Введение
Вдыхаемый воздух, не участвующий в газообмене.
Мертвое пространство – это объем вдыхаемого воздуха, который не принимает участия в газообмене, поскольку он либо остается в проводящих дыхательных путях, либо достигает альвеол, которые не кровоснабжаются или кровоснабжаются недостаточно. Это означает, что не весь воздух при каждом вдохе доступен для обмена кислорода и углекислого газа. Млекопитающие дышат, вдыхая и выдыхая воздух через легкие, при этом часть вдоха тратится в проводящих дыхательных путях, где газообмен невозможен.
Компоненты
Общее мертвое пространство (также известное как физиологическое мертвое пространство) – это сумма анатомического мертвого пространства и альвеолярного мертвого пространства. Несмотря на кажущуюся неэффективность, наличие мертвого пространства в системе вентиляции приносит пользу. Углекислый газ задерживается, что позволяет поддерживать буферную систему крови и интерстиция на основе бикарбоната. Вдыхаемый воздух согревается до температуры тела, повышая сродство гемоглобина к кислороду и улучшая поглощение O2. Частицы пыли задерживаются слизью, выстилающей проводящие дыхательные пути, что обеспечивает их удаление посредством мукоцилиарного клиренса. Вдыхаемый воздух увлажняется, улучшая качество слизи дыхательных путей. Увеличение мертвого пространства (и более наглядное его представление) можно наблюдать при дыхании через длинную трубку, например, шнорхель. Хотя один конец шнорхеля открыт для воздуха, при вдохе человек вдыхает значительное количество воздуха, оставшегося в трубке после предыдущего выдоха. Таким образом, шнорхель увеличивает мертвое пространство, добавляя дополнительный объем дыхательных путей, не участвующих в газообмене.
Анатомическое мертвое пространство
Анатомическое мертвое пространство – это объем проводящих дыхательных путей (от носа, рта и трахеи до терминальных бронхиол). Эти пути проводят газ к альвеолам, но газообмен в них не происходит. В здоровых легких, где альвеолярное мертвое пространство незначительно, метод Фаулера точно измеряет анатомическое мертвое пространство с помощью техники вымывания азота одним выдохом. Нормальное значение объема мертвого пространства (в мл) приблизительно соответствует обезжиренной массе тела (в фунтах) и в среднем составляет около трети от объема спокойного дыхания (450–500 мл). В оригинальном исследовании Фаулера анатомическое мертвое пространство составляло 156 ± 28 мл (n = 45 мужчин) или 26% от их объема прилива. Поскольку у птиц трахея длиннее и шире, чем у млекопитающих сопоставимого размера, у них непропорционально большое анатомическое мертвое пространство, что снижает сопротивление дыхательных путей. Эта адаптация не влияет на газообмен, так как птицы обеспечивают прохождение воздуха через легкие – они не совершают вдох и выдох, как млекопитающие.
Мертвое пространство альвеолы
Алвеолярное мертвое пространство определяется как разница между физиологическим и анатомическим мертвым пространством. На его формирование влияют все терминальные дыхательные единицы, которые вентилируются сверх их перфузии. Следовательно, оно включает, во-первых, те единицы, которые вентилируются, но не перфузируются, а во-вторых, те, у которых отношение вентиляции к перфузии больше единицы. У здоровых людей алвеолярное мертвое пространство незначительно, но оно может значительно увеличиваться при некоторых заболеваниях легких из-за нарушения вентиляционно-перфузионного соотношения.
