Методички по нормальной физиологии / Физиология дыхания

Плевральное давление часто называют отрицательным лишь потому, что оно ниже атмосферного. Плевральное давление можно считать отрицательным, если атмосферное давление принять за 0. На самом деле это давление положительное и зависит от атмосферного давления.

Если атмосферное давление сегодня равно 747 мм рт. ст., то плевральное давление к концу спокойного выдоха будет равно 747 - 3 = 744 мм рт. ст. Таким образом, транспульмональное давление равно 747 – 744 = 3 мм рт. ст.

Рассмотрим, каким образом изменяется альвеолярное и плевральное давление во время дыхания. Схема и рисунки 3А и Б иллюстрируют изменения давления во время вдоха и выдоха.

Перед вдохом давление в альвеолах равно атмосферному, движения воздуха нет. Стрелка - это эластическая тяга легкого, которая создает в плевральной полости давление ниже атмосферного. Транспульмональное давление поддерживает легкие в расправленном состоянии.

11

Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, легочная ткань растягивается. Объем легких увеличивается, давление в альвеолах становится ниже атмосферного, и воздух поступает в легкие. Увеличение размеров грудной клетки приводит к еще большему уменьшению плеврального давления, потому что плевральная полость растягивается в двух направлениях - две стрелки - увеличение размеров грудной клетки и более сильная тяга эластики легких во время их растяжения. Таким образом, транспульмональная разница давлений не только сохраняется, ни и немного увеличивается, облегчает растяжение легких.

Во время пассивного выдоха (расслабление межреберных мышц и диафрагмы) увеличение плеврального давления и ретракция эластики легких обеспечивают движение воздуха из альвеол в атмосферу.

На этой схеме приведены давления в альвеолах и плевральной полости во время активного выдоха. При сокращении внутренних межреберных мышц уменьшаются размеры грудной клетки и объем легких, происходит повышение альвеолярного давления и осуществляется выдох. Давление в плевральной полости может стать даже выше атмосферного, благодаря сокращению экспираторных мышц, кроме того, уменьшается эластическая тяга легких.

Легко убедиться в том, что транспульмональная разница давлений совершенно необходима для нормального дыхания: стоит только нарушить герметичность плевральной полости. Если атмосферный воздух попадет в плевральную полость, то давление внутри легких и плевральной полости окажутся одинако-

выми, легкие при этом спадаются. Сообщение плевральной полости с внешней средой в результате нарушения герметичности грудной клетки носит название пневмоторакса. При пневмотораксе выравниваются внутриплевральное и атмосферное давления, что вызывает спадение легкого и делает невозможной его вентиляцию при дыхательных движениях грудной клетки и диафрагмы. Если при одностороннем пневмотораксе пациент может существовать за счет воздухообмена через сохранившееся легкое, то при двустороннем пневмотораксе неми-

12

нуемо наступает смерть. Кроме травматического пневмоторакса существует лечебный пневмоторакс, при котором в плевральную полость вводится строго определенное количество воздуха. Лечебный пневмоторакс применяется с целью ограничения функции больного легкого, например при туберкулезе легкого, абсцессах в легком и т.д.

Рисунок 3А. Плевральное давление во время дыхания

Рисунок 3Б. Изменение внутрилегочного и внутриплеврального давления во время дыхания

Механизмы изменения объема легких при дыхании можно продемонстрировать с помощью модели Дондерса (рис. 4), на которой с помощью двух мано-

13

метров можно проследить за изменением давления и в легких, и в плевральной полости.

Если отсосать воздух из колокола, то легкие расправятся, т.к. в плевральной полости давление станет ниже внутрилегочного, появится разница давлений между внутрилегочным пространством и плевральной полостью – транспульмональное давление.

Теперь можно попробовать снизить давление в легких, оттягивая эластическую мембрану вниз и имитируя сокращение диафрагмы и увеличение объема грудной клетки. При этом уменьшится и внутриплевральное давление, что будет видно по изменению уровня жидкости в манометре. Такие изменения внутрилегочного и плеврального давлений характерны для фазы вдоха.

