ספירומטריה
ספירומטריה היא דרך למדוד את נפחי האוויר שנכנסים ויוצאים מהריאות בזמן נשימה. בעבר המדידה נעשתה בצורה מכנית: אדם נשם דרך צינור, ותנועת האוויר הזיזה מנגנון שחיבר בין משקולת לעט, כך שנוצר ציור של מחזורי הנשימה. כיום המדידה דיגיטלית, אך העיקרון דומה: מודדים את הנפחים ואת קצב זרימת האוויר בזמן שאיפה ונשיפה.
עד עכשיו דובר בעיקר על נשימה נינוחה, אבל לריאות יש טווח רחב יותר של נפחים: אפשר לשאוף בכוח מעבר לשאיפה רגילה, ואפשר לנשוף בכוח מעבר לנשיפה רגילה. לכן מחלקים את נפחי הריאה לנפחים בסיסיים ולקיבולות, שהן סכום של כמה נפחים יחד.
נפחי ריאה וקיבולות
את מחזור הנשימה מחלקים לשני שלבים:
- שאיפה - Inspiration / Inhalation
- נשיפה - Expiration / Exhalation
מבחינים בין:
- נפחים - כמות אוויר בודדת שנשאפת, ננשפת או נשארת בריאות.
- קיבולות - סכום של כמה נפחים יחד.
בנוסף, יש הבדל בין נפחים בזמן נשימה רגילה לבין נפחים שנמדדים בזמן שאיפה או נשיפה בכוח.
הנפחים והקיבולות העיקריים
| מושג | קיצור | משמעות | ערך ממוצע |
|---|---|---|---|
| נפח חילופי | VT | נפח האוויר שנכנס או יוצא בנשימה רגילה | כ־500 מ”ל |
| עתודה שאיפתית | IRV | נפח נוסף שאפשר לשאוף בכוח מעבר לנפח החילופי | כ־3000 מ”ל |
| קיבולת שאיפתית | IC | כל האוויר שניתן לשאוף מסוף נשיפה רגילה עד שאיפה מקסימלית | כ־3500 מ”ל |
| עתודה נשיפתית | ERV | נפח נוסף שאפשר לנשוף בכוח מעבר לנשיפה רגילה | כ־1200 מ”ל |
| קיבולת חיונית | VC | הנפח המרבי שניתן להזיז בין נשיפה מלאה לשאיפה מלאה | כ־4700 מ”ל |
| נפח שארי | RV | נפח האוויר שנשאר בריאות גם אחרי נשיפה מקסימלית | כ־1200 מ”ל |
| קיבולת שארית תפקודית | FRC | נפח האוויר שנשאר בריאות בסוף נשיפה רגילה | כ־2400 מ”ל |
| קיבולת ריאות כוללת | TLC | הנפח המרבי שהריאות יכולות להכיל | כ־5900 מ”ל |
נפח חילופי - Tidal Volume
הנפח החילופי הוא הנפח שנכנס ויוצא בכל נשימה נינוחה. אצל אדם מבוגר ממוצע מדובר בערך ב־500 מ”ל.
הערך משתנה בעיקר לפי גודל הגוף, ובמיוחד לפי גובה. בממוצע מדובר בערך על 7–9 מ”ל לק”ג, ולעיתים משתמשים גם בטווח של 8–10 מ”ל לק”ג. לכן אצל אדם קטן יותר הנפח יכול להיות סביב 400–450 מ”ל, ואצל אדם גדול יותר סביב 600 מ”ל.
עתודה שאיפתית וקיבולת שאיפתית
אחרי שאיפה רגילה אפשר להמשיך לשאוף בכוח ולהכניס עוד נפח אוויר משמעותי. נפח זה נקרא:
Inspiratory Reserve Volume - IRV
בעברית: עתודה שאיפתית.
הערך הממוצע הוא בערך 3000 מ”ל.
כאשר מתחילים מסוף נשיפה רגילה ושואפים עד המקסימום, מכניסים גם את הנפח החילופי וגם את העתודה השאיפתית:
\[\begin{aligned} \text{IC} &= \text{V}_\text{T} + \text{IRV} \\[6pt] & = 500 + 3000 = 3500 \text{ mL} \end{aligned}\]זוהי הקיבולת השאיפתית.
