Анатомо-физиологические особенности органов дыхания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Человек и все высокоорганизованные живые существа нуждаются для своей нормальной жизнедеятельности в поступлении к тканям организма кислорода, который используется в сложном биохимическом процессе окисления питательных веществ, в результате чего выделяется энергия и образуется двуокись углерода и вода (Агаджанян Н.А., 2001).

Дыхание -- это совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа. В условиях покоя в организме за 1 минуту потребляется в среднем 250 -- 300 мл кислорода и выделяется 200 -- 250 мл двуокиси углерода. (Агаджанян Н.А., 2001).

Дыхательная система или дыхательный аппарат у человека состоит из дыхательных путей и двух дыхательных органов -- легких. Дыхательные пути, соответственно их положению в теле, подразделяются на верхний и нижний отделы. К верхним дыхательным путям относятся полость носа, носовая часть глотки, ротовая часть глотки, к нижним дыхательным путям -- гортань, трахея, бронхи, включая внутрилегочные разветвления бронхов. Дыхательные пути состоят из трубок, просвет которых сохраняется вследствие наличия в их стенках костного или хрящевого скелета. Эта морфологическая особенность полностью соответствует функции дыхательных путей -- проведению воздуха в легкие и из легких наружу. Внутренняя поверхность дыхательных путей покрыта слизистой оболочкой, которая выстлана мерцательным эпителием, содержит значительное количество желез, выделяющих слизь. Благодаря этому она выполняет защитную функцию. Проходя через дыхательные пути, воздух очищается, согревается и увлажняется. В процессе эволюции на пути воздушной струи сформировалась гортань -- сложно устроенный орган, выполняющий функцию голосообразования. По дыхательным путям воздух попадает в легкие, которые являются главными органами дыхательной системы. В легких происходит газообмен между воздухом и кровью путем диффузии газов (кислорода и углекислоты) через стенки легочных альвеол и прилежащих к ним кровеносных капилляров (http://www.anatomus.ru/dyhanie.htm).

Задача органов дыхания - обеспечение органов жизненно необходимым кислородом и выделение в окружающую среду углекислого газа как конечного продукта обмена веществ. В результате той роли, которую играют лёгкие в процессе газообмена, лёгкие становятся важным регулирующим органом и в кислотно-щелочном балансе. Так при кислородной недостаточности наступает переокисление крови и тем самым нарушается обмен веществ в клетках, - процесс, который наблюдается в продвинутой стадии в лёгких при данной патологии (http://www.medpoisk.ru/cf/physio01.html).

Дыхательные пути, прежде всего нос, служат и для обогрева, увлажнения и очищения вдыхаемого воздуха (http://www.medpoisk.ru/cf/physio01.html).

Целью исследования является изучение анатомо-физиологических особенностей органов дыхания в норме и их функций.

В работе были решены следующие задачи:

1) с помощью современной научно-методической литературы изучить анатомическое строение органов дыхания;

2) изучить основные физиологические показатели этапов дыхания;

3) рассмотреть основные и имперические методы исследования дыхания.

дыхание газообмен вдох альвеола

Раздел 1. Литературный обзор

1.1 Топография и строение органов дыхания

1.1.1 Строение носовой полости

Область носа включает наружный нос, внутри которого находится полость носа.

Наружный нос включает корень, спинку, верхушку и крылья носа. Корень расположен в верхней части лица и отделен ото лба выемкой - переносьем. Боковые стороны наружного носа соединяются по средней линии и образуют спинку носа, а нижние части боковых сторон представляют собой крылья носа. Книзу спинка наружного носа переходит в верхушку носа. Крылья носа своими нижними краями ограничивают ноздри, служащие для прохождения воздуха в полость носа и из нее. По срединной линии ноздри отделяются друг от друга подвижной (перепончатой) частью перегородки носа (Сапин М.Р., 1993).

Наружный нос имеет костный и хрящевой скелет, образованный носовыми костями, лобными отростками верхних челюстей и несколькими гиалиновыми хрящами. Корень носа, верхняя часть спинки и боковых сторон наружного носа имеет костный скелет, а средняя линия части спинки и боковых стон - хрящевой. Латеральный хрящ носа парный, треугольный, расположен непосредственно ниже носовых костей, принимает участие в образовании боковой стенки наружного носа. Передние края правого и левого боковых хрящей, соединяясь между собой по средней линии, на лице ноздрями, а сзади через хоаны, сообщаются с носовой частью глотки. Перегородка носа спереди перепончатая и хрящевая, а сзади - костная. Перепончатая и хрящевая части вместе образуют подвижную часть перегородки носа. В каждой половине полости носа выделяют преддверие носа, которое сверху ограничено небольшим возвышением - порогом полости носа, образованным верхним краем большого хряща крыла носа. Преддверие покрыто изнутри продолжающейся сюда через ноздри кожей наружного носа. Кожа преддверия содержит сальные, потовые железы и жесткие волосы - вибрисы (Сапин М.Р., 1993).

Большая часть полости носа представлена носовыми ходами, с которыми сообщаются околоносовые пазухи. Различают верхний, средний и нижний носовые ходы, каждый из них располагается под соответствующей носовой раковиной. Позади и сверху от верхней носовой раковины находится клиновидно-решетчатое углубление. Между перегородкой носа и медиальными поверхностями носовых раковин расположен общий носовой ход, имеющий вид узкой вертикальной щели. Отверстие клиновидной пазухи находится в области клиновидно-решетчатого углубления. В верхний носовой ход открываются одним или несколькими отверстиями задние ячейки решетчатой кости. Боковая стенка среднего носового хода образует закругленное выпячивание в сторону носовой раковины - большой решетчатый пузырек. Спереди и снизу большого решетчатого пузырька имеется глубокая полулунная расщелина, в передней области которой находится нижний конец решетчатой воронки, через которую лобная пазуха сообщается со средним носовым ходом. Средние и передние ячейки (пазухи) решетчатой кости, лобная пазуха, верхнечелюстная пазуха открываются в средний носовой ход. В нижний носовой ход ведет нижнее отверстие носослезного потока (Сапин М.Р., 1993).

