Dönem Adı :Dönem II Dilim Adı :Solunum Ders Adı :Solunum

Dönem Adı
:Dönem II
Dilim Adı
:Solunum
Ders Adı
:Solunum Biyofiziği (3 saat)
Sorumlu Öğretim Üyesi :Doç. Dr. Handan Akçakaya
Sorumlu Öğretim Üyesi Anabilim Dalı: Biyofizik Anabilim Dalı
Hedefler : Bu dersi alan bir öğrenci;
-Solunum dinamiğinin genel prensiplerini açıklayabilmeli,
-Solunum sistemi ve işlevini açıklayabilmeli,
-Solunumla ilgili gaz yasalarını tanımlayabilmeli,
-Solunum sırasında hacim basınç değişimleri ve solunum işini açıklayabilmeli.
Ana Metin:
Karakteristik uzunluğu L olan bir canlının oksijen harcama hızı kütlesi veya
hacmi ile yani L³ ile orantılıdır.Birim zamanda deri yolu ile girebilecek oksijen miktarı
ise yüzeyi ile yani L² ile orantılıdır.
Canlının birim hacim başına yüzey alanı ;
şeklinde
yazılabilir ve canlı irileştikçe azalır. Bu nedenle deri yolu ile alınabilecek oksijen
miktarı iri canlılarda yetersiz kalır ve gereksinim başka yollardan karşılanır. İnsanın
dinlenim halinde oksijen gereksinimi 0,21 l/kg.saat ’tir ve bunun ancak %2 gibi önemsiz
bir miktarı deri yolu ile sağlanabilmektedir. Gereksinimin geri kalanını karşılayabilmek
için özel solunum sistemi gelişmiştir.
SOLUNUM SİSTEMİ ORGANLARI

