Ключевое уравнение: уравнение Хагена–Пуазейля для трубки
Работа дыхания
Что подразумевается под термином "работа дыхания"?
Работа дыхания - это энергия, потребляемая дыхательными мышцами на протяжении всего дыхательного цикла.
Математически, за один вдох:
Работа (J) = Давление (Pa) * Объем (L)
Однако работа дыхания обычно относится к скорости работы, а не к работе за один дыхательный цикл. Это действительно следует называть силой дыхания и измерять в ваттах (Дж/с).
Спокойное приливное дыхание обычно очень эффективно и требует относительно небольшой работы. Энергия, необходимая для приливного дыхания, обычно составляет менее 2% от базальной скорости метаболизма (BMR). Патология лёгких может существенно увеличить работу дыхания, в некоторых случаях до 30% BMR, что может привести к усталости дыхательных мышц и дыхательной недостаточности.
Каковы два основных компонента, из которых состоит работа дыхания?
Работа дыхания состоит из эластичной работы и резистивной работы. В нормальных лёгких эластичная работа отвечает за большую часть (примерно 65%) общей работы дыхания:
* Эластичная работа - это работа, выполняемая на вдохновении для преодоления упругих сил:
– Грудная стенка (наружу);
– Паренхима л ё гких (внутрь);
– Поверхностное натяжение альвеол (внутрь).
Работа, проделанная против упругих сил, не вся потрачена впустую. Некоторые из них накапливаются в виде потенциальной энергии, а не рассеиваются в виде тепла. Накопленная потенциальная энергия затем используется при выдохе (см. ниже).
|
|
|
Эластичная работа увеличивается из-за заболеваний, которые влияют на три вышеперечисленных фактора; например:
– Ожирение, которое противостоит упругой отдаче наружной стенки грудной клетки;
– Л ё гочный фиброз, который снижает податливость паренхимы лёгких;
– Детский респираторный дистресс-синдром, при котором в лёгких недостаточно сурфактанта, что приводит к повышению поверхностного натяжения альвеол.
* Резистивная работа – это работа, выполняемая против трения - используемая энергия "тратится впустую", поскольку она рассеивается в виде тепла (и звука). Резистивная работа дыхания - это работа, проделанная для преодоления:
– Сопротивление тканей. Когда ткани движутся друг против друга во время инфляции и дефляции лёгких, силы трения вызывают увеличение сопротивления тканей. Сопротивление тканей обычно составляет около 10% от общей резистивной работы. Резистивная работа тканей усиливается при любом состоянии, которое увеличивает количество интерстициальной лёгочной ткани, например при лёгочном фиброзе.
– Сопротивление дыхательных путей. Молекулы газа подвергаются воздействию сил трения, когда они взаимодействуют друг с другом и со стенками дыхательных путей.
|
|
|
Какие факторы влияют на сопротивление дыхательных путей?
На сопротивление потоку газа влияют два основных фактора: турбулентность и радиус дыхательных путей.
* Турбулентный поток газа приводит к гораздо более высокому сопротивлению дыхательных путей, чем ламинарный поток газа.
Во время нормального приливного дыхания поток газа обычно турбулентен только в трахее, но может стать турбулентным в больших бронхах во время пикового вдоха. Если скорость потока газа увеличивается (например, с увеличением частоты дыхания, RR), поток газа становится турбулентным в больших бронхах на большей части дыхательного цикла, увеличивая сопротивление дыхательных путей. Точка, в которой поток газа изменяется от ламинарного к турбулентному, оценивается с использованием числа Рейнольдса.
Ключевое уравнение: число Рейнольдса
Число Рейнольдса = vpd/η
где ν - скорость потока газа, ρ - плотность газа, d - диаметр дыхательных путей и η - вязкость газа.
