LUNGEFYSIOLOGI Trinn 1 kurs 23/1-18 Magnus Qvarfort, Overlege Lungemed avd, OUS-Ullevål
LUNGEFYSIOLOGI
Trinn 1 kurs 23/1-18
Magnus Qvarfort, Overlege
Lungemed avd, OUS-Ullevål
TAKE IN MESSAGE
Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon.
Respirasjonssvikt er et resultat av V/Q-forstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon.
Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.
ANBEFALT LITTERATUR
Respiratorbehandling av voksne (Opdahl)
Kompendium av Baard Ingvaldsen (utg 2008)
Lungesykdommer (Giæver, 3 utg)
Clinical Respiratory Medicine (Albert et al, 3rd ed)
Respirasjonsfysiologi (Fondenes)
Respiratory Physiology, The Essentials (West, 8ed)
Pulmonary Patophysiology (Lange, 2 ed)
INNHOLD
1) ANATOMI
2) OM TRYKK, ENHETER OG BEGREPER
3) FYSIOLOGI OG PATOFYSIOLOGI
4) ER DETTE NØDVENDIG Å VITE NOE OM?
1. LUNGER
Høyre lunge
- 3 lapper (10 segmenter)
Venstre lunge
- 2 lapper (9 segmenter)
1. LUFTVEIER
Bruskstøtte - forsvinner gradvis etter
4-6 delinger
Muskellager - i veggen ned til
respiratoriske alveoler
Slimkjertler – ned til respiratoriske
bronkioler
Bindevev (og bruskstøtten) bidrar til å
holde luftveier åpne under
ekspirasjonen
Gassveksling – skjer i alveolevegger i
respiratoriske bronkioler og alveoler
(17-23 delinger) i form av diffusjon
over alveoleepitel, interstitium og
kapillærendotel
1. MUSKLER
Inspirasjon – aktiv prosess
- Hovedmuskel = Diafragma
- Aksessorisk muskulatur
Ekspirasjon – passiv prosess
- Elastisk återfjæringskraft
Ekspirasjon – aktiv prosess
- Ved arbeid/sykdom
- Aksessorisk muskulatur
1. PLEURA
Pleura
- viscerale mot lunge
- parietale mot brystvegg
IPP normalt negativt
lite væskesjikt gir adhesjon
mellom pleurabladene
1. SIRKULASJON
Lille kretsløpet = lavtrykkssystem
Høyre ventrikkel lungearterier
lungevener venstre atrium
Store kretsløpet = høytrykkssystem
Venstre ventrikkel arterier vener
høyre atrium
Sirkulasjon: C.O. = SV x HF (ca 5l/min)
Respirajsjon: MV = TV x RF (ca 5l/min)
2. OM TRYKK OG ENHETER
HYDROSTATISK TRYKK BT, CVP
KOLLOIDOSMOTISK MOTTRYKK Relatert til S-albumin
GASSTRYKK (PARTIALTRYKK) PaO2, PaCO2,
SATURASJON SaO2, SpO2
TRANSMURALT TRYKK IPP
2. OM BEGREPER
ELASTISITET («återfjæringskraft»)
COMPLIANCE («evne til formendring» el «omvendt stivhet»)
VENTILASJONS-/PERFUSJONSFORSTYRRELSER
SHUNT
DØDROMSVENTILASJON / «DEADSPACE»
Kan illustreres ved: V/Q scintigrafi «V/Q mismatch»
HRCT (inspirasjons- og ekspirasjonsbilder) «Air-trapping»
2. Alveolegassligningen
Forteller oss om det foreligger
V/Q- forstyrrelser eller diffusjonsvansker…
Den forenklede alveoleluftligningen
PAO2 = 20 – 1,25 x PaCO2 A-a gradientens relasjon til alder: A-a gradient = 0,33 + 0,028 x alder Eller: Yngre (<60) <2 Eldre (>60) <3
2. Alveolegassligningen
Eksempel: 45 år gammel dame tidligere hjerte-lungefrisk
innlegges med akutt type II respirasjonssvikt
Blodgass (romluft): PaO2 6,8 og PaCO2 6,4
A-a gradient: 20-(1,25x6,4) – 6,8 = 5,2 (som er forhøyet ifht forventet <2)
Her foreligger både V/Q-forstyrrelser eller diffusjonsvansker og hypoventilasjon (intox eller utmattelse grunnet redusert lungecompliance og/eller økt luftveismotstand?)
