แรงต้านและพลวัตของทางเดินหายใจ

แรงต้านของทางเดินหายใจคือแรงต้านทานที่ทางเดินหายใจส่วนนำอากาศมีต่อการไหลของอากาศ ซึ่งนิยามว่าคือผลต่างของความดันที่เป็นแรงขับเคลื่อนการไหลหารด้วยปริมาณการไหลที่เกิดขึ้น พลวัตของทางเดินหายใจ — การเปลี่ยนแปลงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตามปริมาตรปอด อัตราการไหล และความดันข้ามผนัง — เป็นตัวกำหนดว่าแรงต้านส่วนใหญ่อยู่ที่ใด และเหตุใดการไหลจึงถูกจำกัดในระหว่างการหายใจออกอย่างแรง

Definition

แรงต้านของทางเดินหายใจคืออัตราส่วนของผลต่างความดันขับเคลื่อนระหว่างถุงลมและช่องเปิดทางเดินหายใจต่อการไหลของอากาศที่เกิดขึ้น ซึ่งสะท้อนถึงแรงต้านทานจากแรงเสียดทานและรูปทรงเรขาคณิตต่อการเคลื่อนที่ของก๊าซผ่านทางเดินหายใจส่วนนำอากาศ และขึ้นอยู่กับรัศมีของทางเดินหายใจอย่างมาก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคำจำกัดความและปัจจัยกำหนดแรงต้านของทางเดินหายใจ การกระจายตัวของแรงต้านตามหลอดลม การขึ้นอยู่ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางทางเดินหายใจกับปริมาตรปอด และการบีบอัดแบบพลวัตที่จำกัดการไหลออก เป็นข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับกลไกของทางเดินหายใจและไม่มีคำแนะนำในการจัดการทางคลินิก

Core questions

• แรงต้านของทางเดินหายใจถูกนิยามอย่างไรในแง่ของความดันขับเคลื่อนและการไหล?
• เหตุใดรัศมีของทางเดินหายใจจึงมีผลอย่างมากต่อแรงต้าน?
• แรงต้านของทางเดินหายใจส่วนใหญ่อยู่ที่ใดตามแนวหลอดลม?
• การบีบอัดทางเดินหายใจแบบพลวัตทำให้เกิดการจำกัดการไหลออกได้อย่างไร?

Key concepts

• แรงต้านของทางเดินหายใจ
• การไหลแบบราบเรียบและการไหลแบบปั่นป่วน
• การขึ้นอยู่กับรัศมี
• การกระจายตัวของแรงต้าน
• การขึ้นอยู่ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกับปริมาตรปอด
• การบีบอัดทางเดินหายใจแบบพลวัต
• จุดความดันเท่ากัน

Key theories

การขึ้นอยู่ของแรงต้านกับรัศมี

สำหรับการไหลแบบราบเรียบ แรงต้านจะแปรผกผันกับกำลังที่สูงของรัศมีทางเดินหายใจ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงเล็กน้อย — จากการหดตัวของกล้ามเนื้อเรียบ การหลั่งสารคัดหลั่ง หรือผนังหนาขึ้น — ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงต้านอย่างมาก แรงต้านยังลดลงเมื่อปริมาตรปอดเพิ่มขึ้นและทางเดินหายใจถูกดึงให้เปิดออก

การบีบอัดแบบพลวัตและจุดความดันเท่ากัน

ในระหว่างการหายใจออกอย่างแรง ความดันในช่องเยื่อหุ้มปอดอาจสูงกว่าความดันภายในทางเดินหายใจ ณ จุดที่อยู่ถัดจากถุงลม; เกินกว่าจุดความดันเท่ากันนี้ ทางเดินหายใจจะถูกบีบอัด ดังนั้นการไหลสูงสุดจึงถูกกำหนดโดยแรงหดตัวของปอดและแรงต้านของส่วนที่อยู่เหนือขึ้นไป แทนที่จะเป็นความพยายามในการหายใจออก

