Тема: Биомеханика внешнего дыхания. Приборы для измерения функции внешнего дыхания

Цель:

· изучить механизм работы устройства

· изучить вопросы измерения функции внешнего дыхания, регистрации и анализа данных

функциональных исследований

 

Задачи обучения:

· Студент должен знать принцип работы прибора для измерения функции внешнего

дыхания

· Дать знания о практических важных достижениях биофизики для решения задач

медико-биологических исследований;

 

Основные вопросы темы:

• Приборы для измерения функции внешнего дыхания.
• Устройство и принцип работы.
• Регистрация и анализ данных функциональных исследований.

 

Методы обучения - работа в малых группах

 

Информационно-дидактический блок:

Обмен газами между клетками и окружающей средой называется дыханием. Дыхательные газы переносятся в организме посредством конвекционного и диффузионного (закон Фика) транспорта. Конвекционный транспорт служит для переноса веществ на большие расстояния. Диффузионный транспорт для переноса газов на короткие расстояния (О₂СО₂).

Различают 4 основные стадии газопереноса: переноса О₂, удаление диоксида углерода.

1. Вентиляция конвекционный транспорт в альвеолах
2. Диффузия в альвеолах диффузия альвеол в кровь легочных капилляров
3. Перенос кровью конвекционный перенос кровью и капиллярами тканей
4. Диффузия в тканях диффузия из капилляров в окружающие ткани.

Первая и вторая стадии называется легочным (внешним) дыханием. Третья стадия транспорт газов кровью. Четвертая стадия тканевое (внутреннее) дыхание. В альвеолах происходит газообмен между кровью легочных капилляров и воздухом содержащимся в легких. Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью осуществляется диффузией. Самая важная дыхательная мышца диаграмма, иннервируемая диафрагмальными нервами. Во время выдоха она прилегает к внутренней стенке грудной клетки. Во время вдоха отходит от внутренней поверхности грудной клетки. При этом открывается пространство, называемое ребердиграммальными синусами и участки легких расширяются и хорошо вентилируются.

В процессе дыхания выделяют три стадии (этапа): внешнее дыхание, вклю­чающее вентиляцию легких и диффузию газов в них; транспорт 0₂ и С0₂ кровью; внутреннее дыхание, подразделяющееся на диффузию газов в тканях и клеточное дыхание (рис. 1.50).

 

 

Рис. 1.50. Стадии (этапы) дыхания {справа) и составляющие их процессы (слева)

 

Систему органов дыхания составляют легкие, расположенные в грудной полости и воздухоносные пути: носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, бронхи.

Легкие расположены в грудной полости. Основу легких образуют бронхи и бронхиолы, которые переходят в альвеолярные ходы с альвеолами. Диаметр воздухоносных трубочек постепенно уменьшается. Концы самых мелких бронхиальных трубочек заканчиваются гроздями тонкостенных легочных пузырьков, заполненных воздухом. Легочные пузырьки образуют губчатую массу, которая формирует легкие. Снаружи каждое легкое покрыто гладкой блестящей оболочкой из соединительной ткани легочной плеврой.

Газообмен в легких. В легких совершается обмен кислородом, углекислым газом, азотом между организмом и внешней средой. Благодаря работе дыхатель­ных мышц легочные альвеолы обмениваются этими газами с атмосферой, что обеспечивает относительное постоянство концентраций 0₂ и особенно С0₂ в аль­веолярной газовой смеси. Схема бронхо-альвеолярного комплекса изображена на рис. 1.51.

Газообмен между альвеолярной газовой смесью и кровью легочных капилляров происходит на альвеоло-капиллярной мембране (ARM), представляющей собой мно­гомембранную систему (рис. 1.52).

