Функциональная остаточная емкость (ФОЕ): физиология, патология, патофизиология

Введение

Достаточное фундаментальное знание основных физиологических принципов ведет к более эффективному их использованию в клинической практике.

Цель этой статьи — помочь лучше понять функциональную остаточную емкость (ФОЕ), термин, который обозначает объем в легких сразу по завершении обычного выдоха. Важно понимать основное определение, соответствующие отношения к другим объемам/емкостям легких, силы грудной стенки и легких при ФОЕ, а также применение в клинической практике. В дыхательный цикл входит большое количество объемов, каждый из которых обозначается по-своему. Два или более объема помечаются как емкости.

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) может быть определена несколькими способами. ФОЕ — это объем легких по завершении естественного выдоха. Однако в легких все еще остается воздух. Остаточный объем легких (ООЛ) — это количество воздуха, которое человек физиологически не способен выдохнуть. Это объем, остающийся в легких после вытеснения максимально возможного количества воздуха из легких. Количественное значение воздуха между ООЛ и ФОЕ — это резервный объем выдоха (РОвыд). Следовательно, ФОЕ = ООЛ + РОвыд. ФОЕ — это общее количество воздуха в легких человека при самом низком значении их дыхательного объема (ДО). Дыхательный объем — это объем воздуха, который человек обычно вдыхает и выдыхает. Таким образом, после нормального выдоха ФОЕ равняется количеству воздуха, оставшегося в легких.

Важным аспектом понимания ФОЕ (и дыхательного цикла в целом) является знание задействованных в процессе сил. На протяжении всего дыхательного цикла мы сталкиваемся с двумя основными механическими силами: это сила грудной стенки и сила легких. Без необходимого физиологического давления грудная стенка будет расширяться наружу, а легкие перестанут нормально функционировать. Это то, что происходит, когда вакуум нарушается, например, при колотой ране, ведущей к пневмотораксу. ФОЕ — это та точка, в которой эти силы приходят в равновесие; то есть разница между внутренними силами отдачи легких и внешними силами отдачи грудной стенки сбалансирована.[1][2][3]

Функция и функциональная остаточная емкость

Зачем нашим легким требуется воздух, кроме того, что мы обычно вдыхаем? Этому можно найти объяснение благодаря 2 компонентам ФОЕ. Как уже упоминалось ранее, Функциональная остаточная емкость включает в себя как ООЛ так и РОвыд. Для начала рассмотрим РОвыд. Когда человек спокойно сидит или занимается своими обычными делами, единственное, чем дышит человек без респираторной патологии, — это его ДО. Однако, когда человек тратит больше энергии, ему требуется больше кислорода, и объем вентилируемого воздуха увеличивается в обоих направлениях; больше воздуха поглощается и больше воздуха выдыхается. Представьте, что кто-то бежит наперегонки.

Их энергетические затраты увеличиваются, и для продолжения работы в приемлемом темпе требуется больше кислорода. Это одна из причин, почему человеку необходим как РОвыд, так и РОвд.

ООЛ — это количество воздуха, которое человек не может выдохнуть до конца. Почему ООЛ необходим? Представьте, что вы надуваете воздушный шар. Самый сложный этап в надувании шара — когда вы делаете первый выдох. Если бы весь воздух из наших легких выходил каждый раз, когда требовался бы дополнительный объем легких, пришлось бы прилагать несравненно больше усилий, чтобы дышать. Наши легкие попросту бы дали сбой, и любая энергозатратная деятельность стала бы не только трудной, но и опасной.

ФОЕ зависит от многих факторов.

Некоторые из них не поддаются контролю: к ним относятся возраст, рост и биологический пол. Другие элементы, которые иногда поддаются контролю либо же обратимы, включают патологические респираторные заболевания (зачастую это связано с курением), некоторые профессии, которые приводят к заболеваниям легких, беременность, болезни, вызывающие асцит,и резкие изменения положения, например, когда человек резко встает из положения лежа.