1.1.2 Строение гортани

Гортань - не только отдел воздухоносных путей, связывающий глотку с трахеей. Это, кроме того, орган голосообразования, участвующий в процессе членораздельной речи. Многообразию функций гортани соответствует и сложность ее строения. Гортань расположена на уровне IV- VI шейных позвонков, от которых отделена нижней частью глотки. Верхняя часть гортани подвешена к подъязычной кости с помощью щито-подъязычной перепонки, а нижняя соединена с трахеей. Гортань занимает на шее поверхностное положение: спереди и с боков ее прикрывает поверхностная группа собственных мышц шеи, а выступающий по срединной линии гребень (кадык) лежит прямо под кожей. Спереди и с боков к гортани прилегает щитовидная железа, а сзади - гортанная часть глотки. Основу гортани составляют гиалиновые хрящи - щитовидный, перстневидный, черпаловидные, клиновидный, рожковидный и надгортанник. Они подвижно соединены суставами, связками и мышцами (Курепина М.М., 2003).

Щитовидный хрящ самый крупный, непарный. Он состоит из правой и левой пластинок, сходящихся спереди. У мужчин в месте их соединения образуется кадык. Задние углы каждой пластинки вытянуты в верхний и нижний рога. Последние сочленяются с перстневидным хрящом. Верхний край хряща имеет над кадыком вырезку и связан с подъязычной костью щито-подъязычной перепонкой. В области вырезки она усилена средней подъязычно-щитовидной связкой. Верхние рожки хряща соединены с большими рожками подъязычной кости боковыми подъязычно-щитовидными связками. Нижний край щитовидного хряща связан с перстневидным хрящом перстне-щитовидной связкой (Курепина М.М., 2003).

Перстневидный хрящ с обращенной вперед узкой дугой и расширяющейся сзади угловатой пластинкой подобен кольцу. Эта пластинка вверху сочленяется с парой небольших черпаловидных хрящей, а по бокам и снизу, у места перехода в дугу, - с нижними рогами щитовидного хряща, образуя здесь сустав с горизонтальной осью. Нижний край перстневидного хряща соединен с трахеей перстне-трахейной связкой (Курепина М.М., 2003).

Черпаловидные хрящи парные, напоминают трехгранные пирамидки, каждая из которых своим основанием сочленяется с пластинкой перстневидного хряща, образуя сустав с вертикальной осью. От основания черпаловидного хряща вперед, в полость гортани, выдается голосовой отросток, а назад и наружу - мышечный отросток. Между слизистой оболочкой гортани и хрящами залегает слой эластической ткани; часть ее между внутренним углом щитовидного хряща и черпаловидными хрящами образует эластический конус, причем те его пучки, которые идут к голосовым отросткам, образуют пару голосовых связок. Так как у мужчин угол щитовидного хряща резче выступает вперед, то и голосовые связки у них длиннее (22-24 мм), чем у женщин (15-18 мм). Этим обусловлен низкий голос мужчин (чем длиннее струна, тем ниже издаваемый ею звук). Пространство между голосовыми связками образует голосовую щель (Курепина М.М., 2003).

Рожковидный хрящ - парный, маленький, конической формы, залегает у верхушки черпаловидных хрящей в толще черпалонадгортанной связки, образуя рожковидный бугор (http://www.spravochnik-anatomia.ru).

Клиновидный хрящ - парный, маленький, клиновидный, располагается кпереди и над рожковидным хрящом в толще черпалонадгортанной складки, образуя клиновидный бугорок. Эти хрящи нередко отсутствуют (http://spina.pro/anatomy)

Надгортанник - листовидная изогнутая пластинка эластического хряща, более широкое основание которой обращено кверху, передняя поверхность - к корню языка, а верхушка опущена книзу. Одной связкой надгортанник прикреплен к середине внутренней поверхности щитовидного хряща, а другой - к подъязычной кости. Надгортанник не имеет опорной функции и выполняет роль клапана, закрывающего вход в гортань при глотании. Основу надгортанника образует пластинка эластического хряща (Курепина М.М., 2003).

1.1.3 Строение трахеи

Трахея является продолжением гортани, начинается на уровне нижнего края VI шейного позвонка и оканчивается на уровне верхнего края V грудного позвонка, где она делится на два бронха - правый и левый. Длина трахеи колеблется от 9 до 11 см, поперечный диаметр в среднем 15-18 мм (Привес М.Г., 1985).

Шейный отдел охватывается сверху щитовидной железой, сзади трахея прилежит к пищеводу, а по бокам от нее располагаются общие сонные артерии. Кроме перешейка щитовидной железы, спереди трахею прикрывает предтрахеальная пластинка шейной фасции, грудиноподъязычная и грудиощитовидная мышца, за исключением средней линии, где внутренние края этих мышц расходятся. Пространство между задней поверхностью названных мышц с прикрывающей их фасцией и передней поверхностью трахеи, заполнено рыхлой клетчаткой и кровеносными сосудами щитовидной железы. Грудной отдел грудины прикрыт спереди рукояткой грудины, вилочковой железой, сосудами. Положение трахеи впереди связано с развитием ее из вентральной стенки передней кишки (Привес М.Г., 1985).

Стенка трахеи состоит из слизистой оболочки, подслизистой основы, волокнисто-мышечно-хрящевой и соединительнотканной оболочек. Основой трахеи являются 16-20 хрящевых гиалиновых полуколец, занимающих около 2/3 окружности трахеи, разомкнутой частью обращенной назад. Благодаря хрящевым полукольцам просвет трахеи зияет, а сама трахея обладает гибкостью и упругостью. Соседние хрящи трахеи соединены между собой фиброзными кольцевыми связками (трахеальными) более узкими, чем хрящи. Верхний хрящ трахеи соединяется с перстневидным хрящом гортани. Кольцевые связки продолжаются в заднюю, перепончатую стенку, которая содержит циркулярные и продольные пучки гладких мышечных клеток и образует сплошную мягкую заднюю стенку трахеи. Изнутри стенка трахеи выстлана слизистой оболочкой, которая располагается на подслизистой основе. Слизистая оболочка покрыта реснитчатым многослойным эпителием, содержит слизистые железы и одиночные лимфоидные узелки. В подслизистой основе находятся трахеальные железы (Сапин М.Р., 1993).

