Вопрос 57. Биомеханика дыхания. Механизмы вдоха и вы­доха. Характеристики дыхательных сопротивлений. Принцип расчёта работы дыхания по pV-диаграмме.

Дыхание - это совокупность процессов, в результате которых про­исходит потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа.

Особенность дыхания состоит в том, что изменение объема легких происходит пассивно, вследствие изменения объема грудной клетки и колебания давления в плевральной полости и внутри легких, т.е. ни­каких мышц в легких нет.

Механизм вдоха - при увеличении объема плевральной полости происходит уменьшение в ней давления (по закону Бойля-Мариотта pV = соsnt) и воздух самотеком входит в лёгкие, т.к. в этом случае р_а > р_л ,

где р_л - давление в легких, р_а - атмосферное давление.

Механизм выдоха - при уменьшении объёма грудной полости давление в плевральной полости возрастает,

р_а < р_л и воздух самоте­ком выходит из легких.

Характеристики дыхательных сопротивлений - с точки зрения биомеханики при дыхательном акте возникает два рода сопротивлений: статическое эластическое и динамическое.

Rэ - эластическое сопротивление. Это наибольшее по величине со­противление. Оно существует и тогда, когда нет движений. Оно обус­ловлено наличием в лёгких эластических волокон и поверхностным натяжением альвеол.

Rа - аэродинамическое сопротивление. При спокойном дыхании оно мало, т.к. движение воздушной струи ламинарное. При частом дыхании это сопротивление резко возрастает, т.к. появляется турбу­лентность.

Есть и другие динамические сопротивления (тканевое, за счёт тре­ния, инерционное и пр.), но они малы.

Величиной, которая характеризует механические свойства легких, является растяжимость: С=dV / dр.

Р асчет работы дыхания по pV-диаграмме.

V

C B V₂

вдох выдох форсированный выдох

M N

A V₁

-9 -6 p, мм Hg

Работа дыхания определятся как площадь петли гистерезиса АМСNА или математически:

где p₁=f₁(V) - уравнение кривой вдоха, p₂=f₂(V) - уравнение кривой выдоха.

Губанов Н.И., Медбиофизика, 1978,с.315-330. Лекции.

Вопрос 58. Поверхностное натяжение биологических жидкостей. Сурфактанты и их роль в механизме расправления лёгочных альвеол. Рабочая характеристика альвеолы.

В легких человека более 30 млн. альвеол, и все они заполнены воздухом. Казалось бы, что в этом интересного? Оказывается, что сила дыхательных мышц в 8-10 раз меньше той силы, которая необходима для создания такого разряжения в плевральной полости, чтобы расправить все 30 млн. альвеол. Однако при рождении ребенка после его первого вдоха все альвеолы оказываются наполненными воздухом. Патл в 1965 году установил, что альвеолы изнутри покрыты плёнкой, образующей пузырёк. Если раздувать альвеолу, повышая давление внутри пузырька, то выявляется довольно сложная зависимость объёма пузырька от давления внутри него. График, отражающий эту зависимость, называется рабочей характеристикой альвеолы.

Рабочая характеристика альвеолы.

р

С рабочий участок характеристики

В

А

О V

На участке АВ альвеола трудно растяжима. Работа альвеолы на участке ОАВ неэффективна.

На участке ВС альвеола хорошо растяжима. Работа альвеолы на участке ВС эффективна.

У здорового человека альвеолы после первого вдоха остаются в точке В рабочей характеристики.

Поэтому важно, чтобы при рождении ребенок сделал первый вдох.

Расправление альвеолы, т.е. вывод ее на участок ВС рабочей ха­рактеристики связывают в настоящее время с пузырьком, который выстилает ее изнутри. Этот пузырек обладает целым рядом замеча­тельных свойств. Если поместить в воду обычный воздушный пузы­рек, то он через короткое время исчезнет, т.к. вода обладает большим коэффициентом поверхностного натяжения ( =7,5  10^-2 н/м) и, в со­ответствии с законом Лапласа:

 = p  r/2 (p - давление, r - радиус пу­зырька), система стремится к наименьшему энергетическому уровню. Уменьшение радиуса г приводит к увеличению p внутри пузырька, и воздух выходит (диффундирует) в жидкость.

Альвеолярный пузырек не проявляет тенденции к уменьшению своего объема. Это связано с тем, что его коэффициент поверхностно­го натяжения мал ( = 10^-4 н/м), т.е. меньше в 750 раз, чем у воды. Это объясняется наличием поверхностно-активных веществ в пленке, образующей пузырек.

Вещества, обладающие поверхностной активностью (жирные ки­слоты, мыла, липопротеины и т.п.) образуют пленку на границе раз­дела двух сред. Молекулы этих веществ полярны (содержат гидро­фильные и гидрофобные группы). Пленка уменьшает поверхностное натяжения растворителя, т.е. как бы создает давление, направленное противоположно поверхностному натяжению. Вещества, действую­щие подобным образом, называются сурфактантами. Химический анализ показал, что в состав альвеолярной пленки как раз входят сурфактанты.

Если жидкость, где находится альвеолярный пузырек, насытить кислородом, то пузырек начинает увеличиваться в размерах, т.к. кислород входит внутрь пузырька за счет разности пар­циальных давлений кислорода внутри и снаружи. Этот процесс про­должается несколько секунд. Затем при достижении определенного объема срабатывают механорецепторы, и происходит явление кликинга (защелкивание пузырька). При этом объем пузырька уменьша­ется примерно на 1/10. Этот процесс продолжается тоже несколько секунд, затем все повторяется. При кликинге кислород диффундиру­ет в жидкость, при этом затрачивается энергия фосфолипидов, вхо­дящих в состав пленки.

Механизм расправления лёгочных альвеол - на 21-25 неделе внутриутробного развития плода в альвеолах начинают вырабатываться сурфактанты. В альвеолах в это время нахо­дится жидкость транссудат. Сурфактанты образуют пузырёк. По мере развития плода транссудат рассасывается, и альвеолы спадаются. При рождении ребенок делает первый вдох. При этом воздух входит в ды­хательные пути. Ввиду разности парциальных давлений кислорода происходит диффузия кислорода в альвеолярный пузырек. Он растет и растягивает альвеолу, т.е. выводит её на участок В рабочей характе­ристики. При дыхании чистым кислородом сурфактантный пузырек может разрушиться. Альвеолы при этом спадаются и оказываются на участке АВ рабочей характеристики альвеолы. При этом возникает грозное осложнение – ателектаз, которое часто приводит к смер­ти больного. Поэтому дышать чистым кислородом в течение продол­жительного времени очень опасно.

Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987,с.180-184. Лекции.