Газовый состав крови

Министерство образования Российской Федерации

Пензенский Государственный Университет

Медицинский Институт

Кафедра Травматологии, ортопедии и военно-экстремальной хирургии

Курсовая работа

на тему: «Газовый состав крови»

Выполнила: студентка V курса

Проверил: к.м.н., доцент

Пенза 2008

План

 

1. Минутная вентиляция

2. Альвеолярная вентиляция

3. Мёртвое пространство

4. Давление газа

5.Альвеолярные газы

6. Газы артериальной крови

Литература

1. Минутная вентиляция

Минутная вентиляция — это общее количество вновь поступившего в дыхательные пути и в легкие воздуха и вышедшего из них в течение одной минуты, что равно дыхательному объему, умноженному на частоту дыхания. В норме дыхательный объем составляет приблизительно 500 мл, а частота дыхания — 12 раз в минуту.

Таким образом, в норме вентиляционный минутный объем в среднем составляет около 6 л. При снижении минутной вентиляции до 1,5 л и уменьшении частоты дыхания до 2—4 в 1 мин человек может жить лишь очень непродолжительное время, если только у него не разовьется сильное угнетение метаболических процессов, как это бывает при глубокой гипотермии.

Частота дыхания иногда возрастает до 40—50 дыханий в минуту, а дыхательный объем может достигать величины, близкой к жизненной емкости легких (около 4500—5000 мл у молодых здоровых мужчин). Однако при большой частоте дыхания человек обычно не может поддерживать дыхательный объем на уровне, превышающем 40 % жизненной емкости легких (ЖЕЛ), в течение нескольких минут или часов.

 

2. Альвеолярная вентиляция

Основной функцией системы легочной вентиляции является постоянное обновление воздуха в альвеолах, где он вступает в тесный контакт с кровью в легочных капиллярах. Скорость, с которой вновь поступивший воздух достигает указанной области контакта, называется альвеолярной вентиляцией. При нормальной, спокойной вентиляции дыхательный объем заполняет дыхательные пути вплоть до терминальных бронхиол, и лишь небольшая часть вдыхаемого воздуха проходит весь путь и контактирует с альвеолами. Новые порции воздуха преодолевают короткую дистанцию от терминальных бронхиол до альвеол путем диффузии. Диффузия обусловлена передвижением молекул, причем молекулы каждого газа перемещаются с большой скоростью среди других молекул. Скорость движения молекул во вдыхаемом воздухе настолько велика, а расстояние от терминальных бронхиол до альвеол столь мало, что газы преодолевают это оставшееся расстояние в считанные доли секунды.

 

3. Мертвое пространство

Обычно не менее 30 % вдыхаемого человеком воздуха никогда не достигает альвеол. Этот воздух называют воздухом мертвого пространства, так как он бесполезен для процесса газообмена. В норме мертвое пространство у молодого мужчины с дыхательным объемом в 500 мл составляет примерно 150 мл (около 1 мл на 1 фунт массы тела), или приблизительно 30 % дыхательного объема.

Объем дыхательных путей, проводящих вдыхаемый воздух до места газообмена, называется анатомическим мертвым пространством. Иногда, однако, некоторые альвеолы не функционируют из-за недостаточного притока крови к легочным капиллярам. С функциональной точки зрения эти альвеолы без капиллярной перфузии рассматриваются как патологическое мертвое пространство.

С учетом альвеолярного (патологического) мертвого пространства общее мертвое пространство называют физиологически мертвым пространством. У здорового человека анатомическое и физиологическое мертвое пространство практически одинаковы по объему, так как все альвеолы функционируют. Однако у лиц с плохо перфузируемыми альвеолами общее (или физиологическое) мертвое пространство может превышать 60 % дыхательного объема.

4. Давление газа

Давление обусловлено постоянным столкновением движущихся молекул с той или иной поверхностью. Следовательно, давление газа, действующего на поверхность дыхательных путей и альвеол, пропорционально суммарной силе столкновений всех молекул, соприкасающихся с поверхностью в любой момент времени. В легких мы имеем дело со смесью газов, в частности с кислородом, азотом и углекислым газом. Скорость диффузии каждого из этих газов прямо пропорциональна его парциальному давлению.

Давление газов в воде и тканях

Концентрация газа в растворе определяется не только его давлением, но и коэффициентом его растворимости. Молекулы некоторых газов, особенно углекислого газа, имеют физическое или химическое сродство с молекулами воды, тогда как молекулы других газов от них отталкиваются. Когда молекулы газа притягиваются к воде, гораздо большее их количество может быть растворено в ней, при этом не создается избыточного давления в растворе. С другой стороны, газы, молекулы которых отталкиваются от молекул воды, создают избыточное давление при слабой их растворимости в воде.

По закону Генри, объем газа, растворяемого в данном объеме жидкости, определяется как парциальным давлением газа, так и коэффициентом его растворимости. Коэффициенты растворимости для наиболее важных для дыхания газов при температуре тела таковы: кислород — 0,024: углекислый газ — 0,57; окись углерода — 0,018; азот — 0,012; гелий — 0,008. Таким образом, растворимость углекислого газа более чем в 20 раз выше, чем у кислорода; кислород же более растворим, чем три других из основных перечисленных газов. Знание этих коэффициентов растворимости необходимо, так как оно помогает определить количество газа, который физически может быть растворен в жидких средах организма. А это в свою очередь является одним из главных факторов, определяющих скорость, с которой газы диффундируют в тканях.

