Solunum mekaniği ve ventilasyonProf. Dr. Nazan Dolu

Erciyes Üniversitesi Tıp FakültesiFizyoloji AD

dolu@erciyes.edu.tr

• Gazlar sıkışabilirler.

• Basınç farkı yönünde akarlar.

• Direnç artarsa akış azalır.

• Hava bağımsız olarak difüze olan gazların bir karışımıdır.

• Her bir gazın karışım içinde bir “kısmi basıncı” (Pgaz) vardır.

Başlıca gaz kanunları

“Boyle” genel gaz yasası

Bir kaptaki sabit sayıdaki gaz molekülü varsa, kabın hacmindeki bir artış gaz basıncını düşürür,

kabın hacmindeki bir azalma basıncı artırır

Solunum mekanizması

• İnspirasyon (Aktif süreç) – Hava AC’e girer. Neden?

– Gazlar yüksek basınçlı bölgeden düşük basınçlı bölgeye geçerler.

– İnspirasyon sırasında – Diyafragma aşağı iner ve AC’ler genişler.

– AC’ler genişlediğinde hacim artar, böylece AC içindeki basınç azalır.

– AC basıncı, dış atmosfer basıncından azalır, dolayısıyla hava içeri girer.

• Ekspirasyon (pasif süreç) – Hava AC’den çıkar– Diyafragma ve inspirasyon kasları gevşer

– AC’ler ve göğüs kafesinde volüm azalır, dolayısıyla basınçları artar.

– Hava dışarı çıkar. Çünkü, AC içindeki basınç dış atmosfer basıncından yüksektir.

Solunum mekanizması

Solunumun incelenme basamakları

• Ventilasyon:Atmosfer ve AC’lerin solunum bölümleri arasında havanın hareketi

• Difüzyon: Pulmoner kapillerler ve alveoller arasındaki gaz transferi

• Perfüzyon: Pulmoner arterial kan ile venöz kanın AC gaz alışveriş birimlerine dağılımı ve pulmoner ven ile uzaklaştırılmaları

• Solunumun kontrolü

Ventilasyon• Atmosfer ve alveoller arasında hava değişimi

olarak tanımlanır.

• F = ΔP / R

• Yani, akım (F), iki nokta arasındaki basınç farkı (ΔP) ile doğru ve direnç (R) ile ters orantılıdır.

• F = Patm – Palv / R

• Bu basınç değişimlerinin sağlanması için AC’lerin hacimlerinde değişiklikler olacaktır.

• Solunum sistemindeki bütün basınçlar vücut çevresindeki hava basıncı olan (deniz seviyesinde 760 mmHg) atmosferik basınca göre yapılır (1 atm =760 mmHg)

• 1 mmHg = 1,36 cmH2O

Ağız Basıncı

• Genelde "havayolu açılma basıncı (Pawo = Airway Opening Pressure) veya "havayolu basıncı (Paw = Airway Pressure)" olarak da adlandırılmaktadır.

• Bu değer üst havayolu yada proksimal havayollarına ait basınç olarak değerlendirilir ve üst havayoluna pozitif basınç uygulanmadığı sürece “Paw” değeri sıfırdır.

Vücut yüzeyi basıncı (Pvy=Pbs = Body Surface

Pressure)

• Hasta hiperbarik oda gibi basınçlı bir odada bulunmadığı veya negatif basınçlı ventilasyon uygulanmadığı sürece bu değer de atmosferik basınca eşittir ve sıfır kabul edilir.

Alveoler Basınç (Palv)• Alveol yüzeyine yansıyan basınç

değerini ifade eder.• Glottis açık, AC’lerden içeri ve dışarı

hava akımının olmadığı durumlarda tüm solunum yollarında basınç 0 cm H2O’dur.

• Palv (-1) < Patm (0) olduğu zaman hava akımı AC’lere doğrudur (inspirasyon)

• Palv (+1) > Patm (0) olduğu zaman hava akımı AC’lerin dışına doğrudur.

