СПОСОБ ОЦЕНКИ ЛЕГОЧНОГО КРОВОТОКА
METHOD FOR ASSESSING PULMONARY BLOOD FLOW

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиохирургии, пульмонологии, геронтологии и спортивной медицине.
Известно, что после появления в кардиохирургических и пульмонологических клиниках точных прямых способов оценки и измерения параметров и функции кровообращения и газообмена у человека возникла необходимость контроля всех факторов, влияющих на деятельность сердца и легких [Дж.Г. Комро, Р.Э. Форстер, А.Б. Дюбуа и др. - Легкие. Клиническая физиология и функциональные пробы. М.: Медгиз, 1961 г. 196 с. См стр.72 и стр 171-172].
Чтобы оценить функцию кровообращения до и после кардиохирургической операции создания аорто-легочного анастомоза, нужно измерить величину внутрилегочного шунта. Аналогичное измерение необходимо выполнить и у пациентов преклонного возраста [Whyte MK, Hughes JM, Jackson JE, Peters AM, Hempleman SC, Moore DP, Jones HA. Cardiopulmonary response to exercise in patients with intrapulmonary vascular shunts // J Appl Physiol. 1993 Jul; 75(1):321-8.; Whyte MK, Peters AM, Hughes JM, Henderson BL, Bellingan GJ, Jackson JE, Chilvers ER. Quantification of right to left shunt at rest and during exercise in patients with pulmonary arteriovenous malformations. // Thorax. 1992 Oct; 47(10):790-796;. Taylor BJ, Johnson BD. The pulmonary circulation and exercise responses in the elderly. // Semin Respir Crit Care Med. 2010 Oct; 31(5):528-38. Epub 2010 Oct 12]. Было выявлено, что внутрилегочный шунт возникает при легочной гипертензии осложненной гипоксемией [Jean-Frédéric Vodoz, Vincent Cottin, Jean-Charles Glérant, Geneviéve Derumeaux, Chahéra Khouatra, Anne-Sophie Blanchet, Bénédicte Mastroїanni, Jean-Yves Bayle, Jean-Francois Mornex and Jean-Francois Cordier - Right-to-left shunt with hypoxemia in pulmonary hypertension // BMC Cardiovascular Disorders 2009, 9:15 http://www.biomedcentral.com/1471-2261/9/15].
Разработанный математический анализ проблемы контроля газообменной функции легких приведен в книге [Дьяченко А.И., Шабельников В.Г. Математические модели действия гравитации на функцию легких. - М.: Наука, 1985. - 279 с. См. стр.44-53]. Однако их предложения сводятся к использованию графиков Фена и Рана [Fenn W.O., Rahn H., Otis А.В. А theoretical study of the composition of the alveolar air at altitude // Amer. J. Physiol. - 1946. - Vol.146. - PP.637-641] для анализа альвеолярного газообмена по измеренным значениям напряжения газов в альвеолярном объеме. Для практического оценивания величины внутрилегочного шунта рекомендуют использовать значения насыщения кислородом крови в капиллярах легкого, в легочной артерии (среднесмешанная венозная кровь большого круга), в артериальной крови [Руководство по клинической физиологии дыхания / Под ред. Л.Л. Шика, Н.Н. Канаева. - Л.: Медицина, 1980. - 376 с. (См. стр.180-181); Стручков П.В., Винницкая Р.С; Люкевич И.А. Введение в функциональную диагностику внешнего дыхания. - М., 1996. - 72 с. См. стр.48-50]. По их данным величина внутрилегочного шунта составляет 5-6% от минутного объема кровообращения (МОК). Была разработана номограмма для вычисления величины внутрилегочного шунта по газам в образцах крови, которые в необходимом наборе не всегда доступны и не точны из-за естественного разброса величин, обусловленных процедурой забора образцов крови из кровеносных сосудов пациента [S.Т. Chiang A nomogram for venous shunt (QS/QT) calculation // Thorax 1968; 23:563-565 doi:10.1136/thx.23.5.563]. В приведенных источниках не указывается величина капиллярного кровотока в легком, которую предполагают равной МОК. Современные оценки внутрилегочного шунта дают его ориентировочную величину 1,4±0,8% (0,2-3,1%) [Stickland MK, Lovering AT, Eldridge MW. Exercise-induced arteriovenous intrapulmonary shunting in dogs // Am J Respir Crit Care Med. 2007 Aug 1; 176(3):300-305].