Возраст и функциональная остаточная емкость

С возрастом наша легочная функция также снижается; мышечная масса, эластичность тканей, площадь альвеолярной поверхности и способность к диффузии — все это уменьшается. Снижается и способность человека реагировать на повреждения. Уменьшение мышечной массы затрагивает в том числе мышцы, которые мы используем для дыхания. Потеря эластичности соединительной ткани усиливает работу дыхания; подобно тому, как это происходит при хроническом обструктивном заболевании легких (ХОЗЛ) (но в меньшей степени), выдыхать становится труднее. Легкие не так легко возвращаются к нормальному размеру после вдоха.

Функциональная остаточная емкость и рост и пол

Чем выше рост у человека, тем его диафрагма, скорее всего, будет больше, и ему нужно больше кислорода, чем людям ниже его, для выполнения тех же задач. Это означает, что для этого высоким людям требуется больший объем легких, и поэтому ФОЕ у них выше. Хотя есть соблазн предположить, что именно это является причиной различий в объеме легких между полами, исследования показали, что мужчины и женщины одинакового роста и возраста все еще имеют разно объем легких.

У мужчин, как правило, он больше, потому ФОЕ у них тоже больше. Вероятно, это связано со различиями в строении тела у мужчин и женщин. У женщин ребра имеют другой угол наклона, не такой как у мужчин, и также у них более короткая диафрагма. Из-за разницы в угле ребер женщины способны сильнее расширять свои легкие. В то время как женщины имеют меньшую грудную клетку и меньшую длину диафрагмы, благодаря углу ребер они имеют преимущество в емкости вдоха. Это большой долей вероятности помогает при физиологических изменениях, которые происходят во время беременности. Беременным женщинам нужно больше кислорода, чтобы иметь необходимое количество энергии для оплодотворения яйцеклетки и создания плода.

Физиологические гормональные изменения во время беременности позволяют значительно изменить состояние дыхания беременной женщины. В то время как спирометрия остается в пределах нормы, сама структура и объемы/емкости значительно изменяются. Диафрагма расслабляется (из-за вышеупомянутых гормональных изменений), и растущий плод начинает оказывать давление на грудную полость. Это приводит к снижению как ООЛ, так и РОвыд, что приводит к снижению ФОЕ. Однако у беременной женщины потребность в кислороде повышается. ДО и РОвд увеличиваются, грудная клетка у беременной женщины становится больше, и вместе с этим увеличивается подгрудинный угол. Ранее упомянутое вдыхательное преимущество из-за угла ребер, вероятно, помогает беременной женщине компенсировать это.

Из-за пониженной ФОЕ и давления на грудную клетку беременная женщина более восприимчива к ателектазу. Шансы увеличиваются во время лежания на спине.

В результате возможно незначительное снижение PaO2 при получении газа крови, особенно в таком положении. Важно также отметить, что в то время как минутный объем вентиляции легких (МОВЛ) увеличивается на протяжении всей беременности, это в основном связано с увеличением ДО. Частота дыхания практически не меняется.

Асцит и функциональная остаточная емкость

Как и в случае с беременностью, при асците ФОЕ тоже изменяется, вне зависимости от того, вызвано ли это заболеванием печени, злокачественными новообразованиями или другой патологией. При серьезном заболевании печени портальная гипертензия приводит к утечке жидкости из капилляров в брюшную полость. Увеличение обхвата живота приводит к повышению давления на диафрагму, снижению ФОЕ. Это одна из причин одышки у больных асцитом; в отличие от беременности, ДО и РОвд не увеличиваются.

