Фізичний розвиток, ступінь тренованості.

Механізми легеневої вентиляції

Тварині клітини, як правило, отримують енергію в результаті окисного розпаду поживних речовин. Тому до них постійно має надходити кисень. У той самий час нормальна життєдіяльність клітин можлива лише при видаленні кінцевого продукту метаболізму – вуглекислого газу. Обмін газами між клітинами і зовнішнім середовищем називається диханням.

Фізіологічна система дихання (ФСД) - це система, яка забезпечує постачання в організм О₂ і видалення з нього СО₂.

Етапи дихання:

1 етап: Вентиляція легень (легенева вентиляція) -це обмін повітрям між зовнішнім середовищем і альвеолами.

2 етап: Дифузія газів через альвеоло-капілярну мембрану - це обмін газів між альвеолярним повітрям і кров'ю легеневих капілярів.

Ці 2 етапи називають зовнішнім диханням - це обмін газів між зовнішнім середовищем і внутрішнім середовищем організма

3 етап: Транспорт газів кров'ю - О₂ транспортується від легенів до тканин, СО₂ із тканин до легенів.

4 етап: Дифузія газів через гемато-паренхіматозні бар'єри - це обмін газів між кров'ю і тканинами.

5 етап: Внутрішнє дихання (тканинне, клітинне) - процеси синтезу АТФ з використанням О₂ і утворенням СО₂.

Традиційно склалося так, що перші чотири етапи вивчає фізіологія, а 5 етап – клітинне дихання – біохімія.

Гази транспортуються в організмі двома шляхами:

1. Конвекція;

2. Дифузія.

Конвекція слугує для переносу газів на великі відстані використовується в 1 і 3 етапах дихання. Її рушійна сила - градієнт тиску газів. Процес відбувається з затратою енергії.

Дифузія слугує для переносу газів на невеликі відстані (менше 0,1 мм), використовуються в 2 і 4 етапах дихання. Рушійна сила - градієнт концентрації газів. Процес відбувається без використання енергії.

Будова ФСД:

1. Виконавчі органи:

- грудна клітка;

- дихальні м'язи;

- плевральна порожнина;

- легені;

- повітроносні шляхи.

2. Апарат регуляції.

саморегуляція;

нервова регуляція;

гуморальна регуляція.

Функції ФСД:

1. Дихальні функції:

1. Забезпечення газового гомеостазу організму. За рахунок газообміну між кров'ю і зовнішнім середовищем в організм потрапляє О₂ і видаляється СО₂.

2. Підтримка кислотно-основної рівноваги. СО₂ взаємодіє з Н₂О і утворює Н₂СО₃(вугільну кислоту) яка є компонентом бікарбонатного буфера.

3. Підтримка температурного гомеостазу. При випаровуванні води з поверхні слизової дихальних шляхів посилюються процеси тепловіддачі.

2. Недихальні функції:

1. Метаболічна функція. ФСД бере участь в утворенні і руйнуванні біологічно-активних речовин. Наприклад, саме у легенях ангіотензин І перетворюється на ангіотензин ІІ, тому що активність ангіотензин перетворюючого фермента тут найвища.

2. Захисна функція. Слизова дихальних шляхів виконує роль бар'єра між зовнішнім і внутрішнім середовищем.

3. Участь в утворенні звуків (фонації).

Функціональна характеристика структурних

Елементів ФСД

1. Грудна клітка.

Роль грудної клітки:

a) утворює грудну порожнину, яка містить легені, і захищає їх від ушкодження.

b) за рахунок рухливості грудна клітка дозволяє змінювати об'єм грудної порожнини (при збільшенні об'єму грудної клітки відбувається вдих, при зменшенні - видих).

Існує 2 механізми зміни об'єму грудної порожнини.

1. За рахунок піднімання і опускання діафрагми. При цьому змінюється вертикальний розмір грудної порожнини.

- при опусканні діафрагми об'єм грудної порожнини збільшується і відбувається вдих.

- при підніманні діафрагми об'єм грудної порожнини зменшується і відбувається видих.

