Hypoksæmisk respirationssvigt

Hjem » Pulmonal patofysiologi » Årsager til hypoksæmisk respirationssvigt

Årsager til hypoksæmisk respirationssvigt

af Anders Kaack, d. 5. juni 2024. Senest opdateret d. 8. juli 2024

Her handler det om hypoksæmisk respirationssvigt:

Definition af hypoksæmisk respirationssvigt
Differentialdiagnoser ved hypoksæmisk respirationssvigt (som det her ikke handler om).
Årsager til hypoksæmisk respirationssvigt
1. Nedsat ilttryk
2. Generelt alveolær hypoventilation
3. V’/Q’-ubalancer
  - Høj V’/Q’-ratio
  - Rent dead space (V’/Q’ = ∞)
  - Lav V’/Q’-ratio
  - Ægte shunt (V’/Q’ = 0)
4. Diffusionsbegrænsning

Definition af hypoxæmisk respirationssvigt

Hypoksæmisk respirationssvigt er lavt ilttryk i blodet, typisk under 60 mmHg (8,0 kPa) og deraf følgende lav iltmætning.

Differentialdiagnostik ved hypoksæmisk respirationssvigt

Det følgende handler om de teoretisk mulige årsager til hypoksæmisk respirationssvigt. Jeg prøver at give kliniske eksempler løbende, men det er ikke en et forsøg på at lave en liste over mulig differentialdiagnostik ved hypoksæmisk respirationssvigt. Men frygt ej – listen finder du lige her.

Årsager til hypoksæmisk respirationssvigt

Man kan principielt skelne mellem fire forskellige subtyper af hypoksæmisk respirationssvigt:

Nedsat ilttryk i den inspirerede luft
Nedsat global ventilation
V’/Q’-ubalancer
Ægte shunting (V’/Q’ = 0)
Diffusionsbegrænsning

Man kan lidt fornemme et mønster i mulighederne: De går fra den omgivende luft, til flytningen af den omgivende luft ned i lungerne, til forholdet imellem ventilation og perfusion til selve gasudvekslingen.

Nedsat ilttryk (respiration i højderne)

Fraktionen af ilt i inspireret luft, FIO2, er 21 % hvad enten du befinder dig i det nordeuropæiske lavland eller på toppen af Mount Everest - eller Mont Ventoux, hvis du hellere vil være tilskuer til en ekstremsport end deltager. Imidlertid er det atmosfæriske tryk faldende med stigende højder, så desværre inhalerer med fraktionen af et lavere totaltryk.

Ved dansk normalnul præsterer atmosfæren et ilttryk på 159,6 mmHg. Det er kun lidt lavere end det totale atmosfæriske tryk ved toppen af Mount Everest: 253 mmHg. I alveolerne er luften mættet med vanddamp og 37 grader varm (opvarmet fra, i skrivende stund d. 4/6-24 kl 18:30 GMT+1, -17 grader), som udøver et tryk på 47 mmHg.

Det totale tryk af alle gasser fraset vanddampstrykket er derfor 253 mmHg - 47 mmHg = 206 mmHg.

Partialtrykket af inspireret ilt er derfor:

\[ \begin{align*} \text{P}_I{O}_2 &= \text{F}_IO_2 \times (\text{P}_B - \text{P}_{H_2O}) \\ &= 0.21 \times (253 \, \text{mmHg} - 47 \, \text{mmHg}) \\ &= 43 \, \text{mmHg} \end{align*} \]

Partialtrykket af ilt i alveolerne er givet ved den alveolære gasligning, hvor vi kan forudsætte en almindelig blandet, vestlig kost (jeg formoder, at de fleste Mount Everest-turister er europæere eller amerikanere) og initielt et kuldioxidtryk på 40 mmHg:

\[ \begin{align*} \text{PAO}_2 &= \text{PIO}_2 \times \text{PACO}_2 \times \left( \text{FIO}_2 + \frac{1 - \text{FICO}_2}{\text{RQ}} \right) \\ &= 43 \, \text{mmHg} \times 40 \, \text{mmHg} \times \left( 0.21 + \frac{1 - 0.21}{0.8} \right) \\ &= 43 \, \text{mmHg} - 47.9 \, \text{mmHg} \\ &= -4.9 \, \text{mmHg} \end{align*} \]

Hvilket selvfølgelig er fuldstændig meningsløst. Problemet er selvfølgelig, at i takt med, at man når op i højderne, falder ilttrykket og respirationen øges. Det giver et sænket CO2-tryk i alveolerne. Grocott et al (2009) tog arterielle blodprøver fra 4 bjergklatrere i 8400 meters højde og fandt der arterielle CO2-tryk på 13,3 mmHg.

