Вентиляция
Как воздух поступает в альвеолы
В этой и следующих двух главах рассмотрено, каким образом вдыхаемый воздух поступает в альвеолы, как газы переходят через альвеолярно-капиллярный барьер и как они удаляются из легких с током крови. Эти три процесса обеспечиваются соответственно вентиляцией, диффузией и кровотоком.
Рис. 2.1. Схема легкого. Приведены типичные значения объемов и расходов воздуха и крови. На практике эти величины существенно варьируют (по J. В. West: Ventilation/Blood Flow and Gas Exchange. Oxford, Blackwell, 1977, p. 3, с изменениями)
На рис. 2.1 приведено схематическое изображение легкого. Бронхи, образующие воздухоносные пути (см. рис. 1.3), представлены здесь одной трубкой (анатомическим мертвым пространством). По ней воздух поступает в газообменные отделы, ограниченные альвеолярно-капиллярной мембраной и кровью легочных капилляров. При каждом вдохе в легкие поступает около 500 мл воздуха (дыхательный объем). Из рис. 2.1 видно, что объем анатомического мертвого пространства мал по сравнению с общим объемом легких, а объем капиллярной крови гораздо меньше, чем объем альвеолярного воздуха (см. также рис. 1.7).
Легочные объемы
Перед тем как перейти к динамическим показателям вентиляции, полезно коротко рассмотреть “статические” легочные объемы. Некоторые из них можно измерить с помощью спирометра (рис. 2.2). Во время выдоха колокол спирометра поднимается, а перо самописца опускается. Амплитуда колебаний, записываемых при спокойном дыхании, соответствует дыхательному объему. Если же обследуемый делает максимально глубокий вдох, а затем - как можно более глубокий выдох, то регистрируется объем, соответствующий жизненной емкости легких (ЖЕЛ). Однако даже после максимального выдоха в них остается некоторое количество воздуха - остаточный объем (ОО). Объем газа в легких после нормального выдоха называется функциональной остаточной емкостью (ФОЕ).
Функциональную остаточную емкость и остаточный объем нельзя измерить с помощью простого спирометра. Для этого применим метод разведения газа (рис. 2.3), заключающийся в следующем. Воздухоносные пути обследуемого соединяются со спирометром, содержащим в известной концентрации гелий-газ, практически нерастворимый в крови. Обследуемый делает несколько вдохов и выдохов, в результате чего концентрации гелия в спирометре, и в легких выравниваются. Поскольку потерь гелия не происходит, можно приравнять его количества до и после выравнивания концентраций, равные соответственно C 1 X V 1 (концентрация X объем) и С 2 X X (V 1 +V 2). Следовательно, V 2 = V 1 (C 1 -С 2)/С 2 . На практике в ходе выравнивания концентраций в спирометр добавляют кислород (чтобы компенсировать поглощение этого газа испытуемым) и абсорбируют выделяемый углекислый газ.
Функциональную остаточную емкость (ФОЕ) можно измерить также с помощью общего плетизмографа (рис. 2.4). Он представляет собой крупную герметичную камеру, напоминающую кабинку телефона-автомата, с обследуемым внутри.
Рис. 2.2. Легочные объемы. Обратите внимание па то, что функциональную остаточную емкость и остаточный объем нельзя измерить методом спирометрии
Рис. 2.3. Измерение функциональной остаточной емкости (ФОЕ) методом разведения гелия
В конце нормального выдоха с помощью заглушки перекрывается мундштук, через который дышит обследуемый, и его просят сделать несколько дыхательных движений. При попытке вдоха газовая смесь в его легких расширяется, объем их увеличивается, а давление в камере растет с уменьшением объема воздуха в ней. По закону Бойля-Мариотта произведение давления на объем при постоянной температуре - величина постоянная. Таким образом, P1V1 == P2(V1 -deltaV), где P 1 и P 2 -давление в камере соответственно до попытки вдохнуть и во время нее, V 1 - объем камеры до этой попытки, a AV - изменение объема камеры (или легких). Отсюда можно рассчитать AV.
Далее необходимо применить закон Бойля-Мариотта к воздуху в легких. Здесь зависимость будет выглядеть следующим образом: P 3 V 2 =P 4 (V 2 + AV), где Р 3 и Р 4 - давление в полости рта соответственно до попытки вдохнуть и во время нее, a V 2 - ФОЕ, которая и рассчитывается по этой формуле.
Рис. 2.4. Измерение ФОЕ с помощью общей плетизмографии. Когда обследуемый пытается сделать вдох при перекрытых воздухоносных путях, объем его легких несколько увеличивается, давление в дыхательных путях снижается, а давление в камере повышается. Отсюда, используя закон Бойля-Мариотта, можно рассчитать объем легких (подробнее см. в тексте)
Методом общей плетизмографии измеряется общий объем воздуха в легких, в том числе и участков, не сообщающихся с полостью рта вследствие того, что их воздухоносные пути перекрыты (см., например, рис. 7.9). В отличие от этого метод разведения гелия дает лишь объем воздуха, сообщающегося с полостью рта, т. е. участвующий в вентиляции. У молодых здоровых людей эти два объема практически одинаковы. У лиц же, страдающих легочными заболеваниями, участвующий в вентиляции объем может быть значительно меньше общего, так как большое количество газов изолируется в легких из-за обструкции (закрытия) дыхательных путей.
Вентиляция
Предположим, что при каждом выдохе из легких удаляется 500 мл воздуха (рис. 2.1) и что в минуту совершается 15 дыхательных движений. В этом случае общий объем, выдыхаемый за 1 мин, равен 500Х15 ==7500 мл/мин. Это так называемая общая вентиляция, или минутный объем дыхания. Объем воздуха, поступающего в легкие, несколько больше, так как поглощение кислорода слегка превышает выделение углекислого газа.
Однако не весь вдыхаемый воздух достигает альвеолярного пространства, где происходит газообмен. Если объём вдыхаемого воздуха равен 500 мл (как на рис. 2.1), то 150 мл остается в анатомическом мертвом пространстве и за минуту через дыхательную зону легких проходит (500-150)Х15=5250 mл атмосферного воздуха. Эта величина называется альвеолярной вентиляцией. Она имеет важнейшее значение, так как соответствует количеству “свежего воздуха”, который может участвовать в газообмене (строго говоря, альвеолярную вентиляцию измеряют по количеству выдыхаемого, а не вдыхаемого воздуха, однако разница в объемах очень невелика).
Общую вентиляцию можно легко измерить, попросив обследуемого дышать через трубку с двумя клапанами-впускающим воздух при вдохе в воздухоносные пути и выпускающим его при выдохе в специальный мешок. Альвеолярную вентиляцию оценить сложнее. Один из способов ее определения заключается в измерении объема анатомического мертвого пространства (см. ниже) и вычислении его вентиляции (объем X частота дыханий). Полученную величину вычитают из общей вентиляции легких.
Расчеты выглядят следующим образом (рис. 2.5). Обозначим V т, V p , V a соответственно дыхательный объем, объем мертвого пространства и объем альвеолярного пространства. Тогда V T =V D +V A , 1)
V T n =V D n +V A n,
где n - частота дыхания; следовательно,
где V - объем за единицу времени, V E - общая экспираторная (оцениваемая по выдыхаемому воздуху) легочная вентиляция, V D и V A - вентиляция мертвого пространства и альвеолярная вентиляция соответственно (общий список обозначений приведен в приложении). Таким образом,
Сложность этого метода заключается в том, что объем анатомического мертвого пространства измерить трудно, хотя с небольшой ошибкой можно принять его равным определенной величине.
1) Следует подчеркнуть, что V A -это количество воздуха, поступающее в альвеолы при одном вдохе, а не общее количество альвеолярного воздуха в легких.
