Физиология дыхательной системы

Легочные объемы:

Общая емкость легких (ОЕЛ) - количество воздуха, находящееся в легких после максимального вдоха. ОЕЛ колеблется в больших пределах (от 0,5 до 8 литров) и зависит от роста, возраста, пола, состояния легких и грудной клетки.

ОЕЛ состоит из 2 частей:

жизненной емкости легких (ЖЕЛ) - объема, который человек может максимально выдохнуть после глубокого вдоха (в норме ЖЕЛ=Д(олжная)ЖЕЛ±10%),

и остаточного объема (ОО) - объема воздуха, который остается в дыхательной системе даже после  максимального выдоха (N=1-1,2 л). Увеличение ОО снижает эффективность дыхания. Делится на коллапсный объем /выходит при спадании легкого/ и минимальный объем /истинный остаточный/.

Увеличение ЖЕЛ свидетельствует о повышении функциональных возможностей дыхательного аппарата. ЖЕЛ подразделяют на 3 составные части:

1. Дыхательный объем (ДО) - это объем воздуха, который человек вдыхает и выдыхает при каждом дыхательном цикле. В покое он составляет в среднем 20% от ЖЕЛ (0,3-0,6 л).

2. Резервный объем вдоха (РОвд) - воздух, который пациент может дополнительно вдохнуть, после спокойного вдоха /40% от ЖЕЛ/ (1,5-2,5 л).

3. Резервный объем выдоха (РОвд) - воздух, который пациент может максимально выдохнуть после спокойного выдоха /40% от ЖЕЛ/ (1,5-2,5 л).

Соотношение составных частей ЖЕЛ очень изменчиво. При физической нагрузке ДО может увеличиться до 80%, что сопровождается уменьшением РОвд и РОвыд до 10 %. ДО является показателем глубины дыхания.

Сумма ДО и РОвд    получила название емкость вдоха(ЕВ)

Сумма ОО и РОвыд получила название функциональной остаточной емкости (ФОЕ; объем воздуха, оставшийся после спокойного выдоха; N=2,5-3,5).

Величина ФОЕ отражает эффективность дыхания.

Все легочные объемы имеют должные величины, которые представлены в специальных таблицах. В таблицах отражена зависимость показателей не только от антропометрических параметров, но и от пола и возраста. Должные показатели приняты за индивидуальную норму.

Объем мертвого пространства (ОМП) - это воздух, находящийся в носоглотке, трахее и бронхах и не участвующий в газообмене. Это анатомическое мертвое пространство. Этот объем не доходит до альвеол и не обменивается кислородом с кровью. ОМП у взрослого составляет в среднем 140-150 мл. Чем больше этот объем, тем менее эффективно дыхание. Есть понятие физиологического мертвого пространства - к нему относятся не только воздухоносные пути, но и альвеолы, которые не кровоснабжаются /альвеолярное мертвое пространство/.

Коэффициент альвеолярной вентиляции (КАВ) указывает на то, какая часть воздуха обменивается при одном дыхании:

КАВ=(ДО-ОМП) / ФОЕ

В спокойном состоянии КАВ равен 1/7, то есть в альвеолах седьмая часть воздуха обменивается на атмосферный.

Методы измерения легочных объемов

1. Спирометрия - измерение легочных объемов. Позволяет определить ЖЕЛ, ДО, РОвд, РОвыд.

2. Спирография - регистрация легочных объемов. Позволяет документально зарегистрировать ЖЕЛ, ДО, РОвд, РОвыд, а также частоту дыхания.

3. Определение остаточного объема

- с помощью спирографа с замкнутым контуром с использованием гелия /по степени разведения  гелия/

- Общая плетизмография тела /бодиплетизмография/.

Сложная  дорогостоящая методика, выполняемая в специальной герметичной камере. Позволяет с высокой точностью определять общую емкость легких /ОЕЛ/ и остаточный  объем /ОО/.

Вышеуказанные показатели характеризуют не столько саму функцию дыхания, сколько потенциальную способность к выполнению этой функции.

4. Клинико-физиологическая   оценка   внешнего   дыхания. Функциональные показатели...

Физиологические показатели являются динамическими, т.к. характеризуют саму функцию внешнего дыхания во времени.

