Физиология дыхания

 

Б. Поток-зависимое  закрытие дыхательных путей. Во время форсированного выдоха трансмуральное 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

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 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 бронхоконстрикция 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 форсированного выдоха за первую секунду (00Bi) к форсированной жизненной емкости (ФЖЕЛ) отражает степень обструкции бронхов. В норме ОФВ]/ ФЖЕЛ составляет 80 %. И ОФВ„ и ФЖЕЛ зависят от силы выдоха, тогда как максимальная объемная скорость потока в середине выдоха (МОС₂₅-7чх) от 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. 3. Кривая форсированного выдоха у здорового человека. Скорость форсированного выдоха (СФВ_25-75%). также называется максимальной скоростью потока в середине выдоха (MOC_25-75%)

 

Работу дыхания  можно представить как произведение объема и давления . 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 сопротивления 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 дыхательных 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.

Вентиляционно-перфузионные отношения

 

1. ВЕНТИЛЯЦИЯ

Вентиляция  обычно измеряется как суммарный  объем выдоха за минуту (минутная вентиляция, или минутный объем дыхания — V_min, МОД). При постоянном дыхательном объеме:

 

Минутный  объем дыхания = Частота дыхания х Дыхательный объем.

 

У взрослого  человека в состоянии покоя МОД  равен в среднем 5 л/мин.

Не вся газовая  смесь, поступившая в легкие во время  вдоха, достигает альвеол; некоторое  ее количество остается в дыхательных  путях и выдыхается, не подвергаясь обмену с альвеолярным газом. Эта часть дыхательного объема (V_T), не принимающая участия в газообмене, называется мертвым пространством (V_D). Альвеолярная вентиляция (V_A) — это та часть газа, поступающего в легкие за одну минуту, которая действительно принимает участие в газообмене.

 

V_A = ЧД X (V_T-V_Р)

 

Мертвое пространство включает объем дыхательных  путей, в которых не происходит газообмен (анатомическое мертвое пространство), и объем неперфузируемых альвеол (альвеолярное мертвое пространство). Сумма анатомического и альвеолярного мертвого пространства называется физиологическим мертвым пространством.

В норме у  взрослого человека при вертикальном положении тела мертвое пространство равно 150 мл (примерно 2 мл/кг) и практически  состоит только из анатомического мертвого пространства. Вес человека в фунтах приблизительно соответствует объему мертвого пространства в миллилитрах (1 фунт — 453 г.— Примеч. пер.). Объем мертвого пространства может изменяться под влиянием многих факторов

Дыхательный объем  у взрослых в среднем равен 450 мл (6 мл/кг), а отношение V_D/V_T в норме — 33 %. Эта величина может быть подсчитана по уравнению Бора:

V_D/V_t= (Р_AСО₂- Р_ЕСО₂)/Р_АСO₂,

 

где Р_AСО₂ — альвеолярное напряжение углекислого газа, а Р_ЕСО₂ — напряжение углекислого газа в смешанном выдыхаемом воздухе. Это уравнение применимо в клинике, если вместо Р_AСО₂ использовать напряжение углекислого газа в артериальной крови (РаСО₂), так как они приблизительно равны между собой, а в качестве Р_ЕСО₂ — среднюю величину РЕСО₂, измеренную в течение нескольких минут.

 

 

 

Регионарные различия вентиляции в легких

 

