Częstość oddechów 2: anatomia i fizjologia oddychania

Wprowadzenie

Aby zrozumieć proces oddychania, ważna jest znajomość anatomii klatki piersiowej i fizjologii układu oddechowego. Oddychanie składa się z dwóch zasadniczych elementów:

• Wentylacja: proces fizycznego przemieszczania powietrza do i z płuc;
• Wymiana gazowa: proces dostarczania tlenu (O2) do organizmu i wydalania dwutlenku węgla (CO2).

Anatomia i fizjologia

Płuca znajdują się w obrębie klatki piersiowej otoczonej dwiema błonami opłucnowymi (ryc. 1). U podstawy klatki piersiowej, oddzielając ją od jamy brzusznej, leży przepona. Jest to główny mięsień wdechu i jest unerwiony przez nerw przeponowy.

Płuca składają się z dużych i małych dróg oddechowych – tchawica jest największą i pierwszą z 23 generacji dróg oddechowych. Drogi oddechowe w każdej generacji powstają z poprzedniej za pomocą systemu nieregularnych dychotomicznych odgałęzień (Davies i Moore, 2010). Mniejsze drogi oddechowe (oskrzeliki oddechowe) zawierają w swoich ścianach pęcherzyki płucne. Pęcherzyki płucne są miejscem wymiany gazowej, a ich obecność zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się dróg oddechowych. Dzięki temu całkowita powierzchnia płuc zwiększa się wykładniczo, dając maksymalną możliwość wymiany gazowej.

Centralne i obwodowe chemo receptory wrażliwe na hipoksję (niski poziom O2) i hiperkapnię (zwiększony poziom CO2) kontrolują popęd do oddychania (Davies i Moore, 2010).

Wentylacja

Powietrze w naturalny sposób przemieszcza się z obszaru o wysokim ciśnieniu do obszaru o niskim ciśnieniu. Podczas normalnego oddychania wdech następuje poprzez skurcz i spłaszczenie przepony oraz skurcz zewnętrznych mięśni międzyżebrowych, co powoduje uniesienie i ruch klatki piersiowej na zewnątrz. Powoduje to zwiększenie rozmiarów jamy klatki piersiowej. Zmiany te powodują, że warstwa opłucnej ciemieniowej płuc przesuwa się wraz z żebrami i przeponą, tworząc podciśnienie. Warstwa opłucnej trzewnej przyczepiona do powierzchni płuc podąża za nią, a płuca rozszerzają się, wciągając powietrze.

Wydech w spoczynku jest procesem w dużej mierze biernym; mięśnie wdechowe rozluźniają się i następuje sprężyste zwijanie płuc dające stan równowagi ciśnieniowej, zanim cykl rozpocznie się ponownie (Bourke i Burns, 2015). Ten ruch ściany klatki piersiowej jest obserwowany, gdy mierzona jest częstość oddechów (RR). Zmiany w RR występują w odpowiedzi na ćwiczenia, emocje i podczas snu; te zmiany w RR związane z ćwiczeniami i niepokojem mogą być większe niż 25 uderzeń na minutę, ale zazwyczaj wracają do normy w stanie spoczynku, spokoju.

Wymiana gazowa

Proces wentylacji dostarcza powietrze do pęcherzyków płucnych, gdzie następuje wymiana gazowa poprzez prosty proces dyfuzji. Gaz będzie się przemieszczać z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu. Ciśnienie parcjalne O2 w atmosferze jest wyższe w porównaniu z ciśnieniem parcjalnym w organizmie, a krwiobieg zawiera wyższe ciśnienie parcjalne CO2 niż atmosfera. Aby wymiana gazowa była skuteczna, powietrze wdychane do płuc musi przebyć drogę do błony pęcherzyków płucnych, gdzie ściany kapilar są cienkie i jest ogólnie duża powierzchnia.

Co to jest podstawowa wartość RR?

Gdy zachodzi wentylacja i wymiana gazowa, normalny zakres wysycenia krwi tlenem (SpO2) wynosi 94-98% (O’Driscoll i wsp., 2017) i można go utrzymać w spoczynku przy RR wynoszącym 12-20 oddechów na minutę.

