Физиология дыхания. Внешнее дыхание Лекция для студентов лечебного факультета 2012 -2013 уч. год
1. 2. 3. Введение в физиологию дыхания Биомеханика дыхания Вентиляционно-перфузионные отношения в легких 4. Дыхательные объемы и емкости. Спирометрия. 5. Газообмен в легких. Диффузия газов
Недыхательные функции легких • • • Регуляция КОС – выведение Н 2 СО 3 Участие в водно-солевом обмене – выделение воды при дыхании Терморегуляторная функция Защитные функции легких (иммуноглобулин А, мукоцилиарный транспорт, фагоцитоц) Метаболические и эндокринные функции легких
Дыхание – процесс окисления метаболитов в энергетически важные для живого организма вещества. Внешнее дыхание (вентиляция) механический процесс, при котором сокращения и расслабления скелетной мускулатуры ведут к газообмену между легкими и атмосферным воздухом. Внутреннее (тканевое) дыхание утилизация О 2 и продукция СО 2 Компоненты дыхания: 1. Легочная вентиляция (газообмен между атмосферой и легочными альвеолами) 2. Диффузия кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью 3. Транспорт О 2 и СО 2 кровью 4. Газообмен в тканях и тканевое дыхание
Характеристика дыхательного цикла Дыхательный цикл состоит из 3 -х фаз: • вдох (инспирация) - короче выдоха (0, 9 -4, 7 с) • выдох (экспирация) - длиннее вдоха (1, 2 -6 с) • дыхательная пауза - может отсутствовать. ЧДД (частота дыхательных движений) 10 -18 в минуту – Брадипноэ (˂10), тахипноэ (>20) Типы дыхания – грудной – брюшной – смешанный
Респираторная зона кондуктивная зона Функциональные зоны легких Резкое увеличение поперечного сечения в респираторном отделе - ↓скорости движения газа при вдохе бронхиолы, Терминальные бронхиолы, Респираторные бронхиолы Альвеолярные ходы, альвеолы
Иннервация бронхов – ВНС • ПНС – М-холинорецепторы в эпителии и гладких мышцах – – бронхоконстрикция; • СНС - β 2 -адренорецепторы в эпителии и гладких мышцах бронхов • бронходилатация и • усиление секреции бронхиальных желез, – α 1 -адренорецепторы – • угнетение секреции, • нехолинергические, неадренергические волокна в бронхах – опосредуют бронхоконстрикцию и бронходилатацию
Физиология бронхов в норме и патологии Бронхокострикция – сужение просвета бронхов: – стимуляция вагуса, – холинергические препараты, – простагландин F 2 (PGF 2) -? через холинергические рецепторы, – гистамин (при БА), Бронходилатация – увеличение просвета бронхов: – симпатическая стимуляция, – адреналин – активатор 2 -рецепторов, – ваготомия, – атропин, – ингаляции простагландина E 2 (PGE 2) активация рецепторов.
Бронхиальная циркуляция (большой круг кровообращения) • для питания собственно паренхимы легких, плевры. Легочная циркуляция (малый круг кровообращения) • газообмен, • система – низкого давления (25/10 мм рт. ст. ) и сопротивления, – высоко растяжимых сосудов, • шунтирование в обход неперфузируемых капилляров, • в ответ на гипоксию – сужение сосудов (рефлекс Парина. Меерсона) – приводит в соответствие вентиляцию и кровоток Лимфоток – в легких более выражен, чем в других органах
2. БИОМЕХАНИКА ДЫХАНИЯ – Давление в плевральной щели, его изменение при дыхании. – Эластические свойства легких, стенок грудной полости и брюшной стенки. – Поверхностно активные (сурфактант) и тканевые факторы, их обусловливающие.
