Сыртқы тыныс алудың биомеханикасы.

АКМ арқылы оттегі мен көмір қышқыл газының эффективті диффузиясын қамтамасыз ететін альвеолды газ қоспасы мен атмосфералық ауа арасындағы газ алмасу (сурет 3) вентиляция аппаратының жұмысының арқасында жүзеге асады. Ол аппарат екі анатомиялық- физиологиялық құрылымнан тұрады: тыныс алу бұлшықеттері бар кеуде мен тыныс алу жолдары бар өкпелерден тұрады. Кеуде серпімділігі бар өкпе, жүрек, қантамырлары үшін қатаң қозғалмалы қап болып табылады. Кеуде диафрагманың және т.б. тыныс алу бұлшықеттерінің қысқаруы арқылы өзінің көлемін белсенді өзгертеді. Диафрагманың қысқаруы кезінде кеуденің күмбезі нығыздалып, құрсақ қуысына қарай ығысады, ол кеуде көлемінің, оның артынан өкпелер көлемінің артуына әкеліп соғады. Бойль-Мариотт заңына сәйкес ( ), өкпелер көлемінің артуы олардың ішіндегі қысымның төмендеуімен шарасыз сүйемелденеді . Қысым атмосфералық қысымнан төмен болады (шамамен 6 мм сынап бағанасына, яғни жеделдетілген дем алуда 0,8 Па-ға ) және ауа өкпелер ішіне (альвеолаларға) сорыла бастайды. Осылайша дем тарту орындалады.

Дем тартқанда ауа трахеяға (кеңірдекке) келіп, содан соң бронхылармен (ауа тамыр, кеңірдектен тараған өкпеге ауа жеткізетін шеміршекті түтік) альвеолаларға жетеді. Барлық тыныс алу жолдары біріккенде тармақталған тыныс алу түтігін береді (сурет 4). Онда өсіп- өнген әр бронхының көлденең қималарының қосындысы есептеледі. Трахеяның көлденең қимасының ауданы ең кішіболып табылады ( ересек адамда шамамен 2,54 ).

Екі негізгі бронхының (сол және оң) қосынды қимасы осы шамадан артық. Альвеолаларға қарай

өсіп- өнген әр бронхының көлденең қималарының қосындысы үлкен бола бастайды.

16-шы генерацияның барлық бронхыларының қосынды қималарының ауданы 180 -ге жетеді, ал барлық альвеола қапшықтарының қосынды қималарының ауданы- 11 800 -ге жетеді. Адам мен жануарлардың ауа жолдарымен ауаның тұтас ағыны үшін физиологиялық жағдайларда ағынның үзіліссіздік шарты орындалады: сығылмайтын ортаның тұтас ағысы кезінде ағынның кезкелген қимасы арқылы бірлік уақытта орын ауыстырушы ортаның бірдей көлемдері тасымалданады (берілген жағдайда ауа). Тармақты тыныс алу түтігіне қолдансақ бұл мынаны білдіреді:

шамасы (ауа ағынының көлемік жылдамдығы) тармақты түтіктердің барлық қосынды көлденең қималарында бірдей болады(әр генерация деңгейінде).

Сурет 4. Тармақталған тыныс алу түтігінің сызбасы.

Ауа ағынының көлемдік (Q) және сызықтық ( ) жылдамдықтарының арасында мынадай қатынас тағайындалған: , мұндағы S – бронхылардың берілген генерациясының көлденең қимасының ауданы. Осыдан мынадай қорытынды шығады: ауа ағынының сызықтық жылдамдығы тармақталған тыныс алу түтігінің әртүрлі жерлерінде бірдей болмайды: трахеяда- ең жоғары

(шамамен ), 16- шы генерация бронхыларында — , альвеолды қапшықтарда- кем. Соңғы шама ауаның диффузия жылдамдығынан кем. Сол себепті ауа жолының ақырғы 7 мкм-де ауа альвеолаларға конвекция заңы бойынша емес, диффузия заңы бойынша келеді деп есептеледі (тармақталған тыныс алу түтігінің барлық алдыңғы бөліктерінің бойындай).

