[Sinh Lí Guyton số 40] Nguyên tắc của sự trao đổi khí; Khuếch tán của O2 và CO2 thông qua màng hô hấp

Sau khi các phế nang (alveoli) được thông khí phổi, bước tiếp theo của quá trình hô hấp là sự trao đổi(khuếch tán) khí O2 từ phế nang vào trong máu phổi và sự khuếch tán khí CO2 theo hướng ngước lại là đi từ máu tới các phế nang. Quá trình khuếch tán chỉ đơn giản là sự khuếch tán qua lại 1 cách ngẫu nhiên giữa các phân tử khí khi qua màng hô hấp và dịch liền kề. Tuy nhiên trong sinh lý hô hấp ta không những quan tâm tới cơ chế cơ bản của sự khuếch tán mà còn là tốc độ nó xảy ra, đòi hỏi cần sự hiểu biết rất nhiều về vật lý của sự khuếch tán trao đổi khí.

Vật lý của sự khuếch tán khí và phân áp khí.

Cơ sở phân tử của khuếch tán khí.

Tất cả các khí tập trung trong sinh lý học hô hấp là các phân tử có sự chuyển động tự do qua lại trong quá trình khuếch tán. Điều này cũng đúng với chất khí hoà tan trong chất lỏng và mô trong cơ thể. Trong quá trình khuếch tán cần phải được cung cấp năng lượng, nguồn năng lượng này được cung cấp bởi sự chuyển động động học các phân tử(chú ý khi ở nhiệt độ không tuyệt đối sự chuyển động của các phân tử sẽ không còn). Đối với 1 số phân tử mà không có sự gắn bó với các phận tử khác nghĩa là có sự chuyển động tuyến tính tốc độ cao thì chúng sẽ tấn công các phân tử khác, sau đó chúng nảy đến các vị trí khác và tiếp tục di chuyển và lại tiếp tục tới tấn công các phân tử khác như vậy nữa. Bằng cách này mà các phân tử chuyển động 1 cách nhanh chóng và ngẫu nhiên! ( bạn hãy tưởng tượng tới sự chuyển động của các quả bi-a trên bàn bi-a 😀 ) Khuếch tán thực của dòng khí trong chuyển động 1 chiều—kết quả của Gradient nồng độ. Nếu có 1 buồng khí hay 1 dung dịch có nồng độ cao của 1 chất khí đặc biệt tại 1 đầu của 1 buồng và nồng độ thấp tại 1 đầu kết thúc như thể hiện trong Figure 40-1 (hình 40-1) thì sự khuếch tán thực của chất khí là đi từ vùng có nồng độ tới vùng có nồng độ thấp. Lý do rõ ràng các phân tử ở đầu A của buồng và ngược lại. Do đó tốc độ khuếch tán của 1 trong 2 hướng là có sự cân đối khác nhau được biểu hiện bằng hình mũi tên trong hình.

Áp lực của 1 chất khí trong hỗn hợp các chất khí-―Áp xuất riêng phần‖của từng chất khí:

Áp suất được gây ra bởi nhiều tác động của các phân tử chuyển động chống lại một bề mặt, do đó, áp lực của một chất khí tác động lên bề mặt của đường hô hấp và các phế nang cũng tỷ lệ thuận với lực tác động mà tất cả các phân tử khí ở bề mặt ngoài. Điều này có nghĩa rằng áp lực là tỷ lệ thuận với nồng độ chất khí!

Trong sinh lý hô hấp với các chất khí của sự hô hấp như O2 , CO2 và N2 thì tỷ lệ khuếch tán của mỗi của các loại khí là tỷ lệ thuận áp lực gây ra bởi khí đó một mình, mà được gọi là áp suất riêng phần của khí(phân áp). Khái niệm về áp suất riêng phần có thể được giải thích như sau:

Trong không khí khi ta coi có 79% là N2 và 21% là O2 ,với áp xuất của không khí là 760mmHg mà lại có áp lực mà mỗi loại khí góp phần vào việc tổng áp lực tỷ lệ thuận với nồng độ của nó nên 79% của 760mmHg được tạo bởi N2 (600mmHg) và 21% của 760mmHg được tạo bởi O2(160mmHg).Như vậy áp xuất riêng phần của từng chất khí là áp xuất riêng rẽ của các khí trong hỗn hợp khí được tạo bởi tổng của PO2,PN2,PCO2, và các chất khí khác.

