Фізіологія дихання, енергетичного обміну, терморегуляції

Фізіологія дихання, енергетичного обміну, терморегуляції

17

фізіологія дихання, енергетичного обміну, терморегуляції.

1. Загальна характеристика системи дихання. Основні етапи дихання. Біомеханіка вдиху і видиху.

Дихання - процес обміну газів (О2 та СО2) між атмосферним повітрям та тканинами організму.

До виконавчих органів системи дихання відносять:

Грудна клітина - жорсткий каркас, який захищає легені. Рух грудної клітки забезпечує здійснення вдоху та видоху - елементарних актів, які забезпечують вентиляцію легень та оновлення газового складу повітря.

Дихальні м'язи - за рахунок їх скорочення та розслаблення відбуваються рухи грудної клітки вдох та видох.

Дихальні м'язи можна поділити на дві групи:

а) ті, які забезпечують здійснення спокійного дихання, а саме спокійний вдох: це зовнішні реберні м'язи та діафрагма - при їх скороченні спокійний вдох; при їх розслабленні спокійний видох;

б) ті, що підключаються до роботи під час форсованого (глибокого) дихання:

- допоміжні (додаткові) м'язи вдоху - великі та малі грудні м'язи, драбинчасті, трапецієподібні, підіймач лопатки, підіймач ануса.

- допоміжні (додаткові) м'язи видоху - м'язи живота (черевного пресу) та середні міжреберні.

Плевра та плевральна порожнина, яка утворюється її двома листками - герметичність плевральної порожнини є необхідною умовою для вдоху та видоху.

Повітроносні (дихальні) шляхи - порожнина носа та пазухи, носоглотка, гортань, трахея, головні бронхи та всі їх генерації (20-25). Вони вентилюються при кожному вдосі, але не беруть участі в газобміні. Тому об'єм дихальних шляхів називають “анатомічним мертвим простором”. Його об'єм у дорослої людини складає 150 мл.

Легені - в альвеолах легень здійснюється газообмін між повітрям, який в них занходиться (альвеолярне повітря, склад якого постійно поновлюється шляхом вдоху та видоху) і венозною кров'ю, яка притікає до легень по артеріальним судинам малого кола кровообігу. Проходячи по капілярам легень венозна кров перетворюється на артеріальну.

Кров - гази (О2, СО2), що входять до її складу транспортуються від легень до тканин (О2) та в протилежному напрямку (СО2).

Система кровообігу - забезпечують транспорт (рух) крові.

Тканини - утилізують (використовують) О2 та утворюють СО2.

Дихання - складний процес і його поділяють на ряд етапів:

1. Зовнішнє дихання - обмін газами між атмосферним та альвеолярним повітрям, що здійснюється шляхом чергування вдоху та видоху.

2. Дифузфя газів в легені - перехід О2 із альвеолярного повітря в кров і СО2 - в протилежному напрямку за градієнтом парціального тиску цих газів в альвеолярному повітрі та їх напруженням в крові.

3. Транспорт газів кров'ю.

4. Дифузія газів в тканинах.

5. Тканинне дихання.

Існує уявлення про систему зовнішнього дихання.

До виконавчих органів належать органи 1-5. За рахунок зміни кількості м'язів, що забезпечують вдих та видих, сили їх скорочення і розслаблення змінюється глибина і частота дихання - зміна вентиляції легень - забезпечення сталого складу альвеолярного повітря. Цей результат дуже важливий, оскільки у здорової людини при проходженні крові через капіляри легень відбувається практично повне вирівнювання складу газів у альвеолах та крові. Тому постійність газового складу альвеолярного повітря є умовою сталості газового складу артеріальної крові - газовий гомеостаз.

Зовнішнє дихання здійснюється завдяки ритмічному чергуванню вдиху і видоху. Біомеханіка спокійного дихання:

1. Спокійний вдих - активний акт, тобто пов'язаний зі скороченням м'язів спокійного вдиху (зовнішні міжреберні та діафрагма).

Скорочення зовнішніх міжреберних м'язів супроводжується підняттям ребер - збільшення розмірів грудної клітки в передньо-задньому та боковому напрямках. Нижні ребра підтягуються до верхніх завдяки характерному ходу волокон - сила, що діє на обидва ребра однакова, але момент сили, що діє на нижнє ребро, більший.

Скорочення діафрагми супроводжується її сплощенням - органи черевної порожнини зміщуються донизу, а грудна клітка збільшує свій розмір у верхньо-нижньому напрямку. Роль діафрагми у здійсненні спокійного дихання більша, ніж у міжреберних м'язів - вона зміщується вниз лише на 1 см, але забезпечує 2/3 ємності спокійного вдиху. При форсованому дихані вона може зміщуватися вниз на 10 см. У більшості людей в спокої переважає діафрагмальне дихання як більш ефективне. Проте за деяких станів (вагітність, метеоризм) діафрагмальне дихання утруднене і тоді переважає реберне дихання.