Қалыпты тыныс алу кезінде дем тартудың 70—80%- ға тереңдеуі диафрагманың қысқаруымен қамтамасыз етіледі, ал 20—30%- ға тереңдеуі – сыртқы қабырғааралық бұлшықеттердің қысқаруымен қамтамасыз етіледі. Тыныс алудың күшеюі жұмысқа қосымша тыныс алу бұлшықеттерінің (мойын, кеудеге бекітілген иық белдеуі бұлшықеттерінің) кірісуімен байланысты. Олар дем тартудың да, дем шығарудың да жеделденуіне жәрдемдесе алады. Жеделдетілген дем шығаруға ішкі қабырғааралық бұлшықеттермен қарын бұлшықеттері(іш қыспағы) аса көп үлес қосады. Жайлы тыныс алу кезінде тыныс алу бұлшықеттерінің қысқаруын тек дем тарту ғана қамтамасыз етеді, ал дем шығару өкпелерде, кеуде тіндерінде серпімділік күшінің ( дем тарту кезінде) пайда болуы есебінен селқос орындалады. Жайлы тыныс алу кезінде тыныс алу бұлшықеттерінің қуаты 0,05 Вт-ты құрайды, ал жеделдетілген тыныс алу кезінде бір тәртіпке артады. Бірінші жағдайда тыныс алу бұлшықеттерін энергиямен қамтамасыз етуге ағзамен жұтылған оттегінің барлығы 2%-ы ғана жұмсалады, ал екінші жағдайда- 20%- дан астамы.

Өкпелердің вентиляциясын (ауа алмастыруын) қамтамасыз ететін биофизикалық үрдістердің тізбектілігін мынадай сызба түрінде көрсетуге болады:

- дем тарту (алу) сәті:жүйке импульсінің тыныс алу бұлшықеттеріне келуі синапсты (жүйке-бұлшықетті) берілу тыныс алу бұлшықеттерінің қысқаруы кеуде (көкірек) қуысы көлемінің артуы өкпелер көлемінің артуы өкпелердегі қысымның төмендеуі (Бойль—Мариотт заңы бойынша) атмосферадан өкпелерге ауаның сорылуы;

Дем шығару сәті:тыныс алу бұлшықеттерінің босаңсуы(дем тарту кезіндегі қысқарудың ізінше) кеуде (көкірек) қуысы көлемінің кемуі өкпелер көлемінің кемуі өкпелердегі қысымның артуы (Бойль—Мариотт заңы бойынша) өкпелерден атмосфераға ауаның сығып шағарылуы.

Кеуденің созылғыштық қасиетіне қабырғалар (әсіресе олардың шеміршекті бөліктері) мен тыныс алу бұлшықеттерінің серпімділіктері басты үлес қосады. Кеуденің созылғыштық кедергісі

олардың созылу дәрежесіне байланысты , ал созылу дәрежесі өкпелердің көлемінің ұлғаюымен артады (бұл тәуелділік параболалық тәуелділікке жуық). Өкпенің максимал көлемін (V_max) шамамен 55%- ға толтырған кезде, кеуденің созылмалы құрылымдары толығымен босаңсиды. Өкпелер көлемінің артуы (шамамен 55% V_max) кеуденің созылмалы (серпімді) құрылымдарының созылуына әкеліп соғады, ал кемуі- олардың сығылуына. Созылу мен сығылу тыныс алу бұлшықеттерінің тек қысқаруы кезінде ғана орындалады (бірінші жағдайда- дем тарту бұлшықеттерінің, екінші жағдайда- жеделденген дем шығару бұлшықеттерінің).

Дем шығарған кезде өкпелерді бәсеңсуге мәжбүр ететін өкпелердегі серпімділік күші өкпелердің созылғыштық күші(ӨСК) деп аталады. Оның екі негізгі құраушысы бар.

Біріншіден, өкпе тіндеріне серпімділік қасиеттер тән (олар тек құраушылардың серпімділік коэффициентіне ғана байланысты емес, сонымен қатар өкпелердің қанмен толу дәрежесіне, бірыңғай салалы бұлшықет талшықтарының тонусына т.б. байланысты).

ӨСТ-ң екінші құраушысы беттік керілу күшіболып табылады, ол альвеолды газ қоспасы мен сұйықтық қабатымен жайылған альвеолалардың ішкі бетінің арасындағы шекарада пайда болады. Беттік керілумен жасалған қысым Лаплас формуласымен есептеледі: ,

мұндағы r - альвеоланың радиусы; - беттік керілу коэффициенті.

Осы қысымның әсерінен альвеоладағы сығылған газдар альвеоланы тастап кетуге және тыныс алу жолдары арқылы сыртқа шығуға тырысады. Альвеоланың орташа радиусы 100—150 мкм- ді құрайды, ал дем тартқандағы беттік керілу коэффициенті ( ) шамамен құрайды.

