Сопротивление воздухоносных путей



Воздух проходит через трубку (рис. 17.20), если между ее кон­цами существует перепад давлений. От его величины зависят ско­рость и особенности воздушного потока. При низких скоростях линии течения могут быть параллельны стенкам трубки {А). Это так называемый ламинарный режим. По мере возрастания скоро­сти потока он становится все менее однородным, особенно в местах ветвления трубки, где разделение воздушных струй может проис­ходить с образованием местных завихрений (Б). Наконец, при очень высоких скоростях линии течения полностью теряют упоря-дочность, и поток называется в этом случае турбулентным (В).

Уравнение, связывающее давление и расход (т. е. объемную ско­рость) при ламинарном потоке было впервые выведено французским


 


врачом Пуазейлем. Для прямых трубок с круглым сечением оно записывается следующим образом:

где V — расход флюида, Р — давление, создающее поток (АР см. на рис. 17.20), г — радиус трубки, ц — вязкость флюида, / — дли­на трубки. Из уравнения видно, что давление пропорционально расходу (Я = KV ). Поскольку сопротивления потоку R равно дав­лению, деленному на расход, можно записать:

Как видно, большую роль играет радиус трубки; когда он умень­шается вдвое, сопротивление потоку увеличивается в 16 раз.

Важно также, что на взаимоотношение между давлением и рас­ходом влияет вязкость, а не плотность флюида.


Одна из особенностей полностью развитого ламинарного пото­ка заключается в том, что частицы газа в центре трубки пере­двигаются со скоростью, в два раза превышающей среднюю (см. рис. 17.20).

Особенности турбулентного потока совершенно иные. Давле­ние в этом случае пропорционально уже не расходу флюида, а при­мерно квадрату расхода = KV 2 ). Вязкость при таком режиме не играет существенной роли, а увеличение плотности флюида при данном расходе повышает перепад давлений.

Будет поток ламинарным или турбулентным, в значительной степени зависит от так называемого числа Рейнольдса ( Re ), по­лучаемого по уравнению:

где d — плотность флюида, v — средняя линейная скорость, г — радиус трубки, г] — вязкость флюида. В прямых гладких трубках турбулентность возможна при числе Рейнольдса больше 2000.


Сопротивление воздухоносных путей можно рассчитать, раз­делив разность давления в ротовой полости и альвеолах на расход


Применить все эти закономерности к такой сложной системе трубок, как бронхиальное дерево — со всеми его разветвлениями, изменениями диаметра и неровными стенками —трудно. Прак­тически особенности потока очень сильно зависят от «входных» характеристик трубки. Если у какой-либо развилки возникает за­вихрение, воздушная струя как бы «тянет» его за собой, и оно исчезает лишь на определенном расстоянии от места зарождения. Поскольку же бронхиальное дерево постоянно ветвится, можно полагать, что истинный ламинарный поток (см. рис. 17.20) возни­кает лишь в самых мелких воздухоносных путях, где число Рей­нольдса очень мало (в конечных бронхиолах оно может составлять около 1). На остальных участках течение носит переходный ха­рактер (Б). Турбулентный поток может наблюдаться в трахее, осо­бенно при физической нагрузке, когда скорость воздуха возрас­тает. В целом для ра'счета «перепада» давления в бронхиальном дереве следует использовать как первую, так и вторую степень рас­хода воздуха:


 



воздуха (см. рис. 17.20). В ротовой полости давление легко изме­ряется с помощью манометра, а в альвеолах его можно оценить с помощью общего плетизмографа.

Сопротивление воздухоносных путей равно отношению разно­сти давлений между альвеолами и ротовой полостью к расходу воз­духа (см. рис. 17.20). Его можно измерить методом общей плетиз­мографии (рис. 17.21). Перед тем, как обследуемый делает вдох (А),

давление в плетизмографической камере равно атмосферному. Во время вдоха давление в альвеолах снижается, а объем альвеоляр­ного воздуха увеличивается на величину AV . При этом воздух в камере снижается и по изменению его давления можно рассчитать AV(см. рис. 17.22).

