какие факторы определяют диффузионную способность легких
Диффузионный тест. Для чего проводится, какова методика, показания и результаты диффузионного теста
1. Для чего проводится диффузионный тест
Процесс дыхания заключается не только в акте втягивания воздуха в дыхательную систему, но и в последующем переносе газов (кислорода и СО2), происходящем на альвеолярной поверхности лёгких. Важнейшая цель дыхания – газообмен. Именно этот процесс обеспечивается посредством циклов вдохов и выдохов: кровь насыщается кислородом и отдаёт в атмосферу углекислый газ. При нормальном функционировании лёгких, бронхов и диафрагмы, но нарушенной диффузии, наступает гипоксия, что неизбежно отражается на общем самочувствии и несёт риск тяжёлых расстройств.
В пульмонологии существенное значение отводится функции лёгочного газообмена. Многие заболевания требуют исследования не только органических структур дыхательной системы, но и изучения функции диффузии газов на поверхности лёгких. Одной из важнейших диагностических методик является диффузионный тест, позволяющий оценить эффективность лёгочного газообмена, которая зависит от скорости перехода газов через альвеолярно-капиллярный барьер.
Феномен диффузии кислорода в кровь и вывода CО2 в составе выдыхаемого воздуха отражается величиной, обратной сопротивлению диффузии, которая называется «диффузионная способность лёгких».
2. Какова методика проведения и показания для диффузионного теста
Измерение диффузионной способности лёгких может проводиться в рамках бодиплетизмографии или вне иных видов диагностики.
Нос пациента зажимается специальным зажимом. Для проведения исследования ему необходимо сделать глубокий вдох безопасной газовой смеси, содержащий инертный газ (гелий или метан). Она не имеет вкуса и запаха и воспринимается как обычный воздух. После этого необходимо ненадолго задержать дыхание, а затем произвести выдох в трубку прибора. Вдох должен длиться не более 4 секунд, а выдох – 3 секунды.
Результаты данной диагностики пациент получает сразу же. Методика не имеет противопоказаний, не доставляет больному дискомфорта и не требует специальной подготовки. Рекомендуется лишь отказаться от курения и плотного приёма пищи перед диагностикой. Также по согласованию с врачом при подготовке к диагностике отменяются некоторые лекарственные препараты и процедуры.
Исследование диффузионной способности дыхательной системы может быть назначено в следующих случаях:
3. Что отражают результаты исследования диффузионной способности лёгких
Диффузионная способность лёгких снижается при определённых заболеваниях. Диффузионный тест позволяет подтвардить, что причина недостаточности дыхательной функции заключается именно в нарушении газообмена. Данная патология может быть обусловлена капиллярным или мембранным компонентом. Увеличение толщины альвеолярно-капиллярной мембраны или снижение площади диффузионной поверхности обуславливают снижение показателей, получаемых в ходе исследования. Выявленное снижение диффузии по результатам проведения диффузионного теста может указывать на следующие нарушения:
Снижение способности к газообмену всегда сопровождает тяжёлые формы ХОБЛ, бронхиолит, эмфизему лёгких.
Повышенные показатель, полученные в ходе диффузионного теста, также могут указывать на наличие патологии. Такая клиническая картина может наблюдаться при:
Какие факторы определяют диффузионную способность легких
а) Дыхательная единица. На рисунке ниже показана дыхательная единица (называемая также дыхательной долькой), состоящая из дыхательной бронхиолы, альвеолярных ходов, преддверий и альвеол. В двух легких содержатся около 300 млн альвеол, каждая из них имеет диаметр в среднем около 0,2 мм. Стенки альвеолы очень тонкие, и между альвеолами расположена почти непрерывная сеть из соединяющихся между собой капилляров (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже). Из-за большого пространства переплетенных капилляров о кровотоке в стенках альвеол иногда говорят, как о «слое» текущей крови. Очевидно, что альвеолярные газы находятся на очень близком расстоянии от крови в легочных капиллярах.
Дыхательная единица 
A. Вид поверхности альвеолярной стенки с капиллярами.
Б. Разрез альвеолярных стенок и сосудов в них
Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью происходит не только в самих альвеолах, но и во всех терминальных частях легких. Все участвующие в этом мембраны вместе называют дыхательной мембраной, или легочной мембраной.
б) Дыхательная мембрана. На рисунке ниже слева показана ультраструктура разреза респираторной мембраны, а справа — эритроцит.
Ультраструктура альвеолярной дыхательной мембраны (разрез)
Показана диффузия кислорода из альвеолы в эритроцит и диффузия двуокиси углерода в противоположную сторону. Обратите внимание на слои, составляющие дыхательную мембрану.
1. Слой жидкости, выстилающий альвеолу и содержащий сурфактант, снижающий поверхностное натяжение альвеолярной жидкости.
