Биомеханика Лекция 8. Биомеханика дыхательной системы

Дыхание

Дыхание – это процесс обмена кислорода (О₂) и углекислоты (СО₂) между организмом и внешней средой. Человеческий организм в процессе жизнедеятельности потребляет кислород (О₂) и выделяет углекислоту (СО₂). Здоровыймужчина среднего возраста и нормального сложения с массой тела 70 кг в условиях основного обмена потребляет за 1 минуту 250 мл кислорода и выделяет около 200 мл углекислоты. При физической нагрузке потребление О₂ и, соответственно, выделение СО₂ увеличивается в несколько раз. Обеспечение организма нужным количеством О₂ и выведением СО₂ возможно лишь при условии нормального течения и координированного изменения ряда последовательных актов.

Перенос кислорода из окружающей среды в те части организма, где он поглощается клетками, происходит через ряд этапов в последовательности:

1) обмен газов между средой и лёгкими – конвекционный транспорт в альвеолы (лёгочная вентиляция);

2) обмен газов между альвеолами лёгких и кровью – диффузия из альвеол в кровь легочных капилляров; (лёгочное дыхание);

3) обмен газов между кровью и тканями – конвекционный перенос кровью к капиллярам тканей (тканевое дыхание);

4) переход О₂ внутрь ткани к местам потребления и отвод СО₂ от мест образования – диффузия из капилляров в окружающие ткани (клеточное дыхание).

Процесс удаления диоксида углерода – газообразного конечного продукта клеточного окислительного метаболизма – включает те же четыре стадии в обратной последовательности.

Первая и вторая стадии вместе называются внешним дыханием. Третья стадия носит название транспорта газов кровью, а четвертая – внутреннего дыхания.

Движение газов в дыхательной системе и между средой и тканями происходит в результате разницы давлений. Пониженное давление О₂ в ткани заставляет газ двигаться к ней. Для СО₂ градиент давления направлен в обратную сторону, и СО₂ переходит в окружающую среду.

Известно, что давление водяных паров в организме выше, чем в окружающей среде, и, таким образом, при дыхании организм теряет воду.

Дыхательная система состоит из тканей и органов, обеспечивающих лёгочную вентиляцию и лёгочное дыхание (воздухоносные пути, лёгкие, элементы костно-мышечной системы). К воздухоносным путям относятся: нос, полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы. Лёгкие состоят из лёгочных бронхиол и альвеолярных мешочков, а также из артерий, капилляров и вен лёгочного круга кровообращения. К элементам костно-мышечной системы, связанным с дыханием, относятся рёбра, межрёберные мышцы, диафрагма и вспомогательные дыхательные мышцы.

Лёгкие

Лёгкие представляют собой важнейшую структуру, осуществляющую физиологическую связь организма с окружающей средой: общая площадь их поверхности примерно в 30 раз больше, чем площадь кожи.

В целом лёгкие имеют вид губчатых, пористых конусовидных образований, лежащих в обеих половинах грудной полости. Наименьший структурный элемент лёгкого – долька состоит из конечной бронхиолы, ведущей в лёгочную бронхиолу и альвеолярный мешок. Стенки лёгочной бронхиолы и альвеолярного мешка образуют углубления – альвеолы. Стенки альвеол состоят из одного слоя эпителиальных клеток и окружены лёгочными капиллярами.

Плевра

Каждое лёгкое окружено мешком, образованным серозной оболочкой – плеврой. Наружный листок плевры примыкает к внутренней поверхности грудной стенки и диафрагме, внутренний покрывает лёгкое. Щель между листками называется плевральной полостью. При движении грудной клетки внутренний листок обычно легко скользит по наружному. Давление в плевральной полости всегда меньше атмосферного (отрицательное). В условиях покоя внутриплевральное давление у человека в среднем на 4,5 мм рт.ст. ниже атмосферного (–4,5 мм рт.ст.).

Грудная полость

Грудная полость ограничена сзади первыми десятью грудными позвонками, последние два грудных позвонка функционально относятся к брюшной полости и не принимают активного участия в дыхании. Переднюю стенку грудной клетки образует грудина. Боковая стенка грудной клетки образована рёбрами и рёберными хрящами. Рёбра лежат парами по обе стороны позвоночника. Каждое ребро наклонено вниз от уровня своего сочленения с позвонком и прикреплено к грудине ниже. Пространства между рёбрами называется межрёберным.

