Thông khí phế nang (alveolar ventilation)
Mức thông khí phế nang
Thông khí phế nang mỗi phát là tổng thể tích của không khí mới đi vào trong các phế nang và các diện tích trao đổi khí lân cận mỗi phút. Nó thì bằng với tần số hô hấp nhân với lượng không khí mới mà đi vào trong các diện tích này với mỗi lần thở:
VA = Freq x (VT – VD)
trong đó VA là thể tích của thông khí phế nang mỗi phút, Freq là tần số hô hấp mỗi phút, VT là thể tích khí lưu thông và VD là thể tích khoảng chết sinh lý.
Vì thế, với một thể tích khí lưu thông là 500 ml, một khoảng chết bình thường là 150 ml, và một tần số hô hấp là 12 nhịp thở/phút, thông khí phế nang bằng với 12 x (500 – 150), hay 4200 ml/phút.
Thông khí phế nang là một trong số các yếu tố chính xác định các nồng độ của oxygen và carbon dioxide trong các phế nang. Vì thế, hầu hết tất cả các sự bàn luận đến sự trao đổi khí trong các loạt bài viết tiếp theo trên hệ thống hô hấp là tập trung trên thông khí phế nang.
Các chức năng của các đường hô hấp
Khí quản, phế quản và tiểu phế quản
Hình 1 làm nổi bật các đường hô hấp. Không khí được phân bố đến các phổi bởi con đường khí quản, phế quản và tiểu phế quản.
Một trong số các thách thức quan trọng nhất trong các đường hô hấp là giữ chúng luôn mở và cho phép sự đi qua dễ dàng của không khí đến và từ các phế nang. Để giữ cho khí quản không bị xẹp, nhiều vòng sụn mở rộng đến khoảng năm phần sáu của đường quanh phế quản. Trong các thành của các phế quản, ít đĩa sụn cong phong phú hơn cũng giúp duy trì một độ cứng hợp lý mà cho phép đủ sự di động cho các phổi giãn nở và co rút. Các đĩa này trở nên dần dần ít phong phú hơn trong các sự phát sinh sau của phế quản và biến mất trong các tiểu phế quản, mà thường có các đường kính dưới 1.5 millimeters. Các tiểu phế quản thì không được ngăn chặn khỏi sự xẹp bởi tính cứng của thành của chúng. Thay vào đó, chúng được giữ mở chủ yếu bởi các áp suất xuyên phổi mà làm mở các phế nang. Nghĩa là, khi các phế nang giãn nở, các tiểu phế quản cũng giãn nở nhưng không quá nhiều.
Thành cơ của các phế quản và tiểu phế quản. Trong tất cả các khu vực của khí quản và phế quản không được chiếm bởi các đĩa sụn, các thành bao gồm chủ yếu cơ trơn. Ngoài ra, các thành của các tiểu phế quản thì hầu như hoàn toàn là cơ trơn, với ngoại lệ là hầu hết tiểu phế quản tận cùng, được gọi là tiểu phế quản hô hấp (respiratory bronchiole), mà chủ yếu là biểu mô phổi và mô sợi bên dưới cộng với một ít sợi cơ trơn. Nhiều bệnh tắc nghẽn của phổi là do sự làm hẹp các phế quản nhỏ và các tiểu phế quản lớn, thường do sự co quá mức của cơ trơn.
Sức cản đối với dòng khí trong cây phế quản. Dưới tình trạng hô hấp bình thường, các dòng không khí đi qua các đường hô hấp dễ dàng đến nỗi dưới 1 cm H2O gradient áp suất từ các phế nang đến khí quyển thì đủ để gây ra đủ dòng không khí đối với hô hấp nhẹ nhàng. Lượng sức cản lớn nhất xuất hiện không phải trong các đường không khí nhỏ của các tiểu phế quản tận cùng mà là trong một số các tiểu phế quản lớn hơn và phế quản gần khí quản Nguyên nhân cho sức cản cao này là có tương đối ít trong số các phế quản lớn này so với gần 65,000 tiểu phế quản tận song song, mà qua mỗi trong số đó chỉ một lượng nhỏ không khí phải đi qua.
