Hengitysteiden vastus ja dynamiikka

Hengitysteiden vastus on johtavien hengitysteiden ilmavirtaukselle asettama vastus, joka määritellään virtausta ajavan paineen ja sen tuottaman virtauksen suhteena. Hengitysteiden dynamiikka — kuinka niiden läpimitta muuttuu keuhkotilavuuden, virtausnopeuden ja transmuraalisen paineen mukaan — määrittää, missä suurin osa vastuksesta sijaitsee ja miksi virtaus rajoittuu pakotetun uloshengityksen aikana.

Definition

Hengitysteiden vastus on alveolien ja hengitysteiden avauksen välisen ajopaineen suhde siitä aiheutuvaan ilmavirtaukseen; se heijastaa kaasujen liikettä johtavissa hengitysteissä vastustavaa hankausta ja geometrista estettä ja riippuu voimakkaasti hengitysteiden säteestä.

Scope

Aihepiiri kattaa hengitysteiden vastuksen määritelmän ja sen tekijät, vastuksen jakautumisen keuhkoputkien puussa, hengitysteiden läpimitan riippuvuuden keuhkotilavuudesta sekä dynaamisen kompression, joka rajoittaa uloshengitysvirtausta. Kyseessä on hengitystiemekaniikan käsikirjakuvaus, eikä se sisällä kliinisiä hoitosuosituksia.

Core questions

• Kuinka hengitysteiden vastus määritellään ajopaineen ja virtauksen avulla?
• Miksi hengitysteiden säteellä on niin suuri vaikutus vastukseen?
• Missä kohtaa keuhkoputkipuuta suurin osa hengitysteiden vastuksesta sijaitsee?
• Kuinka dynaaminen hengitysteiden kompressio tuottaa uloshengitysvirtauksen rajoittumisen?

Key concepts

• Hengitysteiden vastus
• Laminaarinen ja turbulentti virtaus
• Säde-riippuvuus
• Vastuksen jakautuminen
• Hengitysteiden läpimitan riippuvuus keuhkotilavuudesta
• Dynaaminen hengitysteiden kompressio
• Tasapaineistuspiste (equal pressure point)

Key theories

Vastuksen säde-riippuvuus

Laminaarisessa virtauksessa vastus vaihtelee käänteisesti hengitystien säteen korkeaan potenssiin nähden, joten pienetkin läpimitan muutokset — sileän lihaksen jännityksen, eritteiden tai seinämän paksuuntumisen seurauksena — aiheuttavat suuria muutoksia vastuksessa; vastus pienenee myös keuhkotilavuuden kasvaessa, kun hengitystiet venyvät auki.

Dynaaminen kompressio ja tasapaineistuspiste

Pakotetun uloshengityksen aikana pleuraalipaine voi ylittää hengitysteiden sisäisen paineen pisteessä, joka sijaitsee alveoleista katsoen alajuoksulla; tämän tasapaineistuspisteen jälkeen hengitystie puristuu kokoon, joten maksimaalinen virtaus määräytyy keuhkojännityksen ja yläpuolisen segmentin vastuksen perusteella, ei uloshengitysponnistelusesta.

Mechanisms

Hengitysteiden läpi kulkeva ilmavirtaus kohtaa vastuksen, joka laminaarisen virtauksen tapauksessa riippuu erittäin voimakkaasti hengitysteiden säteestä, joten hengitysteiden läpimitta on vastuksen hallitseva tekijä. Vaikka pienet hengitystiet ovat kapeat, niitä on niin paljon ja niiden yhteenlaskettu poikkipinta-ala on niin suuri, että suurin mitattavissa oleva vastus normaalissa keuhkossa sijaitsee keskikokoisissa keuhkoputkissa eikä pienimmissä hengitysteissä. Hengitysteiden läpimitta kasvaa keuhkon laajetessa, koska ympäröivä parenkyyma kohdistaa säteittäistä vetoa pitäen hengitystiet auki, joten vastus pienenee suuremmissa keuhkotilavuuksissa. Pakotetun uloshengityksen aikana ilmaa ulos ajava pleuraalipaineen nousu myös puristaa hengitysteitä; siitä kohdasta alkaen, jossa hengitysteiden paine ja pleuraalipaine ovat yhtä suuret, hengitystie kaventuu dynaamisesti, ja maksimaalinen virtaus määräytyy tästä eteenpäin keuhkon elastisen jännityksen ja ylävirran vastuksen perusteella — tämä on uloshengitysvirtauksen rajoittumisen mekanismi.

Clinical relevance

Lisääntynyt hengitysteiden vastus — bronhokonstriktion, limakalvon turvotuksen, eritteiden tai parenkyymavetoa ylläpitävän kudoksen häviämisen seurauksena — on obstruktiivisten ventilaatiomallien mekaaninen tunnusmerkki, ja se lisää hengityksen vastustyötä. Dynaaminen kompressio selittää, miksi pakotetun uloshengityksen mittaukset heijastavat hengitysteiden toimintaa. Tämä artikkeli kuvaa fysiologiaa ja mittausmenetelmiä eikä toimi perusteena yksilölliselle diagnostiikalle tai hoidolle.

Evidence & guidelines

Hengitysteiden vastuksen ja siihen liittyvien virtausten mittausmenetelmät kehitettiin klassisissa plethysmografisissa ja pakkooskillaatiotutkimuksissa ja niitä sovelletaan standardoitujen keuhkofunktioviitekehysten puitteissa; vastuksen ja virtausmittausten tulkinnasta on ohjeet kansainvälisissä keuhkofunktiolausunnoissa.

History

Suora hengitysteiden vastuksen mittaus tuli mahdolliseksi 1950-luvulla, kun DuBois työtovereineen esitteli kehoplethysmografian ja pakkooskillaatiotekniikan. 1960-luvulla Mead, Macklem ja heidän kollegansa selittivät uloshengitysvirtauksen rajoittumisen dynaamisen hengitysteiden kompression avulla, yhdistäen hengitysteiden vastuksen, keuhkojen jännityksen ja maksimaalisen virtauksen yhtenäiseksi hengitystimedynamiikan kuvaukseksi.

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Jere Mead
• Peter Macklem

Seminal works

• dubois-1956
• mead-1967

Frequently asked questions

Miksi pieni muutos hengitysteiden halkaisijassa aiheuttaa suuren muutoksen vastuksessa?

Laminaarisessa virtauksessa vastus vaihtelee käänteisesti hengitystien säteen korkeaan potenssiin nähden, joten jo kohtuullinen kaventuminen — sileän lihaksen supistumisesta, turvotuksesta tai eritteistä johtuen — lisää ilmavirtauksen vastusta jyrkästi.

Mihin kohtaan keuhkoa hengitysteiden vastus paikantuu?

Normaalissa keuhkossa suurin mitattavissa oleva vastus sijaitsee keskikokoisissa keuhkoputkissa. Pienimmät hengitystiet ovat kapeita yksilöllisesti, mutta niitä on niin paljon, että niiden yhteenlaskettu poikkipinta-ala on suuri ja ne tuottavat suhteellisen vähän kokonaisvastuksesta.