1. Дыхательные объемы и емкости легких
2. Жизненная емкость легких
3. Функциональная остаточная емкость легких
4. Измерение легочных объемов
5. Мертвое пространство
6. Объемная скорость дыхания
7. Резюме
8. Список использованной литературы

а) Дыхательные объемы и емкости легких. Объем как вдыхаемого, так и выдыхаемого воздуха может быть увеличен; даже при максимальном выдохе какая-то часть воздуха по-прежнему остается в легких.

1. Классификация дыхательных объемов. Объем отдельного вдоха при спокойном дыхании относительно мало зависит от величины общей вместимости легких для воздуха. К нормальному дыхательному объему могут быть добавлены резервные объемы как вдоха, так и выдоха.

Но даже при самом глубоком выдохе невозможно удалить весь воздух из легких; определенный его остаточный объем всегда присутствует в альвеолах и проводящих дыхательных путях. Для количественного установления этих характеристик предлагается следующая классификация объемов, при этом объемы, представляющие собой сумму каких-то других, обозначаются как емкости (рис. 1):

- Дыхательный объем покоя: объем вдоха или выдоха у взрослого человека в состоянии покоя составляет примерно 0,5 л и возрастает при нагрузке.

- Резервный объем вдоха: объем, который после нормального вдоха еще можно вдохнуть.

- Резервный объем выдоха: объем, который после нормального выдоха еще можно выдохнуть.

- Остаточный объем: объем, который после максимального выдоха еще остается в легких.

- Жизненная емкость легких: максимальный объем, который можно выдохнуть после максимального вдоха (равен сумме дыхательного объема и резервных объемов вдоха и выдоха).

- Инспираторная емкость легких: максимальный объем, который можно вдохнуть после максимального выдоха (равен сумме дыхательного объема и резервного объема вдоха).

- Функциональная остаточная емкость легких: объем, который после нормального выдоха еще остается в легких (равен сумме резервного объема выдоха и остаточного объема).

- Общая емкость легких: объем легких, который может быть достигнут при максимальном вдохе (равен сумме дыхательного объема, резервных объемов вдоха и выдоха, а также остаточного объема). Среди всех этих величин большое практическое значение имеют наряду с дыхательным объемом только жизненная емкость легких и функциональная остаточная емкость легких.

б) Жизненная емкость легких. Жизненная емкость легких отражает максимальный объем, до которого способны растянуться легкие, ее величина зависит от многочисленных индивидуальных черт.

1. Жизненная емкость легких. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) служит мерой способности легких и грудной клетки к растяжению. Даже при экстремальных требованиях к интенсивности дыхания максимально возможная вместимость легких никогда полностью не используется.

Введение понятия «нормы» для такого параметра, как ЖЕЛ, едва ли уместно, так как он зависит от слишком многих факторов: возраста, половой принадлежности, размера тела, текущей занимаемой позы и степени натренированности организма (табл. 1).

2. Факторы, влияющие на жизненную емкость легких. Как показано на рис. 2, жизненная емкость легких убывает с возрастом. Это связано с утратой легкими эластичности и прогрессирующими нарушениями подвижности грудной клетки. Составление зависимости жизненной емкости легких от размера тела на основе обширных данных, полученных в результате антропометрических измерений многих молодых мужчин, приводит к следующему приближенному соотношению:

ЖЕЛ(л) = 7 * [рост (м) - 1]. (1)

Величина жизненной емкости легких у женщин демонстрирует похожую зависимость, однако в большинстве случаев она меньше приблизительно на 10-20% (табл. 1). Принимаемая телом поза тоже имеет некоторое значение, так как жизненная емкость легких несколько больше в положении стоя, чем в положении лежа, ввиду того что в первом случае у легких уменьшается уровень наполненности кровью. Жизненная емкость легких чрезвычайно сильно зависит от степени натренированности организма; развивающие свою выносливость спортсмены имеют значительно большую жизненную емкость легких, чем нетренированные люди.

в) Функциональная остаточная емкость легких. Воздух, сохраняющийся в пределах функциональной остаточной емкости легких, служит для того, чтобы парциальное давление дыхательных газов в альвеолах как при вдохе, так и при выдохе оставалось примерно постоянным.

1. Функциональная остаточная емкость легких. Если бы свежий вдыхаемый воздух сразу попадал непосредственно в альвеолы без перемешивания с уже находившимся в легких воздухом, то относительные объемы дыхательных газов при каждом вдохе попеременно то возрастали, то убывали, что в итоге привело бы к колебаниям парциальных давлений газов в артериальной крови.