Hvis vi i stedet substituerer det tryk ind i den alveolære gasligning:

\[ \begin{align*} \text{PAO}_2 &= \text{PIO}_2 \times \text{PACO}_2 \times \left( \text{FIO}_2 + \frac{1 - \text{FICO}_2}{\text{RQ}} \right) \\ &= 43 \, \text{mmHg} \times 13.3 \, \text{mmHg} \times \left( 0.21 + \frac{1 - 0.21}{0.8} \right) \\ &= 43 \, \text{mmHg} - 15.9 \, \text{mmHg} \\ &= 27.9 \, \text{mmHg} \end{align*} \]

Hvilket giver væsentligt bedre mening og i nogenlunde overensstemmelse med målte værdier på PaO2 på 24,6 mmHg (mine tal ovenfor er for 8848 m, mens blodprøverne blev taget i 8400 m).

Nedsat ilttryk giver altså hypoxæmi og hypokapni. Iltmætningen falder teoretisk set til omtrent 50 %, hvilket også er i overensstemmelse med de målte 54 % i Grocott. Ved meget lave ilttryk skulle A-a-gradienten være < 2 mmHg, og principielt burde der ikke være nogen forøget A-a-gradient, men Grocott et al. fandt en gradient på 5,41 mmHg og spekulerer i, om det kunne skyldes pulmonalt ødem eller en funktionel begrænsning i højderne. I sagens natur er spørgsmålet svært at undersøge.

Man kan relativt nemt korrigere hypoxæmien og den på grund af den øgede respiration hypokapni: Ved at give ilttilskud kan man øge fraktionen af inspireret ilt og derved nå ilttryk i inspirationsluften, der svarer til atmosfæren ved havoverfladen.

Forsøgspersonerne, eller hvad man nu kalder dem, i Grocott et al. var selvfølgelig velakklimatiserede til højderne og beholdte et bevidsthedsniveau, sådan at de var i stand til at udføre fornuftige a-punkturer i, hvad jeg formoder har været superkoldt vejr d 27/5-2007. Ikke-akklimatiserede ville besvime, bemærker forfatterne, efter 2-3 minutter.

Generel alveolær hypoventilation

I det følgende skal man forestille sig, at lungen var én stor alveole, der modtog ét stort blodkar fra højre hjertehalvdel og levere ét stort kar til venstre hjertehalvdel. Generel alveolær hypoventilation er altså den sænkede ventilation af hele lungen.

Der er en proportionel sammenhæng imellem ilttrykket i alveolerne og ventilationen og en omvendt proportionel sammenhæng mellem CO2-trykket i alveolerne og ventilationen.

Hvis man forestille sig en situation totalt uden ventilation (og lukket glottis – man holder vejret), og hvor metabolismen og cardiac output fortsætter, så vil ilttrykket falde gradvist, mens CO2-trykket ville stige. Jeg skriver gradvist, fordi det ikke er helt gennemskueligt for mig, hvordan partialtrykkene vil opføre sig ved så lave ilttryk, at cardiac output begynder at lide på grund af hypoxisk hjertestop. Hvis man omvendt forestiller sig en maskine, der kunne ventilere med 100 L/minutter med atmosfærisk luft uden at enten sprænge samtlige alveoler, så ville alveoleluftens partialtryk af både ilt og kuldioxid nærme sig atmosfærisk tryk temmelig hurtigt.

Petersson & Glenny bemærker, at den kvantitative sammenhæng i øvrigt er svær at gennemskue og citerer to studier, den ene pay-walled, den anden utilgængelig. På baggrund af en artikel af West, der også er bag pay-wall, gør de imidlertid et forsøg i en figur 4, der viser en sammenhæng mellem PAO2 og PACO2 og ventilation. Med inspiration fra dem og i respekt for den svært gennemskuelige kvantitative sammenhæng kommer derfor patofysiologi.dk’s semikvantitative figur. Du kan finde en lignende figur, vil jeg gætte på, i enhver lærebog du kan lide (se fx Boron & Boulpaep figur 31-4, p. 680).

Kurven viser partialtryk af gas som funktion af minutventilationen. Den røde kurve viser partialtrykket for ilt, mens den røde kurve viser partialtrykket for kuldioxid. Begge alveolære tryk. Den lodrette, stiplede linje viser normoventilation (RF = 12, alveolær ventilation 0,350 L), mens de to vandrette stiplede linjer viser normalværdier ved normoventilation for arterielt partialtryk af ilt (100 mmHg) og arterielt partialtryk af kuldioxid (40 mmHg). Man skal ikke lægge for meget i den eksakte placering af kurverne, det er mere eller mindre arbitrært.

