Andningens arbete och dess komponenter

Detta kapitel är mest relevant för avsnitt F3(ii) i 2017 års kursplan för CICM Primary Syllabus, där man förväntar sig att examinanderna ska kunna ”beskriva andningens arbete och dess komponenter”. Detta har inte förekommit i de skriftliga proven, men ämnet är så viktigt att vi kan vara ganska säkra på att det en dag kommer att finnas med i en SAQ eller viva.

Sammanfattningsvis:

Om de peer-reviewed resurser för detta ämne, Cabello & Mancebo (2006) är förmodligen den bästa korta översikten och är tillgänglig gratis från ResearchGate. Man kan kanske lära sig detta ämne utantill på grundval av vad de har publicerat, och klara en SAQ i det primära provet. Banner et al (1994) är också bra, faktiskt bättre, men tyvärr inte gratis. Man skulle kunna gå från denna artikel med en detaljerad förståelse för detta ämne. Dessutom finns en gammal artikel av R.M. Peters (1969) också fritt tillgänglig och är förmodligen fortfarande relevant, i den mån forskarsamhället inte nyligen har ändrat sina definitioner av ”arbete” eller ”andning”.

Definitioner av arbete och andningseffekt

Arbete är produkten av kraft och förskjutning, mätt i joule, där 1J är förbrukningen av en joule genom en förskjutning på en meter. Den mest grundläggande ekvationen för arbete är:

Arbete = Kraft × Avstånd

Men i andningsfysiologins grumliga biologiska värld är vi inte vana vid att beskriva andningsfunktionen i termer av kraft eller avstånd. Lyckligtvis kan vi enkelt omvandla dessa parametrar till tryck och volym. Den bästa härledningen för detta finns i första delen, en härledning som kräver minimala ändringar:

Arbete = Kraft × Avstånd

Varför

Kraft = Tryck × Areal

För att

Tryck = Kraft / Areal

Därför

.

Arbete = Tryck × Area × Avstånd

Men

Area × Avstånd = Volym

Så

Arbete = Tryck × Volym

Tada.

För en normal person är andningsarbetet i vila cirka 0,35 J/L och andningseffekten cirka 2,4 J/min. Dessa siffror kommer från ett arbete av Mancebo et al (1995), som kopplade några friska frivilliga till en utrustning för flödes- och tryckmätning och sedan mätte det tryck och den volym som de genererade under normal lugn andning. Enligt några gamla uppgifter från Liljestrand (1913) och några moderna översikter från Zakynthinos & Roussos (1991) har denna typ av lugn och tyst andning en syrekostnad på omkring 0,25-.5 ml O2 per 1000 ml ventilation, eller något i stil med 1-2 % av den totala basala metaboliska syreförbrukningen. Detta tyder på att effektiviteten hos normal tidalandning är ganska hög. Detta tros bero på att en stor del av den energi som används för normal tidvattenandning är arbete som utförs mot elastiska element i andningssystemet, dvs. att kinetisk energi lagras i stretchande vävnader vid inandning och återförs vid utandning.

Campbells diagram över andningsarbetet

Detta diagram är förvirrande nog bara ett av Campbells diagram, det andra är ett diagram som beskriver rotordynamik. Cambelldiagrammet som det hänvisas till när det gäller andningsfysiologi utvecklades av Edward J. M Campbell, som 1958 publicerade en bok där han beskrev detta förhållande. Den boken är naturligtvis slutsåld och det verkar inte finnas något lagligt eller olagligt sätt att skaffa den inom ramen för en hobbybloggares budget, vilket är lika bra, för att döma av recensionerna var den oerhört svår att läsa. Den bästa förklaringen till detta diagram kommer faktiskt från Banner et al (1994). För att förstå det måste man packa upp de olika komponenterna i andningsarbetet och sedan kombinera dem till ett förhållande. Att döma av texten erbjuds denna grupp diagram som en schematisk framställning av verkliga tryck- och volymsamband, och även om den kan innehålla realistiskt utseendemässiga siffror är den inte baserad på några specifika experimentella data.

