б.ф.Л.8 Дыхание

Лекция 8. БИОФИЗИКА ДЫХАНИЯ

❶ Введение. Весь процесс дыхания можно подразделить на внешнее дыхание и газообмен крови в легких. Предметом биомеханики дыхания является рассмотрение параметров внешнего дыхания и зависимость изменения внутрилегочного давления от объема.

Легочная ткань, выполняющая функцию газообмена крови, находится в грудной клетке и отделена от нее межплевральной щелью, заполненной жидкостью. Наличие в этой щели отрицательного давления заставляет легкие следовать за грудной клеткой, а с другой стороны, предохраняет от повреждения ребрами легочную ткань.

Акт вдоха начинается с сокращение межреберных наружных мышц, отводящих грудную клетку вниз и наружу. В результате увеличения объема грудной клетки, и естественно легких, давление в них становится ниже атмосферного, и воздух поступает внутрь. При выдохе, который при спокойном дыхании является пассивным, расслабление межреберных мышц приводит к спаданию грудной клетки, уменьшению ее объема и превышению внутрилегочного давления над атмосферным – происходит выдох.

При физической нагрузке, гипоксии и т.п., требующие ускорения и учащения дыхания, в акте вдоха и выдоха начинают принимать участие большее количество мышечных структур – внутренние косые межреберные мышцы, диафрагма, мышцы спины и др.

❷. Основные объемы и емкости легкого.

Объемы и емкости легкого анализируются с помощью спирометрии. Испытуемый через расходомер вдыхает или выдыхает воздух, величина которого и регистрируется.

►Основные объемы и емкости легкого

Дыхательный объем - регистрируется в состоянии спокойного дыхания (12-17 раз в минуту) и равен у человека 500-600 мл воздуха;

Резервный объем вдоха – дополнительный вдох на уровне спокойного вдоха. Равен у человека 1000-1500 мл воздуха

Резервный объем выдоха – дополнительный выдох на уровне спокойного выдоха. Равен у человека 1000-1500 мл воздуха

Эти три объема составляют жизненную емкость легких (ЖЕЛ).

Регистрируется размахом амплитуды максимального вдоха и выдоха (у человека равна 3000-4500 мл воздуха). Ее оценка имеет важное диагностическое значение и сравнивается с помощью таблиц с нормальными показателями, меняющимися в зависимости от роста веса, пола, возраста.

В легких после самого глубокого выдоха остаются остаточный объем (ОО) величиной 500-800 мл. Вместе с ЖЭЛ ОО составляет общую емкость легких (ОЕЛ).

В свою очередь: объем выдоха складывается из суммы резервного объема выдоха и дыхательного объема; объем вдоха складывается из суммы резервного объема вдоха и дыхательного объема.

Кроме выше перечисленных статических характеристик объема легких очень важное диагностическое значение имеет такой показатель как форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ) – величина объема воздуха проходящего через дыхательные пути за 1 сек.

В норме показатель ФЖЕЛ должен составлять 80-90% от ЖЕЛ.

Обструктивные изменения дыхательных путей, например при бронхите, приводят к его снижению, тогда как остальные показатели могут быть без изменений.

Деструктивные изменения легких, касающиеся всей легочной ткани, сопровождаются одномоментным снижением всех объемов и емкостей легких, тогда как ФЖЭЛ может не изменяться.

❸. Основной уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера.

Согласно уравнению Родера, изменение давление в зависимости от объема P(V) в процессе дыхания складывается из нескольких компонент:

Эластическое сопротивление дыханию – f₁(V); 2. Неэластическое сопротивление дыханию – f₂(V^I); 3. Инерционная компонента – f₃(V^II).

1. Эластическая компонента сопротивления дыханию отображает закон Гука

Причем необходимо учитывать вклад в эластичность (упругость) как грудной клетки (СТ), так и ткани легкого (СL):

Растяжимость, как грудной клетки, так и ткани легкого сравнима:

СТ = СL = 0,2 л/см вод. ст.

►Роль сурфоктанта в эластическом сопротивлении дыханию. Но зависимость Р от V не линейная, как должно быть по закону Гука. Причина в том, что в альвеолярной жидкости присутствует сурфоктант - поверхностно-активное вещество, способное уменьшить поверхностную энергию. Он стремится на поверхность, образуя поверхностную пленку. При этом давление Р, требуемое для раздувания ее стенки до определенного объема, будет зависеть от радиуса кривизны поверхности и величины поверхностного натяжения: чем меньше радиус альвеолы, тем более высокое давление требуется для предотвращения ее полного коллапса. При сжатии или растяжении альвеол величина поверхностного монослоя изменяется. В зависимости от этого варьирует и поверхностное натяжение. Чем больше сжимается пленка, тем больше падает поверхностное натяжение и, тем выше становится поверхностное давление. Находящейся на поверхности альвеол монослой сурфоктанта, при вдохе сокращает свою поверхность. Поверхностное давление в монослое нарастает и препятствует спаданию альвеол даже при глубоком выдохе.

Иногда у новорожденных в легких имеет место недостаточность продукции сурфоктанта и тогда развивается картина легочной недостаточности.

Зависимость поверхностного давления Р от объема альвеолы V

2. Неэластическое сопротивление дыханию отражает динамическую (скоростную) характеристику прохождения воздуха через воздухоносные пути. Производная по объему отражает эти изменения:

3. Инерционная компонента дыхания характеризует влияние инерционных свойств ткани легких (I) на процесс дыхания. Отражает зависимость от ускорения (вторая производная скорости) изменения объема дыхания.

Вклад инерционной компоненты дыхания в общее уравнение Родера меньше всего и часто им пренебрегают при различных расчетах.

В процессе дыхания давление в легких складывается из трех составляющих:

P = P_газов + P_легких + P _{гр.клетки}

В свою очередь, атмосферное (Р_атм), плевральное (Р_плев) и альвеолярное (Р_альв) давления рассчитываются:

P_атм = P_плев - P_{эл.гр.клетки}

Р_альв = Р_плев - Р _{эл.легких}

Р _плев = Р _альв - Р_{эл легких}

То есть, общая сумма атмосферного, плеврального и альвеолярного давлений равно нулю, так как в акте вдоха и выдоха они участвуют поочередно, замещая друг друга.

❹. Работа дыхания

Работа дыхания направлена на преодоление эластического и неэластического сопротивления дыханию: А = ∫ РdV, где Р – изменение давления по преодолению сопротивления дыханию, а V – изменение объема при этом процессе.

При форсированном дыхании работа выдоха, как и вдоха, резко возрастает и превышает работу вдоха. В этих условиях составляющая выдоха требует дополнительных энергозатрат по преодолению неэластического сопротивления дыханию.