1.1.4 Строение бронхов

Бронхами называют ветви дыхательного горла. Деление трахеи на два главных бронха происходит на уровне четвертого (у женщин - пятого) грудного позвонка. Главные бронхи, правый и левый, отходят на месте бифуркации трахеи почти под прямым углом и направляются к воротам соответствующего легкого. Правый главный бронх имеет более вертикальное направление, он короче и шире, чем левый. Длина правого бронха около 3 см, левого 4-5 см. Над левым главным бронхом лежат дуга аорты, над правым - непарная вена перед ее впадением в верхнюю полую вену. Стенка главных бронхов по своему строению напоминает стенку трахеи. Их скелетом являются хрящевые полукольца (в правом бронхе 6-8, в левом 9-12), сзади главные бронхи имеют перепончатую стенку. Изнутри главные бронхи выстланы слизистой оболочкой, снаружи покрыты соединительнотканной оболочкой (адвентицией) (Сапин М.Р.,2001).

Бронхиальное дерево включает в себя главные бронхи - правый и левый, долевые бронхи (1-го порядка), зональные (2-го порядка), сегментарные и субсегментарные (3, 4, 5 порядков), мелкие (от 6-го до 15-го порядков) и наконец, терминальные бронхиолы, за которыми начинаются респираторные отделы легких (цель которых - выполнять газообменную функцию) (http://www.eurolab.ua/anatomy/103/).

Строение бронхов не является одинаковым на протяжении всего бронхиального дерева, хотя и имеет общие черты. Бронхи обеспечивают проведение воздуха от трахеи к альвеолам и обратно, а к тому же способствуют очищению воздуха от посторонних примесей и выведению их из организма. Крупные инородные тела удаляются из бронхов при помощи кашля. А более мелкие (пылевые частицы) или микроорганизмы, попавшие в дыхательные пути, удаляются с помощью колебаний ресничек эпителиальных клеток, которые обеспечивают продвижение бронхиального секрета в сторону трахеи (http://www.eurolab.ua/anatomy/103/).

1.1.5 Топография и строение легких

Правое и левое легкие располагаются в грудной полости, каждое в своей половине, в плевральных мешках. Между легкими находятся органы средостения: сердце с перикардом, аорта и верхняя полая вена, трахея с главными бронхами, пищевод, тимус, лимфатические узлы и др. (Сапин М.Р.,2001).

По форме легкое напоминает конус с уплощенной медиальной стороной и закругленной верхушкой. Правое легкое имеет длину около 25--27 см, ширину -- 12--14 см. Оно короче левого легкого примерно на 2--3 см и уже его на 3--4 см, что связано с более высокими расположением правого купола диафрагмы по сравнению с левым (Сапин М.Р., 2001).

Легкое имеет верхушку, основание и 3 поверхности: диафрагмальную, реберную и средостенную. Диафрагмальная поверхность соответствует основанию легкого, она вогнутая, обращена к диафрагме. Реберная поверхность выпуклая, прилежит к внутренней поверхности грудной стенки -- к ребрам и межреберным промежуткам. Позвоночная (задняя) часть этой поверхности закруглена и граничит с позвоночником. Медиастинальная (средостенная) часть легкого обращена к средостению. Поверхности легкого разделены краями. Передний край легкого разделяет реберную и медиальную поверхности, нижний край отделяет реберную и медиальную поверхности от диафрагмальной. На переднем крае левого легкого располагается углубление -- сердечная вырезка ограниченная снизу язычком левого легкого. Каждое легкое с помощью глубоких щелей подразделяется на крупные участки -- доли. У правого легкого имеется 3 доли: верхняя, средняя и нижняя. У левого легкого выделяет 2 доли -- верхнюю и нижнюю. Косая щель имеется у обоих легких. Эта щель начинается на заднем крае легкого, на 6--7 см ниже его верхушки (уровень остистого отростка III грудного позвонка), идет вперед и вниз к переднему краю органа на уровне перехода костной части VI ребра в его хрящ. Далее косая щель переходит на медиальную поверхность и направляется к воротам легкого. Косая щель у обоих легких отделяет верхнюю долю от нижней. Правое легкое имеет горизонтальную щель. Она начинается на реберной поверхности примерно на середине косой щели, где пересекает среднюю подмышечную линию. Далее горизонтальная щель идет вначале поперечно к переднему краю, затем поворачивает к воротам правого легкого (по медиальной поверхности). Горизонтальная щель отделяет среднюю долю от верхней. Средняя доля правого легкого видна только спереди и с медиальной стороны. Между долями каждого легкого расположены их междолевые поверхности (Сапин М.Р., 2001).

Медиальная поверхность каждого легкого имеет углубление -- ворота легкого, через которое проходят сосуды, нервы и главный бронх, образующие корень легкого. В воротах правого легкого в направлении сверху вниз располагаются главный бронх, ниже -- легочная артерия, под которой лежит две легочные вены. В воротах левого легкого вверху находится легочная артерия, под ней -- главный бронх, еще ниже -- две легочные вены. Ворота у правого легкого несколько короче и шире, чем у левого (http://www.ilive.com.ua/ealth/anatomiya/dykhatelnaya-sistema/1261- Iеgkie).

