Эластическое сопротивление - (Elastance).
Эластическое сопротивление респираторной системы определяется суммой сопротивлений собственно легочной ткани и грудной стенки с диафрагмой. Однако, удельная величина этих сопротивлений неодинакова в разных возрастных группах. У здоровых взрослых сопротивление грудной клетки и диафрагмы составляет около 50% от общего, у годовалых детей - 30%, у доношенных новорожденных - 20%, у недоношенных новорожденных всего 10%. Поэтому крайне податливая грудная клетка у недоношенных вслед за легкими спадается сильнее, чем у доношенных детей. Этому способствует увеличенная эластическая тяга легких за счет повышенного поверхностного натяжения в альвеолах и дистальных бронхиолах, что связано с дефицитом сурфактанта. Это приводит к снижению ФОЕ и ателектазированию части альвеол и бронхиол с одной стороны, и к развитию ЭЗДП и появлению «воздушных ловушек» в хорошо вентилируемых зонах с другой стороны. И, напротив, у пожилых пациентов грудная клетка становится ригидной, поэтому и сопротивление ее к растяжению значительно возрастает. Эластическое сопротивление принято оценивать через обратную ему величину, то есть растяжимость (или податливость), обозначаемую С - (compliance). Податливость отражает отношение изменения объема (Д V) к изменению давления (ДР), выраженное в литрах на см Н2О (для удобства в мл/см Н2О). С = ДV/ДP.
Податливость респираторной системы зависит от следующих факторов:
- - Содержания в легочной ткани эластических и коллагеновых волокон.
- - Поверхностного натяжения пленки жидкости, выстилающей альвеолы, которое определяется количеством сурфактанта (у недоношенных дефицит сурфактанта)
- - Эластичности дыхательных путей и сосудов легких.
- - Объема крови в сосудах легких.
- - Состояния гидратации легочного интерстиция.
- - Состояния плевральных полостей. Наличие в них воспалительного экссудата, крови, лимфы, транссудата, инфузата или воздуха ограничивает С .
- - Состояния диафрагмы. Высокое стояние диафрагмы при парезе кишечника, перитоните, диафрагмит, диафрагмальные грыжи - важные факторы рестрикции
Изменение объема легких при вдувании в них газа нелинейно по отношению к изменению давления этого газа. Эта зависимость выражается в виде кривой P/V (давление/объем) инспираторной. При опорожнении легких эта зависимость отражается кривой P/V экспираторной, которая по форме не совпадает с кривой вдоха. Таким образом, на графике возникает «петля P/V». Это несовпадение связано с тем, что при одинаковом объеме газа в легких, во время вдоха давление газа выше, чем во время выдоха (Pi > Pe). Это явление получило название гистерезис. Объясняется гистерезис потерей энергии на преодоление сил поверхностного натяжения альвеол, на растяжение эластических элементов легочной ткани и вязкостного (тканевого) сопротивления, то есть на преодоление сил внутритканевого трения. Петля P/V может иметь различные конфигурации, в зависимости от механических свойств легких (податливости), величины ФОЕ, а также объемов и давлений, применяемых при вдувании газа. Влияние ФОЕ на конфигурацию петель P/V иллюстрируется рис. 1. Таким образом, даже поверхностный взгляд на конфигурацию петли P/V без анализа цифровых данных позволяет получить представление о легочной механике пациента. Некоторые отечественные авторы недооценивают информацию, получаемую при анализе петель P/V и V/F, и считают, что достаточно оценивать графики давления и потока, к примеру, Царенко С. В. 2007. Однако, многие сотни публикаций в мировой литературе по интенсивной терапии за последнее десятилетие посвящены именно анализу петель и клинической интерпретации полученной информации.
Измерения растяжимости респираторной системы пациентов в клинике могут выполняться различными методами.
При статических методах (применяемых у взрослых) пациент отключается от аппарата ИВЛ, после 5 секундного выдоха в легкие медленно, ступенчато вдувается 3 литра кислорода (либо вдувание продолжается до достижения давления в 45см Н2О), измерения давления проводятся в отсутствии потоков газа (для исключения влияния аэродинамического сопротивления) через каждые 50-100 мл объема, как во время вдоха, так и во время выдоха. Таким образом выстраивается петля P/V. Cтатические методы (подробности в спец. литературе) весьма громоздки, требуют наличия специальной аппаратуры, выполняются в условиях миоплегии и седации, а измерения занимают не менее 45 секунд, что неприемлемо для детей раннего возраста. Но информация, полученная таким образом, является точной, объективной и отражает истинную растяжимость респираторной системы, если в расчетах используется трансторакальное давление (PIP плато - Ратм, которое принимается за ноль). Для измерения растяжимости собственно легких используется транспульмональное давление (PIP плато - Р плевральное). За плевральное давление принимается внутрипищеводное, для измерения которого нужны специальные датчики (баллонные).
Квазистатические методы тоже выполняются в условиях миоплегии и седации в условиях постоянного низкоскоростного потока в контуре пациента (обычно менее 9 литров в минуту). При этом аэродинамическое сопротивление дыхательных путей почти не влияет на конфигурацию петли, так как величина его незначительна. Пациента не отсоединяют от аппарата ИВЛ, а измерения занимают меньше времени (около 30 секунд). Информация с дыхательного монитора выводится на принтер, как графическая, так и цифровая. Все что для выполнения квазистатического измерения растяжимости респираторной системы требуется - наличие в аппарате ИВЛ генератора постоянного потока и программное обеспечение, а также дыхательный монитор с принтером. Все вентиляторы 4-5 поколений имеют такое программное обеспечение, которое является опцией. При использовании потоков менее 5 литров квазистатические графики полностью совпадают со статическими, однако, измерения занимают больше времени.
