Элементы биомеханики дыхания

1.

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

2.

Дыхание — физиологическая функция,
обеспечивающая газообмен (О2 и СО2) между
окружающей средой и организмом в соответствии с его
метаболическими потребностями.

3.

1. Стадии дыхания:
1.1 Внешнее дыхание: обмен О2 и СО2 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

4.

1.2. Транспорт О2 и СО2 кровью
1.3. Обмен О2 и СО2 между кровью и клетками
организма

5.

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

6.

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

7.

Воздухоносный отдел
Дыхательные пути
1.Верхние:
носовая и ротовая полости
носоглотка
гортань
Легочная (конвективная) вентиляция
2. Нижние:
бронхиальное дерево

8.

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

9.

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

10.

м
STP. 2,6 см d 1,8 см ; v0 1
с
2
5 м
ν 1,6 10
с
v0 d
Re
1100
ν
2
Re 2300
Re → режим течения → потери энергии

11.

Vвдох const ; tвдох const
Vвдох
πd 2
QV
vS v
const
tвдох
4
d 2
v 4
Re 2

12.

Условие неразрывности:
vS const
м
S 16 180 см ; v16 0,014
с
2

13.

Переходная (транзиторная) зона:
17, 18 и 19 генерации бронхиол
Проведение воздуха + газообмен (2%)
м
S 19 1000 см ; v19 0,0026
с
2
В основном конвективная, частично альвеолярная
(диффузионная) вентиляция

14.

Респираторная зона:
20, 21, 22, 23 генерации – альвеолярные ходы
и альвеолярные мешочки
м
S А 11800 см ; v А 0,0002
с
2
Газообмен 98%
Альвеолярная (диффузионная) вентиляция за счет
разности плотностей (концентраций) О2 и СО2 в
дистальной части дерева (самопроизвольная, без
затрат энергии)

15.

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
м
V мл

16.

V, мл
ОЕЛ
6000
4500
ЖЕЛ
3000
1500
(1200)
0
ОО

17.

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

18.

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

19.

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

20.

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

21.

ЖЕЛ вдоха (метод 1)

22.

ЖЕЛ выдоха (метод 2)

23.

Двухстадийное определение ЖЕЛ (метод 3)

24.

Бодиплатизмография
V0 , p0
V
p
M1
V V0 V , p p0 p
p0

25.

p
h
p ρgh
1ммвод.ст. 9,8 Па

26.

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

27.

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:
(500 мл)
Минутный объем дыхания = ДО × частота дыхания
(12 – 16 1/мин)

28.

Конец выдоха
V V 2200 мл
Альвеолярный воздух
p O2 13,3 кПа;
p CO2 5,3 кПа

29.

Спокойный вдох
Альвеолярный воздух
V V 2200 мл
АМЗ ≈ 170 мл
ДО ≈ 500 мл

30.

Наружные межреберные мышцы
Вентиляция легких: вдох
p0
Покой:
p0 p
p
V V
Диафрагма

31.

p0
T const
pV const
V p
p
Сокращение диафрагмы (70 – 80 %)
p
p0

32.

Сокращение мышц (20 – 30 %)
p0
T const
pV const
V p
p
p
p0

33.

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

34.

Всасывание происходит до выполнения условия:
V V V ДО
p p0

35.

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

36.

4. Альвеолярная (диффузионная) вентиляция
Респираторная зона (РЗ):
20, 21, 22, 23 генерации – альвеолярные ходы
и альвеолярные мешочки
м
S А 11800 см ; v А 0,0002
с
2
Оценка времени конвективного газообмена в РЗ:
l 7 10 3
t
35c
4
v 2 10

37.

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

38.

ρO2
кг О2
0,08 3
м
ρСO2
кг CО2
0,09 3
м
Конец
респираторной зоны: p O2 13,3 кПа;
Кровеносная система
Δх = lA ≈ 7 мм
Диффузионные
потоки
pμ
ρ
Конвективный поток
RT
Начало респираторной зоны:
p O2 20,0 кПа; p CO2 0 кПа
p CO2 5,3 кПа

39.

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

40.

Оценка коэффициента диффузии для кислорода:
1
1 8 RT
kT
D v λ
3
3 πμ
2πd ef2 p
2
м
5
D 6,8 10
с
Оценка времени процесса диффузионного газообмена:
7 10
l
0,7c
5
D 6,8 10
2
3 2

41.

Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью
легочных капилляров

42.

Альвеолокапиллярный контакт (АКК)
S 70 80 м
2
N 700 106
V 100 150 мл
Один капилляр на несколько альвеол

43.

Альвеолокапиллярный барьер
O2
CO2
0,3 – 2,0 мкм
CO2 const Альвеолярная смесь
CCO2 const
p O2 13,3 кПа; p CO2 5,3 кПа
p O2 5,3 кПа;
p O2 13,3 кПа;
p CO2 6,1 кПа
p CO2 5,4 кПа
Венозная часть
Кровь в сосудах
Артериальная
часть

44.

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

45.

1.2. Транспорт О2 и СО2 кровью
Артериальная
О2
Венозная
СО2
Ткани
1.3. Внутреннее дыхание – диффузия газов в тканях
и клеточное дыхание

46.

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

47.

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