1. Các cơ sử dụng trong hô hấp
a. Các cơ hít vào
Cơ hoành: Khi cơ hoành co, nội tạng bụng được đẩy xuống dưới và xương sườn nâng lên. Suốt quá trình tập thể dục, khi tần suất thở và thể tích khí lưu thông tăng, các cơ liên sườn ngoài và các cơ phụ cũng được sử dụng nhiều hơn.
b. Các cơ thở ra:
Thở ra bình thường là thụ động.
Trong suốt quá trình tập thể dục hay trong các bệnh lý có kháng lực đường thở cao (chẳng hạn hen), các cơ thở ra có thể hỗ trợ thở ra. Bao gồm: các cơ bụng, các cơ liên sườn trong, kéo các xương sườn xuống dưới và vào trong
2. Sự giãn nở
Compliance được mô tả là sự mở rộng của hệ thống. Trong hệ hô hấp, độ giãn nở của các phổi và thành ngực là mối quan tâm hàng đầu. Độ giãn nở là một phép đo của những thay đổi thể tích bao nhiêu khi một kết quả của một thay đổi áp suất. Vì vậy độ giãn nở phổi mô tả sự thay đổi thể tích phổi đối với thay đổi trong áp suất đã cho.
Độ giãn nở của phổi và thành nực là tương quan ngược bởi tính đàn hồi. Để đánh giá tương quan ngược giữa độ giãn nở và độ đàn hồi, xem 2 dải cao su, một mỏng và một dày. Cao su mỏng có ít độ đàn hồi hơn và nó dễ dàn kéo căng, nó có thể mở rộng hơn. Dải cao su dày có độ đàn hồi lớn hơn, nó khó để kéo căng và ít mở rộng hơn. Hơn thế nữa, khi kéo căng, dải cao su dày với độ đàn hồi nhiều hơn bắn lại với lực mạnh hơn so với dải cao su mỏng.
=> Cấu trúc của phổi cũng vậy: có nhiều mô đàn hồi, xu hướng bật lại càng lớn và lực đàn hồi càng lớn nhưng độ giãn nở lại thấp.
Việc đo độ giãn nở của phổi yêu cầu đo đồng thời áp lực và thể tích phổi. Thuật ngữ về áp lực có thể là mơ hồ, tuy nhiên, bởi vì áp ực có thể là áp lực trong phế nang, ngoài phế nang, hoặc thậm chí là áp lực xuyên qua thành phế nang.
Áp lực truyền (transmural pressure) là áp lực xuyên qua một cấu trúc. Ví dụ: có sự chênh lệch khác nhau giữa áp lực bên trong và bên ngoài phế nang. (Không gian bên trong màng phổi nằm giữa phổi và thành ngực). Cuối cùng, áp lực phổi luôn luôn đề cập đến áp suất khí quyển (called zero). Các áp suất bằng với áp suất khí quyển thì bằng 0, áp suất cao hơn khí quyển là áp suất dương, thấp hơn khí quyển gọi là áp suất âm.
3. Độ giãn của các phổi
Mối quan hệ giữa thể tích và áp suất trong một phổi được phân chia được minh họa như hình. Đối với minh họa này, một phổi được cắt bỏ và đặt trong một cái lọ. Không gian bên ngoài phổi là giống với áp lực trong khoang màng phổi. Áp lực bên ngoài phổi bị thay đổi bởi một máy bơm hút mô phỏng những thay đổi trong áp lực khoang màng phổi. Khi áp lực bên ngoài của phổi biến đổi, thể tích của phổi được đo bằng một phế dung kế. Phổi được làm phồng lên bởi áp suất âm tính bên ngoài. Quá trình bơm phồng tiếp theo là xẹp lại tạo ra một vòng lặp áp suất - thể tích. Độ dốc của mỗi nhánh trong vòng lặp áp suất - thể tích chính là độ giãn nở của phổi khi được tách biệt.
Trong thí nghiệm trên phổi chứa đầy không khí, các đường dẫn khí và các phế nang được mở ra thông với khí quyển, và áp suất phế nang bằng với áp suất khí quyển. Khi áp suất bên ngoài phổi được làm âm tính hơn bằng bơm hút, phổi phồng lên và thể tích của nó sẽ tăng lên. Áp suất âm bên ngoài làm giãn nở phổi, do đó được gọi là áp suất giãn nở (expending pressure). Phổi sẽ được lấp đầy không khí dọc theo nhánh hít vào của vòng lặp áp suất - thể tích. Ở mức áp suất giãn nở cao nhất, khi các phế nang đã được lấp đầy đến giới hạn, chúng trở nên cứng hơn và kém giãn nở khiến cho đường cong trên đồ thị trở nên phẳng lại. Khi phổi đã được giãn nở tối đa, áp suất bên ngoài phổi được điều chỉnh dần dần trở nên ít âm hơn, khiến cho thể tích phổi giảm xuống dọc theo nhánh thở ra của vòng lặp áp suất - thể tích.
Một đặc điểm bất thường của vòng lặp áp suất - thể tích ở phổi chứa đầy không khí là độ dốc của các đường quan hệ trong thì hít vào và thì thở ra khác nhau, hiện tượng này được gọi là hysteresis (hiện tượng trễ). Vì độ dốc của mội quan hệ áp suất - thể tích chính là độ giãn nở, nên có thể thấy rằng độ giãn nở của phổi cũng phải khác nhau giữa thì hít vào và thì thở ra. Với cùng một mức áp suất bên ngoài, thể tích của phổi lớn hơn trong thì thở ra so với thì hít vào (nghĩa là độ giãn nở cao hơn trong thì thở ra so với thì hít vào) Thông thường, độ giãn nở được đo trên nhánh thở ra của vòng lặp áp suất - thể tích, bởi vì nhánh hít vào bị phức tạp hóa do sự giảm độ giãn nở ở mức áp suất giãn nở tối đa..
Tại sao đường cong giãn nở của phổi khi hít vào và thở ra lại khác nhau?Vì độ giãn nở (compliance) là một đặc tính nội tại của phổi phụ thuộc vào lượng mô đàn hồi, nên người ta thường nghĩ rằng hai đường cong này phải trùng khớp với nhau. Tuy nhiên, lời giải thích cho sự khác biệt giữa hai đường cong này (gọi là hiện tượng trễ - hysteresis) nằm ở sức căng bề mặt tại ranh giới giữa dịch và khí của phổi khi chứa đầy không khí: Lực hút liên phân tử giữa các phân tử chất lỏng lót trong phổi mạnh hơn nhiều so với lực giữa phân tử chất lỏng và phân tử khí.
Sự khác biệt giữa đường cong hít vào và thở ra trong phổi chứa đầy không khí được giải thích như sau:
- Nhánh hít vào (Inspiration limb)
Ở nhánh hít vào, quá trình bắt đầu tại thời điểm thể tích phổi thấp, nơi các phân tử chất lỏng nằm gần nhau nhất và lực liên phân tử đạt mức cao nhất; để làm phồng phổi, trước tiên ta phải phá vỡ các lực liên phân tử này.
Surfactant (chất hoạt diện) đóng một vai trò quan trọng trong hiện tượng trễ. Nói ngắn gọn, surfactant là một phospholipid được sản xuất bởi các tế bào phế nang loại II, hoạt động như một chất tẩy rửa để làm giảm sức căng bề mặt và tăng độ giãn nở của phổi. Trong quá trình làm phồng phổi (nhánh hít vào), surfactant mới được sản xuất sẽ đi vào lớp dịch lót phế nang và phá vỡ các lực liên phân tử này để giảm sức căng bề mặt.
Giai đoạn đầu: Ở thể tích phổi thấp nhất, diện tích bề mặt phổi tăng nhanh hơn tốc độ surfactant được thêm vào lớp dịch; do đó, mật độ surfactant thấp, sức căng bề mặt cao, độ giãn nở thấp và đường cong có dạng phẳng.
Giai đoạn tiếp theo: Khi quá trình làm phồng tiếp diễn, mật độ surfactant tăng lên, giúp giảm sức căng bề mặt, tăng độ giãn nở và làm tăng độ dốc của đường cong.
-. Nhánh thở ra (Expiration limb)
Ở nhánh thở ra, quá trình bắt đầu tại thể tích phổi cao, nơi lực liên phân tử giữa các phân tử chất lỏng đang ở mức thấp; ta không cần phải phá vỡ các lực liên phân tử để làm xẹp phổi.
Trong quá trình làm xẹp phổi (nhánh thở ra), diện tích bề mặt phổi giảm nhanh hơn tốc độ surfactant bị loại bỏ khỏi lớp dịch lót, khiến mật độ các phân tử surfactant tăng lên nhanh chóng. Điều này làm giảm sức căng bề mặt và tăng độ giãn nở; do đó, phần đầu của nhánh thở ra có dạng phẳng. Khi quá trình thở ra tiếp tục, surfactant dần bị loại bỏ khỏi lớp dịch lót và mật độ surfactant duy trì ở mức tương đối ổn định, tương tự như độ giãn nở của phổi.
Tóm lại, đối với phổi chứa đầy không khí, các đường cong độ giãn nở (compliance curves) được xác định một phần bởi độ giãn nở vốn có (intrinsic compliance) của phổi và một phần bởi sức căng bề mặt (surface tension) tại bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và không khí. Vai trò của sức căng bề mặt được chứng minh bằng cách lặp lại thí nghiệm trên phổi chứa đầy dung dịch muối (saline-filled lung). Khi bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và không khí – và do đó sức căng bề mặt – bị loại bỏ, thì các nhánh hít vào và thở ra trở nên giống nhau
4. Độ giãn của thành ngực.
Ở hình 5.8 cho thấy mối quan hệ giữa các phổi và thành ngực. Các đường dẫn khí (conducting airways) được biểu diễn bằng một ống duy nhất, và vùng trao đổi khí được biểu diễn bằng một phế nang duy nhất. Khoang màng phổi (intrapleural space), nằm giữa phổi và thành ngực, được minh họa lớn hơn nhiều so với kích thước thực tế. Giống như phổi, thành ngực cũng có tính giãn nở (compliance). Tính giãn nở này có thể được chứng minh bằng cách đưa không khí vào khoang màng phổi, tạo ra tình trạng tràn khí màng phổi (pneumothorax).
Để hiểu hậu quả của tràn khí màng phổi, trước hết cần nhận ra rằng bình thường khoang màng phổi có áp suất âm (thấp hơn áp suất khí quyển). Áp suất âm này được tạo ra bởi hai lực đàn hồi đối kháng tác động lên khoang màng phổi: phổi, với đặc tính đàn hồi của nó, có xu hướng co lại; trong khi thành ngực, với đặc tính đàn hồi của nó, có xu hướng bung ra. Khi hai lực đối kháng này kéo lên khoang màng phổi, một áp suất âm hay chân không được hình thành. Áp suất âm này chống lại xu hướng tự nhiên của phổi là co lại và của thành ngực là bung ra (tức là nó ngăn phổi khỏi bị xẹp và ngăn thành ngực khỏi bung ra).