В настоящее время в развитых странах измерения растяжимости респираторной системы у вентилируемых пациентов с легочной патологией являются рутинными и обязательными, особенно у больных с ARDS. Параметры ИВЛ устанавливаются на основании анализа полученных графиков и цифровой информации.
Типичная петля P/V при ARDS у взрослых представлена на рис. 2. На кривой вдоха, которая имеет S-образную форму, выделяют две точки, после которых резко изменяется растяжимость респираторной системы. Между этими точками прирост объема легких носит относительно линейный характер (в виде прямой). У разных авторов эти точки называются по-разному, но наиболее часто они именуются «точками перегиба»: нижней - LIP (low inflection point) и верхней - UIP (upper inflection point). «Классическая» интерпретация формы кривой вдоха объясняет наличие LIP низкой ФОЕ и массивным раскрытием спавшихся альвеол и мелких дыхательных путей (recruitment), а наличие UIP полным раскрытием альвеол и началом их перерастяжения, так как прирост объема становится незначительным, по сравнению с приростом давления. OLC- open lung concept (концепция открытого легкого) предложенная в 1993г предусматривала установление РЕЕР у больных с ARDS на уровне LIР+2см (в среднем 12см Н2О), что стало стандартной практикой 90х и начала XXI века. Однако, не все авторы согласны с таким принципом подбора оптимальных значений РЕЕР (the best PEEP). Holzapfel L. et al 1983; заявили, что LIP является «неправильной» точкой, а «истинная» точка расположена на кривой выдоха - СРР (collapse pressure point) от которой легкие начинают быстро терять объем. Такого же мнения придерживаются Rimensberger P. et al 1999; Эти авторы считают, что для раскрытия ателектазов нужно большее давление, чем для поддержания альвеол в открытом состоянии. Отсутствие LIP на инспираторной ветви кривой P/V у больных с ARDS (или даже отрицательная кривизна начального участка) свидетельствует о негомогенном характере повреждения легких, то есть о достаточной ФОЕ и наличии значительного количества нормально вентилируемых (легко рекрутируемых) альвеол, что подтверждалось данными КТ легких. У таких больных высокие значения РЕЕР при ИВЛ приводили к выраженному перерастяжению легких и волюмтравме за счет увеличения ФОЕ и конечного инспираторного объема (Vieira S. et al 1999;).
Важность UIP заключается в возможности профилактировать повреждение легких высоким объемом - волюмтравму. PIP или Vt, в зависимости от способа ИВЛ (контроль давления или объема) должны ограничиваться значениями не выше этой точки. Иногда UIP четко не выявляется на графике, что, однако, не свидетельствует об отсутствии перерастяжения альвеол. Hickling K. et al 1998; объясняют это продолжающимся раскрытием «медленных» альвеол.
Существует 4 графических способа определения «правильной» локализации LIP и UIP. На самом деле изменения растяжимости происходят более плавно и точки эти не всегда четко видны на кривой P/V. Во избежание ошибок Harris R.S. et al 1999; предложили их математическое вычисление методом регрессивного анализа. К настоящему времени уже разработан математический аппарат для вычисления различных коэффициентов и индексов при анализе петли P/V. Например, HA - hysteresis area (вычисление площади петли P/V) и HR - hysteresis ratio (отношение НА к площади прямоугольника, в который эта петля вписывается), по которым оценивают эффект от проведения рекрутирующих маневров. Вполне вероятно, что в недалеком будущем программа полного математического анализа графиков P/V будет вводиться в дыхательные мониторы.
Динамическая растяжимость респираторной системы - Cdyn определяется в реальном времени у постоянно дышащего пациента и выводится на дисплей дыхательного монитора. На результаты измерения влияет Raw тем больше, чем выше частота дыхательных циклов, а, следовательно, короче время вдоха и выдоха. При этом не все отделы легких успевают вентилироваться (только «быстрые» альвеолы) и велика вероятность недостаточного опорожнения легких и возникновения «воздушных ловушек», то есть увеличения ФОЕ. Кроме того, у младенцев Raw значительно выше из-за малого калибра дыхательных путей. Поэтому статическая растяжимость респираторной системы всегда выше динамической.
Cdyn = Vt/PIP - PEEP.
На результаты измерений у младенцев сильно влияет величина утечки газа между интубационной трубкой и трахеей (которая завышает Vt). Датчик потока должен присоединяться непосредственно к коннектору ИТ. Собственно, Cdyn не является показателем «истинной» растяжимости респираторной системы, а отражает ее состояние при данных конкретных параметрах ИВЛ. Некоторые авторы, поэтому, считают, что понятие Cdyn является неправомерным, а следует употреблять термин «динамические характеристики легких».
Тем не менее, наблюдение за петлей P/V на дисплее дыхательного монитора в динамике дает много полезной информации, так как закономерности изменения ее конфигурации во многом соответствуют тем, что были получены статическими методами, в частности помогает предотвратить перерастяжение легких.
На рис. 3 представлены типичные «динамические» конфигурации петель P/V:
- А) Здоровые легкие. Физиологические параметры ИВЛ.
- В) Перерастяжение здоровых легких избыточным Vt.
C) Снижение растяжимости, ФОЕ снижена.
D) Снижение растяжимости, ФОЕ снижена, перерастяжение легких высоким Vt.
E) Снижение растяжимости, ФОЕ повышена.
