Дыхание и его основные компоненты. Типы дыхания. Давление в плевральной полости.
Дыхание - это совокупность процессов, обеспечивающих оптимальное содержание кислорода и углекислого газа в артериальной крови. В покое за каждую минуту в среднем организм человека получает 250-300 мл кислорода и выделяет 200-250 мл углекислого газа. При физической нагрузке большой мощности потребность в • кислороде возрастает (максимальное потребление кислорода - МПК) у нетренированных людей достигает до 2-3л/мин. а у тренированных - 4-6 л/мин. Дыхание включает пять процессов (стр.135, рис. Ж1: 1) вентиляция лёгких - обмен воздуха между альвеолами лёгких и атмосферой; 2) обмен газов в лёгких ~ диффузия кислорода из альвеол в кровь и углекислого газа из крови в альвеолу; 3) транспорт газов —. процесс переноса кислорода от лёгких к тканям и
углекислого газа от тканей к легким; 4) обмен газов в тканях - диффузия кислорода из крови в ткани и углекислого газа из тканей в кровь; 5) внутриклеточное дыхание - биологическое окисление питательных веществ. Первые четыре процесса изучают физиологи, а последний процесс - биохимиками.
Вентиляция легких. При вентиляции легких происходит обмен альвеолярного воздуха с атмосферным. Этот процесс осуществляется за счет вдоха и выдоха. Вдох ~ это активный процесс (происходит при участии дыхательных мышц) при котором атмосферный воздух заходит в альвеолы. В акте вдоха участвуют две дыхательные мышцы: наружняя межреберная и диафрагма. В зависмости от участия мышцы различают три типа дыхания: 1) грудной, или реберный тип дыхания - при этом в акте вдоха участвуют наружние межреберные мышцы; 2) брюшной, или диафрагмальный тип дыхания - при этом в акте вдоха участвует диафрагма; 3) смешанный тип дыхания.
Механизм вдоха (стр.135, рис.Ж2). При грудном типе дыхания - сокращение наружней межреберной мышцы приводит к подъему ребер и увеличеню объема грудной полости. При этом уменьшается внутриплевральное давление, что приводит к растяжению лёгких и уменьшению внутриальвеолярного давления, в результате чего воздух из I атмосферы поступает в легкие. При брюшном типе дыхания -при сокращении диафрагмы она уплощается, что также приводит к увеличению объема грудной полости в вертикальном направлении (стр.136, рис.Ж4).
Спокойный выдох процесс пассивный, так как при этом не участвуют дыхательные мышцы: при грудном типе дыхания расслабление наружней межреберной мышцы приводит к опусканию ребер, за счет чего уменьшается объем грудной полости, увеличивается внутриплевральное давление и легкие сжимаются - увеличивается внутриальвеолярное давление и воздух из альвеол выходит в атмосферу. При брюшном типе дыхания расслабление диафрагмы приводит к
увеличению ее купола, происходит уменьшение объема грудной полости, что приводит к увеличению внутриплеврального давления. При глубоком выдохе (форсированном) принимают участие Дыхательные мышцы. При грудном типе дыхания происходит сокращение внутренних межреберных мышц (стр.135, рис.Ж2). При этом ребра максимально опускаются и грудная полость максимально уменьшается, что приводит к максимальному уменьшению внутриплеврального давления, легкие максимально сжимаются и осуществляется максимальный выход альвеолярного воздуха в атмосферу - глубокий выдох. При брюшном типе дыхания происходит сокращение мышц брюшного преса (прямые и косые мышцы живота), увеличивается внутрибрюшное давление, что приводит к увеличению купола диафрагмы, уменьшается объем грудной полости.
