Сопротивление потоку в дыхательной системе

Продвижение воздуха через дыхательные пути встречает сопротивление сил трения о стенки бронхов, величина которого зависит от характера потока воздуха. В воздухоносных путях возникает 3 типа потоков:

· ламинарный поток, характеризующийся слоями движущегося газа, параллельными как друг другу, так и стенкам трубок (рис). Ламинарный поток преобладает при низких скоростях газа;

· турбулентный поток, хаотичное движение газа вдоль трубки (рис), преобладает при высоких объемных скоростях потока;

· переходный поток характеризуется завихрениями, возникающими в месте бифуркации трубки (рис).

В условиях дихотомического разветвления трахеобронхиального дерева переходный поток является наиболее характерным видом потока, а ламинарный наблюдается лишь в мелких воздухоносных путях.

Сопротивление воздухоносных путей распределяется неравномерно. У взрослого человека при дыхании через рот на глотку и гортань приходится около 25% общего сопротивления; на долю внутригрудных воздухоносных путей (трахея, долевые и сегментарные бронхи) – около 60% общего сопротивления, остальные 15% падают на мелкие воздухоносные пути с диаметром менее 2 мм. Мелкие воздухоносные пути вносят незначительный вклад в общее сопротивление, так как хотя площади поперечного сечения каждого из них малы, их огромное количество дает большую площадь общего поперечного сечения и меньшее сопротивление. Распределение сопротивления воздухоносных путей показано на рис.

На сопротивление воздухоносных путей влияет несколько факторов:

· объем легких: чем больше объем легких, тем большее растягивающее действие на воздухоносные пути оказывает паренхима легких. В результате этого площадь поперечного сечения каждого из воздухоносных путей увеличивается, что приводит к снижению сопротивления;

· длина и тонус гладкой мускулатуры воздухоносных путей. Сокращение гладкой мускулатуры приводит к увеличению сопротивления;

· физические свойства (плотность и вязкость) газов, проходящих по воздухоносным путям. Чем ниже плотность газа, тем ниже сопротивление дыхательных путей.

Нормально сопротивление воздухоносных путей у взрослых на уровне спокойного выдоха равно примерно 15 см вод. ст. / л·с.

 

Неравномерность вентиляции

Легкие довольно разнородны с точки зрения региональных механических свойств воздухоносных путей и паренхимы. Такая гетерогенность является причиной неравномерного распределения воздуха в легких. У здорового человека в положении стоя имеется градиент плеврального давления между верхушкой и основанием легкого (рис). Плевральное давление наибольшее (т.е. наиболее отрицательное) у верхушки легких и наименьшее у снования. Градиент составляет около 0,25 см вод. ст. на каждый сантиметр высоты. Транспульмональное давление больше на верхушке легких, чем у их основания. Это обстоятельство обусловливает большую степень растяжения альвеол на верхушке легкого.

Работа дыхания

Когда дыхательные мышцы развивают силу, приводящую в движение легкие и грудную стенку, выполняется определенная работа. Эта работа может быть выражена как функция давления и объема:

W = , где:

W – работа,

P – давление,

dV – изменение объема легких.

Во время вдоха внутриплевральное давление падает, и объем легких становится выше FCR. Работа представляет собой произведение давления и объема (рис.). Из этого следует, что работа, затраченная на наполнение легких, представлена площадью фигуры OABCDO. Она состоит из двух компонентов: один необходим для преодоления эластических сил и представлен площадью OAECDO; другой – для преодоления сопротивления дыхательных путей и представлен площадью ABCEA. Работа выдоха показана площадьюAECFA. Поскольку последняя находится внутри площади OAECDO, эта работа выполняется за счет энергии, накопленной эластической паренхимой легких в процессе растяжения во время вдоха.

Вентиляция легких

Вентиляция легких – непрерывный регулируемый процесс обновления газового состава воздуха, содержащегося в легких. Вентиляция легких обеспечивается введением в них атмосферного воздуха, богатого кислородом и выведением при выдохе газа, содержащего избыток углекислого газа.

 

Легочные объемы и емкости

Для характеристики вентиляционной функции легких и ее резервов большое значение имеет величина статических и динамических объемов и емкостей легких (емкостью называют сумму двух и более объемов). К статическим объемам относятся величины, которые измеряют после завершения дыхательного маневра без ограничения скорости (времени) его выполнения. К статическим показателям относят следующие объемы и емкости:

· Дыхательный объем (ДО) – объем воздуха, поступающий в легкие с каждым дыхательным циклом при спокойном дыхании. В норме ДО составляет около 0,5 л.

· Резервный объем вдоха (РО_ВД) – максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может вдохнуть после спокойного вдоха. В норме РО_ВД составляет около 1,5-1,8 л.

· Резервный объем выдоха (РО_ВЫД) – максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может выдохнуть после спокойного выдоха. Данный показатель выше у человека, находящегося в вертикальном положении, чем у человека в горизонтальном положении. В норме РО_ВЫД составляет около 1,0-1,4 л.

· Остаточный объем (ОО) – объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха. С возрастом ОО увеличивается из-за изменения механических свойств легких. В норме ОО составляет около 1,0-1,5 л.

· Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после максимально глубокого вдоха. ЖЕЛ = РО_ВД + ДО + РО_ВЫД. В норме ЖЕЛ составляет около 3,5-5 л для мужчин и 3-4 л для женщин.

· Емкость вдоха (Е_ВД) – это сумма РО_ВД и ДО. В норме составляет около 2,0-2,3 л.

· Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) – объем воздуха в легких после спокойного выдоха. ФОЕ = РО_ВЫД + ОО. На величину ФОЕ существенно влияет уровень физической активности человека и положение тела. ФОЕ в горизонтальном положении тела меньше, чем в положении сидя или стоя. В норме ФОЕ составляет около 2,5 л.

· Общая емкость легких (ОЕЛ) – объем воздуха, находящийся в легких по завершении максимального вдоха. ОЕЛ = ОО + ЖЕЛ = ФОЕ + Е_ВД. В норме ОЕЛ составляет 4-6 л.

Динамические величины характеризуют объемную скорость воздушного потока. Их определяют с учетом времени, затраченного на выполнение дыхательного маневра. К динамическим показателям относятся: объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ₁); форсированная жизненная емкость (ФЖЕЛ); пиковая объемная скорость выдоха (ПОС_ВЫД).

Объемы и емкости легких здорового человека определяет ряд факторов: рост, масса тела, возраст, расовая принадлежность, конституциональные особенности человека; эластические свойства легочной ткани и дыхательных путей; сократительные характеристики инспираторных и экспираторных мышц.

Для определения легочных объемов и емкостей используются методы спирометрии, спирографии, пневмотахометрии и бодиплетизмографии. Для сопоставимости результатов измерений легочных объемов и емкостей полученные данные должны соотноситься со стандартными условиями: температуры тела 37 °С, атмосферного давления 101 кПа (760 мм рт. ст.), относительной влажности 100%. Эти стандартные условия обозначают аббревиатурой BTPS (от англ. body temperature, pressure,saturated).