Introduktion. Arbetsordning

Transkript

1 4. LABORATION 3 RESPIRATION Introduktion Lungornas huvudsakliga uppgift är att sköta kroppens gasutbyte. En metod för att undersöka om detta sker tillfredsställande är att analysera blodgaser (syre och koldioxid) i artärblod. Vid misstanke om sjukdomstillstånd i lungor och/eller bröstkorg finns ytterligare lungfunktionsundersökningar att tillgå för att nå korrekt diagnos samt fastställa graden av funktionsnedsättning. Till dessa undersökningar hör spirometri att mäta upp lungvolymer och ventilationsförmåga. I laborationen ingår att göra lungfunktionsmätningar i form av statisk- och dynamisk spirometri. Dessutom undersöks akuta respiratoriska och cirkulatoriska konsekvenser av ökad mängd CO 2 i artärblodet (hyperkapné). Syftet är att ge praktisk erfarenhet i två kliniskt vanligt förekommande undersökningsmetoder samt illustrera respirationsfysiologiska begrepp och fenomen. Efter genomförd laboration förväntas du: Kunna de olika huvudtyperna av ventilationsinskränkningar samt veta vilken spirometriundersökning som används till vilken typ. Kunna definiera och experimentellt bestämma de olika lungvolymer och luftflöden som ingår i laborationen. Kunna effekten av P CO2 och P O2 på ventilation och cirkulation. Känna till begreppen airtrapping och dynamisk luftvägskompression samt förstå flöde/volym-kurvan. Känna till symtom på koldioxidförgiftning och uttalad hyperventilation. Arbetsordning I. Statisk- och dynamisk spirometri: bestämning av lungvolymer.och av aktiv ventilationsförmåga. II. Koldioxidåterandning: betydelse av koldioxid i andningsregleringen. Respiration 1 OSOF

2 STATISK SPIROMETRI Bakgrund Med statisk spirometri bestäms lungvolymer genom att patientens/försökspersonens in- och utandningsvolymer registreras. I det spirogram som erhålls vid en statisk spirometri kan följande lungvolymer avläsas. IRV VC TV VC ERV Figur 4:1. Spirogram som visar hur lungvolymen varierar under normalandning samt under maximal in- och utandning. Tidalvolym, TV Andetagsvolymen. Den volym som in- eller utandas vid varje andetag. Inspiratorisk reservvolym, IRV Den maximala volym som kan inandas efter en normal inandning. Expiratorisk reservvolym, ERV Den maximala volym som kan utandas efter en normal utandning. Residualvolym, RV Lungan töms aldrig helt på luft. Ca 20% av TLC (se nedan) finns alltid kvar. Vitalkapacitet, VC Den volym som kan andas ut efter en maximal inandning (TV+IRV+ERV). Total lungkapacitet, TLC Den volym som finns i lungorna efter en maximal inandning (VC+RV). Residualkvot RV/TLC. Normalt ca 20%. Funktionell residualkapacitet, FRC Den volym som finns kvar i lungorna efter en normal utandning (RV+ERV). Specifika lungsjukdomar ger karakteristiska förändringar i spirogrammet. Statisk spiromteri kan påvisa restriktiva lungsjukdomar, vilka medför hinder för lungans normala expansion, t ex vid följande tillstånd: Minskad rörlighet i bröstkorgen (kyfoskolios, uttalad fetma, postoperativ smärta). Begränsad rörlighet i diafragma (graviditet, ascites). Låg compliance (lungfibros, pneumothorax, stor blodvolym i lungan vid vänsterkammarsvikt). Minskad mängd fungerande lungvävnad (lungtuberkulos, lungcancer). Laboration Respiration 2 OSOF