Снижение растяжимости респираторной системы, вне зависимости от причины, проявляется снижением угла наклона петли к оси давления. Клиницисты называют такую петлю «лежачей». При снижении растяжимости легких, связанном с увеличением количества воды в интерстиции и сниженной ФОЕ, всегда возрастает гистерезис. При такой петле клиницисты называют легкие «жесткими» (если причина не связана с патологией в животе и плевральных полостях).
Изменение растяжимости легких у недоношенных с RDS после применения сурфактанта может произойти очень быстро. При этом ИВЛ с установленными первоначально параметрами вызовет развитие волюмтравмы и гипервентиляции. Это, в свою очередь, приведет к развитию респираторного алкалоза, что чревато серьезными последствиями. Избежать подобных осложнений можно, оценивая динамику изменений петли P/V и проводя своевременную коррекцию параметров вентиляции.
Нормальные значения С у здоровых взрослых 50 - 80мл/см Н2О, у здоровых новорожденных (по данным разных авторов) 3 - 6мл/см Н2О. К годовалому возрасту С увеличивается в 1,5 раза. У недоношенных детей с RDS С может снижаться менее 0,5мл/см Н2О.
Абсолютные значения С у взрослых и детей раннего возраста невозможно сравнивать из-за большой разницы в объеме легких. Однако, эта разница устраняется, если учитывать отношение растяжимости к объему ФОЕ. Этот показатель - С/ФОЕ называется удельной растяжимостью. У взрослого и годовалого ребенка эти величины одинаковы. У новорожденных удельная растяжимость ниже.
Все разнообразие нарушений легочной механики определяется сочетанием нарушений Raw и С. При преобладании нарушений Raw имеет место обструкция, а при преобладании нарушений С - рестрикция. Довольно часто имеет место сочетание этих нарушений в равной степени, либо с преобладанием того ли иного компонента. К примеру: при накоплении жидкости в легочном интерстиции снижается растяжимость, но отек начинает сдавливать дыхательные пути, лишенные хрящевого каркаса, увеличивая Raw. Существуют и характерные клинические признаки, позволяющие «на глаз» определить у младенца преобладание рестриктивного или обструктивного компонентов дыхательной недостаточности. Одышка при преобладании рестрикции отличается высокой частотой, дыхание поверхностное с участием вспомогательной мускулатуры на вдохе с выраженным втяжением податливых мест грудной клетки, при аускультации хрипы и «хрюканье». При преобладании интраторакальной обструкции одышка отличается меньшей частотой, втяжения уступчивых мест грудной клетки отмечаются не всегда, вспомогательная мускулатура участвует как во вдохе, так и выдохе (напряжение мышц живота), может быть снижение амплитуды дыхательных экскурсий, а грудная клетка вздута (в состоянии вдоха), выдох заметно удлинен, при аускультации во время выдоха фонация - экспираторный стридор. Рентгенологически: при рестрикции снижен объем легких и повышена «плотность» легочной ткани, при обструкции объем легких повышен, а легочная ткань повышенно «прозрачна».
Когда воздух идет в легкие, молекулы газа встречают сопротивление, так как ударяются о стенки воздухоносных путей. Поэтому диаметр воздухоносных путей влияет на сопротивление.
Сопротивление увеличится, если диаметр бронхиол уменьшится. Когда диаметр уменьшается, сопротивление растет, так как больше молекул газа «сталкиваются» со стенкой воздухоносных путей
При повышении сопротивления воздухоносных путей поток воздуха уменьшится. Поток воздуха обратно пропорционален сопротивлению. Это отношение показывает уравнение: Поток воздуха = Давление / Сопротивление.
В здоровых легких ход воздуха обычно не встречает значительного сопротивления: воздух легко входит в легкие и выходит из них.
Факторы, изменяющие сопротивление дыхательных путей
Несколько факторов изменяют сопротивление дыхательных путей, изменяя диаметр воздухоносных путей. Они вызывают сокращение и расслабление гладкой мускулатуры стенки воздухоносных путей, главным образом, бронхиол.
При освобождении ацетилхолина из нервных окончаний происходит сокращение гладкой мускулатуры бронхиол. Увеличение сопротивления воздухоносных путей снижает поток воздуха.
Гистамин , освобождающийся при аллергических реакциях, сужает бронхиолы. Это повышает сопротивление воздухоносных путей и уменьшает поток воздуха, затрудняя дыхания.
Адреналин , выбрасываемый мозговым веществом надпочечников, расширяет бронхиолы, снижает сопротивление воздухоносных путей. Это значительно повышает воздушный поток, обеспечивая адекватный газообмен.
Эластичность легких
Легкость, с которой легкие растягиваются, называется растяжимостью. Это свойство определяется 2 факторами: растяжимостью эластических волокон легких; поверхностным натяжением альвеол.
Шарик, сделанный из тонкой эластичной резины, легко надувается при небольшом давлении, так как имеет высокую растяжимость. Здоровые легкие имеют высокую растяжимость, так как богаты эластической тканью.
Шарик, сделанный из жесткой резины трудно надуть, так как он обладает низкой растяжимостью. Низкая растяжимость легких наблюдается при некоторых патологических состояниях, таких как фиброз, когда в легких увеличивается количество менее растяжимых тканей.
Рис. 9. Сравнение эластичности легких
Поверхностное натяжение
Второй фактор, изменяющий легочную растяжимость – это поверхностное натяжение альвеол. Некоторые недоношенные младенцы не продуцируют сурфактант, поэтому легочная растяжимость у них низкая. Без сурфактанта альвеолы имеют высокое поверхностное натяжение и могут спадаться. Спавшиеся альвеолы не способны к растяжению. Это состояние известно как респираторный дистресс синдром новорожденных . Сурфактант снижает поверхностное натяжение и повышает растяжимость легких.
