Czy zjawiska generujące WAW mogą być „impulsowe” ?
Przeanalizujmy założenie, w którym dysponując pewną maksymalna siłą F zamierzamy cofnąć tłok w zamkniętym cylindrze z zamkniętym wlotem. Objętość cylindra porównywalna jest z objętością płuc. Robimy to w celu uzyskania maksymalnej różnicy ciśnień po to, by przy nagłym udrożnieniu wlotu do cylindra uzyskać maksymalny „impuls” wdechowy. Taki nagły wzrost przepływu powietrza a co z tym idzie maksymalnie wysoki wskaźnik przyspieszenia wdechu WAW zamierzamy wykorzystać do skutecznej aerolizacji leku w urządzeniu DPI. Zależy nam również na wprowadzeniu leku jak najgłębiej. Znając podstawy anatomii dróg oddechowych oraz objetości oddechowych dokonujemy próby cofnięcia tłoka (wykonania wdechu) od granicy objetości rezydualnej RV, jak na ryc 1.
ryc. 1. Próba uzyskania różnicy objętości przy zamkniętym wlocie cylindra, z użyciem siły Fmax, od granicy RV.
Jak wiadomo 1), realistyczna, maksymalna siła mięśni umożliwia uzyskanie maksymalnego podciśnienia wdechowego rzędu 102 cm H2O. Przyjmując, że dla osoby dorosłej RV = 1200 ml okazuje się, że po „naciągnięciu tłoka” i udrożnieniu wlotu do cylindra w czasie takiego „impulsu” zassana byłaby jedynie objętość około 130 ml. Jest to wynik niezadowalający zarówno pod względem uzyskanej objętości jak również nietypowego jak dla cyklu oddechowego początku wdechu. Zmieńmy zatem punkt początkowy wdechu tak, by początek drogi tłoka przypadał na górną granicę ERV (czyli dolna granicę objętości oddechowej TV).
ryc. 2. Próba uzyskania różnicy objętości przy zamkniętym wlocie cylindra, z użyciem siły Fmax, od granicy ERV.
Dysponując tą samą siłą i podciśnieniem wdechowym, maksymalny „skok tłoka” będzie nieco większy a towarzyszący mu przyrost objętości wyniósłby niespełna 300 ml.
Co zatrzymywało tłok z ryc 1 i 2 po krótkiej chwili ruchu? Co uniemożliwiało zwiększenie „zapasu objętości” pod tłokiem? Dlaczego nie jest możliwe „naciągnięcie tłoka” tak mocno, by po odróżnieniu wlotu do cylindra (czytaj: do płuc) powstał impuls jednocześnie i silny, i cechujący się znaczną objętością ?.
Kiedy mięśnie wdechowe rozpoczynały skurcz a wlot cylindra był zamknięty, na pozór nie działo się nic szczególnego. Układ zachowywał się zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a wyrażonego wzorem: P1*V1 = P2 * V2, gdzie P oznacza ciśnienie a V objętość. Przy ciśnieniu atmosferycznym rzędu 1033,23 cm H2O zwiększenie objętości pod tłokiem z V1 = 1200 ml do V2 = 1210 ml (czyli o 10 ml) skutkowało różnicą ciśnień rzędu 1033,23 cm H2O x 1200 ml / 1210 ml = -8,5 cm H2O. Do uzyskania takiego podciśnienia nie była potrzebna duża siła mięśni. Kiedy tłok przesunął się dalej, a pod tłokiem „zrobiło się miejsce” na kolejnych 20 ml, sytuacja przedstawiała się następująco: 1033,23 cm H2O x 1200 ml / 1230 ml = – 25 cm H2O.
ryc. 3. Zależność między wzrostem objętości w przestrzeni zamkniętej pod tłokiem a spadkiem ciśnienia .
Przy podciśnieniu – 25 cm H2O wykorzystano 1/4 siły, którą dysponujemy do wykonania wdechu. Dalsze konsekwencje ruchu tłoka ilustruje ryc. 3. Jak widać, aby „przygotować miejsce” pod tłokiem, na każdy dodatkowy mililitr objętości potrzebna była wciąż większa i większa siła by utrzymać tłok. Z innej perspektywy, w układzie z zamkniętym wlotem, „osiągnięciu granicy możliwej do wykorzystania siły siły” do dalszego przesuwania tłoka towarzyszy względnie duży „zapas” drogi ruchu, czyli teoretyczna możliwość kontynuacji ruchu pod warunkiem zwiększenia przyłożonej siły. Czas ruchu tłoka jest nieistotny, ponieważ w modelu „impulsowym” czynnikiem generującym WAW jest uzyskana różnica ciśnień. Niestety, jak wiemy, człowiek dysponuje jedynie określoną siłą i określoną mocą mięśni, granic których nie może przekroczyć. Jak widać z przytoczonych przykładów koncepcja „impulsowego” generowania przepływów nie odpowiada rzeczywistości. Należy poszukiwać bardziej adekwatnego modelu opisującego dynamikę wdechu.