Рис. 2.5 . Воздух, покидающий легкие при выдохе (дыхательный объем, V D), поступает из анатомического мертвого пространства (Vo) и альвеол (va). Густота точек на рисунке соответствует концентрации СО 2 . F- фракционная концентрация; I-инспираторный воздух; Е-экспираторный воздух. См. для сравнения рис. 1.4 (по J. Piiper с изменениями)
У здоровых людей альвеолярную вентиляцию можно рассчитать также по содержанию СО 2 в выдыхаемом воздухе (рис. 2.5). Поскольку в анатомическом мертвом пространстве газообмена не происходит, в конце вдоха в нем не содержится СО 2 (ничтожным содержанием СО 2 в атмосферном воздухе можно пренебречь). Значит, CO2 поступает в выдыхаемый воздух исключительно из альвеолярного воздуха, откуда имеем где Vco 2 -объем CO 2 , выдыхаемый за единицу времени. Следовательно,
V A = Vсо 2 х100 / % СO 2
Величину % С0 2 /100 часто называют фракционной концентрацией С02 и обозначают Fco 2 . Альвеолярную вентиляцию можно рассчитать, разделив количество выдыхаемого СО 2 на концентрацию этого газа в альвеолярном воздухе, которую определяют в последних порциях выдыхаемого воздуха с помощью быстродействующего анализатора С0 2 . Парциальное давление СО 2 Рсо 2) пропорционально концентрации этого газа в альвеолярном воздухе:
Рсо 2 =Fco 2 X K,
где К-константа. Отсюда
V A = V CO2 /P CO2 x K
Поскольку у здоровых людей Рсо 2 в альвеолярном воздухе и в артериальной крови практически одинаковы, Рсо 2 артериальной крови можно использовать для определения альвеолярной вентиляции. Ее взаимосвязь с Рсо 2 чрезвычайно важна. Так, если уровень альвеолярной вентиляции снизится вдвое, то (при постоянной скорости образования СО 2 в организме) Р СО2 . в альвеолярном воздухе и артериальной крови возрастет в два раза.
Анатомическое мертвое пространство
Анатомическим мертвым пространством называют объем проводящих воздухоносных путей (рис. 1.3 и 1.4). В норме он составляет около 150 мл, возрастая при глубоком вдохе, так как бронхи растягиваются окружающей их паренхимой легких. Объем мертвого пространства зависит также от размеров тела и позы. Существует приближенное правило, согласно которому у сидящего человека он примерно равен в миллилитрах массе тела в фунтах (1 фунт ==453,6 г).
Объем анатомического мертвого пространства можно измерить по методу Фаулера. При этом обследуемый дышит через систему клапанов и непрерывно измеряется содержание азота с помощью быстродействующего анализатора, забирающего воздух из трубки, начинающейся у рта (рис. 2.6, Л). Когда после вдыхания 100% Оа человек делает выдох, содержание N 2 постепенно увеличивается по мере замены воздуха мертвого пространства альвеолярным. В конце выдоха регистрируется практически постоянная концентрация азота, что соответствует чистому альвеолярному воздуху. Этот участок кривой часто называют альвеолярным “плато”, хотя даже у здоровых людей он не совсем горизонтальный, а у больных с поражениями легких может круто идти вверх. При данном методе записывается также объем выдыхаемого воздуха.
Для определения объема мертвого пространства строят график, связывающий содержание N 2 с выдыхаемым объемом. Затем на этом графике проводят вертикальную линию таким образом, чтобы площадь А (см. рис. 2.6,5) была равна площади Б. Объем мертвого пространства соответствует точке пересечения этой линии с осью абсцисс. Фактически этот метод дает объем проводящих воздухоносных путей до “средней точки” перехода от мертвого пространства к альвеолярному воздуху.
Рис. 2.6. Измерение объема анатомического мертвого пространства с помощью быстродействующего анализатора N2 по методу Фаулера. А. После вдоха из емкости с чистым кислородом обследуемый делает выдох, и концентрация N 2 в выдыхаемом воздухе вначале повышается, а потом остается почти постоянной (кривая при этом практически выходит на плато, соответствующее чистому альвеолярному воздуху). Б. Зависимость концентрации от выдыхаемого объема. Объем мертвого пространства определяется точкой пересечения оси абсцисс с вертикальной пунктирной линией, проведенной таким образом, что площади А и Б равны
Функциональное мертвое пространство
Измерить объем мертвого пространства можно также методом Бора. Из ри2с. 2.5 видно, что выдыхаемый СО 2 поступает из альвеолярного воздуха, а не из воздуха мертвого пространства. Отсюда
vt х-fe==va х fa.
Поскольку
v t = v a + v d ,
v a =v t -v d ,
после подстановки получаем
V T х FE=(VT-VD)-FA,
следовательно,
Поскольку парциальное давление газа пропорционально его содержанию, запишем (уравнение Бора),
где А и Е относятся к альвеолярному и смешанному выдыхаемому воздуху соответственно (см. приложение). При спокойном дыхании отношение объема мертвого пространства к дыхательному объему в норме равно 0,2-0,35. У здоровых людей Рсо2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови практически одинаковы, поэтому мы можем записать уравнение Бора следующим образом:
аср2 "СО-г ^СОг
Необходимо подчеркнуть, что методами Фаулера и Бора измеряют несколько различные показатели. Первый метод дает объем проводящих дыхательных путей вплоть до того уровня, где поступающий при вдохе воздух быстро смешивается с уже находившимся в легких. Этот объем зависит от геометрии быстро ветвящихся с увеличением суммарного сечения дыхательных путей (см. рис. 1.5) и отражает строение респираторной системы. В связи с этим его называют анатомическим мертвым пространством. По методу же Бора определяется объем тех отделов легких, в которых не происходит удаление СОа из крови; поскольку этот показатель связан с работой органа, он называется функциональным (физиологическим) мертвым пространством. У здоровых лиц эти объемы практически одинаковы. Однако у больных с поражениями легких второй показатель может значительно превышать первый в связи с неравномерностью кровотока и вентиляции в разных отделах легких (см. гл. 5).
Регионарные различия вентиляции легких
До сих пор мы допускали, что вентиляция всех участков здоровых легких одинакова. Однако было обнаружено, что их нижние отделы вентилируются лучше верхних. Показать это можно, попросив обследуемого вдохнуть газовую смесь с радиоактивным ксеноном (рис. 2.7). Когда 133 Хе поступает в легкие, испускаемая им радиация проникает через грудную клетку и улавливается закрепленными на ней счетчиками излучения. Так можно измерить объем ксенона, поступающий в разные участки легких.
Рис. 2.7. Оценка регионарных различий в вентиляции с помощью радиоактивного ксенона. Обследуемый вдыхает смесь с этим газом, и интенсивность излучения измеряется счетчиками, помещенными снаружи грудной клетки. Видно, что вентиляция в легких человека в вертикальном положении ослабляется по направлению от нижних отделов к верхним
На рис. 2.7 представлены результаты, полученные с помощью этого метода на нескольких здоровых добровольцах. Видно, что уровень вентиляции на единицу объема выше в области нижних отделов легких и постепенно снижается по направлению к их верхушкам. Показано, что, если обследуемый лежит на спине, разница в вентиляции верхушечных и нижних отделов легких исчезает, однако при этом задние (дорсальные) их участки начинают вентилироваться лучше, чем передние (вентральные). В положении лежа на боку лучше вентилируется находящееся снизу легкое. Причины таких регионарных различий вентиляции разбираются в гл. 7.
Коэффициент вентиляции альвеол
Легочная вентиляция
Статические легочные объемы, л.
Функциональная характеристика легких и легочная вентиляция
Альвеолярная среда. Постоянство альвеолярной среды, физиологическая значимость
Легочные объемы
Легочные объемы подразделяются на статические и динамические.
Статические легочные объемы измеряют при завершенных дыхательных движениях, без лимитирования их скорости.
Динамические легочные объемы измеряют при проведении дыхательных движений с ограничением времени на их выполнение.
Объем воздуха в легких и дыхательных путях зависит от следующих показателей:
1. Антропометрических индивидуальных характеристик человека и дыхательной системы.
