Легкові об’єми та ємності
Розтяжність легень дещо знижується при підвищеному тиску у легеневих венах та переповненні легень кров'ю. При альвеолярному набряку вона зменшується внаслідок нездатності деяких альвеол роздуватися. Захворювання, що супроводжуються змінами еластичності тканин, призводять до зменшення їхньої розтяжності.
У стінках альвеол, а також навколо судин та бронхів проходять волокна еластину та колагену. Розтяжність легень пропорційна зміні їх обсягу на одиницю зміни тиску.
На вентиляцію легень впливає часткове перекриття (закупорка) повітроносних шляхів (мокрота, слиз та ін.) і тоді заповнення повітроносних шляхів (ділянок легень) відбуватиметься повільніше. Зі збільшенням частоти дихання обсяг повітря, що надходить на таку ділянку, стає дедалі менше.
Рис.8.3. Залежність обсягу легких
від тиску, що розтягує.
Нижня крива – для вдиху.
Верхня крива – для видиху.
Видно, що для акту дихання
У нормі тиск у плевральній щілині (порожнині), що оточує легені, нижче атмосферного. Якщо в плевральну порожнину потрапляє повітря, то тиск у ній стає рівним атмосферному, легені спадаються, а грудна клітка розправляється. Це говорить про те, що в нормі грудна клітка стягнута, а легкі розтягнуті і пружні сили, що діють у них, врівноважують один одного.
Як основні кількісні характеристики дихання розглядають такі:
-) Життєва ємність легень (ЖЕЛ) – максимальна кількість повітря, що видихається після найглибшого вдиху.
-) Функціональна залишкову ємність (ФОЕ) – кількість повітря, що знаходиться у легенях після спокійного видиху. ФОЕ - це той рівноважний об'єм, при якому еластична тяга легень, спрямована всередину,врівноважена еластичною тягою грудної клітки, спрямованої назовні. При більшому обсязі тиск релаксації позитивний (вищий за атмосферний), а при меншому — негативно.
-) Тиск релаксації - тиск у повітроносних шляхах після вдиху або видиху при розслабленому стані грудних м'язів. Якщо обсяг легень дорівнює функціональній залишковій ємності, то тиск релаксації легень і грудної клітки дорівнює атмосферному.
Слід зазначити, що з тиску, рівному нулю, обсяг ізольованих легень стає рівним мінімальному, тобто. падає нижче залишкового (рис.8.4,/00/). Нарис.8.4 наведено також криву для ізольованої грудної клітини (уявімо, що вона отримана у людини з нормальною грудною клітиною, але без легень).
Видно, що при обсязі, що дорівнює ФОЕ, тиск релаксації негативний. Це означає, що грудна клітка прагне розширитись. Тільки тому випадку, коли обсяг сягає приблизно 75% життєвої ємності легень (ЖЕЛ), тиск релаксації стає рівним атмосферному, тобто. грудна клітина входить у стан рівноваги.
Відомо, що нижні відділи легень вентилюються краще ніж верхні. Це, мабуть, пов'язано з тим, що в області основ легень внутрішньоплевральний тиск менш негативний, ніж в області верхівок.
За відсутності аеродинамічного опору альвеолярний тиск було б завжди дорівнює нулю, а внутрішньоплевральний змінювався б відповідно до пунктирної кривої АБВ (рис.8.5) (тобто під дією лише еластичної тяги легень). Оскільки ж дихальні шляхи (і тканини) мають в'язкий опір, внутрішньоплевральний тиск змінюється по суцільній кривій. «Вкладу» цього опору відповідає заштрихована ділянка
Рис.8.4. Діаграмастану ЖЕЛ та ОЕЛ залежно від тиску. Загальна крива для легень і грудної клітки дорівнює графічній сумі відповідних їм кривих.
Рис.8.5. Зміна тиску під час дихання.
При будь-якому обсязі тиск релаксації легкийіх і грудної клітки дорівнює сумі їх тисків релаксації, виміряних окремо. Оскільки тиск (при даному обсязі) обернено пропорційно до розтяжності, загальну розтяжність легень і грудної клітки можна обчислити за формулою
де: C0 – загальна розтяжність легень та грудної клітки, Cл – розтяжність легень, Cгк – розтяжність грудної клітки.
Ще один найважливіший фактор, що багато в чому обумовлює особливості кривих «об'єм-тиск» для легенів, - це поверхневий натяг рідини, що вистилає стінки альвеол. Відомо, що клітини, що вистилають стінки альвеол, виробляють секрет сурфактант. Сурфактант містить поверхнево-активні речовини, які знижують поверхневий натяг на межі розділу «вода-повітря» у 2-15 разів залежно від їхньої концентрації в плівці. Сурфактант є в'язкопружною рідиною.