Дыхательные мышцы

Дыхательные мышцы – это те мышцы, сокращения которых изменяют объём грудной клетки. Мышцы, направляющиеся от головы, шеи, рук и некоторых верхних грудных и нижних шейных позвонков, а также наружные межрёберные мышцы, соединяющие рёбро с рёбром, приподнимают рёбра и увеличивают объём грудной клетки. Диафрагма – мышечно-сухожильная пластина, прикреплённая к позвонкам, рёбрам и грудине, – отделяет грудную полость от брюшной. Это главная мышца, участвующая в нормальном вдохе. При усиленном вдохе сокращаются дополнительные группы мышц. При усиленном выдохе действуют мышцы, прикреплённые между рёбрами (внутренние межрёберные мышцы) к рёбрам и нижним грудным и верхним поясничным позвонкам, а также мышцы брюшной полости; они опускают рёбра и прижимают брюшные органы к расслабившейся диафрагме, уменьшая таким образом ёмкость грудной клетки.

Дыхательные движения осуществляются за счет дыхательной мускулатуры. Расслабление всех связанных с дыханием мышц придает грудной клетке положение пассивного выдоха. Соответствующая мышечная активность может перевести это положение во вдох или же усилить выдох.

поднима-

ются

опускаются

вдыхаемый воздух

выдыхаемый воздух

а

б

Рис.8.1. Схема работы лёгких во время дыхания.

Поднятие рёбер при вдохе обусловлено в основном сокращениями наружных межрёберных мышц. Их волокна ориентированы таким образом, что точка прикрепления к нижележащему ребру расположена дальше от центра вращения, чем точка прикрепления к вышележащему ребру. В связи с этим при сокращении таких мышц на нижележащее ребро действует больший момент силы, и оно подтягивается к вышележащему. В результате за счёт наружных межрёберных мышц грудная клетка поднимается. В нормальных условиях большая часть внутренних межрёберных мышц участвует в акте выдоха. Волокна этих мышц ориентированы таким образом, что при их сокращении вышележащее ребро подтягивается к нижележащему, и вся грудная клетка опускается.

Дыхательная система человека и многих животных с точки зрения механики – это ветвящаяся сеть дыхательных путей, диаметр участков которой по мере ветвления уменьшается, а общая площадь растёт: трахея→бронхи→бронхиолы→альвеолы (пузырьки диаметром около 0,1 мм). Общая площадь альвеол S_а около 90 м². Снаружи альвеолы покрыты капиллярной сетью сосудов малого круга кровообращения.

Области изучения биомеханики дыхательной системы:

-) расчёт движений газов в дыхательных путях;

-) расчёт тепло- и массообмена в дыхательных путях;

-) движение воздуха в жабрах;

-) работа газовой железы, надувающей плавательный пузырь;

-) биомеханика образования звука и речи (механизм генерации механических волн звуковой частоты) и распространения их в дыхательных путях, механические резонаторы);

-) механизм генерации внутренних звуков, которые прослушиваются фонендоскопом;

-) механизм храпа.

Строение альвеол: волокна коллагена и эластина + эпителиальные клетки. С точки зрения механики ткань лёгких – это деформируемое пористое тело, поры которого заполнены воздухом, а каркас обладает вязкоупругими свойствами. Объём лёгкого на 10% состоит из стенок альвеол и на 90% из воздуха.

Реологическая модель для альвеол:

.

(8.1)

Верхние дыхательные пути – нос, глотка – производят подогрев (или охлаждение) воздуха, насыщают его влагой, очищают от пыли и бактерий, нейтрализуют некоторые химические соединения (SO₂, NO₂).

Нос как биомеханическая система имеет спиральные раковины, придаточные пазухи и резонаторы звуков. Задачи биомеханики, связанные с движением воздуха в полости носа – исследование образующихся турбулентных потоков; центрифугирование частиц пыли при обтекании воздухом пазух и раковин носа. При вдыхании воздуха с температурой от –50ºС до +50ºС и относительной влажностью φ=0…100% в верхних дыхательных путях происходит выравнивание температуры до +37ºС и относительной влажности до 100%. Обогрев осуществляется путём изменения кровенаполнения слизистой носа. Сбои этого механизма приводят к попаданию в бронхи холодного и сухого воздуха, что ведёт к напряжённой работе дыхательной системы и в дальнейшем к нарушению её функций. Задача биомеханики – изучение движения воздуха в верхних дыхательных путях с учётом подогрева и увлажнения воздуха – решается с использованием методов механики тепло- и массообмена в многофазных средах.

Очистка воздуха от пыли производится через слой слизи в верхних дыхательных путях. Поверхность дыхательных путей вплоть до мельчайших бронхов выстлана ресничками (эпителиальными клетками волокнистой структуры), которые покрыты слоем слизи. Синхронизирование биение ресничек вызывает течение слоя слизи и прилипших к ней микрочастиц по направлению из дыхательной системы вовне.

Бронхиальная слизь – это водный раствор солей, углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот общей концентрацией около 95%. Образуется из тканевой жидкости и выделений специализированных эпителиальных клеток. Исследование бронхиальной слизи проводится с помощью вискозиметров. Исследования показали, что вязкость слизи зависит от концентрации веществ, температуры, влажности. Реологическая модель для бронхиальной слизи: между последовательно соединёнными вязким и упругим элементами включены параллельно соединенные вязкий и упругий элементы.

Задачи биомеханики: моделирование течений слизи в зависимости от скорости биения ресничек, вязкости слизи и при различных нарушениях работы. При обезвоживании слизи (в сухом помещении) её вязкость возрастает и к механизму вывода микрочастиц организм «подключает» кашель. В биомеханике исследуются задачи, связанные с движением капель жидкости и крупных комков слизи в потоке воздуха, образование пристеночных волн в слое слизи при кашле, когда скорости движения воздуха достигают 200-300 м/с.

Механизм, вдоха

Акт вдоха (инспирация) совершается вследствие увеличения объёма грудной полости в трёх направлениях – вертикальном, сагиттальном и фронтальном. Это происходит вследствие поднятия рёбер и опускания диафрагмы (рис.8.1,а).

В состоянии выдоха рёбра опущены вниз (рис.8.1,б); а в состоянии вдоха – принимают более горизонтальное положение, поднимаясь кверху; при этом нижний конец грудины отходит вперёд. Благодаря движению рёбер при вдохе сечение грудной клетки становится больше и в поперечном, и в продольном направлениях (рис.8.1,а).

Рёбра представляют собой рычаги второго рода с точкой вращения в их сочленениях с позвоночником (рис.8.2,А,С). Наружные межрёберные мышцы при сокращении должны были бы сближать рёбра, но так как момент силы у нижнего прикрепления мышц (рис.8.2,D) больше, чем у верхнего (рис.8.2,B) вследствие большой длины рычага (С–D), то при сокращении мышц рёбра поднимаются.

Рис.8.2. Механика движений рёбер при вдохе.

Во время вдоха диафрагма сокращается, в результате чего её купол становится более плоским и опускается (рис.8.1,а).

Дыхание совершается или за счёт межрёберных мышц – рёберный, или грудной тип дыхания, или за счёт диафрагмы – диафрагмальный, или брюшной тип дыхания. Есть и смешанный тип, при котором в дыхании участвуют нижние отделы грудной клетки и верхняя часть живота, он встречается у пожилых людей, а также при ригидности грудной клетки и снижении эластичности лёгочной ткани (эмфизема лёгких, пневмосклероз и др.).

Тип дыхания не является строго постоянным и может меняться в зависимости от исходного положения, телосложения, пола, вида деятельности и состояния пациента. Так, при переносе на спине тяжёлого груза грудная клетка фиксируется мышцами туловища и межреберий неподвижно вместе с позвоночником; дыхание же совершается исключительно за счёт движений диафрагмы. У беременных женщин смещение диафрагмы вниз затруднено и поэтому преобладает рёберный тип дыхания.

При усиленном дыхании, например, у спортсменов, в акте вдоха участвует ряд дополнительных, или вспомогательных дыхательных мышц.

При вдохе объём грудной клетки и находящихся в ней лёгких увеличивается; при этом давление в них понижается и воздух через воздухоносные пути входит в легочные альвеолы.

Во время вдоха дыхательные мышцы человека преодолевают ряд сил: 1) тяжесть приподнимаемых кверху рёбер; 2) эластичное сопротивление рёберных хрящей; 3) сопротивление стенок живота и брюшных внутренностей, отдавливаемых книзу опускающимся куполом диафрагмы.

Механизм выдоха

Когда вдох окончен и дыхательные мышцы расслабляются, рёбра опускаются ,а купол диафрагмы приподнимается. Объём грудной клетки вследствие этого уменьшается. Таким образом, акт выдоха (экспирация) происходит обычно пассивно, без участия мышц.

При форсированном выдохе к перечисленным силам, уменьшающим объём грудной клетки, присоединяется сокращение внутренних межрёберных мышц, задних нижних зубчатых мышц и мышц живота. При сокращении внутренних межрёберных мышц, рёбра опускаются.

Мышцы живота при их сокращении оттесняют органы брюшной полости и купол диафрагмы кверху.

При выдохе объём грудной клетки, а, следовательно, и лёгких, уменьшается, давление в альвеолах повышается и воздух выходит из лёгких наружу.

У здорового человека дыхание в спокойном состоянии ритмичное, и число дыхательных движений составляет 14-18 в мин., а у спортсменов – 8-12.

У здорового человека дыхание ритмичное, глубокое. Нарушение ритмичности дыхания, которое, как правило, является результатом нарушения координационной способности дыхательного центра, характеризуется тем, что нарушается гармоническая, слаженная работа отдельных групп дыхательных мышц. В этой связи наступает более быстрая утомляемость дыхательной мускулатуры, что приводит к нарушению снабжения мышц кислородом и утомляемости человека.