Áp lực của khí hoà tan trong nước và mô:

Khí hoà tan trong nước hoặc mô trong cơ thể cũng gây áp lực và các phân tử khí hòa tan được di chuyển ngẫu nhiên và có động năng. Hơn nữa, khi các khí hòa tan trong chất lỏng gặp một mặt như màng của một tế bào, nó cũng tác động áp xuất riêng phần của mình lên mặt đó.Những áp lực một phần các khí hoà tan riêng biệt được tạo giống như những áp lực riêng phần trong không khí- Nó gồm PO2, PCO2, PN2 và các chất khí khác

Những yếu tố quyết định áp suất riêng phần của một khí hoà tan trong 1 chất lỏng:

Áp xuất riêng phần của 1 chất khí cũng như trong dung dịch đươc xác định không chỉ bởi nồng độ của nó mà còn được xác định bởi hệ số hoà tan của chất khí đó(solubility coefcient), đặc biệt là CO2 ,được các phân tử nước hút lại trong khi các loại phân tử khác thì bị đẩy lùi nên phân tử đó tan ra và sẽ không tạo nhiều áp xuất trong dung dịch và ngược lại các phân tử khác bị nước đẩy ra và sẽ tạo nhiều áp xuất trong dung dịch. Mối quan hệ này được thể hiện bằng quy luật Henry:

Với Partial pressure : áp xuất riêng phần Concentration of dissolved gas :

nồng độ chất khí Solubility coefficient :

hệ số hoà tan Chú ý áp xuất riêng phần được tính bằng áp xuất khí quyển(atm)

Ta có hệ số hoà tan của 1 số chất:

Từ bảng trên ta thấy CO2 có hệ số hoà tan gấp khoảng 20 lần O2, do đó áp suất riêng phần của CO2 (đối với một nồng độ nhất định) là ít hơn 1/20 lần so với O2.

Sự khuếch tán của các khí giữa các pha khí trong phế nang và các giai đoạn hoà tan trong máu phổi:

Áp xuất riêng phần của mỗi khí trong phế nang có xu hướng ép các phân tử khí đó vào máu mao mạch của phế nang và ngược lại áp xuất riêng phần của mỗi khí trong máu mao mạch của phế nang có xu hướng đẩy các phân tử này vào trong phế nang. Nên tỷ lệ các phân tử khí được khuếch tán tỷ lệ thuận với áp xuất riêng phần mỗi khí.

Nhưng sự chuyển động 1 chiều của khuếch tán thực của các phân tử khí có xảy ra? Để giải thích điều này, đó là sự khác nhau giữa 2 áp xuất riêng phần, ví dụ ở phế nang có áp xuất riêng phần O2 lớn hơn áp xuất riêng phần của O2 trong mao mạch máu của phế nang nên O2 sẽ đi từ phế nang sang mao mạch và ngược lại đối với CO2

Sự khác biệt về áp lực-nguyên nhân gây nên khuếch tán thực của các chất khí

Từ những thảo luận trên, ta thấy sự khuếch tán thực của các chất khí là khi các chất khí đi từ vùng có áp lực cao tới vùng có áp lực thấp. Ta nhìn lại Figure 40-1, ta có thể thấy dễ dàng các phân tử ở vùng khí có áp lực cao bởi vì chúng có số lượng lớn, các phân tử này có cơ hội lớn về sự di chuyển ngẫu nhiên tới vùng có áp lực thấp hơn so với vùng có áp lực thấp hơn chuyển động về vùng có áp lực cao hơn do vùng có áp lực cao có mật độ các phân tử khí dày đặc nên các phân tử tại nơi có mật độ thấp di chuyển khó khăn hơn đến vùng này.Tuy nhiên, một số phân tử chuyển động một cách ngẫu nhiên từ khu vực áp lực thấp đối với các khu vực áp lực cao.

Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ khuếch tán trong chất lỏng:

Ngoài sự khác biệt áp suất, một số yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán khí trong chất lỏng.Chúng là (1) độ tan của khí trong chất lỏng, (2) diện tích mặt cắt ngang của chất lỏng (3) khoảng cách mà qua đó khí phải khuếch tán, (4) trọng lượng phân tử của khí, và ( 5) nhiệt độ của chất lỏng. Trong cơ thể, người cuối cùng của những yếu tố này, nhiệt độ, vẫn là hợp lý liên tục và thường không cần phải được xem xét. Ta có phương trình tính tốc độ khuếch tán chất khí như sau :

Rõ ràng từ công thức này mà các đặc điểm của khí tự xác định hai yếu tố của công thức: độ tan và trọng lượng phân tử. Cùng với nhau, hai yếu tố này xác định hệ số khuếch tán của khí, đó là tỷ lệ thuận với S/√MW và tỷ lệ này tỷ lệ thuận với S và tỷ lệ nghịch với √MW. Nếu quy ước hệ số khuếch tán của O2 là 1 thì ta có hệ số khuếch tán các chất khí ở bảng sau:

Sự khuếch tán các chất khí ở các mô:

Các chất khí có tầm quan trọng về đường hô hấp đều cao hòa tan trong chất béo, và kết quả là hòa tan cao trong tế bào màng nhưng các chất khí lại khuếch tán ở các mô hết sức khó khăn. Do đó, sự khuếch tán của khí qua các các mô, kể cả thông qua màng hô hấp, là gần như tương đương với sự khuếch tán của các chất khí trong nước.

Thành phần của các khí phế nang và khí quyển là khác nhau:

Không khí phế nang không có cùng nồng độ của khí như không khí trong khí quyển(Table 40-1_Bảng 40-1). Chúng có sự khác biệt rõ rệt: Đầu tiên, không khí phế nang là chỉ thay thế một phần bởi không khí trong khí quyển với mỗi hơi thở. Thứ hai, O2 là liên tục được hấp thu vào máu phổi từ không khí phế nang. Thứ ba, CO2 là liên tục khuếch tán từ máu phổi vào phế nang. Thứ tư, không khí trong khí quyển khô xâm nhập vào đường hô hấp đoạn được làm ẩm ngay cả trước khi nó đạt đến các phế nang.

Sự làm ẩm của không khí trong đường hô hấp:

Table 40-1 đã cho thấy được khí quyển gần như là có N2 và O2 nó thường chứa hầu như không có CO2 và hơi nước nhỏ. Tuy nhiên, ngay sau như không khí trong khí quyển đi vào đường hô hấp, nó được tiếp xúc với các chất lỏng bao phủ bề mặt hô hấp. Ngay cả trước khi không khí đi vào các phế nang, nó trở nên gần hoàn toàn ẩm. Áp suất riêng phần của hơi nước ở bình thường nhiệt độ cơ thể của 37 ° C là 47 mm Hg, mà do đó là áp suất riêng phần của hơi nước trong các phế nang không khí. Bởi vì áp suất trong các phế nang không thể tănghơn áp suất khí quyển (760mm Hg). hơi nước này chỉ đơn giản là làm loãng tất cả các khí khác trong không khí hít vào.Ta có Table 40-1

Khí phế nang đang từ từ đổi mới nhờ khí không khí trong khí quyển:

Ở chapter 38, chúng ta có FRC ( dung tích cặn chức năng) của nam giới có giá trị trung bình là 2.3l. Tuy nhiên chỉ có 350ml khí mới được đưa vào các phế nang khi hít vào bình thường nên cũng có 350ml khí phế nang được đi ra ngoài khi ta thở ra.

Nên thể tích khí phế nang được thay thế với khí của khí quyển ở mỗi hơi thở chỉ bằng 1/7 so với FRC.
Figure 40-2 cho thấy sự chậm đổi mới của khí phế nang, và sau 16 lần thở (breaths) thì khí dư thừa vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn từ các phế nang.

Figure 40-3 cho thấy tốc độ khí phế nang được loại bỏ, cho thấy 1 nửa lượng khí được loại bỏ trong 17s đầu tiên với thông khí phổi ở người bình thường, khi tốc độ thông khí phổi ở người mà bằng ½ so với người bình thường thì phải mất 34s để loại bỏ được ½ lượng khí phế nang, khi tốc độ thông khí phổi ở người mà bằng 2 lần so với người bình thường thì mất 8s.

