Мёртвое пространство в вентиляции лёгких

Мёртвое пространство в вентиляции лёгких - это часть вдыхаемого воздуха, которая не участвует в газообмене, потому что не доходит до функционирующих альвеол или попадает в альвеолы, лишённые кровотока. Каждый вдох тратится не полностью: воздух, заполнивший трахею, бронхи и бронхиолы, выдыхается обратно, так и не отдав кислород крови. Понимание мёртвого пространства объясняет, почему дыхательный объём всегда больше реально работающего объёма, как считать альвеолярную вентиляцию и почему частое поверхностное дыхание менее эффективно, чем редкое и глубокое. Разберём виды мёртвого пространства, уравнение Бора и практические следствия для физиологии и реаниматологии - а в калькуляторе ниже соберём разбор вашей конкретной задачи.

Что такое мёртвое пространство

Внешнее дыхание состоит из двух процессов: вентиляции (механического обновления воздуха в лёгких) и газообмена (диффузии кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью). Газообмен идёт только в альвеолах и альвеолярных ходах - там, где тонкая мембрана и рядом капилляр. А вот трахея, бронхи и бронхиолы устроены как трубопровод: они проводят воздух, но их стенки слишком толстые, чтобы через них шёл обмен газами. Объём этих воздухоносных путей и есть мёртвое пространство - пространство, заполненное вдыхаемым воздухом, который физиологически «потерян» для обмена.

Рассчитать для своей задачи

Термин может вводить в заблуждение: «мёртвое» не значит повреждённое или отмершее. Это нормальная анатомическая особенность здоровых лёгких. У взрослого человека объём мёртвого пространства составляет примерно $2\ \text{мл}$ на килограмм массы тела, то есть около $150\ \text{мл}$ при дыхательном объёме покоя $500\ \text{мл}$. Значит, почти треть каждого спокойного вдоха не доходит до зоны обмена.

Анатомическое мёртвое пространство

Анатомическое мёртвое пространство - это суммарный объём всех проводящих воздух структур от носа и рта до терминальных бронхиол. Сюда входят носоглотка, гортань, трахея, главные и долевые бронхи, сегментарные бронхи и бронхиолы вплоть до тех, у которых ещё нет альвеол в стенке. Эти отделы образуют так называемую кондуктивную (проводящую) зону дыхательной системы.

Величина анатомического мёртвого пространства не постоянна. Она увеличивается на вдохе (бронхи растягиваются), зависит от позы, размеров тела и возраста. Классический способ его измерения - метод Фаулера: испытуемый делает один вдох чистого кислорода, а на выдохе непрерывно регистрируется концентрация азота. Первая порция выдоха содержит чистый кислород из мёртвого пространства, затем концентрация азота резко растёт, когда начинает выходить альвеолярный газ. По точке перегиба и рассчитывают объём проводящих путей.

Физиологическое мёртвое пространство

Физиологическое (функциональное) мёртвое пространство шире анатомического: оно включает не только проводящие пути, но и те альвеолы, которые вентилируются, но плохо или вовсе не снабжаются кровью. Если в альвеолу поступает воздух, а капилляр рядом спазмирован, тромбирован или разрушен, обмен в ней не идёт - такой объём тоже становится «мёртвым», хотя анатомически это альвеола.

Рассчитать для своей задачи

У здорового человека альвеолярный компонент мёртвого пространства невелик, поэтому физиологическое и анатомическое мёртвое пространство почти совпадают. Но при патологии разница растёт. Альвеолярное мёртвое пространство увеличивается при тромбоэмболии лёгочной артерии (кровоток перекрыт, вентиляция сохранена), эмфиземе, артериальной гипотензии и при искусственной вентиляции с высоким давлением, которое сдавливает капилляры. Именно физиологическое мёртвое пространство, а не анатомическое, определяет эффективность газообмена в клинике. Соотношение вентиляции и кровотока в разных зонах лёгкого детально разбирается в материале про диффузию газов через альвеолокапиллярную мембрану.

Уравнение Бора

Чтобы количественно оценить долю мёртвого пространства, используют уравнение Бора. Оно основано на простом балансе: весь углекислый газ, выходящий с выдохом, образуется только в альвеолах, потому что в мёртвом пространстве обмена нет и $CO_2$ туда не поступает. Следовательно, концентрация $CO_2$ в смешанном выдыхаемом воздухе ниже, чем в альвеолярном газе, ровно во столько раз, во сколько мёртвое пространство «разбавляет» альвеолярную порцию.

Рассчитать для своей задачи

В классической форме уравнение записывают через парциальные давления $CO_2$:

$\frac{V_D}{V_T} = \frac{P_{aCO_2} - P_{eCO_2}}{P_{aCO_2}}$

Здесь $V_D$ - объём мёртвого пространства, $V_T$ - дыхательный объём, $P_{aCO_2}$ - парциальное давление $CO_2$ в артериальной крови (приближённо равно альвеолярному), а $P_{eCO_2}$ - парциальное давление $CO_2$ в смешанном выдыхаемом воздухе. Отношение $V_D/V_T$ показывает долю каждого вдоха, потраченную впустую. В норме оно составляет $0{,}2\text{–}0{,}35$. Рост этого показателя выше $0{,}4\text{–}0{,}5$ - признак увеличенного физиологического мёртвого пространства и нарушения вентиляционно-перфузионных отношений.

