Газообмен и диффузия во время физической нагрузки

Во время физической нагрузки легкие должны переносить значительно больше кислорода в кровь и выводить из нее значительно больше углекислого газа, даже при многократном увеличении легочного кровотока и сокращении времени пребывания эритроцитов в легочных капиллярах. Газообмен описывает, как альвеолярная вентиляция, соответствие вентиляции перфузии и диффузия через альвеолярно-капиллярную мембрану совместно обеспечивают сохранение артериальной оксигенации в значительной степени при такой нагрузке.

Definition

Легочный газообмен во время физической нагрузки — это перенос кислорода из альвеолярного газа в кровь легочных капилляров и углекислого газа в обратном направлении, определяемый альвеолярной вентиляцией, соответствием вентиляции-перфузии и диффузией через альвеолярно-капиллярную мембрану при высоких потоках во время физической нагрузки.

Scope

Эта тема охватывает детерминанты легочного газообмена во время физической нагрузки: альвеолярную вентиляцию и уравнение альвеолярного газа, распределение и соответствие вентиляции и перфузии, диффузию кислорода через гемато-воздушный барьер и роль времени капиллярного транзита, а также обстоятельства, при которых увеличивается альвеолярно-артериальная разница по кислороду. Это справочная и образовательная статья, а не клиническая оценка газообмена.

Core questions

• Как легкие поддерживают артериальное напряжение кислорода при резком увеличении легочного кровотока и скорости движения эритроцитов?
• Как вентиляция и перфузия согласуются в легких во время физической нагрузки?
• Когда диффузия через альвеолярно-капиллярную мембрану становится ограничивающим фактором?
• Почему альвеолярно-артериальная разница по кислороду может увеличиваться при высоких нагрузках?

Key concepts

• Уравнение альвеолярного газа
• Соответствие вентиляции-перфузии (V/Q)
• Альвеолярно-артериальная разница по кислороду
• Ограничение диффузии
• Время транзита в легочных капиллярах
• Диффузионная способность легких
• Индуцированная физической нагрузкой артериальная гипоксемия

Mechanisms

По мере увеличения интенсивности физической нагрузки, усиление альвеолярной вентиляции и более равномерная перфузия улучшают общее соответствие вентиляции кровотоку, в то время как диффузионная способность легких возрастает по мере вовлечения и расширения большего числа легочных капилляров. Перенос кислорода зависит от градиента давления через гемато-воздушный барьер и от времени пребывания эритроцита в легочном капилляре; при очень высоком сердечном выбросе это время транзита сокращается, и у некоторых людей уравновешивание кислорода становится неполным, что приводит к ограничению диффузии. Вместе с некоторой степенью неравномерности вентиляции-перфузии это может увеличить альвеолярно-артериальную разницу по кислороду и у некоторых высокотренированных спортсменов привести к измеримому падению насыщения артериальной крови кислородом во время тяжелой физической нагрузки (Dempsey 1999). Эффективность легочного газообмена является одним из звеньев более широкого пути транспорта кислорода от легких к мышцам (Wagner 1996), а динамика поглощения кислорода в начале работы отражает, насколько быстро реагирует эта система (Whipp 1972).

Clinical relevance

Показатели газообмена во время физической нагрузки, такие как альвеолярно-артериальная разница по кислороду и насыщение артериальной крови кислородом, используются для интерпретации результатов кардиопульмонального нагрузочного тестирования и изучения того, как заболевания легких ограничивают физическую активность. Эта статья описывает нормальную физиологию для справки и не является руководством по диагностике или лечению.

Evidence & guidelines

Описание газообмена при физической нагрузке основано на исследованиях на людях с использованием метода множественной инертной газовой элиминации и измерений газов артериальной крови, а также на интегративных обзорах и учебниках по респираторной физиологии (Dempsey 1999; Wagner 1996; West textbook). Доказательства носят механистический и наблюдательный характер.

History

Легочный газообмен при физической нагрузке был уточнен в середине-конце двадцатого века благодаря работам по альвеолярно-артериальной разнице по кислороду, методу множественной инертной газовой элиминации для определения распределения вентиляции-перфузии, а также исследованиям ограничения диффузии и артериальной гипоксемии у тренированных субъектов (Wagner 1996; Dempsey 1999).

Debates

Почему индуцированная физической нагрузкой артериальная гипоксемия возникает у одних спортсменов, но не у других?

Относительный вклад ограничения диффузии, неравномерности вентиляции-перфузии и относительной гиповентиляции в снижение артериальной оксигенации, наблюдаемое у некоторых тренированных людей во время тяжелой физической нагрузки, остается предметом активного обсуждения.

Key figures

• Jerome A. Dempsey
• Peter D. Wagner
• John B. West
• Brian J. Whipp
• Susan R. Hopkins

Seminal works

• dempsey-1999
• wagner-1996

Frequently asked questions

Почему легкие обычно поддерживают стабильный уровень кислорода в артериальной крови во время физической нагрузки?

Увеличенная и более равномерная вентиляция и перфузия, рекрутирование легочных капилляров, повышающее диффузионную способность, и большой градиент давления кислорода через мембрану совместно позволяют крови почти полностью насыщаться кислородом даже при высоких потоках.

Что такое индуцированная физической нагрузкой артериальная гипоксемия?

Это измеримое падение насыщения артериальной крови кислородом во время тяжелой физической нагрузки, наблюдаемое у некоторых высокотренированных спортсменов, объясняемое комбинацией ограничения диффузии из-за сокращения времени транзита эритроцитов и некоторой неравномерности вентиляции-перфузии.