נפח חילופי (באנגלית: Tidal volume, ובקיצור – VT) הוא הנפח המתקבל משאיפה ומנשיפה במנוחה. באדם בוגר בריא הנפח החילופי עומד על כ-500 מ"ל. נפח האוויר הנותר בריאות לאחר נשיפה רגילה במנוחה נקרא הקיבולת השארית התפקודית (functional residual capacity, ובר"ת – FRC). באדם בוגר בריא הוא עומד על כ-2.4 ליטר ומהווה 40% לערך מנפח הריאה המרבי. נפח הריאה המרבי נקרא בשם קיבולת הריאות הכוללת (total lung capacity, TLC), ואותו ניתן להשיג בשאיפה מאומצת מרבית. נפח זה באדם בוגר בריא מכיל 5–6 ליטרים של אוויר.
לאחר נשיפה מאומצת עד לתחושת ריקון מוחלט של הריאות, נשאר בריאות נפח שארי (residual volume, RV), אשר מקל על ניפוח הריאות חזרה בשל העובדה שבהיעדרו היה על הגוף להשקיע אנרגיה בהפרדת דופנות הריאה שיכולות להיצמד האחת לשנייה כמו בבלון. ערכו באדם בוגר בריא עומד על כ-1.5 ליטר. ההפרש בין קיבולת הריאות הכוללת לנפח השארי הוא הנפח המרבי המנוצל על ידי הריאות לנשימה, והוא נקרא הקיבולת החיונית (vital capacity, VC). הנפח השארי, וכן הקיבולת השארית התפקודית וקיבולת הריאות הכוללת שכוללים אותו, לא ניתנים למדידה בספירומטר, מאחר שמכשיר זה מודד הפרשי נפחים ולא נפחים מוחלטים. משום כך משתמשים בשיטות עקיפות כפי שנזכרו לעיל.
הפרשי נפחים נוספים המשמשים בבדיקות קליניות הם העתודה השאיפתית (inspiratory reserve volume, IRV) והעתודה הנשיפתית (expiratory reserve volume, ERV). העתודה השאיפתית היא ההפרש בין קיבולת הריאות הכוללת לשיא הנפח החילופי, ואילו העתודה הנשיפתית היא ההפרש בין הקיבולת השארית התפקודית לנפח השארי.
כשבוחנים את תפקוד הריאה, ניתן להתייחס למספר מדדים אשר עוזרים לבחון כיצד הריאה מתפקדת, ועל ידי כך לאבחן בעיות ריאה שונות, למשל מחלות חסימתיות של הריאה. אצל נבדק בריא, כ-85% מנפח הריאות יוצאים בתוך שנייה אחת בנשיפה מאומצת. נפח הנשיפה המאומצת בשנייה הראשונה מסומן ב-FEV1.0, והיחס בינו לבין הקיבולת החיונית המאומצת (forced expiratory vital capacity, FVC) יכול להצביע על פתולוגיות שונות. במחלה חסימתית ניתן לראות נשיפה איטית יותר, כאשר בשנייה הראשונה לנשיפה יוצא רק מחצית מהנפח והיתר ננשף במשך זמן רב. הסיבה לכך היא שהחולה לא יכול לייצר זרימת אוויר גבוהה כתוצאה מההתנגדות של דרכי הנשימה. לעומת זאת, במחלה רסטרקטיבית יש פחות רקמה פעילה, וניתן לראות שבשאיפה הנפח הנוצר נמוך יותר, בעוד ש-FEV1.0 גבוה, שכן אין חסימה של דרכי האוויר. בחולים אלו היחס FEV1.0/FVC הוא גבוה יותר מאשר בבריאים, היות שאצל חולים אלו ה-FVC נמוך יותר). תרופות שמרחיבות את הסמפונות, מעלות את FEV1.0 באופן זניח יחסית, אולם הן משפרות את הקיבולת החיונית.
שיטות מיהול.
