185. Аэродинамика дыхания. Количественное описание воздушного потока в

дыхательных путях. Динамическое закрытие дыхательных путей, эффект

«воздушной ловушки». Зависимость скорости выдоха от аэродинамического

сопротивления дыхательных путей и эластической тяги легких.

Этот раздел изучает движение воздушной струи в дыхательных путях.

Движущей силой для движения воздуха служит разность давлений. При вдохе легкие расширяются и в альвеолах создается некоторое разрежение — альвеолярное давление становится меньше атмосферного. При выдохе легкие спадаются, альвеолярное давление несколько повышается и становится больше атмосферного.

Воздушный поток — это количество воздуха, проходящее через дыхательные пути в единицу времени; он измеряется в литрах в секунду.

Воздушный поток прямо пропорционален движущей силе (разнице между атмосферным и альвеолярным давлением) и обратно пропорционален сопротивлению дыхательных путей; отсюда, в некотором приближении:

Q = (P_альв – Р_атм)/R

Из уравнения следует, что при повышении сопротивления дыхательных путей, например при спазме бронхиол (как известно, сопротивление любой трубки потоку тем выше, чем меньше ее диаметр), необходимый воздушный поток может быть достигнут за счет повышения альвеолярного давления. Однако это повышение не безгранично из-за динамического закрытия дыхательных путей.

Динамическое закрытие дыхательных путей обусловлено двумя факторами: действием соседних альвеол друг на друга; мягкостью стенок мелких бронхиол.

На рисунке А изображены две альвеолы с дыхательными путями. Пусть при форсированном выдохе альвеолярное давление достигает 8 см вод. ст. Это давление передается на дыхательные пути соседних альвеол и стремится их сжать. Однако эти дыхательные пути не спадаются, так как в противоположном направлении действуют две силы:

1. 1. Растягивающая упругая сила, равная эластической тяге легких. Пусть давление этой силы, показателем которого служит плевральное давление, составляет 7 см вод. ст. (обычное значение плеврального давления в начале вдоха);

2. 2. Остаточное давление в дыхательных путях: по мере удаления от альвеолы давление постепенно падает (в верхних дыхательных путях оно становится равным атмосферному, принимаемому за ноль). Предположим, что к тому моменту, когда в стенке бронхиол появляются хрящевые кольца (от этого участка и выше дыхательные пути уже спадаться не могут), давление снижается вдвое; тогда в нашем случае давление в дыхательных путях в этой области станет равным 4 см вод. ст.

Таким образом, в данном случае сдавливающее давление 8 см вод. ст., а противодействующее ему 4 + 7 = 11 см вод. ст.; дыхательные пути не спадаются.

На рисунке Б изображены те же две альвеолы, но только выдох еще более резкий — альвеолярное давление достигает 18 см вод. ст. К точке появления хрящевых колец давление в дыхательных путях, как и в предыдущем случае, снижается вдвое (до 9 см вод. ст.), и сумма растягивающих давлений (9 + 7 = 16 см вод. ст.) становится меньше сдавливающего (18 см вод. ст.) — дыхательные пути спадаются. Это и есть динамическое закрытие дыхательных путей.

Из этого следуют некоторые важные особенности:

1. 1. Максимальная скорость форсированного выдоха всегда меньше, чем вдоха, так как на вдохе альвеолярное давление, напротив, становится отрицательным и не сдавливает соседние дыхательные пути.

2. 2. По мере форсированного выдоха скорость воздушного потока снижается, так как чем меньше объем легких, тем меньше их эластическая тяга.

3. 3. Скорость форсированного выдоха ограничена тем альвеолярным давлением, при котором наступает динамическое закрытие дыхательных путей. Попытки выдохнуть еще быстрее за счет интенсивного сокращения экспираторных мышц бесполезны: чем больше мышечное усилие, тем больше альвеолярное давление и сдавление дыхательных путей (эффект воздушной ловушки).