Сопротивление дыханию

Эластическое сопротивление. Эластическим сопротивлением, наз. сопротивления которое должны преодолеть дыхательные мышцы при вдохе, является упруго-эластическая сила аппарата внешнего дыхания. Преодолеваемые эластические силы разделяются на два вида: 1) эластические силы легких; 2) эластические силы грудной клетки (и внутренних органов, смещаемых диафрагмой). Эластические силы, развиваемые легкими и грудной клеткой, зависят от их объемов и не зависят от скорости изменения этих объемов. Измерение растяжимости должно производить­ся в статических условиях, так как динамическое сопро­тивление ткани и воздухоносных путей и силы инерции равны нулю только при отсутствии тока воздуха. Для исключения динамического компонента сопротивления используют различные приемы.

Эластические свойства дыхательного аппарата в целом и отдельных его частей исследуют различными ме­тодами. Наиболее распространенный из них заключает­ся в следующем. Испытуемый вдыхает измеренный объем газа из спирографа, после чего трубку, соединяю­щую верхние дыхательные пути со спирографом, пере­крывают зажимом. Затем испытуемый полностью рас­слабляет дыхательную мускулатуру. Теперь эластиче­ской тяге легких и грудной клетки не противодействует активное сокращение мышц. Эта тяга создает альвео­лярное давление, которое измеряется манометром, при­соединенным к трубке между дыхательными путями и зажимом. Повторение этой процедуры несколько раз при разных объемах дает возможность построить кри­вую V—Р (рис. 62).

Другой способ заключается в том, что легкие нарко­тизированного больного раздувают через интратрахе-альную трубку, плотно прилегающую к стенкам трахеи.

21 Медицинская биофизика

321

Затем трубку закрывают и измеряют давление в систе­ме трубка — легкие. Повторяя процедуру несколько раз и измеряя объемы газа, устанавливают зависимость V

ои Р_ал.

В среднем диапазоне изменений объема зависимость V—Р_ал оказалась близкой к линейной, что позволило использовать уравнение (5) и характеризовать эласти­ческие свойства аппарата дыхания в целом одним пара­метром — растяжимостью. Последняя у здорового чело­века близка к 0,1 л/см вод. ст. Это означает, что для обеспечения спокойного вдоха (0,5 л) мышцы должны развить силу, создающую в легких отрицательное дав­ление 5 см вод. ст.

Растяжимость дыхательного аппарата бывает умень­шенной при определенных заболеваниях (фиброз лег­ких и грудной клетки, легочный застой и др.). Указан­ным можно объяснить те трудности, которые испытыва­ют некоторые больные при вентиляции своих легких.

Для клиники представляет интерес исследование эла­стических свойств не только дыхательного аппарата в целом, но и его частей: легких и грудной клетки. Опре­деление изменений их растяжимости при различных па­тологических состояниях дает возможность устанавли­вать причины, вызывающие затрудненное дыхание и обусловливающие нарушения частоты, глубины дыхания и структуры дыхательного цикла (Л. Л. Шик, 1973).

322

Из уравнения (1) следует, что для определения рас­тяжимости легких необходимо построить кривую зави­симости объема легких от транспульмонального давле­ния, т. е. от разности между альвеолярным и плевраль­ным давлением. Измерять плевральное давление непо­средственно опасно из-за возможности прокола легкого. Задача облегчилась после того, как было установлено, что изменения давления в пищеводе равны соответст­вующим сдвигам его в плевральной полости. Давление в пищеводе измеряют с помощью маленького баллона, соединенного с манометром. Если одновременно регистрировать легочные объемы, альвеолярное давление (по описанной выше методике) и давление в пищеводе, то можно получить данные для построения зависимости объема от транспульмонального давления.

Растяжимость грудной клетки можно определить, если построить кривую зависимости объема легких от

разности между атмосферным и плевральным давлением. Для этого практически необходимо измерять только объемы воздуха и давление в пищеводе, поскольку ат­мосферное давление постоянно (при кратковременном исследовании).

Измерения показали, что растяжимость легких у здо­рового человека близка к 0,2 л/см вод. ст. Растяжимость грудной клетки также имеет величину, близкую к 0,2 л/см вод. ст. Таким образом, легкие и грудная клет­ка имеют примерно одинаковую растяжимость, которая в 2 раза превышает растяжимость дыхательного аппа­рата в целом.

Динамическое сопротивление. Сопротивления дыха-нию, возникающие исключительно во время дыхатель­ных движений т.е. когда воздух идет в влегкие или из легких называют динамическими или вязкостными со-противлениями. Различают динамическое сопротиваление тканевое и воздушное (или аэродинамическое).