1. Минутный объем дыхания (МОД) - объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту. Этот показатель можно определить двумя методами: с помощью спирографии (ДО умножается на частоту дыхания) и путем сбора воздуха в мешок Дугласа. В покое МОД составляет 4-6 литров в минуту. При физиологической нагрузке учащение и углубление дыхания приводят к возрастанию МОД до 30 л/мин. (4-11 л)

2. Максимальная вентиляция легких (МВЛ). МВЛ - это максимальное количество воздуха, которое может вдохнуть и выдохнуть пациент за 1 минуту (ЧД – более 50 уд/мин; N=14-18). В норме человек должен за минуту максимально провентилировать объем, равный ЖЕЛ * 40.    (МВЛ=ДЖЕЛ*25 ±10%)

3. Форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ) - количество воздуха, которое пациент может выдохнуть за счет экспираторного маневра /максимально быстро и полно/. Характеризуется объемом форсированного выдоха за 1 секунду /ОФВ1сек/ (Форсированный экспираторный поток за 1 сек -  дословный перевод термина с англ.).– Нормируется как ФЖЕЛ/ЖЕЛ, это индекс Тифно. В норме он составляет не менее 80% ЖЕЛ. Его снижение указывает на нарушение проходимости бронхиального дерева.

Основные показатели, регистрируемые при выполнении ФЖЕЛ

-Пиковая экспираторная объемная скорость /ПОС/-максимальный показатель объемной скорости потока (л/сек) при выполнении ФЖЕЛ. Характеризует силу дыхательных мышц и калибр «главных» бронхов.

-Максимальная объемная скорость потока на уровне 25%, 50%, 75% от ФЖЕЛ. /МОС25%, МОС50%, МОС75%/. Определяется мгновенная скорость в данный момент форсированного маневра. Показатель характеризует уровень обструкции, т.е. уровень нарушения проходимости  в бронхиальном дереве. МОС25% характеризует проходимость на уровне крупных бронхов, МОС50%- на уровне средних бронхов, МОС75%- на уровне мелких бронхов.

Для ПОС и МОС существуют должные величины, с которыми проводится сопоставление полученных результатов.

Vвд, Vвыд – максимальная скорость вдоха (выдоха) – определяется методом пневмотахометрии: Vвыд в норме 5-8 л/сек для мужчин, 4-6 л/сек для женщин; Vвд в норме не менее 90% от Vвыд.

РД – резервы дыхания – резервные возможности дыхательной системы, которые могут быть мобилизованы при переходе от спокойного к форсированному дыханию. РД=МВЛ-МОД. (N=60% от МВЛ)

Коэффициент альвеолярной вентиляции (КАВ) указывает на то, какая часть воздуха обменивается при одном дыхании:

КАВ=(ДО-ОМП) / ФОЕ    

В спокойном состоянии КАВ равен 1/7, то есть в альвеолах седьмая часть воздуха обменивается на атмосферный.

КИК – коэффициент использования кислорода – характеризует количество кислорода, потребляемого из вдыхаемого воздуха за одну минуту (ПО2) N=40 ±10%

КИК=ПО2 (мл) / МОД (л)

Показатели объемной скорости нельзя получить при спирографии, для этого используется пневмотахография

Пневмотахография проводится с помощью приборов пневмотахометров, снабженных специальными датчиками - термоанемометрами, при прохождении струи выдыхаемого воздуха меняется электрическое сопротивление пропорционально объемной скорости воздушного потока, что позволяет по показаниям прибора вычислить основные параметры внешнего дыхания. Компьютерный анализ позволяет представить полученную информацию в виде кривой «поток-объем», которая отражает проходимость различных участков дыхательных путей.

5. Газообмен в легких и тканях…

В процессе внешнего дыхания происходит газообмен в легких. За счет этого формируется состав альвеолярного и выдыхаемого воздуха.

Газовый состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха

Внешнее дыхание необходимо для обновления альвеолярного воздуха, т.к. в процессе жизнедеятельности идет постоянный процесс потребления О2 и выделения СО2, это поддерживает концентрацию дыхательных газов в нем на постоянном уровне.

Интенсивность внешнего дыхания подчинена задачам обеспечения оптимальных условий для газообмена в организме. Оптимальные условия сохраняются в организме определенное время (3-4 секунды). Этим и определяется частота дыхания (14-18 в минуту). Таким образом, аппарат дыхания обладает резервами, которые позволяют обменивать воздух с определенной периодичностью.

Процесс газообмена состоит из 3-х этапов дыхания:

2 этапа дыхания. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью.