Рисунок 4. Модель Дондерса

Легочные объемы и емкости

Для функциональной характеристики дыхания принято использовать различные легочные объемы и емкости. Легочные объемы подразделяются на статические и динамические. Первые измеряют при завершенных дыхательных движениях. Вторые измеряют при проведении дыхательных движений и с ограничением времени на их выполнение. Емкость включает в себя несколько объемов. Объем воздуха в легких и дыхательных путях зависит от следующих показателей: 1) антропометрических индивидуальных характеристик человека и строения дыхательной системы; 2) свойств легочной ткани; 3) поверхностного натяжения альвеол; 4) силы, развиваемой дыхательными мышцами.

Дыхательный объем (ДО) — объем воздуха, который вдыхает и выдыхает человек во время спокойного дыхания (рис. 5). У взрослого человека ДО составляет примерно 500 мл. Величина ДО зависит от условий измерения (по-

14

кой, нагрузка, положение тела). ДО рассчитывают как среднюю величину после измерения примерно шести спокойных дыхательных движений.

Резервный объем вдоха (РО вд) — максимальный объем воздуха, который способен вдохнуть испытуемый после спокойного вдоха. Величина РО вд составляет 1,5—1,8 л.

Резервный объем выдоха (РО выд)—максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может выдохнуть после спокойного выдоха. Величина РО выдоха ниже в горизонтальном положении, чем в вертикальном, уменьшается при ожирении. Она равна в среднем 1,0—1,4 л.

Остаточный объем (ОО) — объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха. Величина остаточного объема равна 1,0—1,5 л.

Исследование динамических легочных объемов представляет научный и клинический интерес, и их описание выходит за рамки курса нормальной физиологии,

Легочные емкости. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) включает в себя дыхательный объем, резервный объем вдоха, резервный объем выдоха. У мужчин среднего возраста ЖЕЛ варьирует в пределах 3,5—5,0 л и более. Для женщин типичны более низкие величины (3,0—4,0 л). В зависимости от методики измерения ЖЕЛ различают ЖЕЛ вдоха, когда после полного выдоха производится максимально глубокий вдох и ЖЕЛ выдоха, когда после полного вдоха производится максимальный выдох.

Емкость вдоха (Е вд) равна сумме дыхательного объема и резервного объема вдоха. У человека Е вд составляет в среднем 2,0-2.3 л.

Рисунок 5. Легочные объемы и емкости

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) — объем воздуха в легких после спокойного выдоха. ФОЕ является суммой резервного объема выдоха и оста-

15

точного объема. ФОЕ измеряется методами газовой дилюции, или «разведения газов» и плетизмографически. На величину ФОЕ существенно влияет уровень физической активности человека и положение тела: ФОЕ меньше в горизонтальном положении тела, чем в положении сидя или стоя. ФОЕ уменьшается при ожирении вследствие уменьшения общей растяжимости грудной клетки.

Общая емкость легких (ОЕЛ) — объем воздуха в легких по окончании полного вдоха. ОЕЛ рассчитывают двумя способами:

ОЕЛ = 00 + ЖЕЛ или ОЕЛ = ФОЕ + Евд. ОЕЛ может быть измерена с помощью плетизмографии или методом газовой дилюции.

Измерение легочных объемов и емкостей имеет клиническое значение при исследовании функции системы внешнего дыхания у здоровых людей и при диагностике заболевания легких.

МИНУТНЫЙ ОБЪЕМ ДЫХАНИЯ

Одной из основных характеристик внешнего дыхания является минутный объем дыхания (МОД). Вентиляция легких определяется объемом воздуха вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. МОД – это произведение дыха-

тельного объема на частоту дыхательных циклов. В норме, в покое ДО равен

500 мл, частота дыхательных циклов – 12 – 16 в минуту, отсюда МОД равен 6 - 7 л/мин. Максимальная вентиляция легких – это объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений.

АЛЬВЕОЛЯРНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ

Итак, внешнее дыхание, или вентиляция легких обеспечивает поступление в легкие примерно 500 мл воздуха во время каждого вдоха (ДО). Насыщение крови кислородом и удаление углекислого газа происходит при контакте крови легочных капилляров с воздухом, содержащимся в альвеолах. Альвеоляр-

ный воздух – это внутренняя газовая среда организма млекопитающих и человека. Ее параметры – содержание кислорода и углекислого газа – постоянны. Количество альвеолярного воздуха примерно соответствует функциональной остаточной емкости легких – количеству воздуха, которое остается в легких после спокойного выдоха, и в норме равно 2500 мл. Именно этот альвеолярный воздух обновляется поступающим по дыхательным путям атмосферным воздухом. Следует иметь в виду, что в легочном газообмене участвует не весь вдыхаемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол. Поэтому для оценки эф-

фективности легочного газообмена важна не столько легочная, сколько альвеолярная вентиляция.

Как известно, часть дыхательного объема не участвует в газообмене, заполняя анатомически мертвое пространство дыхательных путей – примерно 140 – 150 мл.

Кроме того, есть альвеолы, которые в данный момент

вентилируются, но не снабжаются кровью. Эта часть альвеол является альвеолярным мертвым пространством. Сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств называется функциональным, или физиологическим мертвым пространством. Примерно 1/3 дыхательного объема приходится на вентиляцию мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе. Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств – альвеолярная вентиляция – представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. В норме альвеолярная вентиляция составляет 70 - 75 % величины МОД.

Расчет альвеолярной вентиляции проводится по формуле: МАВ = (ДО - МП) ЧД, где МАВ - минутная альвеолярная вентиляция, ДО - дыхательный объем, МП - объем мертвого пространства, ЧД - частота дыхания.

Попробуем рассчитать альвеолярную вентиляцию, используя данные, приведенные на рисунке 6, и приняв объем мертвого пространства за 150 мл. МАВ =

(500 - 150) 15 = 5250 мл/минуту.

Рисунок 6. Соотношение МОД и альвеолярной вентиляции

Используем эти данные для расчета еще одной величины, характеризующей альвеолярную вентиляцию - коэффициент вентиляции альвеол. Этот коэффициент показывает, какая часть альвеолярного воздуха обновляется при каждом вдохе. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500

мл воздуха (ФОЕ), во время вдоха в альвеолы поступает 350 мл воздуха, следовательно, обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха

(2500/350 = 7/1).

Таблица 1

Основные показатели вентиляции легких

Частота дыхания (ЧД)

12 - 16/мин

17

Минутный объем дыхания (МОД) = ДО ЧД	6000	- 9000 мл
Объем анатомического мертвого пространства (МП)	150 мл
Дыхательный альвеолярный объем (ДАО) = ДО - МП	350-360 мл
Коэффициент вентиляции альвеол	1/7
(КВА) = ДАО/ФОЕ
Минутная альвеолярная вентиляция	3500	- 4500 мл/мин
(МАВ) = (ДО-МП) ЧД

Соотношение между вентиляцией и перфузией легких.

Для газообмена в легких большое значение имеет соотношение между альвеолярной вентиляцией и кровотоком через малый круг кровообращения. Определенному минутному объему дыхания должен соответствовать определенный минутный объем кровотока, или перфузия капилляров альвеол – вентиляционноперфузионное отношение, или коэффициент. Вернемся к рисунку 6, рассчитаем этот коэффициент, исходя из того, что минутный объем кровотока в малом круге кровообращения (как и в большом) в норме равен 5000мл. Минутная альвеолярная вентиляция составляет 5200мл. При делении 5200 на 5000 получим вентиля- ционно-перфузионный коэффициент, который в норме не должен быть меньше

0.8- 0.9.

Вотдельных частях легких соотношение между вентиляцией и перфузией неравномерно, что зачастую влияет на локализацию патологического процесса в той или иной доле легкого.

Рисунок 7. Распределение кровотока в различных зонах легкого

Оказывается, 90% капиллярного кровотока легких приходится на зону 2 (рис. 7), остальные 10% распределяются между 1 и 3 зонами. В верхушках легких давление в легочных артериях ниже альвеолярного. При этом возможно спадение капилляров. В норме это случается редко, однако возможно в случае кро-

18

вопотери или снижении артериального давления. В средней части давление в артериолах выше альвеолярного, а в нижних отделах даже венозное давление выше альвеолярного. Различное давление в сосудистом русле легких обусловлены силами гравитации и изменяется при изменении положения тела, в воде, в состоянии невесомости. Следует иметь в виду, что дыхательные колебания внутригрудного давления, действуя по принципу «двойного насоса», не только обеспечивают вентиляцию легких, но и стимулируют венозный возврат крови к сердцу.