Så hele området til venstre for den lodrette streg er hypoventilation, og man kan se, at CO2-trykket stiger og ilttrykket falder.

V/Q ubalance

Der er forskellige typer af V’/Q’-ubalance, og de giver hypoxæmi, men på lidt forskellige måder. Det er værd at gennemgå ubalancerne hver for sig:

Høj V’/Q’-ratio
V’/Q’-ratio = ∞ (dead space)
Lav V’/Q’-ratio (scatter)
V’/Q’-ratio lig med 0 (shunt)

Petersson & Glenny har en ekstremt illustrativ figur, som de har adopteret fra West (bag paywall). Forudsat i figuren er, at inspirationstrykket af ilt er normalt (omtrent 150 mmHg) og at det venøse kuldioxid- og ilttryk er hhv. 45 og 40 mmHg. Det gælder selvfølgelig ikke, når der er tilstrækkeligt store påvirkninger af ventilationen, men alligevel synes jeg (som også forfatterne gør det) at den er meget fed til at illustrere partialtrykkonsekvenserne ved ændringer i V’/Q’-ratioerne. Så her med inspiration fra Petersson & Glennys figur 5:

Figuren viser gaspartialtrykkene i den idealiserede verden, hvor V’/Q’-forholdet er 1,0, illustreret med den lodrette stiplede linje. Ilttrykket er her 100 mmHg og kuldioxidtrykket 40 mmHg. (Det er i øvrigt lidt en fortegning af virkeligheden, hvor de partialgastryk (100/40) bliver præsteret ved hvad man kunne kalde den normalfysiologiske V’/Q’-ratio på 0,84).

Hvorom alting er: Når ventilationen stiger relativt til perfusionen, det vil sige, at V’/Q’-ratioen går fra 1,0 og opefter, så begynder det alveolære ilttryk af nærme sig partialtrykkene i inspirationsluften (149 mmHg ilt og 0 mmHg kuldioxid). Omvendt når V’/Q’-ratioen nærmer sig 0: Her går partialtrykkene imod de venøse gastryk (40 mmHg ilt, 45 mmHg kuldioxid).

Høj V/Q-ratio og hypoxæmi

Høj V’/Q’-ratio er den situation, hvor ventilationen er forhøjet relativt til bloodflow. Det kan opstå i det tilfælde, hvor der enten er bevaret perfusion og øget ventilation eller nedsat perfusion og bevaret ventilation.

En høj V’/Q’-ratio kan for eksempel opstå, hvis man sænker perfusionen til at lungeafsnit fra normalt 1,0 til 0,1, mens man bevarer ventilation på 1,0. V’/Q’-ratioen bliver så 1,0/0,1 = 10. Det typiske kliniske eksempel på høj V’/Q’-ratio (eller rent dead space) er lungeemboli.

Det giver en form for dead space-effekt med hypoxæmi og hyperkapni, som vil give anledning til øget ventilation. Blodet kan ikke stase op, men må omdirigeres til andre lungeafsnit (som vi antager er velventilerede), og det betyder, at gasudvekslingen kan foregå her og blodgasserne normaliseres, hvis ellers ventilationen kan følge med.

Dead space og hypoxæmi

En uendeligt stort V’/Q’-ratio er per definition dead space, altså områder, hvor der ikke perfunderes, men fortsat ventileres. Hvis man forestillede sig en model med 2 lunger, hvor blodtilførslen til den ene lunge blev lukket fuldstændigt af (svarende til en stor central lungeemboli), vil det betyde, at den anden lunge skulle overtage gasudvekslingen for hele cardiac output. Hvis den alveolære ventilation ellers er konstant, vil det betyde hypoxæmi og hypercapni. Situationen er ækvivalent til en halvering af tidalvolumen. Hypoxæmi og hypercapni er stærke respiratoriske drivers, og når ventilationen øges, vil det arbejde på en normalisering af hypoxæmien og tendere til at give hypokapni.

Ilttilskud er effektivt, vil bedre både hypoxæmi, takypnø og eventuel hypokapni.

Lav V/Q-ratio og hypoxæmi

Lav V’/Q’-ratio er det tilfælde, hvor ventilationen er relativt mindre end perfusionen. Det er ikke det tilfælde, hvor perfusionen fortsætter, mens der overhovedet ikke ventileres – det er en ægte shunt. Et klinisk eksempel kunne være pneumoni.

En lav V’/Q’-ratio kan ske, hvis man sænker ventilationen til et lungeafsnit til for eksempel 0,1; men beholder perfusionen op 1,0. V’/Q’ bliver så 0,1/1,0 = 0,1.