Ağız ve Burun

Trake

Akciğerler

Bronşlar

Bronşiyoller

Alveoller

Kapiller
Solunum sistemini biyofiziksel yaklaşımla açıklayabilmek için benzetmeler
yaparak bu sistemi hava akımının gerçekleştiği bir kanal (trake, bronş, bronşiyol,
terminal bronşiyol) basınç ve hacim değişikliklerine bağlı devinimin gerçekleştiği bir
kutu (akciğerler) ve difüzyon aracılığı ile gax değişiminin gerçekleştiği bir yüzey
(alveoller) olarak düşünebiliriz.
Akciğerlerde; atmosfer havası ile kan arasındaki gaz alışverişine dış solunum
denir. Dış solunum işlevsel olarak üç evreden oluşur;
• Ventilasyon
• Difüzyon
• Perfüzyon
Kan ile dokular arasındaki gaz alışverişi ise iç solunum olarak adlandırılır.
Ventilasyon: Atmosfer havasının akciğerlere giriş çıkış süreçleri olarak adlandırılır.
Difüzyon:akciğer havası ile akciğer kılcal damarları arasındaki gaz alış veriş sürecidir
ve dış solunumun ikinci evresidir.
Perfüzyon:kanın akciğerlerdeki kılcal damarlara giriş sürecidir ve dış solunumun
üçüncü evresi olarak adlandırılır.
Bir solunum çevrimi sırasında alınan veya verilen hava miktarına soluk hacmi
ya da (tidal volum) (Vs) denir. Yetişkinlerde yaklaşık 500 cm³’tür. Bir soluk almada bu
kadar havanın hepsi alveollere kadar ulaşmaz. Hava yollarında kalan ve ölü boşluk
olarak adlandırılan bu hacim yaklaşık 150 cm³’tür. Çevrimsel ve ritmik bir süreç olan
solunumun frekansı (f) egzersizle, çevresel faktörlere göre ve konuşma sırasında değişir.
Yetişkinlerde ortalama frekans 15 dak -1 kadardır. Birim zamanda solunan hava
miktarına ventilasyon veya solunumun dakika hacmi adı verilir ve toplam ventilasyonu
için; V=Vs f yazılabilir ve yaklaşık 7500 cm³ tür. Toplam alveolar hacim (Va) ise 5250
cm³ tür. Solunumla dolaşımın uyumluluğunu anlatmada kullanılan bir kavram da
ventilasyon-perfüzyon oranı olarak adlandırılır ve bu oran normal koşullarda 1
dolayındadır.
Solunumla İlgili Gaz Yasaları
Gazların kinetik teorisine göre, gaz moleküllerinin birbirilerine uzaktan kuvvet
etkimeleri önemsizdir. Gaz molekülleri, gelişi güzel hareketleri sırasında birbirleriyle
esnek olarak çarpışarak momentum alışverişinde bulunurlar. Gazın mutlak sıcaklığı
moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir gazın basıncı moleküllerin
rastgele hareketinden kaynaklanır ve n birim hacimdeki molekül sayısı olmak üzere;
P =2/3 n (1/2 mv2) yazılabilir. (v2 ortalama hız)
Gaz basıncı, moleküllerin gazı sınırlayan kap çeperlerine rastgele esnek
çarpışmalarından kaynaklanır.
Avogadro hipotezi: Aynı sıcaklık, basınç ve hacim altında gazlar, aynı sayıda molekül
içerirler.
Boyle yasası: Sabit sıcaklıkta tutulan belirli bir miktar gazın, hacmi ile basıncının
çarpımı sabittir.
Gay-Lussac yasası: Sabit basınç altında tutulan belirli bir miktar gazın, hacmi
sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar.Sabit hacim altında tutulan bir gazın basıncı da,
sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar.
İdeal gaz yasası: Belirli bir miktar gazın (n mol) basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasında,
P V = n R T ilişkisi vardır.
Dalton yasası: Bir gaz karışımı içinde bulunan gazlardan her bir cinsi, kap içinde yalnız
başına bulunuyormuş gibi davranır ve kabın çeperine, diğer gazların varlığından
etkilenmeyen, bir kısmi (parsiyel) basınç uygular.
P =PO2 + PCO2 + PN2 + PH2O
Atmosfer basıncı; oksijen, karbondioksit, azot ve su buharının kısmi basınçlarının
toplamına eşittir.
Toplam ve kısmi basınçları farklı iki gaz ortamı arasında gaz taşınımları: Önce iki
ortam arasında, toplam basınçlar eşitleninceye kadar, Poiseuille yasasına göre gaz akışı
kurulur. Gaz akışına göre daha uzun süren difüzyon olayları ile kısmi basınçlar da
eşitlenerek iki sistem dengeye ulaşır.
Yüzey Gerilimi
Sıvı bir ortam içindeki bir moleküle diğer moleküllerin uyguladıkları
kuvvetlerin bileşkesi sıfırdır. Sıvı yüzeyinde bulunan moleküller sıvı yüzeyine dik, içeri
yönelik bir kuvvet etkisinde kalırlar. Sıvılar dış yüzey alanlarını minimuma indirecek
bir biçim almaya çalışırlar. Sabit ve U biçiminde kıvrılmış bir tel üzerinde hareket
edebilen bir başka tel parçasının arasına bir sıvı, film oluşturacak şekilde yayıldığında,
yüzey geriliminden kaynaklanan kuvvetlerin bileşkesi, hareketli çubuğu içeri doğru
çekecektir. Hareketi engellemek için dışarıdan uygulanması gerekli F´ kuvveti
ölçülerek, sıvı yüzeyinin oluşturduğu F kuvveti belirlenir.
Yüzey gerilimi, sıvı yüzeyine teğet, yüzeyde düşünülen herhangi bir çizgiye
dik, birim uzunluk başına kuvvet boyutundadır.
Alveollerin kapanma (collapse) eğiliminde oluşları;

