Respirationsfysiologi Søren Lyager 2010 FADL s Forlag ISBN 978-87-7749-544-1

Respirationsfysiologi Søren Lyager 2010 FADL s Forlag ISBN 978-87-7749-544-1 Forlagsredaktion: Thomas Bo Thomsen Cover og principlayout: Anne Mette Dixen, Dixen Design Medicinske illustrationer: Birgitte Lerche, Lerches Tegnestue Grafer: 2Krogh A/S Opsætning: Pernille Maack Tryk: Special-Trykkeriet A/S Tak til Maribo Medico og Spiropharma A/S for økonomisk støtte til udgivelsen. Mekanisk, fotografisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt i overensstemmelse med overenskomst mellem Undervisningsministeriet og Copy-Dan. Enhver anden udnyttelse uden forlagets skriftlige samtykke er forbudt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. O FADL s Forlag Blegdamsvej 26 2200 København N www.forlag-fadl.dk forlag@fadl.dk

Indholdsfortegnelse Indledning............................................. 12 Rullen................................................ 12 Brugsanvisning......................................... 12 Kort om respirationens fysiologi....................... 13 1. Luftvejene............................................. 16 Det skadelige rum (dead space, V D )...................... 16 En model for luftvejenes forgrening.......................... 16 Beregninger af det anatomisk skadelige rums størrelse......... 18 Det transmurale tryks betydning for det skadelige rums størrelse. 18 Betydning af tonus i den glatte muskulatur.................... 19 Bronkietræets blodforsyning................................ 20 Rense, fugte og temperere............................. 20 Rense................................................... 21 Fugte og temperere........................................ 22 Apparat dead space..................................... 22 Spørgsmål til kapitel 1................................. 24 Indholdsfortegnelse 2. Lungernes ventilation................................. 26 Lungernes ventilation................................. 26 Inspirationsluftens sammensætning................... 26 Atmosfærisk luft.......................................... 26 Ændring i inspirationsluftens sammensætning................. 27 Ventilationens størrelse.............................. 27 Måling af ventilationens størrelse............................ 27 ATPS-BTPS.............................................. 27 Den alveolære ventilation............................. 28 Det skadelige rums indflydelse på den alveolære ventilation...... 28 Tyngdekraftens indflydelse på fordelingen af den alveolære ventilation 29 Alveoleluftens sammensætning........................ 29 Beregning af P A O 2......................................... 30 Beregning af P A CO 2........................................ 30 Måling af P A O 2 og P A CO 2..................................... 30 Hypo- og hyperventilation.............................. 32 Hypoventilation........................................... 32 Hyperventilation.......................................... 35 Spørgsmål til kapitel 2................................. 36 3. Alveolernes fysiologi.................................. 38 Alveolernes struktur.................................. 38 Interdependence....................................... 39 Surfaktant............................................. 40 Overfladespænding........................................ 40 5

Indholdsfortegnelse Tørre alveoler............................................. 41 Hysterese................................................ 42 Sammenfatning......................................... 43 Spørgsmål til kapitel 3................................. 44 4. Lungernes perfusion.................................. 46 Lungernes blodgennemstrømning..................... 46 Perfusionens størrelse..................................... 46 Måling af lungernes perfusion............................... 46 Lungernes blodvolumen............................... 47 Ændring i det intratorakale blodvolumen............. O......... 47 Måling af lungernes blodvolumen............................ 47 Trykforholdene i lungekredsløbet.................... 48 Regulering af blodtrykket i lungekredsløbet.................... 48 Trykmåling i lungekredsløbet................................ 49 Lungekarmodstanden.................................. 51 Måling af lungekarmodstanden.............................. 51 Lungevolumens betydning for karmodstanden.................. 52 Tyngdekraftens betydning for perfusionens fordeling i lungerne... 53 Karmodstanden under muskelarbejde........................ 55 Veno-arterielle shunter............................... 56 Veno-arterielle shunter i lungerne............................ 56 Beregning af den totale shunts størrelse...................... 58 Estimat af den pulmonale og den alveolære shunts relative størrelse 58 Lungernes ikke-respiratoriske funktioner............. 59 Lymfe- og væskedannelse i lungerne......................... 59 Lungerne som filter........................................ 60 Lungernes produktion og behandling af aktive stoffer............ 60 Lungernes eget oxygenforbrug............................... 61 Spørgsmål til kapitel 4................................. 62 5. Gradienter i lungerne.................................. 64 Den alveolo-arterielle oxygentensionsgradient (P(A-a)O 2 ) 65 Ventilation/perfusions-forholdet............................. 65 Ventilation/perfusions-misforholdets betydning for oxygengradienten 68 Diffusionsbarrierens betydning for oxygengradienten............ 73 Den arterio-alveolære karbondioxidgradient (P(a-A)CO 2 ) 73 Den arterio-alveolære nitrogengradient (P(a-A)N 2 )..... 74 V O2, V CO2, R OG RQ........................................... 75 Spørgsmål til kapitel 5................................. 76 6. Diffusion............................................... 78 6 Lungediffusion......................................... 78 Diffusion i luft............................................. 78 Diffusion i membraner og væske............................. 79 Erytrocyttens rolle......................................... 81

