Лекция3-механика_дыхания (Курс лекций по биомеханике)

Механика дыхания

Дыхание – это в первую очередь процесс переноса в организме основного газообразного субстрата метаболизма (кислорода) и удаление из организма основного газообразного продукта метаболизма (углекислого газа). Это основная функция системы дыхания. Кроме нее есть и другие функции, такие, как регуляция кислотно-основного состояния организма (поддержание pH) и осуществление некоторых метаболических функций. Мы будем рассматривать все то, что связано с газообменом.

Перенос газов из окружающей среды и обратно происходит следующим образом (рассмотрим на примере кислорода):

Перенос кислорода включает 4 стадии:

1. Течение газа по каналам (трахея, бронхи) в альвеолы – вентиляция легких

2. Диффузия газов из альвеол в кровь легочных капилляров

3. Конвективный перенос кровью к тканевым капиллярам

4. Диффузия из капилляров в окружающие ткани

Удаление углекислого газа включает в себя те же стадии, но в обратном порядке.

Первые две стадии в физиологии принято называть легочным (внешним) дыханием, третью стадию называют транспортом газов кровью, а четвертую – тканевым (внутренним) дыханием. Иногда в тканевое дыхание включают также и биохимические реакции утилизации кислорода.

Диффузия кислорода из альвеол в кровь является пассивным процессом. Этот вопрос активно дискутировался 100 лет назад, когда в плавательных пузырях рыб обнаружили активную секрецию газов из крови в воздушное пространство. Но в итоге установили, что процессы газообмена (и кислорода, и углекислого газа) в легких пассивны. Лет 20-30 назад вопрос снова возник, когда обнаружили, что в условиях сильной гиперкапнии в воздухе альвеол содержание углекислого газа больше, чем в крови легочного капилляра. Более детальное исследование показало, что процесс переноса углекислого газа является все же пассивным, так как распределение СО2 по сечению очень неравномерно. Из-за того, что на поверхности капилляра находится фермент карбоангидраза (который выделяет СО2 из связного состояния), у поверхности капилляра углекислого газа больше, чем на в среднем по сечению. Поэтому на поверхности капилляра процесс газообмена диффузионный (пассивный).

Объектом исследований биомеханики дыхания традиционно является «исполнительный аппарат» внешнего дыхания, включающий дыхательные мышцы, трахеобронхиальное дерево и легкие.

Легкие

Анатомические представления о легких за последние 100 лет практически не изменились. Механика легких появилась только около 30 лет назад и продолжает бурно развиваться. Как известно, воздух поступает через трахею, которая делится на главные бронхи, которые идут в правое и левое легкие. Правое легкое состоит из трех долей, левое – из двух, так как часть объема в левой половине грудной клетки занимает сердце. Доля – это кусок легочной ткани, покрытый плевральной оболочкой; легочные доли могут скользить друг относительно друга. Каждое легкое также может скользить по отношению к грудной клетке. Поверхность легких выстлана пленочкой, которая называется висцеральной плеврой, а внутренняя поверхность грудной клетки выстлана париетальной плеврой. Между ними находится очень узкое плевральное пространство толщиной 7-8 мкм (в нижней части есть расширения до 10-100 мкм), которое заполнено плевральной жидкостью. При дыхании легкие довольно легко скользят по поверхности грудной клетки. Иногда при заболеваниях возникают спайки, т.е. участки, в которых париетальная и висцеральная плевры срастаются, и, таким образом, ограничивается подвижность легких. От правого желудочка выходит легочная артерия, которая делится на правую и левую артерию, которые, в свою очередь, входят соответственно в правое и левое легкое и так далее. По большей части ветвление дыхательных и кровеносных путей идут параллельно.

Бронхи на протяжении всего легочного тракта делятся. Первые 2 ветвления – вне легких, остальные – внутри них.

Маленький участок легких с размерами порядка 1мм называется асунусом и является анатомической и функциональной единицей легких. В пределах нескольких мм благодаря диффузии устанавливается однородный газовый состав воздуха. Более крупные анатомические единицы – легочные дольки – имеют размер порядка 1см.

