งานของการหายใจ

งานของการหายใจคือพลังงานที่กล้ามเนื้อทางเดินหายใจใช้ในการเคลื่อนย้ายอากาศเข้าและออกจากปอด เพื่อต้านทานแรงยืดหยุ่นและแรงต้านทานของระบบทางเดินหายใจ ในเชิงกลศาสตร์ งานนี้คือปริพันธ์ของความดันที่สัมพันธ์กับปริมาตรที่เคลื่อนที่ไป ในเชิงสรีรวิทยา งานนี้สะท้อนให้เห็นในปริมาณออกซิเจนที่กล้ามเนื้อทางเดินหายใจใช้เพื่อรักษาระบบการหายใจ

Definition

งานของการหายใจคืองานเชิงกลที่กล้ามเนื้อทางเดินหายใจกระทำต่อระบบทางเดินหายใจในระหว่างการระบายอากาศ คำนวณโดยการหาปริพันธ์ของความดันที่ใช้กับปริมาตรที่เปลี่ยนแปลงไป และแบ่งออกเป็นงานที่จำเป็นในการเอาชนะแรงดีดกลับของความยืดหยุ่น และงานที่จำเป็นในการเอาชนะแรงต้านทานต่อการไหลของอากาศและการเปลี่ยนรูปของเนื้อเยื่อ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการกำหนดและวัดงานของการหายใจ การแบ่งงานออกเป็นส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่นและแรงต้านทาน (และภายในแรงต้านทาน แบ่งเป็นทางเดินหายใจและเนื้อเยื่อ) การปรับรูปแบบการหายใจให้เหมาะสมเพื่อลดงาน และต้นทุนออกซิเจนของการหายใจ นี่คือข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับปริมาณทางกลศาสตร์และพลังงาน และไม่มีคำแนะนำในการจัดการทางคลินิก

Core questions

• งานของการหายใจคำนวณได้อย่างไรจากพื้นที่ใต้กราฟวงจรความดัน-ปริมาตร?
• งานรวมถูกแบ่งออกเป็นส่วนประกอบยืดหยุ่นและส่วนประกอบต้านทานได้อย่างไร?
• เหตุใดร่างกายจึงเลือกความถี่การหายใจที่ลดงานรวมให้น้อยที่สุด?
• ต้นทุนออกซิเจนของการหายใจคืออะไร และเมื่อใดที่มันมีความสำคัญ?

Key concepts

• วงจรงานความดัน-ปริมาตร
• งานยืดหยุ่น
• งานต้านทาน
• ต้นทุนออกซิเจนของการหายใจ
• ความถี่การหายใจที่เหมาะสม
• พลังงานของกล้ามเนื้อทางเดินหายใจ

Key theories

การปรับรูปแบบการหายใจให้เหมาะสมโดยลดงานให้น้อยที่สุด

สำหรับการระบายอากาศถุงลมที่ต้องการ การหายใจช้าและลึกจะเพิ่มงานยืดหยุ่น ในขณะที่การหายใจเร็วและตื้นจะเพิ่มงานต้านทาน ตัวควบคุมการหายใจมีแนวโน้มที่จะปรับความถี่และปริมาตรหายใจเข้าให้เหมาะสมเพื่อลดผลรวม ซึ่งคืองานเชิงกลรวมของการหายใจ