Trong một số tình trạng bệnh tật, các tiểu phế quản nhỏ đóng một vai trò lớn hơn nhiều trong việc xác định sức cản dòng không khí do kích thước nhỏ của chúng và bởi vì chúng dễ bị tắc bởi các nguyên nhân sau: (1) sự co cơ trong các thành của chúng; (2) phù trong các thành; hay (3) nhầy tích tụ trong các lòng của các tiểu phế quản.
Sự kiểm soát thần kinh và cục bộ của hệ thống cơ tiểu phế quản – sự giãn giao cảm của các tiểu phế quản. Sự kiểm soát trực tiếp các tiểu phế quản của các sợi thần kinh giao cảm thì tương đối yếu bởi vì một vài trong số các sợi này đâm xuyên đến các phần trung tâm của phổi. Tuy nhiên, cây phế quản thì tiếp xúc rất nhiều với norepinephrine và epinephrine được giải phóng vào trong máu bởi sự kích thích giao cảm của tủy thượng thận. Cả hai hormones này, đặc biệt là epinephrine do sự kích thích lớn hơn của các thụ cảm thể beta-adrenergic của nó, nên gây ra sự giãn cây phế quản.
Sự co phó giao cảm của các tiểu phế quản. Một vài sợi thần kinh phó giao cảm có nguồn gốc từ các dây thần kinh lang thang đâm xuyên nhu mô phổi. Các sợi thần kinh này bài tiết acetylcholine và, khi hoạt hóa, gây ra sự co các tiểu phế quản từ nhẹ đến trung bình. Khi một quá trình bệnh lý như hen gây ra sự co thắt tiểu phế quản, sự kích thích thần kinh phó giao cảm “chồng lên” thường làm xấu đi tình trạng. Khi tình huống này xảy ra, sử dụng các thuốc mà chặn các tác động của acetylcholine, như atropine, đôi khi có thể làm giãn các đường hô hấp đủ để giải tỏa sự co thắt.
Đôi khi các thần kinh phó giao cảm cũng được hoạt hóa bởi các phản xạ mà có nguồn gốc trong các phổi. Hầu hết các phản xạ này bắt đầu với sự kích thích màng biểu mô của các đường hô hấp, được khởi động bởi các khí độc, bụi, khói thuốc lá hay nhiễm trùng phế quản. Ngoài ra, một phản xạ co thắt tiểu phế quản thường xảy ra khi các vi huyết khối làm tắc các động mạch phổi nhỏ.
Các yếu tố bài tiết cục bộ có thể gây ra co thắt tiểu phế quản. Một số chất được hình thành trong các phổi thường hoạt động trong việc gây ra sự co thắt tiểu phế quản. Hai trong số chất quan trọng nhất là histamine và chất phản vệ phản ứng chậm (slow reactive substance of anaphylaxis). Cả hai chất này đều được giải phóng trong các mô phổi bởi các dưỡng bào trong suốt các phản ứng dị ứng, đặc biệt là các phản ứng được gây ra bởi phấn hoa trong không khí. Vì thế, chúng đóng các vai trò quan trọng trong việc gây ra tắc nghẽn đường thở trong hen dị ứng; điều này đặc biệt đúng đối với chất phản vệ phản ứng chậm.
Cùng các chất kích thích mà gây ra các phản xạ co phó giao cảm của các đường thở – khói thuốc lá, bụi, lưu huỳnh dioxide và một số thành phần có tính acid trong sương khói (smog) – cũng có thể tác động trực tiếp lên các mô phổi để khởi động các phản ứng cục bộ không phải do thần kinh mà gây ra sự co thắt tắc nghẽn các đường thở.
Dịch nhầy lót các đường hô hấp và hoạt động của lông mao trong việc làm sạch đường hô hấp
Tất cả các đường hô hấp, từ mũi đến các tiểu phế quản tận cùng, được giữ ẩm bởi một lớp dịch nhầy mà phủ lấy toàn bộ bề mặt. Dịch nhầy được bài tiết một phần bởi các tế bào hình ly tiết nhầy (mucous globlet cells) trong lớp biểu mô của đường hô hấp và một phần nhỏ bởi các tuyến dưới niêm nhỏ. Ngoài giữ ẩm các bề mặt, dịch này còn giữ các phần tử nhỏ ra khỏi không khí hít vào và giữ hầu hết các phần tử này không đến được các phế nang. Dịch nhầy được loại bở khỏi đường hô hấp theo cách sau.
