26.10 : Relacje ciśnienia w jamie klatki piersiowej

Oddychanie, inaczej zwane wentylacją płucną, to proces ruchu powietrza do i z płuc. Głównymi mechanizmami napędzającymi wentylację płucną są ciśnienie atmosferyczne (P_atm), ciśnienie wewnątrzopłucnowe (P_pul) lub ciśnienie wewnątrzpęcherzykowe (P_alv) w pęcherzykach płucnych i ciśnienie wewnątrzopłucnowe (P_ip) w jamie opłucnej.

Mechanizmy oddechowe

Zarówno ciśnienie wewnątrzpęcherzykowe, jak i wewnątrzopłucnowe zależą od specyficznych właściwości płuc. Zdolność oddychania — pozwalając powietrzu dostać się do płuc podczas wdechu i wydostać się podczas wydechu — zależy od ciśnienia powietrza wewnątrz płuc w stosunku do ciśnienia atmosferycznego.

Dynamika ciśnienia

Wdech (inspiracja) i wydech (wydech) zależą od różnic ciśnień między atmosferą a płucami. W gazie ciśnienie powstaje w wyniku ruchu zamkniętych cząsteczek gazu. Na przykład, ze względu na zmniejszoną objętość, ta sama ilość cząsteczek gazu będzie wywierać większe ciśnienie w pojemniku o pojemności jednego litra niż w pojemniku o pojemności dwóch litrów. Ta zależność między objętością a ciśnieniem w gazie w stałej temperaturze jest opisana przez prawo Boyle’a, które mówi, że ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne (P = k/V); wzrost objętości powoduje spadek ciśnienia i odwrotnie.

Trzy rodzaje ciśnienia — atmosferyczne, wewnątrzpęcherzykowe i wewnątrzopłucnowe — dyktują wentylację płuc. Ciśnienie atmosferyczne przedstawia siłę wywieraną przez gazy powietrza otaczające określoną powierzchnię. Może być wyrażone jako jednostka atmosferyczna (atm) lub w milimetrach słupa rtęci (mm Hg), gdzie 1 atm odpowiada 760 mm Hg, czyli ciśnieniu atmosferycznemu na poziomie morza. Inne wartości ciśnienia, takie jak ciśnienie atmosferyczne, są zwykle omawiane w oddychaniu.

Ciśnienie wewnątrzpęcherzykowe (ciśnienie wewnątrzpłucne) oznacza ciśnienie powietrza wewnątrz pęcherzyków płucnych, które zmienia się w różnych fazach oddychania. Ponieważ pęcherzyki płucne są połączone z atmosferą za pośrednictwem dróg oddechowych, ciśnienie wewnątrzpłucne stale wyrównuje się z ciśnieniem atmosferycznym.

Ciśnienie wewnątrzopłucnowe to ciśnienie powietrza w jamie opłucnej między opłucną trzewną a ścienną. Wahania te występują w różnych stadiach oddychania, a ze względu na specyficzne właściwości płuc zawsze pozostają ujemne w porównaniu do ciśnienia wewnątrzpęcherzykowego. Ciśnienie wewnątrzopłucnowe utrzymuje się na poziomie około –4 mm Hg przez cały cykl oddechowy. Jest utrzymywane przez odrzut do wewnątrz włókien elastycznych płuc i ciągnięcie na zewnątrz ściany klatki piersiowej. Równowaga między tymi przeciwnymi siłami określa ciśnienie wewnątrzopłucnowe wynoszące – 4 mmHg w stosunku do ciśnienia wewnątrzpęcherzykowego. Ciśnienie transpłucne, różnica między ciśnieniem wewnątrzopłucnowym a wewnątrzpęcherzykowym, określa wielkość płuc.

Czynniki wpływające na wentylację

Oprócz różnic ciśnień, oddychanie zależy od skurczu i rozluźnienia włókien mięśniowych przepony i klatki piersiowej. Ruchy przepony i mięśni międzyżebrowych powodują przede wszystkim zmiany ciśnienia odpowiedzialne za wdech i wydech.

Inne właściwości płuc również wpływają na oddychanie. Opór to siła, która spowalnia ruch, w tym kontekście, przepływ gazów. Rozmiar dróg oddechowych jest głównym czynnikiem wpływającym na opór. Mniejsza średnica rurki wymusza przepływ powietrza przez mniejszą przestrzeń, powodując więcej zderzeń cząsteczek powietrza ze ścianami dróg oddechowych. Wzór F=ΔP/R opisuje związek między zmianami ciśnienia a oporem dróg oddechowych.

Napięcie powierzchniowe w pęcherzykach płucnych, spowodowane obecnością wody w wyściółce pęcherzyków, ma tendencję do ograniczania ekspansji pęcherzyków. Surfaktant płucny, wydzielany przez pneumocyty typu II, miesza się z wodą, zmniejszając to napięcie powierzchniowe i zapobiegając zapadaniu się pęcherzyków płucnych podczas wydechu.

Podatność ściany klatki piersiowej, zdolność ściany klatki piersiowej do rozciągania się pod wpływem ciśnienia, wpływa na wysiłek potrzebny do oddychania. Jama klatki piersiowej musi się rozszerzyć, aby mogła nastąpić inspiracja, co bezpośrednio wpływa na pojemność płuc. Jeśli ściana klatki piersiowej nie jest podatna (nie może się rozszerzyć), rozwój klatki piersiowej i płuc w okresie płodowym staje się wyzwaniem.