1. Легкие , грудная стенка – эластические структуры (растяжение →эффект отдачи ) Давление в 2. Давление в замкнутой воздухоносных плевральной полости путях (внутриплевральное) ниже атмосферного (отр. ) Внутриплевр. давление Внутриальв. давление Внутригр. давление Основа движения газов в легких - разность давлений газов!!! Ртранспульм= Ральв – Р плевр
Значение отрицательного внутриплеврального давления: • лёгкие в растянутом состоянии; • ↑венозный возврат крови; • ↑движение лимфы в грудной полости; • движение пищевого комка по пищеводу. Если грудная полость сообщается с окружающей средой (пневмоторакс), то лёгкие спадаются (ателектаз) Ратм = Ральв
Дыхательный цикл в легких. Атм. давление 760 мм рт. ст. (1 атм). в покое выдох вдох
• Спокойное дыхание: ≈75% за счет диафрагмы • Активное дыхание (при нагрузке): + вспомогательные мышцы
Механизм и виды вдоха и выдоха При спокойном дыхании • активный вдох - импульсы от инсп-х нейронов ЦНС – сокращение инсп-х мышц (наружные межреб. , диафрагма), • ↑ размеров гр. клетки, пассивное ↑ легких в объёме, • ↓ Ральв и в результате ∆Р воздух поступает в лёгкие. • пассивный выдох - прекращается импульсация из ЦНС – инсп. мышцы расслабляются, • объём грудной клетки ↓, ↑ Р альв, • воздух выходит из лёгких в окружающую среду.
Работа дыхательных мышц по преодолению сопротивления: 1. Вязкое/неэластичное (60%) сопротивление – – аэродинамическое сопротивление -90% (зависит от типа потока: ламинарный – в мелких путях, турбулентный – в крупных, промежуточный – в крупных и средних) • закон Пуазейля (просвет дыхательных путей) • число Рейнольдса (ламинарный/турбулентный поток) – неэластические свойства органов и тканей (около 10%). 2. Упругое/эластическое сопротивление (40%) – – эластичность легких, тканей грудной клетки (растяжимость – комплайнс) – в том числе • поверхностное напряжение, обусловленное сурфактантом – 60%
Эластическая тяга лёгких - сила, с которой лёгкие стремятся к спадению вследствие: 1) сил поверхностного натяжения альвеол; 2) наличия эластичных волокон в лёгочной ткани; 3) тонуса мелких бронхов. Эта сила направлена к корню лёгких, изменяется при вдохе и выдохе • Рвнутриплевр. = Ратм - эластическая тяга лёгких. – Вдох - тяга увеличивается (9 мм рт. ст. ). • Рвнутриплевр = 760 мм рт. ст. - 9 мм рт. ст. = 751 мм рт. ст. (-9 мм рт. ст. ) – Выдох - тяга уменьшается (6 мм рт. ст. ) • Рвнутриплевр. = 760 мм рт. ст. - 6 мм рт. ст. = 754 мм рт. ст. (-6 мм рт. ст. ) За счёт эластичной тяги давление внутриплевральное на вдохе на 9 мм рт. ст. меньше давления атмосферного, а при выдохе на 6 мм рт. ст. меньше давления атмосферного.
Податливость (растяжимость, комплайнс, от анг. compliance) – мера эластичности или растяжимости легких и/или грудной стенки (упругие свойства) Измеряется как изменения объема в результате изменения давления С= ΔV/ΔP. Для измерения легочного комплайнса необходимо измерение Ртранспульм. во время дыхания Ртрансп=Ральв – Рвнутриплевр Рвнутриплев – по Р внутрипищеводному • введение балонного датчика в пищевод.
Сурфактант – фактор стабилизации альвеол вследствие поверхностно-активных свойств фосфолипидов – напряжение альвеолярной стенки – результат межмолекулярных взаимодействий на поверхности вода-воздух – функция сурфактанта Поверхностное натяжение (T) окружённого водой пузырька газа радиусом r стремится уменьшить объём газа в пузырьке и увеличить его давление (P). Состояние равновесия между действующими силами описывает уравнение Лапласа: P = 2 T/r, т. е. T = 0, 5 r х P T альвеол без сурфактанта примерно равно 50 дин/см, T альвеол с нормальным количеством сурфактанта на их поверхности колеблется от 5 до 30 дин/см.