где Я, и Р2 — давление в камере соответственно до попытки вдох­нуть и во время нее, V { — объем камеры до этой попытки, a AV— изменение объема камеры (или легких). Отсюда можно рассчитать


AV . Если объем легких известен, можно перейти от Д1/к внут-риальвеолярному давлению, используя закон Бойля-Мариотта ( P 3 V 2 = P 4 ( V 2 + AV ), где Р3 и Р4 — давление в полости рта соответ­ственно до попытки вдохнуть и во время нее, a V 2 — ФОЕ, которая и рассчитывается по этой формуле).

Одновременно измеряется расход воздуха, что дает возмож­ность рассчитывать сопротивление воздухоносных путей. Такие же измерения проводятся при выдохе. Способ определения объе­ма легких приведен на рис. 17.22.

Сопротивление воздухоносных путей можно рассчитать и при спокойном дыхании, измерив внутриплевральное давление с по­мощью введенного в пищевод катетера (см. рис. 17.19). Однако при этом результаты будут включать также сопротивление тканей. Внутриплевральное давление определяется с одной стороны си­лами, противодействующими эластической тяге легких, а с дру­гой — силами, преодолевающими сопротивление воздухоносных путей и тканей.


 


При движении легких и грудной клетки необходимо прикладывать некоторое давление для преодоления вязких сил, действующих в тка­нях при их деформации. Именно наличием таких сил частично объяс­няется заштрихованная область кривой на рис. 17.19. Однако у моло­дых здоровых людей сопротивление тканей составляет лишь около 20% общего (т. е. суммы сопротивления тканей и воздухоносных путей), хотя при некоторых заболеваниях оно может увеличиваться.

Для того, чтобы при дыхании происходили движения легких и грудной клетки, необходимо затрачивать работу. В данном случае ее удобнее всего измерять произведением давления на объем.

Работу, затрачиваемую на движение легких можно оценить по кривой «давление—объем» (рис. 17.23). При вдохе внутриплев-ральное давление изменяется в соответствии с кривой АБВ и на движение легких затрачивается работа, соответствующая площади ОАБВГО. Трапеция ОАДВГО отражает работу, необходимую для преодоления упругих сил, а заштрихованный участок АБВДА — работу, затраченную на преодоление вязкого сопротивления воз­духоносных путей и тканей (см. рис. 17.19). Чем выше сопротивле­ние воздухоносных путей или расход воздуха при вдохе, тем более отрицательным будет внутриплевральное давление, тем больше сместится вправо (в сторону отрицательных величин) точка Б по сравнению с точкой Д и тем больше будет площадь заштрихован­ного участка.


Работе, необходимой для преодоления сопротивления воздухо­носных путей (и тканей) при выдохе, соответствует участок АДВЕА. В нормальных условиях он «вписан» в трапецию ОАДВГО, т. е. работа по преодолению вязких сил может быть совершена за счет энергии, запасенной в упругих структурах и высвобождаю­щейся при пассивном выдохе. Разница между площадями АДВЕА и ОАДВГО соответствует энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Чем выше частота дыхания и расход воздуха, тем больше пло­щадь участка АБВДА (т. е. работа по преодолению вязких сил). С другой стороны, чем больше дыхательный объем (ДО), тем боль­ше площадь трапеции ОАДВГО (т. е. работа по преодолению упру­гих сил).

Больные со сниженной растяжимостью легких (пневмосклероз, эмфизема и др.) как правило, дышат чаще и дыхание поверхност­ное; а при обструкции дыхательных путей — дыхание медленное. В обоих случаях это способствует уменьшению затрачиваемой ра­боты.

При выполнении тяжелой физической работы, при занятиях спор­том, особенно циклическими видами спорта (академическая гребля, плавание, лыжные гонки, стайерский бег и др.) происходит увеличение затрачиваемой работы, и затраты увеличиваются, если спортсмен тре­нируется в неблагоприятных климатических условиях (среднегорье, зоны с жарким и влажным климатом и т. п.).

