Раздел 6
Значение дыхания для организма. Основные этапы процесса. Внешнее дыхание. Биомеханика вдоха и выдоха.
Дыхание - газообмен кислорода и углекислого газа между клетками организма и внешней средой состоит из следующих этапов: внешнее дыхание (происходит в органах дыхания), транспорт газов во внутренней среде организма (происходит в крови) и тканевое дыхание.
Внешнее дыхание - поступление газов (вдох) и отведение воздуха (выдох) из внешней среды по дыхательным путям к респираторному отделу лёгких и двусторонняя диффузия газов через аэрогематический барьер (т.е. между полостью альвеол и просветом кровеносных капилляров межальвеолярных перегородок).
Внешнее дыхание - основная функция аппарата дыхания. Помимо функции внешнего дыхания, органы дыхания выполняют множество сопряжённых и дополнительных функций (регуляция КЩР, голосообразование, обоняние, кондиционирование воздуха), а также эндокринную, метаболическую и иммунологические функции.
Аппарат дыхания состоит из дыхательных путей, респираторного отдела лёгких, грудной клетки (включая её костно-хрящевой каркас и нервно-мышечную систему), сосудистой системы лёгких, а также нервных центров регуляции дыхания.
Функцию внешнего дыхания осуществляют лёгкие, состоящие из воздухоносных путей и респираторного отдела (респираторная поверхность).
Воздухоносные пути: здесь происходит активный перенос воздуха путём конвекции (за счёт разности давлений) из атмосферы к респираторной поверхности и в обратном направлении. Начиная от трахеи, трубки воздухоносных путей разделяются дихотомически (надвое), образуя последовательно бронхи (и бронхиолы): главные - долевые - сегментарные - дольковые - ацинарные (терминальные) - респираторные. Активный перенос воздуха осуществляется за счёт работы дыхательных мышц, обеспечивающих дыхательные движения с частотой от 12 за 1 мин. Другими словами, функция воздухоносных путей - вентиляция лёгких. Выдох в норме при спокойном дыхании является пассивным.
Биомеханика дыхания. Биомеханика вдоха.
Увеличение объема грудной полости при вдохе происходит в результате сокращения инспираторных мышц. При сокращении диафрагмы, она движется вниз и смещает органы брюшной полости вниз и кпереди, увеличивая объем грудной полости преимущественно по вертикали.
Увеличению объема грудной полости при вдохе способствует сокращение наружных межреберных мышц, которые поднимают грудную клетку вверх, увеличивая объем грудной полости. Волокна межреберных мышц идут сверху вниз и сзади кпереди. При подобном направлении мышечных волокон их сокращение поворачивает каждое ребро вокруг оси. В результате этого движения каждая нижележащая реберная дуга поднимается вверх больше, чем опускается вышерасположенная. Одновременное движение вверх всех реберных дуг приводит к тому, что грудина поднимается вверх и кпереди, а объем грудной клетки увеличивается в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Сокращение наружных межреберных мышц не только увеличивает объем грудной полости, но и препятствует опусканию грудной клетки вниз.
При глубоком дыхании в биомеханизме вдоха, как правило, участвует вспомогательная дыхательная мускулатура — грудино-ключично-сосцевидные и передние лестничные мышцы, и их сокращение дополнительно увеличивает объем грудной клетки. В частности, лестничные мышцы поднимают верхние два ребра, а грудино-ключично-сосцевидные — поднимают грудину. Вдох является активным процессом и требует расхода энергии.
Биомеханизм выдоха.
Выдох в покое у человека осуществляется пассивно под действием эластической тяги легких, которая возвращает объем легких к исходной величине. Тем не менее, при глубоком дыхании, а также при кашле и чиханье, выдох может быть активным, и уменьшение объема грудной полости происходит за счет сокращения внутренних межреберных мышц и мышц живота. Мышечные волокна внутренних межреберных мышц идут относительно точек их прикрепления к ребрам снизу вверх и сзади кпереди. При их сокращении ребра поворачиваются вокруг оси, и каждая вышерасположенная реберная дуга опускается вниз больше, чем нижерасположенная поднимается вверх. В результате все реберные дуги вместе с грудиной опускаются вниз, уменьшая объем грудной полости в сагиттальной и фронтальной плоскостях. При глубоком дыхании человека сокращение мышц живота в фазу выдоха увеличивает давление в брюшной полости, что способствует смещению купола диафрагмы вверх и уменьшает объем грудной полости в вертикальном направлении.
Давление в плевральной полости, его происхождение при вдохе и выдохе. Лёгочные объёмы и ёмкости. Спирометрия, спирография, состав вдыхаемого воздуха. Анатомические, физиологические и функциональные мёртвые пространства.