Резюме
Мышечные сокращения вызывают изменения объема грудной клетки при дыхании. Изменения объема грудной клетки приводят к изменению внутриплеврального и внутриальвеолярного давления, что позволяет воздуху двигаться от участка с высоким давлением к участку с низким давлением.
Сопротивления воздухоносных путей в норме низкое, но воздействие нервных и гуморальных влияний могут изменить диаметр бронхиол, а, следовательно, изменить сопротивление и поток воздуха.
Растяжимость легких в норме высока за счет того, что легкие богаты эластической тканью и сурфактант снижает поверхностное натяжение альвеолярной жидкости.
Контрольные вопросы для самостоятельной внеаудиторной работы по II разделу:
1. Процесс дыхания. Значение закона Бойля для объяснения процесса дыхания.
2. Механизм вдоха и выдоха при спокойном дыхании.
3. Значение внутрилегочного и внутриплеврального давления в процессе дыхания.
4. Факторы, участвующие в создании и поддержании отрицательного внутриплеврального давления.
5. Изменения внутриплеврального давления на вдохе и на выдохе.
6. Пневматоракс как причина нарушения внешнего дыхания.
7. Факторы, влияющие на сопротивление дыхательных путей.
8. Роль эластической тяги легких и поверхностного натяжения альвеол в процессах вдоха и выдоха.
Раздел III
Транспорт газов
Кровь транспортирует кислород и углекислый газ между легкими и другими тканями организма. Газы переносятся в различной форме: растворимые в плазме, химически связанные с гемоглобином, превращенные в другие молекулы.
Рис. 10. Транспорт газов системой кровообращения
Транспорт кислорода
98,5 % кислорода связывается с гемоглобином.
1,5 % кислорода растворяется в плазме.
Гемоглобин
Молекула гемоглобина может транспортировать 4 молекулы кислорода. Когда 4 молекулы кислорода связано с гемоглобином – это 100 % насыщение . Когда меньше кислорода связано с гемоглобином – это частичное насыщение .
Рис. 11. Молекула гемоглобина
Кислород связывается с гемоглобином вследствие его высокого парциального давления в легких. Кооперативное связывание: аффинность гемоглобина к кислороду растет по мере его насыщения.
Аффинность гемоглобина к кислороду снижается при снижении насыщения.
Кривая диссоциации оксигемоглобина
Насыщение гемоглобина определяется парциальным давлением кислорода. Кривая диссоциации оксигемоглобина имеет S-образную форму. Плато при высоком давлении кислорода. Крутой спуск при низком парциальном давлении кислорода.
Рис. 12. Кривая диссоциации оксигемоглобина.
Насыщение гемоглобина при высоком парциальном давлении кислород а.
Человек находится на уровне моря: рО2=100 мм рт ст – гемоглобин насыщен на 98 %.
Человек на высокогорье: рО2=80 мм рт ст – гемоглобин насыщен на 95 %.
Даже когда уровень рО2 снижается на 20 мм рт ст почти нет разницы в насыщении гемоглобина кислородом.
При снижении рО2, гемоглобин достаточно насыщается кислородом, вследствие высокой аффинности (связывающей способности) гемоглобина и кислорода.
Насыщение гемоглобина при низком парциальном давлении кислород а
При рО2=40 мм рт ст, гемоглобин имеет низкую аффинность к кислороду и насыщается только на 75 %. При сильных мышечных сокращениях уровень рО2 в работающей мышцы ниже, чем в покое.
Активно сокращающиеся мышцы: потребляют кислорода больше, имеют сниженный рО2 = 20 мм рт ст. Гемоглобин при этом насыщен кислородом только на 35 %. Так как рО2 ниже, гемоглобин отдает больше кислорода тканям.
Факторы, влияющие на насыщение гемоглобина кислородом
Кроме рО2, насыщение гемоглобина зависит от других факторов: рН, температура, рСО2, дифосфоглицерата.
Рис. 13. Изменения кривой диссоциации оксигемоглобина
При физических упражнениях :
Снижается рН,
Повышается температура,
Повышается рСО2,
Повышается концентрация дифосфоглицерата.
При физических упражнениях аффинность гемоглобина к кислороду снижается, освобождается больше кислорода в работающей мышце.
Когда рН снижается, кривая сдвигается вправо (увеличивается отдача кислорода).
Сходные изменения кривой диссоциации оксигемоглобина наблюдаются при: повышении температуры, повышении рСО2, повышении концентрации дифосфоглицерата.
Эффект снижении температуры
Рис. 14. Изменения кривой диссоциации оксигемоглобина
При понижении температуры аффинность гемоглобина к кислороду повышается. Сходные изменения кривой диссоциации оксигемоглобина наблюдаются при: повышении рН, понижении рСО2, понижении концентрации дифосфоглицерата.
Транспорт углекислого газа
СО2 диффундирует из клеток тканей.
7 % растворяется в плазме.
93% диффундирует в эритроциты. Из них: 23 % связывается с гемоглобином, 70% превращается в бикарбонаты.
|
Рис. 15. Транспорт углекислого газа кровью
Из общего СО2 23% связывается с глобином молекулы гемоглобина и формируется карбаминогемоглобин . Карбаминогемоглобин образуется в местах с высокой концентрацией углекислого газа. Реакция образования карбаминогемоглобина обратима. В легких, где низкий рСО2, СО2 диссоциирует от карбаминогемоглобина.