Mechanisms

งานเชิงกลเท่ากับความดันคูณด้วยปริมาตรที่เคลื่อนที่ไป สำหรับการหายใจ งานนี้หาได้จากการหาปริพันธ์ของความดันข้ามปอด (transpulmonary) หรือความดันข้ามระบบทางเดินหายใจ (transrespiratory pressure) ตลอดปริมาตรที่หายใจเข้า ซึ่งสอดคล้องกับพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยวงจรความดัน-ปริมาตรของการหายใจ งานนี้มีสองส่วน: งานยืดหยุ่น (elastic work) ซึ่งถูกเก็บไว้ในการยืดปอดและผนังทรวงอก และส่วนใหญ่จะถูกกู้คืนเป็นแรงดีดกลับในระหว่างการหายใจออก และงานต้านทาน (resistive work) ซึ่งถูกกระจายไปเป็นความร้อนในการขับเคลื่อนอากาศผ่านทางเดินหายใจและการเปลี่ยนรูปของเนื้อเยื่อ เนื่องจากงานยืดหยุ่นเพิ่มขึ้นตามปริมาตรหายใจเข้า (tidal volumes) ที่มากขึ้น ในขณะที่งานต้านทานเพิ่มขึ้นตามอัตราการไหลที่เร็วขึ้น ดังนั้น สำหรับการระบายอากาศที่ต้องการใดๆ จะมีความถี่การหายใจที่งานรวมน้อยที่สุด และการหายใจปกติมักจะเข้าใกล้จุดนั้น พลังงานที่กล้ามเนื้อทางเดินหายใจได้รับสะท้อนให้เห็นในการใช้ออกซิเจนของกล้ามเนื้อ — ต้นทุนออกซิเจนของการหายใจ — ซึ่งมีน้อยในขณะพัก แต่สามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อภาระยืดหยุ่นหรือภาระต้านทานสูง

Clinical relevance

งานของการหายใจที่เพิ่มขึ้น — จากปอดที่แข็ง ทางเดินหายใจที่แคบลง หรือความต้องการการระบายอากาศที่สูง — จะเพิ่มต้นทุนเมตาบอลิซึมของการหายใจ และสามารถนำไปสู่ความล้าของกล้ามเนื้อทางเดินหายใจได้ และการลดภาระนี้เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลทางสรีรวิทยาสำหรับการช่วยหายใจ แนวคิดนี้ยังเป็นกรอบความกังวลว่าการช่วยหายใจด้วยเครื่องจักรเองสามารถสร้างความดันและปริมาตรที่เป็นอันตรายได้ ข้อมูลนี้อธิบายถึงสรีรวิทยาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การแบ่งงานทางกลศาสตร์ของการหายใจและการปรับรูปแบบการหายใจให้เหมาะสมมาจากงานวิจัยทางสรีรวิทยาแบบคลาสสิกและสรุปไว้ในตำรามาตรฐาน ความสำคัญทางคลินิกของภาระทางกลศาสตร์ต่อปอด รวมถึงการบาดเจ็บที่เกิดจากการรักษา (iatrogenic injury) ได้รับการกล่าวถึงในวรรณกรรมด้านการดูแลผู้ป่วยวิกฤต

History

พลังงานของการหายใจได้รับการวัดปริมาณในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เมื่อ Otis, Fenn และ Rahn วิเคราะห์งานเชิงกลของการหายใจและแสดงให้เห็นว่ารูปแบบการหายใจมีแนวโน้มที่จะลดงานลง ในขณะที่ DuBois และคนอื่นๆ ได้พัฒนาวิธีการวัดแรงต้านทานและการคล้อยตาม (compliances) ที่เป็นพื้นฐาน การรับรู้ในภายหลังว่าภาระทางกลศาสตร์ที่มากเกินไปสามารถทำลายปอดได้ ขยายความเกี่ยวข้องของกลศาสตร์เหล่านี้ไปสู่การดูแลผู้ป่วยหนัก

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Arthur Otis
• Wallace Fenn
• Hermann Rahn

Seminal works

• dubois-1956
• otis-1954

Frequently asked questions

ส่วนประกอบหลักสองส่วนของงานของการหายใจคืออะไร?

งานยืดหยุ่น ซึ่งทำเพื่อยืดปอดและผนังทรวงอก และส่วนใหญ่จะถูกส่งคืนเป็นแรงดีดกลับในระหว่างการหายใจออก และงานต้านทาน ซึ่งถูกกระจายไปเป็นความร้อนในการขับเคลื่อนอากาศผ่านทางเดินหายใจและการเปลี่ยนรูปของเนื้อเยื่อ

เหตุใดจึงมีความถี่การหายใจที่เหมาะสม?

สำหรับการระบายอากาศที่ต้องการ การหายใจช้าและลึกจะเพิ่มงานยืดหยุ่น ในขณะที่การหายใจเร็วและตื้นจะเพิ่มงานต้านทาน ความถี่ปานกลางจะลดผลรวมให้น้อยที่สุด ดังนั้นการหายใจปกติจึงมีแนวโน้มที่จะปรับเข้าใกล้รูปแบบที่ใช้แรงน้อยที่สุดนั้น