В упрощенном способе оценивания величины внутрилегочного шунта (по степени сатурации) отсутствует учет концентрации гемоглобина в крови [Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. - М.: Медицина, 1988. - 288 с. (См. стр.163-166)]. Из этого следует, что один и тот же процент внутрилегочного шунта будет соответствовать разным объемам шунтируемой крови. Другим недостатком такого способа является отсутствие связи с количеством потребляемого кислорода.
99m
В настоящее время для определения наличия внутрилегочного шунта используется контрастная эхокардиография [Lovering A.T., Romer L.M., Haverkamp H.C. et al. - Intrapulmonary shunting and pulmonary gas exchange during normoxic and hypoxic exercise in healthy humans // J. Appl. Physiol. 2008. - V.104: pp.1418-1425], посредством которой было показано, что при физической нагрузке у здоровых людей величина внутрилегочного шунта возрастает, но неизвестна точно его величина и неизвестна его физиологическая роль [Lovering A.T., Romer L.M., Haverkamp H.C., Hokanson J.S., Eldridge M.W. - Transpulmonary passage of Tc macroaggregated albumin in healthy humans at rest and during maximal exercise // J. Appl. Physiol. -2009. - V.106: - pp.1986-1992. (См. введение этой статьи)].
Легочная микроциркуляция является главным местом сопротивления в малом круге кровообращения. Несмотря на дисфункцию этого звена для ряда легочных сосудистых заболеваний отсутствуют методы конкретной оценки легочной микрососудистой целостности у конкретного человека [Ilsar R, Chawantanpipat С, Chan KH, Dobbins ТА, Waugh R, Hennessy A, Celermajer DS, Ng MK. Measurement of Pulmonary Flow Reserve and Pulmonary Index of Microcirculatory Resistance for Detection of Pulmonary Microvascular Obstruction // PLoS One. 2010 Mar 9; 5(3):e9601].
7
КАП
КАП
2
2
Ш
Ш
КАП
КАП
Наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения капиллярного кровотока и величины артериоловенулярного шунта» [Патент 2267983 Россия, МПК А61В 5/02 А61В 5/145, Власов Ю.А., Смирнов С.М., Окунева Г.Н.: ГУ НИИ патол. кровообращ. МЗ РФ. - №2004100454; Заявл. 05.01.04; 20.01.2006. Бюл. №02], в соответствии с которым измеряют потребление кислорода, определяют концентрацию гемоглобина в крови, а также измеряют или вычисляют минутный объем кровообращения (МОК). Величину капиллярного кровотока (Q) рассчитывают по формуле Q=((ПО)/1,355)/((Hb)/1000), где ПО -потребление кислорода в мл/мин; Hb - концентрация гемоглобина в г/л, затем рассчитывают величину артериоловенулярного шунта (Q) по формуле Q=МОК-Q; где МОК - минутный объем кровообращения в мл/мин; Q - величина капиллярного кровотока в мл/мин.
Оценка капиллярного кровотока в легком, осуществленная по указанному способу, будет занижена. Согласно принципу А. Фика в большом круге кровообращения потребленный в легких кислород весь переходит в ткани из капилляров, а на его перенос используется только 10-20% минутного объема кровообращения [Власов Ю.А., Смирнов С.М. Общий и шунтирующий поток крови в центральной гемодинамике человека// Физиология человека. - 2009. - Т.35. - №5. - с.116-126]. В действительности почти вся смешанная венозная кровь, за исключением внутрилегочного шунта, проходит через капилляры легкого, а на выходе из капилляров легкого к ней примешивается не подвергшаяся оксигенированию кровь из внутрилегочного шунта. Так как газообмен в легком осуществляется между капиллярами альвеол и альвеолярным воздухом, точное определение величины капиллярного потока в легком является необходимым для точного определения вентилляционно-перфузионного отношения.
