Лекция 2 15. 02. 2017 Элементы биомеханики дыхания

Лекция 2 15. 02. 2017 Элементы биомеханики дыхания 1. Стадии процесса дыхания 2. Дыхательная система 3. Внешнее дыхание, биомеханика вдоха – выдоха 4. Альвеолярная вентиляция, газообмен между альвеолярным воздухом и кровью 5. Растяжимость легких, сопротивление дыханию 6. Работа дыхания

Дыхание — физиологическая функция, обеспечивающая газообмен (О 2 и СО 2 ) между окружающей средой и организмом в соответствии с его метаболическими потребностями.

1. Стадии дыхания: 1. 1 Внешнее дыхание: обмен О 2 и СО 2 между внешней средой и кровью легочных капилляров: а) газообмен между внешней средой и альвеолами легких, что обозначается как «легочная вентиляция» и «альвеолярная вентиляция» ; б) газообмен между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров

1. 2. Транспорт О 2 и СО 2 кровью 1. 3. Обмен О 2 и СО 2 между кровью и клетками организма

2. Дыхательная система Совокупность органов, обеспечивающих функцию внешнего дыхания Дыхательные органы. Дыхательные пути

Дыхательные пути Функции: 1. Проведение воздушного потока ↑↓ 2. Терморегуляция 3. Регулирование влажности 4. Очистка 5. Защита 6. Обоняние 7. Звукообразование

Дыхательные пути 1. Верхние: носовая и ротовая полости носоглотка гортань. В о з д у х о н о с н ы й о т д е л бронхиальное дерево 2. Нижние: Легочная (конвективная) вентиляция

Бронхиальное дерево (23 уровня ветвления) Проводящая (кондуктивная) зона: 16 уровней ветвлений (генераций) Отсутствует контакт между воздухом и легочными капиллярами Анатомическая мертвая зона (АМЗ) V ≈ 170 мл Легочная (конвективная) вентиляция за счет разности давлений наружного и внутреннего воздуха с затратами энергии

Трахея (0) Гл. бронхи (1) Долевые бронхи (2) Сегментарные бронхи (3) Терминальные бронхиолы КЗ (16)Бронхиолы

2. 02, 6 1, 8 ; v 1 TP м Sсм d см с 2 5 ν 1, 6 10 м с 0 v Re 1100 ν d Re 2300 Re → режим течения → потери энергии

; вдох. V const t const 2 π v v 4 вдох V d Q S const t 2 d v 4 Re

2 1616 180 ; v 0, 014 м Sсм с v. S const. Условие неразрывности:

Переходная (транзиторная) зона: 17, 18 и 19 генерации бронхиол Проведение воздуха + газообмен (2%)2 1919 1000 ; v 0, 0026 м Sсм с В основном конвективная, частично альвеолярная (диффузионная) вентиляция

Респираторная зона: 20, 21, 22, 23 генерации – альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки 211800 ; v 0, 0002 А А м Sсм с Газообмен 98% Альвеолярная (диффузионная) вентиляция за счет разности плотностей (концентраций) О 2 и СО 2 в дистальной части дерева (самопроизвольная, без затрат энергии)

Емкость легких Общая емкость легких (ОЕЛ): 4100 – 6000 мл; жизненная емкость (ЖЕЛ)( max выдох): 3000 – 4800 мл; остаточный объем (ОО): 1100 – 1200 мл ОЕЛ = ЖЕЛ + ОО 3 V мл

V , мл 0 6000 1500 4500 3000 ОЕЛ ОО Ж Е Л (1200)

V , мл 0 6000 1500 4500 3000 ОЕЛ ОО Ж Е Л(2200) Спокойное дыхание ДО (500) (1200)

V , мл 0 6000 1500 4500 3000 ОЕЛ ОО ЖЕЛ(2200) Максимальный вдох ДО (500) (1200)

V , мл 0 6000 1500 4500 3000 ОЕЛ ОО ЖЕЛ(2200) Максимальный выдох ДО (500) (1200) Резервный объем выдоха Функциональный остаточный объем

ЖЕЛ = ДО +РОВдоха + РОВыдоха ФОЕ = РОВыдоха + ОО Оцениваются методами спирографии

ЖЕЛ вдоха (метод 1)

ЖЕЛ выдоха (метод 2)

Двухстадийное определение ЖЕЛ (метод 3)

0 0, V p 0 p V 1 M 0 0, V V V p p. Бодиплатизмография

ph ρp gh 1. . 9, 8 мм вод ст Па

3. Внешнее дыхание а) вентиляция легких и диффузия газов в них (конвективный и диффузионный газообмен) Аппарат вентиляции Грудная клетка с дыхательными мышцами Легкие с дыхательными путями

Вентиляция легких – процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха. Обеспечивает поступление в легкие кислорода и выведение избыточного количества углекислого газа. Интенсивность вентиляции определяется глубиной вдоха и частотой дыхания: Минутный объем дыхания = ДО × частота дыхания (12 – 16 1/мин)(500 мл)

2200 V Vмл Конец выдоха Альвеолярный воздух 2 2 13, 3 ; 5, 3 O COp к. Па

Спокойный вдох2200 V Vмл ДО ≈ 500 мл АМЗ ≈ 170 мл. Альвеолярный воздух О б н о в л е н и е а л ь в е о л я р н о г о в о зд у х а ≈ 3 3 0 м л

Вентиляция легких: вдох Диафрагма. Н а р у ж н ы е м е ж р е б е р н ы е м ы ш ц ы Покой: 0 p p V V

0 p p Сокращение диафрагмы (70 – 80 %)T const p. V const V p 0 p p p

С о к р а щ е н и е м ы ш ц (2 0 – 3 0 % )0 p p T const p. V const V p 0 p p p

Акт вдоха: Дыхательные мышцы. Поступление нервного импульса Сокращение мышц Увеличение объема легких Уменьшение давления в легких Всасывание воздуха. Увеличение объема грудной полости

Всасывание происходит до выполнения условия: 0 p p ДОV V V

Акт выдоха при спокойном дыхании: Расслабление дыхательных мышц Уменьшение объема грудной полости Уменьшение объема легких Повышение давления в легких Выдавливание воздуха из легких в атмосферу

4. Альвеолярная (диффузионная) вентиляция Респираторная зона (РЗ): 20, 21, 22, 23 генерации – альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки 2 11800 ; v 0, 0002 А А м Sсм с Оценка времени конвективного газообмена в РЗ: 3 47 10 35 v 2 10 l t c

Диффузия «Движущая сила» – градиент (изменение) концентрации (плотности)Самопроизвольный перенос вещества

Начало респираторной зоны: Конвективный поток 2 213, 3 ; 5, 3 O COpк. Па p к. Па 2 2 20, 0 ; 0 O COpк. Па p к. Па Конец респираторной зоны: Кровеносная система О 2 2 3ρ 0, 08 O кг м C О 2 2 3ρ 0, 09 СO кг м μ ρ p RT

Закон Фика: ρ m D S t x 2 2 11800 1, 2 АSсм м Оценка диффузионного газообмена:

Оценка коэффициента диффузии для кислорода: 2 1 1 8 vλ 3 3πμ 2πef RT k. T D d p 2 5 6, 8 10 м D с Оценка времени процесса диффузионного газообмена: 232 5 7 10 0, 7 6, 8 10 l c

Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров

6 700 10 N 2 70 80 Sм 100 150 Vмл Один капилляр на несколько альвеол. Альвеолокапиллярный контакт (АКК)

Альвеолокапиллярный барьер Альвеолярная смесь Кровь в сосудах2 OC const 2 COC const 2 O 2 CO 2 2 13, 3 ; 5, 3 O COpк. Па p к. Па Венозная часть 2 2 5, 3 ; 6, 1 O CO pк. Па Артериальная часть2 2 13, 3 ; 5, 4 O CO pк. Па

Среднее время пребывания эритроцита в легочном капилляре: 0, 25 – 0, 75 с

1. 2. Транспорт О 2 и СО 2 кровью 1. 3. Внутреннее дыхание – диффузия газов в тканях и клеточное дыхание. Артериальная О 2 Ткани Венозная СО

1. Результат деятельности системы внешнего дыхания – обогащение крови кислородом и освобождение от избытка углекислоты. Выводы:

2. Изменение газового состава крови в легких обеспечивают три процесса: а) непрерывная вентиляция альвеол для поддержания нормального газового состава альвеолярного воздуха; б) диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану в объеме, достаточном для достижения равновесия давления кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе и крови; в) непрерывный кровоток в капиллярах легких в соответствии с объемом их вентиляции