Toàn bộ bề mặt của các đường hô hấp, trong mũi và trong các đường hô hấp dưới, xuống đến tận các tiểu phế quản tận cùng, được lót bởi biểu mô có lông chuyển, với khoảng 200 lông chuyển trên mỗi tế bào biểu mô. Các lông chuyển này đập liên tục ở một tần số là 10 đến 20 lần/giây bởi cơ chế được giải thích trong một loạt bài viết sau và hướng của “sự đập mạnh” (của lông chuyển) luôn là về phía họng. Nghĩa là, lông chuyển trong các phổi đánh lên trên, ngược lại, lông chuyển trong mũi đánh xuống dưới. Sự đánh liên tục này làm cho áo dịch nhầy chảy một cách chậm rãi, ở một vận tốc là một vài millimeters mỗi phút, về phía họng. Sau đó, dịch nhầy và các phần tử được giữ trong đó được nuốt hoặc được ho ra bên ngoài.
Phản xạ ho
Phế quản và khí quản thì nhạy cảm với sự chạm nhẹ đến nỗi các lượng chất lạ nhỏ hoặc các nguyên nhân khác của sự kích thích có thể khởi động phản xạ ho. Thanh quản và cựa (điểm nơi mà khí quản phân chia thành các phế quản) thì đặc biệt nhạy cảm và các tiểu phế quản tận cùng và thậm chí là các phế nang thì nhạy cảm với các kích thích hóa học ăn mòn như khí lưu huỳnh dioxide hay khí chloride. Các xung động thần kinh đến đi từ các đường hô hấp chủ yếu qua các dây thần kinh lang thang đến hành não. Ở đó, một trình tự các sự kiện tự động được khơi mào bởi các mạch thần kinh (neuronal circuits) của hành não, gây ra các tác động sau.
1. Lên đến 2.5 lít không khí nhanh chóng được hít vào.
2. Nắp thanh quản đóng và các dây thanh âm đóng chặt để giữ không khí bên trong các phổi.
3. Các cơ bụng co lại mạnh, đẩy vào cơ hoành đồng thời các cơ thở ra khác như cơ gian sườn trong, cũng co lại mạnh. Kết quả, áp suất trong các phổi tăng lên nhanh chóng, đến nhiều khoảng 100 mm Hg hoặc hơn.
4. Các dây thanh âm và nắp thanh quản đột ngột mở ra rộng, để cho không khí dưới áp suất cao này trong các phổi được đẩy đột ngột ra ngoài. Đôi khi không khí này được đẩy ở các vận tốc thay đổi từ 75 đến 100 dặm/giờ.
Quan trọng, sự đè ép mạnh của các phổi làm xẹp các phế quản và khí quản bằng cách làm cho các phần không phải sụn của chúng ấn lõm vào bên trong, vì thế, không khí được đẩy ra đột ngột thực sự đi qua các khe phế quản và khí quản (bronchial and tracheal slits). Không khí di chuyển nhanh chóng thường mang theo nó bất cứ chất lạ nào mà xuất hiện trong phế quản và khí quản.
Phản xạ hắt hơi
Phản xạ hắt hơi thì rất giống với phản xạ ho, ngoại trừ là nó áp dụng với các đường mũi thay vì đường hô hấp dưới. Kích thích ban đầu của phản xạ hắt hơi là sự kích thích trong đường mũi; các xung động đến đi trong thần kinh sọ thứ năm đến hành não, nơi mà phản xạ được khơi mào. Một chuỗi các phản ứng tương tự đối với phản xạ ho diễn ra, nhưng lưỡi gà thì hạ xuống, vì thế, các lượng lớn không khí đi nhanh qua mũi, vì thế, giúp làm sạch đường mũi đối với chất lạ.