Послеоперационные Изменения

У пациентов после операции также падает ФОЕ. Лекарства, вводимые во время анестезии, расслабляют мышцы дыхания. Когда человек дышит, диафрагма движется ниже, чтобы помочь создать отрицательный градиент давления, благодаря которому в легких появляется воздух. Когда вспомогательные мышцы дыхания расслаблены, а анальгетики/анестетики / паралитические препараты уже были введены, диафрагма движется больше вверх, чем вниз. Это значительно снижает ФОЕ, и, как показали некоторые исследования, продолжительность снижения ФРК прямо пропорциональна вероятности развития послеоперационных легочных осложнений.[4][5][6]

Тестирования и оценка функциональной остаточной емкости

Наблюдения за объемами легких ведутся для отслеживания респираторного заболевания пациента. Хотя этот метод обычно не используется в клинической практике, одним из способов измерения остаточного объема и общей емкости легких (ОЕЛ) является измерение ФОЕ человека. У человека со средними показателями роста и веса без каких-либо легочных патологий составляет приблизительно 2400 мл.

В то время как ФОЕ можно оценить примерно как 35% ОЕЛ, невозможно измерить ОЕЛ, ФОЕ или ООЛ только с помощью спирометрии. ФОЕ может быть измерена/рассчитана с помощью следующих методов: общего плетизмографа (работающего по принципу, в основе которого лежит закон Бойля) и метода разведения гелия (основанного на законе сохранения массы). Метод общего плетизмографа гораздо более точен при патологических состояниях и предполагает помещение пациента в стеклянный ящик размером с телефонную будку и измерение давления с помощью датчиков.

После того, как измеряется ФОЕ, врач может рассчитать ООЛ и с этим значением может рассчитать ОЕЛ пациента. Это возможно благодаря следующим уравнениям:

ОЕЛ = ООЛ + РОвыд + РОвд + ДО + РОвд
ОЕЛ = ФОЕ + ДО + РОвд
ФОЕ = ООЛ + РОвыд
ООЛ = ФОЕ - РОвыд
ООЛ = ОЕЛ - (РОвд + ДО + РОвыд)

*ОЕЛ = общая емкость легких; ООЛ = остаточный объем легких; РОвыд =резервный объем выдоха; РОвд = резервный объем вдоха; ФОЕ = функциональная остаточная емкость

РОвыд можно измерить. Таким образом, если врач измеряет ФОЕ, можно также получить значение РОвыд и вычесть его из ФОЕ для расчета ООЛ. ОЕЛ можно получить путем сложения всех объемов легких вместе после расчета ООЛ или путем добавления FRC, TV и IRV (третье уравнение).

При использовании общего плетизмографа можно выделить другие информативные значения, включая удельное сопротивление дыхательных путей (уСДП), сопротивление дыхательных путей (СДП) и объем сдвига. Когда мы получаем все эти значения, мы получаем детальную клиническую картину работы легких пациента. Годы изучения различных объемов легких пациентов привели к пониманию того, что, анализируя собранные данные, с помощью уравнений можно предполагать о вероятных объемах/емкостях легких человека. С помощью подобных уравнений врачи могут сравнить работу легких пациента с тем, что считается для него нормальным.[6][7][8]

Клиническая значимость

Прежде чем обсуждать конкретные патологии легких и их связь с ФРК, важно иметь базовое представление о податливости и эластичности. Податливость и эластичность определяются математически следующим образом: П = изменения в объеме/изменения в давлении Э = 1/П либо Э = изменения в давлении/изменения в объеме Податливость — это изменение объема на изменение удельного давления.

Эластичность — это величина, обратная податливости: изменение удельного давления на изменение объема. Проще говоря, податливость — это легкость растяжения; эластичность - это легкость, с которой растянутая структура возвращается к первоначальному объему. Чем более податлив объект, тем он менее эластичен, и наоборот. При рестриктивных респираторных состояниях легкие или грудная стенка поражаются таким образом, что это ограничивает расширение легких. В то время как некоторые рестриктивные состояния могут быть вызваны проблемами грудной стенки (например, тяжелым кифозом), здесь будет рассмотрена рестриктивная патология самого легкого. Примером рестриктивного заболевания легких является идиопатический легочный фиброз.

