CƠ học hô hấp CƠ học hô hấp

CƠ HỌC HÔ HẤP (MECHANICS OF BREATHING) Người dịch: ThS BS Lương Quốc Chính Khoa Cấp cứu - Bệnh viện Bạch Mai PHỔI ĐƯỢC HỖ TRỢ VÀ DI ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO (HOW THE LUNG IS SUPPORTED AND MOVED) Các hô hấp (Muscles of Respiration) Hít vào (Inspiration) Thở (Expiration) Đặc tính đàn hồi phổi (Elastic Properties of the Lung) Đường cong Áp lực – Thể tích (Pressure-Volume Curve) Khả giãn nở (Compliance) Sức căng bề mặt (Surface Tension) Nguyên nhân gây chênh lệch vùng thông khí (Causes of Regional Differences in Ventilation) Đường thở đóng (Airway Closure) Đặc tính đàn hồi thành ngực (Elastic Properties of the Chest Wall) Sức cản đường thở (Airway Resistance) Dòng khí qua ống (Airflow Through Tubes) Đo sức cản đường thở (Measurement of Airway Resistance) Áp lực chu kỳ thở (Pressures During the Breathing Cycle) Vị trí quan trọng sức cản đường thở (Chief Site of Airway Resistance) Yếu tố định sức cản đường thở (Factors Determining Airway Resistance) Căng động đường thở (Dynamic Compression of Airways) Nguyên nhân gây thông khí không (Cause of Uneven Ventilation) Sức cản tổ chức (Tissue Resistance) Công hô hấp (Work of Breathing) Công hô hấp phổi (Work Done on the Lung) Công hô hấp toàn (Total Work of Breathing) Trong Chương biết khí vào khỏi phế nang trình thông khí Bây trở lại với lực (forces) làm di chuyển phổi thành ngực, trở kháng (resistances) mà vượt qua Đầu tiên, xem xét hô hấp, hít vào thở Sau xem xét yếu tố định tới đặc tính đàn hồi phổi, bao gồm yếu tố tổ chức (tissue elements) sức căng bề mặt khí-lỏng Tiếp theo, khảo sát chế chênh lệch vùng thông khí đóng kín đường thở nhỏ Giống phổi, thành ngực đàn hồi, xem xét tương tác hai yếu tố Các nguyên lý vật lý sức cản đường thở sau xem tới, với phép đo sức cản đường thở, vị trí quan trọng sức cản đường thở phổi, yếu tố sinh lý ảnh hưởng tới sức cản đường thở Sức nén động lực đường thở thở tối đa phân tích Cuối cùng, công cần thiết để di động phổi thành ngực nhắc tới Các hô hấp (Muscles of Respiration) Hít vào (Inspiration) Cơ hít vào quan trọng hoành Đây hình vòm, mỏng lồng vào xương sườn Cơ hoành chi phối dây thần kinh hoành xuất phát từ đoạn tủy cổ 3, Khi hoành co lại, quan ổ bụng bị đẩy xuống trước, kích thước thẳng đứng khoang lồng ngực tăng lên Hơn nữa, bờ xương sườn nâng lên di chuyển làm tăng đường kính ngang lồng ngực (Hình 7-1) Trong thở (tidal breathing) bình thường, mức độ hoành di chuyển vào khoảng cm, hít vào thở gắng sức, hoành di chuyển khoảng gần 10 cm Khi hoành bị liệt, di chuyển lên thay di chuyển xuống thở hít vào áp suất lồng ngực giảm Đây gọi di động nghịch thường chứng minh nghiệm pháp huỳnh quang (fluoroscopy) bệnh nhân hít vào Các liên sườn ngoài, kết nối xương sườn liền kề với nhau, chạy dốc xuống trước (Hình 7-2) Khi chúng co lại, xương sườn kéo lên trước làm tăng đường kính bên đường kính trước sau lồng ngực Đường kính bên tăng di động kiểu “vận hành ống