Kısmen çeperlerinin esnekliğinden

Kısmen de alveollerin içini sıvayan doku akışkanının yüzey gerilim
kuvvetinden kaynaklanır.
Sabun köpüğü gibi iki yüzü de gaz fazı ile temasta bulunan bir kabarcıkta, yüzey
gerilim kuvvetleri kabarcık hacmini küçültmeye çalışır. Kabarcık içi transmüral basınç
(Pt =Piç-Pdış) artarak denge kurulur.
Denge durumu için, r küresel kabarcığın yarıçapı olmak üzere;
Pt = 4 γ/ r
olduğu gösterilmiştir.
Gaz ortam içindeki bir sıvı damlası veya sıvı ortam içinde bir gaz kabarcığı olduğunda
sıvı veya gaz kabarcığının temas ettiği bir yüzü bulunduğundan ötürü yukarıdaki bağıntı
Pt = 2 γ / r
olur.
Yarıçapları aynı olan iki kabarcık düşünelim;
transmüral basınç bağıntılarına göre, yüzey gerilimi büyük olanı dengelemek için daha
büyük trasmüral basınç gerekecektir.
Şimdi de, yüzey gerilimi aynı, yarıçapları farklı iki kabarcık düşünelim; bu durumda,
yarıçapı küçük olanda dengeyi sağlamak için daha büyük transmüral basınç
gerekecektir.
Eğer sabun köpüğü kabarcıkları paralel bağlanırsa; yüzey gerilimleri aynı olan bu iki
kabarcıktan yarıçapı küçük olanda dengeyi sağlamak için gerekli transmüral basınç daha
büyük olacaktır. Yüzey geriliminden ötürü küçük kabarcık büzülmeye başlayınca küçük
yarıçaplıdan büyük olana doğru bir gaz akışı gerçekleşir ve küçük yarıçaplı tamamen
büzülür.
Soluk alma sırasında bir alveol çapının 50 µm den 100 µm ye çıktığını düşünelim.
Yüzey gerilimine rağmen bu alveolün genişleyebilmesi için, alveol çeperlerine ait
transmüral basıncın en az,
Pt=Palv-Ppl = 2 γ /r = 2 . 0.050/50. 10-6 = 2000Pa = 2kPa (15 mmHg)
olması gerekir.
Normal soluk alma sırasında alveol içi ölçü basıncı;
Palv= -0,4 kPa ( -3 mm Hg) dir.
Plevra boşluğuna ait ölçü basıncı;
P pl = Palv - Pt = -2.4 kPa (-18 mm Hg)
olmalıdır.
Plevra boşluğundaki ölçü basıncı gerçekten negatiftir, ancak rahat soluk almada
deneysel olarak;
P pl = - 0. 5 kPa ( -4 mm Hg)
ölçülmektedir.
dolayısıyla,
Pt = Palv -P pl = -0.4 - (-0.5) = + 0.1 kPa ( 1 mm Hg)
kadardır.
Elde edilen 0. 1 kPa veya 1mmHg lik değer yüzey gerilim tartışmasına göre gerekenin
(2kPa) çok altındadır.
Alveollerin birbirilerine paralel bağlı, yarıçaplarının genellikle farklı ve alveollerin içini
sıvayan doku akışkanının yüzey geriliminin de aynı olduğu düşünülürse, yukarıdaki
tartışmaya göre küçük alveollerin tümünün kapanması gerekir.
Fakat gerçekte böyle bir durum, söz konusu değildir.
Alveoller surfactant adı verilen lipoprotein yapısında bir madde salgılar ve soğurur.
Surfactant’ın etkisi, alveol yüzey genişliğine bağlıdır.
Surfactant, alveol yarıçapı küçük iken alveol yüzeyinde daha yoğun bulunur ve bundan
dolayı doku akışkanının yüzey gerilimi küçülür.
Alveol çapı büyüdüğünde, yüzeydeki surfactant konsantrasyonu azalır ve surfactant’ın
yüzey gerilimini küçültücü etkisi azalır.
Bütün bunların sonucu
kalabilmektedirler.
olarak,
farklı
yarıçaplı
alveoller
kararlı
olarak
Kaburgalar arası dış kaslar (intercostalis externi), kaburga kemiklerine net dönme
kuvvetleri uygulayarak, göğüs kafesinin öne ve yukarı doğru hareket etmesine ve
böylece genişlemesine neden olur.
Yüksek tempoda soluk verirken, kaburgalar arası iç kaslar (intercostalis interni) ve karın
kasları kasılarak aktif bir iş yapılır.
Diyaframın kasılması da göğüs kafesinin genişlemesine yol açar.
Göğüs boşluğu genişlerken toraks içi ve plevra içi basınçlar düşer ve akciğerler de pasif
olarak çekilir, dolayısıyla alveol hacimleri genişler (alveol içi basınç düşer).
Soluk alma sırasında kasların uyguladığı kuvvet;

Akciğer ve toraksın esnek olarak şeklini değiştirir.

Akciğer ve toraks dokularının sürtünmelerinin yenilmesini sağlar.