2. Свойств легочной ткани.
3. Поверхностного натяжения альвеол.
4. Силы, развиваемой дыхательными мышцами.
1Общая емкость- 6
2Жизненная емкость – 4,5
3Функциональная остаточная емкость -2,4
4Остаточный объем – 1,2
5Дыхательный объем- 0,5
6Объем мертвого пространства – 0,15
Легочной вентиляцией называют объем воздуха, вдыхаемого за единицу времени (минутный объем дыхания)
МОД - то количество воздуха, которое вдыхается в минуту
МОД = ДО х ЧД
До-дыхательный объем,
Чд-частота дыхания
Параметры вентиляции
Частота дыхания- 14 мин.
Минутный объем дыхания- 7л/мин
Альвеолярная вентиляция – 5л/мин
Вентиляция мертвого пространства – 2л/мин
В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха (ФОЕ – функциональная остаточная емкость), во время вдоха в альвеолы поступает 350 мл воздуха, следовательно, обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха (2500/350 = 7.1).
Для нормального процесса обмена газов в легочных альвеолах необходимо, чтобы их вентиляция воздухом находилась в определенном соотношении с перфузией их капилляров кровью т.е. минутному объему дыхания должен соответствовать соответствующий минутный объем крови, протекающий через сосуды малого круга, а этот объем, естественно, равен объему крови, протекающей через большой круг кровообращения.
В обычных условиях вентиляционно-перфузионный коэффициент у человека составляет 0,8-0,9.
Например, при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем крови может составить около 7 л/мин.
В отдельных областях легких соотношение между вентиляцией и перфузией может быть неравномерным.
Резкие изменения этих отношений могут вести к недостаточной артериализации крови, проходящей через капилляры альвеол.
Анатомически мертвым пространством называют воздухопроводящую зону легкого, которая не участвует в газообмене (верхние дыхательные пути, трахея, бронхи, терминальные бронхиолы). АМП выполняет ряд важных функций: нагревает вдыхаемый атмосферные воздух, задерживает примерно 30% выдыхаемого тепла и воды.
Анатомически мертвое пространство соответствует воздухопроводящей зоне легких, объем которой варьирует от 100 до 200 мл., а в среднем составляет 2 мл на 1 кг. массы тела.
В здоровом легком некоторое количество апикальных альвеол вентилируются нормально, но частично либо полностью не перфузируются кровью.
Подобное физиологическое состояние обозначается как «альвеолярное мертвое пространство».
В физиологических условиях АМП может появляться в случае снижения минутного объема крови, уменьшения давления в артериальных сосудах легких, при патологических состояниях. В подобных зонах легких не происходит газообмена.
Сумма объемов анатомического и альвеолярного мертвого пространства называется физиологическим, или функциональным мертвым пространством.
text_fields
text_fields
arrow_upward
Воздухопроводящие пути, легочная паренхима, плевра, костно-мышечный каркас грудной клетки и диафрагма составляют единый рабочий орган, посредством которого осуществляется вентиляция легких .
Вентиляцией легких называют процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха, обеспечивающего поступление в них кислорода и выведение избыточного количества углекислого газа .
Интенсивность вентиляции определяется глубиной вдоха
и частотой
дыхания
.
Наиболее информативным показателем вентиляции легких служит минутный объем дыхания
,
определяемый как произведение дыхательного объема на число дыханий в минуту.
У взрослого мужчины в спокойном состоянии минутный объем дыхания составляет 6- 10 л/мин,
при работе - от 30 до 100 л/мин.
Частота дыхательных движения в покое 12-16 в 1 мин.
Для оценки потенциальных возможностей спортсменов и лиц специальных профессий используют пробу с произвольной максимальной вентиляцией легких, которая у этих людей может достигать 180 л/мин.
Вентиляция разных отделов легких
text_fields
text_fields
arrow_upward
Разные отделы легких человека вентилируются неодинаково, в зависимости от положения тела . При вертикальном положении человека нижние отделы легких вентилируются лучше, чем верхние. Если человек лежит на спине, то разница в вентиляции верхушечных и нижних отделов легких исчезает, однако, при этом задние (дорсальные) их участки начинают вентилироваться лучше, чем передние (вентральные). В положении лежа на боку лучше вентилируется легкое, находящееся снизу. Неравномерность вентиляции верхних и нижних участков легкого при вертикальном положении человека связана с тем, что транспульмональное давление (разность давления в легких и плевральной полости) как сила, определяющая объем легких и его изменения, у этих участков легкого не одинаково. Поскольку легкие обладают весом, у их основании транспульмональное давление меньше, чем у верхушек. В связи с этим нижние отделы легких в конце спокойного выдоха более сдавлены, однако, при вдохе они расправляются лучше, чем верхушки. Этим объясняется и более интенсивная вентиляция отделов легких, оказавшихся снизу, если человек лежит на спине или на боку.
Дыхательное мертвое пространство
text_fields
text_fields
arrow_upward
В конце выдоха объем газов в легких равен сумме остаточного объема и резервного объема выдоха, т.е. представляет собой так называемую (ФОЕ). В конце вдоха этот объем увеличивается на величину дыхательного объема, т.е. того объема воздуха, который поступает в легкие во время вдоха и удаляется из них во время выдоха.
Поступающий в легкие во время вдоха воздух заполняет дыхательные пути, и часть его достигает альвеол, где смешивается с альвеолярным воздухом. Остальная, обычно меньшая, часть остается в дыхательных путях, в которых обмен газов между содержащимся в них воздухом и кровью не происходит, т.е. в так называемом мертвом пространстве.
Дыхательное мертвое пространство
- объем дыхательных путей, в котором не происходят процессы газообмена между воздухом и кровью.
Различают анатомическое и физиологическое (или функциональное) мертвое пространство
.
Анатомическое дыхательное мер твое пространство представляет собой объем воздухоносных путей, начиная от отверстий носа и рта и кончая дыхательными бронхиолами легкого.
Под функциональным (физиологическим) мертвым пространством понимают все те участки дыхательной системы, в которых не происходит газообмена. К функциональному мертвому пространству в отличие от анатомического относятся не только воздухоносные пути, но также альвеолы, которые вентилируются, но не перфузируются кровью. В таких альвеолах газообмен невозможен, хотя их вентиляция и происходит.
У человека среднего возраста объем анатомического мертвого пространства равен 140-150 мл или примерно 1/3 дыхательного объема при спокойном дыхании. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха (функциональная остаточная емкость), поэтому при каждом спокойном вдохе обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха.
Суть вентиляции легких
text_fields
text_fields
arrow_upward
Таким образом, вентиляция обеспечивает поступление наружного воздуха в легкие и части его в альвеолы и удаление вместо него смеси газов (выдыхаемого воздуха), состоящей из альвеолярного воздуха и той части наружного воздуха, которая заполняет мертвое пространство в конце вдоха и удаляется первой в начале выдоха. Поскольку альвеолярный воздух содержит меньше кислорода и больше углекислого газа, чем наружный, суть вентиляции легких сводится к доставке в альвеолы кислорода (возмещающего убыль кислорода, переходящего из альвеол в кровь легочных капилляров) и удалению из них углекислого газа (поступающего в альвеолы из крови легочных капилляров). Между уровнем тканевого метаболизма (скорость потребления тканями кислорода и образования в них углекислоты) и вентиляцией легких существует зависимость, близкая к прямой пропорциональности. Соответствие легочной и, главное, альвеолярной вентиляции уровню метаболизма обеспечивается системой регуляции внешнего дыхания и проявляется в виде увеличения минутного объема дыхания (как за счет увеличения дыхательного объема, так и частоты дыхания) при увеличении скорости потребления кислорода и образования углекислоты в тканях.
Вентиляция легких происходит , благодаря активному физиологическому процессу (дыхательным движениям), который обуславливает механическое перемещение воздушных масс по трахеобронхиальным путям объемными потоками. В отличие от конвективного перемещения газов из окружающей среды в бронхиальное пространство дальнейший транспорт газов (переход кислорода из бронхиол в альвеолы и, соответственно, углекислого газа из альвеол в бронхиолы) осуществляется, главным образом, путем диффузии.
