Hengitystyö ja sen osatekijät

Tämä luku on merkityksellisin vuoden 2017 CICM Primary Syllabus -oppimäärän jakson F3(ii) kannalta, jossa odotetaan, että kokelaat osaavat ”kuvata hengitystyön ja sen osatekijät”. Tämä ei ole esiintynyt kirjallisissa kokeissa, mutta aihe on niin tärkeä, että voimme olla melko varmoja siitä, että se tulee jonain päivänä SAQ- tai viva-kokeeseen.

Yhteenvetona:

Tämän aiheen vertaisarvioidut lähteet, Cabello & Mancebo (2006) on luultavasti paras lyhyt katsaus, ja se on saatavilla ilmaiseksi ResearchGatesta. Tämän aiheen voi ehkä opetella ulkoa julkaistujen tietojen perusteella ja läpäistä SAQ-testin perustutkinnossa. Banner et al (1994) on myös hyvä, itse asiassa parempi, mutta valitettavasti se ei ole ilmainen. Tästä artikkelista voisi lähteä pois niin, että ymmärtäisi tämän aiheen yksityiskohtaisesti. Lisäksi R.M. Petersin (1969) ikivanha artikkeli on myös vapaasti saatavilla, ja se on luultavasti edelleen relevantti, sikäli kuin tiedeyhteisö ei ole hiljattain muuttanut ”työn” tai ”hengityksen” määritelmiä.

Työn ja hengitysvoiman määritelmät

Työ on voiman ja siirtymän tulo, joka mitataan jouleina, jossa 1J on yhden joulen kuluttaminen yhden metrin siirtymän kautta. Työn yhtälö yksinkertaisimmillaan on:

Työ = Voima × etäisyys

Mutta hengitysfysiologian nihkeässä biologisessa maailmassa emme ole tottuneet kuvaamaan hengitystoimintaa voiman tai etäisyyden avulla. Onneksi voimme helposti muuntaa nämä parametrit paineeksi ja tilavuudeksi. Paras derivaatta tähän löytyy ensimmäisestä osasta, joka vaatii minimaalisia muutoksia:

Työ = Voima × etäisyys

Jos

Voima = Paine × pinta-ala

Koska

Paine = Voima / Pinta-ala

Siten

.

Työ = Paine × Pinta-ala × Etäisyys

Mutta

Pinta-ala × Etäisyys = Tilavuus

Siten

Työ = Paine × Tilavuus

Tada.

Normaalin ihmisen hengitystyö on levossa noin 0,35 J/L ja hengitysteho on noin 2,4 J/min. Nämä luvut ovat peräisin Mancebon ja muiden (1995) tekemästä työstä, jossa he kytkivät joitakin terveitä vapaaehtoisia henkilöitä virtauksen ja paineen mittauslaitteisiin ja mittasivat sitten paineen ja tilavuuden, jonka he tuottivat normaalin rauhallisen hengityksen aikana. Joidenkin Liljestrandin (1913) antamien vanhojen tietojen ja Zakynthinos & Roussosin (1991) tekemien nykyaikaisten tarkastelujen mukaan tämänkaltaisen rauhallisen ja hiljaisen hengityksen hapenkulutus on noin 0,25-,5 ml O2 1 000 ml:n ventilaatiomäärää kohti eli noin 1-2 % metabolisen hapenkulutuksen kokonaismäärästä. Tämä viittaa siihen, että normaalin vuorokausihengityksen tehokkuus on melko korkea. Tämän ajatellaan johtuvan siitä, että suuri osa normaaliin vuorokausihengitykseen käytetystä energiasta on työtä, joka tehdään hengityselimistön elastisia elementtejä vastaan, eli liike-energia varastoituu venyviin kudoksiin sisäänhengityksen yhteydessä ja palautuu uloshengityksen yhteydessä.

Campbellin kaavio hengitystyöstä

Tämä kaavio on hämmentävästi vain yksi Campbellin kaavioista, toinen on kaavio, joka kuvaa rotaatiodynamiikkaa. Cambell-diagrammin, johon hengitysfysiologian osalta viitataan, kehitti Edward J. M Campbell, joka julkaisi vuonna 1958 kirjan, jossa hän kuvasi tämän suhteen. Kyseinen kirja on tietenkin loppuunmyyty, eikä näytä olevan mitään laillista tai laitonta tapaa hankkia sitä harrastajabloggaajan budjetin puitteissa, mikä on ihan hyvä niin, koska arvostelujen perusteella se oli äärimmäisen vaikea lukea. Paras selitys tälle kuviolle on itse asiassa peräisin Banner et al (1994). Sen ymmärtämiseksi on purettava hengitystyön eri osatekijät ja sitten yhdistettävä ne yhdeksi suhteeksi. Tekstistä päätellen tätä kuvioryhmää tarjotaan kaavamaisena esityksenä todellisista paine- ja tilavuussuhteista, ja vaikka se saattaa sisältää realistisen näköisiä lukuja, se ei perustu mihinkään erityisiin kokeellisiin tietoihin.