Рис, 1.52. Схемы альвеоло-капиллярной мембраны и диффузии газов в легких:

а — слои «диффузионного пути»: 6 — схематическое изображение контакта альвеолы с капиллярами; в — компоненты альвеоло-капиллярной мембраны; 1 — альвеолярный эпителий: 2 — межклеточная среда; 3 — эндотелий капилляра; 4 — плазма крови; 5 - эритроцитарная мембрана

На этот процесс не оказывают влияния электри­ческий, осмотический и гидростатический градиенты. Долгое время дебатировался вопрос о существовании активного транспорта (секреции) кислорода в легких. Сейчас общепризнано, что в организме нет систем активного транспорта кислоро­да, углекислого газа и азота. Следовательно, газообмен в легких осуществляется под действием только одной силы — концентрационного градиента каждого из га­зов на АКМ.

 

Дыхательные движения

Последовательность биофизических процессов, обеспечивающих вентиляцию легких, можно представить в виде следующей схемы:

● акт вдоха: поступление нервного импульса к дыхательным мышцам → синаптическая (нервно- мышечная) передача→ сокращение дыхательных мышц→увеличение объема грудной полости→ увеличение объема легких→ снижение давления в легких (по закону Бойля-Мариотта)→всасывание воздуха из атмосферы в легкие;

●акт выдоха: расслабление дыхательных мышц (вслед за сокращением при вдохе)→уменьшение объема грудной полости→ уменьшение объема легких→ повышение давления в легких (по закону Бойля-Мариотта)→ выдавливание воздуха из легких в атмосферу. Вдох и выдох ритмически сменяют друг друга. Смена вдоха и выдоха регулируется дыхательным центром, расположенном в продолговатом мозге. В дыхательном центре ритмически возникают импульсы, которые по нервам передаются межреберным мышцам и диафрагме, вызывая их сокращение. Содержание газов во вдыхаемом воздухе неодинаково.

Задачи биофизики внешнего дыхания заключается главным образом в выяснении и описании связей между работой дыхательных мышц, давлением в разных частях аппарата дыхания, объемом легких и движением воздуха.

Дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение двуокиси углерода. В условиях покоя, например, при умственной деятельности, в среднем за каждую минуту организм человека должен получать 250-300 мл кислорода и выделять 200-250 мл углекислого газа. При физической нагрузке большей мощности потребность в кислороде существенно возрастает и достигает (максимальное потребление кислорода) у нетренированных людей 2-3 л/мин., а у высоко тренированных – 4-6 л/мин. Вентиляция легких зависит от глубины дыхания (дыхательного объема) и частоты дыхательных движений. В легочных объемах различают:

1. Дыхательный объем количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании.
2. Жизненная емкость легких наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха.
3. Функциональная остаточная емкость количество воздуха оставшегося в легких после спокойного выдоха.

Объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха измеряется спирометром и пневмотахографом.

а) Спирометр прибор способный вмещать различные количества воздуха при P=const. Изменения объема изменены и называется спирограммами.

в) Пневмотахография регистрируют объемную скорость воздушной струи (где ) воздушной струи т.е. количество воздуха, проходящего через поперечное сечение трубки в единицу времени и называется пневмотахограммой

2. Жизненная емкость легких- является показателем подвижности легких и грудной клетки и зависит от возраста, пола, размеров и положения тела и тренированности у молодых людей ЖЕЛ определяется: ЖЕЛ (л)=2,5*рост (м). Например у мужчин ростом 180 см ЖЕЛ=4,5 л, у женщин ЖЕЛ в ср.на 25% меньше, чем у мужчин.

3. Функциональная остаточная емкость ФОЕ. Благодаря ФОЕ в альвеолярном пространстве сглаживаются колебания конвекции О₂ и СО₂ обусловленные различиями в их содержании во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Величина ФОЕ равная сумме остаточного объема и резервного объема выдоха, зависит от ряда факторов. В горизонтальном положении у молодых ФОЕ-2,4, у пожилых мужчин-3,4 л., у женщин ФОЕ на 25% меньше.

Для оценки вентиляционной функции легких, состояния дыхательных путей, изучения дыхания применяются различные методы исследования.