bơm” (“bucket-handle”) xương sườn Các liên sườn chi phối dây thần kinh liên sườn xuất phát từ tủy sống cấp Liệt liên sườn đơn không ảnh hưởng nghiêm trọng tới hô hấp hoành hoạt động bù trừ Các hít vào phụ bao gồm bậc thang nâng hai xương sườn lên ức đòn chũm nâng xương ức lên Các không tham gia tham gia không đáng kể vào động tác hít vào thở bình thương thở gắng sức chúng co thắt mạnh Các khác có vai trò nhỏ bao gồm cánh mũi (alae nasi) làm nở hai lỗ mũi nhỏ cổ đầu Hình 7-1 Khi hít vào, hoành hình vòm co, tạng ổ bụng bị đẩy xuống trước, lồng ngực (rib cage) mở rộng Thể tích lồng ngực tăng lên theo hai chiều Khi thở gắng sức, thành bụng co lại đẩy hoành lên Hình 7-2 Khi liên sườn co lại, xương sườn kéo lên trước, chúng xoay quanh trục nối với mấu đầu xương sườn Kết đường kính bên đường kính trước sau lồng ngực tăng lên Các liên sườn có hoạt động ngược lại Thở (Expiration) Là trình thụ động thở bình thường Phổi thành ngực có tính đàn hồi có xu hướng trở lại vị trí cân sau nở chủ động hít vào Khi luyện tập tăng thông khí chủ động trình thở chủ động Các thở qua trọng nằm thành bụng bao gồm thẳng bụng (rectus abdominis), chéo (internal oblique muscles) chéo (external oblique muscles), bụng ngang (transversus abdominis) Khi co, áp lực ổ bụng tăng hoành bị đẩy hướng lên Các co mạnh ho, nôn đại tiện Các liên sườn (internal intercostal muscles) hỗ trợ thở chủ động việc kéo xương sườn xuống vào (ngược lại với hoạt động liên sườn ngoài) làm giảm thể tích lồng ngực Ngoài ra, chúng củng cố/co cứng khoang liên sườn nhằm tránh bị phồng căng Một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy hoạt động hô hấp, đặc biệt liên sườn, phức tạp nhiều so với mô tả ngắn Các hô hấp (Respiratory Muscles) Hít vào chủ động; thở thụ động nghỉ Cơ hoành hít vào quan trọng nhất; chi phối dây thần kinh hoành có nguyên ủy từ vùng cổ Các khác bao gồm liên sườn, bụng phụ Tính chất đàn hồi phổi (Elastic Properties of the Lung) Đường cong áp lực-thể tích (Pressure-Volume Curve) Giả sử có phổi động vật bị cắt, đưa ống thông vào khí quản, đặt vào bình (Hình 7-3) Khi áp lực bình giảm xuống áp lực khí quyển, phổi mở rộng, thay đổi thể tích phổi đo phế dung kế Áp lực giữ mức, đánh dấu điểm, vài giây để phổi đứng yên Bằng cách này, đường cong áp lực-thể tích phổi vẽ Trong Hình 7-3, áp lực mở rộng xung quanh phổi tạo bơm, người, tạo tăng thể tích lồng ngực Thực tế khoang màng phổi phổi thành ngực nhỏ nhiều khoang phổi bình Hình 7-3 tạo khác biệt không ý nghĩa Khoang mang phổi chứa vài ml dịch Hình 7-3 cho thấy đường cong dòng khí hít vào thở khác Điều gọi tượng trễ (hysteresis) Lưu ý thể tích phổi áp lực định phổi xẹp xuống (thở ra) lớn hít vào Cũng lưu ý phổi áp lực làm nở phổi có khí bên Trong thực tế, áp lực xung quanh phổi tăng cao áp lực khí quyển, lượng nhỏ khí bị thêm đường thở nhỏ đóng, gây bẫy khí phế nang (so sánh Hình 7-9) Tuổi cao đường thở đóng thể tích phổi cao đường thở đóng gặp số bệnh phổi Trong Hình 7-3, áp lực bên đường thở phế