Se, että työ on paine kerrottuna tilavuudella, pitäisi pystyä esittämään se pinta-alana paineen ja tilavuuden kuvaajassa. Tällainen kuvaaja voidaan määritellä työlle, joka tarvitaan elastisen keuhkokudoksen puhaltamiseen FRC:stä johonkin hypoteettiseen normaaliin hengitystilavuuteen :

Tietysti työtä on tehtävä myös rintakehän seinämän deformoimiseksi. Tässä tapauksessa rintakehän seinämä haluaa jousittaa ulos ja vallata suuremman tilavuuden kuin FFRC, joten työtä itse asiassa tehdään rintakehän seinämän tilavuuden pienentämiseksi FRC:n tasolle:

Jos siis asetamme nämä kuvaajat päällekkäin toisiinsa, huomaamme, että ne ovat päällekkäisiä. Merkittävin seuraus tästä on se, että osa keuhkojen täyttämiseksi tehdystä työstä tehdään rintakehän seinämän toimesta, eli kylkiluiden kimmoisa takaisinveto palvelee keuhkojen täyttämistä ilman lihasapua:

Tämä, pieni sininen kolmio tässä, on siis ainoa työ, joka tehdään keuhkojen täyttämiseksi; tämä alue on paljon pienempi kuin se oli ensimmäisessä kuvaajassa, koska rintakehä tekee suurimman osan työstä.

Tässä on otettava huomioon muitakin tekijöitä kuin kudosten elastiset ominaisuudet. Työtä tehdään myös hengitysteiden vastuksen voittamiseksi ja mahdollisten häiritsevien tehohoitolaitteiden (esim. endotrakeaaliputken ja ventilaattoripiirin) aiheuttaman vastuksen voittamiseksi. Kaaviota voidaan laajentaa siten, että se sisältää nämä elementit:

Lisätty linssinmuotoinen alue kattaa työn, joka tehdään sisäänhengitys- ja uloshengitysvastusten voittamiseksi. Uloshengityksessä ei tarvitse tehdä lisätyötä, koska keuhkojen kimmoisa takaisinveto palauttaa osan varastoituneesta energiasta. Sisäänhengityksessä on tehtävä jonkin verran lisätyötä hengitysteiden vastuksen sekä mahdollisten lisättyjen keinotekoisten hengitysteiden vastuksen voittamiseksi.

Nyt jäljellä on kaavio, joka kuvaa hengitystyön osatekijöitä:

• Elastinen työ
  • Työ, joka tehdään keuhkojen elastisen takaiskun voittamiseksi
  • Työ, joka tehdään rintakehän elastisen takaiskun voittamiseksi (joka vähennetään työstä, joka tehdään rintakehän elastisen takaiskun voittamiseksi.
• Resistiivinen työ
  • Kudosvastuksen voittamiseksi tehty työ
    • Rintakehän seinämän vastus
    • KEUHKON VASTAUS
  • Hengitystievastuksen voittamiseksi tehty työ, johon kuuluu mm:
    • Hengitysteiden vastus
    • Hengitysteiden laitteiden ja piirien vastus

Lisäkomponentit resistiiviseen työhön ovat kaikki hengitysresistanssin komponentteja, ja ne sisältävät inertanssin ja työn, joka tehdään rintakehänsisäisen kaasutilavuuden kokoonpuristamiseksi, mutta koska näiden elementtien panos on naurettavan vähäinen, voi ne luultavasti turvallisesti jättää pois SAQ-tietokyselyyn vastauksesta. Niitä ei ainakaan mainita missään vastusta koskevien kysymysten kollegiaalisissa kommenteissa.

Käyttämällä näitä grafiikoita voidaan ehkä esittää erilaisia mekaanisten keuhko-ongelmien muotoja. Realistisesti tämä rajoittuu aina vain sellaisten skenaarioiden esittämiseen, joissa hengitysteiden vastus on lisääntynyt tai keuhkojen komplianssi heikentynyt. Banner et al. (1994) ovat myös esittäneet näitä grafiikoita, ja niiden muunnetut versiot on esitetty jäljempänä.

Oheinen kuvaaja havainnollistaa suurentuneen hengitystievastuksen mallia, jollainen voidaan nähdä astmapotilaalla. Tarkkaile hengitystievastuksen lisääntynyttä osuutta, mukaan lukien ekspiratorisen ilmavirtausvastuksen voittamiseksi tehty lisätyö:

Seuraava kuvaaja havainnollistaa hengitystyötä keuhkojen vähentyneen komplianssin vallitessa.

Saman vuorokausitilavuuden saavuttamiseksi on tehtävä paljon enemmän työtä keuhkojen lisääntyneen kimmoisen takaiskun voittamiseksi, kun taas rintakehän seinämän osuus pysyy samana. Lisäksi voidaan huomata, että FRC pienenee. Tämä johtuu keuhkojen lisääntyneestä kimmoisasta rekyylipaineesta; FRC-tilavuus on lopulta pienempi, koska rintakehän seinämän rekyyli ja keuhkojen kimmoinen rekyyli löytävät uuden tasapainon.

Viimeiseksi katsotaan, mitä tapahtuu, jos rintakehän seinämä muuttuu vastustuskykyisemmäksi:

Tällä kertaa lisääntynyttä työtä tehdään rintakehän tilavuuden kasvattamiseksi taas rintakehän seinämän kudosten vastuksella, esim. kehäpoltolla. Jälleen FRC pienenee, koska rintakehän seinämän ja keuhkojen elastisten paineiden tasapaino tapahtuu pienemmällä tilavuudella.