Увеличение фиброзной ткани в легких приводит к снижению комплаентности легких; легкие становятся более эластичными и поэтому их труднее надувать. Это уменьшает TLC, и поэтому FRC, из-за того, что легкие труднее наполнить. При обструктивной респираторной патологии легких, такой как эмфизема, происходит уменьшение воздушного потока, и легкие становятся более податливыми.

Альвеолы разрушаются, воздух захватывается, и ОЕЛ увеличивается. Следовательно, увеличивается и ФОЕ.

Увеличенный объем и податливость приводят к тому, что грудная стенка испытывает меньшее сопротивление со стороны легких, следовательно, мы наблюдаем стандартную эмфизематозную грудную клетку, которая возникает в результате эмфиземы соответственно. Предыдущие абзацы иллюстрируют важность понимания основных принципов и определений в физиологии для правильного восприятия патологических состояний, поражающих пациентов. Также благодаря этим знаниям будет проще объяснить суть того или иного заболевания пациенту. Если пациент понимает, в чем заключается его патология и почему ему требуется фармакологическое вмешательство, как итог, пациент будет лучше соблюдать указанные предписания при лечении, направленном на удлинение срока жизни или облегчение симптомов.

В то время как другие значения работы легких используются в клинической практике более широко, функциональная остаточная емкость полезна как для понимания дыхательного цикла, так и для клинической практики. Поскольку ФОЕ является точкой равновесия сил грудной стенки и легких, это отправная точка, играющая очень важную роль при изучении грудной и легочной областей. Как врачи, так и исследователи используют методы расчета ФОЕ для получения значений, которые не могут быть измерены с помощью стандартной спирометрии.[9]

Литература по Функциональной остаточной емкости

Ponce MC, Sharma S. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Mar 16, 2019. Pulmonary Function Tests.
Mosier JM, Hypes CD, Sakles JC. Understanding preoxygenation and apneic oxygenation during intubation in the critically ill. Intensive Care Med. 2017 Feb;43(2):226-228.
Sharma S, Danckers M, Sanghavi D, Chakraborty RK. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Feb 25, 2020. High Flow Nasal Cannula.
Kubo A, Ishizaka M, Takeuchi Y, Shimura K. Effect of increased functional residual capacity on the active range of thoracic axial rotation in healthy young men. J Phys Ther Sci. 2018 Feb;30(2):282-285.
Hallett S, Toro F, Ashurst JV. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Jun 1, 2020. Physiology, Tidal Volume.
Campos EC, Peixoto-Souza FS, Alves VC, Basso-Vanelli R, Barbalho-Moulim M, Laurino-Neto RM, Costa D. Improvement in lung function and functional capacity in morbidly obese women subjected to bariatric surgery. Clinics (Sao Paulo). 2018 Mar 15;73:e20.
Lofrese JJ, Menouar MA, Lappin SL. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Apr 29, 2020. Physiology, Residual Volume.
Ortega-Sáenz P, Caballero C, Gao L, López-Barneo J. Testing Acute Oxygen Sensing in Genetically Modified Mice: Plethysmography and Amperometry. Methods Mol. Biol. 2018;1742:139-153.
Hewlett JC, Kropski JA, Blackwell TS. Idiopathic pulmonary fibrosis: Epithelial-mesenchymal interactions and emerging therapeutic targets. Matrix Biol. 2018 Oct;71-72:112-127.
Poor HD, Kawut SM, Liu CY, Smith BM, Hoffman EA, Lima JA, Ambale-Venkatesh B, Michos ED, Prince MR, Barr RG. Pulmonary hyperinflation due to gas trapping and pulmonary artery size: The MESA COPD Study. PLoS ONE. 2017;12(5):e0176812.
Held M, Baron S, Jany B. [Functional diagnostics in pneumology]. Internist (Berl). 2018 Jan;59(1):15-24.

^Наверх