18
SINH LÝ HỌC THÔNG KHÍ
Thông khí hay còn gọi là hô hấp ngoài, đó là quá trình trao đổi khí giữa phế nang và môi
trường bên ngoài.
I. CÁC CƠ QUAN THAM GIA VÀO QUÁ TRÌNH THÔNG KHÍ
1. Lồng ngực
Lồng ngực đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thông khí. Nó được cấu tạo như
một khoang kín:
Phía trên là cổ, gồm các bó mạch thần kinh lớn, thực quản và khí quản.
Phía dưới là cơ hoành, một cơ hô hấp rất quan trọng.
Xung quanh là cột sống, xương sườn, xương ức, xương đòn và các cơ bám vào,
trong đó quan trọng là các cơ hô hấp.
Khi các cơ hô hấp co giãn, xương sườn sẽ chuyển động làm kích thước của lồng ngực
thay đổi và phổi co giãn theo nhờ đó mà ta thở được.
2. Đường dẫn khí
Đường dẫn khí là một hệ thống ống, từ ngoài vào trong gồm có: mũi, họng, thanh quản,
khí quản, phế quản, tiểu phế quản và các tiểu phế quản tận. Tiếp theo tiểu phế quản tận là các
bộ phận tham gia vào sự trao đổi khí: tiểu phế quản hô hấp, ống phế nang và phế nang.
Từ khí quản cho đến phế nang, đường dẫn khí phân chia 23 lần tạo ra 23 thế hệ:
16 thế hệ đầu tiên được cấu tạo bởi phế quản, tiểu phế quản và tiểu phế quản tận,
đây là đường dẫn truyền không khí.
7 thế hệ tiếp theo được cấu tạo bởi tiểu phế quản hô hấp, ống phế nang và phế nang,
đây là vùng hô hấp hay là vùng trao đổi khí.
Do sự phân chia này mà tổng thiết diện của đường thở càng vào sâu càng tăng lên, điều
này rất thuận lợi cho sự trao đổi khí ở phế nang.
Ngoài chức năng dẫn khí, đường dẫn khí còn có các chức năng khác:
Điều hòa lượng không khí đi vào phổi.
Làm tăng tốc độ trao đổi khí ở phổi.
Bảo vệ phổi.
Sở dĩ như vậy là nhờ đường dẫn khí có những đặc điểm cấu tạo sau đây:
Niêm mạc có hệ thống mao mạch phong phú để sưởi ấm cho luồng không khí đi
vào, đồng thời có nhiều tuyến tiết nước để bão hòa hơi nước cho không khí. Không
khí được sưởi ấm và bão hòa hơi nước thì tốc độ trao đổi khí ở phổi tăng lên.
Niêm mạc mũi có hệ thống lông để cản các hạt bụi lớn (>10 m), niêm mạc phía
trong có những tuyến tiết ra chất nhầy để giữ lại các hạt bụi nhỏ, đường dẫn khí
càng vào trong càng hẹp và gấp khúc nên bụi dễ bị giữ lại hơn. Ngoài ra, các tế bào
niêm mạc từ mũi cho đến tiểu phế quản tận còn có hệ thống lông rung, các lông này
19
đập phối hợp với nhau khoảng 1.000 - 1.500 lần/phút, có tác dụng đẩy bụi và chất
dịch ứ đọng trong đường hô hấp ra ngoài với vận tốc khoảng 1 - 2 cm/phút. Ở họng,
các chất này được khạc ra ngoài hoặc nuốt vào dạ dày. Hoạt động của hệ thống lông
rung giảm khi bị ô nhiễm không khí hoặc ở những người hút nhiều thuốc lá gây ra
ho, viêm xoang mãn tính, viêm phổi tái phát và giãn phế nang.
Hình 1: Cấu tạo hệ thống lông rung đường dẫn khí
Khí quản và phế quản được cấu tạo bằng những vòng sụn (chiếm 5/6 chu vi của khí
quản). Nhờ đó, đường dẫn khí luôn rộng mở làm không khí lưu thông dễ dàng. Ở
các tiểu phế quản và tiểu phế quản tận có nhiều cơ trơn (cơ reissessen), chúng có
thể co giãn làm thay đổi khẩu kính của đường dẫn khí để điều chỉnh lượng không
khí đi qua. Hoạt động của các cơ trơn này được điều khiển chủ yếu bởi hệ thần kinh
tự động:
Thần kinh giao cảm: tác động lên
2 adrenergic receptor gây giãn.
Thần kinh phó giao cảm: tác động lên Muscarinic receptor gây co.
3. Phổi
Phổi là một tổ chức rất đàn hồi, được cấu tạo cơ bản bởi các phế nang. Đây là nơi chủ
yếu xảy ra quá trình trao đổi khí. Cả hai phổi có khoảng 300 triệu phế nang, biểu mô phế nang
gồm 2 loại tế bào: tế bào loại I và tế bào loại II. Mỗi phế nang có đường kính khoảng 0,2 -
0,5 mm, tổng diện tích mặt bên trong của toàn bộ các phế nang rất lớn (khoảng 70 m2) và
được gọi là diện trao đổi.
Xung quanh các phế nang được bao bọc bởi một mạng mao mạch rất phong phú, mạng
mạch máu này có nhiều nối thông. Vì thế, mỗi phế nang như nằm trong 1 rỗ lưới mao mạch.
Thành phế nang và thành mao mạch bao quanh tạo nên một cấu trúc đặc biệt đóng vai
trò quan trọng trong việc khuếch tán khí giữa phế nang và máu gọi là màng hô hấp. Màng hô
hấp rất mỏng, trung bình 0,5m, nơi mỏng nhất chỉ khoảng 0,2 m và có 6 lớp:
1. Lớp Surfactant
2. Tế bào biểu mô phế nang
20
3. Màng cơ bản biểu mô
4. Khoảng kẽ
5. Màng cơ bản mao mạch
6. Tế bào nội mô mao mạch
Hình 2: Cấu tạo màng hô hấp
Như vậy, cấu tạo của phổi có các đặc điểm phù hợp hoàn toàn với chức năng của nó:
Diện trao đổi lớn
Mạch máu phân bố phong phú
Màng hô hấp rất mỏng
Tất cả những đặc điểm cấu tạo đó giúp cho sự trao đổi khí ở phổi xảy ra rất thuận lợi.
Bên trong lòng phế nang được lót bởi một chất đặc biệt gọi là chất hoạt diện (Surface
active agent) hay còn gọi là chất Surfactant.
Surfactant do tế bào phổi loại II (chiếm 10% bề mặt phế nang) bài tiết ra, đó là một
loại lipoprotein mà chất chính là Dipalmitoylphosphatidylcholin :
Dipalmitoylphosphatidylcholin 62%
Phosphatidylglycin 5%
Các phospholipid khác 10%
Các lipid trung tính 13%
Protein 8%
Carbonhydrat 2%
Chất Surfactant có chức năng quan trọng đối với sinh lý hô hấp thông qua 3 cơ chế:
Làm giảm sức căng bề mặt của phế nang, giúp phế nang giãn ra dễ dàng trong lúc hô
21
hấp: do phân tử phospholipid của surfactant có 2 đầu, đầu ưa nước hướng vào trong
và 2 đuôi acid béo kỵ nước hướng vào lòng phế nang, phần acid béo kỵ nước này
không bị lực hút của các phân tử nước ở bên dưới nên sức căng bề mặt phế nang
giảm xuống từ 2 đến 10 lần so với không có surfactant.
Ngăn cản các chất dịch từ mạch máu tràn vào lòng phế nang. Nếu không có
surfactant, sức căng bề mặt của phế nang tăng lên tạo nên một lực có tác dụng kéo
nước vào phế nang gây phù phổi. Ngược lại, khi có surfactant, áp lực này chỉ còn rất
thấp, trong khi áp lực kéo nước của khoảng kẽ khá lớn. Vì vậy, dịch từ mao mạch sẽ
thấm vào khoảng kẽ rồi theo hệ thống bạch huyết trở về tuần hoàn chung.
Ôn định áp suất bên trong lòng các phế nang để tránh hiện tượng xẹp và vỡ phế
nang.
Để giải thích cơ chế thứ 3 này, trước hết ta nghiên cứu thí nghiệm sau đây:
Người ta dùng một ống 3 nhánh và thổi vào hai bong bóng xà phòng có kích thước khác
nhau.
Sau đó, để hai bong bóng xà phòng thông với nhau, quan sát một thời gian ta thấy có
hiện tượng xảy ra như sau:
Bong bóng nhỏ ngày càng nhỏ dần và xẹp lại.
Bong bóng to phình to và vỡ.
Từ thí nghiệm này, một vấn đề được đặt ra: khi ta thở, do giãn ra không đều, các phế
nang nằm gần nhau sẽ có kích thước khác nhau. Vậy tại sao không có hiện tượng xẹp và vỡ
phế nang giống như thí nghiệm ở trên.
