyresvikt INTOX eksogene syrer TAP AV BIKARBONAT diare,fistel,stomi
3a. ALKALOSE RESPIRATORISK (redusert P a CO 2 ) ALVEOLÆR HYPERVENTILASJON Panikk/angst; trauma, sepsis METABOLSK (minsket fritt H + ) OVERKOMPENSERT RESPIRATORISK ACIDOSE OPPKAST (TAP AV SALTSYRE) DIURETIKA (HEMMER HCO - 3 ELIMINERING) DIALYSE / LANGVARIG HEMOFILTRASJON
3a. PRODUKSJON AV CO 2 Basalmetabolisme ca 250ml CO 2 / min Øker ved anstrengelse, stress, feber ++ Bikarbonatbehandling øker CO 2 produksjon 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) og anaerob metabolisme Laktat CO 2 løst (P a CO 2 ) og bundet (HbCO 2, H 2 CO 3 ) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H +
3a. ELIMINERING AV CO 2 Bohr-effekten beskytter mot hypoksemi i vev Sur miljø med mye H + og CO 2 minsker Hb s affinitet for O 2 Haldan-effekten øker elimineringen av CO 2 i lungene Basisk miljø med høy O 2 øker Hb s affinitet for O 2 CO 2 diffunderer 20 ganger lettere enn O 2 Alvolær ventilasjon vs produksjon avgjør P a CO 2 Alveolær hypoventilasjon = P a CO 2 > 6kPa
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 BTS Guidelines Oxygen Therapy, 2017: - KOLS 88-92% - Andre 94-98% Oxygen Alert Card
3a. RESPIRASJONSSENTER Nevrongrupper i: Forlengede marg (medulla oblongata) Hjernebroen (pons) «rytmesenter» Sentrale kjemoreseptorer Hjernestammen Acidose i CSF stimulerer Hyperkapni Hypoksemi Laktat Hypoksemi «sløver» ellers CNS
3a. RESPIRASJONSSENTER Perifere kjemoreseptorer Carotid- (og aorta)legemer Hyperkapni og hypoksemi stimulerer
3a. «DYSPNE» multifaktorielt Primary motor cortex corollary discharge Limbic motor corollary discharge Medullary respiratory corollary discharge Medullary chemoreceptors Carotid and aortic bodies 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) Tilsikter utspente lunger og åpne luftveier
3a. POISEUILLES LOV r = 0,9 bronko - konstr. r = 0,24 R 1/(0,9) 4 = 1,5 R 1/(0,24) 4 = 300
3a. VENTILASJON INSPIRASJON Diafragmakuplene senkes (innerv. av C3-C5) Intercostal muskulatur ekspanderer thorax Negativt intrathoracalt trykk trekker inn luft EKSPIRASJON Diafragmakuplene heves (relakserer) Aksessorisk inspirasjonsmuskulatur relakserer Økt intrathoracalt trykk presser ut luft
3a. VENTILASJON SPONTAN (UNDERTRYKKS)VENTILASJON Alveoler apikalt er størst ved FRC Størst ekspansjon av små alveoler basalt Skaper størst undertrykk og ventileres dermed best KONTROLLERT OVERTRYKKSVENTILASJON Apikale deler har høyest compliance Apikale lungeavsnitt blir ventilert mest Gir mer eller mindre dødromsventilasjon og shunt Risiko for atelektaser (spesielt ved mye slim, økt buktrykk, lav PEEP, hyperinflasjon og høy FiO 2 )
3a. DØDROMSVENTILASJON & SHUNT SHUNT DØDROMSVENTILASJON
3a. DØDROMSVENT. & 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 sirkulerende blodvolum Lungeembolisme Andre tilstander med V>Q 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 i VT C e 1 T E RE C 1 PEEP = INTRINSIC PEEP / AUTO-PEEP Def. ende-ekspiratorisk luftveistrykk > 1ATM «Airtrapping» grunnet tidlig lukning av luftveier Obstruktive lungesykdommer (astma, KOLS) ipeep må oppheves før inspirasjon kan starte Økt respirasjonsarbeid fra høy FRC Negative konsekvenser for hjerte og ventilasjon Økt inspiratorisk arbeid utmattelse Hyperinflasjon Økt dødromsventilasjon P a O 2 P a CO 2 Negativt intrathoracalt trykk økt preload og afterload ipeep kan reduseres med PEEP / CPAP / EPAP