Поэтому различают понятие «легочная вентиляция» и «альвеолярная вентиляция».
Альвеолярная вентиляция
text_fields
text_fields
arrow_upward
Альвеолярную вентиляцию не удается объяснить только за счет создаваемых активным вдохом конвективных потоков воздуха в легких. Суммарный объем трахеи и первых 16 генераций бронхов и бронхиол составляет 175 мл, последующих трех (17-19) генераций бронхиол - еще 200 мл. Если все это пространство, в котором почти отсутствует газообмен, «промывалось» бы конвективными потоками наружного воздуха, то дыхательное мертвое пространство должно было бы составлять почти 400 мл. Если вдыхаемый воздух поступает в альвеолы через альвеолярные ходы и мешочки (объем которых равен 1300 мл) также путем конвективных потоков, то кислород атмосферного воздуха может достигнуть альвеол лишь при объеме вдоха не менее 1500 мл, тогда как обычный дыхательный объем составляет у человека 400- 500 мл.
В условиях спокойного дыхания (частота дыхания 15 а мин, продолжительность вдоха 2 с, средняя объемная скорость вдоха 250 мл/с), во время вдоха (дыхательный объем 500 мл) наружный воздух заполняет всю проводящую (объем 175 мл) и переходную (объем 200 мл) зоны бронхиального дерева. Лишь небольшая его часть (менее 1/3) поступает в альвеолярные ходы, объем которых в несколько раз превышает эту часть дыхательного объема. При таком вдохе линейная скорость потока вдыхаемого воздуха в трахее и главных бронхах равна примерно 100 см/с. В связи с последовательным делением бронхов на все более меньшие по диаметру, при одновременном увеличении их числа и суммарного просвета каждой последующей генерации, движение по ним вдыхаемого воздуха замедляется. На границе проводящей и переходной зон трахеобронхиального пути линейная скорость потока составляет всего около 1 см/с, в дыхательных бронхиолах она снижается до 0.2 см/с, а в альвеолярных ходах и мешочках - до 0.02 см/с.
Таким образом, скорость конвективных потоков воздуха, возникающих во время активного вдоха и обусловленных разностью между давлением воздуха в окружающей среде и давлением в альвеолах, в дистальных отделах трахеобронхиального дерева весьма мала, а в альвеолы из альвеолярных ходов и альвеолярных мешочков воздух поступает путем конвекции с небольшой линейной скоростью. Однако, суммарная площадь поперечного сечения не только альвеолярных ходов (тысячи см 2), но и дыхательных бронхиол, образующих переходную зону (сотни см 2), достаточно велика для того, чтобы обеспечить диффузионный перенос кислорода из дистальных отделов бронхиального дерева в альвеолы, а углекислого газа - в обратном направлении.
Благодаря диффузии, состав воздуха в воздухоносных путях респираторной и переходной зоны приближается по составу к альвеолярному. Следовательно , диффузионное перемещение газов увеличивает объем альвеолярного и уменьшает объем мертвого пространства. Кроме большой площади диффузии, этот процесс обеспечивается также значительным градиентом парциальных давлений: во вдыхаемом воздухе парциальное давление кислорода на 6.7 кПа (50 мм рт.ст.) больше, чем в альвеолах, а парциальное давление углекислого газа в альвеолах на 5.3 кПа (40 мм рт.ст.) больше, чем во вдыхаемом воздухе. В течение одной секунды за счет диффузии концентрация кислорода и углекислоты в альвеолах и ближайших структурах (альвеолярные мешочки и альвеолярные ходы) практически выравниваются.
Следовательно , начиная с 20-й генерации, альвеолярная вентиляция обеспечивается исключительно за счет диффузии. Благодаря диффузионному механизму перемещения кислорода и углекислого газа, в легких отсутствует постоянная граница между мертвым пространством и альвеолярным пространством. В воздухоносных путях есть зона, в пределах которой происходит процесс диффузии, где парциальное давление кислорода и углекислого газа изменяется, соответственно, от 20 кПа (150 мм рт.ст.) и 0 кПа в проксимальной части бронхиального дерева до 13.3 кПа (100 мм рт.ст.) и 5.3 кПа (40 мм рт.ст.) в дистальной его части. Таким образом, по ходу бронхиальных путей существует послойная неравномерность состава воздуха от атмосферного до альвеолярного (рис.8.4).
Рис.8.4. Схема альвеолярной вентиляции.
«а» - по устаревшим и
«б» - по современным представлениям.МП - мертвое пространство;
АП - альвеолярное пространство;
Т - трахея;
Б - бронхи;
ДБ - дыхательные бронхиолы;
АХ - альвеолярные ходы;
AM - альвеолярные мешочки;
А - альвеолы.
Стрелками обозначены конвективные потоки воздуха, точками - область диффузионного обмена газов.
Эта зона смещается в зависимости от режима дыхания и, в первую очередь, от скорости вдоха; чем больше скорость вдоха (т.е. в итоге, чем больше минутный объем дыхания), тем дистальнее по ходу бронхиального дерева выражены конвективные потоки со скоростью, превалирующей над скоростью диффузии. В результате с увеличением минутного объема дыхания увеличивается мертвое пространство, а граница между мертвым пространством и альвеолярным пространством сдвигается в дистальном направлении.
Следовательно , анатомическое мертвое пространство (если его определять числом генераций бронхиального дерева, в которых диффузия еще не имеет значения) изменяется так же, как и функциональное мертвое пространство - в зависимости от объема дыхания.
Легочные объемы и емкости
Вентиляция легких зависит от глубины дыхания (дыхательного объема) и частоты дыхательных движений. Оба этих параметра могут варьировать в зависимости от потребностей организма.
Легочные объемы. В покое дыхательный объем мал по сравнению с общим объемом воздуха в легких. Таким образом, человек может как вдохнуть, так и выдохнуть большой дополнительный объем воздуха. Однако даже при самом глубоком выдохе в альвеолах и воздухоносных путях легких остается некоторое количество воздуха. Для того чтобы количественно описать все эти взаимоотношения, общий легочный объем делят на несколько компонентов ; при этом под емкостью понимают совокупность двух или более компонентов (рис. 21.8).
1. Дыхательный объем – количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании.
2. Резервный объем вдоха – количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после нормального вдоха.
3. Резервный объем выдача–количество воздуха, которое человек может дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха.
4. Остаточный объем – количество воздуха, остающееся в легких после максимального выдоха.
5. Жизненная емкость легких –наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Равно сумме 1, 2 и 3.
Рис. 21.8. Легочные объемы и емкости. Величина жизненной емкости легких и остаточный объем (в правой части рисунка) зависят от пола и возраста
6. Емкость вдоха–максимальное количество воздуха, которое можно вдохнуть после спокойного выдоха. Равно сумме 1 и 2.
7. Функциональная остаточная емкость–количество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха. Равно сумме 3 и 4.
8. Общая емкость легких – количество воздуха, содержащееся в легких на высоте максимального вдоха. Равно сумме 4 и 5. Из всех этих величин наибольшее значение, кроме дыхательного объема, имеют жизненная емкость легких и функциональная остаточная емкость.
Жизненная емкость легких. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) является показателем подвижности легких и грудной клетки. Несмотря на название, она не отражает параметров дыхания в реальных («жизненных») условиях, так как даже при самых высоких потребностях, предъявляемых организмом к дыхательной системе, глубина дыхания никогда не достигает максимального из возможных значений.
С практической точки зрения нецелесообразно устанавливать «единую» норму для ЖЕЛ, так как эта величина зависит от ряда факторов, в частности от возраста, пола, размеров и положения тела и степени тренированности.