Збільшення ємкості грудної клітки за рахунок скорочення м'язів вдиху супроводжується зниженням внутрішньоплеврального тиску (від -5 мм водн.ст до -7...-8 мм водн.ст). Тобто внутрішньопелвральний тиск від'ємний вже у стані видиху (нижче атмосферного), а при вдосі стає ще більш негативним. Це призводить до збільшення транспульмонального тиску (різниця тисків у альвеолах та плевральній порожнині) і легені розширюються. При цьому тиск в альвеолах стає на 2-3 мм водн. ст. нижче атмосферного і повітря за градієнтом тиску надходить в альвеоли - здійснюється вдих.

Тобто, послідовність дій при вдосі така: скорочення дихальних м'язів збільшення розмірів грудної клітки падіння тиску в плевральній порожнині (підвищення ступеня негативного тиску) підвищення транспульмонального тиску розширення легень зниження тиску в альвеолах рух атмосферного повітря в альвеоли за градієнтом тиску вдих.

2. Біомеханіка спокійного видиху принципово відрізняється від біомеханіки спокійного вдоху тим, що видих проходить пасивно. Послідовність дій при видосі така: розслаблення м'язів вдоху опускання ребер (під дією сили тяжіння, сил еластичної деформації хрящів, зв'язок, підняття діафрагми) внаслідок різниці тиску в черевній та грудній порожнині зменшення об'єму грудної клітки підвищення тиску в плевральній порожнині (зменшення ступеня негативності цього тиску, але він все ще залишається негативним - близько -5 см водн. ст.) зменшення транспульмонального тиску зменшення об'єму легень підвищення тиску в альвеолах до +2 см. водн. ст.) рух повітря із альвеол в атмосферу видих.

Звертає на себе увагу той факт, що тиск в плевральній порожнині при спокійному диханні залишається негативним навіть при видосі. Причиною наявності негативного внутрішньоплеврального тиску є еластична тяга легень - сила, яка примушує легені спадатись (зменшуватись в об'ємі). Ця сила зумовлює зменшення об'єму легень, а тиск в плевральній порожнині за рахунок цього стає негативним.

2. Еластична тяга легень, негативний внутрішньоплевральний

тиск.

Еластична тяга легень є сумою трьох сил:

1) сила поверхневого натягу шару рідини (води), яка вистеляє альвеоли зсередини. Це основна сила, яка примушує альвеоли зменшувати свій розмір (а легені спадатися); вона складає 2/3 від всієї еластичної тяги легень.

2) сила напруження еластичних волокон, що входять до складу легеневої тканини.

3) тонус бронхіальної мускулатури - чим він вищий, тим вужчі дихальні шляхи і тим більший аеродинамічний опір, який дихальні шляхи надають руху повітря. При цьому еластична тяга легень збільшується.

В легенях існує спеціальний механізм, який зменшує силу поверхневого натягу альвеол. Він полягає в синтезі пневмоцитами ІІ типу сурфактанту - поверхнево-активної речовини (ПАР). Сурфактант вистелає альвеоли зсередини (на кордоні з повітряним середовищем). Сили взаємного відштовхування, які існують між молекулами сурфактанту, зменшують силу поверхневого натягу води. Сурфактант - речовина фосфоліпідної природи, виконує функції ПАР декілька годин, після чого потребує заміни. Речовини, що необхідні для синтезу сурфактанту, надходять до пневмоцитів з током крові, тому його вироблення порушується при порушенні кровопостачання легень.

Питома активність сурфактанту (тобто, його властивість зменшувати силу поверхневого натягу) залежить від товщини його шару на поверхні альвеоли - чим більша його товщина, тим більша питома активність. Тому, при зменшенні об'єму альвеоли сурфактант в більшій ступені знижує силу поверхневого натягу (товщина його шару збільшується) попередження повного спадання альвеоли. При розтягненні альвеоли товщина шару сурфактанту зменшується зниження його питомої активності підвищення сили поверхневого натягу попередження перерозтягу альвеол.

Таким чином, за рахунок зміни питомої активності сурфактанту при зміні розміру альвеол, здійснюється саморегуляція цього розміру стабілізація альвеол.

Окрім основної функції сурфактант виконує ще й додаткові, такі як:

- зменшує роботу дихальних м'язів;

- попереджує випотівання рідини з альвеоли;

- очищає альвеоли (в звичайних умовах молекули сурфактанту рухаються по поверхні альвеол в напрямку до їх гирла).

