Объем легких и его измерение
Содержание
Объем легких и его измерение
К концу нормального спокойного выдоха система грудная клетка - легкое возвращается в присущее ей положение покоя. В норме при спокойном дыхании с каждым вдохом в легкие поступает около 0,5 л воздуха; этот объем называется экскурсирующим объемом покоя ООП). Этот объем может быть увеличен примерно на 3 л (До 5-7 литров, при выполнении спец. упражнений см. фридайвинг) при форсированном (максимальном) вдохе - резервный объем вдоха (РОВд). Точно так же выдыхаемый объем может быть увеличен на 1,7 л при форсированном (максимальном) выдохе - резервный объем выдоха (РОВыд). Резервные объемы вдоха и выдоха используются во время энергичной физической нагрузки и в других ситуациях, когда нормальный экскурсирующий объем недостаточен. Но даже после форсированного выдоха в легких остается 1,3 л воздуха, это остаточный объем (ОО).
Емкость легких представляет собой сумму отдельных легочных объемов.
- Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - это максимальный объем воздуха, который может попасть внутрь легких при вдохе и выйти из легких при выдохе, т. е. за один дыхательный цикл. Таким образом, ЖЕЛ = ЭОП + РОВд + РОВыд. Средний 20-летний мужчина ростом 1,80 м имеет ЖЕЛ примерно 5,3 л. С возрастом жизненная емкость легких уменьшается, а остаточный объем увеличивается (1,5 => 3 л).
- Общий объем легких (емкость легких - ОЕ) - это сумма ЖЕЛ и ОО, обычно от 6 до 7 л.
- Остаточная функциональная емкость легких (ОФЕЛ) - это сумма РОВыд и OO. Емкость вдоха - сумма ЭОП и РОВд. Все численные значения этих объемов относятся к физиологическим условиям организма (BTPS) (см. ниже).
Спирометрия
Эти легочные объемы и емкости (кроме ФОЕП, ОО) могут быть измерены методом спирометрии. Спирометр (А) обычно состоит из заполненного водой бака с плавающей емкостью (поплавок). Трубка соединяет воздушное пространство внутри спирометра с дыхательными путями тестируемого. На поплавке находится противовес. Положение поплавка показывает, как много воздуха находится в спирометре, который калибруется в единицах объема (LATPS, см. ниже). Поплавок спирометра поднимается, когда тестируемый дует в устройство (выдох), и опускается при вдохе (А).
Если спирометр оснащен записывающим устройством (спирографом), то с помощью полученных графиков можно измерить скорость общей вентиляции (VE), эластичность, потребление O2 (VO2), а также тестировать динамические функции легких.
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ)
Емкость легких сильно варьирует в зависимости от возраста, роста, физической конституции, пола и степени физической подготовленности. В норме ЖЕЛ составляет от 2,5 до 7 л. Для лучшей оценки результатов функциональных легочных тестов разработаны эмпирические формулы. Например, следующие формулы используются для вычисления области нормальных значений ЖЕЛ для европейцев:
мужчины: ЖЕЛ = 5,2 h- 0,O22а- 3,6 ± (0,58);
женщины: ЖЕЛ = 5,2 Л — 0,018э — 4,36 ± (0,42),
где h - рост в метрах, а - возраст в годах, в скобках дано стандартное отклонение. По причине широких рамок стандартного отклонения пациенты с нетяжелыми легочными заболеваниями могут быть упущены. В идеале пациентов с легочными заболеваниями следует диагностировать при помощи записи базисной линии и последующей регистрации отклонений от нее с течением времени.
Расчеты с объемами
Объем V газа (в л или м3, 1 м3 = 1ОО0 л) можно рассчитать, зная количество вещества газа n (в молях), абсолютную температуру Т (в кельвинах, К) и общее давление Р (в паскалях, Па) по уравнению идеального газа:
К = n • R • Т/Р, [5.2]
где Р- барометрическое давление (Рв) минус парциальное давление воды(PH2O) и R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж • К-1 • моль-1).
Обозначения, принятые при указании условий измерения объема
- STPD: Стандартные температура и давление, нулевая влажность (273 К, 101 кПа, PH2O = 0)
- ATPS: Температура и давление окружающей среды
Влажность равна давлению насыщенных водяных паров при данных условиях (Tamb, Рв, PH2O при Тamb)
- BTPS: Температура и давление тела, влажность равна давлению насыщенных водяных паров при данных условиях (310 К, Рв = 6,25 кПа)
Из этого следует, что:
VSTPD = n • R • 273/101 ОО0 [м3]
VATPS = n * R *Tamb/(PB-PH20) [м3]
VBTPS = n * R * 31О/(РB- 6250) [м3].
Например, VBTPS/VSTPD =1,17. Если VAJPS измеряется методом спирометрии при комнатной температуре (Tamb = 20 °С; PH20sat = 2,3 кПа) и Рв = 101 кПа, то VBTPS = 1,1 и VSTPD = 0,9 VATPS.