Как видно из рис. 21.9, жизненная емкость легких с возрастом (особенно после 40 лет) уменьшается. Это связано со снижением эластичности легких и подвижности грудной клетки. У женщин ЖЕЛ в среднем на 25% меньше, чем у мужчин. Совершенно очевидно, что ЖЕЛ зависит от роста, так как величина грудной клетки
пропорциональна остальным размерам тела. У молодых людей ЖЕЛ можно вычислить с помощью следующего эмпирического уравнения :
ЖЕЛ (л) = 2,5 х рост (м). (1)
Таким образом, у мужчин ростом 180 см жизненная емкость легких будет составлять 4,5 л. ЖЕЛ зависит от положения тела: в вертикальном положении она несколько больше, чем в горизонтальном (это связано с тем, что в вертикальном положении в легких содержится меньше крови). Наконец, жизненная емкость легких зависит от степени тренированности. У людей, занимающихся такими видами спорта, где необходима выносливость, ЖЕЛ значительно выше, чем у нетренированных людей. Она особенно велика у пловцов и гребцов (до 8 л), так как у этих спортсменов сильно развиты вспомогательные дыхательные мышцы (большие и малые грудные). Определение жизненной емкости легких имеет значение главным образом для диагностики.
Функциональная остаточная емкость. Физиологическая роль функциональной остаточной емкости (ФОЕ) состоит в том, что благодаря наличию этой емкости в альвеолярном пространстве сглаживаются колебания концентраций O 2 и СO 2 , обусловленные различиями в их содержании во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Если бы атмосферный воздух поступал непосредственно в альвеолы, не смешиваясь с воздухом, уже содержащимся в легких, то содержание O 2 и СO 2 в альвеолах претерпевало бы
Рис. 21.9. Кривые зависимости общей и жизненной емкости легких и остаточного объема от возраста для людей среднего роста
колебания в соответствии с фазами дыхательного цикла. Однако этого не происходит: вдыхаемый воздух смешивается с воздухом, содержащимся в легких, и, поскольку ФОЕ в покое в несколько раз больше дыхательного объема, изменения состава альвеолярного воздуха относительно невелики.
Величина ФОЕ, равная сумме остаточного объема и резервного объема выдоха, зависит от ряда факторов. В среднем у молодых мужчин в горизонтальном положении она составляет 2,4 л, а у пожилых–3,4 л . У женщин ФОЕ примерно на 25% меньше.
Измерение легочных объемов
Объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха можно непосредственно измерить при помощи спирометра или пневмотахографа. Что касается остаточного объема и функциональной остаточной емкости, то их можно определить лишь косвенно.
Спирометрия. Спирометрами называют приборы, способные вмещать различные количества воздуха при постоянном давлении (рис. 21.11). Наиболее распространен водный спирометр. Этот прибор представляет собой цилиндр, помещенный кверху дном в резервуар с водой. Воздух, попавший в этот цилиндр, не сообщается с внешней средой. Цилиндр уравновешен противовесом. Воздухоносные пути исследуемого соединяют посредством широкой трубки, снабженной загубником, с пространством внутри цилиндра. Во время выдоха объем воздуха в цилиндре увеличивается, и он всплывает; при вдохе цилиндр погружается. Эти изменения объема могут быть измерены при помощи откалиброванной шкалы или зарегистрированы посредством писчика на барабане кимографа (в последнем случае получают так называемую спирограмму).
Пневмотахография. Если нужно исследовать дыхание в течение длительного времени, то значительно удобнее пользоваться так называемыми спирометрами открытого типа. С их помощью регистрируют не сами дыхательные объемы, а объемную скорость воздушной струи (рис. 21.10). Для этого используют пневмотахографы– приборы, основной частью которых служит широкая трубка с малым аэродинамическим сопротивлением. При прохождении воздуха через трубку между ее началом и концом создается небольшая разность давлений, которую можно зарегистрировать при помощи манометрических датчиков. Эта разность давлений прямо пропорциональна объемной скорости воздушной струи, т. е. количеству воздуха, проходящего через поперечное сечение трубки в единицу времени. Кривая изменений этой объемной скорости называется пневмотахограммой. На основе пневмотахограммы, представляющей собой запись dV/dt, путем интегрирования можно получить искомый объем воздуха V:
V =∫Δ V / Δt Δt
В большинстве пневмотахографов имеется электронный интегрирующий блок, поэтому одновременно с пневмотахограммой непосредственно записывается кривая дыхательных объемов (спирограмма).
Измерение функциональной остаточной емкости (ФОЕ).
Поскольку ФОЕ–что количество воздуха, остающееся в легких в конце выдоха, ее можно измерить только непрямыми методами. Принцип таких методов заключается в том, что либо в легкие вводят инородный газ типа гелия (метод разведения), либо вымывают содержащийся в альвеолярном воздухе азот, заставляя испытуемого дышать чистым кислородом (метод вымывания). И в том и в другом случае искомый объем вычисляют, исходя из конечной концентрации газа .
Рис. 21.10. Принцип действия пневмотахографа. Разность давлений между двумя концами трубки, обладающей определенным аэродинамическим сопротивлением и соединенной с загубником, пропорциональна объемной скорости тока воздуха V. Кривая изменений этой скорости называется пневмотахограммой, а кривая изменений интеграла этой скорости во времени, т.е. объема дыхания, представляет собой спирограмму
Рис. 21.11. Принцип определения функциональной остаточной емкости по методу разведения гелия. Вверху– аппаратура и дыхательная система исследуемого в исходном состоянии; гелий (красные точки) находится только в спирометре, где содержание его составляет 10 об.%. Внизу– полное и равномерное распределение гелия между легкими (функциональная остаточная емкость) и спирометром после окончания исследования;
концентрация гелия равна 5 об.%
На рис. 21.11 проиллюстрирован метод разведения гелия. Спирометр закрытого типа заполняют газовой смесью. Пусть общий объем смеси равен 3 л, а объемы O 2 и He-2,7 и 0,3 л соответственно. При этом исходное содержание (фракция) гелия F He 1 составит 0,1 мл на 1л смеси. После спокойного выдоха испытуемый начинает дышать из спирометра, и в результате молекулы гелия равномерно распределяются между объемом легких, равном ФОЕ, и объемом спирометра Vсп. Гелий очень медленно диффундирует через ткани, и переходом его из альвеол в кровь можно пренебречь. Через несколько минут, когда содержание гелия в легких и спирометре выравнивается, измеряют это содержание (F He 2) при помощи специальных приборов. Предположим, что в нашем случае оно составляет 0,05 мл Не на 1 мл смеси. При вычислении ФОЕ исходят из закона сохранения вещества: общее количество гелия, равное произведению объема V и концентрации F, должно быть одинаковым в исходном состоянии и после перемешивания:
V сп F He 1 = V сп+ ФОЕ F He 2 (2)
Подставляя в это уравнение приведенные выше данные, можно рассчитать ФОЕ:
ФОЕ = V сп (F He 1 – F He 2 )/ F He 2 = 3 (0.1–0.05)/0.05 = 3 л. (3)
При использовании метода вымывания азота испытуемый после спокойного выдоха в течение нескольких минут дышит чистым кислородом. Выдыхаемый воздух поступает в спирометр, и вместе с ним в спирометр переходят молекулы азота, содержащегося в легких. Зная объем выдыхаемого воздуха, начальное содержание N 2 ; в легких и конечное содержание N 2 в спирометре, можно вычислить ФОЕ, используя уравнение, аналогичное (3).
При практическом применении этих методов необходимо вносить некоторые поправки . Кроме того, недостатком обоих методов является то, что у больных с неравномерной вентиляцией некоторых участков легких для полного разведения или вымывания газов требуется очень большой период времени. В связи с этим в последнее время получило широкое распространение измерение ФОЕ при помощи интегрального плетизмографа .