Når ventilationen til et lungeafsnit falder, er situationen i det enkelte lungeafsnit principielt den samme som situationen med generel alveolær hypoventilation: Når ventilationen falder, stiger det alveolære CO2-partialtryk og det alveolære O2-partialtryk falder. Hvis man øger fraktionen af ilt i inspirationsluften kan hypoxæmien korrigeres.

Hvis man ikke kan korrigere hypoxæmien ved at øge fraktionen af ilt i inspirationsluften, så er det ikke usandsynligt, at der i virkeligheden er tale om en ægte shunt, hvor alveoleluften slet ikke er i kontakt med blod.

A-a-gradienten vil typisk være normal.

Shunt (V/Q=0) og hypoxæmi

En shunt er en omkørsel af blod udenom ventilation. Det vil sige, at der er blod, der slet ikke møder frisk alveoleluft på vejen igennem det pulmonale kredsløb – eller at der er blod, der helt kører udenom det pulmonale kredsløb.

En shunt giver sammenblanding af blod med venøse gasindhold (ilttryk 40 mmHg, CO2-tryk 46 mmHg) med blod med arterielle gasindhold (ilttryk 100 mmHg, CO2-tryk 40 mmHg). Det betyder, at tager man en arteriel blodprøve, vil der være hypoxæmi på grund af det tilførte blod med lavt ilttryk og hyperkapni på grund af det tilførte blod med høje CO2-tryk.

Hypoxæmi og hyperkapni er ventilationsdrivere, og ved en ægte shunt betyder det, at der kan luftes mere CO2 ud fra de lugneafsnit med velbevaret V’/Q’-balance. Kuldioxidtrykket i det fraførende blod fra de velfungerende lungeafsnit kan derfor falde og give anledning til normokapni. Omvendt er hæmoglobinen i de velventilerede og -perfunderede områder allerede fuldt mættet med ilt, og en øget ventilation vil ikke øge iltindholdet i det fraførende blod. Når det opblandes med det shuntede blod er resultatet derfor fortsat hypoxæmi med lav saturation og lavt ilttryk.

A-a-gradienten er forhøjet.

Diffusionsbegrænsning

For at nå blodet skal ilt fra alveolerne diffundere over en ultratynd membran, der adskiller alveolerne fra lungekapillærerne. Omvendt med CO2. Om blod og luft når at ækvillibrere er selvfølgelig afhængigt af den tid, som blod og luft tilbringer i kontakt med hinanden. Den tid afhænger selvfølgelig af, hvor hurtigt blodet passerer, og den hastighed afhænger af cardiac output.

Ved et normalt cardiac output nås ækvillibrium typisk 1/3 inde i passagen (the jury is out on CO2). Når man presser det kardiovaskulære system, for eksempel ved motion, stiger cardiac output imidlertid, og er man Tadej Pogacar, kan man godt nå diffusionsgrænsen og blive hypoxæmisk. Er man almindelig motionscyklist, der ikke kan præstere cardiac outputs i tour-klassen, og kører man på Mont Ventoux, kan man i praksis også opnå hypoxæmi på grund af diffusionsbegrænsning: Et højt cardiac output kombineret med et lavt ilttryk og en deraf følgende lavere trykgradient over alveolemembran og et deraf lavere iltflux, kan give hypoxæmi.

Det er ikke helt klart, hvordan CO2 bevæger sig: Hyperventilation vil give hypokapni (som beskrevet i Petersson & Glenny, 2014), men omvendt kan CO2 også nå sin diffusionsgrænse og i så fald vil der være hyperkapni.

Fordi der ikke nås ækvillibrium vil alveoletrykket af ilt være uvanligt højere end arterietrykket af ilt: A-a-gradienten stiger.

Det siger sig selv, at man som kliniker aldrig får anledning til at sample arterielt blod fra patienter, der sidder på cyklen på toppen af Ventoux al den stund, at det er sunde og raske mennesker. I klinikken er det måske nærmere hos patienter med for eksempel interstitiel lungesygdom, der motionerer helt almindeligt, hvor man kan nå diffusionsgrænsen, fordi flux over alveolemembranen er proportionel med membranens tykkelse.

Kilder

Grocott MP, Martin DS, Levett DZ, McMorrow R, Windsor J, Montgomery HE; Caudwell Xtreme Everest Research Group. Arterial blood gases and oxygen content in climbers on Mount Everest. N Engl J Med. 2009 Jan 8;360(2):140-9. doi: 10.1056/NEJMoa0801581. PMID: 19129527.

Petersson J, Glenny RW. Gas exchange and ventilation-perfusion relationships in the lung. Eur Respir J. 2014 Oct;44(4):1023-41. doi: 10.1183/09031936.00037014. Epub 2014 Jul 25. PMID: 25063240.

Har du kommentarer, er du meget velkommen til at sende dem ind her: