การระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือด และการแลกเปลี่ยนก๊าซ
การแลกเปลี่ยนก๊าซที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องมีการจับคู่กันระหว่างอากาศที่ไปถึงถุงลม (การระบายอากาศ) กับเลือดที่ไหลผ่านหลอดเลือดฝอยในปอด (การไหลเวียนเลือด) อัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือดอธิบายถึงการจับคู่กันนี้ และการกระจายตัวของอัตราส่วนนี้ทั่วทั้งปอดเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวที่กำหนดประสิทธิภาพของการแลกเปลี่ยนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์
Definition
อัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือด (V/Q) คืออัตราส่วนของการระบายอากาศในถุงลมต่อการไหลเวียนเลือดในหลอดเลือดฝอยในปอดในหน่วยปอดหนึ่งๆ การแลกเปลี่ยนก๊าซขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของอัตราส่วนนี้ทั่วทั้งปอด โดยที่การจับคู่ที่ไม่เหมาะสม การไหลลัด (shunt) (V/Q = 0) และการระบายอากาศในช่องว่างเปล่า (dead-space ventilation) (V/Q = infinity) จะทำให้การถ่ายเทออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์บกพร่อง
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมอัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือด (V/Q) และการกระจายตัวตามภูมิภาค ผลที่ตามมาของการจับคู่ V/Q ที่ไม่เหมาะสมและการไหลลัด (shunt) ต่อออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ การวิเคราะห์อากาศในถุงลมในอุดมคติและสมการก๊าซในถุงลม และความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดแดงซึ่งเป็นมาตรวัดประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนก๊าซ นี่คือข้อมูลอ้างอิงทางสรีรวิทยา ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก
Core questions
- เหตุใดอัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือดจึงเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนก๊าซ?
- การไหลลัดและช่องว่างเปล่าอยู่ตรงปลายสุดของสเปกตรัม V/Q ได้อย่างไร?
- แบบจำลองอากาศในถุงลมในอุดมคติวัดปริมาณการแลกเปลี่ยนก๊าซได้อย่างไร?
- ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดแดงเผยให้เห็นอะไร?
Key concepts
- อัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือด (V/Q)
- การไหลลัด (Shunt) และช่องว่างเปล่า (dead space)
- การกระจายตัวตามภูมิภาคของ V/Q
- อากาศในถุงลมในอุดมคติและแบบจำลองสามส่วน
- สมการก๊าซในถุงลม
- ความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดแดง (A-a gradient)
- การหดตัวของหลอดเลือดแดงในปอดจากภาวะขาดออกซิเจน
Mechanisms
ในปอดที่ตั้งตรง แรงโน้มถ่วงและกลไกเฉพาะส่วนทำให้ทั้งการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือดมีค่าสูงกว่าที่ฐานปอดเมื่อเทียบกับยอดปอด แต่การไหลเวียนเลือดมีความแปรผันมากกว่า ดังนั้นอัตราส่วน V/Q จึงสูงที่ยอดปอดและต่ำที่ฐานปอด การแลกเปลี่ยนก๊าซจะเหมาะสมที่สุดเมื่ออัตราส่วนใกล้เคียงหนึ่ง หน่วยที่ไม่มีการระบายอากาศแต่ยังคงมีการไหลเวียนเลือดจะทำหน้าที่เหมือนการไหลลัด (shunt) ในขณะที่หน่วยที่มีการระบายอากาศแต่ไม่มีการไหลเวียนเลือดจะกลายเป็นช่องว่างเปล่า (dead space) เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างออกซิเจนกับฮีโมโกลบินไม่เป็นเชิงเส้นตรง ภูมิภาคที่มี V/Q ต่ำจึงไม่สามารถชดเชยได้อย่างสมบูรณ์โดยภูมิภาคที่มี V/Q สูง ดังนั้นการจับคู่ V/Q ที่ไม่เหมาะสมจึงลดออกซิเจนในหลอดเลือดแดงมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ การวิเคราะห์อากาศในถุงลมในอุดมคติของ Riley และ Cournand ได้จำลองปอดเป็นส่วนประกอบในอุดมคติ การไหลลัด และช่องว่างเปล่า และด้วยสมการก๊าซในถุงลม ทำให้สามารถคำนวณความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดแดงเป็นดัชนีประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนก๊าซได้ การหดตัวของหลอดเลือดแดงในปอดจากภาวะขาดออกซิเจนจะเบี่ยงเบนเลือดออกจากบริเวณที่มีการระบายอากาศไม่ดี ซึ่งช่วยปรับปรุงการจับคู่ได้บางส่วน (Riley 1949; Petersson 2014; West 2012)
Clinical relevance
แนวคิดเรื่องการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือดเป็นพื้นฐานของการตีความทางสรีรวิทยาของการแลกเปลี่ยนก๊าซที่บกพร่องและความแตกต่างของออกซิเจนระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดแดงที่ใช้ในการวิเคราะห์ก๊าซในเลือด การทำความเข้าใจว่าหน่วยปอดหนึ่งๆ อยู่ตรงไหนในสเปกตรัม V/Q ตั้งแต่การไหลลัดไปจนถึงช่องว่างเปล่า เป็นกรอบอ้างอิงสำหรับการให้เหตุผลว่าทำไมการได้รับออกซิเจนหรือการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์จึงบกพร่อง ข้อมูลนี้อธิบายสรีรวิทยาในภาพรวมและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล
History
การวิเคราะห์เชิงปริมาณความสัมพันธ์ของการระบายอากาศ-การไหลเวียนเลือดได้รับการจัดตั้งขึ้นโดย Riley และ Cournand ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 ด้วยแบบจำลองอากาศในถุงลมในอุดมคติแบบสามส่วน โดยต่อยอดจากงานการสวนหัวใจของ Cournand การศึกษาตามภูมิภาคของ West ในทศวรรษ 1960 โดยใช้ก๊าซกัมมันตรังสีได้แสดงให้เห็นถึงการไล่ระดับแรงโน้มถ่วงของ V/Q ในปอดที่ตั้งตรง และเทคนิคการกำจัดก๊าซเฉื่อยหลายชนิดของ Wagner ในภายหลังได้แก้ไขการกระจายตัวอย่างต่อเนื่องของอัตราส่วน V/Q
Key figures
- Richard L. Riley
- André Cournand
- John B. West
- Peter D. Wagner
Related topics
Seminal works
- riley-1949
- petersson-2014
- west-2012-textbook
Frequently asked questions
- อัตราส่วนการระบายอากาศต่อการไหลเวียนเลือดคืออะไร?
- เป็นอัตราส่วนของการระบายอากาศในถุงลมต่อการไหลเวียนเลือดในหลอดเลือดฝอยในบริเวณปอดหนึ่งๆ การแลกเปลี่ยนก๊าซจะมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือดจับคู่กันได้ดี (อัตราส่วนใกล้เคียงหนึ่ง) และจะลดลงเมื่อหน่วยต่างๆ เคลื่อนไปสู่การไหลลัด (ไม่มีการระบายอากาศ) หรือช่องว่างเปล่า (ไม่มีการไหลเวียนเลือด)
- เหตุใดการจับคู่ V/Q ที่ไม่เหมาะสมจึงลดออกซิเจนมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์?
- เนื่องจากเส้นโค้งการแตกตัวของออกซิเจน-ฮีโมโกลบินไม่เป็นเชิงเส้นตรงและเกือบจะแบนราบที่ส่วนบน บริเวณที่มีการระบายอากาศดีจึงไม่สามารถบรรจุออกซิเจนเพิ่มเพื่อชดเชยบริเวณที่มีการระบายอากาศไม่ดีได้ ในขณะที่การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นเชิงเส้นตรงมากกว่า สามารถชดเชยได้ง่ายกว่าด้วยการเพิ่มการระบายอากาศ