Альвеолярна вентиляція
Анатомічний та альвеолярний мертвий простір. Анатомічним мертвим простором (Vd) називають кондуктивну, або повітропровідну, зону легені, яка не бере участі в газообміні (верхні дихальні шляхи, трахея, бронхи та термінальні бронхіоли). Анатомічний мертвий простір виконує ряд важливих функцій: нагріває атмосферне повітря, що вдихається, затримує приблизно 30% видихуваного тепла і води. Остання попереджає висушування альвеолярно-капілярної мембрани легень. Як відомо, повітроносні шляхи кожної легкої людини мають 23 генерації, або поділу, бронхіального дерева на кшталт дихотомії від трахеї до альвеол. Після проходження через бронхи 8-12 порядку температура повітря, що вдихається, досягає 37 ° С, а вологість - 100%. Анатомічний мертвий простір практично відповідає кондуктивній зоні легень, обсяг якої варіює від 100 до 200 мл, а в середньому становить 2 мл на 1 кг маси тіла, тобто 150 мл при масі тіла 75 кг.
Для розрахунку Vd можна використати формулу:
де FA, FE, FICO2 відповідно концентрація (фракція) СО2 в альвеолярному, видихуваному та вдихуваному повітрі, a Ve - вентиляція легень.
У процесі зовнішнього дихання низка чинників може змінювати обсяг анатомічного мертвого простору. Наприклад, збільшення дихального об'єму супроводжується розтягуванням дихальних шляхів. На обсяг анатомічного мертвого простору впливають частота дихання, яка змінює час, необхідний дифузії газів, і навіть ритмічні скорочення серця і пульсація великих судин. Нарешті, Vd варіює при зміні тонусу гладких м'язів бронхів (наприклад, ацетилхолін підвищує, а атропін, навпаки, знижує тонус гладких м'язів дихальних шляхів).
В анатомічному мертвому просторіповітряний потік має найбільшу лінійну швидкість. У напрямку до альвеолярних ходів та альвеолярних мішечок лінійна швидкість руху повітря зменшується до величин вельми незначних для конвентивного повітропроводу. Це тим, що внаслідок багаторазових розгалужень бронхіального дерева загальний поперечний переріз повітроносних шляхів настільки зростає, що поступальне переміщення газів стає незначним.
Існує думка, що в межах перехідної зони легень (від кондуктивної до респіраторної), а також респіраторної або альвеолярної зони легені О2 та СО2 переносяться до альвеолярної мембрани в основному за допомогою дифузії. Це сприяє швидкому вирівнюванню концентрації дихальних газів на величезній дифузійній поверхні легень.
Альвеолярний мертвий простір. У здоровій легені кілька апікальних альвеол вентилюється нормально, але частково або повністю не перфузується кров'ю. Подібний фізіологічний стан позначається як «альвеолярний мертвий простір». У фізіологічних умовах мертвий альвеолярний простір може з'являтися у разі зниження хвилинного об'єму крові, зменшення тиску в артеріальних судинах легень, а в патологічних станах — при анемії, легеневій емболії або емфіземі. У подібних зонах легень немає газообміну.
Сума обсягів анатомічного та альвеолярного мертвого простору називається фізіологічним, або функціональним, мертвим простором.
Анатомічний мертвий простір знижує ефективність альвеолярної вентиляції. Під час спокійного вдиху об'ємом 500 мл в альвеоли надходить тільки 350 мл повітря, що вдихається, або атмосферного. Інші 150 мл вдихуваного повітря являють собою альвеолярне повітря, яке післягазообміну затримується в анатомічному мертвому просторі наприкінці кожного видиху. Анатомічний мертвий простір, що становить у середньому 1/3 дихального об'єму, знижує на цю величину ефективність альвеолярної вентиляції при спокійному диханні. Склад альвеолярного повітря істотно відрізняється від складу повітря, що вдихається і видихається з легенів людини (табл. 8.1).
Якщо дихальний обсяг збільшується у кілька разів, наприклад, при м'язовій роботі він досягає близько 2500 мл, то обсяг мертвого анатомічного простору практично не впливає на ефективність альвеолярної вентиляції.
Гази, що входять до складу атмосферного, альвеолярного і видихуваного повітря, мають певний парціальний (partialis - частковий) тиск, тобто тиск, що припадає на частку газу в суміші газів. Загальний тиск газу обумовлено кінетичним рухом молекул, що впливають на поверхню поділу середовищ. У легенях такою поверхнею є повітроносні шляхи та альвеоли. Згідно із законом Дальтона, парціальний тиск газу в будь-якій суміші прямо пропорційний його об'ємному вмісту. Альвеолярне повітря представлене сумішшю в основному О2, СО2 і N2. Крім того, в альвеолярному повітрі містяться водяні пари, які також чинять певний парціальний тиск, тому при загальному тиску суміші газів 760,0 мм рт.ст. парціальний тиск 02(Ро2) в альвеолярному повітрі становить близько 104,0 мм рт.ст., СО2(Рсо2) - 40,0 мм рт.ст. N2(PN2) - 569,0 мм рт.ст. Парціальний тиск водяної пари при температурі 37 °С становить 47 мм рт.ст.
Необхідно враховувати, що наведені у табл. 8.1 значення парціального тиску газів відповідають їх тиску на рівні моря (Р - 760 мм рт.ст.) і ці значення будуть зменшуватися з підйомомвисоту.
Кровотік у капілярах легень та легенева вентиляція перерозподіляються при зміні положення тіла у просторі. Зміна напрямку дії гравітаційної сили впливає на кровообіг у легенях через відносно низький артеріальний тиск у судинах малого кола кровообігу, що дорівнює в середньому 15-20 мм рт.ст. (2,0-2,6 кПа). При будь-якому положенні тіла в просторі нижні відділи легень порівняно з верхніми матимуть не лише велику вентиляцію, а й більший кровотік. Наприклад, у положенні тіла головою донизу нижніми будуть апікальні, або верхівкові, відділи легень.
Альвеолярну вентиляцію за один дихальний цикл можна розрахувати за такою формулою:
де f - Частота дихання; Vt – дихальний об'єм.
Об'єм альвеолярної вентиляції за одну хвилину визначається за формулою:
В кінцевому рахунку величина альвеолярної вентиляції тим нижча, чим вища частота дихання і менше дихальний об'єм.
Резерви апарату зовнішнього дихання дуже великі. У спокої частота дихальних рухів людини близька до 16 за хвилину, а об'єм повітря, що вдихається, — близько 500 мл.
Хвилинний об'єм дихання (МОД) - це загальна кількість повітря, яке проходить через легені за 1 хв. У людини у спокої МОД становить середньому 8 л*мин-1. МОД можна розрахувати, помноживши частоту дихання за хвилину на величину дихального об'єму.
Максимальна вентиляція легень — обсяг повітря, що проходить через легені за 1 хв під час максимальних за частотою та глибиною дихальних рухів. Максимальна вентиляція викликається довільно, виникає під час роботи, при нестачі вмісту О2 (гіпоксія), а також при надлишку вмісту СО2 (гіперкапнія) у повітрі, що вдихається.
При максимальній довільній вентиляції легень частота дихання можезростати до 50-60 за 1 хв, а ДО - до 2-4 л. У умовах МОД може сягати 100—200 л*мин-1.
Максимальну довільну вентиляцію вимірюють під час форсованого дихання, зазвичай протягом 15 с. У нормі у людини при фізичному навантаженні рівень максимальної вентиляції завжди нижчий, ніж максимальна довільна вентиляція.