В области ворот правый главный бронх делится на 3 долевых бронха: правый верхний долевой бронх, средний долевой бронх, нижний долевой бронх. При вхождении в верхнюю долю правого легкого верхний долевой бронх располагается над долевой артерией (ветвью легочной артерии). Левый главный бронх в воротах легкого делится на два долевых брюнха: левый верхний долевой бронх и левый нижний долевой бронх. Долевые бронхи дают начало более мелким сегментарным (третичным) бронхам, которые в дальнейшем делятся дихотомически. Сегментарный бронх входит в сегмент, который представляет участок легкого, основанием обращенный к его поверхности, верхушкой -- к корню. В центре сегмента располагаются сегментарный бронх и сегментарная артерия. На границе между соседними сегментами, в соединительной ткани, проходит сегментарная вена. Сегментарные бронхи делятся на субсегментарные, затем на дольковые. Дольковый бронх входит в дольку легкого, число которых в одном легком составляет примерно 80 и более. Каждая долька по форме напоминает пирамиду с полигональным основанием размерами 5--15 мм. Длина дольки достигает 20--25 мм. Верхушка каждой дольки обращена внутрь легкого, а основание -- к его поверхности, покрытой плеврой. Дольковый бронх, войдя в дольку со стороны ее верхушки, делится на 12--20 концевых (терминальных) бронхиол число которых в обоих легких достигает 20 000. Терминальные (концевые) бронхиолы и образующиеся при их разветвлении дыхательные бронхиолы в своих стенках хрящей уже не имеют (Сапин М.Р., 2001).

1.2 Физиология дыхания. Характеристика этапов дыхания

1.2.1 Состав дыхательных средств. Этапы дыхания

Дыхательной средой для человека является атмосферный воздух, состав которого отличается постоянством. В 1 л сухого 210 воздуха содержится 780 мл азота, 210 мл кислорода и 0,3 мл двуокиси углерода. Остальные 10 мл приходятся на инертные газы -- аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и водород (http://medicinfomi.net/human/fisiologу2 1 .htm).

Дыхание осуществляет перенос О2: из атмосферного воздуха к тканям организма, а в обратном направлении производит удаление СО: из организма в атмосферу.

Различают несколько этапов дыхания:

1. Внешнее дыхание -- обмен газов между атмосферой и альвеолами.

2. Обмен газов между альвеолами и кровью легочных капилляров.

3. Транспорт газов кровью -- процесс переноса О2: от легких к тканям и СО2: от тканей -- к легким.

4. Обмен О2: и СО2: между кровью капилляров и клетками тканей организма.

5. Внутреннее, или тканевое, дыхание -- биологическое окисление в митохондриях клетки (Агаджанян Н.А., 2001).

1.2.1.1 Внешнее дыхание

Внешнее дыхание осуществляется благодаря изменениям объема грудной клетки и сопутствующим изменениям объема легких. Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, а во время выдоха - уменьшается. В дыхательных движениях участвуют:

1. Дыхательные пути, которые по своим свойствам являются слегка растяжимыми, сжимаемыми и создают поток воздуха. Дыхательная система состоит из тканей и органов, обеспечивающих легочную вентиляцию и легочное дыхание (воздухоносные пути, легкие и элементы костно-мышечной системы). К воздухоносным путям, управляющим потоком воздуха, относятся: нос, полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы. Легкие состоят из бронхиол и альвеолярных мешочков, а также из артерий, капилляров и вен легочного круга кровообращения. К элементам костно-мышечной системы, связанным с дыханием, относятся ребра, межреберные мышцы, диафрагма и вспомогательные дыхательные мышцы. Нос и полость носа служат проводящими каналами для воздуха, где он нагревается, увлажняется и фильтруется. Полость носа выстлана богато васкулиризированной слизистой оболочкой. В верхней части полости носа лежат обонятельные рецепторы. Носовые ходы открываются в носоглотку. Гортань лежит между трахеей и корнем языка. У нижнего конца гортани начинается трахея и спускается в грудную полость, где делится на правый и левый бронхи (Агаджанян Н.А., 2001).

Установлено, что дыхательные пути от трахеи до концевых дыхательных единиц (альвеол) ветвятся (раздваиваются) 23 раза. Первые 16 «поколений» дыхательных путей - бронхи и бронхиолы выполняют проводящую функцию. «Поколения» 17-22 - респираторные бронхиолы и альвеолярные ходы, составляют переходную (транзиторную) зону, и только 23-е «поколение» является дыхательной респираторной зоной и целиком состоит из альвеолярных мешочков с альвеолами. Общая площадь поперечного сечения дыхательных путей по мере ветвления возрастает более чем в 4,5 тысячи раз. 11равый бронх обычно короче и шире левого (Агаджанян Н.А., 2001). 2. Эластическая и растяжимая легочная ткань. Респираторный отдел представлен альвеолами. В легких имеется три типа альвеолоцитов (пневмоцитов), выполняющих разную функцию. Альвеолоциты второго типа осуществляют синтез липидов и фосфолипидов легочного сурфактанта. Общая площадь альвеол у взрослого человека достигает 80-90 м2. т.е. примерно в 50 раз превышает поверхность тела человека (Агаджанян Н.А., 2001).

3. Грудная клетка, состоящая из пассивной костно-хрящевой основы, которая соединена соединительными связками и дыхательными мышцами, осуществляющими поднятие и опускание ребер и движения купола диафрагмы. За счет большого количества эластической ткани легкие, обладая значительной растяжимостью и эластичностью, пассивно следуют за всеми изменениями конфигурации и объема грудной клетки (Агаджанян Н.А., 2001).

Чем больше разность между давлением воздуха внутри и снаружи легкого, тем больше они будут растягиваться. Для иллюстрации этого положения служит модель Дондерса.

Существуют два механизма, вызывающие изменение объема грудной клетки: подия тис и опускание ребер и движения купола диафрагмы. Дыхательные мышцы подразделяются па инспираторныс и экспираторные (Агаджанян Н.А., 2001).

Инспираторными мышцами являются диафрагма, наружные межреберные и межхрящевые мышцы. При спокойном дыхании объем грудной клетки изменяется в основном за счет сокращения диафрагмы и перемещения ее купола. Опусканию диафрагмы всего на 1 см соответствует увеличение емкости грудной полости примерно на 200-300 мл. При глубоком форсированном дыхании участвуют дополнительные мышцы вдоха: трапециевидные, передние лестничные и груднно-ключнчно-сосцевндные мышцы. Они включаются в активный процесс дыхания при значительно больших величинах легочной вентиляции, например, при восхождении альпинистов на большие высоты или при дыхательной недостаточности, когда в процесс дыхания вступают почти все мышцы туловища (Агаджанян Н.А., 2001).

