AB: RFH CSV14-SMG-UNMSFungsi dari sistem pernafasan adalah, untuk melaksanakan pertukaran oksigen dan karbondioksida antara lingkungan dan manusia. Udara yang dihirup akan masuk kedalam paru-paru saat fase inspirasi, kemudian akan terjadi pertukaran antara karbondioksida dengan oksigen pada pembuluh kapiler paru dan akhirnya fase terakhir adalah eksipirasi karbondioksida.

A. Struktur Sistem Respirasi

Saluran Pernafasan

Organ dalam sistem pernafasan adalah paru-paru, kemudian di sambungkan dengan suatu saluran yang dinamakan trakea dan bronchus sehingga paru-paru dapat terhubung dengan lingkungan eksternal. Sistem pernafasan dibagi kedalam 2 zona, yaitu zona konduksi atau penghantar yang akan menghantarkan udara hasil inspirasi menuju paru dan ekspirasi menuju lingkungan luar, zona ini meliputi seluruh saluran pernafasan.Zona yang kedua disebut dengan zona respirasi, dimulai dari alveolus yang akan menjadi tempat terjadinya pertukaran oksigen dan karbondioksida. Secara keseluruhan zona konduksi dimulai dari hidung, nasopharynx, larynx, trachea, bronchus (lobaris, segmentalis), bronchiolus respiratorius dan bronchiolus terminal yang kesemuanya membentuk saluran untuk pernafasan. Zona konduksi ini akan menghantarkan udara hasil inspirasi kedalam paru, menghangatkan, menyaring serta mengatur kelembaban udara yang dihirup.Trachea menjadi vicera (organ) utama pada zona konduksi, trachea akan bercabang (bifurcatio trachea) menjadi 2 bronchus, satu bronchus akan masuk ke paru kanan dan yang satu masuk ke paru kiri. Saluran pernafasan dilapisi oleh secret mucus dan sel bersilia yang berguna untuk menyaring partikel asing, biasanya partikel berukuran kecil dapat lolos pada penyaringan silia maka selanjutnya penyaringan akan dilakukan oleh mucus.Pada dinding saluran pernafasan terdapat otot polos yang bekerja secara simpatis dan parasimpatis, memiliki fungsi berlawanan dalam mengatur diameter saluran pernafasan.(1) saraf otonom simpatis adrenergik akan mengaktivasi reseptor Beta2 pada otot polos bronchus maka setelah itu akan terjadi relaksasi dan dilatasi saluran pernafasan, ditambah lagi yang terpenting adalah reseptor beta2 diaktivasi oleh pelepasan epinefrin dari medulla adrenal dan juga oleh beta2 adrenergik agonis seperti isoproterenol dan albuterol. (agonis = zat kimia yang menginisiasi terjadinya sesuatu)(2) Saraf parasimpatis kolinergik mengaktivasi reseptor muskarini yang menjadikan saluran pernafasan berkontraksi dan berkontriksi.

Zona Respirasi

Zona respirasi atau divisi respirasi merupakan struktur yang terbentuk oleh alveolus dan seluruh komponen yang berhubungan dengan pertukaran gas seperti bronchiolus respiratorius, ductus alveolus, dan sacculus alveolaris. Bronchiolus respiratorius berada pada zona transisi, dimana dikatakan memiliki ciri seperti zona saluran pernafasan (zona konduksi), dikatakan demikian karena bronchiolus respiratorius memiliki silia dan otot polos, namun di sisi lain bronchiolus respiratorius juga dipertimbangkan sebagai bagian dari zona respirasi karena terdapat alveolus yang pada dindingnya.Ductus (saluran) alveolus secara keseluruhan dilapisi oleh alveolus, pada bagian dindingnya tidak terdapat silia maupun otot polos. Ductus alveolus berkahir pada suatu sacs (kantung) yang disebut dengan sacculus alveolaris.Alveolus berbentuk seperti pouch (kantung) yang dihasilkan dari evaginasi dinding bronchus respiratorius, ductus alveolus dan sacculus alveolaris. Tiap paru-paru kurang lebih didalamnya terdapat 300 juta alveolus, diameter tiap alveolus kurang lebih 200 mikro meter. Pertukaran oksigen dan karbon dioksida antara alveolus dan pembuluh kapiler paru terjadi begitu cepat dan efisien karena dinding dari alveolus sangat tipis dan memiliki permukaan yang lebar untuk difusi.Dinding alveolus dibungkus oleh serabut elastin dan dilapisi oleh sel epitel yang dinamakan dengan sel pneumosit I dan II. Tipe II akan mensintesis surfaktan yang berfungsi untuk mereduksi tegangan permukaan alveolus. Pada alveolus juga tedapat sel fagosit yang dinamakan makrofag alveolus, makrofag ini akan menjaga alveolus tetap terjaga dari debu dan kotoran karena alveolus tidak memiliki silia untuk melakukan fungsi penyaringan. Mekanismenya adalah, makrofag akan membawa kotoran menuju bronchiolus dimana disana terdapat silia, silia akan membawa kotoran itu kemudian membawanya ke zona saluran pernafasan (zona konduksi) agar bisa di keluarkan.