Mechanisms

การไหลของอากาศผ่านทางเดินหายใจถูกต้านทานด้วยแรงต้าน ซึ่งสำหรับการไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) จะขึ้นอยู่กับรัศมีของทางเดินหายใจอย่างมาก ดังนั้นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทางเดินหายใจจึงเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดแรงต้าน แม้ว่าทางเดินหายใจขนาดเล็กแต่ละส่วนจะแคบ แต่มีจำนวนมากและมีพื้นที่หน้าตัดรวมกันใหญ่มาก ทำให้แรงต้านส่วนใหญ่ที่วัดได้ในปอดปกติอยู่ที่หลอดลมขนาดกลางมากกว่าทางเดินหายใจที่เล็กที่สุด ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทางเดินหายใจจะเพิ่มขึ้นเมื่อปอดขยายตัว เนื่องจากเนื้อเยื่อปอดโดยรอบออกแรงดึงในแนวรัศมีที่ช่วยให้ทางเดินหายใจเปิดอยู่ ดังนั้นแรงต้านจึงลดลงเมื่อปริมาตรปอดสูงขึ้น ในระหว่างการหายใจออกอย่างแรง การเพิ่มขึ้นของความดันในช่องเยื่อหุ้มปอดที่ขับอากาศออกไปก็ยังบีบอัดทางเดินหายใจด้วย ณ จุดที่ความดันในทางเดินหายใจและความดันในช่องเยื่อหุ้มปอดเท่ากัน ทางเดินหายใจจะแคบลงแบบพลวัต และจากจุดนั้นการไหลสูงสุดจะถูกกำหนดโดยแรงยืดหยุ่นของปอดและแรงต้านที่อยู่เหนือขึ้นไป — ซึ่งเป็นพื้นฐานของการจำกัดการไหลออก

Clinical relevance

แรงต้านของทางเดินหายใจที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเกิดจากการหดตัวของหลอดลม การบวมของเยื่อบุ การหลั่งสารคัดหลั่ง หรือการสูญเสียแรงดึงของเนื้อเยื่อปอดที่ช่วยให้ทางเดินหายใจเปิดอยู่ เป็นลักษณะทางกลไกที่สำคัญของรูปแบบการระบายอากาศแบบอุดกั้น และเพิ่มภาระงานต้านทานของการหายใจ การบีบอัดแบบพลวัตอธิบายว่าเหตุใดการวัดการหายใจออกอย่างแรงจึงสะท้อนถึงการทำงานของทางเดินหายใจ ข้อมูลนี้อธิบายสรีรวิทยาและการวัด และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

วิธีการวัดแรงต้านของทางเดินหายใจและการไหลที่เกี่ยวข้องได้รับการกำหนดขึ้นในการศึกษาแบบเพลทิสโมกราฟี (plethysmographic) และการสั่นสะเทือนแบบบังคับ (forced-oscillation) แบบคลาสสิก และถูกนำมาใช้ในกรอบการทำงานของหน้าที่ปอดที่เป็นมาตรฐาน การตีความการวัดแรงต้านและการไหลได้ถูกกำหนดไว้ในแถลงการณ์หน้าที่ปอดระหว่างประเทศ

History

การวัดแรงต้านของทางเดินหายใจโดยตรงเป็นไปได้ในทศวรรษ 1950 ด้วยเทคนิคเพลทิสโมกราฟีทั้งตัว (body plethysmography) และการสั่นสะเทือนแบบบังคับที่นำเสนอโดย DuBois และคณะ ในทศวรรษ 1960 Mead, Macklem และผู้ร่วมงานได้อธิบายการจำกัดการไหลออกผ่านการบีบอัดทางเดินหายใจแบบพลวัต โดยเชื่อมโยงแรงต้านของทางเดินหายใจ แรงหดตัวของปอด และการไหลสูงสุดเข้ากับการอธิบายพลวัตของทางเดินหายใจที่สอดคล้องกัน

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Jere Mead
• Peter Macklem

Seminal works

• dubois-1956
• mead-1967

Frequently asked questions

เหตุใดการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในเส้นผ่านศูนย์กลางของทางเดินหายใจจึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงต้านอย่างมาก?

สำหรับการไหลแบบราบเรียบ แรงต้านจะแปรผกผันกับกำลังที่สูงของรัศมีทางเดินหายใจ ดังนั้นแม้การตีบแคบเพียงเล็กน้อย — จากการหดตัวของกล้ามเนื้อเรียบ การบวม หรือการหลั่งสารคัดหลั่ง — ก็จะเพิ่มแรงต้านต่อการไหลของอากาศอย่างรวดเร็ว

แรงต้านของทางเดินหายใจส่วนใหญ่อยู่ที่ใดในปอด?

ในปอดปกติ แรงต้านส่วนใหญ่ที่วัดได้จะอยู่ในหลอดลมขนาดกลาง ทางเดินหายใจที่เล็กที่สุดแต่ละส่วนนั้นแคบ แต่มีจำนวนมากและมีพื้นที่หน้าตัดรวมกันใหญ่มาก ทำให้โดยรวมแล้วมีส่วนทำให้เกิดแรงต้านค่อนข้างน้อย