Rys. 2 przedstawia krzywą dysocjacji oksyhemoglobiny. Ilustruje ona, w jaki sposób czynniki fizjologiczne mogą prowadzić do zmiany RR w wyniku zmiany SpO2. Na przykład, jeśli na wysokości nastąpi spadek dostępnego atmosferycznego O2 (PO2), SpO2 obniży się, powodując wzrost RR. W chorobie, w której temperatura lub poziom pH krwi ulegają zmianie, przesuwając krzywą dysocjacji oksyhemoglobiny w prawo lub w lewo, RR ulegnie zmianie, ponieważ organizm próbuje przywrócić homoeostazę.

Wpływ złego stanu zdrowia na podstawową wartość RR

Należy zadać pytanie, czy RR jako część Narodowego Systemu Wczesnego Ostrzegania (NEWS) (Royal College of Physicians, 2017) jest bardziej przydatna u pacjentów, którzy nie mają znanych schorzeń układu oddechowego, gdzie wynik 0 (12-20 oddechów na minutę) jest prawdziwą wartością podstawową.

W stanach płuc, w których wymiana gazowa i/lub wentylacja są upośledzone w spoczynku, napędy hipoksyjne i hiperkapniczne będą zwiększać RR, aby utrzymać SpO2. Słaba wymiana gazowa, widoczna w takich stanach, jak zwłóknienie płuc lub rozedma (spowodowane odpowiednio pogrubieniem ściany pęcherzyków płucnych i zniszczeniem tkanki płucnej), powoduje zwiększenie RR w spoczynku. Dlatego ważne jest uwzględnienie „normalnej” linii podstawowej pacjenta.

Wspólne obturacyjne choroby płuc, takie jak przewlekła obturacyjna choroba płuc lub astma, charakteryzują się zwiększonym oporem przepływu powietrza, ponieważ małe drogi oddechowe są zwężone, co zmniejsza dostarczanie tlenu do pęcherzyków płucnych. Podczas ostrych zaostrzeń opór ten jest zwiększony, co prowadzi do wzrostu RR. Podanie leków rozszerzających oskrzela powoduje rozluźnienie mięśni gładkich w ścianie dróg oddechowych, zmniejszając opór i przywracając RR do normalnego poziomu.

Stany nerwowo-mięśniowe dotyczące płuc często prowadzą do hipowentylacji, ponieważ mechanizmy niezbędne do prawidłowej wentylacji nie działają prawidłowo. W takim przypadku niska wartość RR (bradypnoea) może prowadzić do niewydolności oddechowej.

Podczas operacji i rekonwalescencji pooperacyjnej należy ściśle monitorować RR, ponieważ środki znieczulające, które zwykle zawierają opioidy, mogą hamować oddychanie i zmniejszać RR (Koo i Eikermann, 2011). Działają one na centralne chemoreceptory tłumiąc popęd do oddychania.

Należy pamiętać, że pulsoksymetria mierzy nasycenie tlenem, podczas gdy RR mierzy wentylację. Podczas wczesnych etapów pogarszania się stanu pacjenta, SpO2 może wydawać się w normalnym zakresie, ale RR wzrośnie w odpowiedzi na nieodpowiednią wymianę gazową. Zmiany RR są często pierwszym objawem pogorszenia stanu pacjenta (patrz część 1).

Przyszłość

RR jest wczesnym wskaźnikiem pogorszenia stanu pacjenta, a wczesna identyfikacja zmian zapewnia, że pacjenci otrzymują sensowne interwencje kliniczne. Aby RR było użyteczne jako wczesny sygnał ostrzegawczy u pacjentów ze znaną chorobą układu oddechowego, musimy wiedzieć, co jest normalne dla tego pacjenta.

Jak zostanie omówione w dalszej części serii, istnieją technologie, które mogą obiektywnie mierzyć spoczynkowe RR pacjenta i musimy rozważyć, czy powinny być one stosowane rutynowo w praktyce, podobnie jak pomiar SpO2 lub ciśnienia tętniczego.