Неэластическое сопротивление
Сопротивление дыхательных путей газовому потоку
Газовый поток в легких может быть ламинарным и турбулентным. Ламинарный поток можно представить состоящим из концентрических газовых цилиндров, движущихся с различной скоростью; скорость наиболее высока в центре и постепенно снижается к периферии. Для ламинарного потока существует следующая зависимость:
Поток = Градиент давления/Raw, где Ravv — сопротивление дыхательных путей.
8 х Длина х Вязкость газа
Raw~ п х (Радиус)4 '
Для турбулентного потока характерно беспорядочное движение молекул газа по ходу его перемещения в дыхательных путях. Математическое описание турбулентного потока значительно сложнее, чем ламинарного:
Плотность газа
Градиент давления = Поток х ——-———-——.
Радиус
Сопротивление — величина не постоянная, оно возрастает пропорционально величине газового потока. Более того, сопротивление прямо пропорционально плотности газа и обратно пропорционально радиусу пятой степени. Из вышеперечисленного следует, что зависимость турбулентного газового потока от радиуса дыхательных путей очень велика. Турбулентное движение возникает при высоких потоках, в местах острых изгибов и разветвлений, а также при резком изменении диаметра дыхательных путей. Число Рейнольдса определяет, будет ли поток ламинарным или турбулентным:
Число Рейнольдса =
Линейная скорость х Диаметр х Плотность газа Вязкость газа
При низких значениях числа Рейнольдса (< 1000) поток будет ламинарным, при высоких (> 1500) — турбулентным. В норме газовый поток имеет ламинарный характер только дистальнее мелких бронхиол (диаметром < 1 мм). В более крупных дыхательных путях поток, вероятно, является турбулентным. Среди медицинских газов только гелий имеет низкую величину отношения плотность/вязкость, что делает его полезным при возникновении выраженных турбулентных потоков (например, в случае обструкции верхних дыхательных путей). Ингаляция гелиево -кислородной смеси снижает риск формирования турбулентного потока, а также уменьшает сопротивление дыхательных путей на фоне уже существующего турбулентного потока (табл. 22-2). В норме общее сопротивление дыхательных путей составляет 0,5-2 см вод. ст./л/с. Наибольшее сопротивление создают бронхи среднего калибра (до 7 генерации). Сопротивление крупных бронхов невелико из-за их большого диаметра, а мелких бронхов — вследствие значительной суммарной площади поперечного сечения. Самые распространенные причины повышенного сопротивления дыхательных путей — бронхоспазм, обструкция бронхиальным секретом и отек слизистой
ТАБЛИЦА 22-2.Физические свойства некоторых газовых смесей
Газовая смесь | Вязкость | Плотность | Плотность/ Вязкость |
Кислород (100%) | 1,11 | 1,11 | 1,00 |
N2O/O2 (70 : 30) | 0,89 | 1,41 | 1,59 |
Гелий/О2 (80 : 20) | 1,08 | 0,33 | 0,31 |
Значения вязкости и плотности газовых смесей выражены по отношению к воздуху. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 4 rd ed. Butterworths, 1993.)
(гл. 23), а также объем-зависимое и поток-зависимое закрытие дыхательных путей.
А. Объем-зависимое закрытие дыхательных путей.При малых объемах легких отсутствие радиальной эластической тяги увеличивает вклад мелких дыхательных путей в формирование общего сопротивления; сопротивление дыхательных путей становится обратно пропорционально объему легких (рис. 22-8). Увеличение объема легких за счет положительного давления в конце выдоха (ПДКВ) способно уменьшить сопротивление дыхательных путей.
Рис. 22-8. Зависимость сопротивления дыхательных путей от объема легких. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied
Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.)
Б. Поток-зависимое закрытие дыхательных путей.Во время форсированного выдоха трансму-ральное давление в дыхательных путях может стать противоположным по направлению и вызвать их закрытие (динамическая компрессия дыхательных путей). Динамическая компрессия обусловлена двумя факторами: (1) положительным внутриплевральным давлением и (2) большим градиентом давления во внутригрудных дыхательных путях из-за повышения сопротивления дыхательных путей. Последнее, в свою очередь,
связано с высоким (турбулентным) потоком газа и низкими легочными объемами. Поэтому конечный участок кривой "поток-объем" поэтому называется независимым от усилия (рис. 22-9).
Участок дыхательных путей, в котором происходит динамическая компрессия, называется точкой равного давления.Точка равного давления находится дистальнее (ниже) бронхиол одиннадцатого порядка, где отсутствует хрящевая основа дыхательных путей. При уменьшении объема легких точка равного давления смещается по направ-
![]() |
![]() |
Рис. 22-9.Поток газа (А) при форсированном выдохе после максимального вдоха с различным усилием и (Б) с максимальным усилием после вдохов различной глубины. Отметим, что окончательный поток выдоха не зависит от усилий дыхательных мышц при любом исходном объеме легких. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.)