3. Зовнішнє дихання. Показники зовнішнього дихання та їх оцінка.

Основними методами дослідження показників зовнішнього дихання є спірометрія та спірографія.

Спірографія - метод графічної реєстрації дихальних рухів (в умовах спокійного та форсованого дихання). Спірограма має такий вигляд:

Статичні показники зовнішнього дихання:

І. Об'єми:

1. ДО - дихальний об'єм - той об'єм повітря, який людина вдихає і видихає при спокійному диханні.

2. РО вдиху - резервний об'єм вдиху - той об'єм повітря, який людина може вдихнути при максимально глибокому вдосі понад ДО.

3. РО видиху - резервний об'єм видиху - той об'єм повітря, який людина може видихнути при максимально глибокому видосі понад ДО.

4. ЗО - залишковий об'єм - той об'єм повітря, який залишається в легенях після максимально глибокого видиху (його неможливо визначити методом спірографії чи спірометрії). Приблизно ЗО дорівнює 1200 мл.

ІІ. Ємності - показники зовнішнього дихання, які є сумою декількох об'ємів. До них відносяться:

1. ЖЄЛ - життєва ємність легень - сума РО вдоху, ДО та РО видиху - той об'єм повітря, який людина може вдихнути при максимально глибокому вдосі після максимально глибокого видиху (тобто, характеризує максимально можливу глибину дихання).

2. Є вдиху - ємність вдиху - сума РО вдоху і ДО - той об'єм повітря, який людина може вдихнути при максимально глибокому вдосі після спокійного видиху.

3. ФЗЄ - функціональна залишкова ємність легень - сума РО видиху і ЗО - той об'єм повітря, який залишається в легенях після спокійного видиху. ФЗЄ забезпечує постійний газообмін (в інтервалі між вдихом та видихом). Доволі висока величина ФЗЄ (2,5 - 3л) є причиною того, що при вдосі газовий склад атмосферного повітря майже не змінюється (об'єм вдихуваного атмосферного повітря розподіляється в значному об'ємі альвеолярного повітря - ФОЕ).

4. ЗЄЛ - загальна ємність легень - той об'єм повітря, який міститься в легенях при максимально глибокому вдосі. Вона відповідає сумі РО вдоху, ДО, РО видиху та ЗО.

Всі статичні показники характеризують функціональні резерви системи зовнішнього дихання (тобто, можливості збільшити глибину вдоху, видиху і т.д.). у здорової людини їх величина залежить перш за все від стану (ступеня тренованості) дихальних м'язів. При патології статичні показники можуть змінюватися внаслідок порушення стану дихальних шляхів, тканини легень, грудної клітки.

Динамічні показники зовнішнього дихання по іншому називають показниками вентиляції легень. З врахуванням частоти дихальних рухів (ЧДР) і глибини дихання при спокійному та форсованому диханні вони показують, як проходить вентиляція легень при спокійному диханні і наскільки вона може зростати при форсованому диханні.

До динамічних показників, які характеризують спокійне дихання, відносять:

1. ХОД - хвилинний об'єм дихання. Його розраховують за формулою: ХОД = ДО ЧДР. Він показує, який об'єм повітря проходить (вентилюється) через легені та дихальні шляхи за одну хвилину.

2. АВЛ - альвеолярна вентиляція легень - розраховується за формулою: АВЛ = (ДО - МП) ЧДР, де МП - об'єм мертвого простору, який рівний приблизно 150 мл. АВЛ характеризує вентиляцію атмосферним повітрям альвеол (без врахування вентиляції дихальних шляхів). Цей показник більш інформативний, ніж ХОД.

3. КВЛ - коефіцієнт вентиляції легень. Він розраховується за формулою: КВЛ = (ДО - МП) ФЗЄ, де (ДО - МП) - кількість (об'єм) атмосферного повітря, який потрапляє в альвеоли. Із ДО виключається МП, тому що спочатку, при вдосі, в альвеоли потрапляє повітря із дихальних шляхів (МП), який по складу не відрізняється від альвеолярного. КВЛ показує, яка частина альвеолярного повітря поновлюється при кожному вдосі. Виражається показник звичайним дробом і в нормі складає приблизно 1/7 - 1/8 (тобто, в нормі альвеолярне повітря при спокійному вдосі поновлюється на 1/7 - 1/8 частину).