Dlaczego zatem poświęcono tak wiele uwagi opisowi zjawiska nieporwanie opisującego mechanikę wdechu? Odpowiedź jest prosta: bez zrozumienia opisu sytuacji skrajnych, to znaczy sposobu zachowania się układu oddechowego w warunkach zniesienia drożności oraz przeciwnej: czyli sytuacji „zerowego” oporu na wlocie do układu nie sposób odnieść się do zjawisk omawianych przy opisie wdechu wykonywanego przez konkretny, pośredni opór.
Jak zjawiska generujące WAW są „rozciągnięte” w czasie?
W czasie fizjologicznego oddychania zmiany objętości i przepływy są skutkiem „rozciągnięcia w czasie” działania siły mięśni wdechowych co jest możliwe z powodu dokonywania wdechu w warunkach „otwartego wlotu do cylindra”, czyli bardzo niskiego oporu dróg oddechowych dróg oddechowych. W takich warunkach powietrze wpada do dróg oddechowych swobodnie, nie tworzy się podciśnienie a co za tym idzie ruchu tłoka nie hamuje żadna siła przeciwstawna. Co więcej, ruch tłoka możliwy jest już przy wykorzystaniu minimalnej siły. W takich warunkach nadmiarowi pozostającej do dyspozycji siły towarzyszy jednak deficyt drogi ruchu, bowiem ruch tłoka nie może odbywać się w nieskończoność.
ryc. 4. Napełnianie dróg oddechowych od dolnej granicy ERV do górnej granicy IRV ( do pojemności VC).
Ma to pewne istotne konsekwencje dla wskaźnika przyspieszenia wdechu: objętość cylindra napełniana jest wprawdzie przy użyciu nawet znikomej siły od początku do końca drogi ruchu, jednak należy pamiętać, że jest to równoznaczne z pokonywaniem punktów, w których uzyskiwane są pewne objętości oddechowe. Na przykład przy jednostajnym ruchu tłoka na ryc . 4 czas między punktem t0 a punktem t1 jest dłuższy niż między punktami t1 a t2. W modelu z „oporem zerowym” nie ma gradientu ciśnień a powietrze podąża bezpośrednio za tłokiem bez opóźnienia czasowego1) a wskaźnik WAW zależy bezpośrednio od czau, w jakim tłok pokonuje drogę od punku t0 przez t1 , t2 do t3 , gdzie osiąga maksimum dopuszczalnego zakresu ruchu. Innymi słowy, przy „zerowym oporze wdechowym” wartość WAW jest niezależna od wykorzystywanej siły i wiąże się ze zdolnością do wykonania przez tłok maksymalnie szybkiego skoku.
Do przemyślenia:
Oba prezentowane modele są opisem hipotetycznych sytuacji skrajnych. W rzeczywistości każdemu wdechowi towarzyszy pewien opór, do którego pokonania niezbędna jest pewna siła. Siła ta pozwala na wytworzenie pewnego podciśnienia wdechowego. Im większy jest opór wdechowy, tym bardziej układ zbliża się do sytuacji, w której „impulsem” generującym WAW jest w większym stopniu siła mięśni i generowana prze nią różnica ciśnień niż szybkość ruchu tłoka (ścian klatki piersiowej i przepony). Analogicznie: niedobór gradientu ciśnień przy niskich oporach wdechowych musi być rekompensowany bardziej szybkością ruchu tłoka (ścian klatki piersiowej i przepony) niż samą siłą mięśni. Rozróżnienie typu „duża siła” vs. „duża szybkość” w czasie spokojnego oddychania nie stanowi żadnej kwestii: do harmonijnego sposobu wykorzystania siły skurczu mięśni i czasu pomiędzy początkiem a końcem skurczu mięśni każdy człowiek przystosowany jest ewolucyjnie. Wyjątek od reguły mogą stanowić jednak sytuacje, w których układ oddechowy zmuszony jest do pokonywania niefizjologicznego oporu wdechowego, co ma miejsce w przypadku dokonywania wdechu przez urządzenie DPI. Kiedy w populacji generalnej przypatrzymy się jak wygląda statystyczny rozkład „siły wdechu” rozumianej jako możliwość wygenerowania maksymalnego ciśnienia wdechowego oraz rozkład zdolności do wykonania „błyskawicznego wdechu” okazuje się, że nie można z góry wykluczyć pojawienia się sytuacji bardzo przypominających „model impulsowy”, jak również sytuacji przeciwnych, zbliżonych do „modelu bezoporowego”. Zagadnieniu temu poświęcony jest odrębny artykuł.
1)M.Maskey-Warzęchowska, T.Przybyłowski, K.Hildebrand, K.Wrotek, J.Wiwała, J.Kościuch, R. Chazan: „Maksymalne ciśnienia oddechowe i tolerancja wysiłku u chorych na przewlekłą obturacyjną chorobę płuc„, Pneumonol. Alergol. Pol. 2006, 74, 72:76
2)Istotnym ograniczeniem fizycznym jest prędkość fali akustycznej rzędu 340 m/s
