Газы артериальной крови: метаболический, респираторный ацидоз, алкалоз

Газы крови влияют на pH

Несмотря на то, что исследование кислотно-основного состояния, строго говоря, подразумевает исследование только величины pH (концентрации ионов H+), в реальности в него также включается исследование физиологически важных газов, присутствующих в крови – O2 и CO2. Анализ газов показывает эффективность газообмена по величинам парциальных давлений – pO2 и pCO2.

Через альвеолярную мембрану молекулы любых газов перемещаются диффузно по градиенту концентрации. Молекулы O2 атмосферного воздуха поступают из альвеол в кровь, а молекулы CO2 из крови в альвеолы до тех пор пока их парциальные давления не выровняются.

Величина парциального давления – это процентная доля газа в общем объеме.

Углекислый газ

Концентрация СО2 в альвеолярном воздухе столь низка, а в крови столь высока, что диффузия этого газа в альвеолы чрезвычайно эффективна и скорость его удаления зависит только от альвеолярной вентиляции – общего объема воздуха, транспортируемого в минуту между альвеолами и а).

Следовательно,

• при усиленной вентиляции легких углекислый газ быстро выводится, и показатель pCO2в крови снижается. Это означает потерю организмом угольной кислоты (ионов H+), что является причиной защелачивания крови – алкалоза, называемого дыхательным или респираторным.
• при недостаточной альвеолярной вентиляции величина рСО2 повышается, что свидетельствует о недостаточном его удалении и накоплении H2CO3. Иными словами, повышение в крови показателя рСО2 является причиной дыхательного ацидоза.

Увеличенное pCO2 (гиперкапния) всегда свидетельствует о снижении альвеолярной вентиляции.

Кислород

Вопросы, связанные с оксигенацией крови и транспортом кислорода более сложны. Связано это с тем, что в виде свободных (растворенных) молекул O2 находится лишь небольшая доля общего кислорода крови. Основная часть кислорода связана с гемоглобином (оксигемоглобин) и истинное содержание кислорода зависит от двух дополнительных параметров – концентрации Hb и насыщения (сатурации) гемоглобина кислородом.

Оксигемоглобин

Оксигемоглобин (HbО2) – процентное содержание в крови, является отношением фракции оксигемоглобина (HbО2) к сумме всех фракций (общему гемоглобину).

Насыщение гемоглобина кислородом

Насыщение гемоглобина кислородом (HbOSAT, SО2), представляет собой отношение фракции оксигенированного гемоглобина к тому количеству гемоглобина в крови, который способен транспортировать О2.

Отличия между двумя показателями HbО2 и HbOSAT заключаются в том, что у пациентов возможно наличие в крови такой формы гемоглобина, которая не способна акцептировать О2 (Hb‑CO, metHb, сульфоHb). Но так как большинство больных не имеют в крови повышенного содержания этих форм гемоглобина, значения HbО2 и SО2 обычно очень близки.

Например, если при отравлении нитритами количество metHb составляет 15%, тогда величина HbО2 никогда не сможет превысить 85%, но насыщение (HbOsat) может быть различно – от максимума (HbOsat=95-98%) при полном насыщении до низких величин при отсутствии кислорода.

Показатель насыщения кислородом показывает процент доступных мест связывания на гемоглобине.

Иллюстрация понятий оксигемоглобина (HbO2) и насыщения гемоглобина (HbO2sat)

Парциальное давление кислорода (pO2)

Парциальное давление O2 выступает как движущая сила, приводящая к насыщению гемоглобина кислородом. И хотя, как правило, чем выше pO2 тем выше HbOsat, эта зависимость не является линейной.

Кривая диссоциации гемоглобина в норме и при изменении pH и концентрации 2,3-дифосфоглицерата

В центральной части кривой насыщения (или кривой диссоциации) гемоглобина малейшие сдвиги pO2 приводят к резким изменениям насыщения гемоглобина. И наоборот, при высоком pO2 (80-90-100 мм рт.ст) кривая становится плоской, насыщение гемоглобина мало зависит от колебаний кислорода в плазме.