Из общего СО2 крови 70 % превращается в бикарбонаты в эритроцитах. В местах с высоким рСО2, СО2 связывается с Н2О с формированием угольной кислоты. Эта реакция катализируется карбангидразой .
Угольная кислота диссоциирует на ионы водорода и бикарбонатный ион. Ион водорода связывается с гемоглобином. В обмен на ион бикарбоната, выходящий из эритроцита, в эритроцит входит ион хлора, чтобы поддержать электрическое равновесие. В плазме ион бикарбоната действует как буфер, контролируя рН плазмы.
В легких СО2 диффундирует из плазмы в альвеолы. Это снижение рСО2 плазмы вызывает инверсию химической реакции. Ион бикарбоната диффундирует обратно в эритроцит в обмен на ион хлора. Ион водорода соединяется с бикарбонатным ионом, чтобы сформировать угольную кислоту. Угольная кислота распадается на СО2 и Н2О. Эта обратная реакция также катализируется карбангидразой .
Процессы, происходящие в легких
Когда гемоглобин насыщается кислородом, его аффинность к СО2 падает. Насыщение гемоглобина кислородом усиливает выход СО2. Это называется эффектом Холдейна .
Процессы, происходящие в тканях
Взаимодействие между связываением иона водорода и аффинность гемоглобина к кислороду называется эффектом Бора . При образовании ионов водорода, насыщение углекислым газом облегчает выход кислорода.
Резюме
Кислород транспортируется двумя способами:
ñ Растворяется в плазме,
ñ В связи с гемоглобином в виде оксигемоглобина.
Насыщение гемоглобина кислородом зависит от:
ñ Температуры
ñ Уровня дифосфоглицерата
Транспорт СО2 происходит тремя способами:
ñ Растворенный в плазме
ñ В связи с гемоглобином в виде карбаминогемоглобина
ñ Превращенный в бикарбонат.
Контрольные вопросы для самостоятельной внеаудиторной работы по III разделу:
1. Транспорт кислорода кровью. Значение гемоглобина в этом процессе.
2. Анализ кривой дисссоциации оксигемоглобина.
3. Изменение насыщения гемоглобина кислородом при высоком и низком его парциальном давлении во вдыхаемом воздухе.
4. Факторы, влияющие на насыщение гемоглобина кислородом.
5. Транспорт углекислого газа кровью. Роль карбоангидразы.
Раздел IV
Газообмен
Кислород и углекислый газ диффундируют между альвеолами и легочными капиллярами, а также между системными капиллярами и клетками тела. Диффузия этих газов, происходящая в противоположных направлениях, называется газообменом.
Атмосферный воздух – это смесь газов. Совместное давление всех газов создает атмосферное давление. На уровне моря атмосферное давление равно 760 мм рт ст. Каждый газ в атмосфере ответственен за часть этого давления в пропорции, соответствующей его процентному содержанию в атмосфере.
Влияние высокогорья на парциальное давление газов
Атмосферное давление снижается с увеличением высоты. На вершине Mt. Whitney атмосферное давление примерно равно 440 мм рт ст.
ñ Р О2 на Mt. Whitney = 92 мм рт ст
ñ Р О2 на уровне моря = 159 мм рт ст.
Закон Генри
Количество газа, которое растворяется в жидкость пропорционально:
ñ Парциальному давлению газа
ñ Растворимости газа.
В состоянии равновесия давление кислорода в газе примерно равно его давлению в жидкости, так как молекулы газа диффундируют в обоих направлениях.
При повышении давления больше О2 растворено в жидкости. Хотя оба газа О2 и СО2 находятся при одинаковом давлении, количество растворенного СО2 выше. СО2 более растворимый газ, чем О2.
|
|
Рис.16. Закон Генри
Места газообмена .
Внешнее дыхание :
ñ СО2 диффундирует из легочных капилляров в альвеолы
ñ О2 диффундирует из альвеол в легочные капилляры.
Внутреннее дыхание :
ñ О2 диффундирует из капилляров системного кровообращения к клеткам
ñ СО2 диффундирует от клеток в системные капилляры.
Факторы, влияющие на внешнее дыхание
Эффективность внешнего дыхания зависит от 3 главных факторов:
1. Площадь поверхности и структура респираторной мембраны.
2. Градиенты парциального давления.
3. Соответствие альвеолярной вентиляции и кровотока по легочным капиллярам.
Внешнее дыхание: парциальное давление
Градиент парциального давления газов обеспечивает газообмен между альвеолами и легочными капиллярами. Парциальное давление газов в альвеолярном воздухе отличается от атмосферного воздуха:
Альвеолярный воздух:
ñ рО2 = 104 мм рт ст;
ñ рСО2 = 40 мм рт ст;
ñ рН2О = 47 мм рт ст.
Атмосферный воздух:
ñ рО2 =159 мм рт ст;
ñ рСО2 = 0,3 мм рт ст;
ñ рН2О -=3,5 мм рт ст.
Рис. 17. Парциальное давление газов в альвеолярном воздухе
Это отличие зависит от ряда факторов :
Увлажнение вдыхаемого воздуха.
Газообмен между альвеолами и легочными капиллярами.
Смешивание «нового» и «старого» воздуха.
При движении воздуха по воздухоносным путям он увлажняется.
Постоянный газообмен О2 и СО2 в альвеолах изменяет парциальное давление газов.
В промежуткам между вдохами альвеолы не остаются пустыми: воздух в альвеолах является смесью «старых» и «новых» порций.
