Дыхательный акт

Биомеханика дыхательного акта. Аппарат вентиляции состоит из двух анатомо-физиологических образований:

1) Грудной клетки с дыха­тельными мышцами, 2) Легкие с дыхательными путями.

Грудной отдел позвоночника и грудины с укрепленными на них 12 парами ребер и дыхательными мышцами наряду с диафрагмой образуют жесткий, по­движный, обладающий эластичностью футляр для легких, который изменяет свой  объем вследствие  сокращений дыхательных  мышц. Дыхательные мышцы, благодаря которым осуществляются пери­одические изменения объема грудной клетки, относятся к попере­чнополосатой скелетной мускулатуре, но они отличаются от других скелетных мышц. Вопервых, это единственные скелетные мышцы, от которых зависит жизнь; поэтому на протяжении всей жизни они должны ритмически сокращаться. Вовторых, они находятся как под произвольным,  так и непроизвольным контролем.

Различают основные и вспомогательные дыхательные мышцы. К первым относят диафрагму и межреберные мышцы, обеспечивающие вентиляцию легких в физиологических условиях. К вспомогательным относят мышцы шеи, часть мышц верхнего плечевого пояса, мышцы брюшного пресса, принимающие участие в форсированном вдохе или выдохе в обстоятельствах, затрудняющих вентиляцию легких. Легкие, находящиеся внутри грудной клетки, отделены от ее стенок плевральной полостью (щелью). В грудной клетке они находятся в растянутом состоянии. За счет того, что легкие обладают эластич­ностью (эластичность — сочетание растяжимости и упругости), дав­ление в межплевральном щелевидном пространстве (так называемое плевральное давление) меньше альвеолярного на величину, обуслов­ленную эластической тягой легких. Давление в плевральной щели может быть измерено путем прокола грудной стенки полой иглой, соединенной с манометром. Как только игла попадает в плевральное пространство, манометр показывает давление ниже атмосферного. Плевральное давление поэтому часто называют отрицательным, при­нимая уровень атмосферного давления за нуль. После спокойного выдоха оно ниже атмосферного примерно на 6 мм рт.ст., а во время спокойного вдоха  —  на 9  мм рт.ст. Отрицательное давление в плевральной полости стремится сжать грудную клетку, а эластическая тяга самой грудной клетки направ­лена в противоположную от тяги легких сторону (что облегчает вдох). Соотношение указанных сил определяет уровень спокойного дыхания и величину объема воздуха в легких после выдоха — так называемую функциональную остаточную емкость. Когда глубина вдоха становится выше 70% жизненной емкости, эластичность груд­ной клетки начинает противодействовать вдоху и ее тяга уже на­правлена в ту же сторону, что и эластическая тяга легочной ткани.

Акт вдоха совершается в результате увеличения объема грудной полости, происходящего при подъеме ребер и опускании купола диафрагмы. Диафрагма является наиболее сильной мышцей вдоха, обеспечивающей примерно 2/3 вентиляции. При сокращении купол диафрагмы уплощается и объем грудной полости увеличивается по вертикали. Приподнимание ребер при вдохе осуществляется за счет сокращения наружных межреберных мышц. Эти мышцы при сокра­щении должны были бы сближать ребра, так как сила, прилагаемая к точкам прикрепления на верхних и нижних ребрах, одинакова. Но при косом расположении этих мышц плечо и момент силы у верх­него ребра всегда меньше, чем у нижнего. Поэтому при сокращении мышц ребра приподнимаются, что увеличивает сечение грудной клетки как в передне-заднем,  так и ь поперечном направлении. Увеличение объема грудной клетки при сокращении мышц вдоха приводит к уменьшению давления в плевральной полости. В резуль­тате этого воздух в легких расширяется, а давление его становится ниже атмосферного. Вследствие образующейся разности между дав­лением в окружающей среде и в альвеолах наружный воздух посту­пает по трахеобронхиальным путям в альвеолы. Во время вдоха мышцы преодолевают ряд сил:

1. эластическое сопротивление грудной клетки (после достижения 70% жизненной емкости) и внутренних органов, отдавливаемых книзу диафрагмой;
2. эластическое сопротивление легких;
3. динамическое (вязкое) сопротивление всех перемещаемых тканей;
4. аэродинамическое со­противление дыхательных путей;
5. тяжесть перемещаемой части грудной клетки;
6. силы, обусловленные инерцией перемещаемых масс.

Энергия мышц, затраченная на преодоление всех видов динами­ческого сопротивления (обусловленного трением), переходит в тепло и в дальнейшем процессе дыхания не участвует. Остальная часть энергии мышц переходит в потенциальную энергию растяжения всех эластических тканей и потенциальную энергию тяжести перемещае­мой части грудной клетки.

При расслаблении мышц вдоха под дей­ствием эластических сил грудной клетки и внутренних органов и силы тяжести грудной клетки ее объем уменьшается — происходит выдох, который при спокойном дыхании является пассивным актом. При активном форсированном выдохе к перечисленным силам при­соединяется сокращение внутренних межреберных мышц и мышц брюшного пресса.

