Respiration Anatomi och fysiologi Röntgenstuderande Lunds universitet Berit Kärfve Ht 2013
Luftvägarnas anatomi översikt Övre luftvägar Näshåla Bihålor Svalg Nedre luftvägar Struphuvud Luftstrupen Lungor Bronker Bronkioler Alveoler Andningsmuskulatur musklerna Bild 12.1a Andningsorganens anatomi (Människokroppen, Sand 2006)
Bihålorna Käkhålan sinus maxillaris Pannhålan sinus frontalis Kilbenshålan sinus sphenoidalis Silbenscellerna sinus ethmoidalis
Nedre luftvägar Nedre luftvägar Struphuvud Skilja luftstrupe från matstrupe Skydd Ljudbildning Luftstrupen Lungor Bild 12.3a Struphuvudet och stämbanden (Människokroppen, Sand 2006) Bild 11.2A Struphuvudet larynx sett från vänster (Anatomi och fysiologi, Sonesson 2006)
Larynx bakifrån Larynx, struphuvudet Epiglottis, struplocket Tungbenet (Kannbrosket) Ringbrosket, Cartilago cricoidea Bisköldkörtlarna, paratyroidea Tyroidea, sköldkörteln Trachea, luftstrupen U-bågar av hyalint brosk sammanbundna av elastisk bindväv på dorsalsidan
Larynx ovanifrån: andning Respiration Stämbandsspringan (glottis) Äkta stämband Bild 12.3 Struphuvudet och stämbanden (Människokroppen, Sand 2006)
Larynx ovanifrån: ljudbildning Tungbas Epiglottis Falska stämband Äkta stämband Respiration Stämbandsspringan, glottis Fonation Ex: laryngoskopi undersöka stämbandens rörlighet muskeln som delar stämbanden, abducerar innerveras av nervus recurrens, en gren av n. vagus, n X Recurrenspares förlamning orsakad av skada på n. Recurrens. T ex efter halsoperation vid struma eller tumör)
Luftvägarna och halsens kärl Lendiam consenim aut iriure magnissed enissit Praessim iliquisl ipis dolorem et adit am Suscilit adionsequis Augait nos am ex ex exerat magnis nos alit 1. Tungbenet 2. A carotis interna dx 3. Cartilago thyroidea, sköldbrosk 4. Cartilago cricoidea, ringbrosk 5. Thyroidea, sköldkörtel 6. V jugularis externa 7. V brachiocephalica dx 8. Första revbenet, costa 9. V cava superior 10. A carotis externa sin 11. A carotis communis sin 12. V jugularis interna sin 13. Plexus brachialis 14. Apex pulmonis 15. A subclavia sin 16. V subcavia sin 17. Trachea
Nedre luftvägarna 1. Struphuvudet, larynx 2. Lobbronk 3. Sköldbrosket, cartilago thyroidea 4. Ringbrosket, cartilago cricoidea 5. Luftstrupen, trachea 6. Bifurkationen med carina, båtkölen 7. Höger och vänster huvudbronk (Observera de anatomiska olikheterna) 8. Tungbenet
Trakea och bronker Trakea och stora bronker U-formade brosk dorsalt ihopbundet med glatt muskulatur Omgivet av elastisk bindväv Insidan klädd med slemhinna med flimmerhårsförsedda celler och bägarceller, respiratoriskt epitel Bronkioler saknar brosk har glatt muskulatur respiratoriskt epitel med flimmerhår de stora Respiratoriska bronkioler enskiktat (kubiskt) epitel utan flimmerhår visst gasutbyte Bild 12.4 a) Luftstrupen, höger huvudbronk med bronker och respiratoriska bronkioler som mynnar i klasar med lungalveoler(människokroppen, Sand 2006)
Vad är tryck-partialtryck (deltryck)? Atmosfären är flera hundra km tjock och består av gaser Kvävgas (N 2 ) 78 %-syrgas (0 2 ) 21%- koldioxid 0,04 % C0 2 = 100 % Varje enskild gas utövar ett partialdeltryck som är N 2 = 78 kpa (kilopascal) + 0 2 = 21kPa + C0 2 =0,04 kpa = 101,3 kpa Det totala lufttrycket mäts oftast vid havsnivå och det finns fler enheter som använd ex mmhg som är vid havsnivå 760 mmhg= 101,3 kpa Atmosfärtrycket sjunker med stigande höjd. Vid inandning ökar volymen av luft -då sjunker trycket Vid utandning minskar volymen av luft -då ökar trycket Se sid 187
Nedre luftvägarna Lunga(or), pulmo(nes) Apex (pulmonis) lungspetsen uppåt Basis (pulmonis) lungans bas nedåt 3 st lober dx 2 st lober sin Lungporten, hilum pulmonis Ingång för huvudbronk och stora kärl Lungorna omges av lungsäcken pleura som består av ett visceralt inre blad och ett (parietalt) yttre blad. Negativt tryck Ppl är lägre (0,5 kpa) än alveolär trycket. Blir lägre efter inandning ökar till ca (0,78 kpa), Ex: Plerurit inflammation i lungsäcken Apex Lungporten Hilum pulmonis Pleura Basis
Luftvägslemhinna (respiratoriskt epitel) Luftvägsslemhinna schematiskt 1. Flimmerhår 2. Slembildande bägarcell 3. Flimmerhårsfösedd cell Luftvägslemhinna (respiratoriskt epitel) klär luftvägarna från övre luftvägar till bronker 1. Fukta inandningsluften 2. Värma inandningsluften 3. Skydda cilier som piskar slem och damm/skräp/bakterier från lungorna upp i svalget alt från näshålan ner i svalget deltar i infektionsförsvaret Bägarceller producerar slem Immunceller: B-celler producerar antikroppar som finns lösta i slemmet
Alveoler Bronkialträdets funktionella enhet här sker gasutbytet (syre och koldioxid) mellan luft och blod många små enheter för att diffusionsytan ska bli maximal 70-100 m 2 enskiktat plattepitel (typ 1-celler) Surfaktant-producerande celler (typ 2-celler) Minskar ytspänningen i alveolerna minskar trycket som krävs för att dra in luft i lungorna Bild 12.4 b) Alveoler omgivna av kapillärnät och elastiska fibrer c) Snitt genom alveol och kapillär (Människokroppen, Sand 2006)
Exempel: surfaktant Ca 6:e graviditetsmånaden (v 25-26) surfaktant börjar tillverkas i typ 2-cellerna För tidigt födda barn otillräcklig produktion av surfaktant högt motstånd i alveolerna måste jobba för att få in luft utmattning otillräcklig syresättning sammanfallna alveoler Åtgärd: tillföra surfaktant
Luftvägarnas fysiologi tre delar Ventilation: Transport av syre, O 2 från luften till alveolen Perfusion (genomblödning): transport av syre, O 2 från blod, via kapillärer till cell/vävnad Diffusion: Transport av syre, O 2 från alveolen till blodet merparten av syret binds till hemoglobinet i de röda blodkropparna/ erytrocyterna till viss del löser sig syret i blodet sk fysikaliskt löst O 2 : blod cell CO 2 : cell blod
Ventilation Ventilationen är transporten av luft, fram och tillbaka, mellan omgivande luft och lungornas alveoler, där utbytet av syre och koldioxid sker För att få in luft i lungorna: Sänka trycket i alveolerna s a luften sugs in Patm>Palv 101 kpa till 100 kpa eller (760 till 759 mmhg) För att få ut luft ur lungorna: Höja trycket i alveolerna s a luften drivs ut Patm < Palv bröstkorgen blir mindre, luftvolym minskar Zzrit am irillam dunt ipsummodio Duisl utet sequi tio con henim quat augueraessis Eum dolendre Commolorem zzrit lorem
Ventilation: andningsmekanik Pleura spänner ut lungorna yttre bladet fäster i diafragma inre bladet fäster i lungorna undertryck i pleurarummet hindrar lungorna från att kollapsa Inspiration inandning Muskler: I vila: Diafragma, mellangärdet Yttre interkostalmuskulatur Forcerad inandning Exspiration utandning Muskler: I vila: passiv process inga muskler behövs Forcerad utandning: inre intercostalmuskler bukmuskulaturen bukpress
Andningsmuskler Inandning Diafragma, mellangärdet Forcerad inandning Lyfter revbensbågarna Yttre interkostalmuskler Halsmuskulatur Forcerad utandning Bukmuskulaturen: Raka, yttre och inre sneda, tvärgående bukmuskler Inre interkostalmuskler Drar ner revbensbågarna I vila är utandning en passiv process Fig 23.14 a The inspiratory and expiratory muscles (Principles of anatomy and physiology, Tortora 2000)
Forcerad inandning Diafragma, mellangärdet Yttre interkostalmuskler Muskler mellan revbenen Snett nedåt, framåt Lyfter revbensbågarna M sternocleidomastoideus Lyfter bröstkorgen nickrörelser, vridning, sidböjning av huvudet Musculi scaleni lyfter 1:a och 2:a revbenet vrider halsen, böjer halsen i sidled Accessoriska andningsmuskler Fig 23.14 a The inspiratory and expiratory muscles (Principles of anatomy and physiology, Tortora 2000)