Khi một vật sắc nhọn đâm thủng khoang màng phổi, không khí đi vào khoang này (gây tràn khí màng phổi), và áp suất màng phổi ngay lập tức trở nên bằng với áp suất khí quyển; do đó, thay vì giá trị âm bình thường, áp suất màng phổi trở thành bằng không. Có hai hậu quả quan trọng của tràn khí màng phổi: Thứ nhất, khi không còn áp suất âm để giữ cho phổi mở, phổi sẽ xẹp lại. Thứ hai, khi không còn áp suất âm để ngăn thành ngực bung ra, thành ngực sẽ bật ra ngoài. (Nếu bạn khó hình dung tại sao thành ngực lại muốn bung ra, hãy nghĩ về thành ngực như một chiếc lò xo mà bình thường bạn giữ lại bằng cách nén nó giữa các ngón tay). Tất nhiên, trong thực tế, thành ngực được “giữ lại” bởi áp suất âm trong khoang màng phổi, chứ không phải bởi lực từ các ngón tay của bạn. Nếu bạn buông ngón tay ra, hoặc loại bỏ áp suất âm trong khoang màng phổi, thì chiếc lò xo – hay thành ngực – sẽ bung ra ngoài.
 |
| Sơ đồ khái quát của hệ thống phổi và thành ngực. Khoang màng phổi (intrapleural space) được minh họa phóng đại và nằm giữa phổi và thành ngực |
 |
Hình 5.9: Áp suất màng phổi ở người bình thường và ở người bị tràn khí màng phổi. Các con số biểu thị áp suất tính bằng đơn vị cm H₂O. Các áp suất này được quy chiếu theo áp suất khí quyển; do đó, áp suất bằng 0 nghĩa là bằng với áp suất khí quyển. Các mũi tên minh họa cho lực đàn hồi có xu hướng giãn nở hoặc co lại. Bình thường, khi nghỉ ngơi, áp suất màng phổi là −5 cm H₂O, do sự cân bằng giữa hai lực đối kháng: lực co lại của phổi và lực giãn nở của thành ngực. Khi xảy ra tràn khí màng phổi, áp suất màng phổi trở nên bằng với áp suất khí quyển, khiến phổi bị xẹp và thành ngực bung ra.
5. Các đường cong áp suất – thể tích của phổi, thành ngực, và hệ thống phổi – thành ngực kết hợp.
 |
| Độ giãn nở (compliance) của phổi, thành ngực, và hệ thống phổi – thành ngực kết hợp. Vị trí cân bằng nằm tại dung tích cặn chức năng (Functional Residual Capacity – FRC), nơi mà lực giãn nở của thành ngực bằng đúng với lực co xẹp của phổi. |
Đường cong áp suất – thể tích có thể được xác định cho phổi riêng lẻ (ví dụ: phổi tách biệt đặt trong bình), cho thành ngực riêng lẻ, và cho hệ thống phổi – thành ngực kết hợp, như minh họa trong Hình 5.10. Đường cong của thành ngực riêng lẻ được xác định bằng cách lấy đường cong của hệ thống phổi – thành ngực trừ đi đường cong của phổi, sẽ được mô tả sau. Đường cong của phổi riêng lẻ tương tự như đường cong trong Hình 5.7, với hiện tượng trễ (hysteresis) được loại bỏ để đơn giản hóa. Đường cong của hệ thống phổi – thành ngực kết hợp được xác định bằng cách cho một người được huấn luyện hít vào và thở ra trong máy đo hô hấp (spirometer) như sau: Người đó hít vào hoặc thở ra đến một thể tích nhất định. Van của máy đo hô hấp sau đó được đóng lại, và khi người đó thả lỏng cơ hô hấp, áp suất đường thở được đo (gọi là áp suất thư giãn – relaxation pressure). Bằng cách này, các giá trị áp suất đường thở được ghi nhận tại nhiều thể tích tĩnh khác nhau của hệ thống phổi – thành ngực kết hợp. Khi thể tích là FRC (Functional Residual Capacity – dung tích cặn chức năng), áp suất đường thở bằng 0 và bằng với áp suất khí quyển. Ở các thể tích thấp hơn FRC, áp suất đường thở âm (ít thể tích hơn, áp suất thấp hơn). Ở các thể tích cao hơn FRC, áp suất đường thở dương (nhiều thể tích hơn, áp suất cao hơn).