До динамічних показників, які характеризують форсоване дихання, відносять:

1. МВЛ - максимальна вентиляція легень - максимально можливий при форсованому диханні ХОД. МВЛ розраховується за формулою: МВЛ = ДОmax ЧДРmax. Максимальний дихальний об'єм і максимальну частоту дихальних рухів розраховують по спірограмі, яка записана в умовах форсованого дихання (кінцева частина спірограми).

2. РД - резерв дихання, який розраховується за формулою: РД = МВЛ - ХОД. Тобто, цей показник говорить про те, на скільки літрів може збільшитися ХОД при форсованому диханні в порівнянні зі спокійним.

3. КРД - коефіцієнт резерву дихання, який розраховується за формулою: КРД = (МВЛ - ХОД) МВЛ 100%. В нормі цей показник рівний 85 - 90%.

При аналізі динамічних показників зовнішнього дихання роблять висновок про реалізацію резервів зовнішнього дихання при спокійному та форсованому диханні.

Аналіз отриманих даних про величину статичних та динамічних показників проводять порівнюючи кожен показник з належним для даної піддослідної людини. Визначають належні величини показників зовнішнього дихання наступним чином:

1. Спочатку за таблицями Харіса та Бенедикта визначають належний (нормальний) для даної людини основний обмін. Таблиці різні для жінок та для чоловіків. Належний основний обмін визначають додаючи два числа:

- число А - число кілокалорій, що відповідає масі тіла людини;

- число Б - число кілокалорій, що відповідає віку та росту людини.

2. Далі переходять до таблиці належних показників зовнішнього дихання, де в рядку, який відповідає належному основному обміну людини, вказуються нормальні для неї показники зовнішнього дихання.

3. Отримані показники порівнюють з належними, розраховуючи відсоток відхилення отриманого показника від належного за формулою: % відхилення = ((отримана величина - належна величина) належна величина) 100%.

Якщо відхилення отриманого показника від належної величини не більше 15%, його величину рахують нормальною.

Метод спірометрії дозволяє визначити тільки статичні показники зовнішнього дихання, а саме: ДО, РО вдиху, РО видиху, ЖЄЛ.

Для роботи використовують сухоповітряний спірометр, який працює тільки на видосі. Статичні показники за його допомогою визначаються так:

1. ДО - роблять в спірометр 6 спокійних вдихів. Отриманий на шкалі об'єм ділять на 6 - таким чином ми усереднюємо результат і зменшуємо похибку.

2. РО вдиху - роблять в спірометр максимально глибокий видих після спокійного вдиху. Від об'єму, отриманого на шкалі приладу, необхідно відняти ДО.

3. ЖЄЛ - роблять в спірометр максимально глибокий видих після максимально глибокого вдиху і фіксують об'єм на шкалі.

4. РО видиху - можна визначити, віднявши від ЖЄЛ ДО і РО видиху.

Оцінку результатів проводять, порівнюючи їх з належними, які визначають з належним основним обміном (див. вище).

Метод пневмотрахометрії дозволяє визначити швидкість руху повітря при здійсненні вдиху та видиху. Дослідження проводиться шляхом вдихання чи видихання повітря через мундштук приладу. За положенням стрілки приладу визначають швидкість руху повітря.

При спокійному диханні швидкість руху повітряного потоку дорівнює 500 - 600 мл/с; при форсованому вдиху - 6000 - 8000 мл/с; при форсованому видиху - 4000 - 6000 мл/с.

Причиною зменшення показників можуть бути: збільшення опору руху повітря з боку дихальних шляхів (наприклад, при бронхіальній астмі), а також порушення зі сторони виконавчих структур, що забезпечують механіку вдиху та видиху (міозит, невралгії міжреберних нервів, плеврит і т.д.).

4. Анатомічний і фізіологічний "мертвий простір" його фізіологічна роль.

Частина альвеол, які вентилюються та не кровопостачаються, формують альвеолярний мертвий простір (в них не проходить газообмін і їх вентиляція неефективна, як і вентиляція дихальних шляхів). Сума анатомічного і альвеолярного мертвого простору називається фізіологічним (функціональним) мертвим простором. У здорової людини об'єм анатомічного і функціонального мертвого просторів мало відрізняються, та при деяких станах різниця може бути суттєвою.

5. Дифузія газів у легенях. Дифузійна здатність легень і фактори, від яких вона залежить.

Обмін газів (О2 та СО2) між альвеолярним повітрям та кров'ю проходить тільки пасивно за механізмом дифузії. Силою, яка спричиняє дифузію газів, являється різниця концентрації газів в альвеолярному повітрі та в венозній крові, яка надходить в капіляри легень.