Forcerad utandning Inre interkostalmuskler Muskler mellan revbenen Snett nedåt, bakåt Drar ner revbensbågarna Bukmuskulaturen: Sneda bukmuskler för rörelser av bålen: m obliquus externus abdominis m obliquus internus abdominis rörelser av bålen samt bukpress : m rectus abdominis, raka bukmuskeln m transversus abdominis, tvärgående bukmuskeln Fig 23.14 a (Tortora 2000)
Diafragma avgränsar brösthålan nedåt Diafragma är den viktigaste andningsmuskeln N. phrenicus Nervus phrenicus Mellangärdesnerven Viktigaste andningsnerven Gren av 4:e halsspinalnerven (n. spinalis ) utgår från halsen Cervikalkota nivå 3-5) http://www.youtube.com/watch?v=hpgcvw8pry (Swift)
Diafragma Kupolformad muskel Öppningar för stora kärl och matstrupe genom diafragma: aorta (hiatus aorticus) matstrupen (hiatus esofagus) v cava (foramen vena cava) Bild 11.7 (Anatomi och fysiologi, Sonesson 2006)
Alveolär ventilation Anatomiska döda rummet, dead space Luftvägarna där det inte sker något gasutbyte 150 ml alt (2ml/kg kroppsvikt) Alveolär ventilation Den volym luft som på en minut når alveolerna (Tidalvolym dead space) * frekvens (500 150) *12 = 4 200 ml/min Bild 12. 11 Schematisk framställning av döda rummet (Människokroppen, Sand 2006)
Anatomiska döda rummet, dead space successiv förnyelse av inandningsluften luften från näsborre till bronk värmer fuktar renar Ex: Förändring av deadspace-volymen Tracheostomi: röret blir kortare, dead space minskar Snorkel: röret blir längre dead space ökar Bild 12. 11 Schematisk framställning av döda rummet (Människokroppen, Sand 2006)
Andningsminutvolym Tidalvolym I vila: ca 500 ml Andningsfrekvens Andetag/minut I vila: 12-16 andetag/min Andningsminutvolym, liter/minut Tidalvolym * frekvens Andningsminutvolym I vila: 0,5 l * 12 andetag/min = = 6 l/min alveolär ventilation = 4,2 l/min (-dead space) Vid ansträngning: 3 l * 40 andetag/min = 120 l Vid maximalt arbete kan andningsminutvolymen uppgå till 200 l/min, hjärt-lungfrisk ung individ
Hypo- och hyperventilation Hypoventilation För liten andning Små andetag för liten volym luft Kan t ex bero på Lungsjukdom Minskad aktivitet i respirationscentrum Förlamning av andningsmuskulatur Andningsfrekvensen kan vara hög eller låg Leder till respiratorisk acidos Hyperventilation För stor andning Stora andetag Kan t ex bero på Ångest Stimulering av andningscentrum Andningsfrekvensen kan vara hög eller låg Leder till respiratorisk alkalos
Ventilationens storlek: lungvolymerna Tidalvolym, TD Volymen av ett andetag I vila: ca 500 ml (7-9 ml/kg kroppsvikt) Inspiratorisk reservvolym, IRV Maximal inandning ca 3000 ml Exspiratorisk reservvolym, ERV Maximal utandning ca 1500 ml Restvolym= residualvolym Volymen luft som finns kvar i lungorna efter maximal utandning ca 1000 ml Vitalkapacitet, VC = inspiratorisk reservvolym + tidalvolym + 3 000 500 +1 500 exspiratorisk reservvolym = ca 5000 ml Totala lungkapaciteten, TLC Bild 12. 10 De olika lungvolymerna och vitalkapaciteten registrerade med spirometri (Människokroppen, Sand 2006)
Andningsarbete I vila åtgår normalt 1% av kroppens totala energiförbrukning Vid arbete: 10% av kroppens totala energiförbrukning Normal förbrukning ca 3% av kroppens totala energiförbrukning Arbetet krävs för att övervinna - Luftvägsmotståndet - Lungornas, lungsäckens, bröstkorgens samlade, elastiska krafter, som strävar efter att dra ihop lungan till lungroten lungcompliance