בשיטת מיהול הליום משתמשים בעובדה שהליום הוא גז אציל ואינו מפעפע לנימי הדם. מחברים את הנבדק למיכל שבו חמצן והליום בריכוז נתון, ולאחר כעשר נשימות רגילות והגעה לשוויון ריכוזים חדש בנפח הכולל את המיכל המקורי ונפח הריאה בעת ההתחברות למיכל, ניתן לחשב את נפח הריאה בעת ההתחברות למיכל. למשל, אם הנבדק מתחבר בתום נשיפה רגילה, הנפח שניתן לחשב יהיה הקיבולת השארית התפקודית. בצורה מתמטית ניתן להדגים זאת כך עבור הקיבולת השארית התפקודית, כאשר C0 הוא ריכוז ההליום הנתון במיכל, C1 הוא ריכוז ההליום לאחר הגעה לשוויון ריכוזים ו-V0 הוא נפח המיכל: formula_1, ומכאן, formula_2. שיטה זו עלולה לתת תוצאות נמוכות מהמציאות בחולים שהריאות שלהם אינן מאווררות היטב עקב חסימה של דרכי האוויר.
בשיטת מיהול עם גז סמן נותנים לנבדק לנשום במעבר חד חמצן טהור, וכך זורם החוצה אל המיכל כל החנקן שהיה בריאותיו של הנבדק. מדידת כמות החנקן הננשף, שהיא כמות החנקן שנשאף לריאות קודם לכן, מאפשרת לחשב את נפח האוויר ברגע ההתחברות.
פלתיזמוגרף גוף.
מכשיר פלתיזמוגרף הגוף משתמש בחוק בויל-מריוט לחישוב נפח הריאה. הנבדק מוכנס אל תא המכשיר כשהוא אטום היטב ונושף לתוך צינור חסום עם מתמר לחץ או מתמר זרימה. עליית הלחץ בצינור, ΔP, גורמת לדחיסת נפח האוויר בריאות בשיעור ΔV, אשר מובילה להקטנת הנפח בתא סביב הנבדק באותו שיעור. בצורה מתמטית ניתן להדגים זאת כך עבור הקיבולת השארית התפקודית, כאשר P0 הוא הלחץ האטמוספירי:
formula_3, ומכאן, formula_4. כאשר מערכת העיכול מכילה כמות גדולה של אוויר, הדבר יכול להטות את הבדיקה כלפי מעלה, אולם, בניגוד לשיטות המיהול, שיטה זו אינה מושפעת מרמת האוורור של אזורי הריאה, ומשום כך היא מתאימה לחולים עם מחלות חסימתיות של הריאה.
עקום זרימה-נפח.
אחד ממבחני תפקוד הריאה השימושיים הוא עקום זרימה-נפח (flow volume loop, FVL). עקום זה מתקבל ממדידה ורישום בו בזמן של קצב זרימת האוויר בפה ושל נפח הריאה. הציר האופקי בעקום מסמל את הנפח, והציר האנכי את מהירות הזרימה. נשימה רגילה בנפח חילופי תיראה בעקום כלולאה מעגלית קטנה במרכזו, בעוד שנשימה מאומצת אל קיבולת הריאות הכוללת ומשם בנשיפה אל הנפח השארי תיתן לולאה שאינה סימטרית. ענף השאיפה בעקומה ייראה פרבולי, ואילו בענף הנשיפה בעקומה הזרימה המרבית האפשרית מתבצעת בנפחי ריאה גבוהים, כלומר בתחילת הנשיפה. מהירות הזרימה בנשיפה כזו יכולה להגיע עד 12 ליטרים לשנייה. ככל שהריאה מתרוקנת והנפח יורד, חלה ירידה בזרימת האוויר כתוצאה משלוש סיבות: התקצרות השרירים, שכוחם מקסימלי כשהריאות מלאות, ירידה ברתיעה האלסטית, אשר מייצרת את הכוח לנשיפה עצמה, ועלייה בהתנגדות, שכן כאשר הריאות מלאות באוויר, גם דרכי האוויר מורחבות וההתנגדות לזרימת האוויר נמוכה יותר.
כשיש חסימה בדרכי האוויר, היחס בין מהירות הזרימה והנפח בנשיפת האוויר החוצה אינו ישר – המהירות יורדת מהר יותר מהנפח ומתקבלת עקומה קעורה אשר מצביעה על חסימה. לא תמיד מידת הקעירות של העקומה מצביעה בהכרח על מידת החסימה. יכולים להיות מצבים של עקומה קעורה מאוד אך חסימה לא משמעותית ולהפך.
