3 (Разработка биотехнической системы для пневмотаховолюметрических исследований)

3.1 Структура и функции системы дыхания человека

Дыхание (англ. respiration) понимают как совокупность процессов в организме, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма избытков углекислого газа [25]. Этот процесс выполняет функциональная система, включающая [26], [27]:

1. легочное (внешнее) дыхание,

2. кровообращение,

3. тканевое (внутреннее) дыхание,

4. нейрогуморальный аппарат регуляции.

Главная функция системы внешнего дыхания, выполняемая собственно легкими, это - газообмен между внутренней средой организма и внешней средой. Под газообменом понимают поступление в организм кислорода из атмосферного воздуха, необходимого для жизнедеятельности клеток и тканей, и выведение во внешнюю среду избытков углекислого газа, образующегося в клетках организма в результате внутреннего (тканевого) дыхания. Помимо газообмена, легкие выполняют еще ряд важных функций (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 Функции легких в организме человека.

Выполнение системой внешнего дыхания своих функций, в том числе главной – артериализации крови, осуществляется в рамках структуры этой системы, включающей воздухопроводящие пути, альвеолярный аппарат, плевру, костный каркас грудной клетки, дыхательную мускулатуру, малый круг кровообращения, нейрогуморальный аппарат регуляции [32]. Таким образом, собственно легкие являются частью системы внешнего дыхания. Внешнее дыхание, в свою очередь, состоит из 3-х этапов (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 Этапы внешнего дыхания.

Вентиляция (обмен воздуха между окружающей средой и альвеолами), диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану и перфузия крови в легочных капиллярах вместе составляют процесс внешнего дыхания [30].

Для оценки перфузии легких используют изотопные методы (введение в вену альбумина, помеченного гамма-излучающим изотопом) и рентгеноконтрастные методики.

Диффузионную способность определяют при вдыхании небольшой концентрации угарного газа по скорости его попадания в кровь.

Из-за сложности соответствующей аппаратуры диффузионная способность легких и особенности гемодинамики определяются редко и в самых крупных специализированных клиниках, тогда как вентиляционная функция легких легко доступна для исследования широко распространенными приборами методами.

Вентиляция представляет собой "засасывание" воздуха в легкие и изгнание наружу "отработанного воздуха. Она характеризуется объемом воздуха, поступающего в респираторный отдел и распределением в легких воздуха, вентилирующего альвеолы. При спонтанном дыхании вентиляция легких происходит благодаря насосной функции дыхательных мышц, сопровождаемой перемещением грудной стенки и легких. Это так называемый вентиляционный насос.

Функциональная структура аппарата вентиляции.

Костный каркас грудной клетки состоит из позвоночного столба, ребер и грудины. Эти структуры соединяются хрящами и связками, что позволяет ребрам двигаться вверх и вперед при вдохе и вниз и внутрь при выдохе. При сокращении дыхательных мышц грудная клетка и легкие расширяются, давление воздуха в легких снижается. Это обеспечивает поступление очередной порции воздуха в воздухоносные пути, которое продолжается, пока давление внутрилегочного газа не выровнялось с атмосферным давлением. При расслаблении дыхательных мышц начинается выдох. Эластическая отдача грудной клетки и легких сжимает воздух, находящийся в легких, его давление начинает превышать атмосферное, и газ устремляется наружу, пока вновь не достигнуто атмосферное давление. Таким образом, вен­тиляцию как механический процесс можно рассматривать в виде возвратно-поступательного перекачивания воздуха между легкими и окружающей средой аналогично действию мехов [32].

Дыхательные мышцы являются единственными скелетны­ми мышцами, непосредственно обеспечивающими жизнь. Фун­кционально их разделяют на основные и вспомогательные, инспираторные и экспираторные. Вдох требует активной мышечной работы. Ее обеспечивают инспираторные, вдыхательные, мышцы. Слабость или усталость дыхательных мышц обычно являются причиной дыхательной недостаточности. Выдох в покое в норме и во многих случаях заболеваний пассивен и не требует работы. Обычно достаточно веса груд­ной клетки, внутрибрюшного давления и упругих свойств лег­кого. Однако, при необходимости в увеличении вентиляции, на­пример, при нагрузке или при выраженных нарушениях в лег­ких (бронхиальная астма, хронический бронхит, эмфизема лег­ких), выдох часто становится активным процессом [32].

Диафрагма является основной инспираторной мышцей, обес­печивающей в состоянии покоя до 90% дыхательного объема. При сокращении купол диафрагмы движется вниз, соот­ветственно смещая вниз органы брюшной полости. Поэтому при вдохе в норме стенка живота смещается наружу.

Рисунок 3.3 Париетальный и висцеральный листки плевры.

Плев­ра. Ка­ж­дое лег­кое ок­ру­же­но меш­ком - плев­рой. На­руж­ный (па­рие­таль­ный) лис­ток плев­ры при­мы­ка­ет к внут­рен­ней по­верх­но­сти груд­ной стен­ки и диа­фраг­ме, внут­рен­ний (вис­це­раль­ный) по­кры­ва­ет лег­кое. Щель ме­ж­ду ли­ст­ка­ми на­зы­ва­ет­ся плев­раль­ной по­ло­стью (рис. 3.3). При дви­же­нии груд­ной клет­ки внут­рен­ний лис­ток обыч­но лег­ко сколь­зит по на­руж­но­му. В плевральном пространстве воздух отсутствует. Пари­етальный и висцеральный листки разделяются тончайшим сло­ем жидкости - "смазки". В норме в покое легкие имеют тен­денцию к спаданию, уменьшению в объеме, грудная же клет­ка - к расширению. Вследствие этого, благодаря герметично­сти плевральной полости, в ней создается отрицательное дав­ление, которое притягивает легкие к грудной клетке и пере­дает движение последней на легкие.

Рисунок 3.4. Верхние дыхательные пути.

Воздухоносные пути. Прежде, чем вдыхаемый воздух достигнет поверхности газообмена - альвеолокапиллярной мембраны, он должен при­обрести характеристики так называемых альвеолярных усло­вий, чтобы не вызвать повреждения зоны газообмена.

В верхних дыхательных путях воздух очищается, нагре­вается и увлажняется. К верхним дыхательным путям относятся (рис. 3.4):

• полости носа и носовых пазух,

• носоглотка,

• ротовая часть глотки,

• гортань.

Нос. В полости носа воздух очищается от инородных частиц и увлажняется. При нормальном спокойном дыхании вдыхаемый воздух согревается до температуры тела, его относительная влажность повышается до 90% [32].

Глотка разделяется мягким нёбом на носоглотку (назофарингс) и ротоглотку (орофарингс). У основания язы­ка расположен надгортанник, предупреждающий попадание пищевых масс и жидкостей в гортань во время глотания.

Гортань. В гортани находятся голосовые связки, играю­щие жизненно важную роль в системе защиты дыхательного тракта, поскольку они участвуют в механизме кашля. Кашель - важный механизм очистки крупных дыхательных путей от слизи и инородных частил. В норме респираторный тракт сво­боден от бактериальной флоры ниже границы гортани.

Рисунок 3.5 Строение легких.

Нижний отдел воздухоносных путей включает (рис. 3.5) [32]:

• трахею,

• бронхи,

• бронхиолы,

• альвеолы.

Бронхи разветвляются дихотомически и заканчиваются в примерно 300 млн. альвеол, кото­рые и образуют поверхность газообмена. В легких взрослого человека насчитывается около 23 ге­нераций воздухоносных путей. Длина и диаметр брон­хов каждой последующей генерации уменьшается. Но одновре­менно резко возрастает их количество, вследствие чего сум­марное поперечное сечение воздухопроводящих путей, начиная с 4-й генерации, сильно увеличивается.

Трахея. Верхняя граница трахеи находится на уровне осно­вания шеи. У взрослого человека ее длина до бифуркации состав­ляет 10-12 см. Трахея расположена непосредственно перед пище­водом и позади аорты, часто она после входа в грудную клетку смещена несколько вправо от срединной линии. Просвет трахеи поддерживается открытым благодаря наличию в ее стенке подковообразных хрящевых дуг, соединенных сзади фиброзными связками [32].

Бронхи. На уровне бифуркации трахея делится на левый и правый главные бронхи, угол между которыми в норме обыч­но острый, хотя варьирует от 50° до 100°. В стенках главных
бронхов также имеются хрящевые полукольца. В последующих генерациях количество хрящевой ткани убывает и, примерно с 14-й генерации, исчезает совсем. Стенки круп­ных бронхов содержат гладкие мышцы, пучки которых располагаются продольно и циркулярно, а также эластические и коллагеновые волокна. Эти структуры обеспечивают упругость стенок бронхов. В бронхиолах мышечные волокна располага­ются непрерывным концентрическим слоем. В альвеолярных ходах мышцы не обнаружены.

Поверхность газообмена. Интенсивный газообмен происходит в морфофункциональных единицах респираторного отдела легких - ацинусах, расположенных дистальнее терминальных бронхиол. Три-пять ацинусов образуют дольку. Соседние доль­ки разделяются междольковыми перегородками, содержа­щими лимфатические каналы. Каждый ацинус содержит до 2000 альвеол, которые отделены друг от друга межальве­олярными перегородками.

Защита и очищение легких. Легкие уникальны среди всех внутренних органов, так как они имеют прямой контакт с атмосферным воздухом. Из атмосферы в легкие может поступать большое количество раздражающих агентов [26]:

• органических (бактерии, споры грибов, вирусы),

• неорганических (промышленные выбросы, пыль, табачный дым)

Это может вызвать острые и хронические заболевания.

Выведение инородных ингалированных частиц из легких осуществляют три транспортных системы:

1. мукоцилиарный эскалатор,

2. альвеолярные макрофаги,

3. лимфогематический дренаж.

Эластические свойства аппарата вентиляции. Легкие и грудную клетку рассматривают как элас­тические образования, которые подобно пружине (рис. 3.6) способны до определенного предела растягиваться и сжиматься, а при прекращении действия внешней силы само­произвольно восстанавливать исходную форму, отдавая аккумулированную энергию. В эластической структуре прирост длины (или объема) прямо пропорционален приросту силы (или давления) до тех пор, пока не будет достигнут предел эластичности. В равной мере линейная зависимость применима в физиологических преде­лах к нормальным легким [32].