Мертвый объем, остаточный объем, сопротивление дыхательных путей Обмен газов в дыхательном тракте происходит в альвеолах. Только часть экскурсирующего объема (VT) достигает альвеол; она называется альвеолярным объемом (VA). Остальная часть поступающего объема воздуха не участвует в обмене газов и называется мертвым объемом (VD). Ротовые, носовые, фарингеальные полости, а также трахеи и бронхи вместе называются физиологическим мертвым объемом, или проводящей зоной дыхательных путей. Физиологический мертвый объем (примерно 0,15 л) эквивалентен функциональному мертвому объему, последний становится больше, чем физиологический мертвый объем, если газообмен не может происходить в части альвеол. Функции мертвого объема заключаются в том, чтобы проводить воздух в альвеолы, а также очищать, увлажнять и согревать вдыхаемый из окружающей среды воздух. Мертвый объем также является элементом голосового аппарата.
Уравнение Бора (А) может быть использовано для оценки размеров мертвого объема.
Происхождение: выдыхаемый экскурсирующий объем VT эквивалентен сумме IVA + VD (А, верхняя часть рисунка). Каждая из этих трех переменных содержит характеристическую долю СO2 (E- выдох, А - альвеола,I-вдох): FECO2 в Vт, FACO2, в VA, FICO2 в Vd. содержание СO2 на вдохе FIcO2 очень мало и поэтому этой величиной можно пренебречь. Произведение объема и долю СO2 дает объем СO2 в этом объеме. Объем СO2 в выдыхаемом воздухе (VT • FECO2) эквивалентен сумме объемов СO2 в двух других объемах VA и VD (А).
Таким образом, для того чтобы определить мертвый объем, нужно знать три величины: VT, FECO2 и FACO2-можно измерить с использованием спирометра, a FEСO2 и FAСO2 - с использованием стеклянной бюретки Банта или инфракрасного абсорбционного спектрометра. FECO2присутствует в последней выдыхаемой фракции VT, т. е. в альвеолярном газе. Эту величину можно измерить с использованием клапана Рана или подобных приспособлений.
Остаточная функциональная емкость легких (ОФЕЛ) - это количество воздуха, остающееся в легких в конце нормального спокойного выдоха, а остаточный объем (OO) - это объем, остающийся после форсированного максимального выдоха. При нормальном спокойном дыхании альвеол достигает около 0,35 л воздуха (VA) при каждом вдохе. Таким образом, в покое только около 12% ОФЕ (12% от 3 л) обновляется. По этой причине состав газов в альвеолярном объеме остается достаточно постоянным.
Измерение ОФЕ и ОО не может быть произведено при помощи спирометрии. Это можно сделать 120 непрямыми методами, например путем гелиевого разбавления (Б). Гелий (Не) - это практически нерастворимый инертный газ. Тестируемого человека инструктируют часто вдыхать и выдыхать в спирометр известный объем гелийсодержащей смеси газов (например, при содержании гелия FHeo = 0,1). Гелий равномерно распределяется в легких (VL) и спирометре (Б), и таким образом образуется раствор гелия в воздухе (FHex)< EHео). Поскольку общий объем гелия не изменяется, известный начальный объем гелия (VSp • FHeo) равен его конечному объему FНеx(VSp+VL). VL можно определить, если FHex в спирометре измеряли в конце теста (Б). VL —OO в том случае, если тест был начат после форсированного выдоха, и VL —ОФЕ, если тест был начат после нормального выдоха, т. е. из положения покоя легких и грудной клетки. Метод гелиевого разбавления применяют только в вентилируемых дыхательных путях.
С помощью плетизмографии можно определять инкапсулируемые объемы легких (например, объем кисты). Тестируемый помещается в воздухонепроницаемую камеру, и ему дают дышать через пневмотахограф (аппарат для записи скорости потока вдыхаемого воздуха). В то же время идет запись изменений давления воздуха во рту пациента и в камере (давление меняется, так как пациент дышит). Из этих измерений можно получить ОФЕ и ОО.
Такие измерения также могут быть использованы для определения сопротивления дыхательных путей, RL, которое определяется как отношение градиента давления между альвеолами и атмосферой к потоку воздуха в единицу времени. Сопротивление дыхательных путей в нормальных условиях очень низкое, особенно во время вдоха, когда (а) легкие расширяются [латеральная тракция дыхательных путей) и (б) повышается транспульмонарное давление, т. е. [РА- Ppl). Разность РА- Ppl представляет собой трансмуральное (пристеночное) давление дыхательных путей, которое, увеличиваясь, расширяет их. Сопротивление дыхательных путей может стать чрезмерно высоким, если дыхательные пути сужены из-за слизи, например при хронических обструктивных легочных заболеваниях, или при спазме соответствующих гладкомышечных тканей (например, при астме).
Доля, приходящаяся на остаточный объем (ОО) общей емкости легких (ОЕ) - клинически значимая величина. Обычно у здоровых людей она не более 0,25, а с возрастом увеличивается. Доля ОО повышается до 0,55 и более при патологическом увеличении альвеол, например, при эмфиземе легких. Таким образом, отношение ОО/0Е служит для грубой оценки серьезности таких заболеваний.
