CC BY
637
Функциональные методы исследования
Вентиляционно-перфузионное отношение
Ж.К. Науменко, А.В. Черняк, Г.В. Неклюдова, А.Г. Чучалин
В статье описаны соотношения вентиляции и перфузии в разных отделах легкого в норме и при патологии. Рассмотрены вопросы появления в легких участков с низким и высоким вентиляционно-перфузионным отношением (ВПО) при патологии. Обсуждаются понятия внутрилегочного шунта и физиологического "мертвого" пространства. Приведены формула расчета величины шунтового кровотока и уравнение Бора для оценки эффективности вентиляции. Указано, что появление внутрилегочного шунта и, следовательно, снижение ВПО приводят к гипоксемии, которая плохо корректируется кислородотерапией. В свою очередь, увеличение физиологического "мертвого" пространства и повышение ВПО приводят к гиперкапнии, что усугубляет клиническую картину заболевания.
Ключевые слова: вентиляционно-перфузионное отношение, внутрилегочный шунт, легочная вентиляция, гипоксемия.
Вентиляция и перфузия являются основными механизмами, которые обеспечивают выполнение главной функции легких - газообмена. Каждая альвеола имеет свои особенности вентиляции и кровотока, поэтому в разных участках легкого соотношение вентиляции и кровотока различается.
У здорового человека альвеолы нижних ба-зальных отделов вентилируются лучше, чем альвеолы верхушек легкого. Это связано, во-первых, с вертикальным градиентом плеврального давления (в базальных отделах легких плевральное давление выше, чем в верхушках), поэтому альвеолы верхушечных отделов имеют больший объем, чем альвеолы нижних отделов. Во-вторых, за счет работы диафрагмы изменение объема альвеол при вдохе больше в альвеолах базальных отделов в сравнении с альвеолами верхушек [1].
Жанна Константиновна Науменко - канд. мед. наук, ст. науч. сотр. лаборатории функциональных и ультразвуковых методов исследования ФГБУ "НИИ пульмонологии" ФМБА России, Москва.
Александр Владимирович Черняк - канд. мед. наук, зав. лабораторией функциональных и ультразвуковых методов исследования ФГБУ "НИИ пульмонологии" ФМБА России, Москва.
Галина Васильевна Неклюдова - докт. мед. наук, вед. науч. сотр. лаборатории функциональных и ультразвуковых методов исследования ФГБУ "НИИ пульмонологии" ФМБА России, Москва.
Александр Григорьевич Чучалин - докт. мед. наук, профессор, акад. РАН, зав. кафедрой госпитальной терапии педиатрического факультета ФГБОУ ВО "Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова" МЗ РФ, председатель правления Российского респираторного общества, Москва. Контактная информация: Науменко Жанна Константиновна, naumenko_janna@mail.ru
Таким образом, даже в норме имеется некоторая неравномерность вентиляции легких. При патологии органов дыхания степень неравномерности вентиляции разных альвеол возрастает. Это связано как с ухудшением проходимости бронхов, так и с изменением растяжимости легочной ткани, например, при воспалительных процессах в легких, пневмосклерозе, эмфиземе [1].
Для обеспечения эффективного газообмена помимо равномерной вентиляции легких необходимо хорошее кровоснабжение вентилируемых альвеол. В норме анатомическое строение сосудов легкого, распределение легочного кровотока, регулирующие и приспособительные механизмы контроля легочного кровообращения направлены на то, чтобы поддерживать адекватное соотношение вентиляции и перфузии, т.е. вентиляционно-перфузионное отношение (ВПО) [2].
В физиологических условиях существует небольшая неравномерность ВПО в легких из-за вертикального градиента распределения вентиляции и кровотока. Как указано выше, в ба-зальных отделах легких альвеолы вентилируются лучше, чем в верхушках, кроме того, под действием силы тяжести кровоток в верхушечных отделах меньше, чем в базальных. При этом разность альвеолярной вентиляции в верхних и нижних участках легких выражена в меньшей степени, чем разность перфузии, т.е. перфузия ограничена в большей степени, чем вентиляция [3]. Таким образом, в вертикальном положении ВПО (альвеолярная вентиляция/минутный объем крови ("Д^)) в верхних участках легких выше, чем в нижних (рис. 1).
Распределение перфузии
Перфузия на объем ((})
Р02, кПа
Распределение вентиляции
Вентиляция на объем (V )
Рис. 1. Распределение вентиляции/перфузии в легком. Под действием силы тяжести перфузия (0) и альвеолярная вентиляция ("А) увеличиваются сверху вниз. Перфузия и вентиляция представлены на единицу объема легкого на различной высоте легкого. С увеличением высоты перфузия варьирует больше, чем вентиляция, поэтому ""/0 уменьшается сверху вниз. Значения парциального давления кислорода (РО2) и углекислого газа (РСО2) представлены на примере трех альвеолярных участков [4].
Кровоток
Вентиляция
(б)
Рд02 100 мм рт. ст. РдС02 40 мм рт. ст.