Den forenklede alveoleluftligningen: PAO2 = 20 – 1,25 x PaCO2
3. LUNGEFYSIOLOGI
a) Ventilasjon - Respirasjonssenter
Nevromuskulær funksjon
Brystvegg/skjelett & fedme
Lungecompliance
Luftveismotstand
b) Gassveksling - Diffusjon
c) Blodomløp - Hjertets funksjon
Makro+mikrosirkulasjon
O2-transport & vevsoksygenering
3a. VENTILASJON
Reguleres etter metabolske krav: pH 7,35-7,45
PaCO2 4,7-6 kPa
PaO2 > 8 kPa
Hypoventilasjon = PaCO2 > 6kPa
Hyperventilasjon = PaCO2 < 4,7kPa
3a. pH
Bestemmes av frie [H+] i blod
CO2+ H2O H2CO3 H+ + HCO3-
PROTEIN – H H+ + PROTEIN-
NORMAL: pH 7,35-7,45 ALVORLIG ALKALOSE: pH > 7,6
ALVORLIG ACIDOSE: pH < 7,2 HJERTE: NEGATIV INOTROPI, ARYTMIER
Bikarbonatbuffertligningen
CO2 + H20 ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+
H+ + Prot- ↔ HProt
3a. ACIDOSE
RESPIRATORISK (økt PaCO2)
ALVEOLÆR HYPOVENTILASJON
METABOLSK (økt fritt H+)
LAKTACIDOSE trauma/kir,sepsis
KETOACIDOSE diabetes,sult
RENAL ACIDOSE nyresvikt
INTOX eksogene syrer
TAP AV BIKARBONAT diare,fistel,stomi
3a. ALKALOSE
RESPIRATORISK (redusert PaCO2)
ALVEOLÆR HYPERVENTILASJON
Panikk/angst; trauma, sepsis
METABOLSK (minsket fritt H+)
OVERKOMPENSERT RESPIRATORISK ACIDOSE
OPPKAST (TAP AV SALTSYRE)
DIURETIKA (HEMMER HCO3- ELIMINERING)
DIALYSE / LANGVARIG HEMOFILTRASJON
3a. PRODUKSJON AV CO2
Basalmetabolisme ca 250ml CO2 / min
Øker ved anstrengelse, stress, feber ++
Bikarbonatbehandling øker CO2 produksjon
Sjokk/iskjemi/stans gir høy lokal vevs-PCO2:
Høy PvCO2
Lav PaCO2 / ET PaCO2 (grunnet hyperventilering)
…og anaerob metabolisme ↑ Laktat
CO2 løst (PaCO2) og bundet (HbCO2, H2CO3)
CO2 + H2O H2CO3 HCO3
- + H+
3a. ELIMINERING AV CO2
Bohr-effekten beskytter mot hypoksemi i vev
Sur miljø med mye H+ og CO2 minsker Hb’s affinitet for O2
Haldan-effekten øker elimineringen av CO2 i lungene
Basisk miljø med høy O2 øker Hb’s affinitet for O2
CO2 diffunderer 20 ganger lettere enn O2
Alvolær ventilasjon vs produksjon avgjør PaCO2
Alveolær hypoventilasjon = PaCO2 > 6kPa
3a. OKSYGENBEHOV
SaO2 85-90% ved: Normal Tp
Hb > 8 g/dl
Normal CO
Normal laktat
SaO2 > 92% ved: Høy feber
Hjertesykdom
SaO2 > 96% ved: Kritisk sykdom
Høy laktat - organiskjemi
BTS Guidelines Oxygen Therapy, 2017: - KOLS 88-92% - Andre 94-98%
Oxygen Alert Card
3a. RESPIRASJONSSENTER
Nevrongrupper i: Forlengede marg (medulla oblongata)
Hjernebroen (pons) – «rytmesenter»
Sentrale kjemoreseptorer
Hjernestammen
Acidose i CSF stimulerer
Hyperkapni
Hypoksemi Laktat
Hypoksemi «sløver» ellers CNS
3a. RESPIRASJONSSENTER
Perifere kjemoreseptorer
Carotid- (og aorta)legemer
Hyperkapni og hypoksemi stimulerer
Primary motor cortex corollary discharge Limbic motor corollary discharge Medullary respiratory corollary discharge
