Неэластическое сопротивление

Сопротивление дыхательных путей газовому потоку

Газовый поток в легких может быть ламинарным и турбулентным. Ламинарный поток можно пред­ставить состоящим из концентрических газовых цилиндров, движущихся с различной скоростью; скорость наиболее высока в центре и постепенно снижается к периферии. Для ламинарного потока существует следующая зависимость:

Поток = Градиент давления/Raw, где R_avv — сопротивление дыхательных путей.

8 х Длина х Вязкость газа
^Raw~ п х (Радиус)⁴ '

Для турбулентного потока характерно беспоря­дочное движение молекул газа по ходу его переме­щения в дыхательных путях. Математическое опи­сание турбулентного потока значительно сложнее, чем ламинарного:

Плотность газа

Градиент давления = Поток х ——-———-——.

Радиус

Сопротивление — величина не постоянная, оно воз­растает пропорционально величине газового пото­ка. Более того, сопротивление прямо пропорцио­нально плотности газа и обратно пропорционально радиусу пятой степени. Из вышеперечисленного следует, что зависимость турбулентного газового потока от радиуса дыхательных путей очень велика. Турбулентное движение возникает при высо­ких потоках, в местах острых изгибов и разветвле­ний, а также при резком изменении диаметра ды­хательных путей. Число Рейнольдса определяет, будет ли поток ламинарным или турбулентным:

Число Рейнольдса =

Линейная скорость х Диаметр х Плотность газа Вязкость газа

При низких значениях числа Рейнольдса (< 1000) поток будет ламинарным, при высоких (> 1500) — турбулентным. В норме газовый поток имеет ла­минарный характер только дистальнее мелких бронхиол (диаметром < 1 мм). В более крупных ды­хательных путях поток, вероятно, является турбу­лентным. Среди медицинских газов только гелий имеет низкую величину отношения плотность/вяз­кость, что делает его полезным при возникновении выраженных турбулентных потоков (например, в случае обструкции верхних дыхательных путей). Ингаляция гелиево -кислородной смеси снижает риск формирования турбулентного потока, а также уменьшает сопротивление дыхательных путей на фоне уже существующего турбулентного потока (табл. 22-2). В норме общее сопротивление ды­хательных путей составляет 0,5-2 см вод. ст./л/с. Наибольшее сопротивление создают бронхи сред­него калибра (до 7 генерации). Сопротивление крупных бронхов невелико из-за их большого диа­метра, а мелких бронхов — вследствие значительной суммарной площади поперечного сечения. Самые распространенные причины повышенного сопро­тивления дыхательных путей — бронхоспазм, об­струкция бронхиальным секретом и отек слизистой

ТАБЛИЦА 22-2. Физические свойства некоторых газовых смесей

Газовая смесь	Вязкость	Плотность	Плотность/ Вязкость
Кислород (100%)	1,11	1,11	1,00
N2O/O2 (70: 30)	0,89	1,41	1,59
Гелий/О2 (80: 20)	1,08	0,33	0,31

Значения вязкости и плотности газовых смесей выражены по отношению к воздуху. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 4 rd ed. Butterworths, 1993.)

(гл. 23), а также объем-зависимое и поток-зависи­мое закрытие дыхательных путей.

А. Объем-зависимое закрытие дыхательных путей. При малых объемах легких отсутствие ра­диальной эластической тяги увеличивает вклад мелких дыхательных путей в формирование обще­го сопротивления; сопротивление дыхательных путей становится обратно пропорционально объе­му легких (рис. 22-8). Увеличение объема легких за счет положительного давления в конце выдоха (ПДКВ) способно уменьшить сопротивление ды­хательных путей.

Рис. 22-8. Зависимость сопротивления дыхательных путей от объема легких. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied

Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.)

Б. Поток-зависимое закрытие дыхательных путей. Во время форсированного выдоха трансму-ральное давление в дыхательных путях может стать противоположным по направлению и вы­звать их закрытие (динамическая компрессия ды­хательных путей). Динамическая компрессия обусловлена двумя факторами: (1) положитель­ным внутриплевральным давлением и (2) боль­шим градиентом давления во внутригрудных ды­хательных путях из-за повышения сопротивления дыхательных путей. Последнее, в свою очередь,

связано с высоким (турбулентным) потоком газа и низкими легочными объемами. Поэтому конечный участок кривой "поток-объем" поэтому называет­ся независимым от усилия (рис. 22-9).

Участок дыхательных путей, в котором проис­ходит динамическая компрессия, называется точ­кой равного давления. Точка равного давления находится дистальнее (ниже) бронхиол одиннад­цатого порядка, где отсутствует хрящевая основа дыхательных путей. При уменьшении объема лег­ких точка равного давления смещается по направ-

Рис. 22-9. Поток газа (А) при форсированном выдохе после максимального вдоха с различным усилием и (Б) с макси­мальным усилием после вдохов различной глубины. Отметим, что окончательный поток выдоха не зависит от усилий дыхательных мышц при любом исходном объеме легких. (С разрешения. Из: Nunn J. F. Applied Respiratory Physiology, 3rd ed. Butterworths, 1987.)

