Cơ học của thông khí phổi
Tác động của lồng ngực lên tính giãn nở của phổi
Như đã bàn luận, chúng ta đã bàn đến tính giãn nở của các phổi, mà không xem xét đến lồng ngực. Lồng ngực có các đặc điểm đàn hồi và độ nhớt của riêng nó, ngay cả khi các phổi không có trong lồng ngực thì gắng sức cơ vẫn sẽ được cần đến để làm giãn nở lồng ngực.
Dung suất của lồng ngực và các phổi đồng thời
Dung suất của toàn bộ hệ thống phổi (các phổi và lồng ngực đồng thời) được đo trong khi làm giãn nở phổi của một đối tượng đang hoàn toàn thư giãn hay liệt. Để đo dung suất, không khí được đẩy vào trong các phổi một ít mỗi lần trong khi đó, ghi nhận lại các áp suất và thể tích phổi. Để làm căng toàn bộ hệ thống phổi này, gần như hai lần áp suất được cần đến so với cùng các phổi sau khi loại bỏ lồng ngực. Vì thế, dung suất của hệ thống phổi-lồng ngực kết hợp thì gần như chính xác bằng một nửa của chỉ riêng các phổi – 110 ml/cm H2O áp suất đối với hệ thống kết hợp, so với 200 ml/cm H2O đối với chỉ các phổi. Hơn thế nữa, khi các phổi được giãn nở đến các thể tích lớn hoặc đè ép đến các thể tích thấp, các sự hạn chế của lồng ngực trở nên cực kỳ đáng kể. Khi gần các giới hạn này, dung suất của hệ thống phổi-lồng ngực có thể ít hơn 20% so với của chỉ các phổi.
Công của quá trình thở
Chúng ta đã chỉ ra rằng trong suốt quá trình thở nhẹ nhàng bình thường, tất cả sự co cơ hô hấp diễn ra trong suốt quá trình hít vào; sự thở ra thì hầu như hoàn toàn là một quá trình thụ động bởi vì sự nảy lại đàn hồi của các phổi và lồng ngực. Vì thế, dưới các tình trạng nghỉ ngơi, các cơ hô hấp thường thực hiện “công” để gây ra sự hít vào mà không gây ra sự thở ra.
Công của quá trình hít vào có thể được chia thành ba phần: (1) công cần để làm giãn nở các phổi chống lại các lực đàn hồi của phổi và lồng ngực, được gọi là công dung suất hay công đàn hồi; (2) công cần để vượt qua tính nhớt của phổi và các cấu trúc thành ngực, được gọi là công sức cản mô; và (3) công cần để vượt qua sức cản đường thở cho sự di chuyển của không khí vào trong các phổi, được gọi là công sức cản đường thở.
Năng lượng cần cho quá trình hô hấp. Trong suốt quá trình hô hấp bình thường, chỉ 3% đến 5% tổng năng lượng tiêu tốn bởi cơ thể được cần cho thông khí phổi. Tuy nhiên, trong suốt quá trình gắng sức nặng, lượng năng lượng cần đến có thể tăng đến 50 lần, đặc biệt là nếu như một người có bất cứ mức độ tăng sức cản đường thở hay giảm dung suất phổi nào. Vì thế, một trong số các giới hạn chính lên cường độ gắng sức mà có thể được thực hiện là khả năng của người đó cung cấp đủ năng lượng cơ cho chỉ quá trình hô hấp.
Các thể tích phổi và dung tích phổi
Ghi lại các sự thay đổi trong thể tích phổi – hô hấp ký
Thông khí phổi có thể được nghiên cứu bằng cách ghi lại thể tích di chuyển của không khí vào trong và ra khỏi các phổi, một phương pháp được gọi là hô hấp ký (spirometry). Một hô hấp kế điển hình thì được thể hiện trong Hình 1. Nó bao gồm một trống được úp ngược vào trong một buồng chứa nước, với trống được đối cân bằng bởi một trọng lượng. Trong trống là khí thở, thường là không khí hoặc oxygen; một ống kết với miệng với buồng khí. Khi một người thở vào trong và thở ra buồng, trống sẽ nâng lên và hạ xuống và một sự ghi lại thích hợp được tạo ra.
Hình 2 cho thấy một hô hấp đồ chỉ các sự thay đổi trong thể tích phổi dưới các tình trạng thở khác nhau. Để dễ dàng trong việc mô tả các sự kiện của thông khí phổi, không khí trong các phổi được phân chia trong sơ đồ này thành bốn thể tích (volumes) và bốn dung tích (capacities), mà là trung bình cho một người trưởng thành trẻ tuổi. Bảng 1 tóm tắt các thể tích và dung tích phổi trung bình đối với nam giới và nữ giới khỏe mạnh.