Уменьшение объема грудной клетки при выдохе приводит к по­вышению плеврального давления. В результате этого и под действием эластической тяги легких воздух в альвеолах сжимается, его давле­ние становится выше атмосферного, и он начинает выходить нару­жу. Когда эластическая тяга легких уравновесится понижающимся давлением в плевральной полости, выдох заканчивается.

Таким об­разом, действие дыхательных мышц на легкие осуществляется не непосредственно, а через изменение давления в плевральной полос­ти. Непосредственной же причиной движения воздуха через дыха­тельные пути при вдохе и выдохе являются колебания альвеолярного давления.

В зависимости от того, связано ли расширение грудной клетки при нормальном дыхании преимущественно с поднятием ребер или уплощением диафрагмы, различают грудной (реберный) и брюшной типы дыхания.

При грудном типе дыхание обеспечивается, в основ­ном, за счет работы межреберных мышц, а диафрагма смещается пассивно в соответствии с изменением внутригрудного давления.

При брюшном типе дыхания в результате мощного сокращения диафрагмы не только понижается внутриплевральное давление, но и одновременно повышается внутрибрюшное. Этот тип дыхания более эффективен, так как при нем сильнее вентилируются легкие и облегчается венозный возврат крови от органов брюшной полости к сердцу.

Если вскрыть грудную клетку — произвести пневмоторакс, то стремление легких к спадению за счет их эластической тяги про­явится в полной мере — легкие займут так называемый объем кол­лапса, который значительной меньше, чем остаточный объем. Вен­тиляция легких при разгерметизации плевральной полости становит­ся невозможной, поскольку при изменении объема грудной клетки воздух движется не через дыхательные пути, а через искусственно созданное  отверстие  в стенке  грудной клетки. Соответственно структурным и функциональным характеристикам легкие делят на:

воздухопроводящие (дыхательные) пути и альвеолы, составляющие респираторную зону, в которой непосредственно осу­ществляется газообмен  (рис.8.2).

Основная функция воздухопроводящих путей состоит в доставке воздуха в респираторную зону. Воздухоносные пути подразделяют на верхние и нижние.

К верхним относят  носовые ходы, полость рта, носоглотку, придаточные пазухи носа,

К нижним относят  гортань, трахею и все бронхи, вплоть до их конечных ответвлений.

Узким местом в гортани является голосовая щель, имеющая максимальную ширину около 7 мм. При вдохе голосовая щель расширяется, а при выдо­хе — сужается. Трахея у взрослого человека имеет длину около 12 см и диаметр 16-27 мм. На уровне 5-го грудного позвонка она делится на правый и левый главные бронхи, которые затем последовательно делятся по типу дихотомии. Каждое последовательное деление ветвей бронхиальнго дерева по типу дихотомии образует как бы новое поколение (генерацию) элементов дыхательного тракта. Всего у человека от тра­хеи до альвеол имеется примерно 23 таких генерации (рис.8.3).

Трахея и следующие за ней 16 генерации бронхов и бронхиол относят к проводящей (кондуктивной) зоне лег­ких, т.е. зоне, в которой от­сутствует контакт между воз­духом и легочным капиллярами и которую называют поэтому анатомическим мер­твым пространством. Объем этой зоны составляет около 175 мл. Суммарная площадь поперечного сечения всех бронхиол 16-й генерации равно 180 см², т.е. превыша­ет плошадь поперечного се­чения трахеи (2.54 см²) бо­лее,  чем в  70 раз.

Последующие три (17,18,19) генерации бронхиол (дыха­тельные бронхиолы) относят к переходной (транзиторной) зоне, где наряду с проведе­нием воздуха начинает осу­ществляться и газообмен в малочисленных альвеолах, расположенных на поверх­ности дыхательных бронхиол. Их количество составляет всего 2% от общего числа альвеол, поэтому газообмен между содержащимся в ды­хательных бронхиолах возду­хом и кровью легочных капилляров не может быть значительным. Составляемый этими тремя генерациями, объем равен почти 200 мл. Суммарная площадь поперечного сечения всех бронхиол 19-й гене­рации составляет 9944 см², т.е. превышает площадь поперечного сечения трахеи уже в 372 раза.

Последние 4 генерации бронхиол (20, 21, 22, 23) представляют собой альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки, которые непосредственно переходят в альвеолы. Суммарный объем альвеолярных ходов и аль­веолярных мешочков (без примыкающих к ним альвеол) составляет свыше 1300 мл, а суммарная площадь поперечного сечения альвеоляр­ных мешочков достигает огромной величины —  11800 см².

Воздухопроводящие пути, легочная паренхи­ма, плевра, костно-мышечный каркас грудной клетки и диафрагма составляют единый рабочий орган, посредством которого осущест­вляется Вентиляция Легких.