עתודה נשיפתית
אחרי נשיפה רגילה אפשר להמשיך לנשוף בכוח ולהוציא עוד אוויר. נפח זה נקרא:
Expiratory Reserve Volume - ERV
בעברית: עתודה נשיפתית.
הערך הממוצע הוא בערך 1200 מ”ל.
קיבולת חיונית
הקיבולת החיונית היא הנפח המקסימלי שאפשר להזיז מרגע של נשיפה מקסימלית ועד שאיפה מקסימלית:
\[\begin{aligned} \text{VC} &= \text{IRV} + \text{V}_\text{T} + \text{ERV} \\[6pt] &= 3000 + 500 + 1200 \\[6pt] &= 4700 \text{ mL} \end{aligned}\]כלומר, אדם מבוגר ממוצע יכול להזיז בערך 4.7 ליטר אוויר בין נשיפה מלאה לשאיפה מלאה.
נפח שארי וקיבולת ריאות כוללת
גם אחרי נשיפה מקסימלית אי אפשר לרוקן את הריאות לחלוטין. תמיד נשאר נפח מסוים של אוויר, שנקרא:
Residual Volume - RV
בעברית: נפח שארי.
הערך הממוצע הוא בערך 1200 מ”ל.
אם מחברים את כל הנפחים יחד מקבלים את קיבולת הריאות הכוללת:
\[TLC = \text{VC} + RV\] \[TLC = 4700 + 1200 = 5900 \text{ mL}\]כלומר, הריאות יכולות להכיל כמעט 6 ליטר במצב של שאיפה מקסימלית.
קיבולת שארית תפקודית - FRC
בסוף נשיפה רגילה עדיין נשאר אוויר בריאות. הנפח הזה נקרא:
Functional Residual Capacity - FRC
הוא מורכב מהעתודה הנשיפתית ומהנפח השארי:
\[\begin{aligned} \text{FRC} &= \text{ERV} + \text{RV} \\[6pt] &= 1200 + 1200 = 2400 \text{ mL} \end{aligned}\]זה הנפח שנשאר בריאות בסוף נשיפה נינוחה.
אם מסתכלים על סוף שאיפה נינוחה, יש בערך:
\[FRC + \text{V}_\text{T} = 2400 + 500 = 2900 \text{ mL}\]כלומר כמעט 3 ליטר אוויר בריאות במצב נשימה רגילה. זה שונה מהקיבולת הכוללת של הריאות, שיכולה להגיע כמעט ל־6 ליטר.
נקודות חשובות לגבי הקיבולות
- קיבולת היא תמיד סכום של כמה נפחים.
- IC כוללת את VT ואת IRV.
- VC כוללת את IRV, VT ו־ERV.
- FRC כוללת את ERV ואת RV.
- TLC כוללת את כל הנפחים.
- רק FRC ו־TLC כוללות את הנפח השארי RV.
- ספירומטריה רגילה לא יכולה למדוד ישירות את הנפח השארי, כי זה נפח שלא יוצא מהריאות.
אוורור - Ventilation
האוורור מתאר כמה אוויר זורם דרך מערכת הנשימה בזמן נתון. בגלל שהריאות אינן משאבה רציפה אלא פועלות במחזורים, מחשבים את האוורור לפי נפח בכל נשימה כפול מספר הנשימות בדקה.
הנוסחה לאוורור בדקה היא:
\[\dot V_E = \text{V}_\text{T} \times RR\]כאשר:
- $\dot V_E$ - minute ventilation, אוורור בדקה.
- $\text{V}_\text{T}$ - tidal volume, נפח חילופי.
- $RR$ - respiratory rate, קצב הנשימה בדקה.
לדוגמה, אם אדם נושם נפח חילופי של 500 מ”ל ונושם 12 פעמים בדקה:
\[\dot V_E = 500 \times 12 = 6000 \text{ mL/min}\]כלומר:
\[\dot V_E = 6 \text{ L/min}\]בזמן מאמץ, האוורור בדקה עולה. אפשר להגדיל אותו על ידי:
- הגדלת עומק הנשימה - כלומר הגדלת $\text{V}_\text{T}$
- הגדלת קצב הנשימה - כלומר הגדלת $RR$
- שילוב של שניהם
במאמץ הגוף צורך יותר חמצן ומייצר יותר $\ce{CO2}$, ולכן מערכת הנשימה צריכה להגביר את קצב החלפת הגזים.