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 Lungefibrose Økt luftveismotstand Slim/Slimhinneødem Bronkospasme Redusert nevromuskulær funksjon Muskulær svekkelse/sykdom, elektrolyttforstyrrelse
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 P a O 2 = P A O 2 (0,33 + 0,028 x alder)
Alveolegassligningen: P A O 2 = FiO 2 (P ATM -ph 2 O)-P a CO 2 /RER 3b. FiO 2 og P a O 2 Hva hvis vi teoretisk øker FiO 2 til 40%? (P a CO 2 = 4kPa) - P A O 2 = 0,4 x (101,3-6,3) - 4/0,8=33kPa Men..økende FiO 2 gir økende fysiologisk shunting da luftveier med lavest V/Q kollaberer lavere P a O 2 - Quick and dirty - 1. FiO 2 x 66 0,4 x 66 = 26,4kPa - 2. FiO 2 % x 6/7,5 P a CO 2 = 32 5 = 27kPa Økende høyde over bakken gir økende fall i P ATM, P A O 2 og P a O 2 - Tommelfingerregel 10% per 1000m
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 - Hemoglobin har 4 bindningssteder for O 2 til Fe-ioner - Oksygen bundet til Hb : 200ml/l (1 liter/min) - Oksygen fysiologisk løst : 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 = HF x SV x ((Hb x 1,39 x S a O 2 ) + (P a O 2 x 0,003))
3c. VEVSOKSYGENERING Behov varierer fra organ til organ: Basale behov (for overlevelse) Behov for spesialiserte funksjoner Hjerte og hjerne >> hud og nyrer Feber Metabolisme øker 10-13% / grad C Nedkjøling reduserer metabolismen 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 Vilkårlig 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 ALVEOLÆR 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, slim 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 Intoksikasjon Trauma Lungekontusjon Pneumothorax / hemothorax Ustabil thorax / trauma INTERNE ÅRSAKER Pneumoni / sekretstagnasjon / atelektaser Obstruktiv lungesykdom Lungeembolisme 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 DAD sek til trauma/kirurgi, infeksjon/sepsis m.m. PATOFYSIOLOGI Økt karpermeabilitet lavtrykksødem Shunt forbi væskefylte alveoler hypoksemi BERLIN DEFINISJON (-12) Akutt debut <1uke Bilaterale diffuse lungefortetninger Ingen kardial svikt eller overhydrering Vesentlig shuntstørrelse (mild-moderat-alvorlig) P a O 2 / FiO 2 < 40 kpa med PEEP 5 cm H 2 O
4. LUNGEEMBOLISME Embolier i karseng Dødromsventilasjon + Inflammasjon + komp luftveiskonstriksjon shunt Tette lungearterier og vasospasme PHT Konsekvenser Belastning på høyre ventrikkel (TpT, pro-bnp) 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 (Partiell) 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 ( RV), ipeep og hyperinflasjon ( FRC) Økt dødromsventilasjon takypne, økt pustearbeid KOLS eksaserbasjon Obstruksjon dødromsventilasjon Air-trapping, ipeep og hyperinflasjon pustearbeid Pneumoni, slim & atelektaser shunt, lungecompl
4. ASTMA ØKT LUFTVEISMOTSTAND Bronkospasme Slimhinneødem Slim Astma eksaserbasjon Slim partiell shunt (V<Q) hypoksemi Økt obstruksjon hyperinflasjon dødromsventilasjon økt pustearbeid Pneumoni & atelektaser shunt og lungecompliance
4. OKSYGENBEHANDLING + NIV O 2 Viktig å motvirke skadelige effekter av hypoksemi Nesekateter, OxyMask, maske m/reservoar, HFNOT 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.