2. Составленный из тонких эпителиальных клеток альвеолярный эпителий.
3. Эпителиальная базальная мембрана.
4. Тонкое интерстициальное пространство между альвеолярным эпителием и мембраной капилляра.
5. Базальная мембрана капилляра, которая во многих местах сливается с базальной мембраной альвеолярного эпителия.
6. Эндотелий капилляра.
Средний диаметр легочных капилляров составляет около 5 мкм, и это означает, что эритроциты должны продавливаться через них. Обычно мембрана эритроцита соприкасается со стенкой капилляра, поэтому кислород и двуокись углерода при диффузии из альвеолы в эритроцит не должны проходить через значительное количество плазмы, что также увеличивает скорость диффузии.
в) Факторы, влияющие на скорость диффузии газов через дыхательную мембрану. Возвращаясь к приведенным ранее разъяснениям механизмов диффузии газов в воде, можно сказать, что те же принципы и математические формулы можно использовать при объяснении диффузии газов через дыхательную мембрану. Факторами, определяющими скорость прохождения газа через мембрану, являются:
(1) толщина мембраны;
(2) площадь поверхности мембраны;
(3) коэффициент диффузии газа в мембране,
(4) градиент парциального давления газа между двумя сторонами мембраны.
Толщина дыхательной мембраны может иногда становиться больше, например в результате появления в интерстициальном пространстве мембраны и в альвеолах отечной жидкости, поэтому дыхательные газы должны диффундировать не только через мембрану, но и через эту жидкость. Кроме того, при некоторых болезнях легких возникает фиброз легких, что может увеличивать толщину некоторых участков дыхательной мембраны. Скорость диффузии через мембрану обратно пропорциональна толщине мембраны, поэтому любой фактор, способный увеличить нормальную толщину мембраны более чем в 2-3 раза, может существенно изменить процесс обмена газов.
Площадь поверхности дыхательной мембраны может значительно уменьшаться при воздействии многих факторов. Например, удаление одного легкого уменьшает общую площадь дыхательной мембраны в 2 раза. При эмфиземе многие альвеолы соединяются, и альвеолярные стенки разрушаются. Образуются новые альвеолярные камеры, которые намного больше обычных, но общая площадь поверхности дыхательной мембраны часто снижается примерно в 5 раз из-за разрушения альвеолярных стенок. Когда общая площадь поверхности снижается до 1/3-1/4 доли нормальной поверхности, обмен газов через мембрану даже в условиях покоя сильно замедляется, а во время спортивных соревнований и других больших физических нагрузок даже малейшее уменьшение площади поверхности легких может вызвать серьезные нарушения дыхательного газообмена.
Величина коэффициента диффузии при переходе каждого газа через дыхательную мембрану находится в прямой зависимости от растворимости газа в мембране и в обратной зависимости от квадратного корня молекулярной массы этого газа. Скорость диффузии газа в дыхательной мембране по причинам, объясненным ранее, почти равна таковой в воде, поэтому при данном градиенте давления двуокись углерода диффундирует примерно в 20 раз быстрее, чем кислород, а кислород — в 2 раза быстрее азота.
Градиент давления между сторонами дыхательной мембраны представляет собой разницу между парциальным давлением газа в альвеолах и капиллярной крови легких. Парциальное давление является мерой общего количества молекул данного газа, которые ударяются о единицу площади альвеолярной поверхности мембраны в единицу времени. Напряжение газа в крови — это количество молекул, стремящихся к выходу из крови в обратном направлении, поэтому разница между этими давлениями является мерой суммарной тенденции движения молекул газа через мембрану. Если парциальное давление газа в альвеолах больше, чем его напряжение в крови, как это бывает с кислородом, диффузия совершается в направлении из альвеол в кровь; если напряжение газа в крови больше его парциального давления в альвеолах, что справедливо для двуокиси углерода, то происходит диффузия газа из крови в альвеолы.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Факторы, определяющие и ограничивающие диффузионную способность легких
<> Длительность контакта газ/кровь, необходимая для оксигенации крови – не менее 0,3 сек.;
<> Скорость вентиляции, глубина вентиляции и скорость кровотока в сосудах: при физической нагрузке и увеличении параметров вентиляции и гемодинамики объём диффузии снижается;
<> Состояние альвеолярно-капиллярной мембраны, наличие уплотнений и набухания эпителиальной ткани лёгких (вследствие курения, хронического засорения частицами пепла и загрязнённого воздуха);
<> Содержание эритроцитов и гемоглобина /Нb/ в крови, определяющих оптимальную оксигенацию гемоглобина крови – связывание гемоглобином молекул О2 .
Глава IX транспорт газов и дистанционное потребление кислорода тканями
1. Кислородный резерв организма
Организм человека как открытая система постоянно участвует в природном газообмене биосферы в связи с необходимостью поддержания газового баланса О2/СО2 – условия жизнедеятельности, дыхания тканей, термодинамики, адаптивных процессов пластического обновления и энергетического обеспечения.
Общие резервы О2 и жизненной энергии в составе молекулярного кислорода ограничены и составляют:
1—> в растворенном виде
0,3 мл/100 мл крови или
2—> в альвеолярной газовой смеси остается
400 мл после вентиляции;
3—> в обратимой химической связи с Hb + О2 (оксигемоглобин)
20 мл О2/100 мл крови, в том числе
480–500 мл [ в 4л вен. крови]
4—> в обратимой связи Мb + О2 (оксимиоглобин) в мышечных клетках
Общий кислородный резерв организма человека составляет примерно 1,0 – 1,5 л О2 и быстро расходуется в условиях физических нагрузок, что требует непрерывной оксигенации крови и регуляции доставки кислорода к тканям мозга, сердца и мышц.
2. Транспорт дыхательных газов
Очевидно, в условиях повышения психофизической активности индивидуума, адаптации его организма к специфическим тренировочным нагрузкам, требующим усиления метаболизма в мышцах и вегетативных органах, а также увеличения расхода жизненной энергии, объём транспорта кислорода должен нарастать за счёт мобилизации гемодинамических и дыхательных резервов организма, т.к. актуальный показатель КЕК (концентрации кислорода в крови) является индивидуальной константой в момент выполнения заданных нагрузок.
В этих условиях Объём доставляемого О2 будет зависеть главным образом от объёма и скорости кровотока:
при КЕК = С арт. О2 /const/ = 18 – 20 мл О2 / 100 мл крови.
Если принять за максимальный объём кровотока величину порядка 30 л/мин, что характерно для производительности сердца тренированного спортсмена, то объём кислорода, доставляемого к мышцам, составит:
200 мл/л крови х 30 л/мин. =
3. Дистанционное потребление кислорода
Установлено, что на этой стадии физического дыхания не весь кислород может быть утилизирован мышечной тканью из доставляемого объёма.
Утилизация О2 оценивается коэффициентом [КУ], показывающим соотношение артерио-венозной разницы в концентрации О2 к показателю кислородной ёмкости крови (её насыщенности ).
А
ВР О2 или (С арт. О2 – С вен. О2)
Для мышечной ткани коэффициент утилизации О2 в условиях относительного покоя составляет
40–60% от объёма доставки
В условиях высокой физической активности, достигающей порога аэробной мощности, утилизация возрастает до 80–90% от объёма доставленного газа (КУ = 0,8–0,9).
Следовательно, существуют факторы, ограничивающие максимальное потребление О2 и создающие его вынужденный дефицит в мышечной ткани. В рассмотренном примере из объема доставки
= 6 л/мин будет утилизировано 80–90%, т.е. 4,8–5,4 л/мин., что соответствует МПК (или VO2 max) – показателю максимального потребления кислорода.
У тренированных спортсменов МПК может достигать 6,5–7,0 л/мин., если они развивают аэробную выносливость и расширяют функциональные резервы кислород-транспортной системы в процессе долговременной адаптации и многолетней тренировки.
Какие факторы определяют диффузионную способность легких
После поступления свежего воздуха в альвеолы начинается следующий этап дыхательного процесса: диффузия кислорода из альвеол в кровь и диффузия двуокиси углерода в обратном направлении — из крови в альвеолы. Процесс диффузии представляет собой беспорядочное движение молекул, прокладывающих себе дорогу через дыхательную мембрану и жидкости во всех направлениях. Однако в физиологии дыхания нас интересуют не только основные механизмы диффузии, но и ее скорость, что представляет собой намного более сложную проблему и потребует более глубоких знаний в области физики диффузии и обмена газов.
Физические основы диффузии и парциальные давления газов
Все газы, представляющие интерес для физиологии дыхания, являются простыми молекулами, которые свободно перемещаются в смеси. Этот процесс называют диффузией. Это справедливо и для газов, растворенных в жидкостях и тканях тела.
Для процесса диффузии необходимо наличие источника энергии. Энергия производится кинетическим движением самих молекул. При температуре выше абсолютного нуля молекулы находятся в постоянном движении. Это значит, что свободные молекулы, не связанные с другими молекулами, двигаются линейно на высокой скорости до встречи с другими молекулами. После столкновения их движение получит новое направление — до следующего столкновения. Таким образом, молекулы находятся в быстром и случайном движении среди себе подобных.
а) Диффузия газа одном направлении. Влияние градиента концентрации. Если в емкости или в растворе концентрация одного газа в одной зоне высокая, а в другой — низкая (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже), то суммарная диффузия газа будет направлена от зоны с высокой концентрацией в зону с низкой концентрацией: на рисунке в зоне А находится больше молекул, способных двигаться в направлении зоны Б, чем молекул, которые могут переместиться в обратном направлении, поэтому диффузия в каждом из направлений пропорциональна концентрации молекул, что на рисунке демонстрирует длина стрелок.