Anatomic Dead Space
לא כל האוויר שנכנס בכל נשימה משתתף בשחלוף גזים.
ה־conducting zone כולל את האזורים שמוליכים את האוויר פנימה והחוצה, אך לא משתתפים בשחלוף גזים. לכן הוא נחשב dead space.
הכוונה היא לחללים שבהם יש זרימת אוויר, אבל אין שחלוף גזים משמעותי:
- חלל הפה
- קנה הנשימה
- הסמפונות
- אזורי ההולכה של מערכת הנשימה
שחלוף הגזים מתרחש בעיקר בנאדיות, ולכן האוויר שנשאר באזורי ההולכה אינו משתתף ישירות בשחלוף.
במבוגר ממוצע, הנפח של ה־anatomic dead space הוא בערך:
\[150 \text{ mL}\]מתוך נפח חילופי ממוצע של 500 מ”ל, בערך 150 מ”ל נשארים בחלל המת האנטומי, ורק כ־350 מ”ל מגיעים לאזור שבו מתבצע שחלוף גזים.
כלומר:
\[\text{V}_\text{T} = 500 \text{ mL}\] \[V_D = 150 \text{ mL}\] \[V_A = 350 \text{ mL}\]כאשר:
- $V_D$ - dead space volume
- $V_A$ - alveolar volume, החלק שמגיע לנאדיות ומשתתף בשחלוף גזים
אוורור נאדיתי ואוורור חלל מת
אפשר לחלק את האוורור בדקה לשני חלקים:
- Alveolar ventilation - האוורור שמגיע לנאדיות ומשתתף בשחלוף גזים.
- Dead space ventilation - האוורור שמגיע לחלל המת ולא משתתף בשחלוף גזים.
אוורור נאדיתי
\[\dot V_A = (\text{V}_\text{T} - V_D) \times RR\]לדוגמה:
\[\begin{aligned} \dot V_A &= (500 - 150) \times 12 \\[6pt] &= 350 \times 12 = 4200 \text{ mL/min} \end{aligned}\]כלומר:
\[\dot V_A = 4.2 \text{ L/min}\]אוורור חלל מת
\[\dot V_D = V_D \times RR\]לדוגמה:
\[\dot V_D = 150 \times 12 = 1800 \text{ mL/min}\]כלומר:
\[\dot V_D = 1.8 \text{ L/min}\]לכן מתוך אוורור כולל של 6 ליטר לדקה, רק כ־4.2 ליטר לדקה מגיעים לנאדיות ומשתתפים בשחלוף גזים, וכ־1.8 ליטר לדקה הם אוורור של החלל המת.
נשימה עמוקה מול נשימה שטחית
החלל המת האנטומי נשאר יחסית קבוע. לכן, כאשר מגדילים את עומק הנשימה, חלק גדול יותר מהנפח הנוסף מגיע לנאדיות.
לדוגמה, אם מגדילים את ה־tidal volume, ה־dead space לא גדל באותה מידה. רוב העלייה בנפח מתווספת לאוורור הנאדיתי.
החלל המת אינו קבוע לחלוטין ב־100%, כי גם לסמפונות יש גמישות מסוימת, אבל באופן כללי רוב השינוי בנפח בזמן נשימה עמוקה מתרחש באזור הנשימתי ולא באזור ההולכה.
חלל מת אנטומי וחלל מת פיזיולוגי
במצב תקין, ה־physiologic dead space דומה ל־anatomic dead space.
כלומר, החללים שאינם משתתפים בשחלוף גזים הם בעיקר אזורי ההולכה האנטומיים.
אבל יכולים להיות מצבים שבהם החלל המת הפיזיולוגי גדול יותר מהחלל המת האנטומי. זה קורה כאשר יש אזורים נוספים שבהם יש אוורור, אבל אין שחלוף גזים יעיל.
הוספת חלל מת מלאכותי
כאשר מחברים אדם למערכת הנשמה, הצנרת יכולה להוסיף חלל מת. לדוגמה, טובוס או צינורות הנשמה מאריכים באופן מלאכותי את הדרך שבה האוויר עובר.
