Вентиляция-перфузия и газообмен

Для эффективного газообмена необходимо, чтобы воздух, поступающий в альвеолы (вентиляция), соответствовал объему крови, протекающей через легочные капилляры (перфузия). Соотношение вентиляции и перфузии описывает это соответствие, и его распределение по легкому является наиболее важным фактором, определяющим эффективность обмена кислорода и углекислого газа.

Definition

Соотношение вентиляции-перфузии (V/Q) — это отношение альвеолярной вентиляции к кровотоку в легочных капиллярах в единице легкого; газообмен зависит от распределения этого соотношения по легкому, при этом несоответствие, шунт (V/Q = 0) и вентиляция мертвого пространства (V/Q = бесконечность) ухудшают перенос кислорода и углекислого газа.

Scope

Эта тема охватывает соотношение вентиляции-перфузии (V/Q) и его региональное распределение, последствия несоответствия V/Q и шунта для кислорода и углекислого газа, анализ идеального альвеолярного воздуха и уравнение альвеолярного газа, а также альвеолярно-артериальную разницу по кислороду как меру эффективности газообмена. Это физиологический справочник, а не клиническое руководство.

Core questions

• Почему соотношение вентиляции-перфузии определяет эффективность газообмена?
• Как шунт и мертвое пространство находятся на крайних точках спектра V/Q?
• Как модель идеального альвеолярного воздуха количественно оценивает газообмен?
• Что показывает альвеолярно-артериальная разница по кислороду?

Key concepts

• Соотношение вентиляции-перфузии (V/Q)
• Шунт и мертвое пространство
• Региональное распределение V/Q
• Идеальный альвеолярный воздух и трехкамерная модель
• Уравнение альвеолярного газа
• Альвеолярно-артериальная разница по кислороду (A-a градиент)
• Гипоксическая легочная вазоконстрикция

Mechanisms

В вертикально расположенном легком гравитация и региональная механика приводят к тому, что как вентиляция, так и перфузия больше в основании, чем в верхушке, но перфузия изменяется в большей степени, поэтому соотношение V/Q высокое в верхушке и низкое в основании. Газообмен оптимален, когда соотношение близко к единице; единица без вентиляции, но с продолжающейся перфузией ведет себя как шунт, в то время как вентилируемая, но неперфузируемая единица становится мертвым пространством. Поскольку зависимость кислород-гемоглобин нелинейна, области с низким V/Q не могут быть полностью компенсированы областями с высоким V/Q, поэтому несоответствие V/Q снижает артериальный кислород в большей степени, чем углекислый газ. Анализ идеального альвеолярного воздуха Райли и Курнана моделировал легкое как идеальные, шунтовые и мертвые пространства, и, с помощью уравнения альвеолярного газа, позволяет вычислить альвеолярно-артериальную разницу по кислороду как индекс эффективности газообмена. Гипоксическая легочная вазоконстрикция отводит кровь от плохо вентилируемых областей, частично улучшая соответствие (Riley 1949; Petersson 2014; West 2012).

Clinical relevance

Концепции вентиляции-перфузии лежат в основе физиологической интерпретации нарушенного газообмена и альвеолярно-артериальной разницы по кислороду, используемой в анализе газов крови. Понимание того, где единица легкого находится в спектре V/Q — от шунта до мертвого пространства — является основой для рассуждений о причинах нарушения оксигенации или выведения углекислого газа. Эта статья объясняет физиологию в общих чертах и не является основанием для индивидуальной диагностики или лечения.

History

Количественный анализ взаимосвязей вентиляции-перфузии был разработан Райли и Курнаном в конце 1940-х годов с помощью модели идеального альвеолярного воздуха с тремя компартментами, основываясь на работе Курнана по катетеризации сердца. Региональные исследования Веста в 1960-х годах с использованием радиоактивных газов продемонстрировали гравитационный градиент V/Q в вертикально расположенном легком, а метод множественной элиминации инертных газов Вагнера позднее позволил определить непрерывное распределение соотношений V/Q.

Key figures

• Richard L. Riley
• André Cournand
• John B. West
• Peter D. Wagner

Seminal works

• riley-1949
• petersson-2014
• west-2012-textbook

Frequently asked questions

Что такое соотношение вентиляции-перфузии?

Это отношение альвеолярной вентиляции к капиллярному кровотоку в области легкого; газообмен наиболее эффективен, когда вентиляция и перфузия хорошо согласованы (соотношение близко к единице), и ухудшается по мере того, как единицы смещаются к шунту (отсутствие вентиляции) или мертвому пространству (отсутствие перфузии).

Почему несоответствие V/Q снижает уровень кислорода больше, чем углекислого газа?

Поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина нелинейна и почти плоская в верхней части, хорошо вентилируемые области не могут загрузить дополнительный кислород, чтобы компенсировать плохо вентилируемые, тогда как выведение углекислого газа, будучи более линейным, легче компенсируется увеличением вентиляции.