Воздух, занимающий объем функциональной остаточной емкости (ФОЕ) легких, который неоднократно превышает объем вдыхаемого свежего воздуха в состоянии покоя, вследствие эффекта смешения служит залогом того, что будут происходить лишь незначительные колебания состава альвеолярного воздуха, носящие временный характер. Физиологическая роль ФОЕ заключается в выравнивании соотношения фракций O₂ и CO₂ в альвеолярном пространстве между состояниями в фазу вдоха и фазу выдоха.

2. Величина ФОЕ. Величина ФОЕ зависит от различных параметров. В среднем у молодых мужчин величина ФОЕ составляет 3 л, у пожилых мужчин — 3,4 л. У женщин величина ФОЕ меньше примерно на 10-20% (табл. 1).

г) Измерение легочных объемов. Легочные объемы могут быть определены при помощи спирометрии или косвенных методов измерения, причем во время измерения должны учитываться значения параметров, характеризующих текущее состояние воздуха (атмосферное давление, температура, давление водяного пара).

1. Спирометрия. Спирометр — это прибор, с помощью которого определяют величину изменяющихся во времени объемов газа при постоянном давлении. Он представляет собой в большинстве случаев газометр с колоколом. При измерении в рот испытуемого вставляется шланг, связанный со спирометром.

Изменения объема при вдохе или выдохе приводят к соответствующим перемещениям колокола в аппарате, что может быть отражено на измерительной шкале или выводится на самописец (составляется спирограмма). Такая закрытая спирометрическая система позволяет определять дыхательные объемы.

2. Пневмотахография. В открытой спирометрической системе посредством Пневмотахографов вместо дыхательных объемов измеряют силу потока воздуха (объемную скорость воздуха) (рис. 3). График силы потока воздуха называют Пневмотахограммой. Исходя из кривой объемной скорости dV/dt искомые объемы V можно определить путем интегрирования, чаще всего подобные расчеты проводятся в пневмотахографах в электронном виде, так что, используя их наряду с пневмотахограммой, можно получить кривую непосредственно дыхательных объемов (спирограмму).

3. Измерение функциональной остаточной емкости легких. Так как ФОЕ представляет тот объем воздуха, который соответственно остается в легких в конце нормального выдоха, ее величина может быть установлена не спирометрическим, а только косвенным способом. В целом для этого подходят смешение инертного газа (гелия) с газами, находящимися в легких (метод смешения), или вытеснение из легких удерживаемого там азота за счет дыхания чистым кислородом (метод вытеснения).

Искомый объем находят при помощи уравнения Клайперона-Менделеева и закона сохранения масс. Недостаток обоих методов заключается в том, что у пациентов, у которых различные участки легких вентилируются неравномерно, процесс смешения или вытеснения может продолжаться относительно долго. По этой причине вместо методов для определения функциональной остаточной емкости легких находящийся внутри грудной клетки объем газа измеряется с помощью плетизмографов.

P.S. Соотношения, позволяющие сделать поправку на различие условий, при которых проводятся измерения. При определении дыхательных объемов и емкостей легких с помощью спирометрии должны учитываться условия, при которых находится газ в легких или спирометре. Объем V данного количества газа зависит от текущей температуры Т и воздействующего на него давления P, причем необходимо учесть еще парциальное давление водяного пара P_H2O.

Поэтому при определении объемов дополнительно должны указываться специфические условия, наличествующие в момент измерения. В физиологии дыхания различают следующие условия:

- условия STPD (от англ. standart temperature, pressure, dry — стандартные температура и давление, влажность): стандартные физические условия, при которых объем указывается для Т = 273 K, P = 760 мм рт. ст. (101 кПа) и P_H2O = 0 мм рт. ст. (сухой воздух);

- условия BTPS (от англ. body temperature, pressure, saturated — температура и давление тела, высокая влажность): в этом случае речь идет о преобладающих в легких условиях, таким образом, Т = 273 + 37 = 310 K, P колеблется в зависимости от актуальных показаний давления барометра P_в и P_H2O = 47 мм рт. ст. (6,25 кПа) (степень насыщенности воздуха водяными парами при 37 °C);

- условия ATPS (от англ. ambient temperature, pressure, saturated — температура и давление окружающей среды, высокая влажность): здесь учитывают актуальные измерительные условия вне тела (условия спирометра), т. е. определение объема происходит при комнатной температуре T_a, актуальных показаниях давления барометра P_в и текущей степени насыщенности воздуха водяными парами.

В табл. 1 перечислены условия, при которых измеряется объем. Следует учесть, что от общего давления в каждом случае необходимо отнимать давление водяного пара, для того чтобы при определении объемов получать давление «сухого» газа.