Показатели лёгочной вентиляции (стр.136. рис.ЖЗ):
частота дыхания - количество дыхательных циклов в одну минуту. В норме 16-18 (у спортсменов 10-12);
легочные объемы - различают четыре легочных объема: а) дыхательный объем (ДО) - количество воздуха, который человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании - в норме 500-800 мл; б) резервный объем вдоха (РОВд) - объем воздуха, который человек может максимально вдохнуть после спокойного вдоха - в норме 2,5-3 л; в) резервный объем выдоха (РОВ) - тот объем воздуха, который человек может максимально выдохнуть после спокойного выдоха - в норме 1,3 - 1,5 л; г) остаточный объем (ОО) - тот объем воздуха, который остается в лёгких после максимально глубокого выдоха - в норме 1-1,5 л;
легочные емкости - различают четыре легочные емкости, каждая из которых включает два и более легочных объема: а) жизненная емкость лёгких (ЖЕЛ) - количество воздуха, который человек может максимально выдохнуть после максимально глубокого вдоха - эта емкость включает три объема (ДО, РОВд, РОВ); б) емкость вдоха - количество
воздуха, который человек может максимально вдохнуь - эта емкость включает два объема (ДО, РОВд); в) функционально-остаточная емкость лёгких (ФОЕЛ) - количество воздуха, который остается в лёгких после спокойного выдоха - эта емкость включает два объема (РОВ, 00); г) общая емкость лёгких (ОЕЛ) - количество воздуха в лёгких на максимально глубоком вдохе - эта емкость включает четыре легочных объема (ДО, РОВд, РОВ, ОО);
минутный объем дыхания (МОД) - количество воздуха, который проходит через легкие за одну мнуту при спокойном дыхании - это количественный покатель вентиляции лёгких, отражает производительность работы лёгких - в норме этот показатель 6-9 л. Для его определения необходимо знать ДО иЧД(МОД=ДОхЧД);
альвеолярная вентиляция (АВ) - количество воздуха, который проходит через альвеолы за одну минуту это количественный показатель альвеолярной вентиляции и отражает эффективность работы лёгких, так как учитывает ту часть воздуха, которая участвует в газообмене. Дело в том, что при дыхании часть ДО остается в воздухоносных путях (полости носа, носоглотки, трахеи, бронхов) и не участвует в газообмене. Этот объем воздуха составляет объем мертвого пространства (МП). Таким образом, АВ не учитывает МП: _ АВ = (ДО-МП)хЧД; коэфициент легочной вентиляции (КЛВ) - отражает ту часть альвеолярного воздуха, которая сменяется на атмосферный воздух при спокойном дыхании: КЛВ = (ДО -МП)/ФОЕЛ. В норме этот показатель 1/7 - 1/8 , то есть при спокойном дыхании при каждом вдохе лишь 1/7 - 1/8 часть альвеолярного воздуха обновляется на атмосферный;
максимальная вентиляция лёгких (МВЛ) - объем воздуха, который может пройти через легкие при максимально глубоком и частом дыхании. Для его определения испытуемый должен в течение 15с произвести максимально глубокие и частые дыхания, полученный объем умножают на
4 и определяют теоретически возможную МВЛ. У тренированных людей МВЛ равен до 120 л/мин;
объем форсированного выдоха (ОФВ), или индекс Тиффно - объем воздуха, который проходит через дыхательные пути за первую секунду максимально быстрого выдоха после глубокого вдоха. Индекс Тиффно выражают в л/с или в процентах от ЖЕЛ. В норме он должен быть не меньше 75-84% от ЖЕЛ;
время вдоха и выдоха - в норме время выдоха больше, чем время вдоха.
Методы исследования вентиляции лёгких: 1) пневмография - регистрация движения грудной клетки. Пневмограмма позволяет оценить ЧД и паттерн дыхания (рисунок , который отражает типы вентиляции); 2) спирометрия - измерение некоторых легочных объемов (ДО, РОВд, РОВ) и ЖЕЛ - для этой цели используются водяные и воздушные спирометры ; 3) спирография - графическое отражение объемов, прошедших через легкие при спокойном дыхании и при гипервентиляции. Для этой «цели используют метатесты (Метатест-1, Метатест-2). В системе имеется натронная известь, которая поглощает выделяемый углекислый газ и по убыли воздуха в этом замкнутом пространстве можно определить количество потребляемого кислорода (ПОг). По полученной спирограмме можно определить все вышеизложенные показатели легочной вентиляции, кроме 00, ФОЕЛ, ОЕЛ и КЛВ, то есть тех показателей, которые связаны с 00.