Сурфактант и легочная патология Недостаток сурфактанта: • Мутация в гене SP-C - с наследственными интерстициальными легочными заболеваниями • Респираторный дистресс синдром новорожденных • Ателектазы после кардиохирургических операций с использование оксигенаторов и искусственного кровообращения. • Повреждения сурфактанта после длительных ингаляций 100% О 2. • Повреждение и дефицит С. у курильщиков. Гиперпродукция сурфактанта • Нокаутные мыши с GM-CSF поврежденным геном – гиперпродукция ряда белков в составе сурфактанта – у человека имеется наследственный легочный альвеолярный протеиноз
3. ВЕНТИЛЯЦИОННО-ПЕРФУЗИОННЫЕ ОТНОШЕНИЯ В ЛЕГКИХ
Факторы легочного газообмена 1. Вентиляция - потоки газов в легкие и из них – зависит от положения тела, объема легких, состояния системы дыхания и кровообращения в целом. 2. Перфузия - кровоток через легочные капилляры зависит от – положения тела (гравитационный эффект) – РО 2 – гипоксия – вазоконстрикция сосудов малого круга региональная гипоксия (при бронхообструкции) длительная гипоксия – ведет к легочной гипертензии – уровня р. Н – низкий уровень р. Н крови, гиперкапния – вазоконстрикция, особенно в сочетании с гипоксией 3. Диффузия – газообмен между альв. и кровью, зависит от – ∆Ргазов по обе стороны респираторной мембраны – состояния респираторной мембраны
V/ Q пе рф уз ия (Q ) Вент иляц ия (V ) Основание верхушка И вентиляция и кровоток уменьшаются от основания легких к верхушке в силу гравитационного эффекта. Градиент кровотока при этом более выражен по сравнению с вентиляцией, поэтому V/Q растет по направлению к верхушке легкого
Зоны Веста (J. West, 1966) – гравитационный эффект • РА – давление в альвеолах • Ра – давление в артериях • РV -давление в венах
А. Физиологическое (функциональное) мертвое пространство V/Q>1 Неэфф. вентиляция Гиперкапния Гипоксия – купируется О 2 ингаляцией Причины Эмболия ЛА, Артериит легочных сосудов, Некроз или фиброз (уменьшение капиллярного русла) В. Нормальное соотношение вентиляции и кровотока V/Q=1 С. Физиологический шунт V/Q<1 Гипоксемия Не купируется О 2 ингаляцией Причины бронхоонстрикция (астма, ХОБ), коллапс легкого, ↓ эластичности (эмфизема), патология грудной ст.
4. ДЫХАТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕМЫ И ЕМКОСТИ. СПИРОМЕТРИЯ. АЛЬВЕОЛЯРНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ
Методы оценки дыхания 1. Спирометрия – метод оценки легочных объемов в динамике дыхания 2. Пневмотахометрия – измерение скоростей потоков воздуха на выдохе (для оценки бронхиальной обструкции) 3. Газовый анализ вдыхаемого и выдыхаемого воздуха 3. Непрерывная оценка степени оксигенации с помощью пульсоксиметра 4. Вентиляционно-перфузионные взаимоотношения (региональное распределение вентиляции и кровотока) – – Реография легких Радиоизотопное сканирование легких
Спирометрия
Легочные объемы 1. 2. 3. 4. Дыхательный объем (ДО) - 500 мл Резервный объем вдоха (Ровд) - 3000 мл Резервный объем вдоха (Ровд) - 1100 мл *Остаточный объем (ОО) – 1200 мл * - не определяется при спирометрии
Сумма двух или более объемов называется емкостью: 1. Емкость вдоха (Евд = ДО + РОвд) ≈3500 мл 2. *Функциональная остаточная емкость (ФОЕ = РОвыд+ОО) ≈ 2300 мл 3. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ= РОвд+РОвыд+ДО) ≈ 4600 мл 4. *Общая емкость легких (ОЕЛ= ЖЕЛ + ОО) ≈ 5800 мл Различия объемов и емкостей • на 20 – 25% меньше у женщин, чем у мужчин • Выше у тренированных и гиперстеничных людей, чем у нетренированных и астеничных * - не определяются при спирометрии
Объёмная скорость выдоха — максимальная скорость прохождения воздушного потока в дыхательных путях во время форсированного (максимального) выдоха • зависит от показателей – лёгочных объёмов и – силы выдоха: • на ОСВ влияют также – эластическая тяга лёгкого, – сопротивление мелких дыхательных путей и – суммарная площадь поперечного сечения дыхательных путей.