2. За рахунок піднімання і опускання ребер. При цьому змінюється бічний і переднє-задній розміри грудної порожнини.

- при підніманні ребер об'єм грудної порожнини збільшується і відбувається вдих.

- при опусканні ребер об'єм грудної порожнини зменшується і відбувається видих.

Існує 2 типи дихання:

1. Грудний (реберний) тип - дихання при якому об'єм грудної порожнини змінюється за рахунок зміни положення ребер внаслідок скорочення міжреберних м'язів. Притаманний жінкам.

2. Черевний (діафрагмальний) тип - дихання при якому об'єм грудної порожнини змінюється за рахунок скорочення діафрагми. Притаманний чоловікам.

Іноді зустрічається 3 тип дихання - змішаний. Це дихання при якому об'єм грудної порожнини в рівній мірі змінюється як за рахунок діафрагми, так і за рахунок міжреберних м'язів і черевної стінки. У фізіологічних умовах цей тип дихання іноді зустрічається у людей похилого віку. Частіше такий тип дихання можна спостерігати за умов патології. Наприклад, при патології дихального апарату (сухі плеврити, міозити); при патології органів черевної порожнини (гострий холецистит, виразка шлунка).

2. Дихальні м'язи.

Роль дихальних м'язів - забезпечують активні зміни об'єма грудної порожнини.

Розрізняють 2 групи дихальних м'язів.

1) М'язи вдиху (інспіраторні) - м'язи, при скороченні яких об'єм грудної клітки збільшується і відбувається вдих.

Інспіраторні м'язи бувають:

a) Основні: - діафрагма (phrenicum); У спокої 80% інспірації здійснюється саме діафрагмою.

- зовнішні міжреберні;

- внутрішні міжхрящеві;

b) Додаткові: (одним кінцем кріпляться до грудної клітки, другим до інших кісток - хребта, черепа, плечового поясу):

- великий і малий грудний м’яз;

- ступінчатий м’яз;

- грудинноключичнососцевидний м’яз;

- трапецевидний м’яз;

- ромбовидний м'яз;

- м'яз, піднімаючий лопатку.

2) М'язи видиху (експіраторні) - м'язи, при скороченні яких об'єм грудної клітки зменшується і відбувається видих.

Експіраторні м'язи бувають:

a) Основні: - внутрішні міжреберні;

b) Додаткові: - м'язи живота (при їх скороченні зростає внутрішньочеревний тиск, що сприяє підняттю діафрагми і видиху).

3. Плевральна порожнина:

Грудна клітка із середини вкрита парієнтальним листком плеври, а легені зовні вкрити її вісцеральним листком. Між ними є щілина, заповнена рідиною – плевральна порожнина. Її розмір 5-10 мкм.

Роль плевральної порожнини: через плевральну порожнину на легені передаються дихальні рухи від грудної клітки. За рахунок герметичності плевральної порожнини між поверхнею легенів і внутрішньою стінкою грудної клітки існує щільний контакт. Тому коли об'єм грудної порожнини збільшується, легені рухаються за грудною кліткою і їх об'єм також зростає.

Тиск у плевральній порожнині менший за атмосферний (Ратм. = 760 мм нд, Рвн-плев. = 756).

Р_плевр= Р_{вн-плев.} - Р_атм.

Плевральний тиск -це різниця між внутрішньоплевральним тиском і атмосферним.

Плевральний тиск залежить від фази дихання:

на вдосі = -6-8 см Н₂О (при глибокому вдосі до – 12 мм Н₂О).

на видосі = -3-5 см Н₂О.

Негативний плевральний тиск забезпечує розправлений стан альвеол, протидіючи еластичній тязі, яка сприяє їх спаданню.

Якщо в результаті ушкодження грудної клітки або легенів, в плевральну порожнину надходить повітря, герметичність плевральної порожнини втрачається, легені спадаються під дією еластичних сил та сил поверхневого натягу. Вони не прилягають до грудної клітки і не взмозі прямувати за рухами грудної клітки. Дихання унеможливлюється.