Các chức năng hô hấp bình thường của mũi
Khi không khí đi qua mũi, ba chức năng hô hấp bình thường riêng biệt được thực hiện qua các khoang mũi: (1) không khí được làm ấm bởi các bề mặt phong phú của các xoăn mũi và vách mũi, một diện tích tổng cộng là khoảng 160 centimeters vuông (xem Hình 1); (2) không khí thì hầu như hoàn toàn được làm ẩm, thậm chí trước khi nó đi ra khỏi mũi; và (3) không khí được lọc một phần. Các chức năng này cùng nhau được gọi là chức năng điều hòa không khí (air-conditioning function) của các đường hô hấp trên. Thông thường, nhiệt độ của không khí hít vào tăng lên đến trong khoảng 1oF so với nhiệt độ cơ thể và đến trong khoảng 2% đến 3% so với sự bão hòa hơi nước tối đa trước khi nó đến khí quản. Khi một người thở không khí qua một ống đặt trực tiếp vào trong khí quản (như qua một lỗ mở khí quản) thì sự làm mát và đặc biệt là tác động làm khô trong phổi dưới có thể dẫn đến đóng vảy và nhiễm trùng phổi nghiêm trọng.
Chức năng lọc của mũi. Các lông ở lối vào lỗ mũi thì rất quan trọng trong việc lọc các phần từ lớn. Mặc dù quan trọng hơn nhiều là sự loại bỏ các phần tử bởi “sự lắng đọng hỗn loạn”. Nghĩa là, không khí đi qua đường mũi va chạm nhiều “cánh cản trở” (obstructing vanes) – các xoăn mũi (còn được gọi là các cuộn mũi, bởi vì chúng gây ra sự hỗn loạn của không khí), vách mũi và thành họng. Mỗi khi không khí va chạm một trong số các sự cản trở này, nó phải thay đổi hướng di chuyển. Các phần tử lơ lửng trong không khí, có khối lượng và động lượng lớn hơn nhiều so với không khí, không thể thay đổi hướng đi của chúng nhanh như không khí có thể. Vì thế, chúng tiếp tục đi về phía trước, va vào các bề mặt của các vật cản, và được giữ trong lớp niêm mạc và được vận chuyển bởi các lông mao đến họng và bị nuốt.
Kích thước của các phần tử được giữ trong đường hô hấp. Cơ chế hỗn loạn của mũi để loại bỏ các phần tử khỏi không khí thì hiệu quả đến nỗi hầu như không có các phần tử lớn hơn 6 micrometers đường kính đi vào trong các phổi qua mũi. Kích thước này thì nhỏ hơn cả các tế bào hồng cầu.
Trong số các phần tử còn lại, nhiều trong số đó có kích thước 1 đến 5 micrometers nằm ở trong các tiểu phế quản nhỏ hơn do sự lắng đọng hấp dẫn trọng lực. Ví dụ, bệnh lý của tiểu phế quản tận cùng thì thường gặp trong các thợ mỏ than do các phần tử bụi nằm bên trong. Một số phân tử nhỏ hơn nữa (<1 micrometer đường kính) khuếch tán trên các thành của các phế nang và bám vào trong dịch phế nang. Tuy nhiên, nhiều phần tử nhỏ hơn 0.5 micrometer đường kính vẫn lơ lửng trong không khí phế nang và được đẩy đi bởi sự thở ra. Ví dụ, các phần tử của khói thuốc lá có đường kính khoảng 0.3 micrometer. Gần như không phần tử nào trong số các phần tử này được lắng đọng trong các đường hô hấp trước khi chúng đến các phế nang. Không may thay, lên tới một phần ba trong số chúng được lắng đọng trong các phế nang bởi quá trình khuếch tán, với phần còn lại lơ lửng và bị đẩy đi trong không khí thở ra.
Nhiều trong số các phần tử mà bị giữ lại trong các phế nang bị loại bỏ bởi các đại thực bào phế nang (alveolar macrophages), như được giải thích trong loạt bài viết trước và các số khác được mang đi bởi các dịch bạch huyết phổi. Một sự quá mức của các phần tử có thể gây ra sự tăng trưởng của mô sợi trong vách phế nang, dẫn đến sự suy yếu vĩnh viễn.
Sự phát âm (vocalization)
Lời nói liên quan không chỉ đến hệ thống hô hấp mà còn liên quan đến các yếu tố sau: (1) các trung tâm kiểm soát thần kinh lời nói chuyên biệt trong vỏ não, sẽ được bàn đến trong một loạt bài viết sau này; (2) các trung tâm kiểm soát hô hấp của não; và (3) sự tạo âm rõ ràng và các cấu trúc cộng hưởng của các khoang miệng và mũi. Lời nói bao gồm hai chức năng cơ học: (1) sự tạo âm (phonation), mà đạt được bởi thanh quản; và (2) sự tạo âm rõ ràng (articulation), mà đạt được bởi các cấu trúc của miệng.
Sự tạo âm (phonation). Thanh quản, được thể hiện trong Hình 2A, thì đặc biệt thích nghi để hoạt động như một bộ dao động (vibrator). Các thành phần dao động là các nếp thanh âm (vocal cords), thường được gọi là các dây thanh âm (vocal cords). Các dây thanh âm nhô từ các thành ngoài của thanh quản về phía trung tâm của thanh môn; chúng được căng ra và được định vị bởi một số cơ chuyên biệt của chính thanh quản.
Hình 2B cho thấy các dây thanh âm khi chúng được nhìn vào trong thanh môn với một máy soi thanh quản. Trong suốt quá trình thở bình thường, các dây được mở rộng để cho phép sự đi qua dễ dàng của không khí. Trong suốt quá trình tạo âm, các dây di chuyển cùng với nhau sao cho đường đi của không khi giữa chúng sẽ gây ra rung động. Cao độ của rung động không chỉ được xác định chủ yếu bởi độ căng của dây thanh âm, mà còn bởi các dây thanh âm đóng vào gần nhau thế nào và bởi khối lượng các bờ của chúng.
Hình 2A cho thấy một cái nhìn mổ xẻ của các dây thanh âm sau khi loại bỏ lớp biểu mô nhầy. Ngay bên trong mỗi dây là một dây chằng đàn hồi khỏe được gọi là dây chằng thanh âm (vocal ligament). Dây chằng này được bám ở phía trước vào sụn giáp lớn (thyroid cartilage), là sụn mà nhô về phía trước từ mặt trước của cổ và được gọi là quả táo Adam’s (Adam’s apple). Ở phía sau, dây chằng thanh âm được nối với các mỏm thanh âm của hai sụn phễu (arytenoid cartilages). Sụn giáp và các sụn phễu khớp với nhau từ bên dưới với một sụn khác (không được thể hiện trong Hình 2), là sụn nhẫn (cricoid cartilage).
Các dây thanh âm có thể được căng ra bằng sự xoay về phía trước của sụn giáp hoặc sự xoay về phía sau của sụn phễu, được kích hoạt bởi các cơ làm căng từ sụn giáp và sụn phễu đến sụn nhẫn. Các cơ nằm trong các dây thanh âm ở phía ngoài các dây chằng thanh âm, là các cơ giáp-phễu (thyroarytenoid muscles), có thể kéo sụn phễu về phía sụn giáp và vì thế, làm lỏng các dây thanh âm. Ngoài ra, các sự trượt của các cơ này trong các dây thanh âm có thể làm thay đổi hình dạng và khối lượng của các bờ dây thanh âm, làm sắc chúng để tạo ra các âm thanh tần số cao và làm tù chúng cho các âm thanh trầm hơn.
Một vài tập hợp các cơ thanh quản nhỏ khác nằm giữa các sụn phễu và sụn nhẫn và có thể xoay các sụn này vào trong hoặc ra ngoài hoặc kéo các đáy của chúng vào với nhau hoặc ra xa khỏi nhau để tạo ra các cấu hình khác nhau của các dây thanh âm, được thể hiện trong Hình 2B.
Sự tạo âm rõ và sự cộng hưởng. Ba cơ quan chính của sự tạo âm rõ là môi, lưỡi và khẩu cái mềm. Chúng không cần được bàn đến chi tiết ở đây bởi vì tất cả chúng ta đều quen thuộc với các sự chuyển động của chúng trong suốt quá trình nói và các phát âm khác nhau.
Các bộ phận cộng hưởng bao gồm miệng, mũi và các xoang mũi liên quan, họng và thậm chí lồng ngực. Một lần nữa, chúng ta đã quen thuộc với các tính chất cộng hưởng của các cấu trúc này. Ví dụ, chức năng của các bộ phận cộng hưởng mũi được thể hiện bởi sự thay đổi trong chất giọng khi một người mắc cảm lạnh nặng mà làm chặn đường không khí đến các bộ phận cộng hưởng này.
Các bạn xem thêm các bài viết mới tại nhóm của mình nhé: https://www.facebook.com/profile.php?id=61550892771585
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