Tầm quan trọng của việc thay thế chậm khí phế nang:

Sự thay đổi chậm khí phế nang có tầm quan trọng để ngăn ngừa sự thay đổi đột ngột của nồng độ các khí trong máu và cũng giúp cho sự hô hấp ổn định hơn, ngăn ngừa sự tăng hay giảm quá mức của khí oxi ở các mô, nồng độ CO2 ở mô, pH ở mô khi hô hấp bị gián đoạn.

Nồng độ O2 và áp xuất riêng phần ở các phế nang:

O2 liên tục được hấp thu từ các phế nang vào máu phổi thông qua quá trình hít vào. Vì thế nồng độ khí O2 cũng như áp xuất riêng phần của nó được phụ thuộc bởi:
(1) tốc độ hấp thu O2 vào máu (2) tỷ lệ thâm nhập của khí O2 mới vào phổi bởi quá trình thông khí

Figure 40-4 cho thấy tác dụng của thông khí ở phổi và tỷ lệ hấp thụ O2 vào máu phế nang và áp xuất riêng phần của O2 tại phế nang(PO2). Với 1 đường cong đại diện cho sự hấp thu O2 với tốc độ 250ml O2/phút (đường nét liền) và 1000ml O2/phút (đường nét đứt). Khi thông khí bình thường với tỷ lệ 4.2l/phút và với tỷ lệ O2 hấp thu với tốc độ 250ml/phút thì điểm A là điểm hoạt động bình thường với PO2 tại điểm A là 104mmHg nhưng khi tốc độ hấp thu O2 là 1000ml O2/phút thì cần tăng tỷ lệ thông khí ở phổi lên 4 lần mới duy trì được PO2 về bình thường. Khi 1 người hít thở trong khí quyển bình thường ở áp xuất mực nước biển thì PO2 không bao giờ quá được 149mmHg.

Nồng độ CO2 và áp xuất riêng phần tại các phế nang:

CO2 liên tục được hình thành trong cơ thể và sau đó vào máu tĩnh mạch và được đưa tới các phế nang, và sau đó nó tiếp tục được đẩy ra ngoài phế nang thông qua hô hấp.

Figure 40-5 cho thấy mối quan hệ tác động áp xuất riêng phần tại phế nang(alveolar partial pressure) của CO2(PO2) và thông khí ở phổi(Alveolar ventilation) của CO2 với 2 tốc độ bài tiết CO2 là 200ml CO2/phút và 800ml CO2/phút . Từ hình vẽ trên ta thấy tại điểm A điểm mà hoạt động hô hấp bình thường thì với tốc độ bài tiết CO2 là 200ml CO2/phút thì tỷ lệ thông khí phooti là 4.2l và PCO2 = 40mmHg.
Trong Figure 40-5 ta rút ra được 2 điều:
+Thứ nhất: PCO2 tại các phế nang sẽ tăng trực tiếp cân xứng với tốc độ CO2 bài tiết
+Thứ hai:Lượng CO2 ở phế nang sẽ tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thông khí ở phổi tức là khi thông khí phổi tăng CO2 sẽ ra ngoài nhiều và lúc này CO2 phế nang sẽ có ít.

Khí thở ra là 1 hỗn hợp gồm không gian chết và khí phế nang:

Không gian chết : là khối lượng của không khí được hít vào mà không tham gia vào việc trao đổi khí. Các thành phần trong khí thở ra được xác định bởi:
(1) thể tích khí của không gian chết
(2) thể tích khí được trao đổi ở các phế nang

Figure 40-6 cho thấy quá trình thay đổi áp xuất riêng phần của CO2 và O2 trong quá trình thở ra bình thường.Đầu tiên, trong không khí này là không gian chết, đây là 1 khí ẩm điển hình. Sau đó dần dần không khí phế nang trộn với khí trong không gian chết, và lúc này khí thở ra là các khí phế nang.
Vì vậy khí thở ra bình thường bao gồm khí phế nang và khí của không gian chết, và lúc này nồng độ khí và áp xuất riêng phần mỗi khí được thể hiện ở Table 40-1.