Целью изобретения является оценка величины легочного кровотока, выраженной в мл в минуту на весь орган, на основе оценки капиллярного кровотока в центральной гемодинамике и величины внутрилегочных артериовенозных шунтов (из легочной артерии в легочные вены минуя капилляры альвеол), также выраженного в мл в минуту на все легкое. 1. Для этого:
измеряют концентрацию гемоглобина (Hb г/л) в крови;
2
измеряют ПО (мл/мин);
ART
V
2
ART
V
измеряют (S) насыщение артериальной крови кислородом; измеряют (S) насыщение смешанной венозной крови кислородом; вычисляют минутный объем кровообращения по А. Фику МОК=ПО/((Нв×1,355)×(S-S));
КП(АЛЬВГ)
вычисляют Q объем крови, протекающей по функционирующим альвеолам, формула приводится ниже [3].
2. Далее осуществляют оценку внутрилегочных шунтов для чего:
2
измеряют частоту сердечных сокращений (ЧСС) одновременно с измерением ПО;
вычисляют полный шунт легкого по уравнению [4];
вычисляют физиологический веноартериальный шунт по уравнению. [5];
вычисляют анатомический легочный шунт по уравнению [6];
вычисляют объем всех капилляров в легком по уравнению [7].
2(ОБЩ)
ART
V
2
ART
V
Поставленная цель достигается предлагаемым способом, согласно которому у обследуемого человека измеряют концентрацию гемоглобина (Hb г/л), измеряют общее потребление кислорода организмом (ПО мл/мин), насыщение кислородом артериальной крови (S % или в десятичных долях 1) и насыщение смешанной венозной крови в большом круге кровообращения (БК) (S % или в десятичных долях 1), одновременно с измерением потребления кислорода регистрируют электрокардиограмму для измерения ЧСС в минуту. По измеренным значениям Hb, ПО, S, S вычисляют МОК (л/мин):
1. Находим капиллярный поток в легком как сумму из следующих величин:
Q<sub>КАП(ЛЕГ)</sub>=Q<sub>КАП(ЦГ)</sub>+Q<sub>ШУНТ(ЦГ)</sub>,
[1]
КАП(ЦГ)
где Q - капиллярный поток в центральной гемодинамике (большом круге кровообращения), который обеспечивает потребление кислорода всем организмом;
ШУНТ(ЦГ)
КАП(ЦГ)
Q=МОК-Q - шунт в центральной гемодинамике, который в составе смешанной венозной крови поступает в капиллярное русло легкого. Уравнение [1] преобразуем в другое
Q<sub>КАП(ЛЕГ)</sub>=(((ПО<sub>2(ОБЩ)</sub>+((Q<sub>ШУНТ(ЦГ)</sub>×Hb×1,355)×S<sub>V</sub>))×S<sub>ART</sub>)/1,355)/(Hb/1000),
[2]
КАП(ЛЕГ)
2(ОБЩ)
ШУНТ(ЦГ)
V
ШУНТ(ЦГ)
V
2(ОБЩ)
ШУНТ(ЦГ)
V
где Q - капиллярный поток в легком, мл/мин; ПО - общее потребление кислорода организмом, мл/мин; Q - шунт по артериоловенулярным анастомозам (шунт в центральной гемодинамике), л/мин; Hb - концентрация гемоглобина в крови, г/л; 1,355 - коэффициент Гюффнера, количество кислорода в мл, которое связывает 1 г Hb; S - насыщение кислородом смешанной венозной крови в большом круге кровообращения; ((Q×Hb×1,355)×S) - количество кислорода, которое было перенесено шунтом центральной гемодинамики из артериального русла большого круга в его венозную часть; (ПО+((Q×Hb×1,355)×S)) - общее количество кислорода (мл/мин), которое поступит в сосудистое русло легкого;
2(ОБЩ)
ШУНТ(ЦГ)
V
ART
((ПО+((Q×Hb×1,355)×S))×S) - количество кислорода (мл/мин), которое в итоге поступит в легочные вены легкого.