Легочный ,капилляр
Рд02 40 мм рт. ст. РдС02 45 мм рт. ст.
(В)
Рд02150 мм рт. ст. РдС02 0 мм рт. ст.
1,0
Рис. 2. Влияние нарушений ВПО на значения парциального альвеолярного давления кислорода (РАО2) и углекислого газа (РАСО2) в функциональной единице легкого: а - нормальное ""/0: вентиляция соответствует перфузии; б - низкое ""/0: альвеола перфузируется, но не вентилируется (давления альвеолярных газов соответствуют давлениям этих газов в смешанной венозной крови); в - высокое "/0: альвеола вентилируется, но не перфузируется (давления альвеолярных газов соответствуют вдыхаемому воздуху) [3].
При патологии добавляются и другие факторы, которые увеличивают степень неравномерности распределения ВПО.
Если считать, что отношение минутной альвеолярной вентиляции (в покое примерно 4 л/мин) к минутному кровотоку по малому кругу кровообращения (в норме равному минутному объему сердца, т.е. примерно 5 л/мин), получаем, что среднее значение ВПО ("/0) в здоровых легких равно 0,8-1,0 [2]. Для эффективного газообмена необходимо, чтобы хорошо вентилируемые альвеолы хорошо перфузировались, а плохо
вентилируемые - в меньшей степени обеспечивались кровью.
При заболеваниях легких отношение может колебаться от 0 (альвеолы не вентилируются, но перфузируются) до бесконечности (альвеолы вентилируются, но не перфузируются) [3]. Таким образом, при патологии в легких возможно появление участков с низким (<1) или высоким (>1) ВПО (УА/0) (рис. 2).
В случае, когда альвеолы практически не вентилируются и, следовательно, притекающая в эту зону кровь не обогащается кислородом,
РуСО. 45 мм рт. ст.
РаС02 20 мм рт. ст. РаС02 45 мм рт. ст. ва02 40%
РаСО, 32,5 мм рт. ст.
Рис. 3. Альвеолярный шунт [1]. РаС02 - парциальное давление углекислого газа в артериальной крови, рус02 - парциальное давление углекислого газа в смешанной венозной крови, SaO2 - насыщение артериальной крови кислородом, SvO2 - насыщение смешанной венозной крови кислородом.
<За Сс02-Са02 Я Сс02-СУ02
СсО
о.
СаО.
Рис. 4. Расчет величины шунтового кровотока СаО2 - содержание О2 в артериальной крови, СсО2 - содержание О2 в крови легочных капилляров, ^О2 - содержание кислорода в смешанной венозной крови, Qt - общий легочный кровоток [3].
газообмен практически отсутствует, возникает альвеолярный шунт (функциональный шунт) (рис. 3) [1].
В этих участках легких ВПО практически равно 0 (истинный, или абсолютный, шунт). В результате происходит подмешивание венозной крови к артериальной крови, оттекающей от легких. В нормальных условиях величина венозной примеси составляет не более 5-6% от величины минутного кровотока и обусловлена наличием сосудистой системы, питающей бронхи. При патологии величина шунта может возрастать до 30%, что приводит к значительной артериальной гипоксемии [5]. Выделяют анатомический и физиологический (функциональный) внутри-легочный шунт. Физиологический шунт возникает в тех отделах легких, где нет вентиляции (ВПО приблизительно равно 0). Анатомический шунт - это сосуд, соединяющий артериальный и венозный концы сосудистого русла.
При некоторых заболеваниях могут возникать следующие варианты анатомических шунтов [1]:
1) прекапиллярный артерио-артериолярный шунт, который может открываться при наличии бронхоэктазов;
2) посткапиллярный вено-венозный шунт, который возникает при повышении прекапил-лярного давления в малом круге кровообращения, например при митральном пороке сердца, для снижения давления в малом круге кровообращения;
3) артериовенозный шунт, открывающийся при повышении прекапиллярного давления в малом круге кровообращения, например при формировании легочного сердца.
С клинической точки зрения гипоксемия, причиной которой является внутрилегочный шунт, плохо поддается кислородотерапии, т.е. при вдыхании 100% кислорода не происходит соответствующего повышения парциального давления кислорода и сатурации в артериальной крови [6]. Величину внутрилегочного шунта можно рассчитать по формуле, представленной на рис. 4.
Величину внутрилегочного шунта можно оценить ориентировочно, если в формуле заменить величины содержания кислорода в разных участках сосудистого русла на соответствующие величины насыщения крови кислородом ^О2), при этом допускают, что насыщение легочных капилляров кислородом ^сО2) равно 100%, насыщение смешанной венозной крови кислородом (SvО2) равно 70%, а насыщение артериальной крови кислородом ^аО2) определяют по пульсок-симетрии при дыхании гипероксической газовой смесью [1]. Если при дыхании 100% кислородом парциальное давление кислорода в артериальной крови (РаО2) остается ниже 100 мм рт. ст., то величина шунта превышает 30%. При быстром повышении шунтового кровотока более чем на 20% требуется проведение респираторной поддержки [6].