лению к мелким дыхательным путям. Динамичес­кой компрессии дыхательных путей способствуют эмфизема и бронхиальная астма. Эмфизема харак­теризуется разрушением эластических тканей, обеспечивающих структурную опору мелких ды­хательных путей. При бронхиальной астме брон-хоконстрикция и отек слизистой оболочки усугуб­ляют закрытие дыхательных путей и приводят к смене знака градиента трансмурального давле­ния на противоположный (давление внутри брон­хов становится меньше, чем вокруг них). При ди­намической компрессии пациенты заканчивают выдох преждевременно или сжимают губы для по­вышения сопротивления выдоху; оба маневра по­зволяют предотвратить смену градиентов транс­мурального давления и уменьшить "захват" воздуха легкими (так называемую "воздушную ло­вушку"). Преждевременное окончание выдоха приводит к тому, что ФОБ начинает превышать нормальные значения ("ауто-ПДКВ").

В. Форсированной жизненной емкостью лег­ких называется жизненная емкость легких при мак­симально сильном и быстром выдохе. Ее измерение необходимо для оценки сопротивления дыхатель­ных путей (рис. 22-10). Важный параметр — объем, который испытуемый выдыхает за первую секунду форсированного выдоха. Отношение объема форси-

рованного выдоха за первую секунду (00B₁) к фор­сированной жизненной емкости (ФЖЕЛ) отражает степень обструкции бронхов. В норме QOB₁/ ФЖЕЛ составляет 80 %. И ОФВ_Ь и ФЖЕЛ зависят от силы выдоха, тогда как максимальная объемная скорость потока в середине выдоха (МОС₂₅_75%) °^т усилия не зависит, а потому является более досто­верным показателем обструкции.

Сопротивление тканей

Вязкоэластическое (фрикционное) сопротивление тканей газовому потоку обычно недооценивают, хотя оно может составлять половину величины об­щего сопротивления дыхательных путей. Сопро­тивление тканей — компонент неэластического со­противления.

РАБОТА ДЫХАНИЯ

Выдох в норме полностью пассивен, поэтому об­щая работа вдоха и выдоха выполняется мышцами вдоха (главным образом диафрагмой). Для осуще­ствления движения легких и грудной клетки при дыхании необходимо преодолевать эластическое сопротивление грудной клетки и легких, неэласти­ческое сопротивление дыхательных путей газово­му потоку и сопротивление тканей.

Рис. 22-10. Кривая форсированного выдоха у здорового человека. Скорость форсированного выдоха (COB₂₅?5%), также называется максимальной скоростью потока в середине выдоха (МОС₂5-75%)

Работу дыхания можно представить как произ­ведение объема и давления (рис. 22-11). Во время вдоха преодолевается и сопротивление дыхатель­ных путей, и легочное эластическое сопротивле­ние; около 50 % затрачиваемой на это энергии накапливается в упругих структурах легких. Во время выдоха накопленная потенциальная энергия высвобождается, что позволяет преодо­леть сопротивление дыхательных путей. Увеличе­ние сопротивления вдоху или выдоху компенси­руется дополнительным усилием мышц вдоха. При возрастании сопротивления выдоху физио­логическая компенсаторная реакция заключается в увеличении объема легких, вследствие чего ды­хательный объем остается неизменным, тогда ФОБ увеличивается. Избыток энергии, накоплен­ный в упругих структурах благодаря увеличению ФОБ, идет на преодоление повышенного сопро­тивления выдоху. Кроме того, при значительном повышенном сопротивлении выдоху начинают работать мышцы выдоха.

На работу дыхательной мускулатуры в норме приходится всего 2-3 % потребляемого организмом кислорода, но коэффициент полезного действия при этом составляет только 10 %. А 90 % энергии рассеивается в виде тепла (из-за эластического со-

Рис. 22-11. Работа дыхания во время вдоха и ее состав­ляющие. (С разрешения. Из: Guyton A. С. Textbook of Medical Physiology, 7th ed. Saunders, 1986.)

противления и сопротивления воздушному пото­ку). В патологических условиях, когда возрастает нагрузка на диафрагму, эффективность работы ды­хания прогрессивно снижается и мышечные сокра­щения могут становиться дискоординированными; более того, с некоторого момента весь дополнитель­ный кислород, получаемый за счет увеличения вен­тиляции, идет на покрытие соответствующего при­роста работы дыхательных мышц.

Работа, требуемая для преодоления эластичес­кого сопротивления, возрастает по мере увеличе­ния дыхательного объема. Работа, необходимая для преодоления сопротивления дыхателъных путей, возрастает при увеличении частоты дыхания (Увеличение частоты дыхания неизбежно влечет за собой увеличение потока на выдохе.). Пациент стремится уменьшить работу дыхания, изменяя в зависимости от ситуации частоту дыхания и ды­хательный объем (рис. 22-12). Для больных со сни­женной растяжимостью легких характерно частое и поверхностное дыхание, тогда как при увеличен­ном сопротивлении дыхательных путей наблюда­ется, наоборот, медленное и глубокое дыхание.