Тканевое динамическое сопротивление возникает в результате трения в тканях, которые премещаются во время дыхания. Это ребра, диафрагма, содержимое борюшнои полости, легкие. В отличие от эластического сбпротивления, определяемого изменением объема, оно определяется скоростью движения. В начале вдоха, ког­да ток воздуха еще не начался и ткани не перемещают­ся, эта сила равна нулю. Она становится наибольшей в момент максимальной скорости тока воздуха и вновь

21*

328

равна нулю в конце вдоха, когда ток и перемещение останавливаются. У людей со здоровыми органами ды­хания тканевое динамическое сопротивление составляет 15—18% всего динамического сопротивления (Маршалл, 1956).

Аэродинамическое сопротивление. При дыхании тре­буется давление, чтобы преодолеть трение между стен-ками трахобронхиального дерева и воздушным пото-ком, а также внутри самого потока. Сопротивление ды-хательных путей зависит от объемной скорости и типа воздушного потока. Воздушный поток может быть лами-нарным или турбулентным. В гладких прямых трубках турбулентное течение возникает лишь при больших ско­ростях. Однако трахеобронхиальное дерево имеет сотни тысяч разветвлений, около которых могут возникать за­вихрения. Турбулентность, или вихреобразование, при малых скоростях особенно часто возникает там, где в трубках имеются неровности, вызванные, например, слизью, экссудатом, опухолью, инородными телами.

В общем случае давление АР (или разность давле­ний), необходимое для преодоления аэродинамического сопротивления, определяется уравнением:

(6)

где k₁ и k₂— коэффициенты, характеризующие аэроди­намические сопротивления соответственно для ламинар­ного и турбулентного потоков воздуха.

Коэффициенты k_х и k₂ находят из уравнений:

(7)

(8)

где l — длина трубки; r — ее радиус; ή —вязкость га­за; f — коэффициент трения, зависящий от плотности газа.

Уравления (6), (7) и (8) показывают, аэроди-намическое сопротивление увеличивается с повышением объемной скорости воздуха, при переходе от ламинар­ного к турбулентному потоку и особенно при сужении просвета дыхательных путей. При астме и эмфиземе лег­ких это сопротивление может быть в 7—8 раз больше, чем у здоровых людей.

324

Методы измерения динамического сопротивления. Наиболее точным можно считать метод общей плетиз-мографии, позволяющий исследовать одновременно мно-гие параметры внешнего дыхания. Принцип действия общего плетизмографа, или железных легких, заклю­чается в следующем. Тело пациента с расслабленной дыхательной мускулатурой, за исключением головы, за­ключают в герметический металлический сосуд. В нем благодаря действию мощного насоса ритмически со­здается отрицательное и положительное давление, воз­действующее на все тело. Отрицательное давление при­водит к увеличению объема грудной клетки и вызы­вает вдох; при повышении давления совершается выдох.

В данном случае работа дыхательных мышц заме­нена действием искусственного насоса.

В опыте одновременно регистрируются разность дав­лений между плетизмографом и ротовой полостью, спирограмма и пневмотахограмма. Если построить зависи­мость давления от объема в статических условиях — при отсутствии тока воздуха, то будет получена прямая линия (в первом приближении). Это линия АВ на рис. 63. Построение этой же зависимости в динамических условиях даст кривую АЕВ, которая проходит ниже АВ, поскольку при движении к эластическому присоединяет­ся и динамическое сопротивление. Расстояние между осью абсцисс и АВ в каждый момент показывает дав­ление ΔР_эл, расходуемое на преодоление эластического сопротивления, а расстояние между АВ и АЕВ — ΔР_Д — давление, затрачиваемое на преодоление динамического сопротивления всего дыхательного аппарата. Определяя

ΔР_д и V (по пневмотахограмме) для каждого момента

времени, по уравнению находят динамическое сопротивление R_д.

Общее динамическое сопротивление легких и дыха­тельных путей можно определить способом, аналогич­ным описанному. Только для этого необходимо строить зависимость дыхательных объемов от разницы давлений между пищеводом и ртом, а дыхание может осуществ­ляться как естественным путем, так и с помощью обще­го плетизмографа.

Для определения одного только динамического со­противления дыхательных путей надо знать: 1) объем-

325

ную скорость воздуха и 2) разность давлений между альвеолами и атмосферой. Прямое измерение последней величины невозможно, так как в альвеолы нельзя вве­сти зонд. В связи с этим прибегают к косвенным спосо­бам. Наиболее доступным является метод прерывания воздушного потока. Его суть заключается в том, что в любой фазе дыхательного цикла трубка, соединяющая верхние дыхательные пути человека с пневмотахогра-фом, перекрывается на короткий срок автоматическим затвором. В этот момент движение воздуха прекра­щается и манометр регистрирует давление в трубке между ртом и затвором. Это давление равно альвеоляр­ному, так как скорость потока равна нулю. Короткий срок, на который прерывается поток, не нарушает дыха­ния. Разность давлений, измеренных при неподвижном воздухе и в момент, непосредственно предшествующий прерыванию потока, представляет собой величину паде­ния давления в воздухоносных путях. Разделив величину падения давления на величину объемной' скорости возду­ха (которая непрерывно регистрируется пневмотахогра-фом) для данного момента времени, получают величину аэродинамического сопротивления.