Peredaran Darah Kecil (Pulmonary blood flow)

Dimulai dari ventrikel kanan dan dikirim menuju paru-paru melalui arteri pulmonalis. Arteri ini bercabang menjadi arteri yang lebih kecil dan menyebar ke bronchiolus (kearah zona respirasi). Arteri yang kecil tadi masih terbagi lagi menjadi arterioles dan menjadi kapiler paru yang membentuk sebuah jaringan padat (dense network) disekitar alveolus.Karena efek gravitasi, aliran darah paru tidak terdistribusi secara merata di paru-paru, misalkan seseorang dalam posisi berdiri, darah akan mengalir lebih rendah pada puncak (apex) dari paru-paru dan lebih banyak pada basis pulmo, kemudian saat seseorang itu berbaring, efek gravitasi tidak berlaku lagi.Pada organ lainnya, regulasi aliran darah paru dicapai dengan mengubah resistensi arterioles paru, hal ini dikontrol oleh factor local yaitu oksigen.

Sirkulasi Bronchus

Memasok darah menuju zona konduksi (saluran nafas), ini adalah sebagian kecil dari aliran darah total paru

B. Volume dan Kapasitas Paru-Paru

Volume Paru

Volume statis dari paru-paru diukur menggunakan alat yang dinamakan spirometer. Pertama-tama pasien diminta untuk bernafas dengan tenang seperti biasa (bernafas normal), hal ini menggambarkan volume tidal dari paru-paru pasien. Pada umumnya volume tidal berkisar 500 ml.Selanjutnya, pasien diminta untuk menarik nafas dalam-dalam, ini akan menggambarkan nilai dari volume cadangan inspirasi (inspiratory reserve volume/IRV) dengan volume sekitar 3000 ml. Kemudian pasien diminta untuk menghembuskan nafasnya setelah melakukan tarikan nafas yang dalam, nilai dari hembusan nafas tadi disebut volume cadangan ekspirasi (expiratory reserve volume/ERV) , volumenya sekitar 1200 ml.Volume gas yang masih ada didalam paru setelah ekspirasi maksimal disebut volume residu (RV), sekitar 1200 ml (tidak bisa dipastikan dengan alat spirometry).

Kapasitas Paru

Ada beberapa macam kapasitas paru, ada yang disebut dengan kapasitas inspirasi (IC), yaitu merupakan total dari volume tidal + IRV maka dihasilkan nilai kurang lebih 3500 ml. Kemudian ada juga yang disebut dengan Kapasitas residu fungsional (FRC) yang terdiri dari ERV + RV kira-kira sekitar 2400 ml. Dapat dikatakan bahwa FRC merupakan volume dari paru-paru setelah seseorang melakukan ekspirasi secara normal, FRC bisa juga disebut sebagai volume equilibrium paru. Kapasitas vital (VC) terdiri dari kapasitas inspirasi + ERV dihasilkan volume sekitar 4700 ml. Kapasitas vital merupakan volume yang mampu di ekspirasikan setelah inspirasi maksimal, dan yang terkahir adalah TLC atau kapasitas total paru merupakan gabungan dari seluruh volume paru, ditotal sekitar 5900 ml.Seluruh nilai diatas tergantung pada jenis kelamin, berat badan, kondisik psikologi dan usia pasien.

2 Metode untuk memastikan nilai FRC, yaitu helium dilution dan plethysmograph.

1. Helium DilutionPasien akan menghirup helium yang sudah ditambahkan pada spirometer. Helium tidak dapat larut didalam darah, setelah beberapa saat, konsentrasi helium didalam paru akan sama dengan yang ada di spirometer (seimbang/equal). Jumlah helium yang sudah ditambahkan kedalam spirometer dan konsentrasi helium didalam paru akan digunakan untuk kalkulasi balik dari volume paru.