Om lungediffusionskapaciteten for oxygen (D L )........ 82 Membrankomponenten.................................... 82 Blodkomponenten (V c θ).................................... 83 Perfusions- og diffusionsbegrænsning................ 83 Perfusionsbegrænsning.................................... 83 Diffusionsbegrænsning..................................... 84 Oxygen.................................................. 84 Måling af lungediffusionskapaciteten................. 85 Diffusion i de perifere væv............................. 85 Luftabsorption fra aflukkede hulrum................. 86 Gaslagre i kroppen..................................... 88 Oxygen................................................... 88 Karbondioxid.............................................. 88 Nitrogen................................................. 88 Spørgsmål til kapitel 6................................. 89 Indholdsfortegnelse 7. Blodet.................................................. 92 Oxygen (ilt, O 2 ) i blodet.................................. 92 Fysisk opløst oxygen....................................... 92 Kemisk bundet oxygen...................................... 92 Hypoxi.................................................. 94 Karbondioxid (kuldioxid, CO 2 ) og ph i blod............... 97 Fysisk opløst og kemisk bundet karbondioxid................... 97 Hyper- og hypokapni....................................... 100 Klinisk bedømmelse af syre-base-forstyrrelser....... 100 Definitioner og normalværdier............................... 100 Eksempel på analyse...................................... 102 Spørgsmål til kapitel 7................................. 103 8. Ventilationens regulering............................. 106 Sensorer............................................... 106 Virkning af CO 2............................................ 106 Virkning af hypoxi......................................... 106 Sammenfatning......................................... 107 Receptorer i lungerne...................................... 108 Receptorer i respirationsmuskler............................ 108 Kontrolenheder....................................... 108 Effektorer............................................. 109 Respirationsmuskulaturen.................................. 110 Isoleret effekt......................................... 110 Hypoxæmi................................................ 110 Hyperoxi................................................. 111 Hyperkapni............................................... 111 Hypokapni................................................ 112 Acidose og alkalose........................................ 112 7

Indholdsfortegnelse Interaktion............................................ 112 CO 2 og O 2................................................ 112 CO 2 og ph................................................ 113 Respirationsmønsteret................................. 113 Det normale respirationsmønster............................ 113 Nyttige ændringer i respirationsmønsteret.................... 113 Søvn..................................................... 114 Apnø.................................................... 115 Respirationsregulering under muskelarbejde......... 115 Sammenfatning......................................... 117 O Spørgsmål til kapitel 8................................. 118 9. thorax' og lungernes mekaniske forhold de statiske egenskaber............................................ 120 Lungernes ventilation kræver bevægelse af thoraxvæggen, diafragma og lungevævet............... 120 Thoraxvæggen og pleura............................... 120 Costae, sternum og columna................................ 120 Respirationsmusklerne..................................... 121 Pleurahulen.............................................. 124 Thorax' og lungernes elastiske egenskaber........... 124 Måling af lungevolumina.................................... 124 Lungevolumina og lungekapaciteter.......................... 125 Måling af tryk............................................. 129 Registrering og plot af volumen-tryk-kurver................... 131 Analyse af kurveforløbene................................... 133 Dynamisk compliance...................................... 134 Specifik compliance........................................ 134 Energier................................................ 135 Efter en eksspiration....................................... 136 Efter en inspiration........................................ 136 Spørgsmål til kapitel 9................................. 138 10. Thorax' og lungernes dynamiske egenskaber........... 140 Luftstrømning......................................... 140 Laminær og turbulent strømningsform....................... 140 De drivende tryk........................................... 141 Måling af luftvejsmodstanden (Raw).......................... 141 Respirationsarbejdet.................................. 144 Respirationssløjfen........................................ 144 Det visuelle indtryk........................................ 145 Den forcerede eksspiration............................ 146 Teoretiske overvejelser............................... 146 Flow-volumen-kurven.................................. 149 MEFV-kurvens udseende................................... 149 Kompressionsvolumen..................................... 150 He-O 2 -kurver............................................. 150 8

Peak flow.............................................. 151 Spirogrammet.......................................... 152 FEV 1.................................................... 153 Air trapping.............................................. 153 MVV..................................................... 154 Tidskonstanten......................................... 154 Lungemodeller............................................ 154 Dynamisk compliance...................................... 156 Pendulluft............................................... 157 Nitrogrammets fase 3...................................... 157 Den optimale respirationsfrekvens........................... 157 Spørgsmål til kapitel 10................................ 159 Indholdsfortegnelse 11. Usædvanlige omgivelser............................... 162 Bjerge.................................................. 162 Akklimatisering........................................... 164 Akklimatisering har en pris................................. 164 Sammenfatning........................................... 165 Dykning................................................ 165 Fri dykning (dykning uden hjælpemidler)...................... 165 Besvimelse under vandet................................... 165 Dykning med hjælpemidler.................................. 166 Dykkersyge (trykfaldssyge).................................. 166 Nitrogen, oxygen og helium............................. 167 Hyperbar oxygen....................................... 167 Spørgsmål til kapitel 11................................ 168 12. Variationer i lungefunktionen......................... 170 Normalpersonværdier................................. 170 En holdbar konklusion..................................... 171 Normale ændringer i lungefunktionen................ 171 Før og umiddelbart efter fødslen............................. 171 Børn og unge............................................. 172 Voksne, mænd og kvinder................................... 172 Gravide.................................................. 172 Gamle................................................... 172 Etniske forskelle.......................................... 173 Variationer i løbet af dagen og året........................... 173 Fysisk træning............................................ 173 Svært overvægtige......................................... 173 Spørgsmål til kapitel 12................................ 176 13. Målemetoder........................................... 178 Bestemmelse af statiske lungefunktionsværdier...... 178 Spirometri................................................ 178 Bestemmelse af det anatomisk skadelige rums volumen......... 178 Bestemmelse af TGV ved nitrogenfortynding................... 180 Bestemmelse af CV ved single breath-nitrogenudvaskning........ 180 9