Экспираторными мышцами являются внутренние межреберные и мышцы брюшной стенки, или мышцы живота. Каждое ребро способно вращаться вокруг оси, проходящей через две точки подвижного соединения с телом и поперечным отростком соответствующего позвонка (Агаджанян Н.А., 2001).

Верхние отделы грудной клетки на вдохе расширяются преимущественно в переднезаднем направлении, а нижние отделы больше расширяются в боковых направлениях, так как ось вращения нижних ребер занимает сагиттальное положение. В фазу вдоха наружные межреберные мышцы, сокращаясь, поднимают ребра, а в фазу выдоха ребра опускаются благодаря активности внутренних межреберных мышц (Агаджанян Н.А., 2001).

При обычном спокойном дыхании выдох осуществляется пассивно, поскольку (рудная клетка и легкие спадаются - стремятся занять после вдоха то положение, из которого они были выведены сокращением дыхательных мышц. Однако при кашле, рвоте, натуживании мышцы выдоха активны (Агаджанян Н.А., 2001).

При спокойном вдохе увеличение объема грудной клетки составляет примерно 500 - 600 мл. Движение диафрагмы во время дыхания обусловливает до 80% вентиляции легких. У спортсменов высокой квалификации во время глубокого дыхания купол диафрагмы может смещаться до 10- 12 см (Агаджанян Н.А., 2001).

1.2.1.2 Газообмен между альвеолами и кровью

Обмен газов между кровью организма и альвеолами осуществляется с помощью диффузии: СО2 выделяется из крови в альвеолы. О2, поступает из альвеол в венозную кровь, пришедшую в легочные капилляры из всех органов и тканей организма. При этом венозная кровь богатая СО2 и бедная О2 превращается в артериальную, насыщенную О2 и обедненную СО2 (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

Движущей силой, обеспечивающей газообмен в альвеолах, является градиент парциального давления газов - разность парциальных давлений РО2 и РСО2, в альвеолярной смеси газов и напряжений этих газов в крови. Парциальное давление газа - это часть общего давления газовой смеси, приходящаяся на долю данного газа. Напряжение газа в жидкости зависит только от парциального давления та над жидкостью, и они равны между собой. Парциальное давление газа в смеси, согласно закону Дальтона, прямо пропорционально его объемному содержанию. Для его расчета необходимо от общего давления газовой смеси вычислить процент, равный содержанию этого газа в смеси. При этом необходимо учесть парциальное давление водяных паров. (Завьялов Л.В., Смирнов В.М., 2009)

Имеется ряд вспомогательных факторов, играющих важную роль в газообмене между кровью и альвеолами.

Факторы, способствующие диффузии газов в легких. Согласно закону Фика, скорость диффузии газа прямо пропорциональна площади барьера и градиенту парциального давления газа и обратно пропорциональна толщине барьера (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

1. На скорость диффузии влияют свойства самого газа. Углекислый газ диффундирует в альвеолы в 20-25 раз быстрее, чем кислород, вследствие его лучшей растворимости в жидкости и мембранах. Именно поэтому обмен СО2 в легких происходит достаточно полно несмотря на небольшой градиент парциального давления этого газа и его напряжения - всего 6 мм рт.ст. (для кислорода - до 60 мм рт.ст) (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

2. Большая скорость диффузии газов через тонкую легочную мембрану (около 1 мкм).Выравнивание РО2 - в альвеолах и крови в легких происходит примерно за 0.25 с; кровь находится в капиллярах легких в среднем около 0,5 с, т.е. в 2 раза дольше. Скорость диффузии СО2 в 20 раз больше таковой О2, т.е. имеется высокая степень надежности в процессах газообмена в организме (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

3. Большая поверхность контакта легочных капилляров и альвеол (60- 120 м2). Альвеолы представляют собой пузырьки диаметром 0,3-0,4 мм, образованные эпителиоцитами. Причем, каждый капилляр контактирует с 5-7 альвеолами (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

4. Корреляция между кровотоком в данном участке легкого(Q) и его вентиляцией (V). Если участок легкого плохо вентилируется, то кровеносные сосуды в этой области суживаются и даже полностью закрываются. Это осуществляется с помощью механизмов местной саморегуляции - посредством реакций гладкой мускулатуры: при снижении в альвеолах PQ возникает вазоконстрикция. В эксперименте она наблюдается уже при небольшом снижении содержания кислорода (до 15-16%) в газовой смеси, которой вентилируют легкое. Вентиляция легкого азотом также ведет к сужению легочных сосудов, вентиляция кислородом - к их расширению. Эта реакция сохраняется даже на изолированном легком. Кроме того, при повышении содержания СО2, в альвеолах расширяются соответствующие бронхи, тогда как при снижении РСО2 они суживаются. Благодаря этим реакциям отношение объема вентиляции к объему кровотока в них (У/О) в норме составляет 0,8--0,9. что очень важно для поддержания нормального газового состава артериальной крови. Имеется несколько объяснений этой caморегуляции, однако они пока неубедительны (Завьялов Л.В., Смирнов В.М., 2009).

5. Интенсивность вентиляции и кровообращения различных отделов легких зависит от положения тела: в вертикальном положении лучше вентилируются нижние отделы, в горизонтальном отделы - легких, находящиеся внизу (в положении на спине дорсальные), на животе - вентральные, на боку - тоже нижней части легких. Так, например, в положении сидя верхушки легких снабжаются кровью на 15% меньше, в положении стоя - на 25% меньше, чем средние отделы легких. Это объясняется тем, что отделы легких, находящиеся снизу, сжаты под действием собственного веса легких, так как они не имеют жесткого каркаса, а отделы легких, находящиеся сверху, - растянуты. Поэтому при вдохе нижние отделы легких имеют большую возможность расправляться. Примерно также изменяется и кровоснабжение в легких. В клинической практике это необходимо учитывать при сердечно-легочной недостаточности следует рекомендовать пациенту постельный режим, так как положение лежа улучшает газообмен между кровью и смесью газов в альвеолах (Завьялов А.В.. Смирнов В.М., 2009).