Паттерны дыхания, или типы вентиляции: 1) эйпноэ -равномерные дыхательные циклы до 12-18 в минуту; 2) гиперпноэ - увеличение глубины дыхания без изменения ЧД - такое дыхание отмечается при увеличении в крови углекислого газ (гиперкапнии); 3) тахипноэ - увеличение частоты дыхания без изменения глубины - такое дыхание может быть при уменьшении кислорода в артериальной крови (гипоксемии); 4) гипервентиляция - увеличение ЧД и глубины дыхания - такое дыхание отмечается при
физических нагрузках; 5) паттерна дыхания с периодическими задержками дыхания (апноэ) - такое дыхание может быть при разговоре, пении (при этом возникают периодические задержки на вдохе или выдохе) и при гипервентиляции достаточной продолжительности (более 15с).
Типы вентиляции, которые могут возникнуть при нарушении структур мозга: 1) Гаспиг, или редкое терминальное дыхание - проявляется судорожными вдохами-выдохами. Возникает при резкой гипоксии мозга. Как правило, затем наступает апноэ; 2) атактический тип дыхания - неравномерное, хаотическое, нерегулярное дыхание. Такое дыхание наблюдается при нарушении связи продолговатого мозга с варолиевым мостом; 3) апнейзис, или апнейстическое дыхание - отмечается длительный вдох и короткий выдох (при перерезке блуждающего нерва); 4) дыхание типа Чейна-Стокса - постепенное возрастание амплитуды дыхания, потом сходит на нет, после паузы вновь постепенно возрастает - отмечается при нарушении работы дыхательных нейронов продолговатого мозга; 5) дыхание Биота ~ между нормальными дыхательными циклами возникают длительные паузы - до 30с. Такое дыхание возникает при повреждении дыхательных нейронов варолиевого моста; 6) дыхательная апраксия - при этом больной не способен произвольно менять глубину и частоту дыхания отмечается при поражении лобных долей; 7) нейрогенная гипервентиляция - при нарушении структур среднего мозга.
Даление в плевральной полости.Лёгкие покрыты серозной оболочкой - плеврой, состоящей из висцерального (покрывает ткань легкого) и париетального (покрывает грудную клетку) листков. Между висцеральным и париетальным листками плевры находится щелевидное L пространство - внутриплевральная полость. Давление в этой полости ниже атмосферного (стр.136, рис.Ж5). Если
атмосферное давление принять за нуль, тогда во внутриплевральной полости давление ниже нуля, то есть отрицательное. Величина этого давления зависит от цикла дыхания: к концу спокойного выдоха - -5-7 мм.рт.ст., к концу глубокого выдоха - -1-2 мм.рт.ст., к концу спокойного вдоха --7-9 мм.рт.ст., а к концу глубокого вдоха - -15-20 мм.рт.ст. Отрицательное давление в плевральной полости обусловлено тремя основными причинами: 1) отставанием темпа роста лёгких от темпа роста грудной клетки: У новорожденного в первые дни жизни внутриплевральное давление равно атмосферному. Начиная со втрой недели жизни, темпы роста грудной клетки превышают темпы роста легкого, и давление в плевральной полости становится ниже атмосферного; 2) силами поверхностного натяжения пленки жидкости, выстилающей альвеолы (55-65% от всей эластической тяги легкого). Поверхностное натяжение создается за счет сурфактанта (вещество, покрывающее внутреннюю поверхность альвеол). Это вещество имеет низкое поверхностное натяжение и стабилизирует состояние альвеол: при вдохе это вещество предохраняет альвеолы от перерастяжения (молекулы сурфактанта находятся далеко друг от друга, что сопровождается повышением поверхностного натяжения); при выдохе - от спадения (молекулы сурфактанта расположены близко друг к другу, что сопровождается снижением величины поверхностного натяжения; 3) эластичностью альвеолярной ткани (35-45% от всей эластической тяги лёгких). В альвеолярной ткани имеются эластиновые волокна, которые вместе с коллагеновыми волокнами образуют спиральную сеть вокруг альвеол.. Длина эластиновых волокон при растяжении увеличивается почти в 2 раза, а коллагеновых волокон - на 10%. Следует отметить, что отрицательное давление зависит от эластической тяги лёгких: чем больше эластическая тяга лёгких, тем меньше давление в плевральной полости. При вдохе увеличивается эластическая тяга лёгких и давление в
плевральной полости становится более отрицательным (уменьшается).