Общую работу, затрачиваемую на движение легких и грудной клетки, измерить трудно, хотя некоторые ее оценки были получены при искусственной вентиляции в респираторе типа «искусствен­ные легкие». Такую работу можно рассчитать так же, измеряя за­траты кислорода на дыхание и учитывая коэффициент полезного действия (КПД):

Полагают, что этот коэффициент составляет около 5—10%.

Затраты кислорода на спокойное дыхание исключительно малы — менее 5% от общего потребления 02. При произвольной гипервен­тиляции они могут увеличиваться до 30%. У спортсменов во время физической работы (тренировки или соревнования) поглощение ки­слорода дыхательными мышцами увеличивается и тем самым дыха­тельная мускулатура является лимитирующим фактором в выполне­нии физической работы (нагрузки).




Работа, необходимая для преодоления эластического сопротивле­ния легких и грудной стенки, как полагают, не зависит от времени. Максимум работы производится тогда, когда дыхательный объем также максимален. Эту форму сопротивления можно вычислить, определив давление, необходимое для измерения объема легких и грудной клетки. Эта величина называется растяжимостью (С).

где А V— изменение объема, а АР — изменение давления.

Общую растяжимость легкого и грудной стенки можно опреде­лить, составив график, выражающий внутрилегочное давление, не­обходимое для поддержания в легком известного объема газа. Экс­периментально это производится путем наполнения легких неким объемом, расслабления всех дыхательных мышц и измерения дав­ления во рту (при закрытых ноздрях). Растяжимость легкого равна величине внутриплеврального давления и может быть определена таким же образом (рис. 17.24).


Установлено, что от 3/4 до 7/8 общего эластического сопро­тивления создается поверхностным натяжением пленки жидкости, выстилающий внутреннюю поверхность альвеолы, а остальная часть — эластическими свойствами ткани. Чем выше поверхност­ное натяжение, тем больше нужно энергии для преодоления его сопротивления. Поверхностное натяжение снижается за счет сур-фактанта. Как полагают, сурфактант стабилизирует легочные аль­веолы, так что они не спадаются при выдохе.

Показано, что сопротивление воздушному потоку создается главным образом в бронхах среднего размера (рис. 17.25). На ос­новании уравнения Пуазейля следовало бы ожидать, что местом

наибольшего сопротивления будут самые мелкие бронхиолы, но на самом деле это не так. Воздушные пути с диаметром меньше 2 мм создают менее 20% измеренного сопротивления воздушному по­току. Обилие мелких воздушных путей создает большое суммар­ное поперечное сечение для воздушного потока. Для очень малого объема легких описано явление «закрытого воздухоносного пути», т. е. обратимого спадения мелких бронхиол. В таких условиях неко­торое количество энергии затрачивается при вдохе на открывание


 



спавшихся бронхиол. Сопротивление воздушному потоку зависит от времени; оно наибольшее при частом дыхании и достигает мак­симума, даже если объем вдоха не максимален.

Работа по перемещению грудной клетки и легкого против со­противления неэластичных тканей тоже зависит от времени. У взрослых мужчин она составляет около 20% общего расхода энергии при дыхании.

Общую работу, затрачиваемую на перемещение воздуха в лег­кое и из него, включая движение грудной клетки, можно вычис­лить по графику «давление—объем» (рис. 17.26):

Эта работа складывается из работы против эластических сил (см. рис. 17.26) и против неэластических (см. рис. 17.26). Для дан­ного минутного объема существует интенсивность работы, при


которой сумма эластического и зависимого от времени неэла­стического компонентов минимальна (рис. 17.27). При нормальном дыхании для перемещения воздуха в легкие и из них требуется ме­нее 5% общего потребления кислорода (рис. 17.28).


 


Чем интенсивнее физическая работа, тем выше потребление ки­слорода дыхательной мускулатурой.