При входе сосудов альвеолярных перегородок из-за их растяжения уменьшается, что снижает газообмен между кровью и альвеолами. Газообмен в легком, естественно, ведет к изменению газового состава в альвеолярном пространстве по сравнению с составом атмосферного воздуха (Завьялов Л.В., Смирнов В.М., 2009).

Изменение состава газовой смеси в легких при дыхании. В покое человек потребляет около 250 мл О2, и выделяет около 230 мл СО2, поэтому в альвеолярном воздухе уменьшается количество О2, и увеличивается СО2 (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

В процессе вентиляции легких изменение содержания О2 и CO2- в альвеолярной смеси газов являются следствием потребления организмом О2 и выделения СО2. В выдыхаемом воздухе количество О2 несколько возрастает, а СО2 - уменьшается по сравнению с альвеолярной газовой смесью вследствие того, что к ней добавляется воздух воздухоносного пути, не участвующий в газообмене и, естественно, содержаний СО2 и О2 в таких же количествах, как и атмосферный воздух.

Кровь обогащенная О2 и отдавшая СО2, из легких поступает в сердце и с помощью артерий и капилляров распределяется по всему организму, в различных органах и тканях отдает О2 и получает СО2 после чего возвращается в легкие, т.е. О2 и СО2 транспортируются кровью (Завьялов А.В., Смирнов В.М., 2009).

1.2.3 Транспорт кислорода кровью

Кислород переносится к тканям в двух формах: связанный с гемоглобином и растворенный в плазме. В крови содержится лишь незначительное количество О2 растворимого в плазме. Согласно закону Генри, количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально его парциальному давлению и коэффициенту растворимости. Растворимость О2 в плазме крови низка: при РО2 =1 мм рт.ст. в 100 мл крови растворяется 0,0031 мл 02(Покровский В.М., Коротько Г. Ф.. 2003).

В артериальной крови содержание О2 составляет 18--20 об.%, а в венозной -- 12 об.%. Количество физически растворенного в крови О2 равно всего лишь 0,3 об.%; следовательно, практически весь О2 переносится кровыо в виде химического соединения с гемоглобином (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

Гемоглобин -- красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах; состоит из 4 одинаковых групп -- гемов. Гем представляет собой протон орфирин, в центре которого расположен ион двухвалентного железа, играющий важную роль в переносе O2. Каждый гем присоединяет к себе по 1 молекуле О:, одна молекула гемоглобина связывает 4 молекулы О2, возникает обратимая связь, при этом валентность железа не изменяется. Это называется оксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин (НЬ) становится окисленным -- НЬО2 (оксигемоглобин) (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

Максимальное количество кислорода, которое .может быть связано в 100 мл крови при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови. Она зависит от содержания гемоглобина в крови. 1 г гемоглобина способен присоединить 1,34 мл О2; следовательно, при содержании в крови в среднем 140 г/л гемоглобина (130--160 г/л у мужчин и 120--140 г/л у женщин) кислородная емкость крови будет 1,34- 140=187,6 мл (или 19 об.% у мужчин и 18-- 19 об.% у женщин) (Дегтярев В.П.. Будылина С.М., 2006).

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. При этом железо из двухвалентного превращается в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся молекула в целом -- метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незначительном количестве, но при некоторых заболеваниях, отравлениях некоторыми ядами, при действии лекарственных веществ, например кодеина и фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключается в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает тканям О2) и не может присоединять другие молекулы О2, т.е. теряет свойства переносчика О2. Также опасно соединение гемоглобина с угарным газом (СО) с образованием карбоксигемоглобина (НЬСО), так как сродство гемоглобина к СО в 300 раз больше, чем к О2 , и НЬСО диссоциирует в 10 000 раз медленнее, чем НЬО2. В норме на долю карбоксигемоглобина приходится лишь 1 % общего количества гемоглобина крови, а у курильщиков к вечеру достигает 20 % (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

Скорость процесса связывания О2 гемоглобином в легких и отдачи его тканям иллюстрирует кривая образования и диссоциации оксигемоглобина.

Степень насыщения гемоглобина кислородом, т.е. образование оксигемоглобина, зависит от напряжения кислорода в крови. На кривой имеется 4 характерных отрезка, отражающих эту зависимость:

1 -- при напряжении О2 в крови от 0 до 10 мм рт. ст. в крови находится восстановленный гемоглобин, оксигенация крови идет медленно;

2 -- от 10 до 40 мм рт. ст. -- насыщение гемоглобина кислородом идет очень быстро и достигает 75 %;

3 -- от 40 до 60 мм рг. ст. -- насыщение гемоглобина кислородом замедляется, но достигает 90 %;

4 -- при возрастании РО2 свыше 60 мм рт. ст. дальнейшее насыщение гемоглобина идет очень медленно и постепенно приближается к 96--98 %, никогда не достигая 100 %. Однако такое высокое насыщение гемоглобина кислородом наблюдается только у молодых людей. У пожилых людей эти показатели ниже (Дегтярев B.П., Будылина С М.. 2006).

Диссоциация оксигемоглобина происходит в тканевых капиллярах большого круга кровообращения. Главным фактором, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является большой градиент РО2: в пришедшей артериальной крови РО2 составляет около 95 мм рт. ст., в межклеточной жидкости РО2 уменьшается примерно до 40 мм рт. ст., а в клетках тканей падает до 10--15 мм рт. ст. и меньше, в работающих мышцах приближается к 0 (когда РО2 в клетке становится равным 0,1 мм рт. ст., клетка погибает). Резкое падение РО2 в тканях связано с интенсивным потреблением его клетками для окислительных процессов. Диссоциация оксигемоглобина в тканях приводит к уменьшению содержания оксигемоглобина с 96 до 75 % и снижению РО; до 40 мм рт. ст. (Дегтярев B.П., Будылина С.М.. 2006).

Каждые 100 мл артериальной крови, содержащие 18--20 мл О2, отлают тканям в среднем около 4,5 мл О2, т.е. 20--30 %. Эта часть О2, поглощаемая тканями, называется коэффициентом утилизации кислорода. В миокарде, сером веществе мозга и печени коэффициент утилизации достигает 50-60 %.