Сдвиг влево происходит при защелачивании и снижении концентрации 2,3-дифосфоглицерата и сигнализирует об увеличении сродства кислорода к гемоглобину (в легких). Сдвиг вправо — это снижение сродства кислорода к гемоглобину (в тканях), обеспечивается закислением среды и накоплением 2,3-дифосфоглицерата.

Показатель pO2 не отражает содержание кислорода в цельной крови! Но хотя pO2 и не показывает общее количество кислорода в крови, но это общее количество зависит от pO2 через показатель сатурации гемоглобина.

В свою очередь имеются факторы, влияющие на величину pO2:

1. Альвеолярная вентиляция. Хотя она влияет как на pO2 так и на pCO2, но доля кислорода в альвеолах при гипервентиляции может лишь слегка увеличиться, приближаясь к pO2 атмосферного воздуха, при гиповентиляции – стремительно падает, вытесняясь поступающим из крови CO2. В то же время доля CO2 в альвеолах быстро снижается при усиленной вентиляции.

2. Вентиляционно-перфузионное соотношение, определяется тем, что

• не вся кровь, притекающая к легким, соприкасается с хорошо вентилируемыми альвеолами (спадение альвеол, уплотнение стенки).
• не все хорошо вентилируемые альвеолы получают достаточно крови (правожелудочковая сердечная недостаточность).

3. Концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе (FiO2, fraction of inspired oxygen).

В таблице приведены сравнительные величины концентрации кислорода и углекислого газа в воздухе, крови и тканях. Необходимо обратить внимание на перепады концентраций кислорода и углекислого газа в крови и альвеолярном воздухе. Важной особенностью является то, что pO2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови очень близки, т.е. в обычных условиях глубоким и/или частым дыханием невозможно повысить потребление кислорода и насыщение им гемоглобина. В то же время разность концентраций pCO2 в венозной крови и альвеолярном воздухе позволяет эффективно его удалять при частом дыхании.

Что такое FiO2?

FiO2 (Fraction of Inspired Oxygen) — фракция кислорода во вдыхаемой газовой смеси. Как известно, природный воздух содержит 21% кислорода, 78% азота и 1% других газов, таких как аргон, углекислый газ, неон, гелий, метан, водород и ксенон. Таким образом, показатель FiO2 воздуха равен 0,21. За пределами отделений анестезиологии-реанимации FiO2 исторически не привлекал особого внимания. Но пандемия Covid-19 изменила нашу жизнь.

У пациентов в критическом состоянии FiO2 используется для оценки способности легких к газообмену с применением соотношения PaO2/FiO2 (индекс оксигенации). При этом степень острого респираторного дистресс-синдрома классифицируется как легкая (PaO2/FiO2 от 201 до 300 мм рт. ст.), средняя (PaO2/FiO2 от 101 до 200 мм рт. ст.) и тяжелая (<100 мм рт. ст.), подробнее здесь</p>

Было много споров относительно использования высокого FiO2 во время наркоза. Ранее предполагалось, что кислород в периоперационном периоде снизит риск инфекций в области хирургического вмешательства, частоту ателектазов и инфаркта миокарда, а также госпитализации в ОИТ. Всемирная организация здравоохранения, помимо нескольких метаанализов, не показала положительного эффекта при периоперационной гипероксии. По мнению проф. Лихванцева В.В., во время низкопоточной анестезии ингаляционными анестетиками FiO2 должно быть 60%.

Чтобы понять FiO2, важно разбираться в нескольких терминах:

• SpO2 – сатурация
• гипоксемия – снижение парциального давления кислорода в крови
• PaO2 – парциальное давление кислорода в артериальной крови, измеренное по образцу газов артериальной крови
• PAO2 –парциальное давление кислорода в альвеолах

Понимание доставки кислорода и интерпретация значений FiO2 абсолютно необходимы для правильного лечения пациентов с гипоксемией. Доказано, что гипоксемия, особенно у тяжелобольных, увеличивает смертность от всех причин. Когда доставка и потребление кислорода не соответствуют друг другу, происходит повреждение клеток и смерть.