כשבודקים מצבים שבהם השאיפה מתבצעת במאמצים משתנים, ניתן לראות שבעוד ששיא הזרימה שונה בין עקומה לעקומה, הרי שבשלבים המאוחרים יותר של הנשיפה העקומות מתלכדות, כלומר, הירידה בזרימה ביחס לנפח היא זהה החל משלב מסוים, ואין זה תלוי במאמץ שמושקע. הסיבה לכך היא תמט בדרכי האוויר.
נקודת שוויון הלחצים.
נאדיות הריאה ודרכי האוויר נמצאים פנימית לאדר, ופועלים עליהם אותם לחצים. אם נפעיל את שרירי בית החזה ונעלה את הלחץ בחלל האדר כדי לנשוף, אזי נגרום לדחיסה של הנאדיות ושל דרכי האוויר. הלחץ בנאדיות עצמן מורכב מהלחץ האלסטי שמופעל על ידי הדפנות שלהן, יחד עם הלחץ האדרי שמופעל על כל המערכת. ככל שמתקדמים במעלה דרכי האוויר, חלה ירידה של הלחץ, עד שבנקודה מסוימת לאורך דרכי האוויר, הלחץ יורד למידה שבה הוא משתווה ללחץ האדרי. נקודה זו נקראת נקודת שוויון הלחצים (equal pressure point, EPP). למעשה, ככל שהלחץ האלסטי של הנאדיות נמוך יותר, כך הלחץ האדרי משפיע יותר על זרימה של אוויר, ונקודת ההשתוות תהיה קרובה למיקום נאדיות הריאה. שינוי מיקומה של נקודה זו יכול להצביע על פתולוגיה: למשל, במצבים בהם יש לייפת (פיברוזיס) של הריאה, או ריאות מנופחות, הלחץ האלסטי של הנאדיות גבוה יותר, וזה גורם לנקודת EPP לנוע לעבר פתחת מערכת הנשימה. אצל חולי נפחת, הלחץ האלסטי על הנאדיות אובד, ונקודת שוויון הלחצים מתקרבת מאוד לנאדיות. משמעות הדבר היא שזרימה של אוויר החוצה יכולה להתבצע רק כשהריאות מלאות.
אוורור.
אוורור הוא הסעת אוויר אטמוספירי עשיר בחמצן מהחוץ אל הנאדיות וסילוק אוויר דל בחמצן מהריאות אל החוץ. אוורור דקתי (minute ventilation, formula_5), או נפח דקתי, מייצג את נפח האוויר המאוורר את דרכי הנשימה בדקה אחת, והוא שווה למכפלת תדירות הנשימה (f), כלומר, מספר הנשימות בדקה, בנפח החילופי. אדם בריא הנושם 12 נשימות בדקה בנות 500 מ"ל כל אחת יאוורר את דרכי הנשימה שלו ב-6 ליטרים בדקה.
אולם, לא כל הנפח הזה הוא נפח עשיר בחמצן. חלקו הוא אוויר דל בחמצן הנשאר בדרכי הנשימה מתום הנשיפה הקודמת, ומאחר שהוא אינו משתתף בשחלוף הגזים בנאדיות, הוא נקרא נפח מת (dead space, VD). נפח מת הנובע מסיבה מבנית של דרכי הנשימה נקרא נפח מת אנטומי, והוא מגיע לכדי 150 מ"ל באדם בריא. לכן הוגדר אוורור נאדי (Alveolar ventilation, formula_6), המייצג את נפח האוויר המשתתף בשחלוף הגזים בנאדיות בדקה אחת, והוא שווה למכפלת תדירות הנשימה בהפרש הנפח החילופי והנפח המת: formula_7. נשימת נפחים חילופיים קטנים בתדירות גבוהה מקטינה את האוורור הנאדי, ולפיכך אינה יעילה, לעיתים עד כדי אי-ספיקה נשימתית. מכאן שעל מנת להגביר את האוורור הנאדי עדיף לנשום ראשית בנפח חילופי גבוה יותר ובעדיפות שנייה להגביר את תדירות הנשימה, כלומר להתנשף מהר יותר.