Диффузия кислорода из одной зоны (А) в другую (Б). Разница в длине стрелок представляет величину конечной диффузии
б) Давление газов в газовой смеси. Парциальные давления отдельных газов. Давление создается множественными ударами движущихся молекул о поверхность, поэтому давление газа на поверхности дыхательных ходов и альвеол пропорционально суммарной силе ударов о поверхность всех молекул данного газа в данный момент, т.е. давление газа прямо пропорционально концентрации молекул газа.
В физиологии дыхания мы имеем дело со смесями газов, состоящих главным образом из кислорода, азота и двуокиси углерода. Скорость диффузии каждого из них прямо пропорциональна давлению, создаваемому только этим газом, и это давление называют парциальным давлением данного газа. Далее приводим объяснение концепции парциального давления.
Воздух состоит примерно из 79% азота и 21% кислорода. Общее давление этой смеси на уровне моря равно 760 мм рт. ст. Из приведенного ранее объяснения молекулярных основ возникновения давления ясно, что доля каждого газа в давлении их смеси находится в прямой пропорции с его концентрацией, поэтому 79% из 760 мм рт. ст. давления воздуха создается азотом (600 мм рт. ст.) и 21% — кислородом (160 мм рт. ст.). Таким образом, парциальное давление азота в смеси составляет 600 мм рт. ст., парциальное давление кислорода — 160 мм рт.ст., а общее давление (760 мм рт. ст.) является суммой отдельных парциальных давлений. Парциальное давление отдельных газов обозначают PCO2, PO2, PN2, PH2O, PHe и т.д.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Диффузионная способность легких при ХОБЛ: есть ли различия у пациентов разного пола
Актуальность
Хорошо известно прогностическое значение единичного измерения диффузионной способности легких для монооксида углерода у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). Вместе с тем данных об изменении диффузионной способности, как и о возможных отличиях в значениях этого показателя между мужчинами и женщинами крайне мало. В связи с чем целью обсуждающегося исследования стала оценка диффузионной способности легких за определенный промежуток времени у пациентов с ХОБЛ.
Методы
Участниками исследования были курящие пациенты. Всем пациентам на протяжении 5 лет проводилась оценка функции легких, в том числе определение диффузионной способности для монооксида углерода.
В исследование было включено 602 курящих пациента (33% – женщины). 506 (84%) пациентов имели ХОБЛ.
Среднегодовое снижение диффузионной способности легких составило 1.34±0.0015%. Такая динамика оказывалась более выраженной у пациентов с ХОБЛ, по сравнению с группой контроля (p=0.004).
Женщины имели худшие значения диффузионной способности легких на старте исследования, а также характеризовались более выраженной негативной динамикой этого показателя на протяжении всего периода исследования (p=0.039). При этом объем форсированного выдоха за первую секунду у них оказывался статистически значимо больше, чем у мужчин.
Заключение
Таким образом, пациенты с ХОБЛ характеризуются ускоренным снижением диффузионной способности легких. Причем женщины при лучшем объеме форсированного выдоха за первую секунду имеют как исходно худшие значения диффузионной способности легких, так и характеризуются более выраженным ее снижением на протяжении наблюдения.
Источник:
Casanova C, et al. Chest. 2021:S0012-3692(21)00696-6. doi: 10.1016/j.chest.2021.03.069.
Всероссийская Образовательная Интернет-Сессия
Информация и материалы, представленные на настоящем сайте, носят научный, справочно-информационный и аналитический характер, предназначены исключительно для специалистов здравоохранения, не направлены на продвижение товаров на рынке и не могут быть использованы в качестве советов или рекомендаций пациенту к применению лекарственных средств и методов лечения без консультации с лечащим врачом.
Лекарственные препараты, информация о которых содержится на настоящем сайте, имеют противопоказания, перед их применением необходимо ознакомиться с инструкцией и проконсультироваться со специалистом.
Мнение Администрации может не совпадать с мнением авторов и лекторов. Администрация не дает каких-либо гарантий в отношении cайта и его cодержимого, в том числе, без ограничения, в отношении научной ценности, актуальности, точности, полноты, достоверности научных данных представляемых лекторами или соответствия содержимого международным стандартам надлежащей клинической практики и/или медицины основанной на доказательствах. Сайт не несет никакой ответственности за любые рекомендации или мнения, которые могут содержаться, ни за применимость материалов сайта к конкретным клиническим ситуациям. Вся научная информация предоставляется в исходном виде, без гарантий полноты или своевременности. Администрация прикладывает все усилия, чтобы обеспечить пользователей точной и достоверной информацией, но в то же время не исключает возможности возникновения ошибок.