Кроме главного фактора -- градиента РО2, имеется и ряд других факторов, влияющих на диссоциацию оксигемоглобина в тканях. К ним относятся РСО2 в тканях, рН среды, температура. Чем активнее работает орган, тем интенсивнее в нем протекают метаболические процессы, тем быстрее потребляется О2 и падает его напряжение в тканях, быстрее накапливается СО2, закисляется среда и повышается температура ткани -- все это ускоряет диссоциацию оксигемоглобина. Все перечисленные факторы ведут к конформационным изменениям белковой части молекулы гемоглобина, в результате чего гемоглобин отдает О2. Влияние РСО2 на связь гемоглобина с О2 открыл отечественный ученый Б.Ф. Вериго в 1898 г. (эффект Вериго). Влияние рН на диссоциацию оксигемоглобина открыл датский физиолог Ч. Бор в 1904 г. (эффект Бора) (Дегтярев В.П., Будылина C.М., 2006).

Диссоциации оксигемоглобина также способствует 2,3-ди-фосфоглицерат -- промежуточный продукт, образующийся в эритроцитах при расщеплении глюкозы, особенно при гипоксии. Диссоциацию оксигемоглобина ускоряет АТФ (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

При повышении РСО2 и температуры, при снижении рН в тканях сродство гемоглобина к О2 понижается, процесс идет в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом (график образования -- диссоциации оксигемоглобина смещается вправо (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

При снижении РСО2, понижении температуры и сдвиге рН в щелочную сторону сродство гемоглобина к 02 повышается, процесс идет в сторону образования оксигемоглобина, график образования -- диссоциации оксигемоглобина смещается влево (Дегтярев В.П., Будылина С.М., 2006).

Одним из центральных понятий физиологии дыхания является понятие транспорт, или доставка кислорода -- D02-- скорость, с которой кислород доставляется к тканям. D02 является интегральным показателем и зависит от содержания кислорода в крови (СаС>2) и сердечного выброса (Q), так:

D02= CaO2 х Q

или

D02 = (1,34 х НЬ х Sa02 + 0,0031 х РаО2) х Q.

Нормальное значение DO2= ( 1,34 150 г/л-97%+ 0,0031 100 мм рт.ст.)х5 л/мин, т.е. около 1000 мл2/мин.

Заключительным этапом транспорта 02 является потребление его тканями (V02). Согласно правилу Фика, V02 рассчитывают как произведение сердечного выброса и артерновенозной разницы в содержании 02 (СаО2 -- CV02):

VO2= (CaO2-CVO2) Q

или

V О 2 = (1,3 4 Hb) (Sa02-SV02) Q,

где SV02 -- насыщение кислородом смешанной венозной крови.

Теоретически величина D02 является максимумом потребления ислорода V02. Однако на практике ткани не могут использовать весь доставленный кислород, и среднее V02 составляет около 250 мл/мин. Таким образом, в стабильном состоянии доставка 02 примерно в 4 раза превышает 02 Примерно 25 % 02 экстрагируется из артериальной крови тканями, и остальной О2 возвращается к сердцу в составе смешанной венозной крови. Если сатурация артериальной крови достигает примерно 100 %, то сатурация смешанной венозной крови (SV02) будет составлять 75--80 %. Когда коэффициент доставки 02 (отношение D02 / V02) становится менее 4:1, то для обеспечения аэробного метаболизма необходимо увеличение его периферической экстракции, увеличение разницы между содержанием 02 в артериальной и венозной крови (a-VD02) и снижение сатурации 02 в смешанной венозной крови (VS02). Тщательно проведенные лабораторные исследования показали, что не D02 зависит от V02 до тех пор, пока отношение DO2/V02 превышает 2:1. Когда коэффициент доставки 02 падает ниже этого критического уровня, проявляется «физиологическая» зависимость между DO2 и С02. Двухфазные соотношения между D02 и V02 существуют при любом стабильном у ровне V02 (Покровский В.М., Коротько Г. Ф., 2003).

1.2.4 Транспорт углекислого газа кровью

Углекислый газ, как и кислород, переносится плазмой и эритроцитами. В плазме крови содержится несколько больше 60 % всего С02, причем в основном в виде бикарбоната натрия (NaCO2, 340 мл/л), т.е., в виде химической связи, 45 мл/л С02 -- в физически растворенном состоянии и около 15 мл/л СО2 -- в виде Н2СО3. Всего в венозной крови содержится около 580 мл/л СО2. При том что РС02 ниже, чем Р02 количество физически растворенного СО2 в 15 раз больше. Это объясняется гораздо более высоким коэффициентом растворимости С02. Содержание СО2 в крови, как и 02, в физически растворенном состоянии относительно невелико, но это играет важную роль в жизнедеятельности организма. Для того чтобы связаться с теми или иными веществами, дыхательные газы сначала должны быть доставлены к ним в физически растворенном виде (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

В эритроците содержится свыше 30 % всего СО2, причем в основном в виде карбогемоглобнна (ННЬСО2, 55 мл/л) и бикарбоната калия (КНС02, 140 мл/л). Хотя в виде карбаминовой связи (ННЬС02) содержится только 55 мл/л СО2 (около 9 % от всего количества СО2 в венозной крови, которое составляет около 580 мл/л), это соединение обеспечивает выделение из организма до 30 % объема всего выделяемого через легкие СО2. Это связано с особенностями соединения HHbCO2 (Hb-NH-COOH) -- легко образуется в эритроцитах при прохождении крови через тканевые капилляры и легко диссоциирует, когда кровь проходит по капиллярам легких. Практически весь СО2, связанный с гемоглобином, покидает организм с выдыхаемым воздухом в результате газообмена в легких. Важно отмстить, что некоторое увеличение содержания СО2 в крови оказывает благоприятное влияние на организм: увеличивает кровоснабжение мозга и миокарда, стимулирует процессы биосинтеза и регенерацию поврежденных тканей. Углекислый газ, образуемый в организме, выделяется, в основном, через легкие (около 98 %), только 0,5 % -- через почки, около 2 % -- через кожу в виде НС02- бикарбонатов (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