Такий стан - надходження повітря у плевральну порожнину - називається пневмотораксом.

Пневмоторакс буває: - закритим (у плевральну порожнину потропляє невелика кількість повітря, легені частково спадаються, але вентиляція продовжується);

- відкритим (при ушкодженні грудної клітки внаслідок поранення чи операції тиск у плевральній порожнині дорівнює атмосферному, легені спадаються, не вентилюються);

- односторонній;

- двосторонній.

При односторонньому пневмотораксі легені з неушкодженого боку здатні забезпечувати насичення крові киснем у спокійному стані, але не при фізичному навантаженні.

Односторонній пневмоторакс застосовують з лікувальною метою (наприклад, при туберкульозі).

Двосторонній відкритий пневмоторакс без екстреної допомоги призводить до смерті.

4. Легені.

Роль легенів: у них відбувається легенева вентиляція (обмін між зовнішнім середовищем і альвеолярним повітрям) та обмін між альвеолярним повітрям і кров'ю легеневих капілярів.

Легені мають здатність змінювати свій об'єм. Об'єм легенів залежить від дії двох факторів:

1. Транспульмональний тиск - різниця тисків через стінку альвеол. Ртранс. збільшує об'єм легенів.

Ртр. = Ра - Рпл.

Ра - альвеолярний тиск (різниця тисків в альвеолах і атмосфері);

Рпл - плевральний тиск (різниця між внутрішньоплевральним тиском і атмосферним).

2. Еластична тяга легенів. Сприяє спадінню альвеол, не дає їм розірватись на вдосі. Еластична тяга змінюється від 0 до 30 мм рт.ст. На висоті вдиху ЕТ зростає до 30 мм рт.ст., під час видоху зменшується і у паузу дорівнює 0. Складається з 2-ох компонентів:

1. Еластичні властивості легеневої тканини (складає еластичної тяги).

2. Сили поверхневого натягу рідини, яка вкриває внутрішню поверхню альвеол (складає ).

Сила поверхневого натягу - це сила міжмолекулярного зчеплення, яка діє на поверхні розділу фаз газ-рідина. ця сила намагається зменшити площу поверхні. У здорової людини сила поверхневого натягу в альвеолі у 10 разів менша, ніж теоретично розрахована. Це пов'язано з тим, що в альвеолах знаходяться речовини, які зменшують поверхневий натяг. Ці речовини називаються сурфактантами.

Сурфактанти -це поверхнево активні речовини. які синтезуються пневмоцитами ІІ порядку. До складу сурфактанту входять:

1. Дипальметилфосфотидилхолін (ДПФХ);

2. Білкові компоненти;

3. Іони Са²⁺

4. Н₂О.

ДПФХ -фосфоліпід, молекула якого з одного боку гідрофобна, а з іншого – гідрофільна. Тому молекули ДПФЛ розташовуються тонким шаром між ліпідами мембран епітелія легень і шаром води, який знаходиться на ньому.

Гідрофобними головками ДПФХ орієнтований до поверхні альвеоли, гідрофільними хвостами – до альвеолярного повітря.

Здатність сурфактанта зменшувати силу поверхневого натягу називається питомою активністю сурфактанта.

Питома активність сурфактанта залежить від товщини його шару на поверхні альвеоли: чим більша товщина, тим більша активність. Під час вдиху альвеоли розтягуються, товщина шару сурфактанта зменшується (він розташований в 1-2 шари), його питома активність зменшується, сили поверхневого натягу зростають. Це запобігає перерозтягуванню альвеол. Під час видоху, об’єм альвеол зменшується, товщина шару сурфактанту зростає (він розташований у 3-5шарів) його питома активність зростає, сили поверхневого натягу зменшуються. Це запобігає спадінню альвеол.

Значення сурфактанту:

1. Під час вдоху сурфактант забезпечує розправлення альвеол (завдяки йому треба докласти меншу силу, щоб їх розправити) і запобігає їх розриву.

2. Під час видиху запобігає спадінню альвеол, зменшуючи сили поверхневого натягу.