Анатомическое и функциональное мертвое пространство
Анатомическое мертвое пространство. Анатомическим мертвым пространством называют объем воздухоносных путей, потому что в них не происходит газообмена. Это пространство включает носовую и ротовую полости, глотку, гортань, трахею, бронхи и бронхиолы. Объем мертвого пространства зависит от роста и положения тела. Приближенно можно считать, что у сидящего человека объем мертвого пространства (в миллилитрах) равен удвоенной массе тела (в килограммах). Таким образом, у взрослых он равен около 150 мл. При глубоком дыхании он возрастает, так как при расправлении грудной клетки расширяются и бронхи с бронхиолами.
Измерение объема мертвого пространства. Экспираторный (дыхательный) объем (Vд) состоит из двух компонентов – объема воздуха, поступающего из мертвого пространства (Vмп), и объема воздуха из альвеолярного пространства (Vа) Показатели, относящиеся к альвеолярному воздуху, обозначают также с помощью прописной буквы (А) в нижнем индексе, чтобы отличить их от аналогичных показателей артериальной крови (см. Дж. Уэст «Физиология дыхания. Основы» .М.: Мир, 1988).
Vд = Vмп + Vа (4)
Для изучения функции легких важно измерить оба этих компонента отдельно. Как и для определения функциональной остаточной емкости, здесь используют непрямые методы. Они основаны на том, что содержание дыхательных газов (O 2 и СO 2) в воздухе из мертвого и из альвеолярного пространства различно. Содержание газов в воздухе мертвого пространства аналогично таковому в воздухе, поступившем при вдохе (инспирации) (Fи).
V д F э = V мп F и + V а F а (5)
Подставляя выражение для Vа из уравнения (4) и сделав преобразования, получаем
V мп/ V л= (F э – F а)/ (F и – F а) (6)
Это равенство, называемое уравнением Бора, справедливо для любого дыхательного газа. Однако для СO 2 его можно упростить, так как содержание этого газа во вдыхаемом воздухе Fи co 2 близко к нулю
V мп / V д =(F а co2 – F э co2 )/ F а co2 (7)
Отношение объема мертвого пространства к экспираторному объему можно вычислить с помощью уравнений (6) и (7). Значения содержания газов для фракций, представленных в правой части уравнения, можно определить путем газового анализа (при определении газов в альвеолярном воздухе возникают некоторые трудности). Пусть газовый анализ дал следующие величины: F а co 2 = 0,056 мл СO 2 и F э co 2 = 0,04 мл СO 2 ; на 1 мл смеси. Тогда Vмп/Vд = 0,3, т. е. объем мертвого пространства составляет 30% экспираторного объема.
Функциональное мертвое пространство. Под функциональным (физиологическим) мертвым пространством понимают все те участки дыхательной системы, в которых не происходит газообмена. К функциональному мертвому пространству в отличие от анатомического относятся не только воздухоносные пути, но также и те альвеолы, которые вентилируются, но не перфузируются кровью. В таких альвеолах газообмен невозможен, хотя их вентиляция и происходит. В здоровых легких количество подобных альвеол невелико, поэтому в норме объемы анатомического и функционального мертвого пространства практически одинаковы. Однако при некоторых нарушениях функции легких, когда легкие вентилируются и снабжаются кровью неравномерно, объем второго может оказаться значительно больше объема первого.
Измерение вентиляции
Минутный объем дыхания. Минутный объем дыхания, т. е. объем воздуха, вдыхаемого (или выдыхаемого) за 1 мин, равен по определению произведению дыхательного объема и частоты дыхательных движений. Экспираторный объем обычно меньше инспираторного, так как поглощение O 2 превышает величину выделения СO 2 (дыхательный коэффициент меньше 1. Для большей точности следует различать инспираторный и экспираторный минутные объемы дыхания. При расчетах вентиляции принято исходить из экспираторных объемов, помечаемых «э». Экспираторный минутный объем дыхания Vэ ∙ , составляет
V ∙ э= Va f (8)
(точка над символом V, означает, что речь идет об «объеме за единицу времени», но не о производной; Va–экспираторный дыхательный объем; f–частота дыхательных движений).
Частота дыхательных движений у взрослого человека в покое в среднем равна 14/мин. Она может претерпевать значительные колебания (от 10 до 18 за 1 мин). Частота дыхательных движений выше у детей (20–30/мин); у грудных детей она составляет 30–40/мин, а у новорожденных– 40–50/мин .
Из уравнения (8) следует, что у взрослого человека при дыхательном объеме 0,5 л и частоте дыханий 14/мин минутный объем дыхания равен 7 л/мин. При физической нагрузке в соответствии с увеличением потребности в кислороде повышается и минутный объем дыхания, достигая в условиях максимальной нагрузки 120 л/мин. Хотя минутный объем дыхания дает некоторую информацию о вентиляции легких, он ни в коей мере не определяет эффективность дыхания. Определяющим фактором служит та часть минутного объема дыхания, которая поступает в альвеолы и участвует в газообмене.
Альвеолярная вентиляция и вентиляция мертвого пространства. Часть минутного объема дыхания V ∙ э , достигающая альвеол, называется альвеолярной вентиляцией V ∙ a ; остальная его часть составляет вентиляцию мертвого пространства V ∙ мл
V ∙ э= Va + V ∙ мл (9)
Вентиляция любого отдела равна произведению объема воздуха, проходящего через этот отдел при каждом дыхательном цикле, и частоты дыхательных движений (V ∙ = V f). Приведем значения параметров, определяющих общую вентиляцию легких у здорового взрослого человека в покое. Дыхательный объем V, состоит на 70% из альвеолярного объема Vа и на 30% из объема мертвого пространства Vмл . Следовательно, если Vэ= 500 мл, то
Va = 350 мл, a Vмл =150 мл. Если частота дыхательных движений равна 14/мин, то общая вентиляция легких составит 7 л/мин, альвеолярная вентиляция – 5 л/мин, а вентиляция мертвого пространства –2 л/м.
Альвеолярная вентиляция служит показателем эффективности дыхания в целом. Именно от этой величины зависит газовый состав, поддерживаемый в альвеолярном пространстве. Что касается минутного объема, то он лишь в незначительной степени отражает эффективность вентиляции легких. Так, если минутный объем дыхания нормальный (7 л/мин), но дыхание частое и поверхностное (V, = 0,2 л, f = 35/мин), то вентилироваться будет главным образом мертвое пространство, в которое воздух поступает раньше, чем в альвеолярное; в этом случае вдыхаемый воздух почти не будет достигать альвеол. Такое дыхание иногда наблюдается при циркуляторном шоке и представляет собой крайне опасное состояние. Поскольку объем мертвого пространства постоянен, альвеолярная вентиляция тем больше, чем глубже дыхание.
Искусственное дыхание
Остановка дыхания. Остановка дыхания независимо от вызвавшей ее причины смертельно опасна. С момента остановки дыхания и кровообращения человек находится в состоянии клинической смерти. Как правило, уже через 5–10 мин недостаток O 2 и накопление СO 2 приводят к необратимым повреждениям клеток жизненно важных органов, в результате чего наступает биологическая смерть. Если за этот короткий срок провести реанимационные мероприятия, то человека можно спасти .
К нарушению дыхания могут привести самые разные причины, в том числе закупорка дыхательных путей, повреждение грудной клетки, резкое нарушение газообмена и угнетение дыхательных центров вследствие повреждения головного мозга или отравления. В течение некоторого времени после внезапной остановки дыхания кровообращение еще сохраняется: пульс на сонной артерии определяется в течение 3–5 мин после последнего вдоха. В случае же внезапной остановки сердца дыхательные движения прекращаются уже через 30–60 с.
Обеспечение проходимости дыхательных путей. У человека в бессознательном состоянии утрачиваются защитные рефлексы, благодаря которым в норме воздухоносные пути свободны. В этих условиях рвота или носовое либо горловое кровотечение может привести к закупорке дыхательных путей (трахеи и бронхов). Поэтому для восстановления дыхания в первую очередь необходимо быстро очистить рот и глотку. Однако даже без этих осложнений воздухоносные пути человека, лежащего в бессознательном состоянии на спине, могут быть перекрыты языком в результате западения нижней челюсти. Чтобы предупредить перекрывание воздухоносных путей языком, запрокидывают голову больного и смещают его нижнюю челюсть кпереди.