Сопротивления, связанные с гравитацией и инерцией. При дыхании происходят изменения положения грудной клетки и органов брюшной полости в гравитационном поле Земли. При этом в зависимости от фазы дыхатель­ного цикла и ориентации положения тела в пространст­ве сопротивление, связанное с тяжестью перемещаемых органов, меняется. Вес грудной клетки при вдохе оказы­вает сопротивление мышцам вдоха; при выдохе этот

326

фактор способствует уменьшению объема грудной клет­ки. Сила тяжести брюшных внутренностей (особенно в положении стоя) воздействует на диафрагму, стремясь оттянуть ее вниз. Это в некоторой степени способствует вдоху и оказывает сопротивление выдоху. Влияние гра­витационных факторов на дыхание можно установить при сравнении механических и вентиляционных показа­телей дыхания человека в положениях лежа и стоя.

Поскольку при дыхании приходит в движение систе­ма, обладающая массой, то при этом проявляется ее инерция. Сопротивление, обусловленное инерцией, воз­никает при изменении скорости движения, т. е. при ус­корении. Давление Р_и, необходимое для преодоления инерции, определяется уравнением:

₍₉₎

где т — масса перемещаемых органов; V — вторая про­изводная от объема по времени.

Инерционный фактор в обычных условиях дыхания весьма мал и приобретает некоторое значение лишь при увеличении ускорений, что бывает при очень частом ды­хании и увеличенной вентиляции.

^{РАБОТА ДЫХАНИЯ}

Работой дыхания называется работа по преодолению всех видов сопротивления, которая выполняется дыха-тельными мышцами при вентиляции легких. Роль от-дельных мышц, их активность в разные фазы дыхатель­ного цикла и в различных условиях дыхания исследуют­ся с помощью метода электромиографии. Непосредст­венно измерить работу дыхательных мышц не представ­ляется возможным.

В связи с этим для определения работы дыхания пользуются косвенными методами.

Работа, как известно, измеряется произведением си­лы на путь, пройденный по направлению силы. Для слу­чая дыхательной (трехмерной) системы работа выра­жается произведением давления на изменение объема. Поскольку давление в дыхательной системе величина переменная, определение работы А производят путем ин­тегрирования:

327

где Р — общее давление, приложенное к дыхательной системе в каждый момент дыхательного цикла; йУ — приращение объема системы.

Полная работа дыхания определяется методом об

щей плетизмографии. Испытуемого с выключенным са-

мопроизвольно или с помощью фармакологических

средств дыханием помещают в плетизмограф, в котором ритмически создается отрицательное и положительное давление. Для определения работы необходима одновременная запись спирограммы, показывающей легочные объемы, и разности давлений между плетизмографом и ротовой полостью. По полученным данным строят кри­вую зависимости давления от объема (см. рис. 63). Ра­бота дыхания численно равняется площади фигуры, Образуемой замкнутой линией, соединяющей последовательные значения давлений и объемов в каждый момент дыхательного цикла.

Полученная фигура дает представление о работе по преодолению как общего сопротивления дыханию, так и его отдельных компонентов. Работа во время вдоха равняется площади АЕВС и состоит из двух частей: АВС — работы по преодолению статического сопротив­ления дыхательной системы; АЕВ — работы по преодо­лению динамического сопротивления дыханию. Во время выдоха совершается работа АВСД. Но так как АВС представляет собой потенциальную энергию, накоплен­ную во время вдоха, то общая работа дыхания равна площади АЕВСД. При этом площадь АСД показывает работу по преодолению динамического сопротивления выдоху.

Определение общей работы дыхания по вышеописан­ной методике практически весьма сложно. Поэтому более широко изучается та часть работы дыхания, которая затрачивается на преодоления сопротивления легких и дыхательных путей (без учета сопротивления грудной

клетки). Для этого достаточно регистрировать динамику плеврального (пищеволного) давления во время естественного дыхания при одновременной записи дыхательных объемов. Последующее определение работы принципиально не отличается от описанного выше.

Величину дыхательной работы относят к 1 л вентиляции. В покое (вентиляция до 10 л/мин) работа

328

дыхания, по данным разных авторов, составляет величи­ны 0,1—0,59 Дж/л, или 0,98—4,9 Дж/мии. По мере уве-

личения минутного объема работа дыхания возрастает не пропорционально, что связано главным образом с увеличением динамического сопротивления. Работа ды­хания бывает повышенной при увеличенном эластиче­ском или динамическом сопротивлении и особенно при сочетании обоих этих факторов. Предельная для каж­дого человека величина вентиляции лимитируется до­ступной для него предельной работой дыхательной мус­кулатуры. С резко увеличенной работой дыхания обыч­но связано тягостное ощущение одышки.

Показано, что обычные сочетания глубины и часто­ты дыхания близки к оптимальным, т. е. таким, которые обусловливают минимальную работу на 1 л вентиляции. Это обеспечивается функциями систем регулирования дыхания.