בילדים קטנים זה משמעותי במיוחד, כי הנפח החילופי שלהם קטן מאוד. אם תינוק נושם נפח חילופי של כ־50 מ”ל, תוספת של צנרת בנפח 10 מ”ל יכולה להיות תוספת גדולה יחסית לנפח הנשימה.
במכשירי הנשמה מודרניים מתחשבים בזה, אבל במצבים מסוימים, למשל מעבר למנשם פשוט יותר, צריך לקחת בחשבון את החלל המת שנוסף דרך הצנרת.
חלל מת נאדיתי
אפשר להפוך גם נאדיות לחלק מהחלל המת, אם יש בהן אוורור אבל אין בהן שחלוף גזים.
שחלוף גזים דורש ממשק בין אוויר לדם. אם האוויר נכנס לנאדיות, אבל אין זרימת דם לאזור הזה, לא יהיה שחלוף גזים.
דוגמה לכך היא תסחיף ריאתי: קריש דם שחוסם ענף של עורק ריאתי. במקרה כזה אזור מסוים בריאה עדיין יכול להיות מאוורר, אבל לא מקבל זרימת דם. האזור הזה הופך מבחינה תפקודית לחלל מת.
אם אין אוורור לאזור מסוים, זה לא dead space, כי ההגדרה של dead space היא אזור שיש בו זרימת אוויר אך אין בו שחלוף גזים.
חישוב Dead Space Fraction
אפשר לחשב את החלק היחסי של החלל המת לפי דילול ה־$\ce{CO2}$.
הרעיון הוא כזה:
- האוויר בנאדיות מכיל $\ce{CO2}$, למשל סביב $40 \, \mathrm{mmHg}$.
- האוויר בחלל המת כמעט לא מכיל $\ce{CO2}$, כי הוא לא עבר שחלוף גזים.
- בזמן נשיפה, האוויר מהנאדיות מתערבב עם האוויר מהחלל המת.
- לכן ריכוז ה־$\ce{CO2}$ באוויר הננשף המעורב נמוך יותר מריכוז ה־$\ce{CO2}$ בנאדיות.
אם בנאדיות יש $\ce{CO2}$ בלחץ חלקי של $40 \, \mathrm{mmHg}$, ובאוויר הננשף המעורב יש $30 \, \mathrm{mmHg}$, אז הדילול הוא:
\[\frac{40 - 30}{40} = \frac{10}{40} = 0.25\]כלומר:
\[25\%\]זו דרך לחשוב על חלקו של החלל המת.
בנוסחה כללית:
\[\frac{V_D}{V_T} = \frac{\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2} - P_{\bar E CO_2}}{\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2}}\]כאשר:
- $V_D$ - נפח החלל המת.
- $V_T$ - הנפח החילופי.
- $\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2}$ - לחץ חלקי של $\ce{CO2}$ בדם עורקי.
- $P_{\bar E CO_2}$ - לחץ חלקי ממוצע של $\ce{CO2}$ באוויר הננשף המעורב.
אין דרך פשוטה למדוד ישירות את ה־$\ce{CO2}$ בכל הנאדיות. לכן משתמשים ב־$\ce{CO2}$ בדם העורקי כקירוב טוב ל־$\ce{CO2}$ הנאדיתי, משום ש־$\ce{CO2}$ עובר בדיפוזיה בצורה יעילה מאוד בין הדם לנאדיות.
Mixed Expired $\ce{CO2}$ לעומת End-Tidal $\ce{CO2}$
חשוב להבחין בין שני מושגים שונים:
Mixed Expired $\ce{CO2}$
זהו ה־$\ce{CO2}$ הממוצע בכל האוויר שננשף.
אפשר לחשוב על זה כאילו אוספים את כל האוויר שאדם נושף לתוך שקית, מערבבים אותו, ואז מודדים את ריכוז ה־$\ce{CO2}$ בתערובת.
מדידה זו כוללת גם:
- אוויר נאדיתי עשיר יותר ב־$\ce{CO2}$
- אוויר מהחלל המת, דל מאוד ב־$\ce{CO2}$
לכן הערך מתקבל מדולל.