nang phổi, tương tự áp lực khí quyển, trục hoành Vì vậy, trục đánh giá chênh lệch áp lực bên bên phổi Áp lực gọi áp lực xuyên phổi (transpulmonary pressure)và tương đương với áp lực xung quanh phổi áp lực phế nang áp lực khí Nó đánh giá mối quan hệ áp lực-thể tích phổi thể Hình 7-3 cách bơm vào áp lực dương rời khỏi bề mặt màng phổi tiếp xúc với không khí Trong trường hợp này, trục hoành gán “áp lực đường thở”, giá trị dương Các đường cong giống với thể Hình 7-3 Hình 7-3 Đánh giá đường cong áp lực-thể tích phổi cắt Phổi giữ áp lực vài giây thể tích đo Đường cong phi tuyến trở lên phẳng áp lực mở rộng cao Lưu ý đường cong căng phồng lên xẹp xuống không giống nhau; điều gọi tượng trễ (hysteresis) Độ giãn nở (Compliance) Độ dốc đường cong áp lực-thể tích, thay đổi thể tích thay đổi đơn vị áp lực, gọi độ giãn nở Trong giới hạn bình thường (áp lực mở rộng vào khoảng – 10 cmH2O), phổi căng phồng lên đáng kể giãn nở Độ giãn nở phổi người vào khoảng 200 ml x cm nước – Tuy nhiên, áp lực mở rộng cao, phổi cứng hơn, độ giãn nở nhỏ thể qua độ dốc phẳng đường cong Độ giãn nở giảm tăng tổ chức xơ phổi (xơ phổi) Ngoài ra, độ giãn nở phổi giảm phù phổi, phù phổi cản trở căng phồng số phế nang Độ giãn nở giảm phổi không thông khí thời gian dài, đặc biệt thể tích phổi thấp Điều phần xẹp phổi, tăng sức căng bề mặt xẩy (xem bên dưới) Độ giãn nở phần giảm áp lực tĩnh mạch phổi tăng phổi bị ứ trệ máu Độ giãn nở tăng khí phế thũng phổi lão hóa bình thường Cả hai trường hợp có lẽ thay đổi mô đàn hồi phổi Độ giãn nở tang xẩy hen nguyên nhân chưa rõ ràng Độ giãn nở phổi phụ thuộc vào kích thước Rõ ràng rằng, thay đổi thể tích thay đổi đơn vị áp lực lớn phổi người so với phổi chuột Vì lý này, độ giãn nở đơn vị thể tích phổi, độ giãn nở riêng (specific compliance), đo ta muốn rút kết luận tính chất đàn hồi nội sinh nhu mô phổi Áp lực xung quanh phổi thấp áp lực khí Hình 7-3 (và lồng ngực di động) dội lại đàn hồi phổi Yếu tố gây hoạt động đàn hồi phổi, có nghĩa là, xu hướng trở thể tích nghỉ sau căng phồng? Một yếu tố mô đàn hồi, mô quan sát thấy tiêu mô học Các sợi đàn hồi tạo keo thấy thành phế nang xung quanh mạch máu phế quản Có lẽ hoạt động đàn hồi phổi bị chi phối kéo dài đơn sợi bố trí hình học chúng Tương tự vật liệu ny lông, nở phồng cấu trúc dệt kim, sợi ny lông riêng rẽ khó kéo căng Các thay đổi dội lại đàn hồi xẩy phổi người có tuổi tuổi khí phế thũng có lẽ thay đổi mô đàn hồi Sức căng bề mặt Một yếu tố quan trọng khác hoạt động áp lực-thể tích phổi sức căng bề mặt màng chất lỏng lót phế nang Sức căng bề mặt lực (tính theo đơn vị dyne, ví dụ) hoạt động đường tưởng tượng dài cm bề mặt chất lỏng (Hình 7-4A) Nó phát sinh lực hút phân tử lân cận chất lỏng mạnh so với chất lỏng khí, kết diện tích bề mặt chất lỏng nhỏ tốt Hoạt động thấy rõ ràng bong bóng xà phòng thổi cuối ống (Hình 74B) Bề mặt bong bóng tiếp xúc nhiều chúng có thể, tạo thành hình cầu (diện tích bề mặt nhỏ cho thể tích) tạo áp lực mà dự đoán từ luật Laplace: áp lực = (4 x sức căng bề mặt)/bán kính Khi có bề mặt tham gia vào phế nang hình cầu lót màng chất lỏng tử Đường cong áp lực-thể tích phổi Phi tuyến, với phổi trở nên cứng ạt thể tích cao Cho thấy tượng trễ căng phồng xẹp xuống Độ giãn nở độ dốc ΔV/ΔP Hoạt động phụ thuộc vào protein cấu trúc (collagen, elastin) sức căng bề mặt Sức căng bề mặt góp phần vào hoạt động áp lực-thể tích phổi chứng thu chứng minh qua việc phổi bơm lên nước muối có độ giãn nở lớn nhiều (dễ dàng phình lên) so với phổi chứa đầy khí (Hình 7-5) Vì nước muối thủ tiêu lực sức căng bề mặt có lẽ không ảnh hưởng tới lực nhu mô phổi, nghiên cứu có nghĩa sức căng bề mặt đóng góp phần lớn lực dội lại tĩnh phổi Một thời gian sau, nghiên cứu bọt phù phổi từ phổi động vật phơi nhiễm với khí độc, nhà nghiên cứu nhận thấy bong bóng khí nhỏ bọt phù phổi ổn định Họ nhân thấy điều chứng tỏ sức căng bề mặt thấp, quan sát dẫn tới phát đáng ý bề mặt phổi Hình 7-4 A Sức căng bề mặt lực (ví dụ, theo đơn vị dyne) tác động lên đường tưởng tượng dài cm bề mặt chất lỏng B.Lực bề mặt bong bóng xà phòng có xu hướng giảm diện tích bề mặt tạo áp suất bên bong bóng C Vì bong bóng nhỏ tạo lực lớn hơn, thổi bong bóng to lên Hình 7-5 So sánh đường cong áp lực-thể tích phổi chứa đầy khí chứa đầy nước muối (ở mèo) Chu kỳ mở, bơm căng; chu kỳ kín, xẹp xuống Lưu ý phổi chứa đầy nước muối có độ giãn nở cao tượng trễ so với phổi chứa đầy khí Giờ biết số tế bào lót phế nang tiết chất làm giảm mạnh sức căng bề mặt chất lỏng lót phế nang Surfactant phospholipid, dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) thành phần quan trọng Tế bào biểu mô phế nang có loại Tế bào loại có hình dạng trứng chiên với phần mở rộng tế bào chất dài trải mỏng qua thành phế nang (Hình 1-1) Tế bào loại hai nhỏ gọn (Hình 7-6), kính hiển vi điện tử nhận thấy thân tế bào chia thành (lamellated bodies) đẩy vào phế nang trở thành bề mặt Các surfactant bị rửa khỏi phổi động vật cách bơm rửa với nước muối Các DPPC phospholipid tổng hợp phổi từ axit béo mà chúng chiết xuất từ máu tự tổng hợp phổi Tổng hợp nhanh chuyển nhanh thành surfactant Nếu dòng máu không tới vùng phổi thuyên tắc mạch surfactant bị cạn kiệt Surfactant hình thành muộn thai nhi, trẻ sơ sinh đủ lượng surfactant xuất suy hô hấp tử vong Những tác động chất lên sức căng bề mặt nghiên cứu với cân bề mặt (Hình 7-7) Điều bao gồm khay chứa nước muối nhỏ vào lượng nhỏ chất thử Diện tích bề mặt sau luân phiên mở rộng nén lại hàng rào di động sức căng bề mặt đo từ lực tác động lên dải bạch kim Nước muối tinh khiết cho sức căng bề mặt vào khoảng 70 dyne ・cm−1 (70 mN・m−1), không phụ thuộc vào diện tích bề mặt Thêm chất tẩy rửa làm giảm sức căng bề mặt, hoàn toàn độc lập với diện tích bề mặt Khi đặt chậu rửa phổi vào nước muối, thu đường cong thể Hình 7-7B Lưu ý sức căng bề mặt thay đổi nhiều so với diện tích bề mặt có tượng trễ (so sánh Hình 7-3) Cũng lưu ý sức căng bề mặt giảm xuống giá trị thấp diện tích bề mặt nhỏ Hình 7-6 Hiển vi điện tử tế bào biểu mô phế nang loại II (x 10.000) Lưu ý than tế bào chia thành (lamellated bodies_LB), nhân lớn, vi lông nhung (mũi tên) Hình chữ nhật phía bên phải ảnh chụp hiển vi điện tử cho thấy hình ảnh bề mặt tế bào loại II với phân bố vi lông nhung (x 3400) đặc trưng Làm để surfactant làm giảm sức căng bề mặt vậy? Rõ rang phân tử DPPC kỵ nước đầu ưa nước đầu kia, chúng xếp tự nhiên bề mặt Khi điều xẩy ra, lực đẩy phân tử chúng chống lại lực hút bình thường phân tử bề mặt chất lỏng chịu trách nhiệm sức căng bề mặt Sức căng bề mặt giảm mạnh màng bị nén phân tử DPPC sau tập trung gần đẩy mạnh Những tiến sinh lý học surfactant gì? Thứ nhất, sức căng bề mặt thấp phế nang làm tang độ giãn nở phổi làm giảm công mở rộng phổi nhịp thở Tiếp theo, ổn định phế nang phát huy 500 triệu phế nang vốn không ổn định vùng xẹp phổi (sụp đổ) thường hình thành có bệnh Đây chủ đề phức tạp, cách để xem xét phổi coi tập hợp hang triệu bong bóng nhỏ (mặc dù rõ rang đơn giản hóa) Trong việc xếp vậy, có su hướng với bong bóng nhỏ xẹp xuống thổi căng lên thành bong bóng lớn Hình 7-4C cho thấy áp lực tạo lực bề mặt phát bong bóng tỷ lệ nghịch với bán kính nó, với kết sức căng bề mặt áp lực bong bóng nhỏ lớn bong bóng lớn Tuy nhiên, Hình 7-7 cho thấy rửa phổi xuất diện tích bề mặt nhỏ kết hợp với sức căng bề mặt nhỏ Như vậy, xu hướng khí phế nang nhỏ trống rỗng để vào phế nang lớn dương giảm Vai trò thứ ba surfactant giúp giữ khô phế nang Cũng sức căng bề mặt có xu hướng kéo xẹp phế nang, chúng có xu hướng kéo dịch khỏi mao mạch Trong thực tế, sức căng bề mặt cong phế nang làm giảm áp lực thủy tĩnh mô bên mao mạch Bằng việc giảm áp lực bề mặt này, surfactant ngăn cản rò rỉ dịch Hậu surfactant gì? Trên sở chức thảo luận trên, điều nghĩ tới phổi cứng (độ giãn nở phổi thấp), nhiều vùng xẹp phổi, phế nang chứa đầy dịch rò rỉ Đúng vậy, đặc trưng sinh lý bệnh hội chứng suy hô hấp trẻ sơ sinh bệnh gây thiếu chất quan trọng Bây điều trị cho trẻ sơ sinh việc phủ surfactant tổng hợp vào phổi Hình 7-7 A Cân bề mặt Diện tích bề mặt thay đổi, sức căng bề mặt đo từ lực tác dụng dải bạch kim nhúng vào bề mặt B Sơ đồ sức căng bề mặt diện tích bề mặt thu với cân bề mặt Lưu ý việc rửa phổi cho thấy thay đổi sức căng bề mặt với diện tích sức căng bề mặt tối thiểu nhỏ Các trục lựa chọn phép so sánh với đường cong áp lực-thể tích phổi (Hình 7-3 7-5) c ... sườn đơn không ảnh hưởng nghiêm trọng tới hô hấp hoành hoạt động bù trừ Các hít vào phụ bao gồm bậc thang nâng hai xương sườn lên ức đòn chũm nâng xương ức lên Các không tham gia tham gia không đáng... thực nghiệm cho thấy hoạt động hô hấp, đặc biệt liên sườn, phức tạp nhiều so với mô tả ngắn Các hô hấp (Respiratory Muscles) Hít vào chủ động; thở thụ động nghỉ Cơ hoành hít vào quan trọng nhất;... di động phổi thành ngực nhắc tới Các hô hấp (Muscles of Respiration) Hít vào (Inspiration) Cơ hít vào quan trọng hoành Đây hình vòm, mỏng lồng vào xương sườn Cơ hoành chi phối dây thần kinh hoành