Физиологическая мертвая зона
Уравнение Бора используется для измерения физиологического мертвого пространства. К сожалению, для использования этого уравнения требуется концентрация углекислого газа (CO2) в альвеолах, однако это не единственное значение, поскольку соотношение вентиляции и перфузии различно в разных участках легких как в норме, так и при патологии. На практике, артериальное парциальное давление CO2 используется в качестве оценки среднего альвеолярного парциального давления CO2 – модификация, предложенная Хенриком Энгофом в 1938 году (Enghoff H. Volumen inefficax. Bemerkungen zur Frage des schadlichen Raumes. Upsala Läkarefören Forhandl., 44:191-218, 1938). По сути, единственное значение артериального pCO2 усредняет различные значения pCO2 в разных альвеолах, что делает уравнение Бора применимым. Количество CO2, выдыхаемого из здоровых альвеол, разбавляется воздухом в проводящих дыхательных путях (анатомическое мертвое пространство) и газом из альвеол, которые вентилируются сверх необходимого уровня по отношению к их перфузии. Этот коэффициент разбавления можно рассчитать после определения смешанного парциального давления CO2 в выдыхаемом воздухе (либо посредством электронного мониторинга выдыхаемого воздуха, либо путем сбора выдыхаемого воздуха в газонепроницаемый мешок (мешок Дугласа) с последующим измерением pCO2 смешанного выдыхаемого газа в мешке). Алгебраически, этот коэффициент разбавления позволяет вычислить физиологическое мертвое пространство по уравнению Бора.
Мертвое пространство альвеолы
Алвеолярное мертвое пространство определяется как разница между физиологическим мертвым пространством (измеренным с использованием модификации Энгоффа уравнения Бора) и анатомическим мертвым пространством (измеренным с помощью метода одного выдоха Фаулера). Клиническим показателем размера альвеолярного мертвого пространства является разница между парциальным давлением CO2 в артериальной крови и парциальным давлением CO2 в конце выдоха.
Анатомическое мертвое пространство
Для измерения анатомического мертвого пространства используется другой метод: испытуемый полностью выдыхает, затем делает глубокий вдох смесью газа с 0% азота (обычно 100% кислорода) и выдыхает в оборудование, измеряющее концентрацию азота и объем выдыхаемого газа. Этот заключительный выдох происходит в три фазы. В первой фазе (фаза 1) азот отсутствует, поскольку это газ, находящийся в анатомическом мертвом пространстве и состоящий на 100% из кислорода. Затем концентрация азота быстро возрастает во время короткой второй фазы (фаза 2) и, наконец, достигает плато в третьей фазе (фаза 3). Объем анатомического мертвого пространства равен объему выдыхаемого воздуха в течение первой фазы плюс объем, выдыхаемый до середины перехода от фазы 1 к фазе 3.
Пациент вентилируется
Глубина и частота нашего дыхания определяются хеморецепторами и стволом мозга, с учетом ряда субъективных ощущений. При искусственной вентиляции легких в принудительном режиме пациент дышит с частотой и приливным объемом, заданными аппаратом. Из-за анатомического мертвого пространства, более медленные и глубокие вдохи (например, десять вдохов по 500 мл в минуту) эффективнее быстрых и поверхностных (например, двадцать вдохов по 250 мл в минуту). Хотя минутный объем вентиляции одинаков (5 л/мин), значительная часть поверхностных вдохов приходится на мертвое пространство, которое не способствует поступлению кислорода в кровь.
Эффекты
Мертвое пространство уменьшает количество свежего дыхательного газа, достигающего альвеол при каждом вдохе. Это снижает количество кислорода, доступного для газообмена, и объем углекислого газа, который может быть выведен. Накопление углекислого газа обычно является более заметным эффектом, если дыхательный газ не является гипоксическим, как это бывает на большой высоте. Организм может в определенной степени компенсировать это, увеличивая объем вдыхаемого газа, но это также увеличивает работу дыхания и эффективно только тогда, когда соотношение мертвого пространства к дыхательному объему достаточно снижается, чтобы компенсировать дополнительную нагрузку углекислым газом, вызванную увеличением работы дыхания. Продолжающееся накопление углекислого газа приведет к гиперкапнии и дыхательной недостаточности.
Изменения с физическими упражнениями
У здоровых людей Vd в состоянии покоя составляет примерно треть от Vt и уменьшается при физической нагрузке до примерно одной пятой, главным образом из-за увеличения Vt, поскольку анатомическое мертвое пространство практически не меняется, а альвеолярное мертвое пространство должно быть пренебрежимо малым или очень маленьким. Внешнее мертвое пространство для конкретного дыхательного аппарата обычно постоянно, и этот объем необходимо добавлять к приливному объему для обеспечения эквивалентной эффективной вентиляции при любом уровне физической активности.