J.M. Petit и др. (1962) установили зависимость между КПД и частотой дыхания у человека. Авторы регистрировали ЭМГ диа­фрагмы и прямой мышцы живота и сделали вывод, что при мед­ленном и глубоком дыхании возникает дискоординация мышц-ан­тагонистов, а при учащенном дыхании их функционирование было более согласованным. Именно этим фактором они объясняют уве­личение КПД по мере учащения дыхания.

А.В. Otis (1950) предложил определить механическую мощность дыхания при помощи следующего уравнения:

где W — механическая мощность внешнего дыхания (Вт); V — минутный объем дыхания; К{\\ К2 — константы.

Первая часть уравнения характеризует мощность, необходимую для преодоления эластического сопротивления легких и грудной клетки плюс ламинарного сопротивления воздушного потока в ды­хательных путях; вторая часть — мощность, необходимую для преодоления турбулентного сопротивления потока воздуха в ды­хательных путях. У человека в покое и при легкой физической ра­боте с величинами МОД, не превышающими 30 л, механическая мощность внешнего дыхания составляет 0,04—0,31 Вт, однако при величине МОД 120—125 л эта мощность достигает 6,97—8,37 Вт.

При увеличении МОД на 25 л по отношению к состоянию покоя (8— 12л) кислородная стоимость дыхания увеличивается и на каж­дый литр вентиляции затрачивается дополнительно 1 мл кислорода (02), а при возрастании МОД на 50—80 л — соответственно 2,0— 3,2 мл 02. Если величина МОД превышает 100 мл, на работу дыха­тельной мускулатуры затрачивается более 1 л 02. Если МОД пре­вышает 150 л, то кислородная стоимость дыхания составляет около 4,5 л. R. J. Shepard (1966) считает, что уровень МОД в 120 л — это критическая граница, выше которой энергетическая стоимость ра­боты аппарата внешнего дыхания становится особенно высокой.

Изменения объема легких

Объем легкого меняется при вдохе не всюду одинаково. Для это­го имеются три главные причины. Во-первых, грудная полость во всех направлениях увеличивается неравномерно. Во-вторых, не все


части легкого одинаково растяжимы. В-третьих, предполагается существование гравитационного эффекта, который способствует смещению легкого книзу (рис. 17.29).

Объем воздуха, вдыхаемый при обычном (неусиленном) вдохе и выдыхаемый при обычном (неусиленном) выдохе, называется дыхательным воздухом. Объем максимального выдоха после предшествовавшего максимального вдоха называется жизненной емкостью легких (ЖЕЛ). Она не равна всему объему воздуха в легком (общему объему легкого), поскольку легкие полностью не спадаются. Объем воздуха, который остается в неспавшихся лег­ких, называется остаточным воздухом. Имеется дополнитель­ный объем, который можно вдохнуть при максимальном усилии после нормального вдоха. А тот воздух, который выдыхается мак­симальным усилием после нормального выдоха, это резервный объ­ ем выдоха. Функциональная остаточная емкость состоит из резерв­ного объема выдоха и остаточного объема. Это тот находящийся в легких воздух, в котором разбавляется нормальный дыхательный воздух. Вследствие этого состав газа в легких после одного дыха­тельного движения обычно резко не меняется.


 


Минутный объем ( V ) — это воздух, вдыхаемый за одну мину­ту. Его можно вычислить, умножив средний дыхательный объем ( Vt ) на число дыханий в минуту (/), или V = fVt . Часть Vt , напри­мер, воздух в трахее и бронхах до конечных бронхиол и в неперфу-зируемых альвеолах, не участвует в газообмене, так как не прихо­дит в соприкосновение с активным легочным кровотоком — это так называемое мертвое пространство (Vd ). Часть Vt которая участ­вует в газообмене с легочной кровью, называется альвеолярным объемом (V ). С физиологической точки зрения альвеолярная вен­тиляция (VJ — наиболее существенная часть наружного дыхания Va = f ( Vt Vd ), так как она является тем объемом вдыхаемого за минуту воздуха, который обменивается газами с кровью легочных капилляров.