2. PlethysmographMenggunakan beberapa dasar dari hukum boyle yang menyatakan bahwa tekanan gas dikali volume gas sama dengan konstan (P x V = konstan), maka dari itu jika volume naik, maka tekanan harus turun, dan jika volume turun maka tekanan harus naik agar nilai yang selalu konstan dapat tercapai.Untuk memastikan nilai FRC, pasien akan dipersilahkan duduk disebuah kotak kedap udara yang besar, disebut dengan plethysmograph. Setelah menghembuskan nafas normal (volume tidal), corong untuk saluran udara pasien mulai ditutup, kemudian pasien akan mencoba bernafas, ketika pasien mencoba untuk melakukan inspirasi, volume paru akan meningkat dan tekanan akan diturunkan, secara bersamaan volume dari kotak akan berkurang dan tekanan didalam kotak akan meningkat. Tekanan kotak yang meningkat dapat dihitung, maka dari itu volume sebelum inspirasi juga dapat dikalkulasi yang mana hal tersebut menunjukan nilai dari FRC.

Ruang Rugi (Dead Space)

Merupakan volume gas/udara yang tidak mengalami pertukaran, dead speace/ruang rugi merupakan istilah umum yang merujuk pada 2 konsep yaitu anatomic dead space dan physiologic dead space.Konsep secara anatomi, ruang rugi adalah volume udara pada zona konduksi (saluran pernafasan) dimulai dari hidung, trachea, bronchus, dan bornchiolus. Volume udara yang berada di zona konduksi kurang lebih 150 ml, sebagai contoh nyata: ketika menghirup udara sebanyak 500 ml (volume tidal), maka yang mencapai alveolus tidak utuh 500 ml. 150 ml akan mengisi saluran pernafasan (zona konduksi) dan 350 ml akan mengisi alveolus.Gambar figure 2 diatas menunjukan bahwa diakhir ekspirasi, zona konduksi terisi oleh udara dari alveolus (alveolar air), udara yang mengisi zona konduksi diakhir ekspirasi merupakan udara yang sudah ada di alveolus dan sudah mengalami pertukaran gas dengan pembuluh kapiler paru , setelah inspirasi berikutnya maka udara alveolus (alveolus air) merupakan udara yang akan memasuki alveolus pertama kali (tidak akan mengalami pertukaran gas lagi), yang akan mengalami pertukaran gas adalah udara inspirasi sebesar 350 ml sedangkan 150 ml akan mengisi ruang zona konduksi (tidak ikut dalam pertukaran gas).Selanjutnya, untuk konsep dari fisiologinya, ruang rugi mencakup ruang rugi secara anatomi dan fungsionalitas ruang rugi di alveolus.Fungsionalitas dari ruang rugi maksudnya adalah tidak ikut sertanya alveolus sebagai partisipan pada pertukaran gas, alasannya karena perfusi yang cacat dimana alveolus tidak diperfusi oleh kapiler darah atau dapat diakibatkan karena alveolus yang tidak bekerja secara semestinya. Perfusi sendiri adalah gerakan darah melewati sirkulasi paru untuk dioksigenasi, alirannya dimulai dari ventrikel kanan jantung ke paru-paru.Pada orang normal, ventilasi alveolar dan perfusi berjalan dengan semestinya. Ventilasi sendiri adalah proses keluar-masuknya udara dari dan ke paru, mencakup inspirasi dan ekspirasi.Dalam situasi patologis tertentu, ruang rugi fisiologis dapat muncul, yang menggambarkan keadaan cacatnya ventilasi dan atau defek perfusi pada paru. Volume dari ruang rugi secara fisiologis diperkirakan dengan menggunakan metode yang berbasis pada perhitungan tekanan parsial karbonmonoksida (PCO2) pada udara yang diekspirasi (PeCO2) dengan mengikuti 3 asusmsi:

(1) Seluruh karbonmonoksida pada fase eskpirasi berasal dari pertukaran gas pada alveolus.(2) Tidak terkandung karbonmonoksida dalam udara saat fase inspirasi(3) Ruang rugi fisiologis tidak ikut menukar gas ataupun berkontribusi