Альвеолярная вентиляция и почему глубина дыхания важнее частоты

Минутная вентиляция лёгких равна произведению дыхательного объёма на частоту дыхания: $V_E = V_T \cdot f$. Но для газообмена важна не она, а альвеолярная вентиляция - объём свежего воздуха, реально достигающий альвеол за минуту:

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

Из этой формулы следует ключевой физиологический вывод. Допустим, мёртвое пространство равно $150\ \text{мл}$, а минутная вентиляция фиксирована на $6\ \text{л/мин}$. При дыхании с объёмом $500\ \text{мл}$ и частотой $12$ в минуту альвеолярная вентиляция составит $(500 - 150) \cdot 12 = 4200\ \text{мл/мин}$. А при частом поверхностном дыхании с объёмом $250\ \text{мл}$ и частотой $24$ та же минутная вентиляция даёт лишь $(250 - 150) \cdot 24 = 2400\ \text{мл/мин}$. Минутный объём одинаков, но альвеолярная вентиляция почти вдвое ниже, потому что мёртвое пространство «съедается» с каждого мелкого вдоха. Поэтому редкое глубокое дыхание эффективнее частого поверхностного - это объясняет одышку при болезнях лёгких и принципы настройки ИВЛ.

Мёртвое пространство в реаниматологии

В интенсивной терапии мёртвое пространство - это не абстракция, а параметр, влияющий на жизнь пациента. Любой контур аппарата ИВЛ, маска, интубационная трубка и фильтр добавляют аппаратное (инструментальное) мёртвое пространство к собственному анатомическому. Поэтому у пациента на вентиляции реальная альвеолярная вентиляция может быть заметно ниже расчётной, если не учесть объём контура.

Отношение $V_D/V_T$ применяют как маркёр тяжести при остром респираторном дистресс-синдроме: его рост коррелирует с увеличением летальности, так как отражает массивное выключение перфузии в части альвеол. Капнография - непрерывная регистрация $CO_2$ в выдыхаемом воздухе - позволяет косвенно отслеживать мёртвое пространство у постели больного: при тромбоэмболии или резком падении сердечного выброса концентрация $CO_2$ на выдохе падает, потому что газ из невентилируемых по кровотоку зон разбавляет альвеолярную порцию.

Частые ошибки

• Путают мёртвое пространство с остаточным объёмом. Остаточный объём - это воздух, остающийся в лёгких после максимального выдоха; мёртвое пространство - это воздух, не участвующий в обмене в пределах одного дыхательного цикла. Это разные понятия.
• Считают, что «мёртвое» значит больное. Анатомическое мёртвое пространство есть у всех здоровых людей, это нормальная конструкция дыхательных путей.
• Отождествляют минутную и альвеолярную вентиляцию. Минутный объём может быть нормальным при катастрофически низкой альвеолярной вентиляции из-за поверхностного дыхания.
• Забывают про аппаратное мёртвое пространство при работе с дыхательным контуром, маской и трубкой.
• Берут $V_D$ как постоянную величину. Физиологическое мёртвое пространство меняется при патологии перфузии и при ИВЛ, иногда в несколько раз.

FAQ

Чему равно мёртвое пространство в норме? Анатомическое мёртвое пространство у взрослого составляет около $150\ \text{мл}$, или примерно $2\ \text{мл/кг}$ массы тела. В покое это около трети дыхательного объёма $500\ \text{мл}$. У здорового человека физиологическое мёртвое пространство почти совпадает с анатомическим.

Чем анатомическое мёртвое пространство отличается от физиологического? Анатомическое - это объём только проводящих воздух путей (трахея, бронхи, бронхиолы). Физиологическое включает анатомическое плюс объём вентилируемых, но не перфузируемых альвеол. У здоровых они близки, при болезнях лёгких физиологическое становится больше.

Почему частое поверхностное дыхание неэффективно? Потому что мёртвое пространство вычитается из каждого вдоха. При мелких вдохах его доля растёт, и доля свежего воздуха, доходящего до альвеол, падает. При одинаковой минутной вентиляции редкое глубокое дыхание обеспечивает большую альвеолярную вентиляцию.

Коротко

Мёртвое пространство в вентиляции лёгких - это часть вдыхаемого воздуха, не участвующая в газообмене: анатомическое (проводящие пути, около $150\ \text{мл}$) и физиологическое (плюс невентилируемые по кровотоку альвеолы). Долю мёртвого пространства считают по уравнению Бора через разницу $CO_2$ в артериальной крови и выдыхаемом воздухе, а для газообмена важна не минутная, а альвеолярная вентиляция $V_A = (V_T - V_D) \cdot f$. Поэтому глубокое редкое дыхание эффективнее частого поверхностного, а в реаниматологии $V_D/V_T$ служит маркёром тяжести нарушения перфузии лёгких.