End-Tidal CO2
End-tidal CO2 הוא ריכוז ה־$\ce{CO2}$ שנמדד בסוף הנשיפה.
במהלך הנשיפה, האוויר שיוצא ראשון מגיע בעיקר מהחלל המת ולכן מכיל מעט מאוד $\ce{CO2}$. ככל שהנשיפה נמשכת, יותר אוויר מגיע מהנאדיות, ולכן ריכוז ה־$\ce{CO2}$ עולה. בסוף הנשיפה מתקבל האוויר שמייצג הכי טוב את האוויר הנאדיתי.
לכן ה־end-tidal CO2 גבוה יותר מה־mixed expired CO2, כי הוא נמדד בסוף הנשיפה ולא כממוצע של כל האוויר הננשף.
צורת גרף End-Tidal CO2
במדידה רציפה של $\ce{CO2}$ בזמן נשימה מתקבל גרף מחזורי.
בזמן שאיפה, כמעט לא נמדד $\ce{CO2}$, כי אוויר נשאף כמעט אינו מכיל $\ce{CO2}$ משמעותי, וגם אין זרימה של אוויר ננשף אל מכשיר המדידה.
בתחילת הנשיפה יוצא בעיקר אוויר מהחלל המת, ולכן ריכוז ה־$\ce{CO2}$ נמוך.
בהמשך הנשיפה האוויר מתחיל להתערבב יותר עם אוויר נאדיתי, ולכן ריכוז ה־$\ce{CO2}$ עולה.
לקראת סוף הנשיפה מתקבל אזור שטוח יותר, שמייצג בעיקר אוויר נאדיתי. הערך הגבוה ביותר בסוף הנשיפה הוא ה־End-Tidal CO2.
בתחילת השאיפה הבאה יש ירידה חדה של הגרף חזרה לערך נמוך.
פער בין $\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2}$ לבין End-Tidal $\ce{CO2}$
במצב רגיל, ההבדל בין $P_{\text{A}}\ce{CO2}$ לבין $\text{Et}\ce{CO2}$ אמור להיות קטן, בערך:
\[2-5 \text{ mmHg}\]אם הפער גדל, זה יכול להעיד על עלייה ב־dead space.
לדוגמה, אם במדידת דם עורקי מתקבל:
\[\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2} = 47 \text{ mmHg}\]אבל במוניטור נמדד:
\[\text{Et}\ce{CO2} = 35 \text{ mmHg}\]אז יש פער גדול מהמצופה. מצב כזה יכול להתאים לעודף חלל מת, למשל בגלל צנרת הנשמה או בגלל פתולוגיה שבה יש אזורים מאווררים שאינם עוברים שחלוף גזים יעיל.
במצב של dead space נאדיתי, גם האוויר שיוצא בסוף הנשיפה יכול להיות מדולל, משום שחלק מהאוויר מגיע מנאדיות מאווררות שאין בהן שחלוף גזים. לכן ה־end-tidal CO2 יכול להיות נמוך יחסית, גם אם ה־$\ce{CO2}$ בדם גבוה.
אוורור הדרגתי ודילול גזים בריאות
בסוף נשיפה רגילה יש בריאות בערך:
\[\text{FRC} = 2400 \text{ mL}\]בכל נשימה רגילה נכנסים ויוצאים בערך 500 מ”ל, ומתוכם רק כ־350 מ”ל מגיעים לנאדיות. לכן הריאות אינן מתרוקנות ומתמלאות מחדש בכל נשימה. במקום זאת, כל נשימה מערבבת כמות קטנה יחסית של אוויר חדש עם נפח גדול יותר שכבר נמצא בריאות.
לכן שינויים בריכוזי הגזים אינם מתרחשים בבת אחת בשאיפה ונשיפה אחת, אלא באופן הדרגתי לאורך כמה מחזורי נשימה.
אם הגוף מתחיל לייצר יותר $\ce{CO2}$, מערכת הנשימה מגבירה את האוורור, אבל איזון ריכוזי הגזים מתרחש בהדרגה ולא באופן מיידי בנשימה אחת.
מטבוליזם נשימתי ותערובת גזים
עד עכשיו עיקר הדיון היה מכני: נפחים, קיבולות, אוורור, והכנסת והוצאת אוויר מהריאות.
