Анатомическое и физиологическое мёртвое пространство

Не весь вдыхаемый воздух доходит до места, где кровь забирает кислород и отдаёт углекислый газ. Часть его остаётся в трубках, по которым воздух только проходит, а часть попадает в альвеолы, которые в данный момент почти не снабжаются кровью. Обе эти доли в газообмене не участвуют, и именно их объединяют понятием мёртвого пространства. Чтобы не путать студентов на экзамене, физиология делит его на анатомическое и физиологическое: первое связано со строением дыхательных путей, второе учитывает ещё и работу альвеол. Ниже разберём, чем они отличаются, как считаются и где это важно. Соберите свой вопрос в форме под текстом, если нужно решить конкретную задачу.

Что вообще называют мёртвым пространством

Мёртвое пространство (dead space) это та часть дыхательного объёма, которая при вдохе не доходит до участвующих в газообмене альвеол или доходит до альвеол, не способных газообмен обеспечить. Воздух в этом объёме механически перемещается туда-сюда, но кислород из него не уходит в кровь, а углекислый газ в него не поступает. С точки зрения газообмена этот воздух потрачен впустую, отсюда и название.

Рассчитать для своей задачи

Важно сразу разделить два смысла. Объём, обусловленный самой геометрией дыхательной системы (трахея, бронхи, бронхиолы до дыхательных бронхиол), это анатомическое мёртвое пространство. Объём, который реально не участвует в газообмене у конкретного человека в конкретный момент, это физиологическое мёртвое пространство. Второе включает первое плюс альвеолярную составляющую.

Анатомическое мёртвое пространство

Анатомическое мёртвое пространство ($V_{D,anat}$) это объём воздухопроводящих путей, в которых газообмена нет в принципе, потому что там нет тонкой альвеолярно-капиллярной мембраны. Это полость носа и рта, глотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы вплоть до уровня, где стенка ещё толстая и кровоток отделён от просвета.

Ориентировочная норма у взрослого около 150 мл, и есть удобное правило: объём анатомического мёртвого пространства в миллилитрах примерно равен массе тела в фунтах, то есть около 2 мл на килограмм. У человека 70 кг это даёт примерно 140–150 мл. Величина почти не зависит от глубины дыхания, потому что она задана геометрией трубок, а не тем, как сильно вы вдохнули.

Классический способ измерить анатомическое мёртвое пространство это метод Фаулера: испытуемый делает один вдох чистого кислорода, а на выдохе непрерывно измеряют концентрацию азота. По форме кривой определяют объём, выдохнутый до начала альвеолярного плато, он и соответствует $V_{D,anat}$.

Физиологическое мёртвое пространство

Физиологическое (функциональное) мёртвое пространство ($V_{D,phys}$) это весь объём вдыхаемого воздуха, который по факту не участвует в газообмене. Оно складывается из двух частей:

$V_{D,phys} = V_{D,anat} + V_{D,alv}$

где $V_{D,alv}$ это альвеолярное мёртвое пространство, то есть воздух, дошедший до альвеол, которые вентилируются, но почти не перфузируются кровью. В таких альвеолах есть свежий воздух, но нет кровотока, забирающего кислород, поэтому газообмен в них не идёт.

У здорового человека в покое альвеолярное мёртвое пространство очень мало, и физиологическое мёртвое пространство практически совпадает с анатомическим (тоже около 150 мл). Поэтому в учебных задачах для здорового человека эти две величины часто берут равными. Различие становится заметным при патологии: тромбоэмболия лёгочной артерии, эмфизема, гиповолемия, искусственная вентиляция лёгких. Тогда часть альвеол вентилируется впустую, $V_{D,alv}$ растёт, и физиологическое мёртвое пространство заметно превышает анатомическое.

Рассчитать для своей задачи

Уравнение Бора: как считают физиологическое мёртвое пространство

Физиологическое мёртвое пространство нельзя измерить линейкой, его оценивают по газовому составу. В основе лежит уравнение Бора, которое связывает долю мёртвого пространства в дыхательном объёме с парциальными давлениями углекислого газа:

$\frac{V_D}{V_T} = \frac{P_{aCO_2} - P_{ECO_2}}{P_{aCO_2}}$

Здесь $V_T$ это дыхательный объём (tidal volume), $P_{aCO_2}$ это парциальное давление $CO_2$ в артериальной крови (его берут как показатель альвеолярного $CO_2$), а $P_{ECO_2}$ это среднее давление $CO_2$ в выдыхаемом воздухе. Логика простая: чем больше выдыхаемый воздух разбавлен пустым воздухом мёртвого пространства, тем ниже в нём $CO_2$ по сравнению с альвеолярным, и тем больше отношение $V_D/V_T$.

