Лекция4-методы_исследования (Курс лекций по биомеханике)

Методы исследования механики дыхания

Методы исследования механики дыхания многообразны, но наиболее распространена флоуметрия, т.е. измерение легочных объемов и потоков. В общем случае механика дыхания требует измерения перемещения и сил. Для измерения скорости потока используют разные устройства – флоуметры. В основном принцип работы флоуметра следующий: в трубке создается препятствие потоку в виде сеточки, на границах этого препятствия измеряется разность давлений, по которой определяют скорость потока. Кроме этого метода существует и множество других: определение скорости потока по частоте вращения турбинки в трубке, по скорости прохождения акустического сигнала. Есть также тепловые датчики – термоанемометры.

Измеряя дыхательный поток в ходе всего дыхательного цикла, можно определить ДО, ЖЕЛ и ее структуру.

С помощью флоуметрии нельзя найти остаточный объем легких. Для того чтобы определять этот объем, предложен ряд других методов.

Один из них – бодиплетизмография. В этом методе человек усаживается в стеклянный ящик известного объема, в котором есть система дыхательных трубок, способных перекрываться.

Пусть до измерения объем и давление в плетизмографе были равны соответственно . Затем человек при перекрытых дыхательных путях делает попытку вдоха. После этой попытки грудная клетка расширяется, а объем воздуха в плетизмографе уменьшается на эту же величину . С помощью уравнения состояния можно получить:

В легких же давление до перекрытия было , объем , а после попытки вдоха объем увеличился на величину , а давление стало :

Все величины давлений можно измерить, также известен объем плетизмографа . Поэтому, решая систему этих двух уравнений можно получить объем воздуха в легких .

Строго говоря, - это не только объем воздуха в легких, а объем воздуха во всем теле, например, в желудке и кишечнике.

С помощью бодиплетизмографии можно измерять также сопротивление (сопротивление между внешним пространством и альвеолами легких):

Кроме метода плетизмографии, существует также метод разведения газов.

Человек дышит из емкости с известным объемом газом, который хорошо растворяется в воздухе, но плохо растворяется в тканях (обычно берут гелий). Концентрация газа известна. Через несколько минут такого дыхания возникает равновесие парциального давления газа в легких и емкости. Измеряя содержание газа, можно найти объем легких, в которых газ разводится. Это на самом деле тоже не полный объем воздуха в легких, так как некоторые участки легких не участвуют в вентиляции.

Сопротивление дыхательных путей также измеряют с помощью методов вынужденных колебаний (форсированных осцилляций) и прерывания потока.

В методе прерывания потока человек дышит через трубку (при этом измеряется скорость потока), которую можно резко закрыть задвижкой. Задвижку закрывают, и через очень короткое время порядка 0,1 секунды измеряют давление воздуха в дыхательных путях. Считается при этом, что устанавливается давление, равное альвеолярному. Тогда сопротивление

Эта схема хорошо работает, когда кривая давления как функции времени имеет простой вид. На самом деле после закрытия задвижки по дыхательным путям идет звуковая волна. А так как дыхательные пути представляют из себя сложную конструкцию с податливыми стенками, то давление, которое мы измеряем во рту после закрытия задвижки, не равно альвеолярному.

Эластическое сопротивление дыханию

Кроме составляющей давления, связанной со скоростью потока, есть также статическая составляющая, которая существует, когда скорость потока и ускорение равны нулю. Тем не менее к системе дыхания надо прикладывать некоторое давление, для того чтобы произошло изменение объема.

На графике представлены характеристики объем - давление. Рассмотрим легкие. Когда растягивающее давление (разность между давлением внутри и снаружи легких) увеличивается, объем также растет. При нулевом давлении объем также близок к 0. Когда мы прикладываем небольшое давление, объем легких становится равен остаточному объему (примерно 25% от общей емкости легких). Затем по мере увеличения давления, объем легких доходит до уровня ФОЕ и далее сверх уровня спокойного выдоха. Для грудной клетки аналогичная кривая, но при нулевом давлении объем грудной клетки примерно 75%, и он растет по мере роста давления. Суммарная кривая «легкие + грудная клетка» показана на рисунке сплошной линией. На уровне ФОЕ грудная клетка стремится расшириться, а легкие, наоборот, спасться. При небольшом изменении объема эту кривую можно линеаризовать. Тогда для линейной аппроксимации зависимость между давлением и объемом имеет следующий вид:

где – упругость, а – растяжимость.

Коэффициенты и (растяжимости легких и грудной клетки) примерно равны друг другу

А

Т.е. для того чтобы вдохнуть объем 1л, мы должны приложить ко всей конструкции давление 10см водного столба.

Гистерезис

Если мы построим кривую на плоскости давление – объем, то получим:

Кривая похожа на все гистерезисные кривые мягких тканей – при растяжении требуется прикладывать больше усилия, чем при уменьшении размеров. В легких гистерезис больше, чем в других тканях, и причины гистерезиса для легких и других тканей отличаются. Суть причины заключается в том, что поверхность легких устлана поверхностно активным веществом – дипальметоилфосфатидилхолином – которое является полярной молекулой, т.е. имеет полярную гидрофильную головку и гидрофобный хвост. В результате, поверхность жидкости устлана слоем, в котором головка находится в воде, а хвостик – наверху. Такая система, состоящая из жидкости с молекулами на поверхности, имеет меньшее поверхностное натяжение.