Искусственное дыхание методом вдувания. Для проведения искусственного дыхания без помощи специальных устройств наиболее эффективен способ, при котором реаниматор вдувает воздух в нос или рот пострадавшего, т. е. непосредственно в его дыхательные пути (рис. 21.12).
При дыхании «рот в нос» реаниматор кладет ладонь на лоб пострадавшего в области границы роста волос и запрокидывает его голову. Второй рукой реаниматор выдвигает нижнюю челюсть пострадавшего и закрывает ему рот, надавливая большим пальцем на губы. Сделав глубокий вдох, реаниматор плотно приникает ртом к носу пострадавшего и производит инсуфляцию (вдувание воздуха в дыхательные пути). При этом грудная клетка пострадавшего должна приподняться. Затем реаниматор освобождает нос пострадавшего, и происходит пассивный выдох под действием силы тяжести грудной клетки и эластической тяги легких. При этом следует следить за тем, чтобы грудная клетка возвращалась в исходное положение.
При дыхании «рот в рот» реаниматор и пострадавший занимают то же положение: одна ладонь реаниматора лежит на лбу больного, другая–под его нижней челюстью. Реаниматор приникает ртом ко рту пострадавшего, закрывая при этом своей щекой его нос. Можно также
Рис. 21.12. Искусственное дыхание по способу, «рот в нос»
сдавить ноздри пострадавшего при помощи большого и указательного пальцев руки, лежащей на лбу. При этом способе искусственного дыхания также следует следить за движениями грудной клетки при инсуфляции и выдохе.
Какой бы способ искусственного дыхания ни использовался, прежде всего необходимо произвести в быстром темпе 5–10 инсуфляции, с тем чтобы как можно быстрее ликвидировать недостатокO 2 и избыток СO 2 в тканях. После этого инсуфляции следует производить с интервалом 5 с. При соблюдении этих правил насыщение артериальной крови пострадавшего кислородом почти постоянно превышает 90% .
Искусственное дыхание при помощи специальных устройств. Существует простое приспособление, при помощи которого (если оно находится под рукой) можно производить искусственное дыхание. Оно состоит из маски, герметично накладываемой на лицо больного, клапана и мешка, который вручную сжимается, а затем расправляется. При наличии баллона с кислородом его можно присоединить к этому устройству, для того чтобы повысить содержание O 2 во вдыхаемом воздухе.
При широко используемом в настоящее время ингаляционном наркозе воздух из дыхательного аппарата поступает в легкие через эндотрахеальную трубку. В этом случае можно подавать воздух в легкие при повышенном давлении, и тогда вдох будет происходить в результате раздувания легких, а выдох–пассивно. Можно также управлять дыханием, создавая колебания давления, чтобы оно было попеременно выше и ниже атмосферного (при этом среднее давление должно быть равно атмосферному). Поскольку отрицательное давление в грудной полости способствует возврату венозной крови к сердцу, предпочтительнее применять искусственное дыхание в режиме изменяющегося давления.
Применение дыхательных насосов или ручных дыхательных мешков необходимо при операциях с использованием миорелаксантов , устраняющих рефлекторное напряжение мышц. Эти вещества «выключают» и дыхательные мышцы, поэтому вентиляция легких возможна лишь за счет искусственного дыхания.
В случае если у больного имеется хроническое нарушение внешнего дыхания (например, при детском спинальном параличе), вентиляцию легких можно поддерживать с помощью так называемого боксового респиратора («железное легкое»). При этом туловище больного, находящееся в горизонтальном положении, помещают в камеру, оставляя свободной лишь голову. Для инициации вдоха давление в камере понижают, чтобы внутригрудное давление стало выше, чем давление во внешней среде.
Лекция 8 . ЛЕГОЧНАЯ ВЕНТОЛЯЦИЯ И ЛЕГОЧНАЯ ДИФФУЗИЯ. ГАЗООБМЕН В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ
Основные вопросы : Значение дыхания для организма. Основные этапы процесса дыхания. Дыхательный цикл. Основные и вспомогательные дыхательные мышцы. Механизм вдоха и выдоха. Физиология дыхательных путей. Легочные объемы. Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. Минутный объем дыхания и минутная вентиляция легких. Анатомическое и физиологическое дыхательное мертвое пространство. Типы легочной вентиляции. Напряжение газов, растворенных в крови. Парциальное давление газов в альвеолярном воздухе. Газообмен в тканях и легких.
Роль дыхательного тракта в речеобразовательной функции.
Совокупность процессов, которые обеспечивают поступление во внутреннюю среду О 2 , используемого для окисления органических веществ и удаление из организма СО 2 , образовавшегося в результате тканевого метаболизма, называют дыханием .
Выделяют три этапа дыхания :
1) внешнее дыхание,
2) транспорт газов,
3) внутреннее дыхание.
I этап - внешнее дыхание - это газообмен в легких, включающий в себя легочную вентиляцию и легочную диффузию.
Легочная вентиляция - это процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха, обеспечивающий поступление в легкие О 2 и выведение из них СО 2 .
Легочная диффузия - это процесс обмена газов между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров.
II этап - транспорт газов заключается в переносе кровью кислорода от легких к тканям и углекислоты - от тканей к легким.
III этап - внутреннее тканевое дыхание – это процесс обновления газового состава в тканях, состоящий из газообмена между кровью тканевых капилляров и тканями, а также из клеточного дыхания.
Полный дыхательный цикл состоит из трех фаз:
1) фаза вдоха (инспирация),
2) фаза выдоха (экспирация),
3) дыхательная пауза.
Изменения объема грудной полости в процессе дыхательного цикла обусловлены сокращением и расслаблением дыхательных мышц . Они подразделяются на инспираторные и экспираторные . Различают основные и вспомогательные инспираторные мышцы.
К основным инспираторным мышцам относятся:
1) диафрагма,
2) наружные косые межреберные и межхрящевые мышцы.
При глубоком форсированном дыхании в акте вдоха участвуют вспомогательные инспираторные мышцы :
1) грудино-ключично-сосцевидная,
2) мышцы грудной клетки - большая и малая грудные, трапециевидные, ромбовидные, мышца, поднимающая лопатку.
Легкие находятся внутри грудной клетки и отделены от ее стенок плевральной щелью - герметически замкнутой полостью, которая располагается между париетальным и висцеральным листками плевры.
Давление в плевральной полости ниже атмосферного. Отрицательное, по сравнению с атмосферным, давление в плевральной щели обусловлено эластической тягой легочной ткани, направленной на спадение легких. Увеличение объема грудной полости во время спокойного вдоха последовательно вызывает:
1) снижение давления в плевральной щели до -6 -9 мм рт ст,
2) расширение воздуха в легких и их растяжение,
3) снижение внутрилегочного давления до -2 мм рт ст по сравнению с атмосферным,
4) поступление воздуха в легкие по градиенту между атмосферным и альвеолярным давлением.
Уменьшение объема грудной полости во время спокойного выдоха последовательно вызывает:
1) повышение давления в плевральной щели с -6 -9 мм рт ст до -3 мм рт ст,
2) уменьшение объема легких за счет их эластической тяги,
3) повышение внутрилегочного давления до +2 мм рт ст по сравнению с атмосферным,
4) выход воздуха из легких в атмосферу по градиенту давления.
Объем воздуха, который находится в легких после максимально глубокого вдоха, называется общей емкостью легких (ОЕЛ).
У взрослого человека ОЕЛ составляет от 4200 до 6000 мл и состоит из двух частей:
1) жизненной емкости легких (ЖЕЛ) - 3500-5000 мл,
2) остаточного объема легких (ООЛ) - 1000-1200 мл.
Остаточный объем легких - это количество воздуха, которое остается в легких после максимально глубокого выдоха.
Жизненная емкость легких - это объем воздуха, который можно максимально выдохнуть после максимально глубокого вдоха.
