Praca oddychania i jej składniki

Ten rozdział jest najbardziej odpowiedni dla Sekcji F3(ii) z Syllabusa Podstawowego CICM 2017, który oczekuje, że kandydaci na egzamin będą w stanie „opisać pracę oddychania i jej składniki”. Nie pojawiło się to w pracach pisemnych, ale znaczenie tego tematu jest tak duże, że możemy być dość pewni, że pewnego dnia pojawi się on w SAQ lub viva.

Podsumowując:

Z recenzowanych źródeł dla tego tematu, Cabello & Mancebo (2006) jest prawdopodobnie najlepszym krótkim przeglądem i jest dostępny za darmo z ResearchGate. Jeden może być w stanie rote-learn tego tematu na podstawie tego, co opublikowali, i przekazać SAQ w egzaminie podstawowym. Banner et al (1994) jest również dobra, w rzeczywistości lepsza, ale niestety nie jest darmowa. Można wyjść z tego artykułu ze szczegółowym zrozumieniem tego tematu. Dodatkowo, starożytny artykuł R.M. Petersa (1969) jest również swobodnie dostępny i prawdopodobnie nadal istotny, o ile społeczność naukowa nie zmieniła ostatnio swoich definicji „pracy” lub „oddychania”.

Definicje pracy i mocy oddychania

Praca jest iloczynem siły i przemieszczenia, mierzona w dżulach, gdzie 1J jest wydatkiem jednego dżula przez przemieszczenie jednego metra. Najbardziej podstawowe równanie pracy to:

Praca = Siła × Odległość

Ale w gąbczastym biologicznym świecie fizjologii oddechowej nie jesteśmy przyzwyczajeni do opisywania funkcji oddechowej w kategoriach siły lub odległości. Na szczęście, możemy łatwo przekształcić te parametry na ciśnienie i objętość. Najlepszą pochodną do tego celu można znaleźć w części pierwszej, która wymaga minimalnych zmian:

Praca = Siła × Odległość

Gdzie

Siła = Ciśnienie × Powierzchnia

Because

Ciśnienie = Siła / Powierzchnia

Therefore

.

Praca = Ciśnienie × Powierzchnia × Odległość

Ale

Area × Odległość = Objętość

Więc

Praca = Ciśnienie × Objętość

Tada.

W normalnej osobie, w spoczynku, praca oddychania wynosi około 0,35 J/L, a moc oddychania około 2,4 J/min. Te liczby pochodzą z pracy Mancebo et al (1995), którzy podłączyli kilku zdrowych ochotników do sprzętu mierzącego przepływ i ciśnienie, a następnie zmierzyli ciśnienie i objętość generowane przez nich podczas normalnego spokojnego oddychania. Według niektórych starożytnych danych z Liljestrand (1913) i niektórych nowoczesnych przeglądów przez Zakynthinos & Roussos (1991), ten rodzaj spokojnego cichego oddychania ma koszt tlenu około 0.25-.5 ml O2 na 1000ml wentylacji, lub coś w rodzaju 1-2% całkowitego podstawowego metabolicznego zużycia tlenu. To sugeruje, że efektywność normalnego oddychania oddechowego jest dość wysoka. Uważa się, że dzieje się tak dlatego, że duża część energii zużywanej w normalnym oddychaniu oddechowym to praca wykonywana przeciwko elastycznym elementom układu oddechowego, tj. energia kinetyczna jest przechowywana w rozciągających się tkankach podczas wdechu i zwracana podczas wydechu.

Diagram Campbella dotyczący pracy oddychania

Ten diagram jest myląco tylko jednym z diagramów Campbella, innym jest diagram opisujący rotordynamikę. Diagram Cambella, o którym mowa w odniesieniu do fizjologii oddychania, został opracowany przez Edwarda J.M. Campbella, który w 1958 r. opublikował książkę, w której opisał tę zależność. Książka ta jest oczywiście wyczerpana i nie wydaje się, aby istniał jakikolwiek legalny lub nielegalny sposób zdobycia jej w ramach budżetu blogera-hobbysty, co jest akurat dobre, ponieważ sądząc po recenzjach, była ona niezwykle trudna do przeczytania. Najlepsze wyjaśnienie tego diagramu pochodzi od Bannera et al (1994). Aby go zrozumieć, trzeba rozpakować różne składniki pracy oddychania, a następnie połączyć je w jeden związek. Sądząc z tekstu, ta grupa wykresów jest oferowana jako schematyczna reprezentacja rzeczywistych zależności ciśnienia i objętości, i chociaż może zawierać realistycznie wyglądające liczby, nie jest oparta na żadnych konkretnych danych eksperymentalnych.