• Palv = Patm olduğunda ise hava akımı oluşmaz.

İntraplevral basınç (Ppl)

• Parietal ve visseral plevra arasındaki potansiyel boşluğun basıncıdır

• Parietal ve visseral plevranın yapışmasını önler.

• Daima subatmosferiktir (756 mmHg=-5 cm H2O).

• Diafragma kasılınca negatiflik artar (-7.5 cmH2O)

• Yaklaşık 2.5 cm H2O’luk değişiklik 0.5 lt havanın girmesini sağlar.

Transmural Basınçlar

• Transpulmoner basınç (PL) : Ptp=PL= PA- Ppl

• Transtorasik basınç (Pw) :

Pw = Ppl - Pbs. • Transrespiratuar

basınç (Prs):

Prs=PA – Pbs

Havalanma (ventilasyon)- nefes döngüsü

Palv’deki statik (t = 0, 2 & 4 sn) ve dinamik (t = 1 & 3 sn) fazlarHava akımı sadece Ppl’da dinamik değişiklikler olduğu zaman meydana gelir.Patm – Ppl basınç farkı olmadığı zaman hava akımı meydana gelmez.

Basınç Değişiklikleri

Ekspirasyon sonu

Solunum siklüsünde basınç değişiklikleri

AC’lerin şişme modeli

Balon çevresindeki basınçlar

• Ptp = Palv - Ppl• Palv = 0, Glottis açık,

dış atmosferden AC’lere hava akışı olmaması gibi)

• Ppl subatmosferikdir.

• Ptp = 0 - (-10cmH2O)

• Ptp = 10 cmH2O

• Transpulmoner basınç arttıkça AC hacmi artar. Ancak 20-30 cmH2O’da max. volüme erişir.

• ACden farklı olarak, göğüs duvarı, yüksek transtorasik basınçda genişlemeye devam eder.

Ventilasyon için gerekli güçler

• Uygulanan güçlerSolunum kasları

• Karşı güçler1. AC- göğüs duvarındaki elastik güçleri (%65)Kompliyans-Elastaz2. Elastik olmayan işDoku direnci: Ac ve göğüs çeperi yapılarının visközitesi (%7)Hava yolu direnci (%28)’nin üstesinden gelmelidir.

Solunum Siklüsünde Hacim-Basınç İlişkileri

• Solunum fonksiyonunun mekanik özellikleri, AC hacmi ve Ppl değişiklikleri bir arada gösteren eğrilerle tanımlanır:

1-Statik basınç/hacim eğrisi

2-Dinamik basınç/hacim eğrisi

Statik basınç/hacim eğrisi• Bir kişi bir miktar hava inspire

edip tüm solunum kaslarını gevşetir, o şekilde beklerse durağan durum olur.

• Eğri sıfır hava akımının olduğu durumda elde edilir.

• Bu durumda AC’ler küçülmeye çalışarak ‘elastik geri tepme kuvveti’ etkisi altına girer.

• Göğüs duvarı ise istediğinden daha küçük bir volümdedir. AC elastik geri tepme kuvvetini zıt yönünde, dışa doğru yönelen kuvvetin etkisindedir.

• Etki ortadan kalktığında ise Transmural basınç ‘0’ olur. Denge durumu gerçekleşir. PA= Pel + Ppl

PL= PA- PplPL= (Pel+ Ppl) – PplPL= Pel

Statik basınç/hacim eğrisi

• Bu eğri ile;

(1)Tek başına elastik yapıların katkısı

(2)Ekspirasyon sonunda AC hacminin sıfır değerine kollaps olmasını engelleyen güçlerin dengesi değerlendirilmiş olur.

• Bu tür eğriler sadece kompliyans tarafından etkilenir.

Dinamik basınç/hacim eğrisi

• Normal soluk alıp vermedeki mekanik ilişkileri gösterir.

• Bu eğriler kompliyans ve solunum sistemi direncinden etkilenir.