Вентиляция легких - это смена воздуха в легких, совершаемая циклически при вдохе и выдохе. Легочную вентиляцию характеризуют прежде всего четыре основных легочных объема:
дыхательный,
резервный объем вдоха,
резервный объем выдоха
остаточный объем.
Вместе они составляют общую емкость легких. Сумма всех перечисленных объемов равняется максимальному объему, до которого могут быть расправлены легкие. Легочные ёмкости представляют собой сумму двух и более объемов.
Объем воздуха в легких и дыхательных путях зависит от конституционально-антропологических и возрастных характеристик человека, свойств легочной ткани, поверхностного натяжения альвеол, а также силы, развиваемой дыхательными мышцами.
Для оценки вентиляционной функции легких, состояния дыхательных путей, изучения паттерна дыхания применяют различные методы исследования: пневмографию, спирометрию, спирографию и др.
С помощью спирографа можно определить и записать величины легочных объемов воздуха, проходящих через воздухоносные пути человека.
При спокойном вдохе и выдохе через легкие проходит сравнительно небольшой объем воздуха (около 500 мл), который принято называть дыхательным объемом (ДО).
При форсированном (глубоком) вдохе человек может дополнительно вдохнуть еще определенный объем воздуха. Этот резервный объем вдоха (РОвд) - максимальный объем воздуха, который способен вдохнуть человек после спокойного вдоха. Величина резервного объема вдоха составляет у взрослого человека примерно 1,8-2,0 л.
После спокойного выдоха человек может дополнительно выдохнуть еще определенный объем воздуха. Это резервный объем выдоха (РОвыд), величина которого составляет в среднем 1,2 - 1,4 л.
Объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха и в легких мертвого человека - остаточный объем легких (ОО). Величина остаточного объема составляет 1,2 -1,5 л.
Различают следующие емкости легких.
Общая емкость легких (ОЕЛ) - объем воздуха, находящегося в легких после максимального вдоха.
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) включает в себя дыхательный объем, резервный объем вдоха, резервный объем выдоха. ЖЕЛ - это объем воздуха, выдохнутого из легких после максимального вдоха при максимальном выдохе (ЖЕЛ = ОЕЛ - ОО); ЖЕЛ составляет у мужчин 3,5 - 5,0 л, у женщин - 3,0-4,0 л.
Емкость вдоха (Евд) равна сумме дыхательного объема и резервного объема вдоха, составляет в среднем 2,0 - 2,5 л.
Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) - объем воздуха в легких после спокойного выдоха. В легких при спокойном вдохе и выдохе постоянно содержится примерно 2500 мл воздуха, заполняющего альвеолы и нижние дыхательные пути. Благодаря этому газовый состав альвеолярного воздуха сохраняется на постоянном уровне.
Объем легочной вентиляции удобно определять как объем газа, поступающего в дыхательные пути и покидающего их за определенный отрезок времени.
Минутный объем дыхания (МОД) - объем воздуха, проходящий через легкие за одну минуту. Величина легочной вентиляции определяется глубиной дыхания и частотой дыхательных движений. В покое частота дыхательных движений человека составляет примерно 16 в мин ("эйпноэ" или "хорошее дыхание"), а объем выдыхаемого воздуха - около 500 мл. Умножив частоту дыхания в минуту на величину дыхательного объема, получим МОД, который у человека в покое составляет в среднем 8 л/мин. При этом акт вдоха проходит несколько быстрее, чем акт выдоха.
Максимальная вентиляция легких (МВЛ) - объем воздуха, который проходит через легкие за одну минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений. Максимальная вентиляция возникает во время интенсивной работы, при недостатке содержания О2 (гипоксия) и избытке СО2 (гиперкапния) во вдыхаемом воздухе. В этих условиях МОД может достигать 150 - 200 л/мин.
Мертвое пространство включает объем дыхательных путей, в которых не происходит газообмен (анатомическое мертвое пространство), и объем неперфузируемых альвеол (альвеолярное мертвое пространство). Сумма анатомического и альвеолярного мертвого пространства называется физиологическим мертвым пространством. В норме у взрослого человека при вертикальном положении тела мертвое пространство равно 150 мл (примерно 2 мл/кг) и практически состоит только из анатомического мертвого пространства. Надо иметь в виду, что фактический объем анатомического мертвого пространства может варьировать в зависимости от способа осуществления ИВЛ (через маску, мундштук, трахеальную трубку, трахеостомическую канюлю) и от объема используемых указанных деталей.
У здорового человека в состоянии покоя альвеолярное мертвое пространство весьма невелико, но при некоторых патологических состояниях - при гиповолемии, легочной эмболии или эмфиземе могут возникать очаги - зоны альвеолярного мертвого пространства. Основной причиной увеличения отношения мертвого пространства к дыхательному объему в таких ситуациях является значительное снижение или полное отсутствие кровотока в вентилируемых альвеолах.
Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха
Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (альвеолах) относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором кислорода 16,3%, углекислого газа 4%.
Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислорода (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).
Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхаемом и альвеолярном воздухе практически одинаково.
Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в органах дыхания, в воздухоносных путях.
Транспорт газов кровью. График диссоциации оксигемоглабина. Факторы влияющие на процесс образования и диссоциации оксигемоглабина. Понятие кислородной емкости.
Транспорт кислорода: Обогащенная кислородом кровь направляется по сосудам с током крови в ткани организма. О2 транспортируется кровью двумя способами: в связанном с гемоглобином виде – в форме оксигемоглобина и за счет физического растворения газа в плазме крови.
Физическое растворение О2: Все газы, в том числе и кислород, в соответствии со своим парциальным напряжением и растворимостью могут физически растворяться в крови. Доля О2, переносимого за счет физического растворения не велика
В 100 мл. крови растворяется 0,3мл О2. Этот растворяющейся О2 быстро диффундирует в эритроциты и связывается с Нв. Скорость связывания высокая. Время полунасыщения гемоглобина кислородом составляет 3мс.
Одна молекула гемоглобина способна связывать 4 молекулы О2. 1 грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О2.
Максимальное количество О2 (в мл) , которое может связать 1л крови при полном насыщение Нв кислородом – называется кислородная емкость. В норме в 1л крови содержится 150г Hb, т.е. можно расчитать, что в 1л крови содержится 0,2л О2.
Главным фактором, обеспечивающим образование оксигемоглобина, является высокое парциальное давление О2 в альвеолах (если оно = 100 мм рт.ст., то образуется 97-100% оксигемоглобина) Зависимость степени оксигенации гемоглобина от парциального давления-представляется в виде кривой диссоциации гемоглобина. (Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше содержание оксигемоглобина).
Коэфициент утилизации кислорода-количество O2, отданного при прохождении крови через тканевые капилляры, отнесенное к кислородной емкости крови.
Факторы влияющие на процесс образования и диссоциации оксигемоглабина.
( При повышение напряженияО2 отмечается увеличени Нв – то Кривая имеет S-образную форму.)
Порциальное давление
Содержание 2,3 дифосфоглицерата в эритроцитах – это вещество может внедряться в центральную часть Нв и снижать сродство Э к О2. Кривая диссоциации смещается вправо.
При изменение рН в кислую сторону, кривая сдвигается вправо, а в щелочную влево.
При снижение t, повышается сродство Нв к О2 – смещение кривой влево, а при повышение t наоборот.
СО имеет сродство к гемоглобину в 240 раз выше, чем О2. Связываясь с Нв образует карбоксигемоглобин. СО значительно уменьшает содержание О2 в крови, сдвигает кривую в лево.
У плода имеется фетальная форма НвF- обладает большим сродством с О2. Кривая сдвигается – влево.
Транспорт углекислого газа.
СО2 Он образуется в тканях, переносится кровью лёгким и выделяется выдыхаемым воздухом в атмосферу.
Транспортируется тремя способами:
В виде бикарбонатов – кислых солей угольной кислоты = 50-52%
В виде химического соединения с гемоглобином – карбоксигемоглабина-4,5%
Остальное в физически растворённом состоянии.
Процесс переноса СО2 из тканей в легкие осуществляется следующим образом. Наибольшее парциальное давление углекислоты в клетках тканей и тканевой жидкости – 60мм.ртст.
В притекающей артериальной крови напряжение СО2 равно 40 мм.рт.ст. Благодаря градиенту углекислота движется из тканей в капилляры. В результате парциальное давление СО2 возрастает и в венозной крови составляет 46-48мм.рт.ст. Под влиянием высокого парциального давления часть углекислоты физически растворяется в плазме крови. Благодаря ферменту карбоангидразе СО2, соединяясь с водой образует угольную кислоту. Активно эта реакция идет в эритроцитах, через мембраны которых СО2 легко проникает. Угольная кислота диффундирует на ионы водорода и бикарбонаты, которые проникают через мембрану в плазму. В эритроцитах образуется бикарбонат калия, в плазме – бикарбонат натрия. Наряду с этим СО2 вступает в соединение с белковым компонентом гемоглобина, образуя карбоаминовую связь. В целом 1л венозной крови захватывает около 2 ммоль СО2, из этого количества: 10% находится в виде карбоаминовой связи с гемоглобином, 35% составляют бикарбонаты в эритроцитах, 55% в виде соле угольной кислоты в плазме.
Содержание СО2 в крови определяется величиной ее парциального давления. Зависимость содержания СО2 в крови от парциального давления описывается кривой содержания СО2.