Вне зависимости  от положения тела альвеолярная вентиляция в легких происходит неравномерно. Правое легкое вентилируется лучше, чем левое (53 и 47 % соответственно), и нижерасположенные зоны обоих легких вентилируются лучше, чем вышерасположенные, так как в результате действия силы тяжести создается градиент внутриплевралъного (и, соответственно, транспулъмоналъного) давления. Внутриплевральное давление возрастает (становится менее отрицательным) на 1 см вод. ст. сверху вниз на каждые 3 см протяженности легких. В результате альвеолы из различных зон оказываются в разных точках кривой легочной растяжимости (рис. 22-14). Альвеолы в верхних отделах легких из-за более высокого транспульмонального давления расправлены почти максимально, относительно нерастяжимы и значительно меньше увеличиваются в объеме во время вдоха. И наоборот, альвеолы в нижних отделах легких благодаря более низкому транспульмональному давлению более растяжимы и больше увеличиваются во время вдоха. Сопротивление дыхательных путей также способствует возникновению регионарных различий в легочной вентиляции. Конечный альвеолярный объем при вдохе определяется исключительно растяжимостью только в том гипотетическом случае, если время вдоха не ограничено. В действительности же время вдоха лимитировано частотой дыхания и временем, необходимым для выдоха; следовательно, слишком короткое время вдоха не позволит альвеолам достичь ожидаемого объема. Кроме того, заполнение альвеол воздухом происходит по экспоненте, которая зависит как от растяжимости, так и от сопротивления дыхательных путей. Поэтому даже при нормальной продолжительности вдоха изменения растяжимости или сопротивления могут препятствовать полному расправлению альвеол.

 

2. ЛЕГОЧНЫЙ КРОВОТОК

 

Из 5 л крови, протекающих через легкие за 1 мин, в легочных капиллярах одномоментно находятся и участвует в газообмене только 70—100 мл. Этот небольшой объем  крови образует на альвеоло-капиллярной  мембране пленку площадью 50-100 м² и толщиной в один эритроцит. Кроме того, для обеспечения полноценного газообмена каждый капилляр контактирует не с одной, а с несколькими альвеолами.

Емкость капилляров легких относительно постоянна, но общий  внутрилегочный объем крови может  изменяться от 500 до 1000 мл. Значительное увеличение сердечного выброса или объема циркулирующей крови хорошо переносится и не сопровождается большими колебаниями давления благодаря пассивной дилатации уже открытых сосудов и, возможно, дополнительному подключению сосудов, до этого находившихся в спавшемся состоянии. Внутрилегочный объем крови незначительно увеличивается при каждом вдохе (при самостоятельном дыхании) и во время сердечной систолы. Переход из горизонтального в вертикальное положение сопровождается уменьшением внутрилегочного объема крови (оно может достигать 27 %); положение Тренделенбурга оказывает противоположный эффект. Изменение емкости сосудистого русла в большом круге кровообращения также влияет на объем крови в легких: сужение периферических вен приводит к смещению крови из большого круга в малый, а при их расширении происходит обратное перераспределение. Таким образом, легкие играют роль резервуара для системного кровообращения.

В регуляции  легочного сосудистого тонуса местные  факторы более значимы, чем вегетативная нервная система. Гипоксия — мощный стимул легочной вазоконстрикции (в противоположность сосудорасширяющему действию гипоксии в большом круге кровообращения). Вазоконстрикция происходит как при гипоксии в легочной артерии (в смешанной венозной крови), так и при альвеолярной гипоксии, однако стимулирующий эффект последней более выражен. Этот феномен возникает либо благодаря прямому действию гипоксии на легочные сосуды, либо за счет преобладания выработки сосудосуживающих лейкотриенов над продукцией сосудорасширяющих простагландинов. Возможно, гипоксия подавляет образование оксида азота (NO). Легочная гипоксическая вазоконстрикция — важнейший физиологический механизм, уменьшающий внутрилегочное шунтирование и предотвращающий гипоксемию. Гипероксия не оказывает существенного влияния на легочное кровообращение у здоровых людей. Гиперкапния и ацидоз вызывают легочную вазоконстрикцию, а гипокапния — вазодилатацию.