Sự khuếch tán của khí qua màng hô hấp:

Trước hết ta hãy tìm hiểu cấu tạo của đơn vị hô hấp( hay còn gọi là tiểu thùy), nó là 1 nhành nhỏ của phế quản xung quanh nó có các phế nang bao quanh. Có khoảng 300 triệu phế nang trong 2 phổi, mỗi phế nang có đường kính trung bình là khoảng 0.2mm, màng phế nang rất mỏng. Xung quanh màng phế nang có các đám rối mao mạch ở phế nang bao quanh dày đặc nên các khí phế nang là ở rất gần với máu của các mao mạch phổi. Xem Figure 40-7 và Figure 40-8 để hiểu rõ hơn.

Màng hô hấp:Theo dõi hình Figure 40-9 ta thấy cấu trúc của màng hô hấp được vẽ ở phần trên bên trái của thế bào màu đỏ hay hồng cầu(red blood cell). Màng hô hấp gồm có 6 lớp:
+Lớp thứ 1: Là lớp chất hoạt diện(surfactant), lớp này lót ở mặt trong các phế nang có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt phế nang.
+Lớp thứ 2: Là lớp tế bào biểu mô phế nang, nó là 1 lớp mỏng.
+Lớp thứ 3: Là lớp màng nền của tế bào biểu mô.
+Lớp thứ 4: Một khoảng kẽ mỏng giữa biểu mô phế nang và màng mao mạch.
+Lớp thứ 5: Lớp màng nền của mao mạch, trong màng này có nhiều chỗ mà hòa lẫn vào màng nền của mao mạch.
+Lớp thứ 6: Lớp nội mô của màng mao mạch.
Mặc dù có 6 lớp nhưng độ dày của màng hô hấp lại mỏng từ 0.2µm tới 0.6µm. Đối với người nam trưởng thành thì tổng diện tích của màng hô hấp khoảng 70m2. Tổng lượng máu có trong mao mạch phổi dạo động từ 60ml tới 140ml, ta thấy với 1 lượng nhỏ thể tích máu mao mạch mà tại mao mạch lại có tổng diện tích lớn nên thế sẽ rất dễ dàng cho sự trao đổi khí CO2 và O2

Đường kính mao mạch phổi ở đây là 5µm mà đường kính hồng cầu trưởng thành trung bình là 7.2µm nên muốn có sự trao đổi khí thì hồng cầu phải chui qua mao mạch nhưng do màng hồng cầu dễ thay đổi nên dễ dàng chui qua và như vậy màng hồng cầu áp sát vào màng mao mạch. Nên thế CO2 và O2 được khuếch tán qua lại từ phế nang với hồng cầu và làm tăng nhanh quá trình hô hấp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán khí qua màng hô hấp:

Các yếu tố quyết định sự khuếch tán khí nhanh qua màng là:
+Thứ 1: Độ dày của màng.
+Thứ 2: Diện tích bề mặt của màng.
+Thứ 3: Hệ số khuếch tán của khí trong chất của màng.
+Thứ 4: Sự chênh lệch áp xuất riêng phần của khí giữa 2 bên màng.
*Độ dày của màng hô hấp thỉnh thoảng tăng trong các trường hợp: Phù nề của khoảng kẽ của màng hô hấp hay chính ngay trong phế nang, ngoài ra còn một số bệnh phổi gây xơ hóa phổi, có thể làm tăng độ dày của một số phần của màng tế bào đường hô hấp. Vì khuếch tán qua màng là tỷ lệ nghịch với bề dày màng hô hấp, bất kỳ 1 yếu tố nào làm tăng bề dày của màng lên 2 hay 3 lần làm cho trở ngại sự hô hấp.
*Diện tích của màng hô hấp có thể giảm gặp trong các trường hợp như:Cắt thùy phổi, ngoài ra trong khí thũng nhiều phế nang hợp lại làm mất vách phế nang dẫn tới giảm diện tích phổi có khi còn có thể làm giảm diện tích tới 5 lần. Khi tổng diện tích bề mặt phổi giảm chỉ còn bằng 1/3 hay 1/4 so với bình thường thì về cơ bản sự hô hấp đã bị ngăn cản.
*Hệ số khuếch tán khí phụ thuộc vào khả năng hòa tan của khí trong màng tế bào, và hệ số này tỷ lệ nghich với √trọng lượng phân tử. Tỷ lệ khuếch tán khí trong màng hô hấp là gần như chính xác tương tự như trong nước. Như vậy tỷ lệ khuếch tán của CO2 nhanh gấp 20 lần O2 và O2 nhanh gấp 2 lần với N2.
*Sự khác biệt áp suất qua màng hô hấp là sự khác biệt giữa áp suất riêng phần của khí trong phế nang và áp suất riêng phần của khí trong máu mao mạch phổi. Đối với O2, áp xuất riêng phần tại phế nang cao hơn là áp xuất riêng phần của khí đó trong máu mao mạch phổi nên khuếch tán thực sẽ đi từ phế nang sang mao mạch phổi với CO2 thì ngược lại.