3 этапа дыхания. Транспорт газов кровью.

4 этапа дыхания. Обмен газов между кровью и тканями.

В основе 2 и 4 этапов дыхания лежат одни и те же механизмы, т.е. в основе обмена газов между альвеолами и кровью, а также кровью и тканями  лежит одно физическое явление - процесс диффузии.

Механизмы 2-го и 4-го этапов дыхания.

Мембраны клеток хорошо проницаемы для газов, следовательно  для перемещения газов из одной среды в другую не надо активного транспорта, а достаточно физического процесса диффузии.

В основе диффузии лежит разность концентраций. Молекулы из области большей концентрации распространяются в область меньшей концентра­ции.

Если газ находится над жидкостью, он также легко в неё переходит, растворяясь в ней. Интенсивность перехода газов в жидкость зависит от парциального давления газа над ней.

Давление газа в смеси с другими газами, выраженное в мм рт. ст., принято называть "парциальным давлением".

Давление газа, растворенного в жидкости, обозначают как "напряжение".

При относительно длительном контакте газов и жидкости в определенный момент времени парциальное давление газа над жидкостью и напряжение газа в жидкости выровняются.

При резком снижении парциального давления одного из газов либо снижении суммарного атмосферного давления жидкость с растворенными в ней газами начинает "кипеть" (до тех пор, пока вновь не выровняются парциальное давление и напряжение газов (примеры с шампанским, "кессонная болезнь" - помощь - экстренное помещение в барокамеру с постепенным снижением давления)).

Содержание дыхательных газов в альвеолярном воздухе, крови и тканях

Примечание: стрелочкой указано направление диффузии.

При этом следует иметь в виду, что аэрогематический барьер легких обладает определенной проницаемостью, которая характеризуется диффузионной способностью легких.

Диффузионная способность легких - это количество мл газа которое проходит за 1 минуту через легочную мембрану при  разнице парциальных давлений по обе стороны мембраны 1 мм.рт.ст. Для О2 составляет 20-25 мл, для СО2 она существенно больше/т.к. разница парциального давления меньше  многократно/, а объем выделяемого СО2 такой же как и О2. С возрастом диффузионная способность легких снижается. Гистагематический

6. Транспорт газов кровью…

Механизмы связывания газов кровью

1. Физическое растворение

2. Химическое связывание

1. Физическое растворение. В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород, углекислый газ, азот. Растворение О2 и СО2 в воде не играет физиологической роли.

2. Химическое связывание кислорода кровью.

Насыщение кровью кислородом зависит от:

1.      Альвеолярной вентиляции /pO2 в альвеолах/

2.      Кровотока в легких

3.      Диффузионной способности легких

4.      Содержания гемоглобина в эритроцитах

1 г HHb способен связать 1,35 мл О2. При содержании  гемоглобина 150 г/л (норма) каждые 100 мл крови переносят 20,8 мл О2. Это кислородная емкость крови.

Другой показатель-содержание кислорода в крови, взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной/20 мл О2/100 мл крови/ и венозной/14 млО2/100 мл крови/.

Следующий показатель - артерио-венозная разница/норма 5-6 мл О2/100 мл крови/.

Отношение кислорода, связанного с гемоглобином к кислородной емкости крови/все выраженное на 100 мл крови/ называется насыщение гемоглобина кислородом. В артериальной крови оно составляет в норме 96%.

Гемоглобин присоединяет кислород с помощью непрочной водородной связи, с образованием оксигемоглобина Эта реакция обратима: Нв+О2=НвО2

Направленность реакции зависит от содержания кислорода: если количество кислорода в крови увеличивается, то реакция идет в сторону образования оксигемоглобина, если уменьшается - то в противоположную сторону.

Динамика взаимодействия Нв и О2 отражается кривой диссоциации оксигемоглобина. Эта кривая количественно определяет приведенную выше реакцию связывания гемоглобином кислорода. Кривая отражает общую закономерность: увеличение количества кислорода сопровождается усиленным образованием оксигемоглобина. Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет S-образный вид. Это связанно с тем, что до 10 мм рт. ст. кислород связывается гемоглобином медленно, затем до 60-50 мм рт. ст. скорость реакции резко увеличивается, кривая круто поднимается вверх, при давлении 90 мм рт. ст., когда более 98% гемоглобина связано с кислородом, она вновь идет почти горизонтально.