Indholdsfortegnelse Bestemmelse af dynamiske lungefunktionsværdier.... 183 FEV 1.................................................... 183 PEF..................................................... 183 Dynamisk bestemmelse af alveoletryk (Palv)................... 184 Pneumotachografi......................................... 185 Kropspletysmografi........................................ 187 Bestemmelse af TGV ved hjælp af kropspletysmografi........... 188 Forcerede oscillationer............................... 189 Måling af minutventilation m.m......................... 190 Kalibrering af volumen, flow og tryk.......................... 190 Kalibrering af volumenmålere............................... 191 Kalibrering af flowmålere................................... 191 Kalibrering af trykmålere................................... 192 Nitrogenudvaskningskurver........................... 192 Udvaskningstid og halveringstid.............................. 192 Kompartementsanalyse.................................... 192 Regional lungefunktionsundersøgelse................ 194 Den regionale ventilation.................................... 194 Den regionale perfusion.................................... 194 Blodtryksmåling i lungekredsløbet................... 195 Blodprøver............................................. 195 Lungeveneblod............................................ 195 Arterieblod............................................... 196 Veneblod................................................. 196 Blandet veneblod.......................................... 196 Transkutane målinger.................................. 196 P tc O 2 og P tc CO 2............................................ 196 Pulsoxymetri.............................................. 196 Luftprøver............................................. 197 Spørgsmål til kapitel 13................................ 198 14. Appendiks.............................................. 200 Måleenheder for tryk.................................. 200 Omsætningstabel mellem enhederne mmhg, kpa og cm H 2 O..... 200 Symboler............................................... 200 Symboler brugt i respirationsfysiologien....................... 201 Regler for anvendelse af symbolerne......................... 201 Eksempler på sammensatte symboler........................ 201 Dampform og luftform................................. 202 Temperaturens indflydelse på mættet vanddamp............... 203 Trykkets indflydelse på mættet vanddamp..................... 203 Trykkets indflydelse på gasvolumen.......................... 203 Temperaturens indflydelse på gasvolumen..................... 204 ATPS, BTPS og STPD...................................... 204 BTPS.................................................... 204 STPD.................................................... 205 10

Udledning (og omtale) af nogle respirations - fysiologiske ligninger.................................. 205 Det skadelige rums størrelse (Bohrs ligning)................... 205 Hjertets minutvolumen (Ficks ligning)......................... 206 Den veno-arterielle shunts størrelse.......................... 207 Oxygenoptagelseshastigheden.............................. 207 Karbondioxidudskillelseshastigheden......................... 208 Den respiratoriske udvekslingskvotient........................ 208 Alveoleluftligningen i sin udvidede form....................... 208 Beregning af P A CO 2........................................ 209 Lungediffusionskapaciteten (DL)............................. 209 Compliance (C tot ).......................................... 210 Indholdsfortegnelse 15. Svar på spørgsmål..................................... 212 Ordforklaring......................................... 222 stikordsregister...................................... 226 11

Indledning Indledning Rullen Hver morgen inden afdelingskonferencen på Kardiologisk afdeling på Århus Kommunehospital gennemgik overlæge, dr.med. Ernst Boye Rullen for mig. Rullen var en tegneserie, der handlede om respirationens fysiologi. Den var optegnet på en rulle bordpapir. Serien var baseret på Julius Comroes klassiske værk The Lung og med mange tegninger inspireret af John B. West. Vi tog en halv time hver morgen i et halvt år. Så kunne jeg lære det! Det var pædagogisk, inspirerende og morsomt. Denne bog er mest for medicinstuderende. Derfor er der indsat som kliniske blokke omtalt en del kliniske situationer i tilknytning til de fysiologiske fænomener, overvejende med det formål at illustrere, at teori og praksis hænger sammen. Det samme gælder omtalen af normale og sygelige variationer i lungernes funktion. På grund af den relativt beskedne plads, der er afsat til øvelseskurser i fysiologi ved de tre fakulteter, er målemetoderne gennemgået grundigere end i andre gængse fysiologibøger. I blade og i elektroniske medier finder man jævnligt udokumenterede, alternative forslag til, hvordan man bør trække vejret for at forbedre sit helbred. Det er mit håb, at bogen også kan give forståelse for, at organismen hos alle lungeraske (og flertallet af lungesyge) selv er i stand til meget fint at regulere vejrtrækningen optimalt. Jeg har valgt ikke at bruge betegnelserne fysiologisk skadeligt rum og fysiologisk shunt, men bruger i stedet betegnelserne totalt skadeligt rum og totalt shunt. Jeg har endvidere valgt at bruge de traditionelle, gammeldags enheder for tryk: mmhg og cm H 2 O. Disse enheder er anvendt i de nyeste lærebøger, der omhandler respirationens fysiologi (J.B. West, 2008; Boron & Boulpaep, 2009). De er fortsat dominerende i klinikken. Omregning mellem enheder er beskrevet i bogens appendiks. Også andre end Ernst Boye har inspireret min interesse for respirationens fysiologi, blandt andre lektor, dr.med. Noe Næraa og docent, dr.med. Ole Find Pedersen, begge tidligere ansat ved Fysiologisk Institut ved Aarhus Universitet. I en lang periode var fysioterapeut, med.dr. Birgit Steffensen, Muskelsvindfonden, en inspirerende samarbejdspartner. Den opbakning, jeg under udarbejdelsen af denne bog har fået fra stud.med. Rolf Blauenfeldt, har været opmuntrende og enestående. Min datter og svigersøn, Mette og Ole, har bidraget med en sproglig gennemgang af manuskriptet. Jeg vil derudover gerne takke Peter Norsk, professor dr.med., ved Biomedicinsk Institut, Københavns Universitet, samt Peter Bie, professor, dr.med., og Pernille B. Lærkegaard Hansen, lektor, begge Syddansk Universitet, som venligst har læst og kommenteret manuskriptet. Desuden vil jeg gerne sende en stor tak til Spiropharma A/S og Maribo Medico, som gavmildt har støttet bogen økonomisk. Brugsanvisning Før hvert kapitel er der en oversigt over kapitlets indhold, som kan bruges som skabelon ved repetition, fx i eksamenssammenhæng. Klinisk relevante forhold er samlede i kliniske blokke. Efter alle kapitler er der nogle spørgsmål i 12

