Способы представления концентрации газа

В некоторых моделях мониторов предусмотрена возможность выбора единиц измерения содержания СО₂ в газовой смеси (кПа, мм рт. ст , %). Между способами отображения информации есть не формальное, а весьма существенное различие.

Относительная концентрация газа измеряется в объемных процентах (%). Так, концентрация СО₂, равная 5 %, означает, что в 100 мл газовой смеси содержится 5 мл углекислого газа.

Относительная концентрация, выраженная десятичной дробью, называется "фракционной концентрацией", или "фракцией газа в газовой смеси". Например, фракция кислорода, равная 0,21, — это то же, что концентрация кислорода, равная 21 %.

Относительная концентрация — самый традиционный, но не самый удачный способ отображения содержания газа в газовой смеси. Дело в том, что при изменении атмосферного давления газ становится либо более плотным, либо более разреженным, и хотя процентные соотношения компонентов газовой смеси при этом остаются прежними, количество молекул газа в каждом проценте изменяется, а соответственно, изменяется и эффективность альвеолярной вентиляции. Кроме того, выражение концентрации в процентах оказывается крайне неудобным, когда требуется сравнить содержание СО₂ в выдыхаемом газе с напряжением СО₂ в крови. И, наконец, хеморецепторы организма не понимают, что такое относительная концентрация, и упрямо ориентируются на концентрацию абсолютную.

В физиологии дыхания объемная концентрация газа обозначается знаком F, за которым следуют подстрочный индекс, обозначающий газовую смесь (I — вдыхаемый газ, Е — выдыхаемый, А — альвеолярный, ЕТ — конечная часть выдыхаемого газа и пр.), и формула самого газа.

Например, FiCO₂¹ — это процентное содержание углекислого газа во вдыхаемом газе; F_ETCO₂ читается как "процентная концентрация углекислого газа в конечной порции выдыхаемого газа", a FiO₂ — это фракция кислорода во вдыхаемом газе.

Процентный состав газовой смеси определяют с помощью масс-спектрометров.

¹В соответствии со стандартами филиологии, формула газа должна обозначаться и виде подстрочного индекса, но на практике это правило оказалось настолько неудобным, что в последние годы его не выполняют даже профессиональные журналы.

Парциальное давление газа в газовой смеси (от лат. pars — часть) измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.) или в килопаскалях (кПа), на которые уже не первое десятилетие лениво пытается перейти весь мир.

Парциальное давление газа — это та часть общего барометрического давления, которая обеспечивается молекулами данного компонента газовой смеси.

На каждый газ в смеси приходится часть барометрического давления, соответствующая объемной концентрации этого газа. Поэтому сумма парциальных давлений всех компонентов газовой смеси равна барометрическому давлению (закон Дальтона).

В физиологии дыхания парциальное давление обозначается символом Р (от англ., pressure — давление), за которым следуют индекс газовой смеси и формула самого газа.

Так, Р_ETСO₂ — это парциальное давление углекислого газа в конечной части выдыхаемого газа, а Р_AСO₂ — парциальное давление СО₂ в альвеолярном газе.

Например, если вдыхаемый газ содержит 30 % кислорода, 68 % закиси азота и 2 % фторотана (галотана), а атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., то

Р_IО₂ = (760 х 30 %) - 228 мм рт. ст.

P_IN₂O =(760X68%) - 516,8 мм рт. ст.

P_IHAL =(760х 2%) = 15,2 мм рт. ст.

Итого: 100% = 760 мм рт. ст.

Зная величину атмосферного давления и парциального давления газа, легко вычислить его процентную концентрацию:

Относительная концентрация газа (%) =

Парциальное давление газа (мм рт. ст.)

= ——————————————————————— 100%

Барометрическое давление (мм рт. ст.)

Парциальное давление — это один из показателей абсолютной концентрации, то есть количества молекул газа в единице объема газовой смеси. При этом концентрация газа выражается через давление, которое обеспечивают его молекулы. Чем больше молекул газа в единице объема, тем выше парциальное давление этого газа.

При колебаниях атмосферного давления соответственно изменяются и парциальные давления газов, отражая изменения их абсолютных концентраций, хотя процентные соотношения компонентов смеси остаются прежними.

Если в рассмотренном нами примере атмосферное давление снижается с 760 до 730 мм рт. ст., то парциальные давления газов также уменьшатся:

P_IO₂ = (730 X 30%) = 219 мм рт. ст.

P_IN₂O - (730 X 68 %) - 496,4 мм рт.

P_IHAL =(730x 2%) = 14,6 мм рт. ст.

Итого: 100% = 730 мм рт. ст.

Исчисление концентрации газа в единицах давления удобно тем, что предоставляет возможность сравнивать парциальное давление газа в газовой смеси (например, в альвеолярном или вдыхаемом газе) с напряжением этого газа в крови или в тканях и тем самым определять градиент давлений, от которого зависят направление и скорость газообмена в легких и в тканях.

Инфракрасные капнографы измеряют абсолютные концентрации углекислого газа и летучих анестетиков и выражают их в мм рт. ст. или в кПа. Процентная концентрация газа, высвечиваемая на дисплее, всегда является расчетной величиной, для получения которой программа монитора оперирует данными встроенных барометра и термометра.

При использовании данных капнографии следует иметь в виду еще одно обстоятельство. На величину реального парциального давления углекислого газа влияют пары воды, которыми насыщен альвеолярный газ. Парциальное давление воды при 37 °С составляет 47 мм рт.ст., а на долю остальных компонентов альвеолярного газа приходится 760-47 = 713 мм рт. ст. Поэтому парциальному давлению СО₂ в альвеолах, равному 40 мм рт. ст., соответствует концентрация этого газа, составляющая

Р_AСО₂ = 40/713 х 100 = 5,6 %.

Перед поступлением в измерительную камеру капнографа проба газа искусственно обезвоживается. При исчезновении любого из компонентов газовой смеси относительные концентрации всех других повышаются. В связи с тем, что капнографы калибруются сухими газами, поправка, связанная с изменением влажности, не вносится, и программное обеспечение капнографа производит пересчет парциального давления в процентную концентрацию, исходя из условий измерения, а не из условий альвеолярной среды. Например, если измеренное парциальное давление СО₂ равно 35 мм рт. ст., то при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. рассчитанная капнографом относительная концентрация углекислого газа составит

РетСО₂ = 35/760 X 100 = 4,6 %.

Несоответствие между измеренной и реальной величинами Р_ETСO₂ равно нескольким мм рт. ст. и в клинической практике обычно не берется во внимание.

В капнографах, имеющих встроенный барометр, поправка на колебания атмосферного давления производится автоматически.