Проведем опыт. Есть весы Вельгельме (рамочка, которая может перемещаться, с жидкостью, на поверхности которой находятся молекулы).

Если нарисовать зависимость поверхностного натяжения от площади рамки, то получим следующие кривые:

Видно, что для воды поверхностное натяжение почти постоянно и равно 70 дин/см². Для стирального порошка поверхностное натяжение меньше (около 10 дин/см²). А для легких будет наблюдаться сильный гистерезис и малое поверхностное натяжение.

Из-за низкого поверхностного натяжения уменьшается работа дыхания. Благодаря этому свойству также обеспечивается стабильность альвеол. Если у нас есть два пузырька, маленький и большой, то поскольку давление , то чем больше пузырек, тем меньше давление, то если бы было одинаково, то воздух переходил бы из маленького пузырька в большой. Но тем меньше, чем меньше площадь, и это выравнивает давления в пузырьках.

Когда маленькие пузырьки схлопываются, воздух из них переходит в большие. Это заболевание называется ателектаз альвеол. Такое заболевание встречается при поражении сурфактанта (например, при отравлениях озоном) или при дыхании чистым кислородом при больших нагрузках (у летчиков).

Когда сурфактанта нет (например, при респираторном дистресс-синдроме у новорожденных), легкие становятся жесткими и не расправляются. Сейчас производят искусственные сурфактанты, которые частично снижают эту проблему.

Еще одна неприятность при отсутствии сурфактанта – выпотевание жидкости. Под пленочкой жидкости давление . Если снаружи давление атмосферное, а под пленочкой из-за большого поверхностного натяжения меньше, чем атмосферное. В таком случае жидкость из легочных капилляров (где давление почти равно атмосферному) будет поступать в альвеолы и заполнять их.

Но сурфактант – не единственное, что придумала природа для стабильности альвеол. Второй механизм стабильности – общие стенки.

Когда один пузырек схлопывается, остальные держат его стенки и не дают ему до конца спасться.

Напряжения в легких

На рисунке представлена структура легких, и показано, что из себя представляют тензоры напряжения. В такой структуре, которая состоит из стенок, говорить о тензоре напряжения можно в том случае, если единичная площадка, которая используется для определения тензора, включает в себя достаточно пересечений со стенками (т.е. размеры площадки должны быть порядка 1 см). Тогда можно говорить о легочной ткани как о сплошной среде и пользоваться терминами напряжения.

Тогда можно рассчитать, как в конструкции «легкие в грудной клетке» распределены механические напряжения. На рисунке представлены вертикальные и радиальные напряжения, а также сетка, которая использовалась для расчета. Видно, что чем выше в легких, тем сильнее напряжение растяжения, а внизу легкие немного сдавлены весом. Заметим, что величины напряжения одинаковы на одном горизонтальном уровне для радиальной компоненты напряжения и немного выше на границе легких для величины давления в вертикальном направлении.

Как такие напряжения в легочной паренхиме влияют на механику поведения легких?

На рисунке показано, что происходит с легочной паренхимой под действием силы тяжести. Представляя легкие как пену в банке (грудной клетке), получим, что верхние участки пены давят на нижние. Таким образом, давление внизу легких будет выше, чем вверху, и, соответственно, размеры альвеол в нижних участках меньше, чем в верхних. Это различие давлений между верхней и нижней частями легких составляет примерно 5-7 см водного столба, а градиент примерно равен плотности легочной ткани (0,3 г/см³). А поскольку кривая объем – давление нелинейная, то можно ожидать, что изменения объема при дыхании также будут разными. Те участки легких, которые находятся в верхней части грудной клетки, находятся при относительно большой разности транспульмонального давления (т.е. давление внутри альвеол везде одинаково, а снаружи давление более отрицательное, чем для нижней части). Изменение объема верхних участков легких меньше, так как изначально они немного растянуты, и их растяжимость меньше. В результате оказывается, что объем нижних участков легких изменяется больше, чем верхних. При обычном дыхании количество воздуха, входящего в нижние участки легких в 1,5 – 2 раза больше, чем в верхние. При выдохе до уровня остаточного объема те участки легких, которые находятся в нижней части грудной клетки, попадают на плоскую часть кривой «объем - давление». При этом давление в ткани, которая окружает дыхательные пути, становится больше, чем давление воздуха в альвеолах, и дыхательные пути спадаются. Пока окружающее давление не станет отрицательным (ниже атмосферного), эти участки совсем не вентилируются, и изменение их объема равно нулю. Верхние участки легких растягиваются, поэтому, когда человек делает вдох от состояния глубокого выдоха, то воздух сначала попадает в верхние участки. Потом постепенно расширение перемещается по направлению к нижним участкам. Таким образом, в ходе дыхательного цикла в зависимости от того, при каком объеме легких происходит дыхательный цикл, воздух входит в те или другие участки легких.