Hareketli kütlelere ivme kazandırır.
Akciğerler, solunum işlevine aktif olarak katılmazlar, esneklik ve direnç özellikleri ile
pasif yanıtlarda bulunurlar.
Göğüs kafesi iç yüzeyi ile akciğerlerin dışını çevreleyen plevra zarları arasında bulunan
plevra sıvısı, statik sürtünmeleri ortadan kaldırır ve akciğerler göğüs kafesi içinde
serbestçe kayabilirler.
Solunum sırasında, sürtünmelere karşı yapılan iş ısı şeklinde kaybolur.
Esneklik kuvvetlerine karşı yapılan iş, göğüs ve akciğer dokularında potansiyel enerji
şeklinde depolanır.
Normal bir soluk verme pasiftir ve soluk alma sırasında depolanmış potansiyel enerji ile
sürdürülür.
Soluk verme sırasında, alveol hacimleri küçülür ve iç basınçları yükselir.
Eylemsizlik, sürtünme ve esneklik gibi öğeler içeren bir sistem bir Fuy kuvveti etkisinde
kaldığında, sistemde bu kuvvete eşit tepki kuvvetleri doğar.
Fuy= FeyI+ Fsür+ Fesn= m d2x /dt2 + dx/dt + kx
Dış solunum sistemine karşılık yukarıdaki mekanik modelde yürütücü etki olarak
pompaların ortaya çıkardığı basınç farkını (Puy=Pağız -Pplevra), yanıt olarak da alveollerin
hacim değişimlerini alabiliriz.
Puy =Peyl + Psür + P esn= I . d2V/dt2 + R . dV/dt + 1/C . V
I = Hareket eden kütlelere bağlı bir eylemsizlik parametresi.
R = Dokular arası sürtünmeler, dokuların iç sürtünmelerinden ve hava yollarındaki
sürtünmelerden kaynaklanan dirençlerin toplamı.
C =Akciğer - göğüs kompliyansı
Solunum sisteminde yürütücü etki (Puy) içinde ivme verici bileşenin (Peyl) payının % 5
den küçük olduğu saptanmıştır.
Bu yüzden Puy bağıntısında Peyl ihmal edilebilir.Bu durumda;
Puy =Peyl + Psür + P esn= I . d2V/dt2 + R . dV/dt + 1/C . V
Puy= R dV/dt + 1 / C .V
olur.
Solunum sisteminde direncin % 20 si doku direncinden, % 80 i ise hava yolları
direncinden kaynaklanır.
Solunum yollarındaki silindirik bir akış yolu için, girdapsız ve düzgün akış koşullarında
Poiseuille yasası geçerlidir. Yani debi, basınç düşmesi ile orantılıdır.
Akış direncini belirleyen parametreler içinde yarıçap önemlidir. Soluk alma sırasında
bronş ve bronşiyol çaplarındaki küçük artmalar direnci oldukça düşürür.
∆P direnç= R dV/dt = (8 )1 /  r4) dV/dt
Hava yollarının direnci ortalama 0.2 kPa.s / l dır.
Poiseuille yasası: yatay bir boruda iç sürtünmeli bir akışkanın akması için boru boyunca
bir basınç farkı olmalıdır. Akışkan içinde herhangi bir noktada birim yüzeyden birim
zamanda geçen akışkan miktarı (kütle veya hacim cinsinden) bu noktadaki akı
yoğunluğu (Mak) olarak tanımlanır. Poiseuille yasasına göre akı yoğunluğu basınç
gradyentiyle orantılıdır. Orantı katsayısı κ akışkanın viskosluk katsayısına ve akış
borusunun özelliklerine bağlıdır.
Kompliyansı deneysel olarak belirlemek için, hacim istemli ve basamaklı olarak
arttırılır ve ölçülür.
Sırasıyla;
hava giriş yolları kapatılarak kaslar gevşetilir.
Bu durumda ölçülen Palv ve Ppl arasındaki fark (Pt), bu yeni hacme ulaşmak için gerekli
etkiye (Puy) karşılık gelir.
Kararlı durumlar arasındaki hacim farkları basınç farklarına oranlanarak,
C =∆V / ∆P
bağıntısında akciğer-göğüs sisteminin kompliyansı belirlenir.
Akciğer - göğüs kompliyansı normalde 1.8-2.7 cm3/Pa arasındadır.
İki akciğer paralel bağlı olduklarından dolayı, akciğerlerin eşdeğer kompliyansı, iki
akciğerin kompliyansları toplamına eşittir.