Минутный объем дыхания (МОД) МОД – количество воздуха, участвующее в вентиляции в минуту; МОД = ДО х ЧД МОД ≈ 500 x 12 = 6000 мл/мин 1) В течение короткого периода пациент способен выдержать МОД < 1. 5 л/мин и ЧД 2 – 4 в минуту 2) Некоторые индивидуумы способны поддерживать в течение 1 минуты (не более) ЧД 40 - 50 в минуту ДО 4600 мл МОД > 200 л/мин (в 30 раз выше, чем в норме)
Альвеолярная вентиляция Альвеолярная и лёгочная вентиляция • в отличие от лёгочной вентиляции, осуществляемой только при вдохе, альвеолярная вентиляция происходит постоянно. • Анатомическое мертвое пространство, АМП (150 мл – ВДП и кондуктивная зона бронхов) • Физиологическое (функциональное) мертвое пространство, ФМП – участки респираторной зоны легких, в которых нет газообмена вследствие отсутствия (или очень низкого) кровотока В норме АМП≈ФМП=150 мл
Альвеолярная вентиляция (АВ) АВ = ЧД х (ДО-ФМП) ЧД= 12 ДО=500 мл АМП=150 мл АВ= 12 х (500 -150)= 4200 мл/мин Альвеолярная вентиляция – главный фактор, влияющий на концентрацию O 2 и CO 2 в альвеолах
5. ГАЗООБМЕН В ЛЕГКИХ • Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. • РО 2, РСО 2 альвеолярном воздухе. Напряжение газов крови, методы их измерения • Свойства легочной мембраны. Диффузионная способность легких.
Вдыхаемый воздух выдыхаемый воздух Физиологический шунт Мертвое пространство Альвеолы Правое сердце Левое сердце вены артерии капилляры ткани
Свойства дыхательной мембраны. Диффузия газов Эффективность газообмена зависит от • Концентрационного градиента газов (воздух - кровь), • Растворимости газа в воде, • Толщины дыхательной мембраны между кровью и альвеолярным воздухом, • Площади диффузионной поверхности, • Вентиляционно-перфузионных соотношений (см. ранее)
Вдыхаемый воздух выдыхаемый воздух Физиологический шунт Мертвое пространство Альвеолы Правое сердце Левое сердце вены артерии капилляры Концентрационный градиент ткани
Растворимость газов в воде • СО 2 в 20 раз более растворим, чем О 2 • О 2 в 2 раза более растворим, чем азот Поэтому, даже при более высоком концентрационном градиенте O 2 в сравнении с CO 2 через дыхательную мембрану обмениваются практически равные количества газов: • растворимость CO 2 очень высока и • диффузия идет очень быстро.
Ультраструктура альвеолярнокапиллярной дыхательной мембраны. Толщина 0. 2 - 0. 6 мкм.
Диффузия 1 – движение газов через альвеолокапиллярную мембрану (закон Фика): • разность парциальных давлений газов, • поверхность диффузии • толщина альвеоло-капиллярной мембраны 1 – Д. нарушается при разрушении легочной ткани (напр. , удаление легкого), утолщении а-в мембраны (отек легких),
Закон Фика M/t=ΔP/XCKα, где М — количество газа, t — время, M/t — скорость диффузии, ΔР — разница парциального давления газа в двух точках, X — расстояние между этими точками, С — поверхность газообмена, К — коэффициент диффузии, α— коэффициент растворимости газа. Согласно закону Фика диффузионная способность мембраны аэрогематического барьера • обратно пропорциональна – ее толщине и – молекулярной массе газа • прямо пропорциональна – площади мембраны и в особенности – коэффициенту растворимости О 2 и СО 2 в жидком слое альвеолярнокапиллярной мембраны.
Диффузионную способность легких, например для О 2, можно определить по формуле: DLО 2=VО 2/(PАo 2 -Pаo 2) мл/мин, где DLО 2 — диффузионная способность легких, VО 2 — количество потребляемого кислорода, РАО 2 и Рао 2 — парц. давление и напряжение О 2 в альв. воздухе и в арт. крови.
Диффузия кислорода • у взрослого мужчины диффузионная способность О 2 в покое 21 мл/мин/мм рт ст • Среднее ∆РО 2 через мембрану при спокойном дыхании 11 мм рт ст 21 х 11 = 230 мл O 2 диффундирует через мембрану каждую минуту ↓ Этого достаточно для нужд организма в покое
Диффузионную способность СО 2 технически трудно измерить: • быстрая скорость диффузии, • небольшое ∆РСО 2 альв и вен - менее 1 мм рт ст, диффузионный коэффициент для СО 2 >в 20 раз, чем для O 2 ↓ диффузионная способность для CO 2 в покое: ≈ 400 – 450 мл/мин/мм рт ст, при нагрузке - 1200 - 1300
Скачать презентацию Физиология дыхания Внешнее дыхание Лекция для студентов лечебного
Механика Дыхания 2013.ppt