Число Рейнольдса 2000 предсказывает 80%-ную вероятность турбулентного течения. Число Рейнольдса 200 предсказывает 80%-ную вероятность ламинарного течения.
|
|
|
* Радиус дыхательных путей. Согласно уравнению Хагана–Пуазейля, сопротивление потоку газа пропорционально r4 (r-радиус). Поэтому небольшое уменьшение радиуса дыхательных путей может оказать большое влияние на сопротивление потоку.
Ключевое уравнение: уравнение Хагена–Пуазейля для трубки
ΔP = 8Qnl/nr4
где ΔP - перепад давления вдоль трубы, Q - расход, η - вязкость жидкости, l - длина трубы, r - радиус.
Закон Дарси гласит:
ΔP = QR
Следовательно, если ΔP - разность давлений, а Q - расход, то сопротивление потоку R = 8nl/nr4.
На основе изолированного уравнения Хагана–Пуазейля можно было бы ожидать, что сопротивление дыхательных путей будет самым высоким в терминальных бронхиолах, поскольку эти дыхательные пути имеют наименьший радиус. Однако многие терминальные бронхиолы расположены параллельно, а общая площадь поперечного сечения намного больше, чем у более проксимальных дыхательных путей. В целом, основное место сопротивления дыхательных путей находится между долевыми бронхами и субсегментарными бронхами.
Исходя из приведённого выше обсуждения, сопротивление дыхательных путей увеличивается на:
* Факторы, приводящие к турбулентному течению.
|
|
|
– Высокий RR: скорость газа увеличивается, что приводит к турбулентному течению в крупных бронхах.
– Увеличенный диаметр дыхательных путей: турбулентный поток чаще встречается в больших верхних дыхательных путях, таких как трахея. Вот почему в этих дыхательных путях физиологически слышно бронхиальное дыхание. Бронходилатация симпатической нервной системой способствует большей скорости альвеолярной вентиляции, но увеличивает количество турбулентного потока.
– Обструкция верхних дыхательных путей, например, отёк гортани или наличие инородного тела. Увеличение скорости потока газа вокруг препятствия приводит к турбулентному течению. Гелиокс, смесь гелия (He) и О2, иногда используется для лечения обструкции верхних дыхательных путей: более низкая плотность гелиокса уменьшает число Рейнольдса, тем самым уменьшая турбулентный поток.
– Глубоководные погружения. Барометрическое давление воздуха, а следовательно, и его плотность, увеличивается с увеличением глубины под водой. Из-за повышенной плотности воздуха число Рейнольдса предсказывает турбулентное течение при более низкой скорости газа. В результате поток газа становится турбулентным в бронхах даже при нормальном приливном дыхании, увеличивая сопротивление дыхательных путей. Опять же, водолазы используют смесь He и O2; более низкая плотность способствует ламинарному потоку газа, тем самым уменьшая работу дыхания.
* Факторы, уменьшающие радиус дыхательных путей.
– Бронхоконстрикция, возникающая физиологически при активации парасимпатической нервной системы или патологически при астме и хронической обструктивной болезни лёгких (ХОБЛ). Радиус малых дыхательных путей уменьшается, что увеличивает сопротивление дыхательных путей.
– Низкий объем л ё гких. Радиус дыхательных путей увеличивается во время вдоха в результате радиальной тракции паренхимы лёгкого. Аналогично, радиус дыхательных путей уменьшается во время выдоха, что приводит к увеличению сопротивления дыхательных путей. Это частично объясняет, почему пациенты с астмой и ХОБЛ испытывают больше трудностей с выдохом, чем с вдохом.
– Динамическое сжатие дыхательных путей. Во время принудительного положительного внутриплеврального давления, которое вызывает сдавление дыхательных путей, лишённых хрящевой поддержки, особенно бронхиол, еще больше уменьшая их радиус дыхательных путей и, таким образом, увеличивая сопротивление дыхательных путей. При ХОБЛ происходит разрушение поддерживающей эластичной ткани с паренхимой лёгких, что уменьшает радиальную тягу на дыхательных путях, что делает этих пациентов особенно восприимчивыми к динамической компрессии дыхательных путей.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 101; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!