3. Сприяє очищенню альвеол. Сурфактант постійно рухається у напрямку до виходу з альвеол. Разом з ним з поверхні альвеол видаляються частки пилу і зруйнований епітелій.

4. Сприяє збереженню сухої поверхні альвеол, що на 50% зменшує випаровування води через легені.

5. Захисна. 10% маси сурфактанта складають білки, які активують протимікробні і противірусні механізми легенів, посилюють фагоцитарну активність легеневих макрофагів.

5. Повітроносні шляхи.

Роль повітроносних шляхів

1. Беруть участь у вентиляції легенів. Кількість повітря, яка проходить через повітроносні шляхи розраховується за рівнянням Ома:

Q - об'ємна швидкість руху повітря по повітроносним шляхам.

Ра - альвеолярний тиск (різниця тисків в альвеолі і атмосфері).

R - аеродинамічний опір, який розраховується за рівнянням Пуазейля:

Найбільшою мірою опір залежить від радіусу бронхів. За рівнянням Пуазейля: чим менший радіус, тим більший опір. Зміна опору може спостерігатись за наступних умов:

1). Під час вдиху активується СНС, яка сприяє розслабленню гладеньких м'язів

бронхів просвіт бронхів збільшується, опір зменшується, Q зростає.

На видосі, активується ПСНС, бронхи звужуються, опір зростає, Q зменшується.

2). При деяких формах бронхіальної астми спостерігається дисфункція ВНС з переважанням тонусу ПСНС, виникає бронхоспазм, порушується вентиля ція.

3). Навіть при короткочасному вдиханні диму цигарки виникає набряк слизової і протягом наступних 20-30 хв. опір диханню зростає у 2-3 раза.

4). При форсованому диханні зростає швидкість руху повітря, це призводить до збільшення турбулентних завихрінь і підвищенню опору без зміни радіуса дихальних шляхів. Це може суттєво ускладнювати роботу дихальних м’язів і людина недовільно переходить на дихання через рот, що на 30-40% зменшує аеродинамічний опір.

2. Очищення повітря (захисна функція). Частки розміром більше 10 мкм

затримуються на слизовій носової порожнини. Менші осідають на стін-

ках трахеї, бронхів, які вкриті війчастим епітелієм, що сприяє пересу-

ванню слизу разом з частками в бік гортані.

Найдрібніші частки надходять в альвеоли, де поглинаються макрофагами. Важливе значення у здійсненні захисної функції мають рефлекси чихання і кашлю, які починаються з рецепторів слизової повітроносних шляхів.

3. Зволоження повітря. У повітроносних шляхах повітря насичується парами

води. Незалежно від вологості атмосфери у легенях повітря насичене

водяними парами на 100%.

Під час видоху, проходячи по повітроносним шляхам, повітря частково встигає повернути слизовим і тепло, і воду (регенерація повітря). Але частина тепла і води може виділятися. Так, при форсованому диханні організм може втрачати до 10% тепла і до 200 мл/год. води.

4. Зігрівання повітря. Проходячи по дихальним шляхам повітря зігрівається до температури тіла завдяки щільному контакту з широкою сіткою кровоносних капілярів підслизового шару. І в альвеоли повітря надходить з t = 37⁰C.

5. Участь у фонації.

Біомеханіка дихання

Дихальний цикл складається з 2-ох фаз - вдих і видих.

1. Механізм вдиху.

Вдих починається з активації інспіраторних нейронів дихального центру. Імпульси від них по tr. reticulospinalis передаються у спинний мозок на -мотонейрони дихальних м’язів, а звідти по периферичним нервам до інспіраторних м'язів. Інспіраторні м'язи скорочуються. Збільшується об'єм грудної порожнини. Збільшується об'єм плевральної порожнини, що веде до зменшення плеврального тиску (-6-8 см Н₂О). Зростає транспульмональний тиск (Ртр = Ра - Рпл), під впливом якого легені розтягуються. Об'єм альвеол збільшується, а тиск в них падає (-1 см Н₂О). Ральв. стає меншим за атмосферний тиск і повітря надходить в альвеоли за градієнтом тиску.

Механізм видиху.

Видих пов'язаний з припиненням імпульсації інспіраторних нейронів. Імпульси не надходять до інспіраторних м'язів, вони розслаблюються, об'єм грудної порожнини зменшується. Об'єм плевральної порожнини зменшується, плевральний тиск зростає (-3-5 см Н₂О). Транспульмональний тиск зменшується, об'єм альвеол зменшується, тиск в них зростає: він стає більшим за атмосферний. І за градієнтом тиску повітря із альвеол виходить в атмосферу.

При спокійному диханні видих відбувається пасивно. Зменшення об'єму легенів відбувається за рахунок пружності грудної клітки і елестичної тяги легенів.

Форсований(активний) видих відбувається за участю експіраторних м'язів. Скорочення яких сприяє зменшенню об'єму легенів і виходу додаткової кількості повітря з альвеол.

Показники зовнішнього дихання. Методи їх визначення і оцінка

Показники легеневої вентиляції діляться на 2 групи:

1. Статичні. Характеризують функціональні резерви системи зовнішнього дихання.

2. Динамічні. Характеризують реалізацію резервів зовнішнього дихання в умовах спокійного і форсованого дихання.

Для оцінки стану дихальної системи в клініці використовують метод спірографії, спірометрії, пневмотахометрії.

Спірографія

Спірографія -це метод графічної реєстрації дихальних об’ємів за умов спокійного і форсованого дихання.

Схематично спірограма має наступний вигляд:

Максимальний

вдих

Спокійний

Вдих 5 6

Спокійний

видих 8

Максимальний

видих

Спадіння

альвеол

1. Дихальний об’єм (ДО) – це об’єм повітря, який людина вдихає чи видихає при спокійному диханні.

У нормі ДО 500 мл.

2. Резервний об’єм вдиху (РОвд.) – це максимальний об’єм повітря, який людина може додатково вдихнути після спокійного вдиху не видихаючи. У нормі РОвд. = 2,0-2,5 л.

3. Резервний об’єм видиху (РОвид.) – це максимальний об’єм повітря, який людина може видихати після спокійного видиху.

У нормі РОвид. = 1,5 л.

4. Залишковий об’єм (ЗО) – це об’єм повітря, який залишається у легенях після глибокого видиху.

У нормі ЗО = 1,0-1,5 л.

5. Життєва ємність легенів (ЖЄЛ) – це максимальний об’єм повітря, який людина може видихнути після максимального глибокого вдиху.

У нормі ЖЄЛ = 3,5-4 л.

ЖЄЛ = ДО + РОвд. + РОвид.

6. Ємність вдиху (ЄВ) – це максимальний об’єм повітря, який людина може вдихнути після спокійного видиху.

У нормі ЄВ = 2,0 л.

ЄВ = ДО + РОвд.

7. Функціональна залишкова ємність (ФЗЄ) – це об’єм повітря, який знаходиться в легенях після спокійного видиху перед вдихом.

У нормі ФЗЄ = 2,5-3 л.

ФЗЄ = РОвид. + ЗО.

8. Загальна ємність легенів (ЗЄЛ) – це об’єм повітря, який знаходиться у легенях на висоті глибокого вдиху.

У нормі ЗЄЛ = 5 л.

ЗЄЛ = РОвд. + РОвид. + ЗО.

Найбільше значення серед статичних показників мають ДО, ЖЄЛ, ФЗЄ.

ЖЄЛ є показником рухливості легенів і грудної клітки. Не дивлячись на назву (життєва ЕЛ) цей показник не віддзеркалює параметрів дихання в реальних, життєвих умовах, оскільки навіть при найбільших потребах глибина дихання не сягає максимально можливих значень.

ЖЄЛ залежить від наступних факторів:

Вік.

Після 40 років ЖЄЛ зменшується. Це пов'язано зі зниженням еластичності і рухливості грудної клітки.

Стать.

У жінок ЖЄЛ на 25% зменшена, ніж у чоловіків.

Зріст, маса тіла.