Zważywszy, że praca to ciśnienie pomnożone przez objętość, powinniśmy być w stanie przedstawić ją jako pole powierzchni na wykresie zależności ciśnienia od objętości. Taki wykres można zdefiniować dla pracy wymaganej do nadmuchania elastycznych tkanek płucnych od FRC do jakiejś hipotetycznej normalnej objętości oddechowej :

Oczywiście, praca musi być również wykonana w celu odkształcenia ściany klatki piersiowej. W tym przypadku ściana klatki piersiowej chce się wyprężyć i zająć większą objętość niż FFRC, a więc praca jest faktycznie wykonywana, aby zmniejszyć objętość ściany klatki piersiowej do FRC:

Więc, jeśli złożymy te wykresy razem, możemy zobaczyć, że się pokrywają. Najbardziej znaczącą implikacją tego jest to, że część pracy wykonanej w celu napompowania płuc jest wykonywana przez ścianę klatki piersiowej, tj. elastyczne odwijanie się żeber służy do napompowania płuc bez pomocy mięśni:

To, mały niebieski trójkąt tutaj, jest zatem jedyną pracą wykonaną w celu nadmuchania płuc; ten obszar jest znacznie mniejszy niż na pierwszym wykresie, ponieważ żebra wykonują większość pracy.

Dodatkowe czynniki muszą być tutaj brane pod uwagę, poza właściwościami elastycznymi tkanek. Praca jest również wykonywana w celu pokonania oporu dróg oddechowych i przezwyciężenia oporu wszelkich przeszkadzających urządzeń opieki krytycznej (np. rurki intubacyjnej i obwodu respiratora). Diagram można rozszerzyć o te elementy:

Dodany obszar w kształcie soczewki obejmuje pracę wykonaną w celu pokonania wdechowego i wydechowego oporu przepływu powietrza. Przy wydechu nie trzeba wykonywać żadnej dodatkowej pracy, ponieważ elastyczny odrzut płuc zwraca część zmagazynowanej energii. Przy wdechu, pewna dodatkowa praca musi być wykonana, aby pokonać opór dróg oddechowych, jak również opór jakichkolwiek dodanych sztucznych dróg oddechowych.

Teraz pozostajemy z diagramem, który opisuje składniki pracy oddychania:

• Praca sprężysta
  • Praca wykonana w celu pokonania odrzutu sprężystego płuc
  • Praca wykonana w celu pokonania odrzutu sprężystego klatki piersiowej (którą odejmuje się od pracy wykonanej w celu pokonania odrzutu sprężystego płuc)
• Praca recesywna
  • Praca wykonana w celu pokonania oporu tkanek
    • Opór ściany klatki piersiowej
    • Opór płuc
  • Praca wykonana w celu pokonania oporu dróg oddechowych, która obejmuje:
    • Opór dróg oddechowych
    • Opór urządzeń i obwodów dróg oddechowych

Dodatkowe składniki pracy oporowej są wszystkimi składnikami oporu oddechowego i obejmują bezwładność i pracę wykonaną w celu skompresowania wewnątrzklatkowej objętości gazu, ale ponieważ wkład tych elementów jest śmiesznie mały, prawdopodobnie można je bezpiecznie pominąć w swojej odpowiedzi SAQ. Z pewnością nie pojawiają się one w żadnym z komentarzy kolegium do pytań o opór.

Używając tych grafik, można być w stanie przedstawić różne formy mechanicznych problemów z płucami. Realistycznie rzecz biorąc, byłoby to tylko kiedykolwiek ograniczone do reprezentacji scenariuszy, w których występuje zwiększony opór dróg oddechowych lub zmniejszona podatność płuc. Są one również przedstawione przez Bannera i wsp. (1994), a ich zmodyfikowane wersje są oferowane poniżej.

Następujący wykres demonstruje wzór zwiększonego oporu dróg oddechowych, taki, jaki można zobaczyć u pacjenta z astmą. Zwróć uwagę na zwiększony wkład oporu dróg oddechowych, w tym dodatkową pracę wykonaną w celu pokonania oporu przepływu powietrza wydechowego:

Następujący wykres przedstawia pracę oddechową w warunkach zmniejszonej podatności płuc.

Aby osiągnąć tę samą objętość oddechową, trzeba wykonać znacznie większą ilość pracy, by pokonać zwiększony odrzut sprężysty płuc, podczas gdy udział ściany klatki piersiowej pozostaje taki sam. Dodatkowo, można zauważyć, że FRC ulega zmniejszeniu. Dzieje się tak z powodu zwiększonego ciśnienia sprężystego odrzutu płuc; objętość FRC jest niższa, ponieważ tam właśnie odrzut ściany klatki piersiowej i odrzut sprężysty płuc znajdują swoją nową równowagę.

Na koniec zobaczmy, co się stanie, jeśli ściana klatki piersiowej stanie się bardziej oporna:

Tym razem zwiększona praca jest wykonywana w celu zwiększenia objętości klatki piersiowej ponownie opór tkanek ściany klatki piersiowej, np. oparzenie obwodowe. Ponownie FRC ulega zmniejszeniu, ponieważ równowaga ciśnień sprężystych ściany klatki piersiowej i płuc zachodzi przy mniejszej objętości.

.