התפקיד של מערכת הנשימה הוא לתמוך במטבוליזם של הגוף. במטבוליזם אירובי הגוף משתמש בחמצן יחד עם חומרי דלק כמו גלוקוז, שומנים וחלבונים כדי לייצר ATP. תוצרי הפסולת העיקריים הם מים ו־$\ce{CO2}$.
מערכת הנשימה מכניסה חמצן ומפנה $\ce{CO2}$. כאשר הצרכים המטבוליים של הגוף עולים, למשל במאמץ, צריך להכניס יותר חמצן ולפנות יותר $\ce{CO2}$, ולכן האוורור עולה.
תערובת אוויר
האוויר מורכב בעיקר משני גזים:
- חנקן - כ־79%
- חמצן - כ־21%
יש גם גזים נוספים בכמויות קטנות מאוד, כמו $\ce{CO2}$, אך לצורך הדיון כאן מתייחסים בעיקר לחנקן ולחמצן.
הלחץ האטמוספרי בגובה פני הים הוא:
\[760 \text{ mmHg}\]לפי חוק דלטון, הלחץ הכולל של תערובת גזים הוא סכום הלחצים החלקיים של כל אחד מהגזים.
לכן באוויר חדר:
\[P_{\ce{O2}} = 0.21 \times 760 \approx 160 \text{ mmHg}\] \[P_{\ce{N2}} = 0.79 \times 760 \approx 600 \text{ mmHg}\]וביחד:
\[160 + 600 = 760 \text{ mmHg}\]אוויר חדר
באוויר חדר יבש בגובה פני הים:
| גז | אחוז בתערובת | לחץ חלקי משוער |
|---|---|---|
| $\ce{O_2}$ | 21% | $160 \, \mathrm{mmHg}$ |
| $\ce{N_2}$ | 79% | $600 \, \mathrm{mmHg}$ |
| סך הכול | 100% | $760 \, \mathrm{mmHg}$ |
אוויר בקנה
כאשר האוויר נכנס לדרכי הנשימה, הוא עובר חימום ולחלוח. לכן בתוך הקנה יש גם אדי מים.
לחץ אדי המים בדרכי הנשימה הוא בערך:
\[47 \, \mathrm{mmHg}\]לשם הבנה ניתן לעגל ל־$50 \, \mathrm{mmHg}$, אך בחישובים המדויקים משתמשים ב־$47 \, \mathrm{mmHg}$.
הלחץ הכולל עדיין צריך להיות:
\[760 \, \mathrm{mmHg}\]לכן אדי המים תופסים חלק מהלחץ הכולל, ומה שנשאר לחמצן ולחנקן הוא:
\[760 - 47 = 713 \, \mathrm{mmHg}\]מתוך זה, החמצן עדיין מהווה כ־21%:
\[P_{IO_2} = 0.21 \times 713 \approx 150 \, \mathrm{mmHg}\]לכן, אחרי לחלוח האוויר בדרכי הנשימה, הלחץ החלקי של החמצן יורד מכ־$160 \, \mathrm{mmHg}$ לכ־$150 \, \mathrm{mmHg}$.
$P_I\ce{O2}$ לעומת $F_I\ce{O2}$
יש להבחין בין שני מושגים:
$F_I\ce{O2}$
\[F_I\ce{O_2}\]הוא fraction of inspired oxygen - החלק היחסי או האחוז של חמצן באוויר הנשאף.
באוויר חדר:
\[F_I\ce{O_2} = 0.21\]כלומר 21%.
PIO2
\[P_I\ce{O2}\]הוא partial pressure of inspired oxygen - הלחץ החלקי של החמצן הנשאף.
הוא תלוי גם באחוז החמצן וגם בלחץ האטמוספרי:
\[PIO_2 = F_I\ce{O_2} \times (P_{atm} - P_{H_2O})\]בגובה פני הים, באוויר חדר:
\[PIO_2 = 0.21 \times (760 - 47)\] \[PIO_2 \approx 150 \text{ mmHg}\]עלייה לגובה
בגובה רב, אחוז החמצן באוויר אינו משתנה משמעותית. כלומר:
\[F_I\ce{O_2} = 21\%\]אבל הלחץ האטמוספרי יורד. לכן גם ה־$PIO_2$ יורד.