Количество вдыхаемого кислорода, т.е. FiO2, не эквивалентно кислороду, который участвует в газообмене на альвеолярном уровне. Существует уравнение, которое учитывает барометрическое давление (P), давление водяного пара (P) и коэффициент газообмена (Rq). Парциальное давление альвеолярного кислорода (PAO2) = [{P (ATM) — P (H2O} FiO2] — [PaCO2 / Rq]]. Из этой прямой зависимости можно предположить, что с увеличением FiO2 должно расти и PaO2. Альтернативой расчета альвеолярного насыщения кислородом является SpO2, т.е. насыщение кислородом, полученное с помощью пульсоксиметрии.

Как проходит процедура?

Специальной подготовки к процедуре нет. Пациентам не ставят ограничений на выпивку или еду перед тестом. Концентрация кислорода должна оставаться неизменной в течение 20 минут до анализа; если тест нужно проводить без насыщения кислородом, газ должен быть отключен на 20 минут до проведения теста. Во время теста пациенту следует нормально дышать. Образец крови получают путем артериальной пункции (обычно в запястье, хотя может проводиться в пах или руку). Если требуется прокол, кожа поверх артерии очищается антисептиком. Затем медик собирает кровь с помощью небольшой стерильной иглы, прикрепленной к одноразовому шприцу. Пациент может почувствовать короткое пульсирование или судороги в месте прокола. После того, как материал будет собран, он должен быть доставлен в лабораторию для анализа как можно скорее.

После того, как кровь была взята, врач или пациент прижимает вату к месту прокола на 10-15 минут, чтобы остановить кровь, а затем плотно обматывает повязкой. Пациент должен спокойно отдохнуть после завершения процедуры. Медицинские работники будут наблюдать за признаками кровотечения или проблемами с кровообращением. Риски их получить, когда тест выполняется правильно – очень низкие. Включают кровотечение или кровоподтеки на месте сдачи крови или через некоторое время. Очень редко может возникнуть проблема с циркуляцией в области прокола.

Методическое пособие по пульсоксиметрии. Часть 1

В данной статье представлена информация из методического пособия по пульсоксиметрии: «Диагностические возможности неинвазивного мониторирования насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом в клинике внутренних болезней: метод.рекомеменд. / Д.В. Лапицкий [и др.]. – Минск : БГМУ, 2015. – 71 с.»

Предназначено для врачей терапевтических специальностей, студентов 5-6 курсов лечебного факультета, клинических ординаторов, врачей-интернов.

1. Основы метода пульсоксиметрии.

В физиологии дыхания принято выделять два ключевых процесса: клеточное (тканевое) дыхание и внешнее дыхание (газообмен) [1,2]. Клеточное дыхание является тем процессом, посредством которого в клетке высвобождается энергия из углеводов, жиров и белков [3]. Внешнее дыхание обеспечивает поступление в организм кислорода для использования его в биологическом окислении органических веществ (т.е. в процессе клеточного дыхания), и удаление из организма продукта этого окисления — углекислого газа. Таким образом, артериальную кровь можно представить как связующее звено между внешним и внутренним дыханием. Газовый состав артериальной крови отражает эффективность внешнего дыхания и позволяет косвенно предположить риск развития тканевой гипоксии. Исходя из этих позиций, становится понятным диагностическое значение оценки газового состава артериальной крови.

Изучению газового состава альвеолярного газа и артериальной крови положил начало английский физиолог Джон Скотт Холдейн в начале XX века. Успехи в науке и технике за прошедшее столетие позволили сформировать стройную теорию газообмена и сконструировать приборы (например, Radiometer Medical ApS, Дания) для определения газов в пробах выдыхаемого воздуха, артериальной и венозной крови [4,5]. Однако проведение данного обследования требует стационарного оборудования и является инвазивным.