Иная ситуация складывается в случае недостатка перфузии при нормальной вентиляции альвеолы (повышение ВПО). В легких возникают участки, которые создают дополнительный объем так называемого физиологического "мертвого" пространства (рис. 5).
Увеличение "мертвого" пространства означает, что организм расходует энергию на вентиляцию "вхолостую", следовательно, возрастают энергетические затраты на дыхание [5]. Физиологическое "мертвое" пространство слагается из анатомического (дыхательные пути) и альвеолярного. Альвеолярное "мертвое" пространство - регионы легких с высоким ВПО (с "холо-
стой" вентиляцией). У здоровых людей почти всё функциональное "мертвое" пространство представлено анатомическим и примерно равно массе тела, выраженной в фунтах [5].
Для оценки эффективности вентиляции важна не сама величина физиологического "мертвого" пространства, а отношение Уп к дыхательному объему (Ут) [5]. Повышение Уп/Ут приводит к значительному увеличению энергетических затрат организма на дыхание. Для оценки отношения Уп/Ут используется уравнение Бора
Уп/Ут = (РаС02 - РеС02)/РаС02,
где РаС02 - парциальное давление углекислого газа в артериальной крови, РеС02 - давление углекислого газа в конечной порции выдыхаемого воздуха.
Следствием повышения ВПО (увеличения объема физиологического "мертвого" пространства) является гиперкапния, так как при многих заболеваниях легких невозможно достичь значительного увеличения минутной и альвеолярной вентиляции, что приводит к повышению РаСО2.
В клинической практике для выявления нарушений ВПО можно использовать метод кап-нографии, радиоизотопные методы, а также рассчитать отношение VD/VT и величину легочного шунта.
В заключение следует отметить, что оценка ВПО играет важную роль в клинической практике, позволяет лучше представить патофизиологические изменения, происходящие у каждого конкретного больного, что чрезвычайно важно при диагностике заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы и подборе адекватных методов лечения.
Список литературы
1. Стручков П.В., Виницкая Р.С, Лукевич И.А. Введение в функциональную диагностику внешнего дыхания. М.: Медицина; 1996. 71 с.
2. West J. State of the art: ventilation-perfusion relationships. The American Review of Respiratory Disease 1977 Nov;166(5):919-43.
3. Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы. Пер. с англ. Али-пова Н.Н., под ред. Генина А.М. М.: Мир; 1988. 200 с.
4. Камкин А.Г., Киселева И.С. Атлас по физиологии. Учебное пособие. М.: Гэотар-Медиа; 2012. 448 с.
6.
Функциональная диагностика в пульмонологии. Монография. Под ред. Айсанова З.Р., Черняка А.В. М.: АТМО; 2016. 184 с.
Авдеев С.Н. Острая вентиляционная дыхательная недостаточность. В кн.: Респираторная медицина. Руководство.
В 2-х т. Под ред. Чучалина А.Г. Т. II. М.: Гэотар-Медиа; 2007: 681-99.
7. Silbernagl S, Despopoulas A. Color atlas of physiology. 6th ed. Stuttgart, New York: Thieme; 1981. 441 p.
Ventilation/Perfusion Ratio
Zh.K. Naumenko, A.V. Chernyak, G.V. Neklyudova, and A.G. Chuchalin
The article describes the relation of ventilation and perfusion in different parts of lungs in healthy subjects and patients with different diseases. The authors discuss the appearance of lung areas with low and high ventilation/perfusion ratio in patients. The concepts of intrapulmonary shunt and physiological dead space are considered. Formula for calculating the value of shunt blood flow and Bohr equation for evaluating the efficacy of ventilation are given. Appearance of intrapulmonary shunt and a decrease in ventilation/perfusion ratio lead to hypoxemia, which is poorly corrected by oxygen therapy. In turn, an increase in physiological dead space and ventilation/perfusion ratio lead to hypercapnia, which aggravates clinical presentation of the disease.
Key words: ventilation/perfusion ratio, intrapulmonary shunt, pulmonary ventilation, hypoxemia.
АТМОСФЕРА
t fft iJ.v /> ft <■ / t*
НОВОСТИ КАРДИОЛОГИИ
г
Продолжается подписка на научно-практический журнал
"НЕРВНЫЫЕ БОЛЕЗНИ"
Журнал входит в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Журнал выходит 4 раза в год. Стоимость подписки на полгода по каталогу агентства "Роспечать" - 840 руб., на один номер - 420 руб.
Подписной индекс 81610.
Продолжается подписка на научно-практический журнал
"АтпосФЕРй. новости кардиологии"
Журнал выходит 4 раза в год. Стоимость подписки на полгода по каталогу агентства "Роспечать" - 760 руб., на один номер - 380 руб.
Подписной индекс 37211.
Подписку можно оформить в любом отделении связи России и СНГ. Редакционную подписку на любой журнал издательства "Атмосфера" можно оформить на сайте http://atm-press.ru или по телефону: (495) 730-63-51
Практическая пульмонология | 2018 | № 4
http://atm-press.ru
90