Các thể tích phổi
Hình 2 liệt kê bốn thể tích phổi mà khi được cộng lại với nhau, bằng với thể tích tối đa mà các phổi có thể giãn nở. Các thể tích phổi được thể hiện là đối với nam giới trưởng thành trung bình, nhưng các thể tích phổi phụ thuộc rất đáng kể vào tình trạng thể chất, tuổi, chiều cao, giới tính và các yếu tố khác như độ cao mà người đó đang ở. Ý nghĩa của mỗi thể tích phổi này là như sau:
1. Thể tích khí lưu thông (tidal volume) là thể tích không khí được hít vào hoặc được thở ra với mỗi lần thở bình thường; nó lên tới khoảng 500 ml ở nam giới trung bình khỏe mạnh.
2. Thể tích dự trữ hít vào (inspiratory reserve volume) là thể tích không khí thêm mà có thể được hít vào thêm và nằm phía trên thể tích khí lưu thông bình thường khi một người hít vào với lực tối đa; nó thường bằng khoảng 3000 ml.
3. Thể tích dự trữ thở ra (expiratory reserve volume) là thể tích không khí thêm tối đa mà có thể được thở ra bởi sự thở ra mạnh sau khi kết thúc sự thở ra của thể tích khí lưu thông; thể tích này bình thường lên tới khoảng 1100 ml ở nam giới.
4. Thể tích khí cặn (residual volume) là thể tích không khí vẫn còn trong các phổi sau khi sự thở ra mạnh tối đa; thể tích này trung bình khoảng 1200 ml.
Các dung tính phổi
Trong mô tả các sự kiện trong chu trình hô hấp, đổi khi hữu ích để xem xét hai hoặc nhiều thể tích hơn cùng với nhau. Những sự kết hợp như thế được gọi là các dung tích phổi. Ở bên phải trong Hình 2 liệt kê các dung tích phổi quan trọng nhất, mà có thể được mô tả như sau:
1. Dung tích hít vào (inspiratory capacity) bằng với thể tích khí lưu thông (tidal volume) cộng với thể tích dự trữ hít vào (inspiratory reserve volume). Dung tích này là lượng không khí (khoảng 3500 ml) mà một người có thể hít vào, bắt đầu ở mức thở ra bình thường và giãn nở phổi đến lượng tối đa.
2. Dung tích cặn chức năng (functional residual capacity) bằng với thể tích dự trữ thở ra (expiratory reserve volume) cộng với thể tích khí cặn (residual volume). Dung tích này là lượng không khí mà vẫn còn trong các phổi ở cuối sự thở ra bình thường (khoảng 2300 ml).
3. Dung tích sống (vital capacity) bằng với thể tích dự trữ hít (inspiratory reserve volume) vào cộng với thể tích khí lưu thông (tidal volume) cộng với thể tích dự trữ thở ra (expiratory reserve volume). Dung tích này là lượng không khí tối đa mà một người có thể đẩy ra khỏi các phổi sau sự đổ đầy phổi lần đầu tiên đến mức độ giãn nở tối đa của nó và sau đó thở ra đến mức độ tối đa (khoảng 4600 ml).
4. Tổng dung tích phổi (total lung capacity) là thể tích tối đa mà các phổi có thể được giãn nở đến với nỗ lực có thể có lớn nhất (khoảng 5800 ml); nó bằng với dung tích sống cộng với thể tích khí cặn (residual volume).
Hầu hết các thể tích và dung tích phổi thường khoảng 20% đến 30% thấp hơn ở nữ giới so với nam giới và chúng thì lớn hơn ở những người to lớn và vận động viên so với những người bé nhỏ và suy nhược.
Các viết tắt và các ký hiệu được sử dụng trong các nghiên cứu chức năng phổi.
Hô hấp ký chỉ là một trong số các phương pháp đo mà các bác sĩ hô hấp sử dụng hằng ngày. Nhiều trong số các phương pháp này phụ thuộc nhiều vào các tính toán toán học. Để đơn giản hóa các sự tính toán này, cũng như là biểu diễn dữ liệu chức năng hô hấp, một số viết tắt và ký hiệu được tiêu chuẩn hóa. Quan trọng hơn trong các số này được đưa ra trong Bảng 2. Sử dụng các ký hiệu này, chúng ta biểu diễn ở đây một số phương trình toán học đơn giản cho thấy một số mối liên hệ qua lại đơn giản giữa các thể tích và dung tích phổi; sinh viên nên suy nghĩ thấu đáo và xác nhận các mối liên hệ này.