Для пересчета величины объема газа при условиях (1) в величину при условиях (2) из уравнения Клайперона-Менделеева выводится соотношение:

V₁/V₂ = T₁/T₂ * P₂/P₁. (2)

Используя сведения из табл. 2, эту общую формулу можно преобразовать применительно к каждому конкретному случаю. Например, если требуется пересчитать величину объема, указанного для условий, соответствующих условиям в легких (V_BTPS), в величину объема при стандартных условиях (V_STPD), то получим:

V_STPD/VV_BTPS = 273/310 * (P_в - 47)/760 = (P_в - 47)/863. (3)

Влиянием изменения условий на величину получаемых объемов нельзя пренебречь. На это указывает следующий подсчет: при условиях BTPS интенсивность вентиляции альвеол при дыхании в состоянии покоя составляет примерно 5 л/мин. Исходя из (3) это значение при стандартных условиях STPD сокращается на 4,1 л/мин, если принять стандартную величину атмосферного давления над уровнем моря (P_в полагается равным 760 мм рт. ст.).

д) Мертвое пространство. Мертвым пространством называются все те участки дыхательных путей и находящегося внутри альвеол пространства, сквозь которые проходит ток воздуха, но в которых тем не менее не происходит никакого газообмена.

1. Анатомическое мертвое пространство. Объем проводящих дыхательных путей обозначается как анатомическое мертвое пространство. К нему относятся пространства внутри носовых проходов, ротовой полости, глотки, гортани, трахеи, бронхов и бронхиол. Объем мертвого пространства зависит от размера тела и принимаемой позы. Для сидящего испытуемого, как правило, считается, что величина мертвого пространства (в мл) соответствует его удвоенному весу (в кг).

Объем мертвого пространства у взрослого человека составляет, таким образом, примерно 150 мл. При глубоком вдохе это значение увеличивается, так как при дополнительном расширении объема грудной клетки бронхи и бронхиолы также сильно растягиваются.

P.S. Измерение объема мертвого пространства. Выдыхаемый (экспираторный) объем воздуха (V_E) слагается из двух частей: одна часть выдыхаемого объема приходится на воздух, покидающий мертвое пространство (V_D), а другая — на покидающий альвеолярное пространство (V_EA):

V_E = V_D + V_EA (4).

Для того чтобы при анализе функционирования легких определить значение обеих составляющих выдыхаемого объема по отдельности, необходимо применять непрямые методы измерения. При этом стоит исходить из соображения, что каждая из составляющих содержит свои количества выдыхаемых О₂ и CO₂.

Первая составляющая покидает мертвое пространство; в мертвом пространстве преобладают газовые фракции свежего воздуха (инспираторная фракция, F_I), попавшие сюда во время фазы последнего вдоха. Вторая составляющая покидает пространство альвеол, где преобладают фракции воздуха, уже прошедшего газообмен (F_A). Кроме того, следует учесть, что количество вещества газа можно представить в виде произведения его объема V на его фракцию F и тогда можно рассчитать соотношение этих количеств вещества:

Количество выдыхаемого газа = количество из мертвого пространства + количество в альвеолах (5)

V_E + F_E = V_D * F_I + V_EA * F_A.

Используя выражение для V_EA из (4), можно прийти к преобразованию:

Эта формула Бора распространяется на все дыхательные газы. Для CO₂ ее, однако, можно еще больше упростить, так как в этом случае F_i можно считать равной нулю:

В результате благодаря уравнению (7) составляющая воздуха из мертвого пространстве выдоха (V_D/V_E) уже может быть установлена, так как все фракции в правой стороне уравнения при газовом анализе могут быть определены опытным путем (некоторые трудности, касающиеся измерения альвеолярной фракции).

2. Функциональное мертвое пространство. Под функциональным, или физиологическим, мертвым пространством подразумеваются все те участки дыхательной системы, в которых не протекает никакого газообмена. Функциональное мертвое пространство не тождественно анатомическому вследствие того, что вдобавок к проводящим дыхательным путям к нему причисляется также все пространство альвеол, которые вентилируются, но не кровоснабжаются.

Такие альвеолы, в которых вопреки имеющемуся потоку в них воздуха газообмен невозможен, в легких здорового человека имеются лишь в незначительном количестве. Поэтому для здоровых людей величины объемов их анатомического и функционального мертвых пространств практически совпадают. Они могут иначе соотносится друг с другом при определенных расстройствах функционирования легких, при которых не только интенсивность вентиляции, но и степень кровоснабжения имеют крайне неравномерное распределение между различными участками легких.