В норме отношение $V_D/V_T$ составляет около 0,2–0,35, то есть примерно треть каждого вдоха тратится впустую. При тяжёлой патологии лёгких оно может вырасти до 0,5 и выше, что напрямую отражает ухудшение эффективности вентиляции. Метод Фаулера, наоборот, даёт именно анатомическую величину, поэтому два подхода удобно противопоставлять: Бор для физиологического, Фаулер для анатомического.

Почему частое поверхностное дыхание неэффективно

Из понятия мёртвого пространства следует важный практический вывод. До альвеол доходит не весь дыхательный объём, а только альвеолярная вентиляция:

$V_A = (V_T - V_D) \cdot f$

где $f$ это частота дыхания. Допустим, минутный объём дыхания одинаков в двух режимах. В первом человек дышит редко и глубоко: $V_T = 600$ мл, $f = 10$ в минуту, минутный объём 6000 мл. Альвеолярная вентиляция здесь $(600 - 150) \cdot 10 = 4500$ мл/мин. Во втором он дышит часто и поверхностно: $V_T = 300$ мл, $f = 20$, минутный объём те же 6000 мл, но альвеолярная вентиляция $(300 - 150) \cdot 20 = 3000$ мл/мин.

Рассчитать для своей задачи

При одинаковом минутном объёме эффективная вентиляция во втором случае на треть меньше, потому что фиксированные 150 мл мёртвого пространства съедаются на каждом вдохе, а вдохов больше. Поэтому глубокое редкое дыхание физиологически выгоднее поверхностного частого. Та же логика объясняет, почему при подключении дыхательного контура важно учитывать его собственный объём: он добавляется к мёртвому пространству.

Где это важно на практике

Понимание разницы между анатомическим и физиологическим мёртвым пространством нужно не только для зачёта. В анестезиологии и реаниматологии отношение $V_D/V_T$ используют как показатель тяжести дыхательной недостаточности и эффективности искусственной вентиляции. Рост альвеолярного мёртвого пространства это ранний признак тромбоэмболии лёгочной артерии, когда часть альвеол вентилируется, но потеряла кровоток.

Тема тесно связана с другими вопросами физиологии дыхания: с тем, как газы проходят сквозь стенку альвеолы (см. разбор про диффузию газов через альвеолокапиллярную мембрану), и с уже опубликованным материалом про мёртвое пространство в вентиляции лёгких, где подробнее разобран расчёт альвеолярной вентиляции.

Частые ошибки

• Считают, что физиологическое мёртвое пространство всегда больше анатомического в разы. У здорового человека в покое они почти равны, разница появляется при патологии.
• Путают альвеолярное и физиологическое мёртвое пространство. Альвеолярное это только добавка от нерабочих альвеол, физиологическое это сумма анатомического и альвеолярного.
• Думают, что мёртвое пространство меняется при глубоком вдохе. Анатомическое почти постоянно (геометрия трубок), сильно меняется лишь альвеолярная составляющая при болезнях.
• В уравнении Бора подставляют $CO_2$ выдоха вместо артериального для альвеолярного значения. В формуле $P_{aCO_2}$ берут из артериальной крови, а $P_{ECO_2}$ из всего выдыхаемого воздуха.
• Забывают, что аппаратный контур добавляет мёртвое пространство. При расчётах для ИВЛ объём трубок и масок суммируется с собственным мёртвым пространством пациента.

FAQ

Чем отличается анатомическое мёртвое пространство от физиологического? Анатомическое это объём проводящих дыхательных путей без газообмена (около 150 мл), заданный строением. Физиологическое это весь не участвующий в газообмене объём: анатомическое плюс воздух в плохо перфузируемых альвеолах.

Почему физиологическое мёртвое пространство больше или равно анатомическому? Потому что физиологическое включает анатомическое целиком и добавляет альвеолярную составляющую. Меньше анатомического оно быть не может, минимум совпадает с ним, когда все альвеолы нормально снабжаются кровью.

Как измерить мёртвое пространство? Анатомическое определяют методом Фаулера по кривой выдыхаемого азота, физиологическое рассчитывают по уравнению Бора через парциальные давления $CO_2$ в артериальной крови и выдыхаемом воздухе.

Коротко

Анатомическое мёртвое пространство это объём воздухопроводящих путей без газообмена, около 150 мл, заданный геометрией дыхательной системы и измеряемый методом Фаулера. Физиологическое мёртвое пространство это весь не участвующий в газообмене объём: анатомическое плюс альвеолярная составляющая от вентилируемых, но не перфузируемых альвеол; его считают по уравнению Бора через $CO_2$. У здорового человека эти величины почти равны, при патологии физиологическое заметно превышает анатомическое, поэтому оно служит показателем эффективности вентиляции.