Образование соединений С02 происходит во всех тканях организма. В результате окислительных процессов и образования С02 его напряжение в клетках достигает 60-70 мм рт. ст., «его значительно больше, чем в поступающей к тканям артериальной крови (40 мм рт. ст.). Поэтому С02. согласно градиенту напряжения, из клеток переходит в интерстиций и далее через стенку капилляров -- в кровь. Небольшая его часть остается в плазме в виде физического растворения. Образование соединений С02 ускоряется карбоангидразой, которая находится не в плазме крови, а в эритроцитах. Небольшое количество Н2СО (Н20+С02=Н2С0,) образуется также в плазме, но этот процесс идет очень медленно, так как в плазме крови нет фермента карбоангидразы, катализирующего образование Н2С03 (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

Углекислый газ, проникая в эритроцит, соединяется с водой и очень быстро образует угольную кислоту (процесс катализируется содержащейся в эритроците карбоангидразой примерно в 15 тыс. раз). В тканях с высокой концентрацией СО2 оксигемоглобин (КНЬО2) легко отдает кислород. В этом состоянии он теряет ионы калия и легко принимает от угольной кислоты ионы Н+ превращаясь в гемоглобиновую кислоту (ННЬ). В свою очередь ионы К+ связываются с ионами гидрокарбоната, образуя бикарбонат калия: КНЬ02 + Н2С03 ННЬ+ КНСО. +02 (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009)

Присоединяя ион Н+ гемоглобин действует как буферная система, поэтому большое количество Н2СО3 может переноситься к легким без значительного изменения рН внутренней среды организма. С02 связывается с гемоглобином путем непосредственного присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. При этом образуется так называемая карбаминовая связь: ННЬ + С02 - ННЬС02 (НЬ-МН-СООН -- карбогемоглобин, а точнее, карбаминогемоглобин). Основная масса ионов НС02-, образующихся в эритроцитах, выходит в плазму, взаимодействует там с Na+, образуя NaHCO2 (соединения находятся в диссоциированном состоянии Na- + HCO2). Выход HCO2 из эритроцитов компенсируется поступлением туда С1-. диффундирующего из плазмы. Ион HCO2- выходит из эритроцита согласно концентрационному градиенту, а С1- входит в эритроцит согласно электрическому градиенту (эритроцит внутри имеет положительный заряд). Часть ионов CI-, проникающих в эритроциты, соединяется с освобождающимися нонами калия, при диссоциации KHCO2 образуя КС1 (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

Угольная кислота и ионы НСО3- образуются также в лейкоцитах и тромбоцитах, поскольку карбоангидраза имеется и этих клетках. Однако их роль в транспорте СО2 невелика, так как они не содержат гемоглобина, их число значительно меньше, нежели эритроцитов, их размеры очень маленькие (тромбоциты имеют диаметр 2-3 мкм, эритроциты - 8 мкм). Небольшое количество СО2 (1-2%) переносится белками плазмы крови также в виде карбаминовых соединений (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

Диссоциация соединений СО2 происходит в легких. В первую очередь начинается выход в альвеолы физически растворенного СО2 из плазмы крови, поскольку РС02 в альвеолах (40 мм рт.ст.) ниже, чем в венозной крови(46 мм рт.ст.). Это ведет к уменьшению РС02 в крови. Причем присоединение кислорода к гемоглобину ведет к уменьшению сродства углекислого газа к гемоглобину и расщеплению карбогемоглобина (эффект Холдена). Хотя СО2 непрерывно образуется, а О2 потребляется, оптимальное их содержание в организме поддерживается с помощью надежных механизмов регуляции (Агаджанян Н.А., Смирнов В.М., 2009).

1.2.2 Механизмы вдоха и выдоха. Паттерн дыхания

У взрослого человека частота дыхания составляет примерно 16-18 дыхательных движений в минуту. Она зависит от интенсивности обменных процессов и газового состава крови.

Дыхательный цикл складывается из трех фаз:

1) фазы вдоха (продолжается примерно 0,9-4,7 с);

2) фазы выдоха (продолжается 1,2-6,0 с);

3) дыхательной паузы (непостоянный компонент).

Тип дыхания зависит от мышц, поэтому выделяют:

1) грудной. Осуществляется при участии межреберных мышц и мышц 1--3-го дыхательного промежутка, при вдохе обеспечивается хорошая вентиляция верхнего отдела легких, характерен для женщин и детей до 10 лет;

2) брюшной. Вдох происходит за счет сокращений диафрагмы; 3) смешанный. Наблюдается при равномерной работе всех дыхательных мышц.

При спокойном состоянии дыхание является активным процессом и состоит из активного вдоха и пассивного выдоха. Активный вдох начинается под влиянием импульсов, поступающих из дыхательного центра к ин-спираторным мышцам, вызывая их сокращение. В результате разности давлений воздух поступает в легкие. Пассивный выдох происходит после прекращения импульсов к мышцам, они расслабляются, и размеры грудной клетки уменьшаются. При увеличении частоты дыхания все фазы укорачиваются. Отрицательное внутриплевральное давление - это разность давлений между париетальным и висцеральным листками плевры. Оно всегда ниже атмосферного.

Эластическая тяга легких - сила, с которой ткань стремится к спаданию. Паттерн - совокупность временных и объемных характеристик дыхательного центра, таких как:

1) частота дыхания;

2) продолжительность дыхательного цикла;

3) дыхательный объем;

4) минутный объем;

5) максимальная вентиляция легких, резервный объем вдоха и выдоха;

6) жизненная емкость легких.

О функционировании аппарата внешнего дыхания можно судить по объему воздуха, поступающего в легкие в ходе одного дыхательного цикла. Объем воздуха, проникающего в легкие при максимальном вдохе, образует общую емкость легких. Она составляет примерно 4,5-6 л и состоит из жизненной емкости легких и остаточного объема.

Жизненная емкость легких - то количество воздуха, которое способен выдохнуть человек после глубокого вдоха.

Дыхательный объем - это то количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает в спокойном состоянии (http://www.nnre.ru/medicina/normalnaja_fiziologija).

Размещено на Allbest.ru