Medullary chemoreceptors Carotid and aortic bodies
Chest wall joint and skin receptors
Airway C-fibers Pulmonary C-fibers (J-receptors) Slowly adapting pulmonary stretch receptors Rapidly adapting pulmonary stretch receptors Vascular receptors (heart and lung)
Trigeminal skin receptors Upper airway «flow» receptors
Metaboreceptors in respiratory pump muscles Tendon organs in respiratory pump muscles Muscle spindles in respiratory pump muscles
3a. «DYSPNE» multifaktorielt
3a.INTRATHORACALE TRYKK
Lungens elastisitet trekker lungen sammen
Thoraxveggens elastisitet ekspanderer thorax
Ekspirasjon til likevekt (=FRC)
Intrapleuralt trykk (IPP) holdes negativt
gjennom hele respirasjonssyklus (< -5kPa)
Tilsikter utspente lunger og åpne luftveier
3a. POISEUILLES LOV
R 1/(0,9)4 = 1,5
r = 0,24
R 1/(0,24)4 = 300
bronko -
konstr. r = 0,9
3a. VENTILASJON
INSPIRASJON
Diafragmakuplene senkes (innerv. av C3-C5)
Intercostal muskulatur ekspanderer thorax
Negativt intrathoracalt trykk trekker inn luft
EKSPIRASJON
Diafragmakuplene heves (relakserer)
Aksessorisk inspirasjonsmuskulatur relakserer
Økt intrathoracalt trykk presser ut luft
3a. VENTILASJON
SPONTAN (UNDERTRYKKS)VENTILASJON
Alveoler apikalt er størst ved FRC
Størst ekspansjon av små alveoler basalt
Skaper størst undertrykk og ventileres dermed best
KONTROLLERT OVERTRYKKSVENTILASJON
Apikale deler har høyest compliance
Apikale lungeavsnitt blir ventilert mest
Gir mer eller mindre dødromsventilasjon og shunt
Risiko for atelektaser (spesielt ved mye slim, økt buktrykk, lav
PEEP, hyperinflasjon og høy FiO2)
3a. DØDROMSVENTILASJON & SHUNT
SHUNT DØDROMSVENTILASJON
3a. DØDROMSVENT. & SHUNT - kroppens kompensasjon
VASOKONSTRIKSJON BRONKKONSTRIKSJON
3a. DØDROMSVENTILASJON
Tilstander med dødromsventilasjon
«Luft som ikke kommer i kontakt med blod»
Emfysem
Mindre diffusjonsareal og tapte kapillærer
Hypovolemi (apikale lungeavsnitt)
Mindre mengde sirkulerende blodvolum
Lungeembolisme
Andre tilstander med V>Q
Dødrom estimeres utfra ET CO2 og PaCO2
Lav ET CO2 sml med PaCO2 = stort dødrom
3a. iPEEP
= INTRINSIC PEEP / AUTO-PEEP
Def. ende-ekspiratorisk luftveistrykk > 1ATM
«Airtrapping» grunnet tidlig lukning av luftveier Obstruktive lungesykdommer (astma, KOLS)
iPEEP må oppheves før inspirasjon kan starte Økt respirasjonsarbeid fra høy FRC
Negative konsekvenser for hjerte og ventilasjon Økt inspiratorisk arbeid utmattelse
Hyperinflasjon Økt dødromsventilasjon PaO2 ↓ PaCO2 ↑
Negativt intrathoracalt trykk økt preload og afterload
iPEEP kan reduseres med PEEP / CPAP / EPAP
PEEP
V
C ePEEPi
TTE
RE C
1
1
3a. DIFFUSJONSKAPASITET
DLCO
= diffusjonskapasitet for CO
Avhenger av:
- Mengde blod gjennom lungene
- Overflate areal for diffusjon
- Barriere tykkelse og integritet
3a. VENTILASJONSSVIKT
Medikamenter
Opiater, benzodiazepiner
Utmattelse
Lav compliance «stive lunger»
Lungeødem
Atelektaser/Pneumoni
Lungefibrose
Økt luftveismotstand
Slim/Slimhinneødem
Bronkospasme
Redusert nevromuskulær funksjon
Muskulær svekkelse/sykdom, elektrolyttforstyrrelse
3b. DIFFUSJON
PAO2…
Barometertrykk ved havnivå = 101,3 kPa
FiO2 i romluft = 0,21
Fukting (pH2O) = 6,3 kPa
PaCO2 (= PACO2) = 5,3 kPa
PAO2 ≈ 0,21(101,3-6,3) - 5,3/0,8 ≈ 13,3 kPa
PaO2 = PAO2 – (0,33 + 0,028 x alder)
Alveolegassligningen: PAO2 ≈ FiO2 (PATM-pH2O)-PaCO2/RER
3b. FiO2 og PaO2
Alveolegassligningen: PAO2 = FiO2 (PATM-pH2O)-PaCO2/RER
Hva hvis vi teoretisk øker FiO2 til 40%? (PaCO2 = 4kPa) - PAO2 = 0,4 x (101,3-6,3) - 4/0,8=33kPa
Men..økende FiO2 gir økende fysiologisk shunting da luftveier med lavest V/Q kollaberer lavere PaO2
- Quick and dirty - 1. FiO2 x 66 0,4 x 66 = 26,4kPa
- 2. FiO2% x 6/7,5 – PaCO2 = 32 – 5 = 27kPa Økende høyde over bakken gir økende fall i PATM, PAO2 og PaO2
- Tommelfingerregel 10% per 1000m
3c. O2 dissosiasjonskurven
PaO2 13,3 – 8 kPa SaO2 97,5 – 91%
PaO2 8 – 5 kPa SaO2 91 – 71%
Påvirker ():
CO2
Acid
2,3-DPG
Exercise
Tp
3b. HEMOGLOBIN - Hemoglobin har 4 bindningssteder for O2 til Fe-ioner
- Oksygen bundet til Hb : 200ml/l (1 liter/min)
- Oksygen fysiologisk løst : 3ml/l (15 ml/min)
- > 5g/dl deoxy(genert)-Hb cyanose
- Anemi Redusert D(elivered)O2
Redusert viskositet og afterload C.O.↑
PaO2 avh av: FiO2, ventilasjon, diffusjon (V/Q)
SaO2 avh av: PaO2, dissosiasjonskurven, Hb struktur
DO2 = HF x SV x ((Hb x 1,39 x SaO2) + (PaO2 x 0,003))
3c. VEVSOKSYGENERING
Behov varierer fra organ til organ: Basale behov (for overlevelse)
Behov for spesialiserte funksjoner
Hjerte og hjerne >> hud og nyrer
Feber
Metabolisme øker 10-13% / grad C
Nedkjøling reduserer metabolismen
Medikamenter
Anestesimiddler, Opiater (-)
Adrenerga, Levaxin (+)
3c. AEROB METABOLISME
Glucose 38 ATP + H2O + CO2
Mitokondrien er cellens aerobe fabrikk
Sitronsyresykkel: ATP + CO2
Elektrontransport
Respirasjonskvosient:
RQ = Produsert CO2/ Forbrukt O2
3c. ANAEROB METABOLISME
Glucose 2 ATP + Laktat + Elektroner
Laktat metaboliseres i lever > nyrer, hjerte
Vilkårlig grense for anaerob metabolisme:
PicO2 < 0,15-0,4 kPa
PvcO2 < 2,7 kPa
3c. OKSYGENTOKSISITET
Respirasjonskjeden/elektrontransport O2 tar opp 4 elektroner og danner ROI + H2O
O2- (superoksid)
H2O2 (hydrogenperoksyd)
OH- (hydroksyl radikal)
Forsvar Enzymer (superoksyd dismutase, katalase)
ROI-Scavengers (antioksydanter)
Skademekanismer Reperfusjonsskader
Oksydativ stress ved HBO og v/høy FiO2 over lang tid?