Процесс дыхания, дыхательные мышцы

При вдохе происходит расширение грудной клетки и опускание диафрагмы. При этом грудная клетка перемещается в стороны и немного приподнимается. Таким образом, изменяется и поперечный, и вертикальный размеры грудной клетки. В покое вдох всегда активный, а выдох – пассивный. При усиленном дыхании выдох становится активным, что обеспечивается отчасти сокращением мышц брюшной стенки. Кроме диафрагмальной и брюшных мышц к основным дыхательным мышцам относят также и межреберные мышцы. Бывают наружные и внутренние межреберные мышцы. Наружные межреберные мышцы к нижнему ребру прикреплены дальше от позвоночника, а к верхнему – ближе. Таким образом, при сокращении этих мышц рычаг, действующий на нижние ребра, больше, чем рычаг, действующий на верхние ребра, и поэтому ребра приподнимаются. При сокращении внутренних межреберных мышц происходит обратный процесс.

Таким образом, вдох происходит за счет сокращения диафрагмы, брюшных мышц и наружных межреберных мышц. Активный выдох происходит за счет сокращения мышц брюшной стенки и внутренних межреберных мышц. При спокойном дыхании порядка 90% объема обеспечивается диафрагмальным вкладом.

В последние годы появилось много методов изучения вклада различных мышц в дыхание. Выделяется торакальное (грудное) и абдоминальное (брюшное) дыхание.

Механика дыхания. Статика дыхания.

Очень грубо можно рассматривать легкие как мешок (или пену) в банке. При этом ясно, что в этой банке (грудной клетке) давление и плотность могут быть различными. Мы будем говорить о легких, как о системе с сосредоточенными параметрами, которую в терминах механики удобно описывать не линейными перемещениями и механическим напряжением, а объемом и давлением. В этих терминах можно получить кривую:

По оси абсцисс – давление в см водного столба, а по оси ординат – объем в литрах. Если мы помещаем легкие в банку и меняем в ней давление (но при этом поддерживаем постоянное давление в легких), то возникает разность давлений – транспульмональное давление, и объем легких при этом будет изменяться. При транспульмональном давлении 40-50 см водного столба легочная ткань начинает рваться. Если мы получим такую же кривую для грудной клетки, то мы обнаружим следующее: при нулевом давлении у грудной клетки есть некоторый объем (в данном случае 4 литра). По мере увеличения давления внутри грудной клетки ее объем увеличивается, а при снижении – уменьшается. В условиях, когда грудная клетка закрыта, а внутри находятся легкие, отрицательная эластическая тяга легких уравновешивается положительной эластической тягой грудной клетки и, в итоге, кривая объем – давление всей конструкции пройдет между отдельными кривыми. При нулевом растягивающем давлении в плевральной полости будет отрицательное давление порядка 5 см водного столба (при этом легкие растянуты этим давлением, а грудная клетка, наоборот, поджата давлением 5 см). Если далее давление в дыхательных путях увеличивается (или уменьшается давление в плевральной полости), то кривая давления всей конструкции будет иметь вид, изображенный на рисунке жирной чертой. Касательная к этой кривой – растяжимость дыхательного аппарата.

Раньше давление в грудной клетке измеряли с помощью катетера, вставленного через маленькое отверстие. Сейчас измеряют пищеводное давление, которое очень близко к давлению в плевральной полости на этом же горизонтальном уровне. Похожим образом измеряют давление около диафрагмы. Через нос вводят 2 латексных мешочка (один чуть выше диафрагмы, другой – чуть ниже). Во время дыхания таким образом можно измерить, какое усилие дает сама диафрагма.

Легочные объемы и вентиляция

На схеме приведены легочные объемы. Внизу уровень максимального выдоха человека, а вверху – максимального вдоха. Разница между двумя этими величинами называется общим объемом легких. При полном выдохе с уровня максимального вдоха из легких может выйти объем, называемый жизненной емкостью легких (примерно 5 л). При этом какую-то часть объема человек не может выдохнуть (остаточный объем – 1,5 л). В состоянии полного расслабления дыхательных мышц тот объем, который остается в легких на уровне спокойного дыхания называется функциональной остаточной емкостью. При усиленном выдохе из легких может выйти объем, который называется резервный объем выдоха. Аналогично, при усиленном вдохе с уровня спокойного дыхания в легкие заходит объем, называемый резервным объемом вдоха. Резервные объемы вдоха и выдоха составляют примерно 1,5-2 л. При спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает из себя объем воздуха, называемый дыхательным объемом (0,5 л).

Жизненную емкость легких можно рассчитать по приближенной эмпирической формуле:

ЖЕЛ (л)= 5,2*рост (м) – 0,028*возраст (лет) – 3,2

Значения могут отличаться на 10-15%

Если значения дыхательных объемов отличаются более чем на 15% - это гиперфункция, если меньше на 15% от должных величин – гипофункция.

Динамика дыхания

Эксперимент заключается в том, что человек дышит в устройство под названием спирограф. Водный спирометр представляет собой колокол. Этот колокол приподнимается, когда человек выдыхает из себя воздух, т.к. этот воздух поступает по трубке под этот колокол. Через некие шкивы колокол соединен с пишущим устройством, которое регистрирует колебания высоты колокола. Кривая, получаемая с помощью спирографа, изображена справа вверху. В настоящее время для изучения дыхания используются пневмотахометры – приборы, измеряющие скорость потока по количеству оборотов вертушки за определенный момент времени. Сейчас пневмотахометры – это приборы, содержащие некое сопротивление дыханию, через которое протекает поток воздуха. Измеряют разность давлений на этой конструкции (например, сеточке). Эту разность давления переводят путем разных калибровок в величины скорости потока, а, интегрируя скорость потока, получают объем. При этом внутриплевральное давление меняется, как показано на втором рисунке сверху. Пунктиром показана теоретическая кривая, сплошной линией – реальная. Отличие этих двух кривых объясняется наличием вязкостных сил трения. Поэтому на преодоление этих сил уходит около 1 см водного столба. Расход воздуха (производная от объема) изображен на рисунке 3. Альвеолярное давление в ходе дыхательного цикла также изменяется (рисунок 4). При вдохе оно становится отрицательным (порядка 1 см водного столба), а на выдохе – больше атмосферного тоже примерно на 1 см водного столба. На самом деле паттерн дыхания у всех различен. Вдох обычно происходит быстрее, чем выдох, поэтому синусоидальный ход кривой встречается крайне редко.

Модель правильного симметричного дихотомического ветвления дыхательных путей.

Дыхательные пути ветвятся следующим образом:

Трахея разветвляется на два главных бронха (правый и левый), которые, в свою очередь делятся на долевые бронхи и т.д. Для того чтобы представить это ветвление в обозримом виде, предложено довольно много различных моделей ветвления дыхательных путей. Исторически первой и наиболее простой была модель правильного симметричного дихотомического ветвления (модель Вейбеля). Согласно этой модели, трахея делится на 2 равных главных бронха, каждый из которых делится на два равных долевых бронха и т.д. Трахею относят к поколению с номером 0, следующую пару бронхов – к поколению 1 и так далее вплоть до 23 поколения. При этом в одном и том же поколении находятся бронхи одинакового размера, и ветвление происходит симметрично, т.е. по отношению к материнской ветви, дочерние ветви отделяются под одинаковыми углами. Кроме этого дерева дыхательных путей существуют также верхние дыхательные пути, к которым относят носоглотку, гортань и голосовую щель.

В модели Вейбеля первые 16 поколений ветвлений не имеют альвеол и не участвуют в газообмене. Эти пути носят название проводящей зоны. В последующих дыхательных путях в поколениях 17-19 часть поверхности покрыта альвеолами. Эту зону называют переходной. Последние поколения 20-23 сплошь покрыты альвеолами. Именно в этих участках происходит газообмен, поэтому эта зона носит название газообменной.