Внешнее дыхание: насыщение кислородом
О2 диффундирует по градиенту парциального давления из альвеол в кровь до достижения равновесия. Равновесие по кислороду достигается уже в первой прети длины легочных капилляров.
Рис. 18. Насыщение кислородом
Внешнее дыхание: выделение углекислого газа
СО2 диффундирует по градиенту парциального давления из крови легочных капилляров в альвеолы до достижения равновесия. Равновесие по углекислому газу достигается уже через 0,4 длины легочных капилляров.
Рис. 19. Выделение углекислого газа
Внешнее дыхание: обмен кислорода и углекислого газа
Насыщение кислородом и выделение углекислого газа происходит одновременно. При вдохе вы пополняете запасы кислорода. При выдохе Вы удаляете углекислый газ.
Углекислый газ хорошо растворим в крови, что позволяет большому количеству молекул диффундировать при небольшом градиенте парциального давления. Кислород мало растворим, поэтому необходим большой градиент концентраций.
Вентиляционно-перфузионное соотношение
Вентиляционно-перфузионное соотношение облегчает эффективный газообмен; при этом поддерживается оптимальное соотношение между альвеолярной вентиляцией и кровотоком по легочным капиллярам.
Когда ограничивается воздушный кровоток по бронхиоле (в просвете - слизь) снижается рО2 в соответствующих альвеолах, что вызывает локальную констрикцию артериол. Кровь «перенаправляется» в альвеолы с высокой вентиляцией, где больше кислорода может поступить в кровь.
Когда воздушный поток по бронхиоле увеличен, это приводит к повышению рО2 в соответствующих альвеолах и к локальной дилатации артериол. Больше крови поступает к альвеолам – кровь лучше насыщается кислородом.
Рис. 20. Эффект снижения насыщения кислородом
Рис.21. Эффект повышения насыщения кислородом
Вентиляционно-перфузионное соотношение поддерживается тем, что :
ñ Артериолы отвечают на изменение рО2,
ñ Бронхиолы отвечают на изменение рСО2.
Когда поток воздуха через бронхиолу снижается ниже нормы, в альвеолах накапливается углекислый газ. В ответ на это бронхиола расширяется, чтобы удалить избыток СО2.
Рис. 22. Эффект накопления углекислого газа
Когда воздушный поток через бронхиолу избыточно высок (по отношению к кровоснабжению) р СО2 в альвеолах снижается. При этом бронхиола сужается, чтобы снизить воздушный поток пропорционально локальному кровотоку.
Рис. 23. Эффект снижения напряжения углекислого газа
Представьте себе, что вентиляция альвеолярного мешочка снизилась из-за опухоли:
ñ рО2 снизилось, так как кислород не входит в альвеолы в достаточном количестве,
ñ рСО2 повысилось, так как избыток углекислого газа не удаляется.
Снижение рО2 вызовет констрикцию артериол.
Повышение рСО2 вызовет дилатацию бронхиолы.
Внутреннее дыхание
Кислород диффундирует из системных капилляров к клеткам. Углекислый газ диффундирует из клеток в системные капилляры.
Внутреннее дыхание зависит от:
1. Достаточной площади газообмена, которая варьирует в разных тканях.
2. Градиента парциального давления.
3. Уровня кровотока в ткани (в зависимости от метаболических потребностей и т.д.) .
рО2 крови, входящей в системный капилляр ниже, чем альвеолярный рО2.
Эта небольшая разница связана, главным образом, с несовершенным вентиляционно-перфузионным соотношением в легких. Газообмен продолжается до достижения равновесия.
Рис. 24. Внутренне дыхание: диффузия газов
Резюме
Согласно законам физики существует взаимосвязь между парциальным давлением, растворимостью и концентрацией газов. Газы диффундируют по градиенту парциального давления из мест с высоким парциальным давлением в места с низким парциальным давлением.
Внешнее дыхание: О2 заходит из альвеол в легочные капилляры; СО2 выходит из легочных капилляров в альвеолы.
Внутреннее дыхание: О2 выходит из системных капилляров к клеткам; СО2 из клеток идет в системные капилляры.
Эффективный газообмен зависит от ряда факторов, включая площадь поверхности обмена, градиенты парциального давления, кровоток и воздушный поток в воздухоносных путях.
При внешнем дыхании поддерживается оптимальное вентиляционно-перфузионное соотношение.
Контрольные вопросы для самостоятельной внеаудиторной работы по IV разделу:
1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.
2. Альвеолярная газовая смесь, причины постоянства ее состава.
3. Механизм газообмена между альвеолярной газовой смесью и кровью. Значение закона Генри.
4. Факторы, которые могут изменить внешнее дыхание.
5. Факторы, влияющие на внутреннее дыхание.
Эластическое сопротивление легочной ткани растягиванию ее вдыхаемым воздухом зависит не только от эластических структур легкого. Оно обусловлено также поверхностным натяжением альвеол и наличием сурфактанта — фактора, понижающего поверхностное натяжение.
Это вещество, богатое фосфолипидами и липопротеидами, образуется в клетках альвеолярного эпителия. Сурфактант препятствует спадению легких при выдохе, а поверхностное натяжение альвеолярных стенок предупреждает чрезмерное растягивание легких на вдохе. При форсированном вдохе перерастяжению легочных альвеол мешают также эластические силы самих легочных структур.
Эффективность внешнего дыхания может быть оценена по величине легочной вентиляции. Она зависит от частоты и глубины дыхания. Величина легочной вентиляции косвенно связана с жизненной емкостью легких. Взрослый человек за 1 дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем около 500 см 3 воздуха.