Сурфактант, знижуючи поверхневий натяг в альвеолах, одночасно забезпечує збільшення розтяжності легень і зменшення роботи, що здійснюється при вдиху; а також забезпечує стабільність альвеол (усі вони мають тенденцію до спаду (ателектазу), осередки якого часто утворюються у легень при захворюваннях).
У рідкій плівці сили поверхневого натягуFпов прагнуть зменшити поверхню сфери (роздулася альвеоли) і стиснути ув'язнений усередині повітря, тобто. в альвеолірвн>рат.
Розглянемо тонку рідку плівку, завтовшки якої можна знехтувати. Прагнучи мінімізувати свою вільну енергію, плівка створює різницю тиску з різних боків.Цим пояснюється існування мильних бульбашок: плівка стискається доти, доки тиск усередині міхура не перевищуватиме атмосферне на величину додаткового тиску плівки. Додатковий тиск Δру точці поверхні залежить від середньої кривизни у цій точці і визначається за формулою Лапласа:
деσ- коефіцієнт поверхневого натягу;R1,R2 – радіуси головних кривизн у точці: вони мають однаковий знак, якщо відповідні центри кривизни лежать по один бік від дотичної площини у точці, і різний знак – якщо по різні Сторони. Наприклад, для сфери центри кривизни в будь-якій точці поверхні збігаються з центром сфери, тому:
Для випадку поверхні кругового циліндра радіусаRмаємо:
Δp- безперервна функція на поверхні плівки.
З формули Лапласа слід, що вільна мильна плівка, натягнута на рамку довільної форми і не утворює бульбашок, матиме середню кривизну, що дорівнює 0.
Розглянемо модель, що складається із двох сусідніх альвеол одного розміру, з'єднаних бронхіолою. Внаслідок коливань тисків (р1>р2) радіус одного з бульбашокR2 може стати більшимR1. Зі зростаннямR2 тиск у другій бульбашці падатиме, а повітря переміщатиметься з меншої бульбашки в більшу, при цьому її радіус ще більше зросте і так аж до розриву бульбашки. Насправді цього немає завдяки наявності ПАР. При збільшенні розмірів пляшечки рідка плівка сурфактанту розтікається по його поверхні і питома вага ПАР у сурфактанті знижується, внаслідок чого різко зростає величина поверхневого натягуσ. У таких умовах роздування альвеол відбувається плавно та обмежено.
При нестачі сурфактанту легені стають «жорсткішими» (тобто.менш розтяжними).
Функції повітроносних шляхів.
Повітряні шляхи грають не тільки роль трубок, якими свіже повітря надходить у легені, а відпрацьований виходить з них. Вони виконують також ряд допоміжних функцій, забезпечуючи очищення, зволоження та зігрівання повітря, що вдихається. Очищення повітря, що вдихається, починається вже при проходженні його через носову порожнину, слизова оболонка якої вловлює дрібні частинки, пил і бактерії. У зв'язку з цим люди, які постійно дихають через рот, найбільш схильні до запальних захворювань дихальних шляхів. Частинки, не затримані цим фільтром, прилипають до шару слизу, що секретується келихоподібними клітинами та субепітеліальними залізистими клітинами, що вистилають стінки дихальних шляхів. В результаті ритмічних рухів вій дихального епітелію слиз постійно просувається у напрямку до надгортанника і, досягнувши стравоходу, заковтується. Так з дихальних шляхів видаляються бактерії та чужорідні частки. При ураженні вій, наприклад, при хронічному бронхіті, слиз накопичується в дихальних шляхах, і їх аеродинамічний опір зростає.
Більші частинки або маси слизу, що потрапили в повітроносні шляхи, дратують слизові оболонки та викликають кашель. Кашель є рефлекторним актом, при якому спочатку легені здавлюються при замкнутій голосовій щілині, а потім вона відкривається і відбувається надзвичайно швидкий видих, з яким викидається дратівливий об'єкт.
Опір повітроносних шляхів
Повітря проходить через трубку (рис.8.7), якщо між її кінцями існує перепад тисків. Від його величини залежить швидкість і особливості повітряного потоку. При низьких швидкостях лінії течії можуть бути паралельні стінкам трубки (а). Це такзваний ламінарний режим. У міру зростання швидкості потоку він стає менш однорідним, особливо в місцях розгалуження трубки, де поділ повітряних струменів може відбуватися з утворенням місцевих завихрень (б). Нарешті, за дуже високих швидкостях лінії течії повністю втрачають упорядковість, і потік називається у разі турбулентним (в).
Рис.8.7. Типи повітряного потоку в трубках: а – ламінарний
потік; б – перехідний тип (із завихреннями в області
розгалужень); у–турбулентний потік.
Рівняння, що зв'язує тиск і витрата (тобто об'ємну швидкість) при ламінарному потоці, було вперше виведено Пуазейлем. Для прямих трубок з круглим перерізом записується так: