Das Ventilation-Perfusion (V/Q)-Verhältnis
Das Ventilation-Perfusion-Verhältnis ist genau das, was man sich darunter vorstellt – das Verhältnis zwischen der Menge an Luft, die in die Alveolen gelangt (die alveoläre Ventilation, V, in ml/min) und der Menge an Blut, die in die Lunge geschickt wird (das Herzzeitvolumen oder Q – ebenfalls in ml/min). Die Berechnung des V/Q-Verhältnisses ist ganz einfach –
V/Q = alveoläre Ventilation/Herzzeitvolumen
V/Q = (4 l/min)/(5 l/min)
(hier habe ich einfach die „durchschnittlichen“ Ruhewerte für jeden unserer Parameter verwendet)
V/Q = 0.8
Dummerweise ist diese Zahl nicht wirklich nützlich für uns (warum ist es so, dass die einfach zu berechnenden Dinge uns sehr wenig sagen????) und ich werde Sie nie bitten, das V/Q-Verhältnis bei einem Test zu berechnen. Was für uns nützlicher ist, sind die Folgen der Unterschiede im V/Q-Verhältnis, die in verschiedenen Teilen der Lunge bestehen. Deshalb sprechen wir normalerweise von hohen oder niedrigen V/Q-Verhältnissen, ohne ihnen jemals einen Zahlenwert zuzuordnen.
Zunächst ist zu überlegen: Warum ist das V/Q-Verhältnis wichtig?
Wie wir oben gesehen haben, ist das V/Q-Verhältnis das Gleichgewicht zwischen der Ventilation (Einbringen von Sauerstoff in die Alveolen/Entfernen von CO2 aus den Alveolen) und der Perfusion (Entfernen von O2 aus den Alveolen und Hinzufügen von CO2). Das V/Q-Verhältnis ist wichtig, weil das Verhältnis zwischen der Ventilation und der Perfusion einer der Hauptfaktoren ist, die den alveolären (und damit arteriellen) Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt beeinflussen.
Unter normalen Bedingungen gelangen 4 Liter Ventilation pro Minute in die Atemwege, während 5 Liter Blut durch die Pulmonalkapillaren fließen. Dieses Verhältnis (die 0,8, die wir oben berechnet haben) gibt uns unsere normalen Blutgase:
|
Variable
|
Normalwert
|
|
PAO2
|
~ 100 mm Hg
|
PACO2
|
40 mm Hg
|
|
PaO2
|
95 – 100 mm Hg
|
|
PaCO2
|
40 mm Hg
|
Beachten Sie, dass ich davon ausgehe, dass die Lungen hier normal sind, also die Diffusion normal abläuft (die Tatsache, dass die arteriellen und alveolären Werte gleich oder nahe beieinander liegen, verrät das). Wir müssen diese Annahme nicht machen, wenn wir über V/Q-Verhältnisse sprechen, aber ich habe es bei diesen normalen Berechnungen getan.
Es gibt zwei Möglichkeiten, das V/Q-Verhältnis zu ändern (bereiten Sie sich auf einen Schock vor): Sie können die Ventilation und/oder die Perfusion ändern (ich bin sicher, Sie sind schockiert). Ich werde zuerst besprechen, was passiert, wenn wir eine einzelne Änderung vornehmen – physiologisch gesehen sehen Sie kompensatorische Änderungen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten, aber wir werden diese später besprechen.
Das erste, was ich tun kann, ist, das V/Q-Verhältnis zu verringern. Eine Verringerung des V/Q-Verhältnisses wird entweder durch eine Verringerung der Ventilation oder durch eine Erhöhung des Blutflusses (ohne Veränderung der anderen Variablen) erreicht. Beides hat den gleichen Effekt – der alveoläre (und damit arterielle) Sauerstoffgehalt sinkt und der CO2-Gehalt steigt. Der Grund für jede dieser Veränderungen ist einfach:
- Eine Abnahme der Ventilation (ohne eine kompensatorische Änderung der Perfusion) bedeutet, dass wir nicht genug Sauerstoff einbringen, um unseren metabolischen Bedarf an Sauerstoff (den Sauerstoffverbrauch) zu decken, und auch nicht genug CO2 ausblasen, um das produzierte CO2 loszuwerden. Wir können leicht herausfinden, warum sich die alveolengängigen und arteriellen Blutgase so verändern, wie sie es bei einer Abnahme der Ventilation tun.
- Eine Erhöhung der Perfusion wird den gleichen Effekt auf die Blutgase haben, weil eine Erhöhung der Perfusion (ohne kompensatorische Änderung der Ventilation) bedeutet, dass mehr Blutzellen kommen, um Sauerstoff aus den Alveolen zu entfernen, da sie mehr CO2 abgeben, als ausgeatmet wird.
Wenn Sie eine Abnahme des V/Q-Verhältnisses in Betracht ziehen, müssen Sie nur daran denken:
- Die Ventilation hält nicht mit der Perfusion Schritt.
- Der alveoläre Sauerstoffgehalt nimmt ab, was zu einer Abnahme des arteriellen Sauerstoffgehalts (PaO2)
- Der alveoläre CO2-Gehalt nimmt zu (wir werden es nicht so schnell los), was ebenfalls zu einer Zunahme des arteriellen CO2 führt.
Ich kann auch das Ventilations-Perfusions-Verhältnis erhöhen. Die gute Nachricht ist, dass eine Erhöhung des V/Q-Verhältnisses für unsere Zwecke genau das Gegenteil einer Abnahme bewirkt…
Um eine Erhöhung des Ventilations-Perfusions-Verhältnisses zu erreichen, kann ich eines von zwei Dingen tun:
- Die Ventilation erhöhen (mehr Sauerstoff in die Alveolen bringen, mehr CO2 aus der Lunge abblasen)
- Die Perfusion verringern (damit das Blut weniger Sauerstoff aufnimmt, weniger CO2 abgibt).
- Das führt zu einem Anstieg des PAO2 (und damit des PaO2)
- und zu einer Abnahme des PACO2 und des PaCO2
Zusammenfassend bedeutet ein Anstieg des V/Q-Verhältnisses, dass die Ventilation den Stoffwechselbedarf, der durch die Perfusion gedeckt wird, übersteigt, also blasen wir CO2 ab (senken das PACO2) und erhöhen unser PAO2 (und PaO2).
Das V/Q-Verhältnis ändert sich physiologisch
Bei jedem Aufstehen ändert sich der Blutfluss zu den verschiedenen Teilen der Lunge (Apex vs. Basis) aufgrund der Schwerkraft. Es fließt mehr Blut zur Basis der Lunge als zum Apex. Dies führt zu einem V/Q-Missverhältnis (oder einer Ungleichheit) und verändert die Blutgaswerte des arterialisierten Blutes, das jede Region der Lunge verlässt. Sie wissen bereits, was ein V/Q-Mismatch oder eine Ungleichheit ist, auch wenn ich diesen Begriff vorher nicht ausgeschrieben hatte – es ist, wenn sich eine der beiden Variablen mit einer passenden Änderung der anderen Variable ändert (genau das, worüber wir gesprochen haben!).
Im Fall des Aufstehens fließt mehr Blut zur Lungenbasis, während relativ weniger Luft dorthin gelangt. Das bedeutet, dass wir ein NIEDRIGES V/Q-Verhältnis und NIEDRIGE PAO2 und PaO2s sehen. (zusammen mit hohen PCO2-Werten). Blut, das die Basis der Lunge verlässt, hat schätzungsweise einen PaO2 von 89 mm Hg und einen PaCO2 von 42 mm Hg.
Am Apex der Lunge erhalten wir relativ weniger Blut (die Schwerkraft zieht es nach unten, nicht nach oben) und eine relativ hohe Ventilation, sodass wir ein hohes V/Q-Verhältnis haben. Schockierenderweise führt dies zu einem Anstieg des alveolären und arteriellen Sauerstoffgehalts bei gleichzeitiger Abnahme des Kohlendioxids. Das Blut, das den Apex jeder Lunge bei einer stehenden Person verlässt, hat schätzungsweise einen PaO2 von 130 mm Hg und einen PaCO2 von 28 mm Hg.
Die Mitte der Lunge hat eine gute Übereinstimmung von Blut und Ventilation – das arterielle Blut, das diesen Bereich der Lunge verlässt, hat nach allgemeiner Auffassung unsere Standard-Blutgaswerte: PaO2 = 100 mm Hg und PaCO2 von 40 mm Hg.
Die arteriellen Blutgase, die Sie in der Peripherie messen, sind das Ergebnis der Vermischung von Blut aus allen drei Bereichen der Lunge. Das gut sauerstoffhaltige Blut aus dem Apex der Lunge hat einen relativ kleinen Effekt, weil das Volumen relativ klein ist (das wäre die geringe Perfusion). Andererseits bekommt die Basis der Lunge viel Blut, so dass sie einen großen Einfluss auf die Mischung hat.