VC = IRV + VT + ERV
VC = IC + ERV
TLC = VC + RV
TLC = IC + FRC
FRC = ERV + RV
Sự xác định dung tích cặn chức năng, thể tích cặn và tổng dung tích phổi – phương pháp pha loãng helium
Dung tích cặn chức năng (FRC), mà là thể tích của không khí mà vẫn ở trong phổi ở cuối mỗi quá trình thở ra bình thường, thì quan trọng đối với chức năng phổi. Bởi vì giá trị của nó thay đổi một cách đáng kể trong một số loại bệnh hô hấp, nên thường cần đo dung tích này. Hô hấp kế không thể được sử dụng trong việc đo FRC một cách trực tiếp bởi vì không khí trong thể tích cặn của các phổi không thể được thở vào trong hô hấp kế, và thể tích này cấu thành nên khoảng một nửa FRC. Để đo FRC, hô hấp kế phải được sử dụng theo một cách gián tiếp, thường bởi các phương tiện của một phương pháp pha loãng helium như sau.
Một hô hấp kế với thể tích đã biết được đổ đầy không khí trộn với helium ở một nồng độ đã biết. Trước khi thở từ hô hấp kế thì người đó thở ra một cách bình thường. Ở cuối quá trình thở ra này, thể tích còn lại trong các phổi thì bằng với FRC. Ở điểm này, đối tượng ngay lập tức bắt đầu thở từ hô hấp kế và các khí của hô hấp kế trộn với các khi của các phổi. Kết quả, helium trở nên pha loãng bởi các khí FRC và thể tích của FRC có thể được tính toán từ độ pha loãng của helium, sử dụng công thức sau đây:
FRC = [(CiHe/CfHe) – 1] Vispir
trong đó FRC là dung tích cặn chức năng, CiHe là nồng độ ban đầu của helium trong hô hấp ký, CfHe là nồng độ cuối cùng của helium trong hô hấp kế và Vispir là thể tích ban đầu của hô hấp kế.
Một khi FRC được xác định thì thể tích khí cặn (RV) có thể được xác định bằng cách trừ đi thể tích dự trữ thở ra (ERV), khi được đo bởi hô hấp ký bình thường, từ FRC. Ngoài ra, tổng dung tích phổi (TCL) có thể được xác định bằng cách cộng dung tích hít vào (IC) với FRC. Nghĩa là:
RV = FRC – ERV
và
TCL = FRC + IC
Thể tích hô hấp phút bằng với tần số hô hấp nhân với thể tích khí lưu thông
Thể tích hô hấp phút (minute respiratory volume) là tổng lượng không khí mới di chuyển vào trong các đường hô hấp mỗi phút và bằng với thể tích khí lưu thông nhân với tần số hô hấp mỗi phút. Thể tích khí lưu thông bình thường là khoảng 500 ml và tần số hô hấp bình thường là khoảng 12 nhịp/phút. Vì thế, thể tích hô hấp phút trung bình là khoảng 6L/phút. Một người có thể sống trong một khoảng thời gian ngắn với một thể tích hô hấp phút thấp đến khoảng 1.5 L/phút với một tần số hô hấp chỉ là 2 đến 4 nhịp/phút.
Tần số hô hấp đôi khi tăng đến 40 đến 50 nhịp/phút và thể tích khí lưu thông có thể trở nên lớn đến như dung tích sống, khoảng 4600 ml trong nam giới trẻ tuổi. Điều này tạo ra một thể tích hô hấp phút lớn hơn 200 L/phút, hay nhiều hơn 30 lần so với bình thường. Hầu hết mọi người không thể duy trì nhiều hơn một nửa đến hai phần ba các giá trị này trong thời gian lâu hơn một phút.
Thông khí phế nang (alveolar ventilation)
Tầm quan trọng cuối cùng của thông khí phổi là làm mới không khí trong các vùng trao đổi khí của các phổi một cách liên tục, nơi mà không khí nằm gần máu phổi. Các khu vực này bao gồm các phế nang, các túi phế nang, các ống phế nang và các tiểu phế quản hô hấp. Mức mà ở đó không khí mới đến các khu vực này được gọi là thông khí phế nang (alveolar ventilation).
Khoảng chết và tác động của nó lên thông khí phế nang
Một ít không khí một người hít thở thì không bao giờ đến được các khu vực trao đổi mà chỉ đơn giản là giúp làm đầy các đường hô hấp như mũi, họng và khí quản, nơi mà sự trao đổi khí không xảy ra. Không khí này được gọi là không khí khoảng chết (dead space air) bởi vì nó không hữu ích trong việc trao đổi khí.
