Biofyzika d

1
Biofyzika dýchacieho systému
Ján Jakuš
Dum spiro, spero
2
Biofyzika vonkajšieho a vnútorného
dýchaniaDefinícia Dýchanie (respirácia) jedna
z troch základných vitálnych funkcií živého
organizmu. Je to periodický a rytmický proces
vdychovania vzduchu (inspírium) a jeho
vydychovania (exspírium) z dých. ciest a  z 
plúc, ktorý za každú minútu zabezpecuje organizmu
prísun 250 ml O2. a odsun 200 ml CO2 / min.
potrebných na pokrytie jeho metabolických
požiadaviek.
3
Anatómia dýchacieho systému
4
Hlavná funkcia dýchaniaproces výmeny plynov
medzi bunkami a vonkajším prostredím, t.j.
transport kyslíka z vonkajšieho vzduchu do
buniek tela a odvod oxidu uhlicitého z buniek do
atmosféry.
5
Dýchanie vonkajšie a vnútorné Schéma
respirácie
6
Vonkajšie a vnútorné dýchanie
7
Vonkajšie dýchanie zahrnuje 4 hlavné
procesy- plúcnu ventiláciu - distribúciu
vzduchu- difúziu plynov- perfúziu plúc
8
Ventilácia ? cyklická výmena vzduchu v plúcach
pocas vdychu (inspíria) a výdychu (exspíria),
zabezpecená kontrakciou dýchacích
svalovDistribúcia ? miešanie inspirovaného
vzduchu so vzduchom, ktorý zostal v dýchacích
cestách a v plúcach po výdychu (150 ml
anatomický mrtvypriestor)Difúzia ? prestup O2 a
CO2 v smere tlakového gradientu cez
alveolo-kapilárnu membránu (Fickov
zákon)Perfúzia ? cirkulácia krvi plúcnym
riecištom
9
Vnútorné dýchanie, resp. tkanivová respirácia,
predstavuje difúziu O2 a CO2 medzi krvou a
tkanivami v smere gradientu parciálnych
tlakov.Vonkajšie (plúcne) a vnútorné (tkanivové)
dýchanie vyžadujú normálnu funkciu
kardiovaskulárneho (KV) aparátu a centrálneho
nervového systému CNS (mozog a miecha).
10
Mechanika dýchania - hodnotí cinnost dých.
svalov, hrudného koša a plúc pre dýchaní.
Prúdenie vzduchu v dých. cestách je podmienené
tlakovým rozdielom medzi atmosférou a alveolami.
Inspírium - tlak v alveolách nižší ako v
atmosfére Exspírium - tlak v alveolách
prevyšuje atmosferický tlak. Dýchanie je
podtlakovéPodtlak a pretlak v hrudníku -
výsledok kontrakcie dých. svalov bránice
(diaphragma) a svalov medzirebrových (vonkajsích
a vnútorných)
11
Úloha bránice, medzirebrových a
prídatných dýchacích svalov

?? bránica ? prídatné svaly
?medzirebrové (interkostálne) svaly
(auxiliárne)
vonkajšie -inspiracné
vnútorné
- exspiracné
12
Bránica ? hlavný inspiracný sval, zodpovedá za
60 zmeny objemu hrudníka. Pocas pokojného
dýchania klesá kaudálnym smerom asi o 1,5 cm, pri
hlbokom nádychu však až o 7-13 cm.Mm.intercostale
s externi ? pri kontrakcii zväcšenie
predozadného a priecneho priemeru hrudníka ?
vdych.Mm. intercostales interni ? pri kontrakcii
pokles rebier a zmenšenie priemeru hrudníka ?
výdych. Pokojné inspírium ? aktívny dej Pokojné
exspírium ?prevažne pasívny
13
Pokojný výdych ? spôsobený pasívnym vytlácaním
bránice smerom nahor a retrakcnou silou hrudného
koša a plúcÚsilný vdych ? kontrakcia bránice
Mm. Intercostales ext. a prídatných inspiracných
svalov (krku a hrudníka). Úsilný výdych ?
kontrakcia brušných svalov (brušný lis) a mm.
intercostales interni
14
Mechanizmus plúcnej ventilácie POKOJNÉ
INSPÍRIUM ? kontrakcia bránice a  vonkajších
medzir. svalov ? ? negativita PPl ? ?
negativita PP ? ? vznik tlakového gradientu
(zvonka-dovnútra) ? ? inspiracný prietok ? ?
inspiracný plúcny objemPOKOJNÉ
EXSPÍRIUM?pasívny pohyb bránice nahor
aretrakcná sila plúc a hrudníka ?? lahko
pozitívny PP pri malej negativite PPl ? ? vznik
tlakového gradientu (zvnútra-navonok) ? ?
exspiracný prietok vzduchu ? ? exspiracný plúcny
objem
15
ÚSILNÉ INSPÍRIUM (práca a cvicenie) Zosilnenie
stahu bránice spolu s kontrakciou tzv.
auxiliárnych inspiracných svalov ? väcšia
negativita Ppl, Pp ? zvýšenie inspiracného
prietoku vzduchu ? zvýšenie množstva vdýchnutého
plúcneho objemuÚSILNÉ EXSPÍRIUM Kontrakcia
brušných svalov a vnútorných medzir. svalov ?
pozitívne hodnoty PAbd ,Ppl , PP ? velký
exspiracný prietok vzduchu ? velký exspirovaný
objem 
16
Záznam pleurálneho tlaku, intrapulmonálneho
tlaku, prietoku vzduchu a dychového objemu pocas
pokojného inspíria (insp) a exspíria (exsp)

17
Plúcne objemy? dychový objem (tidal volume VT)
0,5 l ? inspiracný rezervný objem (IRV)
2,5 l? exspiracný rezervný objem (ERV) 1,5 l?
reziduálny objem (RV) 1,2 l
(kolapsový vzduch 0,4 l minimálny vzduch 0,8
l)
18
Plúcne kapacityVitálna kapacita plúc (VC) VT
IRV ERVInspiracná kapacita (IC) VT
IRV Funkcná reziduál. kapacita (FRC) ERV RV
Celková kapacita plúc (TLC) ? vš. objemov

19
Poddajnost plúc (compliance - C) pocítame ako
zmenu objemu (v l)na zmenu tlaku (v kPa) N
2l /kPa Fibróza ?CEmfyzém?
Slucka dynamickej poddajnosti
20
Slucka celkového prúdového odporu dýchacích ciest
(pocítame ako pomer tlaku a prietoku) (kPa x l
x s-1)astma bronchiale? Rawdilatácia
dýchacích ciest? Raw
21
Ventilácia plúc a distribúcia vzduchuminútová
ventilácia MV VT . falveolárna ventilácia
AV MV (VD . f)(VD 150 ml mrtvy
objem)Pri dychovom objeme (VT) 500 ml
a frekvencii dýchania (fd) 12 dychov . min-1
predstavuje minútová ventilácia 6 l . min-1, z
coho na alveolárnu ventiláciu pripadá 4,2 l .
min-1.Maximálna voluntárna ventilácia (MMV)
predstavuje najväcší objem vzduchu
preventilovaný plúcami za 1 minútu (120-170 l .
min-1).
22
Atmosferický, alveolárny a exspirovaný
vzduchAtmosferický vzduch zmes O2 (20,93),
CO2 (0,03 ), N2 (78,06 ), He a iných stopových
plynov (0,92) a vodných pár. Parciálne tlaky
plynov závisia na atmosferickom tlaku (PB)
a kolíšu podla nadmorskej výšky. Pri
atmosferickom tlaku 101,3 kPa (760 torr ,1 atm,)
a tlaku vodných pár 0,8 kPa (suchý vzduch) je
parciálny tlak O2 ( P02 ) cca 21 kPa a PCO2
0,04 kPa
23
Daltonov zákonpre výpocet parciálnych tlakov
dýchacích plynov (v zmesi plynov cím vyššia
koncentrácia plynu, tým väcší jeho parciálny
tlak) PO2 V O2 x ( PB - PH2O ) /
100napr. PO2 v atmosferickom vzduchu pri
hladine mora je PO2 20,93 x (101,3 0,8) /
100 21,03 kPa Obdobne pocítame P02, PCO2, PN2
aj v alveolárnom príp v exspirovanom vzduchu.
24
Zastúpenie O2, CO2 (v obj. ) a ich parc. tlaky
(v kPa), spolu s parc. tlakom H2O, N2 v atm.,
v exspir. a v alv. vzduchu, ako aj v artér.
a venóznej krvi
O2 () CO2 () PH2O (kPa) PN2 (kPa) PaO2 (kPa) PCO2 (kPa)
Atmosfer. vzduch (suchý) 20,93 0,03 0,8 79,04 21,06 0,04
Exspir. vzduch 15,1 4,3 6,3 75,3 15,3 5,73
Alveolárny vzduch 13,2 5,1 6,2 76,4 13,4 5,33
Artériová krv 19,8 50 6,3 76,4 8 12,7 5,2 0,8
Venózna krv 14-15 55 6,3 76,4 5,2 6,13
25
Výmena dýchacích plynov cez alveolokapilárnu
membránu prebieha formou difúzie, ktorá
závisíod parciálnych tlakov jednotlivých plynov
(O2 a CO2) v alveolárnom vzduchu a kapilárnom
plúcnom riecišti.Pri difúzii tlakový gradient
preO2 13,4 5,2 8 (kPa) O2 100 40
60 (torr)tlakový gradient pre CO2 6,135,33
0,8 (kPa) C02 46 - 40 6 (torr)(1 kPa 7,5
mmHg cca 10 H2O cm) 
26
Difúzia plynov v plúcach - morfológia
 