Công xuất khuếch tán của màng hô hấp:

Công xuất khuếch tán của màng hô hấp là số ml khí qua màng trong 1 phút dưới tác dụng chênh lệch áp xuất riêng phần 1mmHg.

Công xuất khuếch tán của O2:

Đối với 1 người nam trưởng thành thì công suất khuếch tán của O2 trung bình lúc nghỉ khoảng 21ml/1phút/1mmHg.Mà khi ta hô hấp bình thường thì sự chênh lệch áp xuất riêng phần của O2 ở 2 bên màng hô hấp là 11mmHg từ đó ta được trong 1 phút vân chuyển khoảng 11*21≈230ml O2 trong 1 phút.

Tăng công xuất khuếch tán O2 trong quá trình tập thể dục:

Trong thời gian luyện tập thể thao hoặc các điều kiện khác mà rất nhiều tăng lưu lượng máu phổi và thông khí ở phổi, và công xuất khuếch tán của O2 đối với người nam trưởng thành vào khoảng 65ml/1phút/1mmHg tức là gấp 3 lần so với lúc nghỉ. Điều này tăng do 1 số yếu tố như:
+ mở ra nhiều mao mạch phổi trước đó không hoạt động hoặc giãn nở thêm của các mao mạch đã được mở, do đó làm tăng diện tích bề mặt của máu mà O2 có thể tràn vào.
+ mối liên hệ giữa độ thông thoáng (tỉ lệ khí) của phế nang và nồng độ của máu trong mao mạch phế nang được gọi là tỉ lệ không khí/máu.

Công xuất khuếch tán của CO2:

Công xuất khuếch tán của CO2 không bao giờ đo được bởi về CO2 khuếch tán qua màng hô hấp rất nhanh và các PCO2 trung bình trong máu phổi là không khác xa với PCO2 trong các phế nang, sự khác biệt trung bình này cũng không hơn được 1mmHg nên thế đo công xuất khuếch tán của CO2 rất khó khăn, tuy nhiên thông qua phép đo của sự khuếch tán các khí khác đã chỉ ra rằng khả năng khuếch tán thay đổi trực tiếp với các hệ số khuếch tán của khí.
Thông qua O2 lại có hệ số khuếch tán của CO2 gấp khoảng 20 lần so với O2 nên công xuất khuếch tán của CO2 lúc nghỉ là khoảng 400ml/1phút/1mmHg tới 450ml/1phút/1mmHg, còn lúc hoạt động là khoảng 1200ml/1phút/1mmHg tới 1300ml/1phút/1mmHg.
Figure 40-10 cho thấy so sánh công xuất khuếch tán của CO2,O2 và CO lúc nghỉ và lúc hoạt động.

Đo công xuất khuếch tán –Phương pháp Cacbon Monoxide

Khả năng khuếch tán O2 có thể được tính toán từ các phép đo của:
(1) PO2 phế nang
(2) PO2 trong máu phổi mao mạch
(3) tỷ lệ hấp thụ O2 bằng máu
Tuy nhiên, việc đo PO2 trong máu mao mạch phổi là rất khó khăn và không chính xác, nên thế đo công xuất khuếch tán của O2 là thông qua CO. Sau đó từ công xuất khuếch tán của CO ta ra được công xuất khuếch tán của O2 bằng cách nhân với 1.23 vì hệ số khuếch tán của O2 gấp 1.23 lần so với CO.
Công xuất khuếch tán trung bình của CO là khoảng 17ml/1phút/1mmHg nên của O2 là khoảng 21ml/1phút/1mmHg.