Этот объем называется дыхательным. При дополнительном, После нормального вдоха, максимальном вдохе можно вдохнуть еще 1500 — 2000 см 3 воздуха (дополнительный объем вдоха). После спокойного выдоха можно дополнительно выдохнуть еще около 1500 см 3 воздуха. Это дополнительный Объем выдоха. Жизненная емкость легких равна суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и выдоха.
«Физиология человека», Н.А. Фомин
Дыхание — непрерывный биологический процесс газообмена между организмом и внешней средой. В процессе дыхания атмосферный кислород переходит в кровь, а образовавшийся в организме углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом. Дыхание подразделяется на внешнее (легочное) и внутреннее (тканевое). Промежуточное звено между ними — перенос газов кровью — позволяет говорить о дыхательной функции крови. Дыхание у человека…
Легочная вентиляция в покое составляет 5 — 6 дм3. При мышечной работе она возрастает до 100 дм3 и более в 1 мин. Наибольшие величины легочной вентиляции (до 150 дм3/мин) могут быть получены при произвольном глубоком и частом дыхании (максимальная легочная вентиляция). В процессе внешнего дыхания происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Обмен газов в…
Внутреннее дыхание начинается с момента доставки кислорода от легочных капилляров к тканям. Транспорт кислорода осуществляется форменными элементами крови — эритроцитами — и отчасти плазмой крови. У здорового человека в нормальных условиях жизнедеятельности гемоглобином может быть связано около 20 см3 O2 на 100 см3 крови (1 г Нb связывает 1,34 см3 02, 15 г — 20,1…
Парциальное давление O2 в тканях непостоянно. При интенсивной работе оно может быть близким к нулю. Поэтому кислород артериальной крови быстро переходит в ткани. Парциальное давление O2 в артериальной крови составляет 13 — 13,5 кПа. В венозной крови парциальное давление O2 уменьшается в два и более раза. В ней содержится 10 — 12 см3 O2 на…
Повышенные энергетические траты, связанные с мышечной работой, сопровождаются усилением обменных процессов, протекающих как в анаэробных, так и в аэробных условиях. В дыхательной функции при мышечной работе происходят адаптационные изменения, которые совершенствуются по мере роста тренированности. В результате систематической мышечной деятельности происходит увеличение жизненной емкости легких. У спортсменов зрелого возраста она составляет в среднем 4,7 —…
Дыхательные мышцы совершают работу, равную в покое 1–5 Дж и обеспечивающую преодоление сопротивления дыханию и создание градиента давления воздуха между легкими и внешней средой. При спокойном дыхании на работу дыхательных мышц затрачивается лишь 1 % потребляемого организмом кислорода (ЦНС потребляет 20 % всей энергии). Расход энергии на обеспечение внешнего дыхания незначителен, т.к.:
1. при вдохе грудная клетка расправляется сама за счет собственных упругих сил и способствует преодолению эластической тяги легких;
2. внешнее звено системы дыхания работает подобно качелям (значительная часть энергии сокращения мышц переходит в потенциальную энергию эластической тяги легких)
3. мало неэластическое сопротивление вдоху и выдоху
Выделяют две разновидности сопротивления:
1) вязкое неэластическое сопротивление тканей
2) эластическое (упругое) сопротивление легких и тканей.
Вязкое неэластическое сопротивление обусловлено:
Аэродинамическим сопротивлением воздухоносных путей
Вязким сопротивлением тканей
Более 90 % неэластического сопротивления приходится на аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей (возникает при прохождении воздуха через относительно узкую часть дыхательных путей – трахею, бронхи и бронхиолы). Воздухоносные пути по мере ветвления бронхиального дерева к периферии становятся все более узкими и можно предположить, что именно самые узкие ветви оказывают наибольшее сопротивление дыханию. Однако, суммарный диаметр к периферии увеличивается, а сопротивление уменьшается. Так, на уровне поколения 0 (трахея) суммарная площадь сечения около 2,5 см 2 , на уровне терминальных бронхиол (поколение 16) - 180 см 2 , респираторных бронхиол (от 18–го поколения) - около 1000 см 2 и далее >10 000 см 2 . Поэтому сопротивление воздухоносных путей в основном локализовано во рту, носе, зеве, трахее, долевых и сегментарных бронхах приблизительно до шестой генерации разветвления. На периферические воздухоносные пути с диаметром меньше 2 мм приходится менее 20 % сопротивления дыханию. Именно эти отделы обладают наибольшей растяжимостью (С -compliance ).
Податливость, или растяжимость (C) - количественный показатель, характеризующий упругие свойства лёгких
C = DV/ DP
где С - степень растяжимости (мл/см водн.ст.); DV - изменение объёма (мл), DР - изменение давления (см вод.ст)
Общая податливость обоих лёгких (C) у взрослого человека составляет около 200 мл воздуха на 1 см водн.ст. Это означает, что при увеличении транспульмонального давления (P тп) на 1 см водн.ст. объём лёгких увеличивается на 200 мл.
R= (Р А -Р ао)/V
где Р А –альвеолярное давление
Р ао – давление в ротовой полости
V –объемная скорость вентиляции за единицу времени.
Альвеолярное давление не может быть измерено прямым методом, но оно может быть выведено из плеврального давления. Плевральное давление можно определить прямыми методами или косвенно – интегральной плетизмографией.