Для нужд практической и прикладной медицины требуется способ быстрой и неинвазивной оценки кислородного статуса артериальной крови. Поиски такого способа проводились с 30-х годов 20 столетия. В 1940 году был сконструирован первый гемоксиметр для выявления гипоксемии у летчиков во время полета. Разработанное оборудование было громоздким и требовало сложного обслуживания. Указанные обстоятельства явились причиной ограниченного применения гемоксиметров в клинической практике. Развитие технологий позволило уже в 1975 году выпустить на рынок первый мобильный неинвазивный пульсоксиметр, позволяющий осуществлять длительное мониторирование насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом.

Основу метода пульсоксиметрии составляют два ключевых физиологических явления:

1. Способность гемоглобина в зависимости от его оксигенации в разной степени поглощать свет определенной длины волны при прохождении этого света через участок ткани (оксиметрия).
2. Пульсация артерий и артериол в соответствии с ударным объемом сердца (пульсовая волна).

Принцип оксиметрии заключается в следующем. Дезоксигемоглобин (гемоглобин, не содержащий кислорода — RHb) интенсивно поглощает красный свет, слабо задерживая инфракрасный. Оксигемоглобин (полностью оксигенированный гемоглобин, каждая молекула которого содержит четыре молекулы кислорода – HbO2) хорошо поглощает инфракрасное излучение, слабо задерживая красное. По соотношению красного (R) и инфракрасного (IR) потоков, дошедших от источника излучения до фотодетектора через участок ткани (например, мочку уха, палец) определяется степень насыщения гемоглобина крови кислородом – сатурация, SO2 (рис. 1).

Рис. 1 Принцип оксиметрии (объяснения в тексте).

Пульсовая волна образуется в результате пульсации артерий и артериол, вызванной выбросом определенного объема крови (ударного объема) в аорту левым желудочком. Каждая пульсовая волна приводит к ритмичному, в такт сокращения сердца, изменению кровенаполнения исследуемого участка ткани. Результатом регистрации таких колебаний кровенаполнения является фотоплетизмограмма (ФПГ). Анализ ФПГ позволяет определить частоту сердечных сокращений и оценить качество периферического кровотока (рис. 2). В различных клинических ситуациях амплитуда ФПГ способна меняться в десятки раз. ФПГ позволяет составить довольно точное впечатление о локальном кровотоке. Снижение амплитуды ФПГ служит признаком периферической вазоконстрикции и/или уменьшения ударного объема сердца, а повышение амплитуды свидетельствует об обратном. Тонус сосудов — основной фактор, определяющий высоту волн ФПГ.

Рис. 2 Фотоплетизмограмма.

Еще одним важным достоинством регистрации фотоплетизмограммы является возможность выделить долю интенсивности светового потока, который поглощается непосредственно гемоглобином артериальной крови. При прохождении света через участок ткани он встречает различные препятствия, которые условно можно разделить на несколько слоев (рис. 3). Слой 1 – это ткани (кожа, подкожная клетчатка, ноготь, кость), слой 2 – капиллярная и венозная кровь, слой 3 – кровь, остающаяся в артериолах к концу каждой пульсации, своего рода «конечно-систолический объем» артериального русла, слой 4 – дополнительный объем артериальной крови, притекающий в артериолы во время систолы сердца.

Рис. 3 Поглощение световых потоков от светодиодов различными тканями (объяснение в тексте).

В момент, предшествующий сердечному сокращению, ослабление световых потоков обусловлено первыми тремя слоями: на фотодиод падает излучение, которое расценивается как фоновое. Когда до артерий доходит очередная пульсовая волна, объем крови в них увеличивается и поглощение света изменяется. На пике пульсовой волны различие между фоновым и текущим излучениями становится максимальным. Фотодетектор измеряет это различие и считает, что его причина — дополнительное количество артериальной крови, появившейся на пути излучения. Этой информации оказывается достаточно, чтобы по специальному алгоритму рассчитать степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом — SaO2, которая обозначается как SpO2 при измерении пульсоксиметром.