Kompliyans (CL)

– Herhangi bir anda AC’in genişleme derecesi transpulmoner basınçla orantılıdır

– Kompliyans, transpulmoner basınçdaki belli bir değişmeyle yaratılan AC hacmindeki değişmedir.

• Transpulmoner basınç 1 cm H2O artınca AC’ler 200 ml genişler.

CL = ∆V/∆P (birimi ml (veya

L)/cmH2O

∆V= hacim değişimi ∆P = ∆ (Palv – Pip )

Kompliyans (CL)

• Kompliyans arttıkça, belli bir transpulmoner basınçta AC’lerin ve toraksın genişlemesi, daha kolaydır.

• Kompliyans düşük olunca AC’ler ve toraks, belli bir basınca karşılık daha zor genişlerler.Daha büyük bir transpulmoner basınca, başka deyişle daha negatif Pip ’a gerek vardır.

• Bunun için düşük AC kompliyanslı kişiler yüzeyel ve hızlı solurlar.

Kompliyans ≈ Esneklik

Kompliyansı düşük, genişlemesi zor

AC’lerin basınç-hacim eğrisi

AC’in kompliyansı basınç-hacim halkasının sönme kolundaki herhangi iki nokta

arasındaki çizginin eğimidir

• P-V eğrisi AC’lerin elastik özelliğini yansıtır.

Normal insan AC kompliyansı0.2 L/ cmH2O’dur.

AC’lerin kompliyansı • Eğrinin dik olması yüksek

kompliyansı, yatık olması düşük kompliyansı gösterir.

• Dolayısıyla AC kompliyansı yüksek volümlerde en düşük, rezidüel volüm seviyelerinde en yüksek noktasındadır.

AC kompliyansını etkileyen faktörler

• AC’in büyüklüğünü transpulmoner basınç belirler.

• Transpulmoner basınç farkı ne kadar fazla ise AC’ler o kadar fazla hacme sahip olur.

• Yerçekiminden dolayı AC tabanında tepeye göre Ppl’nın negatifliği daha düşüktür.

• Palv ise bütün AC’de aynıdır.• Böylece transpulmoner basınç apeksde tabana

göre daha yüksektir (daha çok hava bulundurur).• Dolayısıyla apeksin kompliyansı daha azdır.

AC kompliyansının belirleyicileri

– AC Kompliyansı, (1) AC elastik maddelerinin (%50) ve (2) Alveol yüzey geriminin (%50) mekanik bir

özelliğidir.– (1) AC dokusunun elastik kuvvetleri

AC parankimindeki elastin ve kollajen liflerle sağlanır.Kollajen AC’leri aşırı genişlemekten korur. Kolay gerilemez (yüksek elastans)Elastin konnektif dokuların gerilebilirliğini sağlar. Dinlenim uzunluğunun 2 katı kadar gerilebilir (yüksek kompliyansa sahip)

AC kompliyansının belirleyicileri

– (2) Alveol içi hava-su ara yüzeyindeki yüzey güçleri

– (3) Kapiller ağın doluluğu ve doku hidrasyon derecesi, hava yollarının geometrisi diğer faktörlerdir.

Statik AC kompliyansını etkileyen faktörler

Düşük CL Yüksek CL

Alveolar volüm Ufak yapılı birey İri yapılı, atlet

Havayolu kapanması

Sürfaktan Akut respiratuar stres

Fibröz yapı AC parankim hast. Yaş, amfizem

Visseral plevra Tbc, asbest, hemotoraks

Alveol duktus kas tonusu

Histamin, seratonin, Hipoksi

Bronkodilatatör ilaçlar

Pulmoner kan akımı

Mitral darlık,

sol vent. yetm.