Таким образом, чем выше V, т.е. чем сильнее мы дышим, тем выше должна быть разница давления при постоянном сопротивлении. Чем выше, с другой стороны, сопротивление воздухоносных путей, тем выше должна быть разница давления для получения данной интенсивности дыхательного потока. Неэластическое сопротивление дыханию зависит от просвета воздухоносных путей - особенно голосовой щели, бронхов. Приводящие и отводящие мышцы голосовых складок, регулирующие ширину голосовой щели, управляются через посредство нижнего гортанного нерва группой нейронов, которые сосредоточены в области вентральной дыхательной группы продолговатого мозга. Такое соседство не случайно: во время вдоха голосовая щель несколько расширяется, на выдохе - сужается, увеличивая сопротивление потоку воздуха, что служит одной из причин большей длительности экспираторной фазы. Подобным же образом циклически меняются просвет бронхов и их проходимость.
Тонус гладкой мускулатуры бронхов зависит от активности ее холинергической иннервации: соответствующие эфферентные волокна проходят в составе блуждающего нерва.
Расслабляющее влияние на бронхиальный тонус оказывают симпатическая (адренергическая) иннервация, а также недавно открытая «неадренергическая тормозная» система. Влияние последней опосредуется некоторыми нейропептидами, а также микроганглиями, обнаруженными в мышечной стенке воздухоносных путей; определенный баланс между этими влияниями способствует установлению оптимального для данной скорости воздушных потоков просвета трахеобронхиального дерева.
Нарушение регуляции бронхиального тонуса у человека составляет основу бронхоспазма, в результате которого резко уменьшается проходимость воздухоносных путей (обструкция) и повышается сопротивление дыханию. Холинергическая система блуждающего нерва участвует также в регуляции секреции слизи и движений ресничек мерцательного эпителия носовых ходов, трахеи и бронхов, стимулируя тем самым мукоцилиарный транспорт - выделение попавших в воздухоносные пути инородных частиц. Избыток слизи, характерный для бронхитов, также создает обструкцию и увеличивает сопротивление дыханию.
Эластическое сопротивление легких и тканей включает: 1) эластические силы самой легочной ткани; 2) эластические силы, вызванные поверхностным натяжением слоя жидкости на внутренней поверхности стенок альвеол и других дыхательных путей легких.
Коллагеновые и эластические волокна, вплетенные в паренхиму легких, создают эластическую тягу легочной ткани. В спавшихся легких эти волокна находятся в эластически сокращенном и скрученном состоянии, но когда легкие расширяются, они растягиваются и расправляются, при этом удлиняются и развивают все большую эластическую тягу. Величина тканевых эластических сил, обуславливающих спадение наполненных воздухом легких, составляет только 1/3 всей эластичности легких
На границе раздела между воздухом и жидкостью, покрывающей тонким слоем эпителий альвеол, возникают силы поверхностного натяжения. Причем, чем меньше диаметр альвеол, тем больше силы поверхностного натяжения. На внутренней поверхности альвеол жидкость стремится к сокращению и выжиманию воздуха из альвеол к бронхам, в результате альвеолы начинают спадаться. Если бы эти силы действовали беспрепятственно, то благодаря соустьям между отдельными альвеолами воздух из малых альвеол переходил бы в большие, а сами малые альвеолы должны были бы исчезать. Для снижения поверхностного натяжения и сохранения альвеол в организме существует сугубо биологическое приспособление. Это – сурфактанты (поверхностно-активные вещества), действующие как детергент.
Сурфактант представляет собой смесь, которая, по существу, состоит из фосфолипидов (90-95 %), включающих, прежде всего, фосфатидилхолин (лецитин). Наряду с этим он содержит четыре специфических для сурфактанта протеина, а также небольшое количество угольного гидрата. Общее количество сурфактанта в лёгких крайне невелико. На 1 м 2 альвеолярной поверхности приходится около 50 мм 3 сурфактанта. Толщина его плёнки составляет 3% общей толщины аэрогематического барьера. Сурфактант образуется альвеолярными эпителиальными клетками II типа. Слой сурфактанта уменьшает поверхностное натяжение альвеол почти в 10 раз. Снижение поверхностного натяжения происходит вследствие того, что гидрофильные головки этих молекул прочно связываются с молекулами воды, а их гидрофобные окончания очень слабо притягиваются друг к другу и другим молекулам в растворе. Отталкивающие силы сурфактанта противодействуют силам притяжения молекул воды.
Функции сурфактанта:
1) стабилизация размера альвеол в крайних положениях – на вдохе и на выдохе
2) защитная роль: защищает стенки альвеол от повреждающего действия окислителей, обладает бактериостатической активностью, обеспечивает обратный транспорт пыли и микробов по воздухоносным путям, уменьшает проницаемость легочной мембраны (профилактика отека легких).
Сурфактанты начинают синтезироваться в конце внутриутробного периода. Их присутствие облегчает выполнение первого вдоха. При преждевременных родах легкие ребенка могут оказаться неподготовленными для дыхания. Недостаток или дефекты сурфактанта вызывают тяжёлое заболевание (синдром дыхательного дистресса). Поверхностное натяжение в лёгких у таких детей высокое, поэтому многие альвеолы находятся в спавшемся состоянии.
Контрольные вопросы
1. Почему расход энергии на обеспечение внешнего дыхания незначителен?
2. Какие виды сопротивления в дыхательных путях выделяют?
3. Чем обусловлено вязкое неэластическое сопротивление?
4. Что такое растяжимость, как ее определить?
5. От каких факторов зависит вязкое неэластическое сопротивление?
6. Чем обусловлено эластическое сопротивление легких и тканей?
7. Что такое сурфактанты, какие функции они выполняют?