Таким образом, применение одного принципа измерения (просвечивание тканей) позволяет определить сразу три диагностических параметра: степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом (SpO2), частоту сердечных сокращений, объемную амплитуду кровенаполнения участка ткани. Поскольку измерение проводится путем просвечивания тканей, такой метод получил название «трансмиссионная пульсоксиметрия». На основе данного метода функционируют подавляющее большинство используемых в медицинской практике пульсоксиметров.

Медицинскому персоналу, который использует пульсоксиметры в повседневной деятельности, необходимо представлять недостатки и ограничения метода пульсоксиметрии. Пульсоксиметрия является непрямым методом оценки вентиляции и не дает информации об уровне pH, напряжении кислорода (РаО2) и углекислого газа (РаСО2) в артериальной крови. Для практической работы полезно знать, что показатели SpO2 коррелируют с парциальным давлением кислорода в крови: снижение PaO2 влечет за собой снижение SpO2. Указанная зависимость носит нелинейный характер, что объясняется S-образным видом кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 4):

• 80-100 мм рт. ст. PaO2 соответствует 95–100% SpO2;
• 60 мм рт. ст. PaO2 соответствует 90% SpO2;
• 40 мм рт. ст. PaO2 соответствует 75% SpO2.

Кроме этого, на точность измерений могут оказывать отрицательное влияние ряд факторов:

• яркий внешний свет и движения могут нарушать работу прибора;
• неправильное расположение датчика: для трансмиссионных оксиметров необходимо, чтобы обе части датчика находились симметрично относительно просвечиваемого участка ткани, иначе путь между фотодетектором и светодиодами будет неравным, и одна из длин волн будет «перегруженной»;
• значительное снижение перфузии периферических тканей ведет к уменьшению или исчезновению пульсовой волны. В этой ситуации увеличивается ошибка измерения SpO2;
• при значениях SaO2 ниже 70% также возрастает погрешность измерений сатурации методом пульсоксиметрии – SpO2. В связи с этим следует отметить, что в практической работе врача терапевтической специальности вероятность столкнуться со значениями SaO2 ниже 70% у пациента крайне мала;
• анемия требует более высоких уровней кислорода для обеспечения транспорта кислорода. При значениях гемоглобина ниже 50 г/л может отмечаться 100% сатурация крови даже при недостатке кислорода;
• отравление угарным газом (высокие концентрации карбоксигемоглобина могут давать значение сатурации около 100%);
• красители, включая лак для ногтей, могут спровоцировать заниженное значение сатурации;
• сердечные аритмии могут нарушать восприятие пульсоксиметром пульсового сигнала;
• возраст, пол, желтуха и темный цвет кожи не влияют на работу пульсоксиметра.

Именно простота и неинвазивность оценки качества периферического кровотока и насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом, а также способность мониторных систем проводить сколь угодно длительное наблюдение за указанными параметрами способствовали распространению метода пульсокиметрии в отделениях анестезиологии и интенсивной терапии/реанимации для наблюдением за пациентами в тяжелых состояниях. При этом специально разработанные алгоритмы подавляют излишнюю пульсацию тканей, тканевое рассеяние светового потока и уменьшают влияние внешнего освещения и других артефактов на показания прибора, делая снимаемые показатели достоверными и пригодными к систематическому анализу.

2. Параметры оксигенации артериальной крови.

Качество оксигенации артериальной крови оценивают по следующим показателям [6,7]:

1. РаО2 – напряжение кислорода в артериальной крови, мм рт. ст. РаО2 представляет собой давление, необходимое для удержания кислорода в артериальной крови в растворенном состоянии. Чем выше данный показатель, тем больше кислорода содержится в крови и тем выше градиент давления, определяющий скорость движения кислорода из капиллярной крови в ткани. В норме РаО2 составляет 92-98 мм рт. ст. и измеряется в лабораторных условиях в микропробе артериальной крови;

2. SaO2 – степень насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом, %. SaO2 зависит от РаО2. Отношения между РаО2 и SaO2 регулируются несколькими физиологическими факторами (напряжением углекислого газа в артериальной крови – РаСО2, кислотностью крови – РН, температурой тела и др.) и выражаются S-образной кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 4). Нормальные значения данного показателя составляют 95 – 99% и могут быть получены в микропробе артериальной крови. Именно этот параметр измеряется пульсоксиметром. При этом он обозначается – SpO2.