ЖЕЛ состоит из трех частей:
1) дыхательный объем (ДО) - 400-500 мл,
2) резервный объем вдоха - около 2500 мл,
3) резервный объем выдоха - около 1500 мл.
Дыхательный объем - это количество воздуха, удаляемого из легких при спокойном выдохе после спокойного вдоха.
Резервный объем вдоха - это максимальное количество воздуха, которое можно дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха.
Резервный объем выдоха - это максимальное количество воздуха, которое можно дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха.
Резервный объем выдоха и остаточный объем составляют функциональную остаточную емкость (ФОЕ) - количество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха (2000-2500 мл).
Легочная вентиляция характеризуется минутным объемом дыхания (МОД) - количеством воздуха, который вдыхается или выдыхается за 1 мин. МОД зависит от величины дыхательного объема и частоты дыхания: МОД = ДО х ЧД.
В обычных условиях человек дышит атмосферным воздухом, в составе которого содержится: О 2 - 21%, СО 2 - 0,03%, N 2 - 79%.
В выдыхаемом воздухе: О 2 - 16,0%, СО 2 - 4%, N 2 -79,7%.
В альвеолярном воздухе: О 2 - 14,0%, СО 2 - 5,5%, N 2 - 80%.
Различие в составе выдыхаемого и альвеолярного воздуха обусловлено смешиванием альвеолярного газа с воздухом дыхательного мертвого пространства .
Различают анатомическое и физиологическое мертвое пространство.
Анатомическое дыхательное мертвое пространство - это объем воздухопроводящих путей (от полости носа до бронхиол) в которых не происходит газообмена между воздухом и кровью.
Физиологическое дыхательное мертвое пространство (ФМП) - это объем всех участков дыхательной системы, в которых не происходит газообмен.
Количество воздуха, который участвует в обновлении альвеолярного газа за 1 мин, называется минутной вентиляцией легких (МВЛ). МВЛ определяется как произведение разности дыхательного объема легких и объема дыхательного мертвого пространства на частоту дыхания: МВЛ = (ДО - ДМП) х ЧД.
Перенос газов в воздухоносных путях происходит в результате конвекции и диффузии.
Конвективный способ переноса в воздухоносных путях обусловлен движением смеси газов по градиенту их общего давления.
В ходе ветвления воздухоносных путей их суммарное сечение значительно возрастает. Линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам постепенно падает со 100 см/с до 0,02 см/с. Поэтому к конвективному способу переноса газов присоединяется диффузионный обмен.
Диффузия газа - это пассивное движение молекул газа из области большего парциального давления или напряжения в зону меньшего.
Парциальное давление газа - это часть общего давления, которая приходится на какой-либо газ, смешанный с другими газами.
Парциальное давление газа, растворенного в жидкости, которое уравновешивается давлением этого же газа над жидкостью, называют напряжением газа .
Градиент давления О 2 направлен в альвеолы, где его парциальное давление ниже, чем во вдыхаемом воздухе. Молекулы СО 2 движутся в обратном направлении. Чем медленнее и глубже дыхание, тем интенсивнее идет внутрилегочная диффузия О 2 и СО 2 .
Постоянство состава альвеолярного воздуха и соответствие его потребностям метаболизма обеспечивается регуляцией вентиляции легких.
Различают десять основных типов вентиляции легких:
1) нормовентиляция,
2) гипервентиляция,
3) гиповентиляция,
4) эйпноэ,
5) гиперпноэ,
6) тахипноэ,
7) брадипноэ,
9) диспноэ,
10) асфиксия.
Нормовентиляция - это газообмен в легких, который соответствует метаболическим потребностям организма.
Гипервентиляция – это газообмен в легких, который превышает метаболические потребности организма.
Гиповентиляция - это газообмен в легких, который не достаточен для обеспечения метаболических потребностей организма.
Эйпноэ – это нормальная частота и глубина дыхания в покое, которые сопровождаются ощущением комфорта.
Гиперпноэ - это увеличение глубины дыхания выше нормы.
Тахипноэ - это увеличение частоты дыхания выше нормы.
Брадипноэ - это уменьшение частоты дыхания ниже нормы.
Диспноэ (одышка) - это недостаточность или затрудненность дыхания, которые сопровождаются неприятными субъективными ощущениями.
Апноэ - это остановка дыхания, обусловленная отсутствием физиологической стимуляции дыхательного центра.
Асфиксия - это остановка или угнетение дыхания, связанные с нарушением поступления воздуха в легкие вследствие непроходимости дыхательных путей.
Перенос О 2 из альвеолярного газа в кровь и СО 2 из крови в альвеолы происходит пассивно путем диффузии за счет разности парциального давления и напряжения этих газов по обе стороны аэрогематического барьера . Аэрогематический барьер образован альвеолокапиллярной мембраной , которая включает в себя слой сурфактанта, альвеолярный эпителий, две базальные мембраны и эндотелий кровеносного капилляра.
Парциальное давление О 2 в альвеолярном воздухе 100 мм рт ст. Напряжение О 2 в венозной крови легочных капилляров 40 мм рт ст. Градиент давления, составляющий 60 мм рт ст, направлен из альвеолярного воздуха в кровь.
Парциальное давление СО 2 в альвеолярном воздухе 40 мм рт ст. Напряжение СО 2 в венозной крови легочных капилляров 46 мм рт ст. Градиент давления, составляющий 6 мм рт ст, направлен из крови в альвеолы.
Малый градиент давления СО 2 связан с его высокой диффузионной способностью, которая в 24 раза больше, чем для кислорода. Это обусловлено высокой растворимостью углекислоты в солевых растворах и мембранах.
Время протекания крови через легочные капилляры составляет около 0,75 с. Этого достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напряжения газов по обе стороны аэрогематического барьера. При этом кислород растворяется в крови, а двуокись углерода переходит в альвеолярный воздух. Поэтому венозная кровь превращается здесь в артериальную.
Напряжение О 2 в артериальной крови 100 мм рт ст, а в тканях менее 40 мм рт ст. При этом градиент давления, составляющий более 60 мм рт ст, направлен из артериальной крови в ткани.
Напряжение СО 2 в артериальной крови 40 мм рт ст, а в тканях - около 60 мм рт ст. Градиент давления, составляющий 20 мм рт ст, направлен из тканей в кровь. Благодаря этому артериальная кровь в тканевых капиллярах превращается в венозную.
Таким образом, звенья газотранспортной системы характеризуются встречными потоками дыхательных газов: О 2 перемещается из атмосферы к тканям, а СО 2 - в обратном направлении.
Роль дыхательного тракта в речеобразовательной функции
Человек может волевым усилием изменять частоту и глубину дыхания и даже на время остановить его. Это особенно важно в связи с тем, что дыхательный тракт используется человеком для осуществления речевой функции.
У человека отсутствует специальный звукообразующий речевой орган. К звукопроизводящей функции приспособлены органы дыхания – легкие, бронхи, трахея и гортань, которые вместе с органами ротового отдела формируют речевой тракт .
Воздух, проходящий во время выдоха по речевому тракту, заставляет вибрировать голосовые связки, расположенные в гортани. Вибрация голосовых связок является причиной звука, который называется голосом . Высота голоса зависит от частоты колебания голосовых связок. Сила голоса определяется амплитудой колебаний, а его тембр определяется функцией резонаторов – глотки, полости рта, полости носа и его придаточных пазух.
В функции формирование речевых звуков – произношении , участвуют: язык, губы, зубы, твердое и мягкое небо. Дефекты речевой звукоформирующей функции – дислалии , могут быть связаны с врожденными и приобретенными аномалиями органов ротового отдела – расщелинами твердого и мягкого неба, с аномалиями формы зубов и их расположения в альвеолярных дугах челюстей, полными или частичными адентиями. Дислалии появляются также при нарушении секреторной функции слюнных желез, жевательной и мимической мускулатуры, височно-нижнечелюстных суставов.