3c. ØDEM
Ødem = Transudat/Eksudat > Lymfetransport
Hydrostatisk trykk (BT) Hjertesvikt
Kolloidosmotisk trykk (Albumin) Hypoalbuminemi øker tendens til ødem
Karpermeabilitet Betennelse ødem
Anafylaksi, trauma, brannskader
Infeksjoner, reperfusjonsødem, ARDS
3c. MIKROSIRKULASJON
Q = P/R
Q = Blodstrøm
P = Perfusjonstrykk / Drivtrykk BT - venetrykk
R = Motstand Kardimensjon
Vevs/transmuralt trykk
Viskositet Erytrocytter og proteiner
3b. BLODOMLØP
Klaffeløst lavtrykkssystem PAP = 25/10 mm Hg (middeltrykk ca 15)
Perfusjon av lungeavsnitt er avhengig av: Lungearterietrykket
R = (MPAP-PCWP)/CO
Venstre atrietrykk Blodvolum, ve ventrikkel compliance & funksjon, mitralklaffefunksjon
Høyde i forhold til hjertet (gravitasjon)
Rask oksygenering i lungekapillærer 140ml blod passerer over 70-90m2
3b. PULMONAL HYPERTENSJON
NORMALE LUNGEKAR
Økt blodvolum karmotstanden synker
PULMONAL HYPERTENSJON
Økt blodvolum karmotstand øker
Dyspne og hypoksemi ved anstrengelse
økt høyre ventrikkel belastning
Høyre ventrikkel dilatasjon/hypertrofi HV svikt
3b. SHUNT
ANATOMISK SHUNT F eks intrakardiale shunter
ALVEOLÆR SHUNT «Lungeshunt»
”EKTE” SHUNT
Atelektase, ARDS
V=0 V/Q = 0 Lav PaO2
Liten effekt av økt FiO2 (lav PaO2/FiO2)
PARTIELL SHUNT
Bronkospasme, slim
V<1 V/Q< 1 Lav PaO2
Effekt av økt FiO2
Qs/Qt = (ScO2-SaO2)/(ScO2-SvO2)
4. ORGANSVIKT
Organsvikt = forstyrret spesial funksjon
Mekanismer DIC: Aktivert koagulasjon iskjemi
Anoxi: Hypoksemi, hypoperfusjon
Toksisitet: Myoglobin, Ab, Kontrast, ROI
4. RESPIRASJONSSVIKT
EKSTERNE ÅRSAKER
Intoksikasjon
Trauma Lungekontusjon
Pneumothorax / hemothorax
Ustabil thorax / trauma
INTERNE ÅRSAKER
Pneumoni / sekretstagnasjon / atelektaser
Obstruktiv lungesykdom
Lungeembolisme
ARDS ++
4. «LUNGEØDEM»
Interstitium Lymfekar har kapasitet 6ggr normal nettofiltrasjon
Interstitielt ødem Hydrostatisk trykk, kolloidosmotisk trykk, karpermeabilitet
Kan gi obstruksjon av bronkioler ”Astma cardiale”
Lungeødem Sekundært til interstitielt ødem
Venstresidig hjertesvikt økt trykk post-kapillært
ødem i interstitium og i alveoler
4. ARDS
ÅRSAK DAD sek til trauma/kirurgi, infeksjon/sepsis m.m.