relation til kapitlets indhold. Disse er relevante i eksamenssammenhæng og skulle gerne kunne besvares af den studerende. Svar på spørgsmålene findes bagest i bogen. Svarene er dog holdt i en kortfattet stil og må derfor ikke opfattes som hverken modelbesvarelser eller rettevejledninger. Centrale ord og begreber findes oplistet sidst i bogen. Indledning Kort om respirationens fysiologi Lungernes opgave er ved hjælp af ventilationen at forsyne organismen med oxygen (oxygenoptagelseshastigheden) og fjerne karbondioxid (karbondioxidudskillelseshastigheden) i et tempo, der under alle forhold sikrer et optimalt indre miljø med hensyn til O 2, CO 2 og H +. Kan lungerne ikke klare denne opgave, taler man om respirationsinsufficiens. Andre organer, primært hjertet, kredsløbet, nyrerne og nervesystemet, deltager aktivt i denne proces. Oxygenoptagelsen og karbondioxidudskillelsen foregår over den alveolokapillære membran dybt nede i lungerne. Idet inspirationsluften passerer gennem de øvre luftveje, bliver den renset, fugtet og tempereret. Her forgår der ingen optagelse af oxygen eller udskillelse af karbondioxid. Derfor kaldes de øvre luftveje også skadeligt rum eller dead space. Under indåndingen (inspirationen) transporteres oxygen fra omgivelserne ned til alveolerne, og under eksspirationen transporteres karbondioxid med eksspirationsluften fra alveolerne ud til luften omkring os. Dette luftskifte kaldes lungernes ventilation. For at det venøse blod, der tilføres lungerne, kan blive arterialiseret (få tilført oxygen og fjernet karbondioxid), må der på samme tid foregå to modsatrettede transporter: Oxygenmolekylerne skal passere fra alveolerne over den alveolokapillære membran, gennem blodplasmaet og hen til og ind i erytrocytterne. Her bliver størstedelen kemisk bundet til hæmoglobinet. Noget oxygen forbliver dog fysisk opløst i blodets vandfase. Modsat må karbondioxid passere fra blodet gennem alveolo-kapillær-membranen til alveolerne. Denne transport af oxygen og karbondioxid over membranen kræver ikke energitilførsel, men er passiv. Processen kaldes diffusion. Blodets passage fra højre hjertehalvdel gennem arteria pulmonalis, lungekapillærerne og venae pulmonalis kaldes lungernes perfusion. Lungernes perfusion er nødvendig for transporten af oxygen fra alveolerne ud til cellerne og for karbondioxidtransporten fra cellerne frem til alveolerne. Den mængde luft, der når ned i alveolerne (den alveolære ventilation), skal stå i et rimeligt forhold til den mængde blod, der passerer omkring alveolerne i lungekapillærerne (lungernes ventilation/perfusions-forhold). Hvis nogle alveoler over ventileres, opstår der alveolære skadelige rum, hvis andre underventileres, opstår der alveolære shunter. Hos alle tilføres der små mængder venøst blod til det arterialiserede. Dette blod kommer fra småvener, der indmunder i venae pulmonalis og i venstre hjertehalvdel. Dette kaldes anatomiske veno-arterielle shunt. Det betyder, at selv normale lunger ikke er perfekte. Lungerne ventileres ved hjælp af respirationsmusklerne, der således udfører et arbejde, respirationsarbejdet. Størrelsen af dette arbejde afhænger af, hvor 13