Độ dốc của mỗi đường cong trong Hình 5.10 chính là độ giãn nở (compliance). Độ giãn nở của thành ngực riêng lẻ xấp xỉ bằng độ giãn nở của phổi riêng lẻ (trên đồ thị, các độ dốc tương tự nhau). Tuy nhiên, độ giãn nở của hệ thống phổi – thành ngực kết hợp lại thấp hơn so với từng cấu trúc riêng lẻ (tức là đường cong của hệ thống kết hợp “phẳng” hơn). Hãy hình dung một quả bóng (phổi) nằm bên trong một quả bóng khác (thành ngực). Mỗi quả bóng riêng lẻ đều có khả năng giãn nở, nhưng hệ thống kết hợp (bóng trong bóng) lại kém giãn nở hơn và khó mở rộng hơn.
Dễ nhất để diễn giải các đường cong trong Hình 5.10 là bắt đầu tại thể tích gọi là FRC, tức là thể tích nghỉ hay thể tích cân bằng của hệ thống phổi – thành ngực kết hợp. FRC là thể tích còn lại trong phổi sau khi một người thở ra một nhịp thở bình thường. Khi đã hiểu đồ thị tại FRC, ta có thể so sánh đồ thị ở các thể tích thấp hơn FRC và cao hơn FRC.
Thể tích bằng FRC: Khi thể tích bằng FRC, hệ thống phổi – thành ngực kết hợp ở trạng thái cân bằng. Áp suất đường thở bằng với áp suất khí quyển, tức là bằng 0. (Lưu ý rằng khi thể tích là FRC, đường cong của hệ thống phổi – thành ngực cắt trục X tại áp suất đường thở bằng 0). Tại FRC, vì cả phổi và thành ngực đều là cấu trúc đàn hồi, phổi “muốn” xẹp lại còn thành ngực “muốn” bung ra. Nếu các lực đàn hồi này không bị đối kháng, chúng sẽ thực sự xảy ra! Tuy nhiên, tại vị trí cân bằng FRC, lực co xẹp của phổi bằng đúng với lực bung ra của thành ngực, như minh họa bằng các mũi tên đối xứng; hệ thống phổi – thành ngực kết hợp không có xu hướng xẹp cũng không có xu hướng bung ra.
Thể tích nhỏ hơn FRC: Khi thể tích trong hệ thống nhỏ hơn FRC (ví dụ: người đó thở ra gắng sức vào máy đo hô hấp), thể tích phổi ít hơn và lực co xẹp (đàn hồi) của phổi nhỏ hơn. Ngược lại, lực bung ra của thành ngực lại lớn hơn, và hệ thống phổi – thành ngực kết hợp “muốn” giãn nở. (Trên đồ thị, ở thể tích nhỏ hơn FRC, lực co xẹp của phổi nhỏ hơn lực bung ra của thành ngực, và áp suất đường thở của hệ thống kết hợp là âm; do đó hệ thống có xu hướng giãn nở, không khí sẽ đi vào phổi theo gradient áp suất).
Thể tích lớn hơn FRC: Khi thể tích trong hệ thống lớn hơn FRC (ví dụ: người đó hít vào từ máy đo hô hấp), thể tích phổi nhiều hơn và lực co xẹp (đàn hồi) của phổi lớn hơn. Lực bung ra của thành ngực lại nhỏ hơn, và hệ thống phổi – thành ngực kết hợp “muốn” xẹp lại. (Trên đồ thị, ở thể tích lớn hơn FRC, lực co xẹp của phổi lớn hơn lực bung ra của thành ngực, và áp suất đường thở của hệ thống kết hợp là dương; do đó hệ thống có xu hướng xẹp lại, không khí sẽ thoát ra khỏi phổi theo gradient áp suất). Ở các thể tích phổi cao nhất, cả phổi và thành ngực đều “muốn” xẹp lại [lưu ý rằng đường cong của thành ngực đã cắt trục dọc ở thể tích cao], và có một lực co xẹp lớn tác động lên toàn bộ hệ thống kết hợp.*