27
Difúzia plynov cez alveolokapilárnu membránu
 
28
Difúzia O2 a CO2 cez alveolokapilárnu (AK)
membránu sa riadi Fickovym zákonom.
V (P1 P2) . A . k
skde P1 a P2 sú parciálne tlaky,A
difúzna plocha (70 m2) , s hrúbka membrány
(0,8 um)k  difúzna konštanta. Difúzna
konštanta závisí od zloženia membrány a druhu
difundujúceho plynu(pre CO2 je 20-krát väcšia
ako pre O2 )VO2 15 20 ml / min.  
29
Dynamika difúzie cez AK membránu
30
Rozpustnost plynov v krvnej plazmeHenryho zákon
- množstvo plynu fyzikálne rozpustného
v kvapaline,je úmerné parciálnemu tlaku plynu
nad kvapalinou a jeho koeficientu rozpustnosti.
Množstvo O2 , rozpusteného v 1 l krvi urcíme zo
vzorcaSO2 ? . PO2 . 1000 / PB 3,0 ml/l
krviMnožstvo CO2 v 1l krvi jeSCO2 ? . P CO2
. 1000/ PB 27ml/l krvi.(kde ? je koeficient
rozpustnosti, P je parciálny tlak plynu a PB je
celkový barometrický tlak)Koeficient
rozpustnosti ? pre O2 0,024 a ? pre CO2
0,57. Rozpustnost CO2 v krvi je teda približne
24x väcšia ako kyslíka.  
31
PERFÚZIA - transport O2 a CO2 krvou O2 - ako
fyzikálne rozpustený v plazme a chemicky viazaný
na hemoglobín. V 1 l artériovej krvi je 200 ml
O2 , z toho len 3 ml pripadajú na fyzikálne
rozpustený O2 a 197 ml je chemicky viazané na
hemoglobín. Fyzikálne rozpustený O2 podmienuje
parciálny tlak a tým umožnuje difúziu. CO2 - ako
fyzikálne rozpustený v plazme, a chemicky viazaný
vo forme bikarbonátov a karbaminohemoglobínu. V 1
l venóznej krvi je 27 ml fyzikálne rozpusteného
CO2 (v plazme), zbytok cca 520 ml je viazaný v
ostatných dvoch formách. 
32
Prajem Vám pekný den