Indledning stor modstand musklerne skal overvinde. Denne modstand består af: 1) en modstand mod luftens strømning gennem luftvejene (strømningsmodstanden) og 2) en modstand som følge af lungernes og brystkassens elastiske egenskaber (den elastiske modstand eller compliance). Ventilationen er reguleret efter de vekslende krav (hvile, muskelarbejde osv.), for at der kan være et rimeligt forhold mellem oxygenbehov og oxygentilførsel samt karbondioxidproduktion og karbondioxidudskillelse. Ventilationens regulering foregår ved hjælp af respirationscenteret, der befinder sig i medulla oblongata. Respirationscenteret reagerer på ændringer i blodets ph samt oxygen- og karbondioxidindhold. Falder oxygenindholdet og ph, og/eller stiger karbondioxidindholdet i blodet, vil respirationscenteret øge antallet af impulser (via nervesystemet) til respirationsmusklerne, således at ventilationen øges, indtil man atter nærmer sig det normale oxygen- og karbondioxidindhold i blodet. For at danne sig et indtryk af om lungerne fungerer tilfredsstillende, kan man tage en arterieblodprøve og bestemme respirationstal. Oxygeneringen kan bestemmes ved at måle oxygentension og oxygenmætning (saturation) og udskillelsen af karbondioxid ved at bestemme karbondioxidtension, ph og standard bikarbonat eller base excess. Mange af lungernes delfunktioner kan testes. Testresultaterne sammenlignes med normalpersonværdier for at afgøre den øjeblikkelige status eller konstatere eventuelle ændringer over tid. Søren Lyager Læge, tidligere lektor ved Fysiologisk Institut, Aarhus Universitet 14

1. Det skadelige rum (dead space, V D ) Rense, fugte og temperere Apparat dead space

Kapitel 1 Luftvejene Luftvejene De øvre luftveje kaldes (måske lidt uretfærdigt) det skadelige rum, fordi der ikke sker nogen udveksling af oxygen og karbondioxid her. Dette skadelige rum strækker sig fra den ydre åbning af næse- og mundhule, gennem pharynx, larynx, trachea og bronkier, ud til de fungerende alveoler (bronchioli respiratorii). Skadeligt rum er på denne måde anatomisk defineret (det anatomisk skadelige rum). En funktionel definition er volumen af den del af den inspirerede luft, der eksspireres uændret. Andre betegnelser er konduktive luftveje, dødt rum eller dead space, heraf symbolet V D. Det skadelige rum (dead space, V D ) Da der er en gradvis overgang fra de konduktive til de respiratoriske afsnit, er det skadelige rum ikke særligt velafgrænset, og det er svært at udtale sig om dets absolutte størrelse. Om anvendelse af de respirationsfysiologiske symboler, se bogens omslag (indersiden). En model for luftvejenes forgrening En model for luftvejenes forgrening indeholder 23 generationer (0.-23. generation). Den anatomiske opbygning af trachea og bronkier er ud til 10. generation domineret af bruske, der oralt er U -formede og mere perifert uregelmæssigt pladeformede. Bruskene er holdt sammen af glat muskulatur og bindevæv med kollagene og elastiske fibre. Perifert for 11. generation, hvor diameteren er under én mm (bronkiolerne), er der ingen brusk. Bronkiolerne er meget eftergivelige, men de er indlejrede imellem alveolerne og holdes åbne af de elastiske og kollagene fibre i lungevævet. Rørenes dimensioner er derfor påvirkede af alveolernes udspilingsgrad (lungevolumen). Fra ca. 16. generation begynder der at optræde alveoler (bronchioli respiratorii og ductuli alveolares). Det skadelige rums volumen Hos børn sættes det skadelige rums volumen til ca. to ml per kg legemsvægt. For en normal voksen person er det ca. 0,15 liter. Volumen er ca. 50 ml mindre i liggende stilling end i siddende. Størrelsen øges med alderen. Fx er anført, at V D (i ml) kan anslås til: Alder (år) + (2,2 vægt i kg). Det samlede tværsnitsareal Det samlede tværsnitsareal af luftvejene tiltager stærkt, efterhånden som man nærmer sig alveolerne. Tværsnitsarealet i trachea (hos en voksen) er ca. 2,5 cm 2. Det aftager en smule over de første fire generationer. Svarende til de yderste bronkioler (bronchioli respiratorii) er det samlede areal (rundt regnet) 250 gange så stort som i trachea. Da den luftmængde, der skal passere hvert tværsnit totalt set er den samme, så vil lufthastigheden (flowet) aftage betragteligt ned gennem bronkiesystemet (Figur 1.1 og 1.2). 16

Det betyder, at strømningsmodstanden i de små luftveje (med en diameter under 2 mm) er meget lille, kun ca. 10 % af den samlede. Man kan tale om et tavst område, hvor sygelige processer (fx med slimhindesvulst og sekret) kan være meget længe om at blive opdaget. Først sent i forløbet bliver modstanden så stor, at den kan mærkes, og der kommer symptomer. Se kapitel 10. Figur 1.1 Relativ lufthastighed (%) Figur 1.2 Totalarealet øges kraftigt Trachea Bronkietræet og dets tiltagende totale tværsnitsareal. Efter Schwartzstein & Parker, Respiratory Physiology, 2006. 200 % 100 % 0 % Konduktive luftveje Relativ lufthastighed (%) Det samlede areal (cm 2 ) Luftvejsgenerationer Alveolære luftveje 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Bronkier Bronkioler Det tiltagende tværsnitsareal og det heraf følgende fald i luftens samlede strømningshastighed. Bemærk dog, at hastigheden i de første fire generationer er højere end i trachea, idet det samlede tværsnitareal her er faldende. Efter Boron & Boulpaep, Medical Physiology, 2009. 600 400 200 Areal (cm 2 ) Kapitel 1 Luftvejene 17

Kapitel 1 Luftvejene Beregninger af det anatomisk skadelige rums størrelse Bohrs ligning Størrelsen af det anatomisk skadelige rum (V Danat ) kan beregnes ud fra massebevarelsesprincippet: Mængden af karbondioxid, der per tidsenhed afleveres fra blodet til alveolerne, er den samme som mængden, der per tidsenhed kan opsamles i en sæk (udledning af Bohrs ligning kan ses i kapitel 14). Bohrs ligning: Tidalvolumen (V T ) og kabondioxidfraktionen (F E CO 2 ) i blandet eksspirationsluft bestemmes fx ved Douglassækmetoden (se kapitel 13). Sikker bestemmelse af alveoleluftens karbondioxidfraktion (F A CO 2 ) kan derimod være vanskelig. F A CO 2 kan bestemmes ved analyse af en alveoleluftprøve, der er opsamlet i en pose, efter at personen har eksspireret mindst 500 ml (såkaldte Haldane-stød). Oftest anvendes registrering af et kapnogram. Kapnogrammets plateau (jf. Figur 13.5) er oftest mere eller mindre stigende. Stigningen skyldes, 1) at en eksspiration kan opfattes som en apnø-periode, hvor der fortsat tilføres karbondioxid til et aftagende lungevolumen, hvorfor CO 2 -koncentrationen stiger, og 2) at ikke alle alveoler tømmer sig lige hurtigt (se kapitel 10). Nogle anvender en middelværdi, andre en slutværdi (end tidal) for F A CO 2. Den samme usikkerhed gælder ved analyse af en alveoleluftprøve, hvor det er en middelværdi, der anvendes. Fowler Fowler har beskrevet en metode til måling og beregning af det skadelige rums størrelse. Under en eksspiration registreres på samme tid 1) det eksspirerede volumen og 2) FN 2 (ved munden) efter en inhalation af 100 % oxygen. Sammenholdes nitrogrammet med volumenkurven, kan V D beregnes (se kapitel 13). I dag anvender man oftest registrering af FCO 2 (kapnogrammet) sammen med lungevolumen. Det transmurale tryks betydning for det skadelige rums størrelse Da en stor del af luftvejene befinder sig inde i thoraxhulen, bliver de påvirkede af det transmurale tryk (Ptm), som er luftvejenes intraluminale tryk (Pil) pleuratrykket (Ppl). Om symbolerne, se bogens omslag (indersiden). Sammen med luftvejssegmentets eftergivelighed (compliance) bestemmer Ptm det lokale tværsnitsareal. Fx ændrer volumen af det skadelige rum sig rytmisk med vejrtrækningen: større under inspiration, mindre under eksspiration. Bronkier og bronkioler kan modstå et transmuralt tryk (Pil Ppl) på op mod 50 cm H 2 O. Under en forceret eksspiration har man målt pleuratryk (Ppl) på mere end + 60 cm H 2 O. Da de øvre luftveje under eksspirationen står i åben forbindelse med omgivelserne, er det intraluminale tryk (Pil) ikke ret stort, hvorfor der kan opstå kompression af disse luftveje (se Figur 1.3). Gennem denne bronkieforsnævring øges flowet. Det kan ofte høres som en hvæsende lyd som tegn på turbulens. Den store lufthastighed (som ved hoste) letter 18

fjernelse af sekret. Ved meget store pleuratryk kan disse luftveje kollabere helt, lukke af (se også kapitel 10). Figur 1.3 Trachea og bronkier Kompression af større og mindre luftveje Kompression af større og mindre luftveje. Efter Tammeling & Quanjer, Contours of Breathing, 1978. Bronkioler Positivt tryk i luftvejene (respirator) eller respiratoriske hjælpemidler (CPAP) vil øge det skadelige rums størrelse. Betydning af tonus i den glatte muskulatur Tonus i bronkiernes glatte muskulatur har stor betydning for luftvejenes modstand mod luftstrømningen (luftvejsmodstanden, strømningsmodstanden, Raw). De glatte musklers tonus bestemmes af en balance mellem sympatiske β 2 -adrenerge receptorer (dilaterende effekt) og vagus kolinerge receptorer (bronkokonstriktion). Dosering af atropin vil således ved at blokere vagus få bronkie muskulaturen til at relaksere. Man har målt stigning i det anatomisk skadelige rums størrelse på op til 45 ml. Omvendt vil visse β-receptor blokerende medikamenter og histamin kunne give anledning til bronkokonstriktion. Iltfattig luft kan øge muskeltonus og derved give en lokal hypoxisk bronkokonstriktion. Sensitive baner fra hurtigt adapterende irritantreceptorer (i de øvre luftveje og i de store bronkier) er led i reflekser, der reagerer på mange forskellige stimuli på slimhinden. De advarer med hoste mod lokal inflammation, fremmed legemer og påvirkning af kemiske substanser, fx tobaksrøg og allergener. Tonus i strækreceptorer (hurtige, myeliniserede nervefibre, der fx findes overalt i luftvejenes glatte muskulatur) varierer inverst med lungernes volumen (stort lungevolumen, lille tonus og omvendt) og bidrager derved til, at den glatte muskulaturs kontraktionsgrad og bronkiernes kaliber ændres med respirationscyklus. Detaljer fremgår af Tabel 1.1 og 1.2. Kapitel 1 Luftvejene 19

