книги / Экспериментальные методы в биомеханике

2)в сагиттальном (переднезаднем) направлении, что связано

ссокращением наружных межреберных мышц и отходом конца грудины вперед;

3)во фронтальном направлении – ребра перемещаются вверх и наружу за счет сокращения наружных межреберных и межхрящевых мышц.

Рис. 10.4. Положение диафрагмы при дыхании

Механизм поднятия ребер. Наружные косые межреберные и межхрящевые мышцы имеют такое расположение волокон, что точка их прикрепления к нижележащему ребру расположена дальше от центра вращения, чем точка прикрепления к вышележащему ребру (рис. 10.5).

При сокращении мышцы с одинаковой силой тянут верхнее ребро вниз, а нижнее поднимают вверх, то есть F1 = F2 . Но так как плечо нижнего ребра больше верхнего (L2 > L1 ), то момент силы, направленной вверх, больше момента силы, направленной вниз (F2 L2 > F1 L1 )), и система из двух ребер поднимается вверх (см. рис. 10.5). Так же работают и межхрящевые мышцы.

361

Вдох – это активный процесс, так как при вдохе преодолеваются силы:

1)эластического сопротивления мышц и легочной ткани;

2)силы неэластического сопротивления:

–силы трения при перемещении ребер;

–сопротивление внутренних органов диафрагме;

–сила тяжести ребер;

–сопротивление движению воздуха в бронхах среднего диаметра. Его величина зависит от тонуса бронхиальных мышц (в норме 10–20 мм рт. ст. у взрослых здоровых людей, но при бронхоспазме или гипоксии может увеличиться до 100 мм рт. ст.).

Рис.10.5. Механизм поднятия ребер при вдохе в результате сокращения наружных межреберных мышц.

М – мышца; F1 – сила, опускающая верхнее ребро; F2 – сила, поднимающая нижнее ребро; L1 и L2 – плечи действия сил F1 и F2

Форсированный вдох. Форсированный вдох обеспечивается усиленным сокращением инспираторных мышц (межреберных наружных и диафрагмы), а также сокращением дополнительных мышц, прикрепленных к костям плечевого пояса, черепу или по-

362

звоночнику и способных поднимать ребра, разгибать грудной отдел позвоночника и фиксировать и отводить плечевой пояс назад. Это трапециевидная мышца, ромбовидная, поднимающая лопатку, малые и большие грудные мышцы, передние зубчатые мышцы. При форсированном вдохе используется резерв легочной системы.

Давление в плевральной щели и в легких при вдохе. Плев-

ральная щель – это пространство между висцеральным и париетальным листками плевры, заполненное серозной жидкостью, обеспечивающей скольжение листков плевры относительно друг друга. Здесь давление в норме всегда отрицательное, т.е. ниже атмосферного на 6 мм рт. ст. Это обеспечивает расправленное состояние легких на выдохе. При вдохе объем грудной клетки увеличивается. Отрицательное давление увеличивается до 9 мм рт. ст., а при глубоком вдохе – до 15–20 мм рт. ст. Легкие пассивно еще больше расправляются, давление в них становится на 2–3 мм ниже атмосферного, и воздух поступает в легкие, происходит вдох.

Имеется и другая точка зрения, объясняющая расправленное состояние легких на вдохе и выдохе односторонним давлением воздуха, действующим на легкие через воздухоносные пути [25].

Пневмоторакс – попадание воздуха в плевральную щель. Возникает при нарушении герметичности плевральной щели. Различают открытый, закрытый, односторонний и двухсторонний пневмоторакс. В зависимости от вида пневмоторакса отрицательное давление в плевральной щели снижается или исчезает вовсе, легкие при этом частично или полностью спадаются. Открытый двухсторонний пневмоторакс не совместим с жизнью [3, 15,21, 22].

10.2.2. Биомеханика выдоха

Спокойный выдох – это пассивный процесс, т.е. он происходит без участия мышц и затрат энергии. Когда вдох окончен, дыхательные мышцы расслаблены, под влиянием силы тяжести ребра опускаются, внутренние органы возвращают диафрагму в положение выдоха. Объем грудной клетки уменьшается, отрицательное давление в плевральной щели снижается, легкие сдавливаются, дав-

363

ление в легких становится на 3–4 мм выше атмосферного, воздух пассивно выходит из легких, происходит выдох.

Форсированный выдох осуществляется с участием мышц, способных уменьшить объем грудной клетки. Это внутренние межреберные мышцы, мышцы, сгибающие позвоночник, и мышцы живота.

Роль сурфактанта. Сурфактант – это фосфолипидное вещество, вырабатываемое гранулярными пневмоцитами. Стимулом к его выработке являются глубокие вдохи [15,20,22].