לדוגמה, אם הלחץ האטמוספרי נמוך בהרבה, 21% ממנו יתנו לחץ חלקי נמוך יותר של חמצן. לכן קשה יותר לנשום בגובה רב, לא כי אחוז החמצן באוויר ירד, אלא כי הלחץ החלקי של החמצן ירד.
אפשר לשפר את $PIO_2$ בשתי דרכים עקרוניות:
- להעלות את הלחץ הסביבתי, למשל בתא לחץ.
- להעלות את $F_I\ce{O_2}$, למשל על ידי מתן חמצן.
אם אדם נושם 100% חמצן, אז:
\[F_I\ce{O_2} = 1\]ובמצב כזה כל הלחץ הזמין של הגז הנשאף הוא חמצן.
משמעות FIO2 במכשירי הנשמה
כאשר כתוב שמטופל מקבל $F_I\ce{O_2}$ של 80%, המשמעות היא שסך כל התערובת שהוא נושם מכילה 80% חמצן.
זה לא אומר שהוא מקבל 80% חמצן ועוד 20% אוויר חדר. המשמעות היא שהתערובת הסופית היא:
- 80% חמצן
- 20% גז אחר, בעיקר חנקן
האוויר בנאדיות
בנאדיות המצב מורכב יותר מאשר בקנה.
בקנה צריך להתחשב בעיקר באדי מים, אבל בנאדיות מתרחשים שני תהליכים במקביל:
- $\ce{CO2}$ נכנס מהדם אל האוויר בנאדיות.
- $\ce{O_2}$ יוצא מהנאדיות אל הדם.
לכן אי אפשר לחשב את הלחץ החלקי של החמצן בנאדיות רק על ידי חיסור אדי מים ו־$\ce{CO2}$. צריך לקחת בחשבון גם את היחס בין ייצור $\ce{CO2}$ לבין צריכת $\ce{O_2}$.
Respiratory Quotient - RQ
ה־respiratory quotient הוא היחס בין ייצור $\ce{CO2}$ לבין צריכת $\ce{O_2}$:
\[RQ = \frac{V\ce{CO_2}}{V\ce{O_2}}\]ה־RQ מתאר כמה $\ce{CO2}$ נוצר ביחס לכמות החמצן שנצרכת.
במצב של תזונה מאוזנת, הערך הממוצע הוא בערך:
\[RQ = 0.8\]לסוגי דלק מטבוליים שונים יש RQ שונה:
| מקור מטבולי | RQ משוער |
|---|---|
| פחמימות | 1.0 |
| שומנים | כ־0.7 |
| תזונה מאוזנת | כ־0.8 |
בפחמימות היחס קרוב ל־1: על כל כמות חמצן שנצרכת נוצרת כמות דומה של $\ce{CO2}$. לדוגמה, בגלוקוז:
\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 -> 6CO_2 + 6H_2O}\]היחס בין $\ce{CO2}$ ל־$\ce{O_2}$ הוא:
\[\frac{6}{6} = 1\]בשומנים היחס נמוך יותר. בדוגמה שניתנה, חמצון של שומן משתמש בערך ב־23 מולקולות $\ce{O2}$ ומפיק בערך 16 מולקולות $\ce{CO2}$:
\[\frac{16}{23} \approx 0.7\]כלומר, בשימוש בשומנים נוצרת פחות פסולת $\ce{CO2}$ ביחס לכמות החמצן שנצרכת.
Alveolar Gas Equation
כדי לחשב את הלחץ החלקי של החמצן בנאדיות משתמשים במשוואת הגזים הנאדית:
\[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} = F_I\ce{O_2} \times (P_{atm} - P_{\ce{H_2O}}) - \frac{\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2}}{RQ}\]כאשר:
- $\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2}$ - לחץ חלקי של חמצן בנאדיות.
- $F_I\ce{O_2}$ - אחוז החמצן הנשאף.
- $P_{atm}$ - לחץ אטמוספרי.
- $P_{H_2O}$ - לחץ אדי המים בדרכי הנשימה.