Ендеше беттік керілумен анықталатын қысым дем тартқанда 800 Па-ға жетеді. Дем шығарудың барлық энергиясының 50%-дан 70%-ға дейінгі шамасын осы қысым қамтамасыз етеді. Екінші бөлігі (30—50%) өкпе паренхимасының (тін), ауа жолдарының, кеуде тіндерінің деформациясы кезінде пайда болатын серпімділік күшіне келеді. Өкпе паренхимасының (тін), ауа жолдары қабырғаларының, кеуде тіндерінің деформациясы кезінде пайда болатын серпімділік күшінің деформация шамасына тәуелділігі сызықтық функциялармен өрнектеледі. Серпімділік көбінесе тыныс алу (дем алу) кезінде өкпе паренхимасында созылатын созылғыш талшықтармен анықталады. Осы жағдайда толқын түрінде босаңдау орналасқан коллаген талшықтарысозылмайды,тек қана түзеледі. Олардың міндеті беріктілікті қамтамасыз ету (өкпе тінінің қатты созылуы кезінде).

Өкпенің құрғақ массасы20% коллагеннен және 5 —12% эластиннен тұрады. Өкпе паренхимасының минимал бұзушы кернеуі Па-ды құрайды, ал аққыштық шегі Па.

Өкпелер өздерін пластикалық денелер сияқты ұстайды.

Қысқарушы тыныс алу бұлшықеттерінің энергиясы кеуде мен өкпенің созылғыштық кедергісін жеңу үшін ғана жұмсалмайды. Тыныс алу жолдарымен ауаның қозғалуына кедергі күштерді жеңу үшін едәуір энергия жұмсалады. Олар ауа ағынының сипатына байланысты болады. Ламинарлы қозғалыс кезінде кедергі күштері бірлік уақытта орын ауыстыратын ауаның көлеміне пропорционал болады, ал турбулентті қозғалыста осы көлемнің квадратына пропорционал болады. Салмақты тыныс алу кезінде бронхыларда ламинарлы ауа ағыны басымырақ болады. Өкпенің ауа алмастыруы күшейгенде (мысалы, дене еңбегі кезінде) не бронхылар тарылғанда, ауаның қозғалысы турбуленттіболуы мүмкін. Бұл тыныс алумен байланысты болатын энергияның жұмсалуын арттыруға әкеледі.

Салмақты тыныс алуды жүзеге асыруға жұмсалатын тыныс алу бұлшықеттерінің энергиясы минутына 2-3,5 Дж құрайды, әрі осы энергияның 70%-ы кеуде мен өкпенің созылғыштық кедергісін жеңуге жұмсалады, ал қалған 30%-ы ауа массасының орын ауыстыру жылдамдығына пропорционал болатын кедергі күштеріне қарсы ауаны орын ауыстыру үшін жасалатын жұмысқа жұмсалады. Сондықтан энергия жұмсалудың екінші құраушысы тыныс алу жиілегенде, артады. Тыныс алу бұлшықеттерінің жұмысының арқасында өкпе резистантын жеңуге болады. Өкпе резистантыдегеніміз тыныс алу жолдарындағы ауа ағынының тербелістеріне осы жолдардың кедергісі. Осы кедергі біршама аз шама- . Өкпе резистантына кері шама созылғыштық деп аталады. Ересек адамда ол 200 см³ , ал балаларда – одан кіші. Созылғыштық артуы мүмкін. Тыныс алу мүшелерінің созылғыштық кедергісін жеңуге жұмсалатын энергия ауаның қозғалыс жылдамдығына, тыныс алу жиілігіне байланысты емес. Олар дем тартқанда өкпелерге келіп түсетін ауа көлемімен, яғни тыныс алу тереңдігімен анықталады. Тыныс алу аппараты жұмысының әрбір құраушыларының тыныс алу жиілігі мен тереңдігіне бірдей байланысты болмауы олардың арасында тиімді қатынастың орнауына әкеліп соғады. Осы кезде жұмыс вентиляцияның берілген көлемінде минимал деңгейде орындалады.

Дене тыныштығы кезінде тыныс алу тереңдігі (тыныс алу көлемі) 0,5 л құрайды, ал жиілігі 12-16 мин (балаларда - 20-30 мин , ал жаңа туған нәрестелерде - 40-50 мин ). Тыныс алу тереңдігінің (тыныс алу көлемінің) тыныс алу жиілігіне (1 минуттағы) көбейтіндісі тыныс алудың минуттық көлемін анықтайды. Салмақты тыныс алу кезінде ол құрайды, ал ауыр дене жүктемесі кезінде тыныс алудың жиіленуі мен тереңдеуінің арқасында дейін артады.

Дем тарту мен дем шығару ұзақтылықтарының (t ) арасында алтын пропорция байланысы бар:

( ).