При таких патологиях функциональное мертвое пространство может быть значительно обширнее анатомического мертвого пространства.

е) Объемная скорость дыхания. Объемная скорость дыхания увеличивается при возросшей нагрузке; она представляет собой сумму количества попавшего в альвеолы воздуха (альвеолярная вентиляция) и количества воздуха, продувшегося сквозь функциональное мертвое пространство (вентиляция мертвого пространства) за единицу времени.

1. Объемная скорость дыхания. Объемная скорость дыхания, т. е. объем вдыхаемого или выдыхаемого воздуха в единицу времени, определяется в конечном счете как произведение дыхательного объема на частоту дыхания. Как правило, объем выдоха несколько меньше чем объем вдоха, так как CO₂ выделяется меньше, чем потребляется O₂ (респираторный коэффициент <1). Поэтому стоит делать различие между объемными скоростями дыхания при инспирации и экспирации.

Было условлено величину вентиляции рассчитывать по фазе выдоха, и поэтому она характеризуется индексом E. Для объемной скорости дыхания при экспирации:

(V_E означает в данном случае «объем в единицу времени»; V_E — экспираторный дыхательный объем, f — частота дыхания).

2. Нормативные показатели объемной скорости дыхания. Частота дыхания взрослого человека в состоянии покоя в среднем равна 14 дыхательным циклам в минуту, однако по этому параметру могут наблюдаться существенные индивидуальные отклонения (от 10 до 18 дыхательных циклов в минуту). Повышенные частоты дыхания обнаруживаются у детей (20-30 в минуту), младенцев (30-40 в минуту) и новорожденных (40-50 в минуту).

Для взрослых людей в состоянии покоя, исходя из уравнения (8), объемная скорость дыхания в итоге оказывается равной 7 л/мин, если считать дыхательный объем равным 0,5 л, а частоту дыхания равной 14 дыхательных циклов в минуту.

Во время тяжелой физической работы объемная скорость дыхания возрастает в соответствии с повышением требований к потреблению O₂, достигая величины 120 л/мин при экстремальных нагрузках.

P.S. Предел скорости дыхания. Объемная скорость дыхания при максимально форсированной гипервентиляции называется пределом скорости дыхания. Эта величина представляет диагностический интерес потому, что некоторые расстройства функционирования легких проявляют себя впервые только тогда, когда легким требуется работать на полную мощность.

Измерение предела скорости дыхания при помощи спирометра возможно, если испытуемый переходит к форсированному дыханию с частотой 40-60 дыхательных циклов в минуту, вызывая гипервентиляцию.

Продолжительность тестирования должна составлять только 10 с во избежание возникновения неблагоприятных последствий гипервентиляции (следует избегать возникновения алкалоза). Результат измерения тем не менее должен быть пересчитан на продолжительность времени в 1 мин. Конкретное дыхательное предельное значение (AGW) зависит от возраста, половой принадлежности, а также от массы тела. Для молодых людей оно лежит в диапазоне между 120 и 170 л/мин.

3. Альвеолярная вентиляция и вентиляция мертвого пространства. Та объемная скорость дыхания, которая направлена на снабжение воздухом альвеол, называется альвеолярной вентиляцией V_A. Другая составляющая называется вентиляцией мертвого пространства (V_D):

Величина вентиляции представляет собой произведение соответствующего объема на частоту дыхания. При дыхании в состоянии покоя у взрослого человека дыхательный объем в 0,5 л складывается из составляющей из альвеолярного пространства в 0,35 л и составляющей из мертвого пространства в 0,15 л. При частоте дыхания, равной 14 дыхательным циклам в минуту, общая вентиляция составляет 7 л/мин, где на альвеолярную вентиляцию приходится 5 л/ мин, а на вентиляцию мертвого пространства — 2 л/мин.

4. Зависимость альвеолярной вентиляции от глубины дыхания. Величина альвеолярной вентиляции служит маркером эффективности вентиляции легких. Кроме того, преимущественно она определяет, какие фракции дыхательных газов могут поддерживаться в альвеолярном пространстве. Временной дыхательный объем крайне мало позволяет судить об эффективности вентиляции легких.

Например, если рассмотреть его нормальное значение V_E = 7 л/мин при маленьком дыхательном объеме и учащенном дыхании (V_E = 0,2 л и f = 35 дыхательных циклов в минуту), то почти все перемещение потоков воздуха будет ограничено мертвым пространством, в то время как альвеолярного пространства свежий воздух едва ли будет достигать.

