Légzéstámogató berendezések

Definíció - élet Az „élet”: absztrakt definíció „élő” és „élettelen” megkülönböztetésével. Az „élő” jellemzői:  mozgás (különböző szintjei),  válaszreakció (a külvilág ingereire)  anyagcsere (metabolizmus),  szaporodás (reprodukció),  növekedés

Definíció - anatómia Az anatómia a test felépítését tárgyaló ill. rendszerező tudomány Felosztás: mozgásrendszer (csontváz- és izomrendszer) érzékszervek zsigeri rendszer (emésztő-, légző-, kiválasztó rendszer, nemi szervek) keringési szervek rendszer szabályozó rendszer (ideg- és mirigyrendszer) e

Tartalom A légzőrendszer felépítése A légzőrendszer működése Légzési munka Légzésvizsgálatok Légzéstámogató eszközök  Negatív nyomású berendezések  Pozitív nyomású berendezések 4

A légzőrendszer A levegő útja  Orrüreg – az üregben található szőrök szűrik, a mirigyek párásítják, a hajszálerek felmelegítik a levegőt  Orrgarat, szájgarat, gége – A levegő és a táplálék útja (előbél) „keresztezik” egymást  Légcső (trachea) – Kötőszövettel kapcsolódó C alakú porcok (kb ø20 mm), a belső falán csillószőrös hám és nyálkahártya szűri a levegőt  Tüdő (páros szerv, 2 ill. 3 lebennyel) Hörgők (bronchus) Hörgőcskék (bronchiolus) – párásítás Tüdőhólyagocskák (alveolus) (kb 300 millió darab, ø μm, össz m2 felület) 5 Kb. 23 szintnyi elágazás, az első 16 szinten (az alveolusok előtt, kb. 150 ml térfogaton) nincs légcsere

A légzés folyamata Ahhoz, hogy levegő áramoljon be a tüdőbe, nyomáskülönbséget kell létrehozni Belégzés:  A rekeszizom és a külső bordaközi izmok összehúzódnak, ezzel megnő a mellkasi üreg térfogata  Nehézlégzéskor a légzési segédizmok (mellizmok, széles hátizom, fűrészizmok, fejbiccentő izmok) is működésbe lépnek  A tüdő anatómiailag nem kapcsolódik a mellkas belső feléhez  A tüdő és a mellkasi üreg fala közötti pleura üreget folyadék tölti ki, ezért mozog a tüdő együtt a mellkassal  Normál légzés: a rekeszizom közepe kb. 1,5 cm-rel kerül alacsonyabbra  Mély levegővételnél akár 10 cm-rel is lejjebb kerülhet 6

A légzés folyamata (folyt.) Kilégzés:  A külső bordaközi izmok elernyednek, a belső bordaközi izmok összehúzódnak  Erőltetett kilégzéskor (például egyes vizsgálatoknál és köhögéskor) a hasfal összehúzódására is szükség van  A kilégzés lassításához és a sima átmenet biztosításához a kilégzési szakasz legelején a rekeszizom még jobban összehúzódik  A mellkasi üreg összehúzódásakor a tüdő a kitágult struktúrájában tárolt rugalmasságnak köszönhetően összehúzódik Légzési ciklusok száma:  Nyugodt légzés (eupnoe): 14-16/perc  Nehézlégzés (dyspnoe): < 14/perc  Felületes ziháló légzés (polipnoe/hiperpnoe): > 16/min  Légzés hiánya: apnoe 7

Gázcsere A gázcsere a kapillárisokkal átszőtt tüdőhólyagocskákban meg végbe, amelyek nyitott termodinamikai rendszert alkotnak A légzési gázcserét a különböző légterek parciális nyomása befolyásolja Fontos szerepet játszanak a vérplazmában oldott gáztenziók A gázcsere hajtóereje a gázdiffúzió, amelyet a parciális nyomásgradiens befolyásol A tüdőhólyagocskák falának vastagsága a tüdő telítettségétől függően 0,2-0,5 μm 8 biofiz.semmelweis.hu%2Frun%2Fdl_t.php%3Fid%3D1785%26tid%3D68&usg=AFQjCNGffHMK9cPbJ3Tm3epDU FWjA2HTHg

A légzéshez szükséges energia A légzés során a légzőizmok jelentős munkát végeznek  A tüdő és a mellkas rugalmasságának legyőzésére (összes munka kb %-a fordítódik erre)  A súrlódás (viszkózus és a levegő-légutak közötti súrlódás) legyőzésére (30-35%)  A szervek és csontok tehetetlenségének legyőzésére (2-5%)  (A százalékos megoszlás a légzési frekvencia és a térfogat megváltozásával módosulhat) 9

Rugalmasság A tüdő elasztikus struktúrával rendelkezik, amely azt is lehetővé teszi, hogy rendkívül kicsi térfogatra zsugorodjon A rugalmasságot az elasztin és kollagén szálak (20-50%), valamint az alveolusok folyadékhártyájának a felületi feszültsége (50-80%) biztosítja Normál légzéstartományban kb 50-50%-ban járulnak hozzá a tüdő rugalmasságához A kisebb sugarú tüdőhólyagocskák folyadékfilm hártyájának felületi feszültsége kisebb, mint a nagyobb átmérőjű hólyagok esetében 10

Rugalmasság (folyt.) A tüdő, a mellkas, valamint az együttes rendszer rugalmassága (compliance) a térfogat-nyomás görbék meredekségeként is értelmezhető Jellegzetes pontok:  A: kilégzés befejeződésekor a nyomások megegyeznek, de ellentétes előjelűek, a tüdő térfogata megegyezik a funkcionális tartalom kapacitással (FRC)  B: a mellkas egyensúlyi térfogata  C: a tüdő és az együttes görbék találkoznak, a nyomás egyedül a tüdő nyomásából származik  D: további belélegzett levő esetén a tüdő és a mellkas is az egyensúlyi helyzetnél tovább nyúlik  E: a nyugalmi állapothoz képest jobban össze van nyomva a mellkas 11

Súrlódásból származó erők A súrlódás 2 összetevőből adódik.  A levegő és légutak közötti súrlódásból (80%) A súrlódás nagysága függ az áramlás típusától (lamináris/turbulens) és a levegő sebességétől A levegőáramlás okozta súrlódás 40-50%-áért az orr és a gége közötti szakasz felelős (szájon át légzésnél valamivel kisebb a súrlódás) A legnagyobb súrlódás a 4-6 szintű hörgőknél tapasztalható (az átmérő/az áramlási sebesség/a hossz közötti komplex összefüggés miatt) 12 A tüdő és mellkasi üreg belső fala közötti viszkózus súrlódásból (20%) A pleura üreget folyadék tölti ki, de minimális súrlódás így is megmarad Mélyebb levegővételnél a hasüregi szervek közötti súrlódással is számolni kell

Tehetetlenség A légzés során végzett munka esetében figyelembe kell venni:  A tüdő és a mellkas tehetetlenségét Mindkettő viszonylag nagy tömegű, de normál légzés esetén kicsi a gyorsulásuk  A be-, illetve kilélegzett levegő tehetetlenségét Az előzővel ellentétben kis tömeg, de sokkal nagyobb a gyorsulása Összefoglalva: 13

Légzési jellemzők mérése Spirometria  tüdő térfogatok (statikus spirometria) vagy azok időbeli, illetve áramláshoz viszonyított változásainak (dinamikus spirometria) és az oxigénfelhasználás mérése  a legalapvetőbb fontosságú műszeres vizsgálat a betegségek pontos diagnosztikájában, illetve súlyossági fokozatuk megállapításában  segítségével sok légúti betegség már a súlyosabb tünetek kialakulása előtt kimutatható  A rendszer felépítése: Maszk, amibe a beteg lélegzik Részben vízbe merített harang Csiga+ellensúly Adatok rögzítése papírra 14 Vagy digitális eszköznél áramkörök

Spirometria (folytatás) Tüdő térfogatok mérése 15 Kilégzési rezerv térfogat Reziduális térfogat Nyugalmi belégzési térfogat Vitálkapacitás Belégzési rezerv térfogat

Spirometria (folytatás) A légzőrendszer légmozgatási képességének mérése  Szelepek vagy CO2 abszorber nélküli spirométerrel végzett vizsgálat  Erőltetett vitálkapacitás (FVC – Forced vital capacity): Maximális belégzés, majd kilégzés a lehető leggyorsabban  FEV t : az FVC során kapott görbe a kezdeti szakasz után (a csúcsáramlás (PF – Peak flow) eléréséig) lineáris, így értelmezhető az egységnyi idő (0,5/1 s) alatt kilélegzett levegő  MVV: a maximális belégzések, majd kilégzések során megmozgatott levegő térfogata (általában 20 s alatt, elkerülendő a hiperventillációt) 16

Pneumotachográf 17 szeged.hu/dmi/downloads/fizika2011/hun2/fizika2_gyak4_2012.pdf

Légzéstámogató eszközök – vastüdő A kezdetek  Első kísérletek mesterséges lélegeztetéssel állaton (gégemetszés útján): 1543 körül Vesalius, 1667 körül Robert Hook  Első sikeres eszköz: Ebon Braun (1889, Bécs) – Újszülöttek lélegeztetésére szolgáló eszköz Korabeli jelentések szerint mintegy 50 újszülött életét sikerült megmenteni  1881 – Alexander Graham Bell kísérletezik „vákuum mellénnyel” és korai vastüdővel _inset_lg.jpg Braun készüléke Bell eredeti jegyzetei

Légzéstámogató eszközök – vastüdő (folyt.) Az első vastüdők (negatív nyomású noninvazív lélegeztető)  Az első megfelelően működő vastüdők kifejlesztéséhez nagyban hozzájárult az elektronika fejlődése (megbízható áramforrások és elektromos motorok), valamint a 20. század elején kirobbanó polio (gyermekbénulás-járvány), ami miatt sok fiatal szorult légzéstámogatásra  Első vastüdő (1918): W. Steuart a poliomyelitisben szenvedők számára kifejleszt egy légzéstámogató eszközt (fújtatót) Az eszköz rendkívül sikeres volt, de nem szabadalmaztatta  1926: Drinker és Shaw egy újraélesztő berendezés kifejlesztésének érdekében kísérletbe kezd: Egy macskát egy dobozba tesznek úgy, hogy csak a feje lógjon ki, a nyakánál gumigallérral szigetelik a rést. Megfigyelésük szerint a macska lélegzésével folyamatosan változik a nyomás a dobozban. A macskát elkábítva és a folyamatot megfordítva létrehozzák a vastüdőt.  1928: Megkezdődik az első Drinker lélegeztető klinikai tesztje - egy 8 éves poliomyelitises kislányt sikerül életben tartani vele 19 Comics-Enter-The-Fight-Against-Polio-Part-2-4.jpg Drinker lélegeztető, 1938

Légzéstámogató eszközök – vastüdő (folyt.) Az 1930-as években robbanásszerűen terjed a polio, így egyre több vastüdőre van szükség (egyes betegek akár 2 évet is vastüdőben tölthettek) A fő cél a minél gazdaságosabb és gyorsabb gyártás, így 1937-ben már fából is készítenek kamrákat Az 1950-es években John Emerson harvardi mérnök egyszerűsíti a a Drinker lélegeztetőt és annak gyártását, az általa gyártott gép 1955-ra a „polio szembeni győzelem szimbólumává” vált Azonban 1957-re más miatt szorul vissza a polio: bevezetik a polio elleni vakcinát, amelyet Jonas Salk fejleszt ki 1954-ben A későbbi fejlesztések célja a lehető legmobilabb és otthon is alkalmazható eszközök kifejlesztése volt orig Ranchos Los Amigos Hospital, 1953 John Prestwick 50 évet élt mobil vastüdőjében

Légzéstámogató eszközök – vastüdő (folyt.) A vastüdő rendszerek fő komponensei:  Kamra A test (vagy mellkas) körülölelése, a kialakuló negatív nyomás elviselése Oldalán ablakok és gumikesztyűs nyílások a beteg megfigyeléséhez és mosdatásához  Pumpa mechanizmus Negatív nyomás ciklikus biztosítása Állítható paraméterek a különböző igényű betegek miatt  Mérőberendezések, adatrögzítők Hátrányok  A hasfalra és a mellkasra kifejtett negatív nyomás befolyásolja a vér áramlását a vénákban, ami miatt csökken a szív pulzustérfogata  A vastüdős lélegeztetés során tapasztalható légeloszlás a tüdőben különbözika a természetes eloszlástól 21 Természetes légzés/légtüdős lélegeztetés

Légzéstámogató eszközök (folyt.) Pozitív nyomású lélegeztetők  Az első pozitív nyomású lélegeztetők a búvárok lélegzését biztosította (első légpumpa egy „búvárhordó” ellátásához: 1771, John Smeaton)  1825 – William James megalkotja az első búvársisakot  1942-ig számos búvár halt meg a tiszta oxigén toxikus hatása, miatt ekkor E. Gagnan és J. Cousteau elkészíti az első oxigénregulátort  A pozitív nyomású készülékek elterjedésében nagy szerepe volt a 2. világháború vadászpilótáinak számára kifejlesztett készülékeknek, valamint a polio terjedésének Skandináviában és az USA-ban az 1950-es években 22 William James búvársisakja

Légzéstámogató eszközök (folyt.) A berendezés a légköri nyomásnál nagyobb nyomású oxigén- levegő keveréket juttat a tüdőbe Belégzéskor a sűrített oxigén/levegő palackból áramlik a levegő vagy egy kompresszor segítségével érnek el nagyobb nyomást Lehetőség van a levegő felmelegítésére és párásítására is Kilégzéskor kinyílik a kilégző szelep A berendezés nagyobb ellenállású és kisebb rugalmasságú tüdővel rendelkező betegéknél is alkalmazható, így szinte ma már teljesen átvette a negatív nyomású lélegeztetők szerepét Használható apnoe, akut tüdősérülés, alacsony vitálkapacitás stb. esetén A modern készülékek esetén egy mikroprocesszoros rendszer irányítja a ciklust, valamint szenzorok is figyelhetik a nyomásváltozást 23

Légzéstámogató eszközök (folyt.) Blokkdiagram 24

Légzéstámogató eszközök (folyt.) Lélegeztetési módok  Az egyes betegek különböző üzemmódokban használhatják a berendezéseket, fokozva a hatékonyságot Kontrollált üzemmódok  Volumen kontrollált mód: a belégzési szakaszban a berendezés egy meghatározott térfogatnyi levegőt biztosít a betegnek  Nyomáskontrollált mód: a beteg tüdejének ellenállásától és rugalmasságától függetlenül a berendezés mindig egy adott nyomású levegőkeveréket biztosít  Kilégzési szakaszban a berendezés nem engedi, hogy a nyomás az atmoszférikus nyomásra essen vissza, elkerülendő az alveolusok összeesését Spontán üzemmód  A berendezés csak a belégzési szakaszban működik, a beteg önálló kilégzésekor kikapcsol 25

Légzéstámogató eszközök (folyt.) Hordozható eszközök  Cél az otthoni (vagy munkahelyi) használat lehetőségének biztosítása pl. a kórházi fertőzések elkerüléséhez  Egyszerű működtetési módok riasztásokkal, külső vagy belső akkumulátorokkal  Jellemzően külső levegő és oxigén keverékét juttatják a maszkba  Az oxigén származhat palackból vagy oxigén akkumulátorból  Alvási apnoé esetén orra applikálható maszk is alkalmazható 26 lue.jpg

Források Graham M. Booker: Introduction to Biomechatronics, Scitech publishing, 2012 (a forrásmegjelölés nélküli képek is) szeged.hu/dmi/downloads/fizika2011/hun2/fizika2_gya k4_2012.pdf 27