3 En restriktiv ventilationsinskränkning leder till ett andningsmönster med sänkt andetagsvolym och ökad andningsfrekvens, samt ökat andningsarbete. I ett spirogram ger den sig till känna genom en sänkt vitalkapacitet samt en nedsatt total lungkapacitet. Uppställning och material Statisk spirometri kommer att mätas med hjälp av en dator som registrerar flöde och volymförändringar genom ett munstycke. Du behöver följande material: Näsklämma Papperstub Munstycke kopplat till dator Utförande 1. Följande fönster är öppet vid start av laborationen. Kanal 1 registrerar flöde och kanal 2 visar volymförändringarna under andningscykeln. 2. Låt munstycket ligga stilla på bordet under försökets början. Gå in under menyn Flöde i kolumnen till höger och tryck på Spirometer (fig. 4:2). Mätapparaturen tenderar att registrera en viss aktivitet även i vila (när det ej är något flöde). Detta kallas för drift. Korrigera för driften genom att trycka på Zero-knappen (fig 4:3). Detta försäkrar att det inte registreras en signal då flödet är noll. Avvakta till datorn utfört processen. Tryck OK. Figur 4:3 Figur 4:2 Laboration Respiration 3 OSOF

4 3. En försöksperson gör försöket både i liggande och sittande. Försökspersonen ligger på britsen och placerar sig så att han/hon ej ser skärmen samt förser sig själv med en näsklämma för att försäkra att all luft går genom munnen. Håll munstycket med de två plastslangarna riktade uppåt. Provandas några gånger innan försöket sätts igång. 4. Inled försöket genom att trycka på Start-knappen i nedre högra hörnet. Texten ändras då till Stop. Andas normalt ett par andetag, gör därefter en maximal inandning och direkt efter en maximal utandning. OBS, det behöver ej gå fort. Ta ett par andetag till och avsluta sedan försöket genom att trycka på Stop-knappen. 5. För att analysera, markera volymkurvan i kanal 2 så att minst ett vanligt andetag samt det maximala kommer med. Bland funktionerna i övre bildkant finns en Zoom-knapp (se bild nedan). Tryck på denna. Mät lungvolymerna genom att använda markören (M) i nedre vänstra hörnet. Fäst denna vid en punkt på kurvan. Till kurvan är dessutom bundet ett rörligt kryss, som styrs av musen. Volymen mäts mellan markören och detta kryss. Se Att använda datainsamlingssystemet om problem. Värdet visas som t (uppmätt mellan markör och kryss) i textspalten högst upp i bilden. 6. Tryck på knappen Chart Window för att komma tillbaka till startsidan. Detta gäller under hela försöket. Zoom 7. Upprepa sedan försöket i sittande. Chart Window 8. Övriga personer i gruppen utför försöket. För varje nytt försök räcker det med att trycka på Start-knappen och för analys, markera aktuell del av kurvan (upprepa punkt 3-5). Andningsvolymer Tidalvolym (l) Eget värde i sittande Inspiratorisk reservvolym (l) Expiratorisk reservvolym (l) Vitalkapacitet (l) Vitalkapacitet i liggande: Laboration Respiration 4 OSOF

5 Uppmättes någon skillnad i vitalkapacitet mellan stående och liggande? Orsak/er? Observera att spridningen på lungvolymer, även för lika stora individer av samma kön, är stor, varför ett värde anses patologiskt först när det avviker >20% från normalvärdena. Hos en och samma person varierar dock värdena endast med ml. Eftersom det finns en uppvärmningseffekt i detta försök gör man ofta 3 mätningar och tar det bästa värdet. Laboration Respiration 5 OSOF