Das V/Q-Verhältnis pathologisch verändern
Genauso wie das Stehen das V/Q-Verhältnis bei einer normalen Person verändert, werden verschiedene Pathologien die Blutzufuhr und/oder die Ventilation verändern, um das V/Q-Verhältnis zu verändern. Dies ist entscheidend, weil es zu den Veränderungen der Blutgase, die direkt durch die Pathologie hervorgerufen werden, hinzukommen kann. Wir beginnen mit zwei extremen Beispielen und gehen dann zu subtileren Veränderungen über.
Erhöhung des V/Q-Verhältnisses bis ins Unendliche: Mathematisch gesehen ergibt die Division durch Null die Antwort Unendlich – ein Anstieg von V/Q auf Unendlich entsteht also, wenn die Perfusion gegen Null geht. Bei einem Patienten werden Bereiche mit einem Blutfluss von Null durch eine Lungenembolie entstehen, die den Blutfluss blockiert. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass ein sehr kleines bisschen Blut durchkommen kann. Dieses Blut wird sehr gut mit Sauerstoff angereichert sein (viel Ventilation, wenig Perfusion) und einen sehr niedrigen CO2-Wert haben. In der Tat werden sich die arteriellen Blutgase in dieser Situation der Atmosphäre annähern (aber nicht zu ihr werden) (PaO2 ~ 140 mmHg; PaCO2 ~ 0 mmHg). Das klingt sehr gut, AUSSER für zwei Dinge:
-
Nicht viel Blut gelangt zu diesen Alveolen, daher ist das Blutvolumen in diesem Zustand sehr gering. Dennoch kommen jede Minute 5 Liter Blut in die Lunge – das Blut, das nicht in den von der Embolie betroffenen Lungenbereich gelangen kann, wird in andere Teile der Lunge geshuntet (was zu einem niedrigen V/Q-Verhältnis in diesen Teilen der Lunge führt).
-
Wir haben Energie verschwendet, indem wir die Ventilation in diesen Bereich gebracht haben – in der Tat ist dies ein alveolärer Totraum.
Subtilere Veränderungen im V/Q-Verhältnis: Viele Lungenerkrankungen führen zu Veränderungen des V/Q-Verhältnisses, die nicht überall in der Lunge gleich sind. Ein einfach zu visualisierendes Beispiel dafür ist das, was bei COPD/Emphysem auftritt. Wie wir im Unterricht besprochen haben, verursacht diese Krankheit die Zerstörung der Alveolen, was zur Bildung von großen Lufträumen und zum Verlust von Kapillaren in der Lunge führt. Die großen Lufträume bedeuten, dass ein Teil der eingeatmeten Luft nicht in die Nähe einer Blutzelle gelangt, während der Verlust der Kapillaren bedeutet, dass einige Bereiche der Lunge zu wenig Blut erhalten, während andere zu viel Blut erhalten. Das bedeutet, dass einige Bereiche der Lunge ein hohes V/Q-Verhältnis haben (gute Nachricht: relativ gute arterielle Blutgase, schlechte Nachricht: zu wenig Blut fließt dorthin, um einen wirklichen Unterschied zu machen) und andere haben ein niedriges V/Q-Verhältnis (viel Blut fließt dorthin, aber das arterielle Blut hat wenig Sauerstoff und viel CO2. Diese V/Q-Fehlanpassungen sind wichtig und tragen zur Hypoxie und Hyperkapnie bei.
Der Körper ergreift Maßnahmen, um das V/Q-Verhältnis zu normalisieren: Der Körper verfügt über eine Reihe von Mechanismen, die dazu neigen, das V/Q-Verhältnis zu normalisieren, solange sich die Fehlanpassungen auf begrenzte Bereiche der Lunge beschränken. Dazu gehören:
- Hypoxische Vasokonstriktion: In Fällen, in denen das V/Q-Verhältnis niedrig ist (viel Blut oder zu wenig Ventilation), kann eine hypoxische Vasokonstriktion auftreten und dazu führen, dass das in den Bereich einströmende Blut in andere Teile der Lunge geleitet wird. Eine Verringerung der Perfusion des hypoxischen Bereichs erhöht das V/Q-Verhältnis und bringt die arteriellen Blutgase näher an das, was wir erwarten.
- Bronchokonstriktion: Bei einem hohen V/Q-Verhältnis verengen sich die Bronchien leicht, um den Widerstand zu erhöhen und die Menge der Belüftung zu verringern, die in einen Bereich gelangt, der nicht gut durchblutet ist (obwohl er nicht vollständig geschlossen wird). Dies begrenzt die Menge an alveolärem Totraum, die auftritt, und minimiert die „verschwendete“ Arbeit, die bei alveolärem Totraum auftritt.
Weiter zu Formen der Hypoxie