Дыхательные пути. Различают верхние и нижние дыхательные пути. Под верхними дыхательными путями понимают полость носа, носоглотки и гортани. Нижние дыхательные пути - трахея и бронхи. Согласно классификации Вейбеля (1970) трахея делится на главные бронхи (левый и правый) - это первое поколение, или генерация, бронхов. Затем идет вторая генерация - долевые бронхи, 3-я генерация - сегментарные бронхи, 4-я -субсегментарные, затем 5-15-я генерация - бронхи, следуют ветвления бронхов и бронхиол 16-24 генерации, где располагаются альвеолы - . тонкостенные пузырьки, диаметром около 0,18-0,25 мм. В лёгких их около 300 млн., общая площадь которых до 90 м2.. Энергетика дыхания. При обычном дыхании (МОД = 6-8 л./мин.) затрачивается 0,3 кГм/мин. энергии, что составляет 2-3% от общих энергозатрат организма.
Газообмен в легких. Этот процесс осуществляется за счет диффузии газов (кислорода и углекислого) через альвеолярно-капиллярную мембрану, котрая состоит из следующих слоев (стр.143, рис.ЖЗ): 1) альвеолярная мембрана; 2) интерсцитиальная жидкость (между альвеолярной мембраной и эндотелием капилляра); 3) эндотелий капилляра малого круга кровообращения; 4) плазма крови; 5) оболочка эритроцитов. Таким образом, газы, проникая через альвеолярно-капиллярную мембрану, диффундируют через две жидкие среды, поэтому на диффузию газов влияет растворимость газов в жидкости.
Факторы, влияющие на диффузию газов через альвеолярно-капиллярную мембрану:
градиент (разница) парциального давления газов в альвеолярном воздухе и парциального напряжения этих газов в крови. Парциальное давление — это давление отдельного газа в газовой смеси. Для его расчета необходимо знать
общее давление газов и процентное содержание тазов. Так, например, атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт.ст. и его составляют кислород (20,93%), углекислый газ (0,03-0,05%)) и азот (79,05%). Зная это, можно расчитать парциальное давление любого газа. Внутриальвеолярное давление соответствует атмосферному, однако в альвеолах имеются водяные пары, давление которых составляет 47 мм рт.ст., поэтому, прежде, чем расчитывать парциальное давление газов в альвеоле, необходимо определить давление всех газов в авльвеолярном воздухе (760 - 47 = 713). Теперь, зная процентное содержание газов в альвеолярном воздухе (кислорода - 14%о, углекислого газа - 5,5%), можно определить парциальное давление этих газов. Для расчета парциального давления в выдыхаемом воздухе необходимо знать процентное содержание этих газов (кислорода - 16%, углекислого газа - 4%). Из вышеизложенного следует, что в выдыхаемом воздухе содержится больше кислорода и меньше углекислого газа, чем в альвеолярном воздухе. Это связано с тем, что выдыхаемый воздух состоит из атмосферного воздуха (150 мл - объем мертвого пространства) и альвеолярного воздуха (350 мл). Парциальное напряжение газов - это давление отдельного газа, растворенного в жидкости, в данном случае в плазме крови. На уровне моря парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 100 мм рт.ст., а парциальное давление углекислого газа - 40 мм рт.ст. Парциальное напряжение газов в крови соответственно составляет 40 и 48 мм рт.ст. Таким образом, диффузию кислорода через альвеолярно-капиллярную мембрану обеспечивает сила в 60 мм рт.ст., а диффузию углекислого газа - 8 мм рт.ст. (для СОг требуется значительно меньше силы, так как растворимость СОг в жидкости в 20 раз больше, чем растворимость Ог). Таким образом, чем больше градиент давления, тем больше диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану; площадь альвеол: чем больше площадь, тем больше диффузия газов;