6 DYNAMISK SPIROMETRI Bakgrund Dynamisk spirometri används till att mäta flöden, framförallt under utandning. Tryck och tryckförändringar i thorax är en förutsättning för att det ska bli ett flöde av luft in i lungorna. Trycken det rör sig om är relativt små och anges vanligen i cmh 2 O. Lufttrycket är satt till noll och övriga tryck anges efter hur mycket de avviker från detta. Efter en normal utandning ger lungan och bröstkorgens elastiska egenskaper upphov till ett undertryck i pleurarummet. Lungvävnaden vill kollabera (pga elastiska fibrer och ytspänning) och bröstkorgens elasticitet gör att denna strävar utåt. Tryckskillnaden mellan alveolartrycket och det i pleura är det transpulmonella trycket. Under inandningen måste, utöver det elastiska motståndet, det friktionsmotstånd som luften utövar mot luftvägarnas väggar övervinnas. Detta är ökat vid en obstruktiv lungsjukdom. Även mellan thorax och lunga finns ett friktionsmotstånd. Inflation av lungorna är en aktiv process som initieras av en diafragmakontraktion. Thorax expanderar och pleuratrycket går mot ett mer negativt värde. Transpulmonella trycket ökar, alveolartrycket blir subatmosfäriskt och luft kan flöda in i lungorna. En normal utandning beror på att andningsmuskulaturen relaxerar. Thoraxvolymen minskar, pleuratrycket blir mer positivt, transpulmonella trycket minskar och lungvävnaden faller ihop något på grund av sin elasticitet samt ytspänningen i alveolerna. Vid en forcerad utandning är dock förhållandena något annorlunda. Framför allt magmuskulaturen aktiveras för att få ut luften, och pleuratrycket kommer vid denna typ av expiration att bli positivt. Anledningen till att pleuratrycket tillåts bli positivt är att bröstkorgsväggen kan reducera thoraxvolymen snabbare än lungan själv kollaberar. En kraftigt forcerad expiration leder dock inte till att lungan töms på mer luft. Anledningen till detta kallas dynamisk luftvägskompression. Om trycket i thorax överstiger trycket inne i luftvägen kommer denna att komprimeras. På grund av bla Bernoullis princip kommer luftens drivtryck inne i luftvägen att successivt avta. Den punkt där trycket inne i luftvägen är lika stort som det utanför är Equal Pressure Point, EPP. Normalt infaller EPP i delar av bronkträdet där broskstrukturer motverkar en kompression. Det finns dock sjukdomstillstånd då lungvävnadens elasticitet reducerats (t ex emfysem). Drivtrycket för luften inne i luftvägen sänks och EPP kan förflyttas i riktning mot alveolen. Vid avsaknad av brosk täpps bronkiolen till och luft kan fångas perifert om avstängningen airtrapping. Vid astma blir luftvägarna smalare av inflammation vilket leder till ett snabbare tryckfall. Vid en obstrutiv lungsjukdom, t ex astma, är friktionsmotståndet i andningsvägarna ökat. På grund av tryckvariationer i lungan vidgas luftrören vid inandning och komprimeras vid utandning, framför allt vid forcerad sådan (se ovan). Därför syns ett ökat luftvägsmotstånd tydligast vid forcerad utandning. Utandningen (expiriet) blir hos obstruktiva patienter förlängt och ett väsande ljud kan höras vid utandning. Karakteristiska fynd blir vid en obstruktivitet normal VC, men sänkt FEV 1.0 och FEV 1.0%. Se figur 4:4. Laboration Respiration 6 OSOF

7 Mätvärden i dynamisk spirometri FVC Forcerad Vitalkapacitet FEV 1.0 Forcerad Expiratorisk Volym på en sekund FEV 1.0% FEV 1.0 /FVC. Normalt >80%. PEF Peak Expiratory Flow (maximala flödeshstigheten i l/min). Visar stora olikheter mellan individer, bra att följa en och samma individ med. FEF Forcerat Expiratoriskt Flöde (Forced Expiratory Flow). Bestämmer utandningsflödet efter det att olika procentuella andelar av FVC har utandats, vilket anges såsom FEF 75 t ex. Dessa mätningar anses kunna fånga upp obstruktiva inskränkningar i ett tidigt skede, då dessa ses sent under utandningen. MVV Maximal Voluntär Ventilation. Den volym som maximalt kan andas in och ut under en viss tid med andningsfrekvensen 40 andetag/minut, 80 andetag/minut eller fri frekvens. Mätes vanligen under 15 sekunder och omräknas till liter/minut. MVV är sänkt vid både en obstruktivitet och en restriktivitet. Figur 4:4 Utförande Samma startsida och material som vid statisk spirometri används. Upprepa nollningsprocessen. 1. Inled försöket genom att trycka på Start-knappen. Försökspersonen andas normalt i munstycket, gör därefter en maximal inandning varpå han/hon andas ut så fort, så mycket och så länge det bara går. Fortsätt att andas genom munstycket ett tag och avbryt sedan registreringen genom att trycka på Stop-knappen. Laboration Respiration 7 OSOF