A. Motståndet i luftvägarna Samma krafter som verkar på blodflödet i kärlen verkar på luftflödet i luftvägarna Motståndet i ett luftrör beror på Rörets radie Rörets längd lösningens viskositet i detta fall luften Resistensen, motståndet i luftvägarna är litet normalt Räcker med små tryckskillnader för att få in och ut luften Ett rör med dubbelt så stor radie har 16 ggr så stort flöde: R = h l r 4 R = resistans, h = viskositet l = längd på röret, r = radie Viktigast är rörets diameter Turbulens, luftvirvlar påverkar i de bronker där flödeshastigheten är stor Störst motstånd i medelstora bronker Totala tvärsnittsarean ökar i de små bronkerna långsammare flöde, mindre motstånd
A. Reglera bronkernas radie Om radien minskar Luftmotståndet ökar Ventilationen minskar Parasympaticus, i vila Transmittorsubstans: acetylkolin Kolinerga receptorer Sammandragning av glatt muskulatur i bronkerna Bronkiolens diameter minskar Kolinerga läkemedel Om radien ökar Luftmotståndet minskar Ventilationen ökar Sympaticus, vid arbete Transmittorsubstans: Noradrenalin Adrenerga, β 2 -receptorer Avslappning av glatt muskulatur i bronkerna dilateras Adrenerga läkemedel, sympaticomimetica ex Ventoline Stimulerar β 2 -receptorer i glatt muskulatur i bronkerna Antikolinergika minskar parasympaticus Ex: atrovent vid astma, KOL
B. Lungornas elasticitet Lungorna är elastiska Elastiska bindvävsfibrer Strävar efter att dra ihop lungan Bröstkorg och pleura också elastiska Compliance Eng = eftergivlighet benämning på lungornas eftergivlighet elasticitet tänjbarhet Elastiska krafter drar ihop lungan Bröstkorgen spänner ut lungorna + undertryck i pleura Håller emot de elastiska krafterna Hindrar lungorna från att kollapsa P el, det elastiska återfjädringstrycket Mått på lungornas elasticitet
B. Ex: Lungornas elasticitet Compliance minskar P el, det elastiska återfjädringstrycket ökar lungorna dras samman svårare att andas in Compliance ökar P el, det elastiska återfjädringstrycket minskar lungorna blir sladdriga svårare att andas ut T ex om det bildas ärrvävnad i lungorna T ex om det bildas atelektaser, kollapsade alveoler T ex vid Emfysem
Risker vid ökat andningsarbete Dynamisk kompression vid forcerad utandning Tryck i pleura (kpa) och alveol, luftvägar som existerar i ett visst ögonblick vid forcerad utandning EPP = equal pressure point Brosk hindrar de större luftvägarna att falla samman
Respiration del 2: Perfusion Ventilation Perfusion Lendiam consenim aut iriure magnissed enissit Praessim iliquisl ipis dolorem et adit am Suscilit adionsequis Augait nos am ex ex exerat magnis nos alit Luftflödet högst basalt (mot diafragma i stående, mot madrassen i sidoläge) Blodflödet högst basalt (mot diafragma i stående, mot madrassen i sidoläge) Ty: hydrostatiska trycket är störst här
Ventilation / perfusion a. Normalt förhållande mellan ventilation och blodflöde Blodet gör sig av med tillräckligt med CO 2 och tar upp normal mängd O 2. Normal saturation, syremättnad: 98% b. Hypoventilation Sänkt saturation, syremättnad pga minskad ventilation i alveolen. Venöst blod blir ej syresatt shuntar förbi blodet t ex vid stopp pga slem i lungan
Diffusion: diffusionsvägen O 2 diffunderar från alveolen över till erytrocyternai blodbanan CO 2 diffunderar från kapillären till alveolen Viktigt att: tillräckligt lång tid blodet färdas långsamt i lilla kretsloppet (lägre blodtryck, stor tvärsnittsarea i kapillärnätet) diffusionsvägen blir så kort som möjligt: Tunt epitel i alveolen basalmembran minimalt interstitiellt rum surfaktant
Kapillärutbyte Vätskeflöde i kapillärerna i lilla kretsloppet Blodtrycket i lungkretsloppet är lägre än i systemkretsloppet (1/5) Det hydrostatiska trycket HT < kolloidosmotiska trycket KO + vävnadstrycket Vätska sugs in i blodbanan genom osmos för att undvika ödem, svullnad i lungvävnaden Ödem försvårar gasutbytet mellan kapillärerna och alveolerna (lungblåsorna) kapillär HT 10 KO 25 vävnadstryck 5 mmhg ISV interstitiella vätskerummet Enhet: mmhg kvicksilver