Во время вдоха сурфактант распределяется по поверхности альвеол пленкой толщиной 10–20 мкм. Сурфактант на вдохе увеличивает силы поверхностного натяжения слоя жидкости, выстилающей альвеолы, и увеличивает эластическую тягу легких. При выдохе – уменьшает их. Эта пленка препятствует ателектазу, спаданию альвеол во время выдоха. Кроме этого, сурфактант выполняет защитную роль, так как обладает бактериостатическими свойствами. У курильщиков защитные свойства сурфактанта и в целом легких снижаются [5, 19].

10.2.3. Типы дыхания

Различают грудной и брюшной тип дыхания.

Грудное дыхание. При нем наиболее активно работают межреберные мышцы грудной клетки. Внешние дыхательные движения сводятся к активным движениям стенок грудной клетки. Диафрагма малоподвижна, живот при вдохе втянут. Грудной тип дыхания наблюдается у женщин.

Брюшное или диафрагматическое дыхание. При этом типе дыхания активно сокращаются диафрагма и мышцы брюшной полости, в частности видимые нами мышцы брюшной стенки, при относительном покое стенок грудной клетки. Брюшной тип дыхания характерен для мужчин.

Более эффективным является брюшной тип дыхания, так как при вдохе повышается внутрибрюшное давление, что способствует облегчению возврата крови к сердцу.

364

10.3. Показатели дыхательной системы

10.3.1. Легочные объемы

При изложении материала в тексте и на рисунках используются общепринятые отечественные и международые аббревиатуры объемов и емкостей [5,18.22].

Дыхательный объем (ДО, или VT – tidal volume). Это количе-

ство воздуха, которое можно вдохнуть и выдохнуть при спокойном дыхании (300–800 мл.). При этом длительность одного цикла дыхания составляет 4–6 с. Такое дыхание называется эйпное (нормальное дыхание).

Резервный объем вдоха (РОвд, или IRV – inspiratory reserve volume). Количество воздуха, которое можно вдохнуть после спокойного вдоха (до 3литров).

Резервный объем выдоха (РОвыд, или ERV – expiratory reserve volume). Количество воздуха, которое можно выдохнуть после спокойного выдоха (до 1,5 л).

Остаточный объем легких (ООЛ, или RV – reserve volume).

Количество воздуха, которое остается в легких после самого глубокого выдоха (1,0–1,2 л). Остаточный объем состоит из минимального (200 мл) и коллапсного (800–1000 мл). Минимальный объем воздуха никогда не удаляется из легких, так как задерживается в воздушных ловушках. Поэтому легкое взрослого человека и дышавшего новорожденного не тонет в воде. Это используется в су- дебно-медицинской экспертизе для доказательства или опровержения факта мертворождения ребенка.

10.3.2. Легочные емкости

Легочные емкости состоят из нескольких объемов.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ, или VC – vital capacity).

Это наибольший объем воздуха, который можно выдохнуть после максимального вдоха (от 2,8 л до 5,0 л).

ЖЕЛ = ДО+ РОвд + РОвыд .

365

Должная жизненная емкость легких (ДЖЕЛ). Зависит от роста, возраста и пола, находится по формулам и номограммам. Расхождение ЖЕЛ и ДЖЕЛ в норме должно находиться в пределах

±10 % .

Емкость вдоха (Евд, или IC – inspiratory capacity). Это сумма ДО и РОвд, т.е. максимальный объем газа, который можно вдохнуть после спокойного выдоха. Величина этой емкости характеризует способность легочной ткани к растяжению.

Альвеолярный объем, или функциональная остаточная ем-

кость легких (ФОЕ, или FRC – functional residual capacity). Это ко-

личество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха:

ФОЕ = РОвыд + ООЛ. ФОЕ при расчетах принимают равной 2,5 л.

Общая емкость легких (ОЕЛ или TLC — total lung capacity) –

объем воздуха, содержащийся в легких при максимально глубоком вдохе:

ОЕЛ = ДО+ РОвд + РОвыд + ООЛ.

10.3.3. Показатели вентиляции легких

Минутный объем дыхания (МОД). Это объем воздуха, проходящий через дыхательную систему за 1 минуту.

МОД = ЧД ДО,

где ЧД – частота дыхания, 12–18 вдохов или выдохов в минуту

(в среднем ЧД = 16 ), ДО = 300 − 800 мл (в среднем 500 мл).

Обычно минутный объем дыхания составляет 6–8 л. При интенсивной мышечной работе МОД может увеличиться до 100 л.

Минутная альвеолярная вентиляция (МАВ). Это количество воздуха, которое доходит до альвеол за минуту.

МАВ= (ДО− АМП) ЧД,

где АМП – анатомическое мертвое пространство. В среднем

МАВ= (500 − 150) 16 = 5,6 л.