8 2. För analys, markera i detta försök båda kurvorna (Markera först den ena kurvan. Tryck därefter ner Shift-knappen på tangentbordet och håll den intryckt när den andra kurvan markeras.) och tryck på Zoom-knappen. Använd även i detta försök markören samt krysset bundet till kurvan och att ta reda på nedanstående parametrar. Volymer och flöden Forcerad vitalkapacitet (l) Eget värde Forcerad expiratorisk volym på en sekund (l) FEV 1.0% = FEV 1.0 /FVC x 100 (%) Peak expiratory flow (l/min) 3. Jämför de värden ni uppmätt med datorn genom att, när kurvorna fortfarande är markerade, gå in under menyn Spirometry och högst upp i bilden och använd funktionerna Data Window och Report (figur 4:5). Figur 4:5 Laboration Respiration 8 OSOF

9 KOLDIOXIDÅTERANDNING Bakgrund Kroppens gasutbyte Luften består av 78% kväve, 21% syre, 1% ädelgaser, eventuell vattenånga och en obetydlig mängd koldioxid, 0,03% (Figur 4:6). Syre Ädelgaser Koldioxid Kväve Syre Ädelgaser Koldioxid Kväve Figur 4:6a Inandad (torr) luft Figur 4:6b Utandad (torr) luft Vad händer då med den inandade luften? Ett viloandetag har en volym på ca 0,5 liter, vilket endast utgör en liten del av den volym som finns i de ventilerade delarna av lungorna (ca 3 liter). Därför förändras inte gasblandningen i alveolerna speciellt mycket mellan utandning och inandning. Syre diffunderar över till blodet och koldioxid från metabolismen åt motsatt håll och när vi andas ut ger sammansättningen av utandningsluften ett prov på denna alveolarluft blandad med deadspace. Koldioxidhalten i utandningsluften i slutet av varje utandning (end-tidalt) ger normalt ett bra mått på arteriellt P CO2 (normalt ca 5,3 kpa), eftersom koldioxid diffunderar lätt. (Det arteriella syrgastrycket kan däremot inte tillförlitligt skattas ur utandningsluften, pga A-a differensen). Några procent koldioxid har tillförts utandningsluften och ungefär lika mycket syre har förbrukats. Kroppens koldioxiproduktion är cirka ml/min. Ett normalt syreupptag motsvarar ca ml/min och skillnaden i syrehalt mellan in- och utandad luft är endast några få procent. Kroppen extraherar med lätthet den mängd syre som krävs både i vila och arbete samt även under hjärt-lungräddning. Den alveolära ventilationens storlek påverkar således framförallt koldioxidavgivningen och därmed syra-basbalansen. Uppställning och material I detta försök kommer följande material användas: Tidtagarur Pulsklocka Blodtrycksmanschett Näsklämma Säck Dator Laboration Respiration 9 OSOF

10 Utförande En försöksperson får, försedd med näsklämma, andas i ett slutet system från en säck som från början är fylld med ca 10 liter ren syrgas, vilket väl täcker behovet under försökets gång. Försöket pågår till att CO 2 i utandningsluften är cirka 8%, men ska naturligtvis avbrytas tidigare om försökspersonen önskar det. Under försökets gång ansamlas koldioxid från försökspersonens utandningsluft i säcken och i försökspersonens vävnader. Ett litet flöde från munstycket pumpas genom en gasanalysator som analyser halten CO 2 och O 2. Andningsflödet passerar även en pneumotachometer (jfr dynamisk spirometri) där flöde, andingsfrekvens och tidalvolym registreras.cirkulatoriskt mäts hjärtfrekvens med en pulsklocka och blodtryck auskultatoriskt. Till laborationen behövs följande: En försöksperson (fp). Protokollförare. Förslagsvis ritas protokollet upp på en whiteboard där resultaten förs in kontinuerligt. Någon som tar blodtryck Någon som tar puls (från pulsklockan) Person som frågar efter symtom enligt protokoll (försökspersonen håller upp antal fingrar motsvarande svårighetsgraden, där 1 är minimum och 5 maximum) Person framför datorn som startar registrering och infogar kommentarer Tidtagare som tar tiden och informerar övriga varje hel minut 1. Fördela arbetsuppgifterna. 2. Fp tar på sig pulsband och pulsklocka. Elektroderna på pulsbandet ska fuktas och pulsbandet placeras alldeles nedanför sternum. 3. Placera blodtrycksmanschetten på fp och mät blodtrycket 4. Nolla spirometern enlig punkt 2 på statisk spirometri. 5. Ta vilovärden! Tryck på START. Fp ska andas så avslappnat som möjligt i munstycket, utan att det är anslutet till säcken. Registrera i 2 minuter, tryck sedan på STOPP. Notera vilovärden; puls, andningsfrekvens, tidalvolym, flöde, endtidalt CO Amanuens fyller säcken med 100 % syrgas och kopplar den till munstycket. Försökspersonen får nu utföra återandningen. Alla mätningar och frågor upprepas därefter varje minut. Symtom anges från 1-5, där 1 är minimalt och 5 maximalt. 7. Försöker pågår till att endtidalt CO 2 uppgår till ~ 8.0 % eller när fp avbryter. Munstycket kopplas då bort från säcken och fp får andas rumsluft. Försöket är avslutat när värdena återgått till det normala. Laboration Respiration 10 OSOF