 

Распределение легочного кровотока

 

Легочный кровоток так же неравномерен, как и вентиляция. Независимо от положения тела, в нижерасположенные отделы легких поступает больше крови, чем в вышерасположенные. В результате действия силы тяжести создается градиент внутрисосудстого давления, составляющий 1 см вод. ст. на каждый сантиметр высоты легкого. Давление в малом круге кровообращения низкое (гл. 19), поэтому сила тяжести имеет значительное влияние на легочный кровоток. Каждое легкое условно можно разделить на три зоны — в зависимости от соотношения альвеолярного (Рл), артериального (Ра) и венозного (Pv) давлений (рис. 22-15). Зона 1 — это верхняя зона, представляющая собой альвеолярное мертвое пространство, потому что здесь давление в альвеолах сжимает легочные капилляры и кровоток отсутствует. В средней зоне (зона 2) легочный капиллярный кровоток имеет прерывистый характер, зависящий от артериально-альвеолярного градиента давления. В зоне 3 легочный капиллярный кровоток непрерывен и определяется артериально-венозным градиентом давления.

 

Вентиляционно-перфузионные отношения

 

В норме альвеолярная вентиляция (V) составляет 4 л/мин, легочный капиллярный кровоток (Q) — 5 л/мин, а их соотношение V/Q, которое называют вентиляционно-перифузионным соотношением, соответственно 0,8. Для отдельной легочной единицы (комплекс "альвеола-капилляр") V/Q может варьироваться от 0 (отсутствие вентиляции) до бесконечности (отсутствие кровотока); первое состояние представляет собой внутрилегочный шунт, второе — альвеолярное мертвое пространство. В отдельных легочных единицах V/Q варьируется от 0,3 до 3,0, но в большинстве случаев близко к 1,0 (рис. 22-17А). И кровоток, и вентиляция возрастают от верхушек легких к основаниям, но кровоток — в большей степени, поэтому в апикальных отделах легких V/Q выше, чем в базальных (рис. 22-17Б).

Соотношение V/Q в различных зонах легкого определяют эффективность оксигенации венозной крови и удаления из нее углекислого газа. Кровь, оттекающая от участков легких с малой величиной V/Q, характеризуется низким парциальным давлением кислорода и высоким парциальным давлением углекислого газа; и по газовому составу она напоминает смешанную венозную кровь. Поступление такой крови в системный кровоток вызывает снижение РаО₂ и повышение РаСО₂. Этот эффект гораздо сильнее выражен для РаО₂, чем для РаСО₂; очень часто РаСО₂ даже снижается из-за рефлекторного увеличения вентиляции, обусловленного гипоксией. К сожалению, компенсаторный рост вентиляции не приводит к существенному улучшению оксигенации в участках с нормальными величинами V/Q, потому что оттекающая оттуда кровь конечных легочных капилляров уже максимально насыщена кислородом.

 

Гемоглобин

Гемоглобин  — это крупная сложная молекула, состоящая из четырех железосодержащих порфириновых соединений (гемов) и четырех белковых субъединиц. Железо, которое содержится в теме, играет главную роль в образовании связи с кислородом; с кислородом может связываться только двухвалентная форма железа. В норме у взрослых имеется так называемый гемоглобин А₁, состоящий из двух альфа- и двух бета-цепей (субъединиц); эти четыре цепи удерживаются вместе за счет слабых связей между аминокислотными остатками. Теоретически каждый грамм гемоглобина способен переносить до 1,39 мл кислорода.

Кривая  диссоциации оксигемоглобина

Молекула гемоглобина  присоединяет четыре молекулы кислорода. В результате сложного взаимодействия между субъединицами связывание гемоглобина с кислородом носит нелинейный характер (соответствующая кривая зависимости имеет S-образную форму; рис. 22-22). Насыщением (сатурацией) гемоглобина называют количество связанного с гемоглобином кислорода, отнесенное к общей кислородной емкости гемоглобина и выраженное в процентах. Присоединение каждой из четырех молекул кислорода обеспечивается отдельной химической реакцией. Изменение молекулярной конформации гемоглобина, возникающее в результате присоединения первых трех молекул кислорода, резко ускоряет образование четвертой связи с кислородом. Последняя реакция отвечает за ускоренное присоединение кислорода в диапазоне насыщения от 25 до 100 %. В диапазоне от 90 до 100 % кривая диссоциации (насыщения) постепенно уплощается по мере уменьшения количества доступных мест связывания кислорода.