- $\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2}$ - לחץ חלקי של $\ce{CO2}$ בנאדיות.
- $RQ$ - respiratory quotient.
באוויר חדר, בגובה פני הים:
\[F_I\ce{O_2} = 0.21\] \[P_{atm} = 760 \text{ mmHg}\] \[P_{H_2O} = 47 \text{ mmHg}\] \[\text{P}_{\text{A}}\ce{CO2} \approx 40 \text{ mmHg}\] \[RQ = 0.8\]לכן:
\[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} = 0.21 \times (760 - 47) - \frac{40}{0.8}\] \[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} = 0.21 \times 713 - 50\] \[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} \approx 150 - 50\] \[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} \approx 100 \text{ mmHg}\]כלומר, הלחץ החלקי של החמצן בנאדיות הוא בערך $100 \, \mathrm{mmHg}$.
אם היינו מחסרים רק את ה־$\ce{CO2}$ בלי להתחשב ב־RQ, היינו מקבלים:
\[150 - 40 = 110 \text{ mmHg}\]אבל בפועל, בגלל היחס המטבולי בין צריכת חמצן לייצור $\ce{CO2}$, מקבלים בערך 100 mmHg.
השפעת RQ על החמצן הנאדיתי
אם ה־RQ הוא 1, כמו במטבוליזם של פחמימות:
\[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} = 150 - \frac{40}{1}\] \[\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2} = 110 \text{ mmHg}\]כלומר, כאשר $RQ = 1$, החיסור קטן יותר מאשר במצב של $RQ = 0.8$, ולכן $\text{P}_{\text{A}}\ce{O_2}$ גבוה יותר.
עם זאת, כאשר הגוף מייצר יותר $\ce{CO2}$, מערכת הנשימה צריכה לפנות אותו. לכן תזונה עשירה מאוד בפחמימות יכולה להעלות את ייצור ה־$\ce{CO2}$ ולהגדיל את הצורך באוורור.
לעומת זאת, במטבוליזם המבוסס יותר על שומנים, ה־RQ נמוך יותר, כלומר מיוצר פחות $\ce{CO2}$ ביחס לכמות החמצן שנצרכת.
הקשר בין תזונה, $\ce{CO2}$ ואוורור
מקור האנרגיה המטבולי משפיע על כמות ה־$\ce{CO2}$ שנוצרת.
כאשר יש ייצור מוגבר של $\ce{CO2}$, צריך לפנות יותר $\ce{CO2}$ דרך הנשימה. אם מערכת הנשימה מוגבלת, למשל אצל מטופל מונשם או עם מחלה ריאתית קשה, העמסה של פחמימות יכולה להחמיר את בעיית פינוי ה־$\ce{CO2}$.
במצבים קליניים מסוימים ניתן למדוד את ייצור ה־$\ce{CO2}$ ואת היחס המטבולי בעזרת מכשור מתאים, ולפי זה להתאים תזונה והנשמה. הרעיון הוא שלא רק הריאה קובעת את רמת ה־$\ce{CO2}$, אלא גם כמות ה־$\ce{CO2}$ שהגוף מייצר.
סיכום המהלך הפיזיולוגי
מערכת הנשימה מתמודדת עם כמה שכבות של חישוב פיזיולוגי:
- כמה אוויר נכנס ויוצא מהריאות בכל דקה - minute ventilation.
- כמה מתוך האוויר הזה באמת מגיע לנאדיות - alveolar ventilation.
- כמה אוויר מתבזבז בחלל מת - dead space ventilation.
- מה תערובת הגזים שנכנסת לגוף - בעיקר חמצן וחנקן.
- איך אדי מים מורידים את הלחץ החלקי של החמצן בדרכי הנשימה.
- איך $\ce{CO2}$, צריכת $\ce{O_2}$, ו־RQ קובעים את החמצן בנאדיות.
- איך מדדי $\ce{CO2}$, בעיקר $ET\ce{CO_2}$ ו־$Pa\ce{CO_2}$, יכולים לתת מידע על אוורור ועל חלל מת.
המעבר מנפחי ריאה פשוטים להבנת תערובת הגזים מאפשר להבין איך מערכת הנשימה מחברת בין מכניקה, שחלוף גזים ומטבוליזם.
דור פסקל