Полная величина легочного капиллярного кровотока, протекающего по функционирующим альвеолам, вычисляют по уравнению
2(ОБЩ)
ШУНТ(ЦГ)
V
где ПО - общее потребление кислорода организмом, мл/мин; Q - шунт в центральной гемодинамике, л/мин; Hb - концентрация гемоглобина в крови, г/л; 1,355 - коэффициент Гюффнера, количество кислорода в мл, которое связывает 1 г Hb; S - насыщение кислородом смешанной венозной крови в большом круге кровообращения. Через существующий анатомический легочный шунт, который минует альвеолы легкого [Архангельская А.В. Перестройка артерий легких при врожденных пороках сердца и магистральных сосудов. М.: Медицина, 1971. - с.207. (См. стр.31); Дуков Л.Г. Легочный шунт и его регуляция/Успехи физиологических наук. - 1981. - Т.12. - №4. - C.112-128. (см. стр.112)], венозная кровь поступает в легочные вены малого круга кровообращения, что изменяет величину капиллярного кровотока по всему легкому, который вычисляют по уравнению [2].
2. Полный шунт по легкому вычисляют по уравнению
КАП(ЛЕГ)
где МОК - минутный объем кровообращения, л/мин; Q - капиллярный поток в легком, мл/мин.
Альвеолярный внутрилегочный шунт - физиологический веноартериальный шунт [Дуков Л.Г. Легочный шунт и его регуляция // Успехи физиологических наук. - 1981. - Т.12. - №4. - C.112-128. (см. стр.112)] вычисляют по уравнению
КАП
АЛЬВГ
где МОК - минутный объем кровообращения, л/мин; Q() - полная величина легочного капиллярного кровотока, протекающего по функционирующим альвеолам, мл/мин.
Анатомический легочный шунт, в котором кровь из бронхиальных вен поступает в легочные вены легкого, вычисляют по уравнению
ШУНТ(ЛЕГ)
ШУНТ(АЛЬВ)
2
где Q - полный шунт по легкому, мл/мин; Q - альвеолярный внутрилегочный шунт - физиологический венозно-артериальный шунт, мл/мин. По старым литературным оценкам объем всех капилляров в легком, в сосудистом русле малого круга составляет 75 мл [Roughton FJ, Forster RE. Relative importance of diffusion and chemical reaction rates in determining rate of exchange of gases in the human lung, with special reference to true diffusing capacity of pulmonary membrane and volume of blood in the lung capillaries. // J Appl Physiol. 1957 Sep; 11(2):290-302]. По другим данным эта величина >200 мл и соответствует поверхности альвеолярного эндотелия 130 м [Gehr P, Bachofen M, Weibel ER. The normal human lung: ultrastructure and morphometric estimation of diffusion capacity. Respir Physiol. 1978 Feb;32(2):121-140.]. Согласно принципу А. Фика это количество полностью насыщенной крови в течении каждого сердечного цикла поступает в левые полости сердца, из них в большой круг кровообращения. Из этого следует, что объем капиллярного русла легкого равен ударному объему сердца. Приведенные выше оценки этого объема соответствуют тем, которые получают другими способами, измеряя ударный объем сердца.