Концентрація газів в повітрі характеризує їх парціальний тиск - та частина від загального тиску, що створюється сумішшю газів, яка приходиться на частку саме цього газу. Парціальний тиск (Р) розраховується, виходячи із загального тиску суміші газів і вмісту в ньому (в %) саме цього газу. Загальний тиск суміші газів, який називається атмосферним, видихуваним та альвеолярним повітрям, рівний атмосферному.

Концентрацію газу в крові характеризує його напруження - тиск газу, розчиненого в рідині. Напруження також позначається літерою Р.

Газовий склад вдихуваного (атмосферного), видихуваного та альвеолярного повітря різний:

Причиною різного газового складу атмосферного та видихуваного повітря є газообмін в легенях. Причиною різного газового складу видихуваного та альвеолярного повітря являється те, що видихуване повітря містить окрім альвеолярного ще й повітря із дихальних шляхів (мертвий простір, який не відрізняється за складом від атмосферного).

Дифузія газів в легенях підкоряється закону Фіка: об'єм дифузії газу (V) прямо пропорційний площі дифузії (S), коефіцієнту дифузії (К), градієнту тиску газу по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани (Р1 - Р2) і обернено пропорційний товщині цієї мембрани (L):

Площа дифузії в легенях (S) - це площа альвеол, які вентилюються та кровопостачаються. При різних функціональних станах у дорослої людини цей показник змінюється від 80 до 120 м2. Збільшення площі дифузії може зумовити збільшення глибини дихання і об'ємної швидкості кровотоку через судини легень, що має місце, наприклад, при фізичному навантаженні.

Товщина дифузного шару (L) у здорової людини складає 0,4 - 1,5 мкм. Дифузний шар (альвеоло-капілярна мембрана) включає в себе: шар сурфактанту, шар пневмоцитів, базальну мембрану альвеоли, шар ніжної сполучної тканини, базальну мембрану капіляра, шар ендотеліоцитів. В фізіологічних умовах товщина дифузного шару зменшується при збільшенні глибини дихання.

Коефіцієнт дифузії (К) є різним для різних газів і визначається їх здатністю розчинятися в структурах, які формують дифузний шар. За хімічним складом в цих структурах переважають фосфоліпіди (сурфактант, мембрани пневмоцитів та ендотеліоцитів, базальні мембрани) і вода. СО2 в фосфоліпідах та воді розчиняється набагато краще, ніж О2, тому коефіцієнт дифузії для вуглекислого газу приблизно в 20 разів більший, ніж для кисню.

Градієнт тисків (Р1 - Р2) в стані спокою складає близько 60 мм.рт.ст. для О2 (100 - 40) та близько 6 мм.рт.ст. для СО2- (46 - 40). Оскільки Ро2 - та Рсо2 в альвеолах підтримуються на постійному рівні, градієнт тисків цих газів змінюються за рахунок зміни їх напруження в венозній крові.

Таким чином, в стані спокою градієнт тисків, за яким йде дифузія О2, в 10 разів більше градієнта, за яким іде дифузія СО2. Та об'єм дифузії цих газів відрізняється на незначну кількість. Протягом однієї хвилини в стані спокою дифундує 250 - 300 мл. О2 і лише дещо менше СО2 (200 - 250 мл). Великий об'єм дифузії СО2 при порівняно невисокому градієнту тисків пов'язаний з високим коефіцієнтом дифузії цього газу.

Об'єм дифузії О2 і СО2 при фізичному навантаженні збільшується до десяти разів в порівнянні з станом спокою. Це пов'язано з збільшенням площі дифузії та зменшенням товщини дифузного шару, з збільшенням градієнту тисків газів по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани (за рахунок зміни газового складу венозної крові).

В клініці та експерименті за життя неможливо визначити площу дифузії і товщину дифузного шару. Тому для характеристики процесів дифузії в легенях ввели поняття дифузної здатності легень (ДЗЛ) - об'єм газу, який дифундує через альвеоло-капілярну мембрану за 1 хвилину при градієнті тиску цього газу по обидві сторони альвеоло-капілярної мембрани, що рівний 1 мм.рт.ст. Таким чином, визначають ДЗЛ шляхом поділу об'єму дифузії газу за одну хвилину на градієнт тисків цього газу в альвеолах і в крові:

ДЗЛ прямопропорційна площі дифузії, коефіцієнту дифузії даного газу, оберненопропорційна товщині дифузного шару і не залежить від градієнту тисків газу (дане визначення випливає, якщо замість V в формулі для визначення ДЗЛ підставити формулу з закону Фіка для визначення об'єму дифузії газу). ДЗЛ для О2 в стані спокою у дорослої людини складає близько 25 - 30 мл/хв мм.рт.ст.

Страницы: 1, 2, 3