Ảnh hưởng của tỷ lệ thông khí-thông máu phổi(Ventilation-Perfusion) trong nồng độ khí phế nang:

Chúng ta được biết hai yếu tố xác định PO2 và PCO2 trong các phế nang là:

(1) tỷ lệ thông khí của phổi. (2) tỷ lệ vận chuyển CO2 và O2 thông qua màng hô hấp.
Nếu ta coi tất cả các phế nang được thông khí và máu qua các mao mạch phế nang là như nhau.Tuy nhiên, ngay cả bình thường với một mức độ nào, và đặc biệt là trong nhiều bệnh phổi: 1 số vùng của phổi có sự lưu thông khí nhưng không có sự lưu thông máu và ngược lại 1 số vùng có sự lưu thông máu mà lại không có sự lưu thông khí. Chỉ cần 1 trong các điều kiện đó, trao đổi khí qua màng hô hấp khó khăn nghiêm trọng và người đó có thể suy hô hấp nặng mặc dù cả hai phổi có sự thông gió bình thường hay có sự trao đổi máu mà không có trao đổi khí.
Do đó, một khái niệm rất định lượng khi có sự mất cân bằng giữa thông khí ở phổi và lưu lượng máu phế nang. Khái niệm này được gọi là tỷ lệ thông khí-máu tươi và được ký hiệu là

Với là thể tích không khí vào phế nang.
là thể tích máu tươi.
Khi thông khí là bằng 0, nhưng vẫn có giá trị nên là bằng 0, và ngược lại ở 1
trường hợp nào đó khi có sự thông khí đầy đủ nhưng không có máu tươi trao đổi thì
là vô cùng thì khi đó sự hô hấp là bị ảnh hưởng cho ta thấy tầm quan trọng của .

Áp xuất riêng phần của CO2 và O2 phế nang khi =0

Mặc dù có sự thông khí phế nang, nhưng không khí phế nang sẽ tới và cân bằng với PCO2 và PO2 trong máu bởi vì các khí này sẽ khuếch tán giữa máu và khí phế nang.Trong Chapter 41 chúng ta sẽ tìm hiểu được là trong máu tĩnh mạch bình thường có PO2 là 40mmHg còn PCO2 là 45mmHg.

Áp xuất riêng phần của CO2 và O2 phế nang khi =∞

Hiện tượng này khác hoàn toàn khi =0, bởi vì bây giờ không có dòng máu mao mạch mang O2 đi hoặc để mang lại CO2 vào phế nang. Do đó thay vì phí phế nang cân bằng với máu tĩnh mạch và lúc này khí phế nang sẽ như khí của không khí. Nên áp xuất riêng phần của các khí phế nang này là giống như không khí.

Sự trao đổi khí và áp xuất riêng phần của khí phế nang khi bình thường:

Khi sự thông khí phế nang bình thường và máu chảy ở mao mạch bình thường, và sự trao đổi CO2 và O2 gần như là sự tối ưu. PO2 của phế nang lúc bình thường là 104mmHg trong khi đó so với không khí PO2 của không khí là 149mmHg và PO2 tại máu tĩnh mạch là 40 nên có sự di chuyển khí O2 từ không khí vào phế nang và vào tĩnh mạch phổi. Trong khi đó CO2 thì ngược lại có PCO2 tại phế nang là 40mmHg còn của không khí là 0mmHg.

PCO2-PO2, và biểu đồ

Các khái niệm trình bày trong các phần trước có thể được thể hiện dưới biểu đồ Figure 40-11

Nhìn vào sơ đồ ta thấy khi =0 thì PO2=40mmHg, PCO2=45mmHg đó là nhưng giá trị trong máu tĩnh mạch bình thường.

Còn ở đầu kia đường cong khi =∞ thì có PO2=149mmHg, PCO2=0mmHg.