Давление испарения воды

При поступлении воздуха в дыхательные пути вода немедленно начинает испаряться с их поверхности, увлажняя, таким образом, вдыхаемый воздух. Это обусловлено тем, что молекулы воды, подобно другим молекулам растворенных газов, постоянно отрываются от поверхности воды и переходят в газовое состояние (в газовую фазу). Давление, которое молекулы воды преодолевают, чтобы оторваться от ее поверхности, называется давлением испарения воды. При температуре 37 °С (98,6 °F) давление испарения равно 47 мм рт.ст. Следовательно, как только смесь газов полностью увлажнится, парциальное давление паров воды в газовой смеси также составит 47 мм рт.ст.

Диффузия газов в жидкостях — градиент давления при диффузии

Основные факторы, влияющие на скорость диффузии газов в жидкости, включают: 1) парциальное давление газа; 2) растворимость газа в жидкости; 3) поперечное сечение той части поверхности, через которую происходит диффузия; 4) расстояние, которое газ должен преодолеть при диффузии; 5) молекулярная масса газа; 6) температура жидкости.

Чем больше растворимость газа и площадь поверхности для диффузии, тем больше количество молекул, способных диффундировать при любой данной разнице давления. С одной стороны, чем больше расстояние, которое молекулы должны пройти при диффузии, тем больше для этого требуется времени. И наконец, чем больше скорость движения молекул (которая при любой данной температуре обратно пропорциональна квадратному корню молекулярной массы), тем выше скорость диффузии газа.

Таким образом, характеристики самого газа в этой формуле определяют два фактора: растворимость и молекулярную массу, которые вместе называются диффузионным коэффициентом газа. Следовательно, диффузионный коэффициент, равный S,/MW, определяет относительную скорость, с которой различные газы диффундируют при одинаковом уровне давления. Если диффузионный коэффициент кислорода равен 1,0, то относительные диффузионные коэффициенты других газов, необходимых для дыхания, составляют: углекислый газ — 20,3; окись углерода — 0,81; азот —0,53; гелий — 0,95.

Диффузия газов в тканях

Необходимые для дыхания газы имеют высокую жирорастворимость и, следовательно, хорошо растворимы в клеточных мембранах. Стало быть, эти газы диффундируют через клеточные мембраны при очень слабом сопротивлении. Основным лимитирующим фактором движения газов через ткани является скорость, с которой газы могут диффундировать через тканевую воду.

Диффузия газов через респираторную мембрану

Респираторная единица состоит из респираторной бронхиолы, альвеолярных ходов, отверстия, открывающегося в альвеолу, и альвеолы.

В обоих легких имеется около 300 млн альвеол, диаметр каждой альвеолы в среднем составляет примерно 0,2 мм (200 мкм). Стенки альвеол чрезвычайно тонки и тесно соприкасаются с относительно плотной сетью сообщающихся между собой капилляров.

Ввиду большой распространенности капиллярного сплетения движение крови возле альвеол описывается как "сплошной лист" протекающей крови. Мембрана, через которую осуществляется газообмен между альвеолярным воздухом и кровью, известна как респираторная, или легочная, мембрана.

Для того чтобы кислород прошел из альвеол в легочное капиллярное русло, он должен проникнуть через четыре отдельных слоя, часто называемых в совокупности альвеолярно-капиллярной, или респираторной, мембраной. Эти четыре слоя включают следующее.

1.Слой жидкости, омывающей альвеолу. Она называется альвеолярной жидкостью и содержит в себе сурфактант, уменьшающий поверхностное натяжение.

2.Альвеолярный эпителий, состоящий из очень тонкого слоя эпителиальных клеток и базальной мембраны.

3.Очень ограниченное интерстициальное пространство между альвеолярным эпителием и капиллярной мембраной.

4.Капиллярная эндотелиальная мембрана и ее базальная мембрана, сливающаяся во многих местах с альвеолярной базальной мембраной.

Несмотря на такое количество слоев, общая толщина респираторной мембраны в некоторых местах составляет всего лишь 0,2 мкм, а в среднем — 0,63 мкм.

Как установлено при гистологических исследованиях, общая площадь поверхности респираторной мембраны у здорового взрослого составляет примерно 160 м² (что приблизительно соответствует размерам теннисного корта). Хотя легкие могут содержать около 700 мл крови, ее общее количество в легочных капиллярах в тот или иной момент времени составляет лишь 60-140 мл.

Средний диаметр легочных капилляров составляет менее 8 мкм; это означает, что эритроциты должны действительно проникать через них. Следовательно, мембрана эритроцита обычно соприкасается с капиллярной стенкой, так что кислород и углекислый газ вовсе не обязательно должны пройти через значительное количество плазмы в процессе их диффундирования между альвеолой и эритроцитом. Это способствует увеличению скорости диффузии газов между альвеолой и эритроцитом.