Trong sự thở ra, không khí trong khoảng chết được thở ra trước, trước khi bất cứ không khí nào từ các phế nang đến khí quyển. Vì thế, khoảng chết thì rất bất lợi trong việc lợi trong việc loại bỏ các khí thở ra khỏi các phổi.
Sự đo đạc thể tích khoảng chết. Một phương pháp đơn giản để đo thể tích khoảng chết thì được trình bày bởi sơ đồ trong Hình 3. Trong việc thực hiện sự đo đặc này, đối tượng đột ngột thực hiện một sự hít thở sâu với 100% O2, mà lấp đầy toàn bộ khoảng chết với O2 tinh khiết. Một ít oxygen cũng trộn với không khí phế nang nhưng không thay thế không khí hoàn toàn. Sau đó, người đó thở ra qua một máy ghi nitrogen nhanh, mà tạo ra sự ghi lại được thể hiện trên hình. Phần đầu tiên của không khí thở ra đến từ các vùng khoảng chết của các đường hô hấp, nơi mà không khí được thay thế hoàn toàn bởi O2. Vì thế, trong phần đầu của sự ghi lại, chỉ O2 xuất hiện và nồng độ nitrogen là 0. Sau đó, khi không khí phế nang bắt đầu đi đến máy đo nitrogen thì nồng độ nitrogen tăng lên nhanh chóng bởi vì không khí phế nang chứa các lượng lớn nitrogen bắt đầu trộn lẫn với không khí khoảng chết. Sau khi nhiều không khí hơn nữa được thở ra, tất cả không khí khoảng chết được đưa ra khỏi đường thở và chỉ còn không khí phế nang ở lại. Vì thế, nồng độ nitrogen ghi lại đạt đến một mức cao nguyên bằng với nồng độ của nó trong các phế nang, như được thể hiện ở bên phải của hình. Vùng màu xám biểu diễn cho không khí mà không có nitrogen trong nó và là một sự đo đạc về thể tích của không khí khoảng chết. Để định lượng chính xác, phương trình sau đây được sử dụng:
VD = (Diện tích vùng màu xám x VE)/(Diện tích vùng màu hồng + Diện tích vùng màu xám)
trong đó VD là không khí khoảng chết và VE là tổng thể tích khí thở ra.
Ví dụ, hãy giả sử là diện tích màu xám trên đồ thị là 30 centimeters vuông, diện tích màu hồng là 70 centimeters vuông, và tổng thể tích thở ra là 500 ml. Khoảng chết sẽ là 30/(30 + 70)x500 = 150 ml
Thể tích khoảng chết bình thường. Không khí khoảng chết bình thường ở một nam giới trẻ tuổi là khoảng 150 ml. Không khí khoảng chết hơi tăng lên theo tuổi.
Khoảng chết giải phẫu so với khoảng chết sinh lý. Phương pháp vừa mô tả trong việc đo đạc khoảng chết giúp đo thể tích của tất cả khoảng trống của hệ thống hô hấp chứ không phải các phế nang và các diện tích trao đổi khí liên quan gần khác của chúng; khoảng trống này được gọi là khoảng chết giải phẫu (anatomic dead space). Đôi khi, một số phế nang thì không có chức năng hoặc chỉ thực hiện chức năng một phần do sự vắng mặt hoặc lưu lượng máu kém qua các mao mạch phổi lân cận. Vì thế, các phế nang này phải được xem là khoảng chết. Khi khoảng chết phế nang được cộng thêm vào trong tổng cộng sự đo đạc về khoảng chết thì đây được gọi là khoảng chết sinh lý (physiological dead space), phân biệt với khoảng chết giải phẫu. Ở một người có các phổi khỏe mạnh, các khoảng chết giải phẫu và sinh lý thì gần như bằng nhau bởi vì tất cả các phế nang đều thực hiện chức năng trong các phổi bình thường nhưng, ở một người có các phế nang thực hiện chức năng một phần hoặc không thực hiện chức năng thì trong một số phần của các phổi, khoảng chết sinh lý có thể nhiều đến 10 lần so với thể tích của khoảng chết giải phẫu hay 1 đến 2 lít. Các vấn đề này sẽ được nói đến kĩ hơn trong một loạt bài viết tiếp theo trong mối liên quan với sự trao đổi khí của phổi và trong một bài viết khác nữa trong mối liên quan với các bệnh phổi nhất định.
Các bạn xem thêm các bài viết mới ở nhóm Facebook của mình nhé: https://www.facebook.com/profile.php?id=61550892771585
Các bạn xem thêm phần 1 của loạt bài viết tại đây nhé: https://docsachxyz.com/thong-khi-phoi-phan-1/
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!