Такая форма дыхания, наблюдаемая иногда при шоке кровообращения, весьма опасна для организма. Так как абсолютная величина объема мертвого пространства фиксированна, каждый более глубокий вдох ведет к повышению альвеолярной вентиляции. С другой стороны, неестественное увеличение объема мертвого пространства может побуждать пациента дышать более глубоко.

P.S. Эмфизема легких:

- Патология. Эмфиземой, или гипервоздушностью, легких называется чрезмерное наполнение легких воздухом. Наиболее распространены виды связанных с этим расстройств, при которых речь идет не о пассивном перерастяжении, а о разрушении легочных тканей из-за протеолитических процессов. Обычно в легочной ткани существует равновесие между активностями протеаз и ингибирующих их молекул (антипротеаз), к которым относятся α1-антитрипсин и α2-макроглобулин.

При частом развитии бактериальных инфекций или вдыхании вредных газов (например, дыма табака, парфюма) протеолитическая активность начинает преобладать. В частности, из нейтрофильных гранулоцитов и альвеолярных макрофагов начинает высвобождаться больше эластаз. Это ведет к необратимому повреждению в легких эластичных волокон и тканей, выполняющих альвеолы, причем процессами деградации оказываются затронуты и капилляры.

У чуть менее 1% обследованных пациентов основанием для такой патологии служит генетически обусловленный недостаток α1-антитрипсина. Тяжелая форма эмфиземы легких у них проявляется уже в молодости.

- Симптомы. Эмфизема легких характеризуется избыточным наполнением легких воздухом, в результате чего расширение грудной клетки становится внешне заметно даже в состоянии покоя. Несмотря на подобное увеличение объема воздуха, находящегося в легких, происходящее повреждение внутренней структуры легких приводит к снижению интенсивности газообмена из-за сокращения имеющейся площади поверхности для диффузии.

Наряду с этим недостающая эластичность маленьких бронхов приводит к тому, что при выдохе аэродинамическое сопротивление дыхательных путей значительно увеличивается. Следствием этого является наблюдающаяся у пациентов с эмфиземой релаксационная обструкция, которая затрудняет экспирацию, особенно при форсируемом выдохе (слабость легких).

ж) Резюме:

1. Дыхательные объемы и емкости легких. Важные величины легочных объемов и емкостей:

• дыхательный объем при дыхании в состоянии покоя у взрослого человека составляет примерно 0,5 л (но по мере необходимости может меняться);

• жизненная емкость легких служит показателем способности легких и грудной клетки к растяжению (эта величина зависит от возраста, половой принадлежности, размера тела, принимаемой позы и степени натренированности организма);

• воздух, остающийся в пространстве функциональной остаточной емкости легких (ФОЕ), служит для выравнивания соотношения фракций дыхательный газов в пространстве внутри альвеол между состояниями в фазу вдоха и фазу выдоха.

2. Измерение легочных объемов. Дыхательные объемы могут быть определены разными методами:
• в закрытой системе при помощи спирометра;
• в открытой системе при помощи пневматографа, который измеряет силу потока воздуха.

3. Функциональная остаточная емкость легких измеряется:
• методом смешения воздуха в легких с гелием или методом вытеснения из легких азота;
• при помощи плетизмографа.

При определении легочных объемов необходимо учитывать условия, в которых проводилось их измерение.

Величину объема, полученную для условий, соответствующих условиям в легких (BTPS) или в окружающей среде (ATPS), можно пересчитать, опираясь на уравнение Клайперона-Менделеева, в величину данного объема при стандартных условиях (STPD).

4. Мертвое пространство. Мертвым пространством называются те участки легкого, которые хотя и вентилируются, но не принимают участия в газообмене. Следует делать различие между:

• анатомическим мертвым пространством, охватывающим проводящие дыхательные пути, объем которого у взрослого человека составляет примерно 150 мл;

• функциональным мертвым пространством, к которому помимо объема дыхательных путей причисляется также пространство тех альвеол, которые не кровоснабжаются. При наличии расстройств функционирования легких функциональное мертвое пространство может по объему значительно превышать анатомическое мертвое помещение.

5. Временные дыхательные объемы. Временной дыхательный объем, произведение дыхательного объема и частоты дыхания, составляет у взрослого человека в состоянии покоя примерно 7 л/мин, но при усиленной физической нагрузке может подниматься до 120 л/мин. Эта величина складывается из:

• альвеолярной вентиляции, которая при дыхании в состоянии покоя составляет, например, 5 л/мин;

• вентиляции мертвого пространства (примерно 2 л/мин).

При одном и том же дыхательном объеме прежде всего углубленное дыхание (а не повышение частоты дыхания) ведет к лучшему снабжению альвеол воздухом.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Механика дыхания - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 9.7.2025