Jika ruang rugi fisiologis = nol, maka PECO2 = PaCO2. Namun, jika ruang rugi fisiologis tidak sama dengan nol maka PECO2 akan diencerkan oleh ruang rugi dan ini akan berakibat PECO2 < PaCO2. Maka dari itu, dengan membandingkan PECO2 dengan PaCO2 dapat di ukur, factor pengenceran (contohnya: volume ruang rugi fisiologis). Potensi masalah yang mungkin muncul dalam kalkulasi ruang rugi fisiologis adalah udara alveolar yang tidak dapat dijadikan sampel secara langsung.Masalah diatas kini dapat diatasi, namun karena udara alveolus biasanya sebanding dengan pembuluh kapiler paru, dengan demikian PCO2 pada arteri (PACO2) = (PaCO2) (A=arteri | a=alveolar). Menggunakan asusmsi ini, maka volume ruang rugi fisiologi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

Tingkat Ventilasi

Adalah volume udara yang masuk dan keluar dari paru-paru per menitnya. Tingkat ventilasi dapat juga dikatakan sebagai ventilasi menit, yang mana merupakan total dari perpindahan udara masuk dan keluar paru-paru (bisa juga disebut ventilasi alveolar), yang mengkoreksi ruang rugi fisiologis. Untuk menghitung ventilasi alveolar, ruang rugi fisiologis harus dipastikan terlebih dahulu,

Ventilasi menit dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Ventilasi menit = volume tidal x bernafas/menit

Ventilasi alveolar untuk mengkoreksi ruang rugi fisiologi dengan persamaan:

Persamaan Ventilasi Alveolar

Persamaan ini merupakan sesuatu yang mendasar dalam fisiologi respirasi dan persamaan ini akan menjelaskan hubungan keterbalikan antara ventilasi alveolar dan PaCO2.

Persamaan Gas Alveolar

Menggambarkan ketergantungan dari PaCO2 dan PACO2 pada ventilasi alveolar. Persamaan yang kedua ini, digunakan untuk memperdiksi PO2 alveolar, berdasarkan PaCO2, diilustrasikan sebagai berikut:

Volume Ekspirasi Paksa (FVC)

Kapasitas vital adalah volume paru yang mampu diekspirasi setelah dilakukan inspirasi secara maksimal. FVC merupakan total volume udara yang dapat diekspirasi secara paksa setelah inspirasi maskimal. FVC berguna untuk mengetahui adanya indikasi suatu penyakit.

C. Mekanisme Pernafasan

Otot-otot pernafasan

(1) InspirasiDiaphragma merupakan otot terpenting dalam proses inspirasi. Saat diaphragma berkontraksi, isi dari abdomen akan terdorong kebawah dan tulang rusuk akan terangkat keatas dan kedepan. Perubahan itu akan meningkatkan volume intrathoracis yang ototmatis menjadikan tekanan intratoracis menurun, hal ini akan menginisiasi aliran udara masuk kedalam paru-paru. Selama aktivitas berat frekuensi nafas dan volume tidal akan meningkat, dalam kondisi seperti ini boleh jadi pernafasan dibantu oleh otot-otot aksesoris untuk membantu proses inspirasi.

(2) EkspirasiNormalnya terjadi dalam kondisi pasif, udara keluar dari paru-paru akibat perbedaan tekanan (gradient) antara paru-paru dengan atmosfir, ekspirasi akan mentok (berhenti) ketika sistem mencapai keseimbangan (equilibrium point). Selama aktivitas berat atau terdapat penyakit (seperti asma), otot-otot ekspirasi boleh jadi membantu proses ekspirasi.

Compliance

Compliance adalah daya pengembangan paru dan dinding thorax, compliance juga mendeskripsikan perubahan volume yang terjadi akibat dari perubahan tekanan. Compliance berbanding terbalik dengan elastisitas paru. Untuk menghitung compliance dari paru, dibutuhkan pengukuran secara bersamaan antara tekanan dan volume. Mengingat kembali bahwa tekanan paru berhubungan dengan tekanan atmosfir, jika tekanan mereka berdua sama maka disebut tekanan nol, sedangkan jika tekanan paru lebih tinggi dari tekanan atmosfir nilainya positif, sedangkan jika lebih rendah tekanannya negative.

(1) Compliance ParuHubungan antara tekanan dan volume dalam paru-paru digambarkan seperti halnya sebuah balon yang diletakkan didalam sebuah kotak kaca. Ruang diluar balon dianalogikan sebagai tekanan intrapleura

DAPUS: Constanzo, Linda S. 2014. Physiology.Vol 5. Philadelphia: Elsevier