11 Parametrar från datorn: Andningsfrekvens (min -1 ) Vila 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min 7 min 8 min Tidal volym (L) Flöde (L/sec) Endtidal CO 2 (%) Manuella mätvärden: Puls (slag/min) Blodtryck (mmhg) Symtom: Dyspné Huvudvärk Värmekänsla 8. Låt försökspersonen berätta om hur det kändes! 9. Hur och varför förändras parametrarna i protokollet när fp andas i säcken? Diskutera och ta hjälp av amanuens! Svara på följande frågor baserat på försöksresultat samt föreläsning och kurslitteratur. 10. Vilken gas i artärblodet, CO 2 eller O 2, reglerar normalt andningen hos friska? 11. Förklara respiratorisk acidos och alkalos. Vad sker i försöket? (Relatera till bikarbonatbuffer systemet) 12. Vilka receptorer är ansvariga för ventilationsförändringarna som sker i försöket? Var sitter de? Vad känner de av? Till vilken struktur går dessa efferenter? 13. Vilken effekt har ett ökat pco 2 i blodet på det autonoma nersystemet? Hur märks det vid försöket? Laboration Respiration 11 OSOF

12 Övrig information spirometri De lungvolymer som går att bestämma med statisk spirometri är tidalvolym, inspiratoriskoch expiratorisk reservvolym -vitalkapaciteten. För att mäta residualvolym och funktionell residualkapacitet används en gasblandning med helium. Helium diffunderar mycket långsamt och kommer ej att delta i gasutbytet. En känd gasvolym (V 0 ), med en känd heliumkoncentration (C 0 ) får ekvilibrera sig med lungluften efter en normal utandning. Mängden helium förutsätts vara konstant. Genom att mäta koncentrationen då jämvikt uppnåtts (C 1 ) kan FRC bestämmas (se fig. 4:7). V tot =V 0 +FRC V 0 x C 0 = V tot x C 1 V tot = (V 0 x C 0 )/C 1 Figur 4:7 FRC V 0 C 0 V 0 +FRC = (V 0 x C 0 )/C 1 FRC = (V 0 x C 0 )/C 1 V 0 C 1 C 1 Innan jämvikt Efter jämvikt Heliumutspädningsteknik. För att bestämma FRC och RV andas försökspersonen i ett slutet system. En gasblandning med den inerta gasen helium används. I en gasblandning kommer varje enskild gas att, oberoende av övriga gaser, utöva ett bestämt tryck. Varje enskilt gastryck är gasens partialtryck. Det totala trycket är summan av de ingående gasernas partialtryck. Varje gas bidrar till det totala trycket i direkt proportion till sin koncentration. Partialtryck för en gas i inandningsluften kan bestämmas genom att mäta lufttrycket (normalt kpa eller 760 mmhg) samt gasens koncentration. Till exempel är syrgaskoncentrationen i luften 21%. Partialtrycket för syre på havsnivå blir då 760 x 0.21 = 160mmHg. På hög höjd är andelen syrgas i luften fortfarande 21%, men eftersom det totala lufttrycket sjunker kommer PO 2 att vara lägre. Följden blir ett försämrat gasutbyte, som kroppen kompenserar med en ökad ventilation. Gas Utandningsluft Alveolarluft Inandningsluft Kväve (601) (565) 76.4 (573) Syre (158.8) (115) (100) Koldioxid 0.03 (0.23) 4.4 (33) 5.3 (40) Vattenånga (47) 6.27 (47) Totalt tryck (760) (760) (760) Tabell 4:1. Partialtryck för respirationsgaserna i kpa (mmhg). Under luftens passage genom näsa och luftvägar värms den till 37 o C. Detta får till följd att vattenånga evaporerar från luftvägarnas epitel till inandningsluften. Hur mycket vattenånga som luften kan bära beror på dess temperatur och tryck. Ökad temperatur leder till ökad rörelseenergi hos molekylerna och fler vattenmolekyler kan gå från vatten till luft. När Laboration Respiration 12 OSOF