Вентиляция легких

Вентиляция легких зависит от дыхательного объема (ДО) и час­тоты дыхания. Объем воздуха, который могут вместить легкие при максимально глубоком вдохе, называется общей емкостью легких (ОЕЛ). Тот объем, который человек может выдохнуть после макси­мального вдоха, составляет жизненную емкость легких (ЖЕЛ). Нормальная глубина дыхания, свойственная отдельному человеку в состоянии покоя, называется дыхательным объемом (ДО) и со­ставляет около 10% ОЕЛ или 15—18% ЖЕЛ. Произведение ды­хательного объема на число дыханий составляет минутный объем дыхания (МОД). Эта величина зависит прежде всего от уровня ме­таболизма, массы тела (веса), возраста, и в условиях покоя у взрос­лого человека может колебаться в широких пределах от 3 до 10 л.

На рис. 17.30 схематично представлены легочные объемы чело­века. Вверху большая диаграмма показывает четыре первичных легочных объема и их примерную величину. Внешний круг ука­зывает наибольший объем, до которого могут быть растянуты легкие; внутренний круг (остаточный объем) ограничивает объ­ем, оставшийся после того, как весь воздух изгнан из легких (при самостоятельном дыхании). Вокруг центральной диаграммы рас­положены более мелкие; затушеванные области на них означают четыре емкости легких. Объем газа мертвого пространства вклю­чен в остаточный объем, функциональную остаточную емкость и об­щую емкость легких, как это имеет место при измерении обычными




методами. Внизу представлены легочные объемы так, как они по­лучаются на спирограмме; затушеванные участки соответствуют центральной диаграмме в верхней части рисунка.

Из общего количества воздуха, вдыхаемого в нормальных усло­виях человеком, около 150 мл не попадает в альвеолы и распреде­ляется в верхних дыхательных путях — глотке, гортани, трахее и бронхах — в так называемом мертвом пространстве (МП) и, сле­довательно, не участвует в газообмене.

Различают анатомическое и физиологическое мертвое про­странство. Объем анатомического мертвого пространства можно вычислить по формуле:

В обычных условиях величина анатомического МП довольно
постоянна.                                                          i

В процессе дыхания не весь вдыхаемый воздух достигает альве­ол и участвует в газообмене; поэтому возникает необходимость введения еще одного понятия — минутной альвеолярной вентиля­ции (МАВ). У взрослого человека МАВ составляет в среднем 2,5— 5 л/мин. Зависимость между минутным объемом дыхания (МОД) и минутной альвеолярной вентиляцией может быть выражена фор­мулами:

Поскольку МАВ определяет газообмен, уменьшение доли ее в МОД будет приводить к ухудшению газообмена и наоборот. При одном и том же МОД увеличение частоты дыхания (ЧД) приводит к снижению МАВ и, следовательно, к ухудшению газообмена. На рис. 17.31 показано, что один и тот же МОД (8000 мл) может быть получен при разной частоте дыхания (и, конечно, при разном ДО). Но если при нормальной ЧД и нормальном ДО доля альвеолярной вентиляции в МОД достаточно высока и составляет 5600 мл (см. рис. 17.31, б), то при тахипноэ МАВ снижается до 3200 мл, а доля объема, не участвующего в газообмене, увеличивается (см. 17.31, а). Это влечет за собой ухудшение газообмена и уве­личение цены дыхания.

Важным элементом адекватной спонтанной вентиляции легких здо­рового и больного организмов является синхронная деятельность


 


межреберных дыхательных мышц и диафрагмы в активной фазе дыхательного цикла, т. е. в период вдоха, обеспечивающая макси­мальное увеличение емкости грудной полости в этот период. В ряде случаев наблюдается расстройство такой синхронизации в резуль­тате действия различных факторов. Такая синхронизированная деятельность дыхательных мышц и диафрагмы называется «на­ружным парадоксальным дыханием». Во всех случаях при парадок­сальном дыхании возникают существенные нарушения газообмена, приводящие к гипоксии и гиперкапнии. На рис. 17.32 представлены возможные варианты такого нарушения вентиляции легких.


Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 41; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