Med tanke på att arbete är tryck multiplicerat med volym borde man kunna presentera det som arean på en graf av tryck mot volym. En sådan plot kan definieras för det arbete som krävs för att blåsa upp den elastiska lungvävnaden från FRC upp till en hypotetisk normal tidalvolym :

Självklart måste också arbete utföras för att deformera bröstkorgen. I det här fallet vill bröstväggen fjädras ut och uppta en större volym än FFRC, och därför görs faktiskt arbete för att minska bröstväggens volym ner till FRC:

Så, om vi sätter ihop dessa grafer kan vi se att de överlappar varandra. Den viktigaste implikationen av detta är att en del av det arbete som utförs för att blåsa upp lungan utförs av bröstväggen, dvs. bröstkorgens elastiska rekyl tjänar till att blåsa upp lungan utan någon muskelhjälp:

Detta, den lilla blå triangeln här, är därför det enda arbete som utförs för att blåsa upp lungorna; detta område är mycket mindre än det var på den första grafen, eftersom bröstkorgen utför det mesta av arbetet.

Det är ytterligare faktorer som måste beaktas här, utöver vävnadernas elastiska egenskaper. Arbete görs också för att besegra luftvägsmotståndet och för att övervinna motståndet från eventuell störande intensivvårdsutrustning (t.ex. en endotrakealtub och en ventilatorkrets). Diagrammet kan utökas till att omfatta dessa element:

Det tillagda linsformade området täcker det arbete som görs för att övervinna det inspiratoriska och expiratoriska luftflödesmotståndet. Vid utandning behöver inget extra arbete utföras eftersom lungornas elastiska rekyl ger tillbaka en del lagrad energi. Vid inspiration måste en del extra arbete utföras för att övervinna luftvägarnas motstånd samt motståndet hos eventuella tillagda konstgjorda luftvägar.

Nu har vi ett diagram som beskriver komponenterna i andningsarbetet:

• Elastiskt arbete
  • Arbete för att övervinna lungans elastiska rekyl
  • Arbete för att övervinna bröstkorgens elastiska rekyl (vilket subtraheras från det arbete som görs för att övervinna lungans elastiska rekyl). lungan)
• Resistivt arbete
  • Arbete som utförs för att övervinna vävnadsmotstånd
    • Bröstväggens motstånd
    • Lungans motstånd
  • Arbete som utförs för att övervinna luftvägsmotståndet, vilket inkluderar:
    • Airway resistance
    • Resistance of airway devices and circuits

Att ytterligare komponenter till det resistiva arbetet är alla komponenter till andningsmotståndet och inkluderar inertans och det arbete som görs för att komprimera gasvolymen intrathorakalt, men eftersom bidraget från dessa element är skrattretande litet, kan man troligen utan risk utelämna dem från sitt SAQ-svar. De förekommer i alla fall inte i någon av kollegiets kommentarer till frågorna om motstånd.

Med hjälp av dessa diagram kan man kanske representera olika former av mekaniska lungproblem. Realistiskt sett skulle detta alltid vara begränsat till representationer av scenarier där det finns ett ökat luftvägsmotstånd eller minskad lungkomplexitet. Dessa presenteras också av Banner et al (1994), och deras modifierade versioner erbjuds nedan.

Den följande grafen visar ett mönster av ökat luftvägsmotstånd, såsom man kan se hos en astmapatient. Observera det ökade bidraget från luftvägsresistansen, inklusive det extra arbete som utförs för att övervinna det expiratoriska luftflödesmotståndet:

Den följande grafen visar andningsarbete i samband med minskad lungkomplexitet.

För att uppnå samma tidalvolym måste en mycket större mängd arbete utföras för att övervinna lungornas ökade elastiska rekyl, medan bröstväggens bidrag förblir detsamma. Dessutom kan man notera att FRC minskar. Detta på grund av lungornas ökade elastiska rekyltryck. FRC-volymen blir i slutändan lägre eftersom det är där bröstväggens rekyl och lungornas elastiska rekyl finner sin nya jämvikt.

Sist ska vi se vad som händer om bröstväggen blir mer motståndskraftig:

Den här gången görs det ökade arbetet för att öka bröstvolymen återigen bröstväggsvävnadernas motstånd, t.ex. en circumferentiell förbränning. Återigen minskar FRC eftersom jämvikten mellan bröstväggens och lungornas elastiska tryck uppstår vid en lägre volym

.