толщина альвеолярно-капиллярной мембраны: чем больше толщина, тем меньше диффузия газов;
скорость кровотока: чем больше скорость кровотока, тем больше диффузия;
время: чем больше время, тем больше диффузия;
растворимость газов в жидкости: чем больше растворимость, тем больше диффузия.
В клинике широко используется понятие «диффузионная способность лёгких» (ДЛ). ДЛ – это отношение объема газа, продиффундировавшего через легочную мембрану за 1 минуту в расчете на 1 мм рт.ст. градиента давления. Расчет градиента давления осуществляется с учетом градиента на протяжении всего легочного капилляра. Например, для кислорода в альвеолярном воздухе парциальное давление 100 мм рт.ст. (если человек находится на уровне моря), в капилляре на начальном конце - 40 мм.рт.ст., на дистальном конце - 100 мм рт.ст., средний градиент - 10 мм рт.ст. В норме человек поглощает 250-300 мл кислорода за 1 мин. Следовательно ДЛ по кислороду равна 25-30 мл/мин.мм рт.ст. Для углекислого газа средний градиент составляет 0,4-0,5 мм рт.ст. В норме человек выделяет 250 мл углекислого газа в 1 мин. Следовательно ДЛ по углекислому газу составляет 620 мл/мин.мм рт.ст. Контакт крови с альвеолярным воздухом происходит за 0,3 - 0,7с. За этот период происходит полное выравнивание парциального напряжение газов в крови с парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе с учетом соответствия вентиляции и кровотока.
Вентиляционно-перфузионное соотношение - это отношение альвеолярной вентиляции к перфузии (кровотоку через капилляры малого круга кровообращения). В норме АВ = 4 - 5 л, а перфузия (минутный объем крови, протекающий через капилляры малого круга кровообращения) - 5 л, поэтому отношение вентиляции к перфузии составляет 0,8 -1,0 (4/5, 5/5). Из вышеизложенного видно, что отмечается неравномерность вентиляции к кровотоку. Это связано с тем,
что основание лёгких хорошо перфузируется и плохо вентилируется, а верхушка лёгких , наоборот - плохо перфузируется и хорошо вентилируется. Несмотря на существование альвеолярно-капиллярного рефлекса, регулирующего соотношение между вентилируемыми альвеолами и процессом их перфузии, возникает ситуация, когда вентилируемые альвеолы лишены кровотока. Объем воздуха в таких альвеолах составляет объем физиологического мертвого пространства. Таким образом при расчете вентиляционно-перфузионного соотношения учитывается общий объем мертвого пространства (воздух, который не участвует в газообмене: анатомическое и физиологическое МП). В норме анатомическое МП = 150 мм., а физиологическое МП равен нулю.
В положении «лежа» в силу гидростатического давления легкое равномерно снабжается кровью. В положении «сидя» верхушка лёгких снабжается кровью на 15% меньше, а в положении «стоя» - на 25%. При необходимости увеличить ДЛ у человека его следует перевести в позу «лежа».