Величина грудної клітки пропорційна розмірам тіла. Збільшуються розміри тіла, збільшується грудна клітка, зростає ЖЄЛ.

Фізичний розвиток, ступінь тренованості.

У фізично тренованих ЖЄЛ збільшується. Особливо у тих, хто займається видами спорту, що вимагають витривалості (плавання, гребля). У них ЖЄЛ зростає до 8 л.

ФЗЄ. Фізіологічна роль цього показника полягає в тому, що завдяки наявності цієї ємності в альвеолярному просторі вирівнюються коливання О₂ і СО₂ яке обумовлено різницею в їх вмісті у вдихаємому та видихаємому повітрі. Повітря, яке вдихається, перемішується з тим, яке знаходиться в легенях, тобто з ФЗЄ. Оскільки ФЗЕ в декілька разів більша ніж ДО (3 л проти 0,5 л), то склад альвеолярного повітря змінюється незначно.

ФЗЄ залежить:

Від віку.

При старінні зростає.

Від статі.

У жінок на 25% менше.

Динамічні показники

1. Частота дихання - кількість дихальних рухів за хвилину (ЧД у дорослих = 14, колив. 10-18, у дітей 20-30, у новонароджених 40-50).

2. Хвилинний об'єм дихання або легенева вентиляція (ХОД; ЛВ) - об'єм повітря, який вдихається чи видихається за 1 хвилину при спокійному диханні.

ХОД = ЧД · ДО = 7 л.

3. Хвилинна альвеолярна вентиляція (ХАВ) - частина ХОД, яка досягає альвеол і бере участь у газообміні.

ХАВ = (ДО - ОМП) · ЧД.

Мертвий простір -частина дихальної системи, яка вентилюється, але не бере участі у газообміні.

ОМП 150 мл

ОМП = m (кг) · 2.

Розрізняють:

1) Анатомічний мертвий простір, який представлений повітроносними шляхами.

2) Альвеолярний мертвий простір, представлений альвеолами, в яких не відбувається газообмін (у здорових людей кількість таких альвеол незначна).

3) Функціональний (фізіологічний) мертвий простір, загальний об'єм всіх відділів дихальної системи, які вентилюються, але не беруть участі у газообміні.

3 = 1 + 2

У нормі 3 1

4) Максимальна вентиляція легень (МВЛ) - кількість повітря, яка проходить через легені при диханні з максимальною частотою і глибиною. Віддзеркалює максимальні резервні можливості дихальної системи.

5) Резерв дихання - це різниця між МВЛ і ХОД.

Резерв дихання показує на скільки літрів може збільшитись хвилинний об’єм дихання при форсованому диханні порівняно зі спокійним.

РД = МВЛ - ХОД

6) Коефіцієнт легеневої вентиляції (КЛВ) - це частина повітря, яка обмінюється у легенях під час кожного вдиху.

7) Коефіцієнт альвеолярної вентиляції (КАВ) - це відношення ХАВ до легеневого кровотоку.

; у спокої .

Аналіз отриманих даних про значення статичних і динамічних показників проводять, порівнюючи отримані показники з належними, які знаходять по таблицям. Якщо відхилення знайденого показника від належного не перевищує 15% його величину вважають нормальною.

Спірометрія

Метод спірометрії дозволяє визначити тільки статичні показники зовнішнього дихання, а саме ДО, РОвдиху, РОвидиху, ЖЄЛ. Для визначення використовують повітряний спірометр. Отримані показники порівнюють з належними.

Пневмотахометрія

Метод визначення швидкості руху повітря на вдосі і видосі. Дослідження виконують шляхом вдихання або видихання повітря через мундштук приладу. По розташуванню стрілки приладу визначають швидкість руху повітря. При спокійному диханні швидкість становить 500-600 мл/с, при форсованому вдосі – 6000-8000 мл/с, при форсованому видосі – 4000-6000 мл/с. Причиною зменшення показників може бути збільшення опору дихальних шляхів (наприклад, при бронхіальній астмі), а також порушення з боку виконавчих структур, що забезпечують біомеханіку дихання (міозити, невралгії, плеврити).