Normokapnik hipoksi, pulmoner stenoz

Amfizemde statik kompliyans artmış, dinamik kompliyans azalmıştır

Transpulmoner basınç, cmH2O

Interstisyelfibrozis

normal

amfizem

Vo

lüm

, b

ekle

nen

TA

K’n

in %

si

0 10 20 30 40

120

100

80

60

40

20

0

Histerezis

• Esnek bir sistemin deforme edilmesi ve kuvvet ortadan kaldırıldıktan sonra denge durumuna dönmesi sırasında izlenen davranışların birbirinden farklı olmasına denir.

lun

g v

olu

me

insp

irat

ion

expi

ratio

n

Histerezis

• İnspirasyonun başında AC içi basınç artarken, hacim değişiklikleri buna paralel değildir. Belli basıncın üzerinde ilişki doğrusal olur. Büyük AC volümlerinde platoya ulaşılır.

• Ekspirasyonun başında basıncın azalmasına rağmen volüm azalmaz. Sonra doğrusal ilişki olur

lun

g v

olu

me

insp

irat

ion

expi

ratio

n

Kompliyansa yüzey geriminin etkisi

AC’ler bedenden çıkarılıp serum fizyolojik ile doldurulursa ne olur?

Serum fizyolojik ile histeresiz oldukça azalır.

İnspirasyon

Ekspirasyon

• Alveoldeki hava sıvı ara yüzeyi adezyon gücü ile alanını küçültmeye çalışır.

• AClerin serum fizyolojik ile dolması yüzey kuvvetlerini bu dokunun elastikiyetini etkilemeksizin ortadan kaldırır.

• Serum fizyolojik yüzey gerilimini sıfıra kadar düşürdüğünden, basınç-hacim eğrisi sadece dokunun esnekliğini gösterir.

• Böylece küçük bir basınçla AC’ler şişirilebilir.• Hava ile dolu AC’leri genişletmek için gerekli

transpulmoner basınç, serum fizyolojik ile dolu AC’leri genişletmek için gerekli basıncın 3 katıdır.

air air air

Yüzey gerimi nedir?

Su molekülleri hava ile temas ettiklerinde aralarında kimyasal bir çekim gücü meydana gelir (ör = yağmur damlasının oluşumu)

Epitel üzerindeki su moleküllerinin oluşturduğu yüzey gerimi, alveollere büzüşmeye (kollabe olmaya) meyilli bir balon

niteliği kazandırır.AC’lerde yüzey gerim elastik kuvveti denilen elastik kasılma kuvveti oluşur.

x x

P

T

BasınçYüzey gerimiYarıçap

LaPlace Kanunu

Küresel bir hava boşluğunda basıncın hesaplanmasıyukarıdaki formülledir.

Bütün küçük alveoller tamamen küçülme, büyükler ise gittikçe boylarını artırma eğilimdedirler. Bu olaya ALVEOLLERİN KARARSIZLIĞI denir.

x x

Küçük alveollerde büzüşme basıncıdaha büyüktür

Büyük alveol Küçük alveol

Büyük alveol içine hava akımı

LaPlace kanunu

Basınç

Yüzey gerimi

YarıçapKüçük

Alveol’den

(P daha küçüktür)

Alveollerde yüzey gerilimi-Sürfaktanın etkisi

Bazı sıvıların yüzey gerim değerleri; Saf su: 72 din/cmSürfaktan içermeyen alveol sıvısı: 50 din/cmSürfaktan içeren alveol sıvısı: 5-30 din/cm

Olgun sürfaktan bileşimi

Total ağırlığın yüzdesi

Lipid 89-90

Protein 10-15

Lipidleri yüzdesi

Fosfolipidler 85-90

Nötral lipidler 5

Glikolipidler 5-10

Total fosfolipidlerin yüzdesi

Fosfatidilkolin 70-80

Dipalmitoil fosfatidilkolin 45-50

Fosfatidilgliserol 7-10

Fosfatidiletanolamin 3-5

Sürfaktanın Bileşimi

• Dipalmitol fosfatidil kolin (lesitin), yüzey gerimini azaltır

• Fosfatidil gliserol, sürfaktanın geniş yüzey alanında yayılımını sağlar

• Kolesterol ve kolesterol esterleri; lipid yapının korunmasında yardımcıdır.