Отсюда следует, что если капиллярный кровоток малого круга разделить на частоту сердечных сокращений, то тем самым оценивают объем всех капилляров в легком, а следовательно, и ударный объем сердца
V<sub>∑КАП(Л)</sub>=(Q<sub>КАП(ЛЕГ)</sub>)/ЧСС,
[7]
∑КАП(Л)
КАП(ЛЕГ)
где V - сумма объема всех капилляров легкого, мл; Q - капиллярный поток в легком, мл/мин; ЧСС - частота сердечных сокращений в минуту. К крови, оксигенированной в капиллярном русле альвеол, примешивается смешанная венозная кровь, поступающая по анатомическому шунту легкого. Ее количество, прибавляемое к объему всех капилляров легкого за одно сердечное сокращение, находят по уравнению
V<sub>∑Ш(АН)</sub>=(Q<sub>ШУНТ(АНАТ)</sub>/ЧСС,
[8]
∑Ш(АН)
ШУНТ(АНАТ)
где V - часть смешанной венозной крови из легочного анатомического шунта, соединяющейся с основным объемом крови всех капилляров легкого в течение одного сердечного сокращения; Q - анатомический шунт легкого, мл/мин; ЧСС - частота сердечных сокращений в минуту. Вычисляют скорректированный объем капиллярной крови в легком
V<sub>∑(КАП+Ш)</sub>=V<sub>∑КАП(Л)</sub>+V<sub>∑Ш(АН)</sub>,
[9]
∑КАП(Л)
∑Ш(АН)
где V - сумма объема всех капилляров легкого, мл; V - добавляемая доля смешанной венозной крови из анатомического легочного шунта за одно сердечное сокращение, мл. Эта объединенная кровь поступает в легочные вены и далее в левое предсердие и левый желудочек.
0
Умножают полученную скорректированную величину капиллярного объема легкого на ЧСС и вычисляют начальную величину минутного объема кровообращения (МОК)
МОКн=(V<sub>∑(КАП+Ш)</sub>)×ЧСС,
[10]
И
где МОКн - начальная величина МОК, мл/мин, которая связана с измеренной по А. Фику МОК линейным уравнением. В состоянии без нагрузки величину МОКн вычисляют по уравнению
для мужчин
МОКн=0,977×(МОК<sub>И</sub>)-16,222; R<sup>2</sup>=0,9998;
[11]
для женщин
МОКн=0,979×(МОК<sub>И</sub>)-17,835; R<sup>2</sup>=0,9996,
[12]
И
0(H)
где МОКн - начальная величина минутного объема кровообращения, сформированная в малом круге кровообращения, мл/мин; МОК - измеренная величина МОК по А. Фику, мл/мин. При выполнении физической нагрузки МОК вычисляют по уравнению
для здоровых мужчин
МОК<sub>Н</sub>=1,0415×(МОК<sub>И(Н)</sub>)-117,79; R<sup>2</sup>=0,9999;
[13]
для здоровых женщин
МОК<sub>Н</sub>=1,0255×(МОК<sub>И</sub>)+128,86; R<sup>2</sup>=0,9993,
[14]
где размерности величин те же, что и в уравнениях [11] и [12].
Вычисляют сумму объема всех капилляров легкого без доли, которую вносит анатомический шунт, по уравнению
V<sub>∑КАП(Л)</sub>=(МОК<sub>Н</sub>-Q<sub>ШУНТ(АНАТ)</sub>×1000/ЧСС,
[15]
∑КАП(Л)
ШУНТ(АНАТ)
где V - сумма объема всех капилляров легкого, мл; МОКн - начальная величина МОК, л/мин; Q - анатомический шунт легкого, л/мин; ЧСС - частота сердечных сокращений в минуту.
Примеры использования способа
2(ОБЩ)
ART
V
2(ОБЩ)
У здоровых лиц мужского пола от года до 49 лет и женского пола от года до 50 лет по измеренным у них величинам массы тела (m кг), концентрации гемоглобина (Hb г/л), общего потребления кислорода организмом человека (ПО мл/мин), сатурации кислородом артериальной крови (S) и смешанной венозной крови (S), которая выражается в десятичных долях 1, измеренной одновременно с ПО частотой сердечных сокращений (ЧСС) по электрокардиограмме вычислены для здоровых мужчин и женщин данные по капиллярному кровотоку в легких представлены в таблице 1.
Первые девять граф в таблице 1 - измеренные исходные данные у здоровых лиц. В остальных графах приведены оцененные параметры легочного капиллярного кровотока внутрилегочных веноартериальных шунтов.