Sở dĩ các phế nang luôn được an toàn như vậy là nhờ surfactant. Để giải thích cơ chế tác
dụng này của surfactant, ta dựa vào định luật Laplace.
Theo định luật này, áp suất bên trong phế nang (P) được tính theo công thức:
Trong đó: r: bán kính của phế nang
T: sức căng thành phế nang
Ta lấy ví dụ hai phế nang bất kỳ nào đó nằm gần nhau và có độ giãn khác nhau: phế nang
1 nhỏ hơn phế nang 2.
Theo định luật Laplace thì:
PT
r
1
1
1
2
PT
r
2
2
2
2
Giả sử sức căng T ở cả 2 phế nang này bằng nhau:
T1 = T2
PT
r
2
22
Do r2 > r1
Suy ra P2 < P1
Như vậy, do P2 < P1 nên phế nang nhỏ ngày càng xẹp lại còn phế nang to sẽ phình to và
vỡ ra.
Tuy nhiên, điều này bình thường không xảy ra đối với các phế nang. Sở dĩ như vậy là do
chất surfactant lót trong lòng các phế nang làm sức căng bề mặt phế nang tỉ lệ nghịch với mật
độ chất surfactant trên mỗi đơn vị diện tích: khi phế nang co nhỏ, mật độ chất này tăng lên và
sức căng bề mặt giảm xuống; ngược lại, khi phế nang giãn ra, sức căng bề mặt tăng lên. Do
vậy, sức căng T luôn biến đổi gần như tỷ lệ thuận với bán kính r nên trong quá trình thở, áp
suất bên trong các phế nang dù tăng lên hay giảm xuống nhưng áp suất giữa các phế nang luôn
luôn bằng nhau.
Nếu không có chất surfactant, giống như hai bong bóng xà phòng trong thí nghiệm trên,
sức căng T rất ít thay đổi theo bán kính r làm chênh lệch áp suất giữa các phế nang gây nên
hiện tượng xẹp và vỡ phế nang.
Chất surfactant giảm ở những người hút nhiều thuốc lá, những bệnh nhân bị tắc mạch
máu phổi, những bệnh nhân thở O2 cao áp kéo dài và đặc biệt là ở trẻ sơ sinh đẻ non, phổi
không có surfactant, các phế nang sẽ bị xẹp, vỡ hoặc tràn dịch gây ra suy hô hấp nặng dẫn đến
tử vong gọi là bệnh màng trong (Hyaline membrane disease, Respiratory distress syndrome).
4. Màng phổi và áp suất âm khoang màng phổi
Màng phổi gồm hai lá: lá thành dính sát vào lồng ngực và lá tạng dính sát vào phổi.
Hai lá không dính nhau mà chỉ áp sát vào nhau tạo nên một khoang ảo kín gọi là khoang
màng phổi, trong khoang chỉ chứa một ít dịch nhờn làm 2 lá có thể trượt lên nhau một cách
dễ dàng.
Bằng thí nghiệm, người ta thấy áp suất trong khoang màng phổi thấp hơn áp suất của khí
quyển và gọi là áp suất âm (nếu qui ước áp suất khí quyển bằng O).
Sở dĩ khoang màng phổi có áp suất âm là do 2 cơ chế:
Do tính đàn hồi của nhu mô phổi
Do sự thay đổi kích thước của lồng ngực trong chu kỳ hô hấp
Cơ chế thứ hai sẽ giải thích sau trong phần thông khí, ở đây ta giải thích cơ chế thứ
nhất: tại sao tính đàn hồi của nhu mô phổi làm áp suất trong khoang màng phổi thấp hơn áp
suất khí quyển.
Do tính đàn hồi nên phổi luôn có khuynh hướng co lại nhỏ hơn thể tích của lồng ngực,
lá tạng bị kéo tách khỏi lá thành nên thể tích khoang màng phổi luôn có khuynh hướng tăng
lên. Khoang màng phổi là một khoang kín, theo định luật vật lý (định luật Boyle), trong một
bình kín ở nhiệt độ không đổi, khi thể tích bình có khuynh hướng tăng lên thì áp suất trong
bình sẽ giảm xuống thấp hơn áp suất bên ngoài bình (P.V = constant), vì vậy mà khoang màng
phổi có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
Vì áp suất âm của khoang màng phổi còn chịu sự chi phối của cơ chế thứ hai: sự thay
đổi kích thước của lồng ngực khi thở, nên giá trị của nó thay đổi theo chu kỳ hô hấp: