A légzés munkája és összetevői

Ez a fejezet leginkább a 2017-es CICM alapfokú tanterv F3(ii) szakaszához kapcsolódik, amely elvárja, hogy a vizsgázók képesek legyenek “leírni a légzés munkáját és összetevőit”. Ez nem jelent meg az írásbeli dolgozatokban, de a téma fontossága olyan nagy, hogy eléggé biztosak lehetünk benne, hogy egy nap ez is bekerül az SAQ-ba vagy a vizsgaelőadásba.

Összefoglalva:

A témához tartozó lektorált források közül, Cabello & Mancebo (2006) valószínűleg a legjobb rövid áttekintés, és ingyenesen elérhető a ResearchGate-en. Lehetséges, hogy valaki képes lesz bemagolni ezt a témát a publikáltak alapján, és átmenni egy SAQ-n az alapvizsgán. Banner et al (1994) szintén jó, sőt jobb, de sajnos nem ingyenes. Ebből a cikkből úgy lehetne kisétálni, hogy az ember részletesen megérti ezt a témát. Ezenkívül R. M. Peters (1969) egy régi tanulmánya is szabadon hozzáférhető, és valószínűleg még mindig releváns, amennyiben a tudományos közösség nem mostanában változtatta meg a “munka” vagy a “légzés” definícióit.

A munka és a légzési erő definíciói

A munka az erő és az elmozdulás szorzata, joule-ban mérve, ahol 1J egy joule ráfordítása egy méteres elmozduláson keresztül. A munka egyenlete a legalapvetőbb esetben:

Munka = Erő × távolság

De a légzésfiziológia nyálkás biológiai világában nem vagyunk hozzászokva ahhoz, hogy a légzésfunkciót erővel vagy távolsággal írjuk le. Szerencsére ezeket a paramétereket könnyen át tudjuk alakítani nyomássá és térfogattá. A legjobb levezetést ehhez az első részben találjuk, amely minimális változtatásokat igényel:

Munka = Erő × távolság

Hol

Erő = Nyomás × Terület

Mert

Nyomás = Erő / Terület

Ezért

.

Munka = Nyomás × Terület × Távolság

De

Felület × Távolság = Térfogat

Szóval

Munka = Nyomás × Térfogat

Tada.

Egy normális embernél nyugalmi állapotban a légzési munka kb. 0,35 J/L, a légzési teljesítmény pedig kb. 2,4 J/min. Ezek az adatok Mancebo és munkatársai (1995) munkájából származnak, akik egészséges önkénteseket csatlakoztattak néhány áramlás- és nyomásmérő berendezéshez, majd megmérték a normális, nyugodt légzés során keletkező nyomást és térfogatot. Liljestrand (1913) néhány ősi adata és Zakynthinos & Roussos (1991) néhány modern áttekintése szerint ez a fajta nyugodt, csendes légzés körülbelül 0,25-,5 ml O2 oxigénköltséggel jár 1000 ml légzésenként, vagy a teljes metabolikus alapszintű oxigénfogyasztás 1-2%-ával. Ez arra utal, hogy a normál árapályos légzés hatékonysága meglehetősen magas. Ennek vélhetően az az oka, hogy a normális árapálylégzéshez felhasznált energia nagy része a légzőrendszer rugalmas elemei ellen végzett munka, azaz a belégzéskor a mozgási energia a feszülő szövetekben tárolódik, és kilégzéskor visszakerül.

A légzés munkájának Campbell-diagramja

Ez a diagram zavaró módon csak az egyik Campbell-diagram, a másik a rotordinamikát leíró diagram. A légzésfiziológiával kapcsolatban említett Cambell-diagramot Edward J. M Campbell dolgozta ki, aki 1958-ban publikált egy könyvet, amelyben leírta ezt az összefüggést. Ez a könyv természetesen már nem kapható, és úgy tűnik, hogy sem legális, sem illegális módon nem lehet megszerezni egy hobbiblogger költségvetésén belül, ami nem is baj, mert a kritikákból ítélve rendkívül nehéz volt elolvasni. A legjobb magyarázat erre a diagramra valójában Banner et al (1994) munkájából származik. Ahhoz, hogy megértsük, ki kell bontani a lélegzés munkájának különböző összetevőit, majd ezeket egyetlen összefüggéssé kell kombinálni. A szövegből ítélve ezt a grafikoncsoportot a valós nyomás- és térfogatviszonyok sematikus ábrázolásaként kínálják, és bár reálisnak tűnő számokat tartalmazhat, nem konkrét kísérleti adatokon alapul.

Mivel a munka a nyomás és a térfogat szorzata, azt a nyomás és a térfogat grafikonjának területeként kellene ábrázolni. Egy ilyen grafikon meghatározható a rugalmas tüdőszövetek felfújásához szükséges munkára az FRC-től néhány hipotetikus normál légzési térfogatig :

A mellkasfal deformálásához természetesen munkát is kell végezni. Ebben az esetben a mellkasfal ki akar rugózni, és nagyobb térfogatot akar elfoglalni, mint az FFRC, ezért valójában munkát kell végezni, hogy a mellkasfal térfogata lecsökkenjen az FRC-re:

Ha tehát ezeket a grafikonokat egymás mellé tesszük, láthatjuk, hogy átfedik egymást. Ennek leglényegesebb következménye, hogy a tüdő felfújásához végzett munka egy részét a mellkasfal végzi, azaz a bordakosár rugalmas visszahajlása a tüdő felfújását szolgálja mindenféle izomműködés nélkül:

Ez, az itt látható kis kék háromszög tehát az egyetlen munka, amit a tüdő felfújása érdekében végzünk; ez a terület sokkal kisebb, mint az első grafikonon volt, mert a bordakosár végzi a munka nagy részét.

A szövetek rugalmas tulajdonságain túl itt további tényezőket is figyelembe kell venni. A légúti ellenállás legyőzése, valamint az esetlegesen zavaró intenzív ellátó berendezések (pl. endotracheális cső és lélegeztetőgép-kör) ellenállásának leküzdése is munkát jelent. A diagram kibővíthető ezekkel az elemekkel:

A hozzáadott lencse alakú terület az inspirációs és exspirációs légúti ellenállás leküzdésére végzett munkát takarja. Kilégzéskor nem kell többletmunkát végezni, mert a tüdő rugalmas visszahúzódása visszaadja a tárolt energia egy részét. Belégzéskor némi többletmunkát kell végezni a légutak ellenállásának, valamint az esetlegesen hozzáadott mesterséges légutak ellenállásának leküzdéséhez.

Most már csak egy ábra maradt, amely a légzési munka összetevőit írja le:

• Elasztikus munka
  • A tüdő rugalmas visszahatásának leküzdésére végzett munka
  • A mellkas rugalmas visszahatásának leküzdésére végzett munka (amit levonunk a tüdő rugalmas visszahatásának leküzdésére végzett munkából).
• Rezisztív munka
  • A szöveti ellenállás leküzdésére végzett munka
    • A mellkasfal ellenállása
    • Tüdő ellenállása
• A légúti ellenállás leküzdésére végzett munka, amely magában foglalja a következőket:
  • Légúti ellenállás
  • Légúti eszközök és áramkörök ellenállása

Az ellenállási munka további összetevői mind a légzési ellenállás összetevői, és tartalmazzák az inertanciát és az intrathoracalis gáztérfogat összenyomásáért végzett munkát, de mivel ezen elemek hozzájárulása nevetségesen kicsi, valószínűleg nyugodtan kihagyhatjuk őket a SAQ válaszból. Minden bizonnyal nem szerepelnek az ellenállással kapcsolatos kérdésekhez fűzött kollégiumi megjegyzések egyikében sem.

Ezek a grafikonok felhasználásával a mechanikai tüdőproblémák különböző formáit lehet ábrázolni. Reálisan nézve ez mindig csak olyan forgatókönyvek ábrázolására korlátozódna, ahol megnövekedett légúti ellenállás vagy csökkent tüdő compliance áll fenn. Ezeket Banner és munkatársai (1994) is bemutatják, és módosított változataikat az alábbiakban ajánljuk.

A következő grafikon a megnövekedett légúti ellenállás mintázatát mutatja be, mint amilyet egy asztmás betegnél láthatunk. Figyelje meg a légúti ellenállás megnövekedett hozzájárulását, beleértve a kilégzési légáramlási ellenállás leküzdéséhez végzett többletmunkát:

A következő grafikon a légzési munkát mutatja be csökkent tüdő compliance mellett.

Az azonos légzési térfogat eléréséhez sokkal nagyobb munkát kell végezni a tüdő megnövekedett rugalmas visszahatásának leküzdéséhez, miközben a mellkasfal hozzájárulása változatlan marad. Emellett azt is meg lehet jegyezni, hogy az FRC csökken. Ez a tüdő megnövekedett rugalmas visszarúgási nyomása miatt következik be; az FRC térfogat végül alacsonyabb lesz, mivel a mellkasfal visszarúgása és a tüdő rugalmas visszarúgása itt találja meg új egyensúlyát.

Végül nézzük meg, mi történik, ha a mellkasfal nagyobb ellenállásúvá válik:

Ezúttal a megnövekedett munka a mellkas térfogatának növelésére történik ismét a mellkasfal szöveteinek ellenállása, pl. egy körkörös égés. Ismét csökken az FRC, mert a mellkasfal és a tüdő rugalmas nyomásának egyensúlya kisebb térfogatnál jön létre.