Кривая давление-объем, работа дыхания
Положение легких в покое (ПП) - это положение, когда система легкие-грудная клетка возвращается к концу нормального выдоха; при этом объем легких эквивалентен остаточной функциональной емкости легких (ОФЕ). На рисунке A-В его величина установлена на нулевом уровне [Vpulm = 0). ПП (А1) -это стабильное центральное положение, характеризующееся взаимной компенсацией двух пассивных сил; силы выдоха грудной клетки (СВГК) и сократительной силы легких (ССЛ). Когда мы вдыхаем и выдыхаем, система легкие-грудная клетка отклоняется от положения покоя; таким образом, при вдохе ССЛ > СВГК, при выдохе СВГК > ССЛ. Разница между СВГК и ССЛ, т. е. движущая сила (синяя стрелка на А2,3, 5,6) эквивалентна альвеолярному давлению (РA), если дыхательные пути закрыты (например, путем поворота запорного крана, как на рис. А1-3,5,6) после вдыхания известного объема воздуха (Vpulm > 0; А2) через спирометр или выдыхания в него [Vpulm < 0; АЗ). (В положении покоя СВГК = ССЛ и РA = 0.) Таким образом, связь между Vpulm и РA системе грудная клетка-легкие может быть описана зависимостью объема статического давления покоя (P-V) («статическое» означает, что измерения производятся на задержке дыхания, а «покоя» - что дыхательные мышцы расслаблены].
(При этом во время измерения надо учитывать сжатие или расширение объема Vpulm положительным или отрицательным давлением РA, А, темно-серые участки диаграммы.)
Наклон статической кривой P-V покоя, ΔVрulm/ΔРA, представляет собой (статическую) эластичность системы грудная клетка-легкие (Б). Наиболее крутая часть кривой (область наибольшей эластичности; примерно 1 л/кПа у взрослых) лежит между ПП и Vpulm = 1 л. Это нормальные дыхательные показатели. Кривая снижает свою крутизну, т. е. снижается эластичность, для преклонного возраста или при наличии легочного заболевания. В результате для поддержания того же зкскурсирующего объема требуются большие усилия.
Изложенное выше относится к эластичности грудной клетки и легких. Также возможно подсчитать отдельно эластичность с одной стороны легкого [ΔV/ΔPpl = 2 л/кПа) и одного легких (ΔV/Δ(PA - Ppl)] = 2 л/кПа), если известно легочное давление (Ppl).
По зависимости объем-давление во время максимального вдоха и выдоха можно также графически определить пикoвое давление вдоха и выдоха (А,красная и зеленая кривые). Из позиции выдоха, близкого к максимальному (Vpulm < 0; А7), может быть генерировано лишь очень незначительное давление, по сравнению с пиковым давлением примерно в 15 кПа («110 мм рт. ст.) при Vpulm »0 (прием Вальсальвы; А5). Аналогично, наибольшее отрицательное давление (подсасывание) (<= 10 кПа = 75 мм рт. ст.) может генерироваться из положения максимального выдоха (прием Мюллера; А6), но не из позиции вдоха (А4).
Динамическую кривую P-V получают во время дыхания (В). Результатом является петля, состоящая из противоположных кривых вдоха (красная] и выдоха (зеленая), разделяемых синей кривой положения покоя, поскольку при вдохе и выдохе должно быть преодолено сопротивление дыхательных путей (RL) (в основном в верхней и средней части дыхательных путей). Движущая сила - градиенты давления (АР) - также противоположны друг другу (при вдохе РA < 0, при выдохе РA > 0). Согласно закону Ома, ΔР = RL • скорость тока воздуха при дыхании (V). Таким образом, ΔР должно увеличиваться, если бронхиальные трубки узкие и/или если увеличивается скорость потока воздуха (В).
При астме радиус дыхательных путей (г) уменьшается, и для нормальной вентиляции требуется очень высокий градиент ΔР (PL = 1/r4!)- Во время выдоха высокое значение АР снижает транспульмонарное давление (РA - Ррl) и, таким образом, сжимает дыхательные пути (RL ↑)- Высокое значение PL приводит к снижению давления в дыхательных путях (Pgirway ↓) до тех пор, пока не будет достигнуто Pairway — Ррl < 0. В этот момент происходит коллапс дыхательных путей - динамическая компрессия дыхательных путей; часто это опасно для жизни-порочный круг: r↓ ⇨ΔР↑⇨ r ↓↓ ⇨ΔР↑↑
Работа дыхания. Закрашенные участки внутри петли (ARinsp и ARexp\ В) представляют Р-V-работу вдоха и выдоха по преодолению сопротивления потока. Заштрихованный участок (В) - это работа, необходимая для преодоления внутренней эластической силы легких и грудной клетки (Aelast). Работа вдоха определяется как ARinsp + Aelast. Мышцы, участвующие во вдохе, должны преодолеть эластическую силу, тогда как та же самая эластическая сила обеспечивает (пассивную) движущую силу для выдоха в покое; таким образом, работа выдоха ARinsp - Aelast. Если ARexp становится больше, чем Aelast, то выдох также требует мышечной энергии, например, во время форсированного дыхания, или если увеличивается RL.