PATOFYSIOLOGI Økt karpermeabilitet lavtrykksødem
Shunt forbi væskefylte alveoler hypoksemi
BERLIN DEFINISJON (-12) Akutt debut <1uke
Bilaterale diffuse lungefortetninger
Ingen kardial svikt eller overhydrering
Vesentlig shuntstørrelse (mild-moderat-alvorlig) PaO2 / FiO2 < 40 kPa med PEEP ≥5 cm H2O
4. LUNGEEMBOLISME
Embolier i karseng
Dødromsventilasjon +
Inflammasjon + komp luftveiskonstriksjon shunt
Tette lungearterier og vasospasme PHT
Konsekvenser
Belastning på høyre ventrikkel (TpT, pro-BNP)
Arytmi, iskjemi, akutt hjertesvikt, død
Redusert forsyning til venstre ventrikkel
Hypotensjon og takykardi
Hyperventilasjon grunnet hypoksemi Lav PaCO2
4. PNEUMONI
PUSS/SLIM, ØDEM (Partiell) shunt redusert PaO2 (hypoksemi)
SENKER COMPLIANCE Øker muskelarbeid
Utmattelse økt PaCO2
KOMPLIKASJONER Lokale: Abscess, Empyem
Systemiske: Sepsis, DIC, ARDS
4. KOLS
KRONISK (OBSTRUKTIV) BRONKITT
Produktiv hoste og kronisk variabel luftveisobstruksjon
EMFYSEM
Air-trapping (↑RV), iPEEP og hyperinflasjon (↑FRC)
Økt dødromsventilasjon takypne, økt pustearbeid
KOLS eksaserbasjon Obstruksjon ↑dødromsventilasjon
Air-trapping, iPEEP og hyperinflasjon ↑pustearbeid
Pneumoni, slim & atelektaser shunt, ↓lungecompl
4. ASTMA
ØKT LUFTVEISMOTSTAND
Bronkospasme
Slimhinneødem
Slim
Astma eksaserbasjon Slim partiell shunt (V<Q) hypoksemi
Økt obstruksjon hyperinflasjon dødromsventilasjon økt pustearbeid
Pneumoni & atelektaser shunt og ↓lungecompliance
4. OKSYGENBEHANDLING + NIV
O2
Viktig å motvirke skadelige effekter av hypoksemi
Nesekateter, OxyMask, maske m/reservoar, HFNOT
CPAP (henviser til egen forelesning i dette tema…)
O2 resistent hypoksemi
iPEEP (astma, KOLS)
BiPAP CPAP + Ventilasjonsstøtte
Indikasjoner: KOLS med akutt hyperkapnisk respirasjonssvikt
Reduserer behov for intubasjon og komplikasjoner, korter ned sykehusopphold og øker overlevelse (Cochrane Collaboration 2009)
Truende respiratorisk utmattelse (vurder intubasjon)
Alternativ til CPAP ved dårlig toleranse (for CPAP)
TAKE HOME MESSAGE
Lungefysiologi omhandler ventilasjon, gassveksling og sirkulasjon.
Respirasjonssvikt er et resultat av V/Q- forstyrrelser, diffusjonsvansker eller hypoventilasjon.
Kunnskaper om lungefysiologi gir bedre forståelse for patofysiologi ved respirasjonssvikt og gjør valg av behandling logisk og målrettet.