Göğüs (Cg) ve akciğer (Ca) kompliyansları seri bağlı olduklarından, tüm solunum
sisteminin eşdeğer kompliyansı;
1 / C = 1 / Ca + 1 / Cg
olur.
Mekanik solunum sistemi modelini dikkate alarak, yürütücü etkinin basamaklı olarak
aniden
Puy = sabit
bir değer olduğunu ve bu değerde kaldığını varsayalım.
Bu durumda direnç nedeni ile alveol içi hacim ve basınç kararlı durum değerlerine
aniden değil, bir kondansatörün bir direnç üzerinden dolması sırasında yük ve
potansiyel değişimleri gibi, ağır ağır yaklaşır.
Zaman sabiti,
τ= R.C
şeklinde direnç ve kompliyansın çarpımına eşittir ve aynı zamanda alveol içi basıncın
etki basıncının % 63'üne ulaşması için gereken süreye karşılıktır.
Belirli bir yürütücü etkinin (Puy) uygulama süresi yeterince uzun olursa, akciğerlere
girecek hava,
Valv =Puy. C ( 1 - e-t/RC) =Vo (1 - e-t/RC)
bağıntısı gereği kompliyansa bağlıdır.
Kararlı hacim değerine ulaşma çabukluğu ise
τ=R.C
bağıntısına göre hem kompliyansa hem de dirence bağlıdır.
Etki uygulama (soluk alma) süresinin kısa olması halinde, akciğer basınç ve hacminin
ulaşabildiği kararlı durum değerlerine ve bu değerlere ulaşma çabukluğunda direnç ve
kompliyansın her ikisi de etkilidir.
Gerçekte akciğer, bir alveole karşılık tutulabilen seri bağlanmış bir direnç ve bir
kompliyanstan oluşmuş birimlerin bir çoğunun paralel bağlanmaları ile oluşmuştur.
Böyle bir sistemin her bir birimine giren hava miktarı o birimin direncine,
kompliyansına ve etkinin uygulama süresine bağlıdır.
Solunum yollarında akışın girdaplı olması halinde Poiseuille yasası geçerliliğini yitirir.
Aynı debinin sağlanması için gerekli basınç farkı ve dolayısı ile hava yollarının direnci
artar.
Düzgün akışta akış direnci, Poiseuille yasası’na göre debiden bağımsız iken, girdaplı
akışta debiye bağlıdır.
Rahat bir soluk alma sırasında solunum yollarının doğrusal kesimlerinde akış
düzgündür.
Solunum yollarının dallanmaları sırasında, yarıçap küçülürken toplam kesitin artması
nedeni ile, hız da azalır.
Yarıçapın ve hızın küçülmesi Reynold sayısını
Re =v r /
küçülteceğinden, dallanmalarla hıza bağlı girdaplı akış olasılığı azalır.
Girdaplı akış, dallanma yerlerindeki yansımalarla ortaya çıkabilir.
Solunum yollarında girdaplı akışlar sırasında ses duyulur.
Rahat soluk alıp verirken hava yolları direncinin % 50 kadarı bir filtre sistemi olan
burundan kaynaklanmaktadır.
Yüksek tempoda solumada ise ağız da açılınca, üst solunum yollarının toplam direnç
içindeki payı % 25 dolaylarına inmektedir.
Solunum yollarında akış direncini belirlemek için, akışı sürdürücü etki olan
Pağız-Palv basınçları farkı ölçülerek debiye oranlanmalıdır.
Plevra basıncının (Ppl - Pağız) zamanla değişiminin, akciğer hacim değişimiyle orantılı
olmamasının nedeni direnç faktörüdür.
Uygulandığı sistemde, kendi doğrultusunda çok küçük dx kadar yer değiştirmeye neden
olan bir kuvvetin yaptığı iş;
dW=F. dx kadardır.
Benzer şekilde bir P basıncı etkisinde dV kadar hacim değişimi oluyor ise, yapılan iş;
dW =P .dV olur.
Solunum sisteminde, eylemsizlik terimleri ihmal edilirse, hacim değişimleri sırasında
yapılan iş;
W = ∫Puy . dV = ∫ Pesnek.dV + ∫ Pdirenç . dV
şeklinde yazılabilir.
Kaynaklar: Ferit Pehlivan, Biyofizik, 14. Bölüm, Hacettepe-Taş, Ankara, (1997)
Gürbüz Çelebi, Biyomedikal Fizik 4. Bölüm, Barış Yayın, İzmir,(2008)