Sürfaktanının kaynağı

• Tip 2 alveol epitel hücrelerinin endoplazmik retikulumunda yapılır.

• Katmanlı cisimlerde ön biçimlenmiş olarak depolanır.

• Buradan eksositoz ile salınırlar.

• Bu sentez fetal hayatın geç dönemlerinde başlar.

Sürfaktanın görevleri

• Yüzey gerilini düşürerek nefes alma işini azaltmak

• Yapışmayı önleyici özellikleri ile ekspirasyonda alveolün kapanmasını önleme

• Sönmeye eğilimli alveollerin dengede kalmasını sağlama

Sürfaktan salınımını artıranlar

• Alfa adrenerjik agonistler

• Protein kinaz C aktivatörleri

• Lökotrienler

• Pürinerjik agonistler

• Tiroid Hormonları

• Glukokortikoidler

Sürfaktanı Azaltanlar

• İnsülin sürfaktan etkinliğini azaltır.

• Sigara içen anne bebeklerinde de sürfaktan yapımı bozulur.

Göğüs duvarı kompliyansını etkileyen faktörler

• Göğüs geometrisi

• Göğüs duvarı yapısı

• Kişinin boyu

• Solunum kaslarının inervasyonu

• Şişmanlık

• Abdominal içeriğin hareketliliği

• Transmural (iç-dış)– AC’ler için

• alveolar – plevral– Göğüs duvarı için

• plevral – atm– AC+Göğüs duvarı

• alveolar – atm• Göğüs duvarı genişlemek ister• AC’ler içe doğru daralmak ister.

• Statik koşullarda Patm=Palv=0• FRC’de• PL= Palv- Ppl=0-(-3.5)=3.5• Pcw=Ppl-Pvy=-3.5-0=-3.5• Prs=Palv-Pvy=0-0=0

Vital Kapasite(%)

25

50

75

60

• Volüm = FRC– Denge pozisyonu – İç güç=dış güç

• Volüm < FRC– AClerde daha az volüm var

Elastik güç daha az– Göğüs duvarının genişleme

gücü hala fazla– Sistem genişlemek ister

• Volüm > FRC– AClerde volüm fazla

Elastik güç artar– AClerin genişleme gücü

azalmış– Sistem kollabe olmak ister

Total Respiratuar Sistem Kompliyansı

AC ve göğüs duvarı kompiyanslarından oluşur.

Göğüs ve AC’lerin ortak kompliyansı

ELASTİSİTE

• Esnek bir sistemi deforme eden kuvvet transmural basınçtır (Pm=iç basınç-dış basınç).

• Solunum sistemi de bir balon gibi Pm ile deforme olur, basınç ortadan kalkınca eski haline gelir.

• Tanımlanan bu eğilime ELASTİSİTE, bu eğilimi sağlayan kuvvete ELASTİK GERİ TEPME KUVVETİ denir.

ELASTAZ

• Elastaz kompliyansın tersidir.

E= ∆P /∆V• Bir sistemde birim deformasyona yol açan

basınç değişikliğidir (hacim değişimine karşı oluşan basınç değişimidir).

Solunum işi

• Sakin solunumda solunum kasları kasılarak iş yaptığından, ekspirasyon pasif olduğundan;

• İnspirasyon işi 3 bölüme ayrılır;

- Kompliyans işi (elastik iş)(%65)

- Doku direnci işi (esnek olmayan dokuları hareket ettirmek= visköz direnç)(%7)

- Havayolu direnci işi (%28)

• Total AC-toraks sistem kompliyansı, tek başına AC kompliyansının yaklaşık yarısı kadar olduğundan;

• Total AC-toraks sistemini genişlemesi yada daralması için gerekli enerji AC’lerin genişlemesi için gerekli enerjinin 2 katı kadardır.