Kapitel 1 Luftvejene BRONKOKONSTRIKTION øger luftvejsmodstanden Fremmedlegemer, aspireret maveindhold Tobaksrøg og andre luftforurenende stoffer Øget parasympathicustonus frigør acetylkolin på M 3 -muskarine receptorer Acetylkolin (direkte) β 2 -receptor-antagonister Strækreceptorer (fald i lungevolumen) PO 2 -stigning med respiratorisk alkalose (PCO 2 -fald) som følge af lokal relativ hyperventilation Histamin Leukotriener Tabel 1.1 Omstændigheder, der fremmer bronkokonstriktion. BRONKODILATATION nedsætter luftvejsmodstanden Øget sympathicustonus Cirkulerende adrenalin på β 2 -receptorer Noradrenalin, men kun svag virkning på β 2 β 2 -agonister (isoprenalin, salbutamol) Parasympathicus antagonister, fx atropin Aminofyllin (theofylamin) Strækreceptorer (øgning af lungevolumen) Tabel 1.2 Omstændigheder, der hæmmer bronkokonstriktion. Bronkietræets blodforsyning Nogle af aa. bronchialis udspringer direkte fra aorta, andre fra interkostale arterier. De har derfor et blodtryk svarende til det systemiske. Blod gennemstrømningen svarer til ca. 1 % af hjertets minutvolumen. De forsyner de konduktive luftveje og det nærliggende lungeparenkym med blod. Blodet fra aa. bronchialis forsyner bronkieslimhinden, således at den forbliver varm og fugtig. Derved er slimhinden med til at hindre udtørring og afkøling af alveolerne. Blodforsyningen af bronchioli respiratorii og perifert herfor sker normalt fra lavtryksområdet via a. pulmonalis. Bronkiekredsløbet har en stor evne til at danne nye kar. På den måde kan det tilhørende lungevæv undgå anoxi og vævsdød (nekrose), hvis en gren af a. pulmonalis bliver okkluderet, fx af en blodprop. Veneafløbet sker for halvdelens vedkommende til vv. pulmonalis og udgør således en del af den venoarterielle shunt. Resten løber gennem v. azygos. Rense, fugte og temperere Det skadelige rum er hverken skadeligt eller dødt, men yderst nyttigt. Inspirationsluften passerer gennem de øvre luftveje, inden den når ned i alveolerne, hvor luftskiftet foregår. Atmosfæren i det offentlige rum inde holder ud over oxygen, nitrogen og vanddamp vekslende mængder af forurenende luftarter, dampe og partikler, heriblandt tobak, pollen, svampesporer, bakterier og vira. Det vil sige ting, som vores organisme ingen nytte har af, eller som kan være direkte farlige. 20

Rense Det er hensigtsmæssigt, at luftvejene har en stor evne til at rense sig selv, dels ved hjælp af 1) det muko-ciliare system, dels ved hjælp af 2) reflekser (hoste) og endelig 3) ved hjælp af alveolære makrofager gennem lymfe eller blodbanen. Det muko-ciliare system Ud til bronchioli respiratorii er luftvejenes slimhinder opbygget af cylinderepitel med cilier. Indlejret i slimhinden findes der kirtelceller. Nogle secernerer et mukøst, tyktflydende sekret, og andre producerer en serøs, tyndtflydende væske (se Figur 1.4). Cilierne bevæger sig i det nederste tyndtflydende væskelag. Toppen af dem når lige igennem dette vandige lag og berører det mere tyktflydende (mukøse) lag, hvori partikler fra luften kan opfanges. Cilierne bevæger sig normalt på en koordineret måde med en hurtig fase oralt og en langsommere i retning mod alveolerne. På den måde bevæges det mukøse slimlag (med en hastighed på ca. 2 cm i minuttet) op mod pharynx, hvorfra det fjernes (synkes). Der kan fjernes ca. 60 ml mucus på 24 timer. Ciliernes bevægelser stoppes midlertidigt, hvis de udsættes for forskellige stoffer som f.eks. tobaksrøg eller anæstesigasser, eller hvis mucus indtørres. Ved Kartageners syndrom ses multiple lidelser, hvoraf nogle skyldes ophævet ciliefunktion i såvel bronkierne som tubae uterina. Figur 1.4 Mukøst lag Vandigt lag Retning mod svælget Slimproducerende kirtel Bronkieslimhinde med kirtler, cilier og to lag mucus. Efter West, Pulmonary Patophysiology, 1977. Fangede partikler Cilier Epitel Indfangning af partikler Hvor i luftvejssystemet partikler opfanges, afhænger af deres størrelse, form og vægt samt af den lokale lufthastighed. I næsehulen og i pharynx vil store og tunge partikler (over ca. 10 µm) blive fanget af næsehår eller i mucus på slimhinderne. Selvom luftstrømmen her har en høj hastighed, bliver den ofte afbøjet, hvorfor partiklernes inerti får dem til at lande på slimhinden. I næsehulen er ciliebevægelserne rettet med den hurtige fase bagud mod pharynx. Mindre partikler (ned til 0,2 µm) kan nå betydeligt længere ned i luftvejene og vil på grund af tyngdekraften falde ned på slimhinden, hvor Kapitel 1 Luftvejene 21