ГАЗООБМЕН И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ Газовый состав альвеолярного воздуха

Газообмен – это процесс выравнивание парциальных давлений газов в двух средах. Этот процесс осуществляется исключительно пассивным путем, движущей силой является градиент парциальных давлений газов. В организме человека и млекопитающих газообмен протекает в легких и тканях. В легких – это процесс обогащения венозной крови кислородом и удаление углекислого газа, а в тканях процесс переноса кислорода из капиллярной крови в ткани и удаление углекислого газа из тканей в кровь.

Обогащение кислородом венозной крови происходит путем переноса кислорода из альвеолярного воздуха в кровь. Остановимся подробнее на этом понятии, поскольку альвеолярный воздух – это внутренняя газовая среда нашего организма.

Прежде всего, заметим, что правильнее называть альвеолярный воздух альвеолярным газом, потому, что его состав существенно отличается от состава атмосферного воздуха. При спокойном дыхании состав альвеолярного газа мало зависит от фаз вдоха и выдоха, это постоянство состава альвеолярного газа является необходимым условием протекания газообмена. Дело в том, что дыхание – циклический процесс, а кровоток в капиллярах легких – непрерывный. Во время дыхательного цикла наблюдаются короткие периоды остановки дыхания – апноэ (на высоте вдоха и в конце выдоха), при которых вентиляции не происходит, а обмен газами продолжается. Если бы в течение этих периодов ФОЕ не обеспечивала сохранение в альвеолах некоторого количества кислорода, насыщение артериальной крови кислородом снизилось. Воздух, заполняющий мертвое пространство, играет роль буфера, который сглаживает колебания состава альвеолярного газа в ходе дыхательного цикла.

Газообмен это пассивный процесс, который протекает по градиенту давлений, попробуем установить величины этих градиентов. У здоровых людей парциальное давление углекислого газа в альвеолах практически совпадает с его напряжением в крови и составляет около 40 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода в альвеолах равно в среднем 100 мм рт. ст. Нормальной величиной вентиляции для отдельного человека является та, которая обеспечивает эти значения. Постоянство состава альвеолярного воздуха поддерживается рефлекторной регуляцией МОД.

19

Вспомним, что парциальное давление – часть общего давления, приходящееся на отдельный газ (если бы он занимал весь объем смеси). Парциальное давление газа в смеси можно рассчитать по формуле:

Р газа = Р смеси С (%) / 100%, где С – процентное содержание газа. Для воздуха: Р атм = 760 мм рт.ст.

Скислорода = 20,9 %

Ркислорода = 159 мм рт.ст.

При изменении атмосферного давления изменяется и парциальное давление газов.

Таблица 2

Газовый состав атмосферного, альвеолярного и выдыхаемого воздуха (содержание в % и парциальное давление в мм рт.ст.)

Газовый	Атмосферный				Альвеолярный					Выдыхаемый
состав
О2	20,85 (159)				13,5 (104)					15,5	(120)
СО2	0.03 (0,2)				5.3 (40)					3.7	(27)
N2	78.62 (596)				74.9 (569)					74.6	(566)
Н2О	0.5 (3.8)				6.3 (47)					6.2	(47)
Общий	100 (760)				100 (760)					100 (760)
	Содержание и парциальное давление (напряжение)
	кислорода и углекислого газа в различных средах
					Кислород					Углекислый газ
Среда
		%		мм рт. ст.			мл/л	%		мм рт. ст.				мл/л
Вдыхаемый воздух		20,93		159			209,3	0,03		0,2				0,3
Выдыхаемый воздух		16,0		121			160,0	4,5		34				45
Альвеолярный воздух		14,0		100			140,0	5,5		40				55
Артериальная кровь		-		100-96			200,0	-		40				560-540
Венозная кровь		-		40			140-160	-		46				580
Тканевая жидкость		-		10-15			-	-		60				-
Цитоплазма		-		0,1-1			-	-		70				-

20