лению к мелким дыхательным путям. Динамической компрессии дыхательных путей способствуют эмфизема и бронхиальная астма. Эмфизема характеризуется разрушением эластических тканей, обеспечивающих структурную опору мелких дыхательных путей. При бронхиальной астме брон-хоконстрикция и отек слизистой оболочки усугубляют закрытие дыхательных путей и приводят к смене знака градиента трансмурального давления на противоположный (давление внутри бронхов становится меньше, чем вокруг них). При динамической компрессии пациенты заканчивают выдох преждевременно или сжимают губы для повышения сопротивления выдоху; оба маневра позволяют предотвратить смену градиентов трансмурального давления и уменьшить "захват" воздуха легкими (так называемую "воздушную ловушку"). Преждевременное окончание выдоха приводит к тому, что ФОБ начинает превышать нормальные значения ("ауто-ПДКВ").
В. Форсированной жизненной емкостью легких называется жизненная емкость легких при максимально сильном и быстром выдохе. Ее измерение необходимо для оценки сопротивления дыхательных путей (рис. 22-10). Важный параметр — объем, который испытуемый выдыхает за первую секунду форсированного выдоха. Отношение объема форси-
рованного выдоха за первую секунду (00B1) к форсированной жизненной емкости (ФЖЕЛ) отражает степень обструкции бронхов. В норме QOB1/ ФЖЕЛ составляет 80 %. И ОФВЬ и ФЖЕЛ зависят от силы выдоха, тогда как максимальная объемная скорость потока в середине выдоха (МОС25_75%) °т усилия не зависит, а потому является более достоверным показателем обструкции.
Сопротивление тканей
Вязкоэластическое (фрикционное) сопротивление тканей газовому потоку обычно недооценивают, хотя оно может составлять половину величины общего сопротивления дыхательных путей. Сопротивление тканей — компонент неэластического сопротивления.
РАБОТА ДЫХАНИЯ
Выдох в норме полностью пассивен, поэтому общая работа вдоха и выдоха выполняется мышцами вдоха (главным образом диафрагмой). Для осуществления движения легких и грудной клетки при дыхании необходимо преодолевать эластическое сопротивление грудной клетки и легких, неэластическое сопротивление дыхательных путей газовому потоку и сопротивление тканей.
Рис. 22-10.Кривая форсированного выдоха у здорового человека. Скорость форсированного выдоха (COB25 ?5%), также называется максимальной скоростью потока в середине выдоха (МОС25-75%)
Работу дыхания можно представить как произведение объема и давления (рис. 22-11). Во время вдоха преодолевается и сопротивление дыхательных путей, и легочное эластическое сопротивление; около 50 % затрачиваемой на это энергии накапливается в упругих структурах легких. Во время выдоха накопленная потенциальная энергия высвобождается, что позволяет преодолеть сопротивление дыхательных путей. Увеличение сопротивления вдоху или выдоху компенсируется дополнительным усилием мышц вдоха. При возрастании сопротивления выдоху физиологическая компенсаторная реакция заключается в увеличении объема легких, вследствие чего дыхательный объем остается неизменным, тогда ФОБ увеличивается. Избыток энергии, накопленный в упругих структурах благодаря увеличению ФОБ, идет на преодоление повышенного сопротивления выдоху. Кроме того, при значительном повышенном сопротивлении выдоху начинают работать мышцы выдоха.
На работу дыхательной мускулатуры в норме приходится всего 2-3 % потребляемого организмом кислорода, но коэффициент полезного действия при этом составляет только 10 %. А 90 % энергии рассеивается в виде тепла (из-за эластического со-
Рис. 22-11.Работа дыхания во время вдоха и ее составляющие. (С разрешения. Из: Guyton A. С. Textbook of Medical Physiology, 7th ed. Saunders, 1986.)
противления и сопротивления воздушному потоку). В патологических условиях, когда возрастает нагрузка на диафрагму, эффективность работы дыхания прогрессивно снижается и мышечные сокращения могут становиться дискоординированными; более того, с некоторого момента весь дополнительный кислород, получаемый за счет увеличения вентиляции, идет на покрытие соответствующего прироста работы дыхательных мышц.
Работа, требуемая для преодоления эластического сопротивления, возрастает по мере увеличения дыхательного объема. Работа, необходимая для преодоления сопротивления дыхателъных путей, возрастает при увеличении частоты дыхания (Увеличение частоты дыхания неизбежно влечет за собой увеличение потока на выдохе.). Пациент стремится уменьшить работу дыхания, изменяя в зависимости от ситуации частоту дыхания и дыхательный объем (рис. 22-12). Для больных со сниженной растяжимостью легких характерно частое и поверхностное дыхание, тогда как при увеличенном сопротивлении дыхательных путей наблюдается, наоборот, медленное и глубокое дыхание.