Cũng trên đường cong điểm mà đại diện cho bình thường thì có PO2=104mmHg, PCO2=40mmHg

Khái niệm ―shunt sinh lý‖ khi ở dưới mức bình thường:

Khi bị “shunt sinh lý” ở dưới mức bình thường tức là sẽ không cung cấp đủ khí oxy cho máu chảy qua các mao mạch phế nang. Do đó, một phần nào đó của huyết khối tĩnh mạch đi qua mao mạch phổi sẽ không có oxi và máu đó gọi là “máu shunt”.
Shunt sinh lý này được đo trong phòng thí nghiệm lâm sàng bằng cách phân tích nồng độ O2 ở cả tĩnh mạch máu và động mạch máu đồng thời ta kết hợp đo lưu lượng tim.

Từ các giá trị, các shunt sinh lý có thể được tính bằng cách sau đây phương trình:

Với: là lượng máu shunt sinh lý chảy qua mỗi phút.
là lưu lượng tim mỗi phút.
là nồng độ oxy trong máu động mạch khi tỷ lệ thông khí-máu tươi là lý tưởng.
là nồng độ oxy trong máu động mạch.
CO2 là nồng độ oxy trong hỗn hợp máu tĩnh mạch.
Từ trên ta thấy máu “shunt” là lượng máu mà không được trao đổi oxi khi đi qua phổi.

Khái niệm ―khoảng chết sinh lý khi lớn hơn mức bình thường;

Khi thông khí phổi thì ở các phế nang lượng khí tới rất nhiều( sẽ có nhiều O2 và các khí khác) mà máu được trao đổi ở mao mạch lại rất thấp. Như vậy sự thông khí phế nang là không hiệu quả vì có ít lượng máu được trao đổi.
Khoảng chết này được đo trong lâm sàng và được xác định bởi phương trình Bohr:

Trong đó: là khoảng chết sinh lý.
là thể tích khí lưu thông(TV).
là áp xuất riêng phần của CO2 trong máu động mạch.
là áp xuất riêng phần của CO2 trong không khí.

Các bất thường của tỷ lệ thông khí-máu tươi.

Bất thường khi tăng hoặc giảm:

Ở người bình thường tư thế thẳng đứng máu sẽ dồn xuống đáy phổi hơn là vùng đỉnh phổi, và vùng đáy phổi có tỷ lệ thông khí phổi sẽ thấp hơn vùng đỉnh phổi. Đo đó ở phần trên của phổi thì tỷ lệ gấp 2.5 lần so với giá trị bình thường. Nên ở khu đỉnh phổi này gây ra 1 mư vừa phải về khoảng chết sinh lý.
Mặt khác ở vùng đáy phổi thì tỷ lệ thông khí thấp hơn nên sẽ gây ra 1 lượng máu shunt. Và tỷ
lệ sẽ bằng khoảng 0.6 lần so với giá trị bình thường.
Còn khi tập thể dục thì lượng máu lên phần đỉnh phổi nhiều hơn và từ đó làm cho tỷ lệ trao đổi khí tăng cao hơn.

Bất thường trong bệnh tắc nghẽn phổi mãn tính:

Hầu hết những người hút thuốc nhiều năm họ thường bị tắc nghẽn phổi mãn tính và họ có 2 trường hợp xảy ra:
Trường hợp 1: Rất nhiều tiểu phế quản bị co hẹp đến mức phế nang gắn vào đó không được
thông khí và lúc này =0.
Trường hợp 2: Những vách phế nang không có mao mạch trên đó trong khi các phế nang vẫn
được thông khí và lúc này =∞.
Như vậy trong bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính thì có 1 số vùng bị shunt sinh lý, 1 số vùng lại bị khoảng chết sinh lý, và sẽ làm ảnh hưởng tới quá trình trao đổi khí, máu tuy lên được phổi nhưng lại lấy được lượng O2 rất thấp có khi bằng 1/10 so với bình thường. Trong thực tế đây là nguyên nhân chủ yếu gây nên tác nghẽn phổi mãn tính.

Bài viết được dịch từ sách : “Guyton and Hall text book of medicine and Physiology”