Факторы, влияющие на диффузию газов через респираторную мембрану

Факторы, определяющие скорость прохождения газа через респираторную мембрану, таковы:

1) толщина мембраны;

2) площадь поверхности мембраны;

3) коэффициент диффузии газа в воде данной мембраны;

4) разница давления по обе стороны мембраны.

Толщина респираторной мембраны иногда увеличивается, обычно в результате накопления отечной жидкости в интерстициальном пространстве. Кроме того, некоторые легочные заболевания вызывают фиброз легких, при котором отдельные участки респираторной мембраны могут еще больше утолщаться. Поскольку скорость диффузии через мембрану обратно пропорциональна ее толщине, любой фактор, увеличивающий толщину мембраны более чем в 2 или 3 раза по сравнению с нормой, может существенно нарушить оксигенацию крови. Диффузия практически никогда не представляет проблемы для углекислого газа.

Площадь поверхности респираторной мембраны может значительно уменьшаться при многих различных состояниях, таких как ателектаз или резекция легочной ткани. При эмфиземе многие альвеолы сливаются друг с другом при исчезновении альвеолярных стенок. Вновь образовавшиеся альвеолярные полости значительно больше первоначальных, однако общая площадь поверхности респираторной мембраны значительно сокращается. Когда общая площадь поверхности легких уменьшается примерно на одну треть или одну четверть нормы, обмен газов через мембрану в значительной степени замедляется даже в условиях покоя. При спортивных соревнованиях и других физических нагрузках даже небольшое уменьшение дыхательной поверхности легких может стать серьезной помехой для адекватного газообмена. Разница в давлении по обе стороны респираторной мембраны является по сути дела разницей между парциальным давлением газа в альвеолярах и парциальным давлением этого газа в крови. При дыхании комнатным воздухом нормальная артериально-альвеолярная разница для кислорода составляет 2—10 мм рт.ст. Для углекислого газа нормальная разница равна нулю.

Диффузионная способность респираторной (альвеолярно-капиллярной) мембраны.

Способность респираторной мембраны к газообмену между альвеолярами и кровью в легких может быть выражена количественно при использовании диффузионной способности, которая определяется как объем газа, диффундирующего через мембрану в течение 1 мин при разнице давления в 1 мм рт.ст. У среднего молодого взрослого диффузионная способность для кислорода в покое составляет в среднем 21 мл/мин на 1 мм рт.ст. Средняя разница давления кислорода по обе стороны респираторной мембраны при нормальном, спокойном дыхании составляет примерно 12 мм рт.ст. Умножение этого параметра на диффузионную способность (21 * 12) дает общее количество (около 250 мл) кислорода, диффундирующего через респираторную мембрану каждую минуту, что приблизительно равно скорости, с которой средний взрослый поглощает кислород в условиях покоя.

При большой физической нагрузке или при других состояниях, существенно увеличивающих легочный кровоток и альвеолярную вентиляцию, диффузионная способность кислорода у молодых мужчин возрастает до максимума — примерно до 65 мл/мин на 1 мм рт.ст., что втрое превосходит диффузионную способность в состоянии покоя. Подобное повышение обусловлено рядом различных факторов, включающих: 1) раскрытие прежде "спавших" легочных капилляров, что увеличивает поверхность крови, в которую кислород может диффундировать; 2) расширение легочных капилляров, которые уже были открыты, что еще больше увеличивает площадь поверхности.

Диффузионная способность двуокиси углерода не определена, так как этот газ настолько быстро диффундирует через респираторную мембрану, что средняя разница между Р_Со, в крови легочных капилляров и в альвеолах составляет менее 1 мм рт.ст. Поскольку диффузионный коэффициент углекислого газа в 20 раз выше, чем у кислорода, можно ожидать, что диффузионная способность углекислого газа в покое составит примерно 400—450 мл/мин на 1 мм рт.ст., а при физической нагрузке — около 1200—1300 мл/мин на 1 мм рт.ст.

Способность кислорода к диффузии может быть рассчитана по следующим параметрам: 1) альвеолярное P_Ol; 2) P_Ol в крови легочных капилляров; 3) скорость поглощения кислорода кровью. Ввиду трудностей, возникающих при определении диффузионной способности кислорода, физиологи предпочитают определять данный параметр для окиси углерода и лишь затем, используя полученное значение, рассчитывать диффузионную способность кислорода. При таком методе в альвеолы вдыхается небольшое количество окиси углерода, а затем его парциальное давление измеряется в образцах альвеолярного воздуха. Измерив, объем окиси углерода, абсорбированного в течение определенного времени, и разделив полученное значение на парциальное давление окиси углерода в воздухе в конце дыхательного цикла, определяют диффузионную способность окиси углерода.

Диффузионный коэффициент кислорода составляет 1,23 такового окиси углерода. Следовательно, если средняя диффузионная способность окиси углерода у молодого мужчины составляет 17 мл/мин на 1 мм рт.ст., то диффузионная способность кислорода будет равна 1,23 этой величины, или 21 мл/мин на 1 мм рт.ст.