Om gastryck, P Partialtryck deltryck Det tryck som en gas i en gasblandning har Partialtryck i luft: N 2 (kväve) + ädelgaser: 79% O 2 : 21% Normalt lufttryck: 101,3 kpa (760 mm Hg) po 2 = 0,21*101,3 = 21,3 kpa Daltons lag: Totala gastrycket är summan av alla gastryck i en gasblandning Partialtrycket av CO 2 i luft är litet: pco 2 = 0,04 kpa
Blodets gastransport Syre löser sig dåligt i vatten Hemoglobinet, Hb, (hemgruppen) i de röda blodkropparna binder nästan allt O 2 i blodet Koldioxid löser sig bättre i vatten än syre Hemoglobin (proteindelen) transporterar CO 2 Den största delen CO 2 transporteras i blodet som vätekarbonat, HCO 3 Enzymet karbanhydras i erytrocyterna katalyserar reaktionen
Respiration del 4: Andningsreglering Inspiratoriska nervceller, pacemakerceller i respirationscentrum i förlängda märgen, medulla oblongata exspiratoriska nervceller i respirationscentrum aktiveras vid forcerad utandning då det krävs aktivering av extra andningsmuskulatur
Andningsdrive Vad sätter igång andningen? Normal andningsreglering: När partialtrycket av CO 2 går upp Vad sätter igång andningen? Kronisk andningsinsufficiens: När partialtrycket av O 2 går ned Hyperkapnisk andningsdrive Hypoxisk andningsdrive kemoreceptorerna för pco 2 adapterar till den höga CO 2 - halten i blodet
Andningsreglering Afferent, sensorisk info till hjärnan Input: Centrala kemoreceptorer Glomus caroticum - kemoreceptorer a carotis communis delningsställe n glossopharyngeus, IX till andningscentrum Aortabågen - kemoreceptorer n vagus, X Utandning: Sträckreceptorer Aktiveras vid stor lungfyllnad N vagus, X A carotis communis Efferent, motorisk signal till andningsmuskulatren Output Inandning: n phrenicus
Reglering av andning och cirkulation (1) centra för cirkulation och respiration i medulla oblongata, förlängda märgen kommunicerar med hypothalamus som styr många basala livsprocesser Repetition, hypothalamus: Homeostas Hunger, mättnad, törst Dygnsrytm Lust, olust 3 reflexer för automatisk styrning av blodtryck och respiration: 1. Negativ feedback för reglering av blodtryck Baroreceptorer i sinus caroticus, sensoriskt organ vid a. carotis communis delningsställe (interna) Afferent signal via n glossopharyngeus (IX) Baroreceptorer i aortabågen Afferent signal via n vagus (X) Automatisk korrigering av BT via symaptiska (och parasympatiska n vagus (X)) nerver
Reglering av andning och cirkulation (2) 2. Perifera kemoreflexer Hypoxisk reflex Vid sänkt O 2 - koncentration Hyperkapnisk reflex Vid höjd CO 2 - koncentration Reflex vid acidos Vid höjd H + - koncentration, dvs surt ph/ lågt ph Leder till reglering av respirationen: ökar lungornas genomblödning och gasutbyte normaliserar CO 2 - koncentration Leder till höjt blodtryck Kemoreceptorer i glomus caroticum, sensoriskt organ i a. carotis communis delningsställe (externa) Afferent signal via n glossopharyngeus (IX) Kemoreceptorer i aortabågen Afferent signal via n vagus (X) Automatisk korrigering av andning och blodtryck via symaptiska (och parasympatiska n vagus (X)) nerver
Reglering av andning och cirkulation (3) 3. Centrala kemoreflexer Hyperkapnisk reflex Vid höjd CO 2 - koncentration Receptorer mäter höjd H + -koncentration i likvor vilket speglar CO 2 -konc i artärblodet Leder till reglering av respirationen Ökar hjärtats minutvolym och ökar blodtryck Kemoreceptorer i medulla oblongata Automatisk korrigering av andning och blodtryck via symaptiska (och parasympatiska n vagus (X)) nerver
Andningsmätning: spirometri Spirometri, lungfunktionsundersökning utförs med spirometeri patienten andas in och blåser ut genom ett munstycke kopplat till en apparat som mäter andningens volym och hastighet Utförs vid lungsjukdom Bedömning sker m h a tabeller för normalvärden baserade på ålder kön längd Detalj ur figur 6.3 Spirometri (Fysiologi med relevant anatomi, Rasmusson 2007)