Kapitel 1 Luftvejene lufthastigheden er lille (sedimentation). Ciliernes bevægelser vil transportere mucus med de opfangede partikler oralt. Endnu mindre partikler og molekyler (> 0,1 µm) kan diffundere (Brownske molekylbevægelser) helt ud i alveolerne. Tobaksrøg, asbestfibre og stenstøv samt pollen, bakterier og vira kan nå dybt ned i luftvejene, hvor de kan aflejres og irritere slimhinderne. Inde i alveolerne findes makrofager, der er i stand til at indfange og destruere organisk materiale (fx bakterier og vira) og fjerne det med lymfen, med blodet eller ved hjælp af det muko-ciliare system. Over 80 % af de opløselige stoffer i tobaksrøg fjernes via lymfe og blodbanen eller retineres i lungerne. Hosterefleksen Hosterefleksen er meget kompliceret. Den udløses fra irritantreceptorer beliggende i slimhinderne i næsen, svælget, trachea og hovedbronkierne. Disse receptorer stimuleres af partikler, ophobet mucus, tobaksrøg og luftarter som fx ammoniak. Hoste starter med en kraftig inspiration. Herefter opbygges et stort intratorakalt tryk mod lukket glottis. Når glottis åbnes, kan der (eksplosivt) opstå meget store lufthastigheder (halvdelen af lydens hastighed), som medvirker til at fjerne ophobet mucus og partikler. Under et voldsomt host er der målt meget store tryk (300 mmhg med lukket glottis) både intratorakalt, i kredsløbet uden for thorax og i centralnervesystemet. Stimulering af irritantreceptorer beliggende mere perifert i bronkietræet kan udløse øget (ofte tyndtflydende) sekretion fra slimhinden, bronkokonstriktion og øget ventilation. Fugte og temperere. Normalt vil den mere eller mindre fugtige inspirationsluft hurtigt (allerede i næsehulen eller svælget) blive fuldmættet med vanddamp ved den der herskende temperatur. Luftens temperatur nærmer sig hurtigt legemstemperaturen. Eksspirationsluften er derfor fuldmættet med vanddamp og kun en smule afkølet (se kapitel 14). Apparat dead space Hvis en person trækker vejret i en maske eller et apparat (fx i tilknytning til et respiratorisk hjælpemiddel, en respirator, et anæstesiapparat, et spirometer eller til dykkerudstyr), vil der være et rum, hvor både inspirations- og eksspirationsluft passerer. Dette volumen er en forøgelse af personens skadelige rum og kaldes apparat dead space (V Dapp ). Da apparat dead space (sammen med anatomisk og alveolært skadeligt rum) nedsætter den alveolære ventilation, bestræber man sig på at formindske volumen af den del af apparatet. Se lungernes ventilation: apparat dead space side 34. Jf.: V A = V E (V Dtot + V Dapp ) f 22

For at undgå hypoventilation kan det være nødvendigt med en tilsvarende forøgelse af lungeventilationen ( ). Man kan også anvende et stort luftflow, der skyller dead space fri for karbondioxid (se kapitel 2). KLINISK BLOK: Fri luftvej Det (lidt uhensigtsmæssige) faktum, at luftvejen krydser madvejen, kan hos bevidstløse give problemer med at holde luftvejen fri. Opkast og blod kan blokere luftvejen, ligesom tungen kan falde tilbage og obstruere for larynx. Det kan modvirkes ved, at personens nakke bøjes bagover, og kæben løftes. En bevidstløs person, der trækker vejret frit, anbringes i aflåst sideleje. Det kan dog være nødvendigt at indføre en tungeholder, der holder tungen på plads. Opkast, sekret og blod kan fjernes med fingrene eller ved sugning. Det kan gøres med et kateter enten gennem næsen eller munden eller gennem en mini-trakeotomi. Hvis man kan forudse en længerevarende obstruktion af de øvre luftveje, kan det blive nødvendigt at udføre en egentlig trakeotomi. Årsagerne kan fx være hævelse i svælget efter indtagelse af ætsende kemikalier, absces i svælget, ødemdannelse i slimhinden som følge af allergi, bistik, infektion; eller det kan være en tumor, eventuelt med venestase. Ved anlæggelse af en nødtrakeotomi skal man være opmærksom på, at der kan være et meget negativt tryk i trachea, hvorved den bløde bagvæg kan suges over mod forvæggen, der er støttet af bruske (jf. Figur 1.3). Trakeotomi kan også være nødvendig ved længerevarende respiratorbehandling. Da etablering af et trakeostoma 1) nedsætter det anatomisk skadelige rum til ca. det halve, 2) sikrer fri luftvej og 3) letter fjernelse af sekret, kan dette indgreb af og til gøre respiratorbehandling unødvendig. KLINISK Blok: Tør og kold inspirationsluft Tilførsel af ekstra oxygen til patienter kan være nødvendig. Hvad enten den kommer fra en trykflaske eller fra et hospitals centralanlæg, er den tør. Hvis luften ikke fugtes, betyder det en risiko for udtørring af luftvejenes slimhinder og indtørring af sekret, der bliver til skorper. Da ciliebevægelserne herved hæmmes, medfører det en risiko for sekretophobning og tillukkede bronkier. Ved længere varende universel anæstesi kan tør inspirationsluft også blive et problem og forårsage postoperative lungekomplikationer (bronchopneumoni). Meget kold inspirationsluft kan i nogle tilfælde provokere en bronkokonstriktion, fx under en løbetur. Kapitel 1 Luftvejene 23