13 inandningsluften når lungorna kommer den att vara saturerad med vattenånga och PH 2 O är 6.3 kpa. 6.3/101.3 = 0.06, dvs innehåller 6% vatten. Vid 20 o C kan luften bära 2.3% vatten, vilket ger oss ett PH 2 O på 2.3 kpa. Se tabell 4:2 för övriga temperaturer. Gasers volym varierar med tryck och temperatur, och volymen ökar vid ökad temperatur. När lungvolymerna mäts krävs en korrektion för temperaturdifferensen mellan lunga och mätapparat samt för skillnaden i innehåll av vattenånga. På det sättet erhålls ett standardiserat mått, som är oberoende av den aktuella rumstemperaturen. Det finns två begrepp att ta hänsyn till, ATPS och BTPS. ATPS=Ambient Temperature and Pressure Saturated with water vapor BTPS=Body Temperature and Pressure Saturated with water vapor Allmänna gaslagen: pv = nrt (där p=tryck, V=gasvolym, n=antal mol, R=gaskonstant, T=temperaturen i Kelvin) För en bestämd gasmängd är: (p x V)/T = konstant Lunga P 0 V 0 /T 0 Spirometer P 1 V 1 / T 1 P 0 = (torr gas) P 1 =101.3-PH 2 O vid rumstemp (rt) V 0 =lungvolym V 1 =uppmätt volym T 0 =273+37=310 K T 1 =273+rumstemp K Figur 4:8 BTPS ATPS När man andas in luft så värms den och fuktas och blir ca 10% större än vid rumstemp. Volymen i lungan är normalt större än den som mätapparaten registrerar, pga temperaturskillnad samt skillnad i innehåll av vattenånga. Värdet på uppmätt volym beräknas om med avseende på nämnda faktorer. V 0 (BTPS)=V 1 (ATPS) x ( ph 2 Orumstemp /( ) x310 /(273 + rumstemp) f V 0 (BTPS) = V 1 (ATPS) x f Volymen i BTPS (volymen i lungorna) kan beräknas enligt formeln ovan. Partialtrycket för vatten fås ur tabell. Vanligare och enklare är dock att hämta faktorn, f, ur tabell (se tabell 2). Datorn korrigerar för detta i denna laboration, men det är bra att känna till ovanstående resonemang. Laboration Respiration 13 OSOF

14 Omvandlingsfaktorn Omgivande gastemperatur ( o C) Partialtryck för vattenånga kpa* *ur Handbook of Chemistry and Physics (1952). Cleveland: Chemical Rubber Publishing Co. 34 th ed. s Värdena ovan är beräknade för ett lufttryck på mmhg. Värdet för faktorn varierar mycket lite med normala variationer i lufttrycket. Vid 22 o C är t ex faktorn , och för motsvarande tryck: 102.6, samt 100 mmhg. Det är därför inte nödvändigt att korrigera för små avvikelser från standardlufttrycket. Tabell 4:2. Vid omvandling av en gasvolym från rumstemperatur till förhållandena i lungan kan värdet för faktorn, f, tas ur tabell. F antar olika värden beroende på temperaturen i omgivningen samt partialtrycket för vattenånga. Olika gaser är olika lösliga i vätskor. Lösligheten är proportionell till koncentrationen i omgivande gasfas, varför den lösta andelen syre och koldioxid i artärblodet styrs av partialtrycket i alveolerna. Den fysikaliskt lösta syremängden i blodet är visserligen kvantitativt mycket liten (ca 3% av mängden O 2 som transporteras i blodet) men även hemoglobinets syremättnadsgrad är beroende av PO 2, vilket får funktionell betydelse framför allt då syre har ett lågt partialtryck, t ex på hög höjd (följd av att lufttrycket är lägre). Laboration Respiration 14 OSOF