3. Р50 – напряжение кислорода крови при ее полунасыщении кислородом (S O2. = 50%), мм рт. ст. Данный показатель определяется в микропробе артериальной крови и отражает сродство гемоглобина к кислороду. Нормальные значения данного показателя – 26 – 27 мм рт. ст. Уменьшение значения Р50 соответствует сдвигу кривой диссоциации оксигемоглобина влево и соответственно увеличению сродства гемоглобина к кислороду, увеличение Р50 свидетельствует о сдвиге кривой диссоциации оксигемоглобина вправо с уменьшением сродства гемоглобина к кислороду (рис. 4).

4. СаО2 – кислородная емкость крови, отражающая количество кислорода в артериальной крови, мл/л. Как правило, данный показатель получают расчетным путем. Кислород содержится в крови в растворенном состоянии и в обратимой связи с гемоглобином. Константа растворимости кислорода в артериальной крови составляет 0,031 мл на каждый 1 мм рт.ст. Таким образом, произведение – 0,031×РаО2 – представляет количество растворенного в артериальной крови кислорода. Один грамм полностью насыщенного кислородом гемоглобина содержит 1,39 мл кислорода. Однако с учетом поправки на патологические гемоглобины (карбоксигемоглобин, метгемоглобин) этот показатель принимают как 1,34 мл/г. Количество кислорода, присоединенное к гемоглобину (Hb), рассчитывается — 1,34×Hb×SaO2/100 (мл/л). Таким образом, кислородная емкость артериальной крови равна:

(*) СаО2 (мл/л) = 1,34×Hb×SaO2/100 + 0,031×РаО2. Нормальные значения данного показателя составляют – 180 – 204 мл/л.

Оценить СаО2 можно, используя значения SpO2. В связи с тем, что метод пульсоксиметрии не позволяет оценить РаО2, вторая составляющая правой части уравнения (*) − 0,031×РаО2 − игнорируется. При этом СаО2 уменьшится несущественно – от 1,5 до 3,0 мл/л. Таким образом, уравнение (*) для пульсоксиметра записывается:

СаО2 (мл/л) = 1,34×Hb×SaO2/100.

Рис. 4. Кривая диссоциации оксигемоглобина.

Перейти ко второй части

Парциальное давление кислорода в артериальной и венозной крови

Показатель кислотности (pH): изменение концентрации ионов водорода отражает либо нормальную реакцию крови, либо кислую или щелочную Нормальное значение pH = 7,36 –7,44.

PaCO2 – парциальное давление углекислого газа в артериальной крови. Это дыхательный компонент регуляции кислотно-основного состояния. Он зависит от частоты и глубины дыхания (или адекватности проведения ИВЛ). Гиперкапния (PaCO2 > 45 mmHg) является следствием альвеолярной гиповентиляции и респираторного ацидоза. Гипервентиляции приводит к гипокапнии – снижению парциального давления CO2 ниже 35 mmHg и респираторному алкалозу

PaO2 – парциальное давление кислорода в артериальной крови. Эта величина не играет первостепенной роли в регуляции КОС, если находится в пределах нормы (не менее 80 mmHg).

SpO2 –насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом.

BE (ABE) – дефицит или избыток оснований. В общих чертах отражает количество буферов крови. Аномально высокое значение характерно для алкалоза, низкие – для ацидоза. Нормальное значение – ± 2,3

HCO3- – бикарбонат плазмы. Главный почечный компонент регуляции КОС. Нормальное значение 24 мэкв/л. Снижение бикарбоната является признаком ацидоза, повышение – алкалоза.