Práce dýchání a jeho složky

Tato kapitola se nejvíce vztahuje k oddílu F3(ii) z osnov CICM Primary Syllabus 2017, který očekává, že uchazeči o zkoušku budou schopni „popsat práci dýchání a jeho složky“. V písemných pracích se toto téma neobjevilo, ale jeho důležitost je taková, že si můžeme být celkem jisti, že se jednoho dne dostane do SAQ nebo viva.

Shrnutí:

Z recenzovaných zdrojů pro toto téma, Cabello & Mancebo (2006) je pravděpodobně nejlepším stručným přehledem a je k dispozici zdarma na ResearchGate. Člověk může být schopen naučit se toto téma nazpaměť na základě toho, co publikoval, a složit SAQ v základní zkoušce. Banner et al (1994) je také dobrá, vlastně lepší, ale bohužel není zdarma. Člověk by od tohoto článku odešel s podrobnou znalostí tohoto tématu. Kromě toho je volně dostupný i starý článek R. M. Peterse (1969), který je pravděpodobně stále relevantní, pokud vědecká komunita v poslední době nezměnila definice „práce“ nebo „dýchání“.

Definice práce a dechového výkonu

Práce je součin síly a přemístění, měřený v joulech, kde 1J je výdej jednoho joulu přemístěním o jeden metr. Nejzákladnější rovnice pro práci zní:

Práce = Síla × Vzdálenost

Ve skvostném biologickém světě fyziologie dýchání však nejsme zvyklí popisovat dechovou funkci v termínech síly nebo vzdálenosti. Naštěstí můžeme tyto parametry snadno převést na tlak a objem. Nejlepší odvození pro tento účel naleznete v části první, které vyžaduje minimální změny:

Práce = síla × vzdálenost

Kde

Síla = tlak × plocha

Protože

Tlak = síla / plocha

Tudíž

.

Práce = Tlak × plocha × vzdálenost

Ale

Plocha × vzdálenost = objem

Takže

Práce = Tlak × objem

Takže.

U normálního člověka je v klidu dechová práce asi 0,35 J/L a dechový výkon je asi 2,4 J/min. Tyto údaje pocházejí z práce Manceba et al (1995), kteří připojili několik zdravých dobrovolníků k zařízení na měření průtoku a tlaku a poté měřili tlak a objem, který vytvářejí při běžném klidném dýchání. Podle některých starých údajů od Liljestranda (1913) a některých moderních přehledů od Zakynthinose & Roussose (1991) má tento druh klidného dýchání náklady na kyslík kolem 0,25-,5 ml O2 na 1000 ml ventilace, tedy něco kolem 1-2 % celkové základní metabolické spotřeby kyslíku. To naznačuje, že účinnost normálního přídechového dýchání je poměrně vysoká. Předpokládá se, že je to proto, že velká část energie spotřebované na normální slapové dýchání je práce vykonaná proti elastickým prvkům dýchacího systému, tj. že kinetická energie se při nádechu ukládá do natahujících se tkání a při výdechu se vrací zpět.

Kabbelův diagram práce při dýchání

Tento diagram je matoucím způsobem pouze jedním z Campbellových diagramů, druhým je diagram, který popisuje rotordynamiku. Cambellův diagram uváděný v souvislosti s fyziologií dýchání vypracoval Edward J. M. Campbell, který v roce 1958 vydal knihu, v níž tento vztah popsal. Tato kniha již samozřejmě není v prodeji a zdá se, že neexistuje žádný legální ani nelegální způsob, jak ji získat v rámci rozpočtu hobbystického blogera, což je jen dobře, protože soudě podle recenzí bylo nesmírně obtížné ji přečíst. Nejlepší vysvětlení tohoto schématu pochází od Bannera et al (1994). Abychom jej pochopili, je třeba rozložit jednotlivé složky dechové práce a následně je spojit do jednoho vztahu. Soudě podle textu je tato skupina grafů nabízena jako schematické znázornění skutečných vztahů mezi tlakem a objemem, a i když může obsahovat realisticky vypadající čísla, není založena na žádných konkrétních experimentálních údajích.

Vzhledem k tomu, že práce je tlak vynásobený objemem, mělo by být možné ji prezentovat jako plochu na grafu závislosti tlaku na objemu. Takový graf lze definovat pro práci potřebnou k nafouknutí elastické plicní tkáně z FRC až do nějakého hypotetického normálního dechového objemu :

Práce musí být samozřejmě vykonána také k deformaci hrudní stěny. V tomto případě chce hrudní stěna vyskočit a zaujmout větší objem, než je FFRC, a tak se vlastně vykoná práce, aby se objem hrudní stěny zmenšil až na FRC:

Pokud tedy tyto grafy spojíme, vidíme, že se překrývají. Nejvýznamnějším důsledkem toho je, že část práce vykonané k nafouknutí plic je vykonána hrudní stěnou, tj. pružný zpětný ráz hrudního koše slouží k nafouknutí plic bez jakékoli svalové pomoci:

Tento, zde malý modrý trojúhelník, je tedy jedinou prací vykonanou pro nafouknutí plic; tato plocha je mnohem menší než na prvním grafu, protože většinu práce vykonává hrudní koš.

Je zde třeba vzít v úvahu další faktory, kromě elastických vlastností tkání. Pracuje se také na překonání odporu dýchacích cest a na překonání odporu jakéhokoli rušivého zařízení pro intenzivní péči (např. endotracheální rourky a ventilačního okruhu). Diagram lze rozšířit o tyto prvky:

Přidaná plocha ve tvaru čočky zahrnuje práci vykonanou k překonání inspiračního a expiračního odporu proudění vzduchu. Při výdechu není třeba vykonat žádnou přidanou práci, protože pružný zpětný ráz plic vrací část uložené energie. Při vdechu je třeba vykonat určitou přidanou práci k překonání odporu dýchacích cest a také odporu případných přidaných umělých dýchacích cest.

Nyní nám zbývá schéma, které popisuje složky dechové práce:

• Pružná práce
  • Práce vykonaná k překonání pružného zpětného rázu plic
  • Práce vykonaná k překonání pružného zpětného rázu hrudníku (která se odečte od práce vykonané k překonání pružného zpětného rázu
• Resistivní práce
  • Práce vykonaná k překonání odporu tkání
    • Odpor hrudní stěny
    • Odpor plic
  • Práce vykonaná k překonání odporu dýchacích cest, která zahrnuje:
    • Odpor dýchacích cest
    • Odpor zařízení a obvodů dýchacích cest

Další složky odporové práce jsou všechny složky odporu dýchacích cest a zahrnují inerci a práci vykonanou při stlačování objemu nitrohrudních plynů, ale protože příspěvek těchto složek je směšně malý, lze je pravděpodobně z odpovědi na SAQ bezpečně vypustit. Rozhodně se neobjevují v žádném z komentářů kolegia k otázkám o rezistenci.

Pomocí těchto grafů lze znázornit různé formy mechanických plicních problémů. Reálně by to bylo vždy omezeno pouze na znázornění scénářů, kdy je zvýšený odpor dýchacích cest nebo snížená poddajnost plic. Tyto grafy prezentují také Banner et al (1994) a jejich upravené verze nabízíme níže.

Následující graf demonstruje vzorec zvýšeného odporu dýchacích cest, jaký lze pozorovat u astmatického pacienta. Všimněte si zvýšeného příspěvku odporu dýchacích cest, včetně přidané práce vykonané k překonání výdechového odporu:

Následující graf ukazuje práci dýchání při snížené poddajnosti plic.

K dosažení stejného dechového objemu je třeba vykonat mnohem větší množství práce k překonání zvýšeného elastického odporu plic, zatímco příspěvek hrudní stěny zůstává stejný. Navíc si lze všimnout, že FRC se snižuje. To je způsobeno zvýšeným tlakem pružného zpětného rázu plic; objem FRC je nakonec nižší, protože v tomto místě se nachází nová rovnováha mezi zpětným rázem hrudní stěny a pružným zpětným rázem plic.

Nakonec se podívejme, co se stane, pokud se hrudní stěna stane odolnější:

Tentokrát se zvýšená práce vykonává za účelem zvětšení objemu hrudníku opět odpor tkání hrudní stěny, např. obvodové spalování. Opět dochází ke snížení FRC, protože rovnováha tlaků hrudní stěny a elastických tlaků v plicích nastává při menším objemu

.