Пневмография- регистрация движений грудной клетки при дыхательных движениях. Она проводится путем трансформации изменения линейных перемещений грудной клетки в механический или электрический сигнал. Пневмограмма позволяет оценить число дыхательных движений за единицу времени, изменение его при различных условиях. Однако метод не позволяет оценить объемы и емкости легких.

Спирометрия – регистрация первичных объемов легких- ДО, РОВд, РОВ (ДО- дыхательный объем, РОВд- резервный объем вдоха, РОВ- резервный объем выдоха) и жизненной емкости легких, используются различные конструкции спирометров- водяные (например, модель современного водяного спирометра- волюмоспирометр), воздушные.

Спирография. Существуют различные спирографы, например, марки «Метатест-1», которые позволяют графически отразить объем воздуха, проходящий через легкие- при спокойном дыхании (ДО), форсированном вдохе (РОВд), макимальном выдохе (РОВ), а также при произвольном гипервентиляции. Если в системе имеется возможность поглощать выделяемый углекислый газ, например, за счет натронной извести, то по убыли воздуха в этом замкнутом объеме спирографа можно определить объем кислорода, который поглощает испытуемый за время исследования.

Спирография позволяет оценить следующие показатели: МОД (минутный объем дыхания), ДО (дыхательный объем), РОВд (резервный объем вдоха), РОВ (резервный объем выдоха), ЖЕЛ (жизненная емкость легких), МВЛ (максимальная вентиляция легких). Для определения МВЛ испытуемый должен в течение 15 секунд произвести максимально частые и глубокие дыхательные движения, объем воздуха, прошедший через легкие за 15 с, умножают на 4 и получают теоретическую величину- объем воздуха, который может пройти через легкие испытуемого при максимальном дыхании за 1 минуту. У тренированных людей МВЛ достигает 120 л/мин.

Спирография позволяет оценить и скорость воздушных потоков. Проходящих через легкие на вдохе или выдохе т.е оценить объемную скорость дыхания.

Самостоятельная работа.

Задача 1. При дыхании человек вдыхает воздух с объемом 500 см³. При температуре 20⁰С

давление воздуха равно атмосферному давлению. Найдите давление при

температуре человека? Атмосферное давление равно 10⁵ Па, температура

человека 37⁰С. Чему равна масса этого воздуха?

Задача 2. При постоянном давлении углекислый газ (СО₂) с молярной массой 2000 моль разогрели до 50 К. Нужно найти:

1) изменение внутренней энергии газа

2) работу увелечения

3) количество теплоты переданное газу.

Задача 3. Найдите массу аммиака с объемом 20 м³, давлением 1,93 *10⁵ Па при

температуре 17⁰С.

Контроль исходного и заключительного уровня знаний:

1. анализ результатов лабораторной работы студентов

2. тесты по теме.

Контроль вопросы

• Какие приборы существуют для измерения функции внешнего дыхания.
• Каково устройство и принцип работы прибора для измерения функции внешнего дыхания.
• Как регистрируются данные функциональных исследований.
• Уравнение Менделеева-Клайперона
• Изопроцессы
• Законы термодинамики

VIII. Литература

1. Ремизов А.Н. и др. Медицинская и биологическая физика, 4-ое изд.Дрофа, 2001.

2. Ремизов А.Н.Курс физики, электроники и кибернетики, М.. 1982

3. Грабовский А.М. Курс физики, М.,1982г.

4. Ливенцев Н.М. Курс физики М., 1998

5. Эссаулова Н.А. и др. «Руководство к лабораторным работам по физике», М., 1983г.

6. Блохина и др. «Руководство к лабораторным работам по медицинской и

биологической физике». «Дрофа», 2002

7. Ремизов А.Н., Максина А.Г. «Сборник задач по медицинской и биологической

физике». Учебное пособие для вузов.-М.:Дрофа, 2001.

8. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики, М.:-Дрофа,2002.