366

Коэффициент альвеолярной вентиляции (КАВ), или коэф-

фициент вентиляции легких (КВЛ) – показывает часть альвеолярного объема, воздух которого обновляется за один вдох.

КВЛ = ДО − АМП . ФОЕ

В норме коэффициент вентиляции легких равен одной седьмой от альвеолярного объема: КВЛ = ФОЕ7 .

Максимальная вентиляция легких (МВЛ) – это объем воз-

духа, который проходит через легкие за определенный промежуток времени при максимально возможной глубине и частоте дыхания. МВЛ зависит от возраста, роста, пола, проходимости дыхательных путей, упругости грудной клетки, растяжимости легких и тренированности дыхательной системы. У молодого мужчины МВЛ может достигать 120–150 л/мин, а у спортсменов – до 180 л/мин.

10.4. Спирометрия и спирография

Спирометрия и спирография являются наиболее распространенными методами исследования функции внешнего дыхания. Спирометрия позволяет измерить легочные объемы и емкости, спирография же обеспечивает возможность не только измерения, но и графической регистрации основных показателей вентиляции при спокойном и форсированном дыхании, физической нагрузке и проведении фармакологических проб [2, 4–5, 17, 25] .

Основоположником спирографии считается Гетчинсон (G. Hutchinson). Он сконструировал первый спирограф (1846) и разработал основы представлений о легочных объемах. Исторически важны работы Холдена (J. Haldan), Баркрофта (J. Barcroft), Ван Слайка (D. Van Slyke), перу которых принадлежат фундаментальные работы по теории газообмена. Неергард (K. Neergard) и Паттл (R. Pattle) показали природу эластической тяги легких. Неергард и Вирц (K. Wirz) являются разработчиками пневмотахографического метода.

Приоритет в развитии теории вентиляции легких принадлежит Рореру (F. Rohrer), Фенну (W. Fenn), Рану (H. Rahn). Большой вклад

367

в развитие физиологии легких, разработку методов исследования аппарата вентиляции, разработку способов определения и расчета основных параметров дыхания внесли Пибоди (F. Peabody), Генчи

(J. Gonczy), Флейш (A. Fleisch), Гербст (R. Herbst), Гаррисон (T. Harrison), Книппинг (H. Knipping), Тиффно (R. Tiffnau). Значи-

тельную роль в изучении процессов дыхания и разработке методов исследования дыхательной системы сыграли работы отечественных ученых Е.М. Крепса, Б.Е. Вотчала, Н.Н. Савицкого, В.В. Парина, А.П. Зильбера, Л.Л. Шика, Н.Н. Канаева, Р.Ф. Клемента, Ф.Ф. Тетеневой, В.К. Кузнецовой и др.

В последние годы использование компьютерных спирографических систем значительно упростило и ускорило проведение диагностических исследований и, главное, сделало возможным проводить измерение объемной скорости инспираторного и экспираторного потоков воздуха как функции объема легких, т.е. анализировать петлю поток– объем [2, 5, 12, 13].

10.4.1. Традиционная техника спирографического исследования

Простейший спирограф состоит из наполненного воздухом подвижного цилиндра, погруженного в емкость с водой и соединенного с регистрирующим устройством, например с откалиброванным, вращающимся с определенной скоростью барабаном, на котором записываются показания спирографа (рис. 10.6). Пациент в положении сидя дышит в цилиндр с воздухом. Изменения объема легких при дыхании регистрируются по изменению объема цилиндра, соединенного с вращающимся барабаном.

Исследование проводится обычно в двух режимах:

1)в условиях основного обмена – в ранние утренние часы, натощак, после часового отдыха в положении лежа; за 12–24 часов до исследования должен быть отменен прием лекарств;

2)в условиях относительного покоя – в утреннее или дневное время, натощак или не ранее чем через 2 часа после легкого завтра-

ка; перед исследованием необходим отдых в течение 15 минут в положении сидя.

368

Исследование проводится в отдельном слабо освещенном помещении с температурой воздуха 18–24° С, после предварительного знакомства пациента с процедурой. При проведении исследования важно добиться полного контакта с пациентом, поскольку его негативное отношение к процедуре и отсутствие необходимых навыков могут в значительной степени изменить результаты и привести к неадекватной оценке полученных данных.

Рис. 10.6. Схематическое изображение простейшего спирографа

Классическая спирография позволяет определять: величину большинства легочных объемов и емкостей; основные показатели легочной вентиляции;

потребление кислорода организмом и эффективность вентиля-

ции [11, 12, 22].

На рис. 10.7 схематично изображены различные легочные объемы и емкости, определяемые с помощью спирографии.

Использование обычных спирографов, распространенных в клинической практике, позволяет определить только 5 легочных объе-

369