Механика дыхания

Механика дыхания представляет собой функцию легких, которую легче всего определить и которая наиболее информативна на практике. Серьезное нару­шение функции легких почти всегда сопровождается снижением их вентиляторной способности.

Легкие и грудная клетка. Легкие эластичны по своей природе и, если их не поддерживать в расправленном состоянии, спадаются. Давление в них (альвеолярное давление) к концу вдоха или выдоха при открытой го­лосовой щели соответствует атмосферному, а вне легкого (внутриплевральное давление) меньше атмосферного, т. е. отрицательное. Это обес­печивает наполнение легких воздухом и обусловлено тем, что стенка грудной клетки, тоже эластичная, движется кнаружи, тогда как легкие склонны к спадению. При попадании воздуха в плевральное пространство и развитии пневмо­торакса легкие спадаются, а стенка грудной клетки перемещается кнаружи.

Дыхательные мышцы. Основной дыхательной мышцей служит диафрагма — тонкая куполообразная пластина, прикрепленная к нижним ребрам и позвоноч­нику. Иннервацию диафрагмы обеспечивает чревный нерв, ветви которого берут начало от III, IV и V сегментов спинного мозга. При сокращении диафрагмы органы брюшной полости перемещаются вниз и вперед, в результате чего вертикальный размер грудной полости увеличивается. Кроме того, края ребер поднимаются и выступают вперед, что способствует увеличению и поперечного ее диаметра.

В норме при спокойном дыхании купол диафрагмы опускается примерно на 1 см, но во время форсированного вдоха и выдоха — до 10 см. При параличе он во время вдоха смещается скорее вверх, чем вниз, из-за снижения внутригрудного давления. Это явление известно под названием парадоксаль­ного движения диафрагмы и выявляется при флюороскопии, когда врач просит больного вдыхать через нос.

Наружные межреберные мышцы соединяют ребра и имеют направление вниз и вперед. При их сокращении ребра перемещаются соответственно вниз и вперед, увеличивая как латеральный, так и переднезадний размер грудной клетки. Латеральный ее размер увеличивается и за счет весельных движений ребер. Иннервация данных мышц осуществляется межреберными нервами, вы­ходящими из спинного мозга на одном с чревным нервом уровне. Из-за высокой функциональной эффективности диафрагмы паралич только межреберных мышц существенным образом не влияет на процесс дыхания.

К вспомогательным дыхательным мышцам относят лестничную, поднимаю­щую первые два ребра, и грудиноключично-сосцевидную, поднимающую грудину. Во время спокойного дыхания эти мышцы либо малоактивны, либо совсем не участвуют в процессе дыхания, но при физической нагрузке они могут сокра­щаться очень интенсивно. К остальным мышцам, играющим минимальную роль в акте дыхания, относят m. alae nasi, сокращающие и расширяющие крылья носа, и мелкие мышцы головы и шеи.

Выдох при спокойном дыхании происходит пассивно. После активного рас­ширения во время вдоха легкие и стенка грудной клетки стремятся занять положение равновесия. При физической нагрузке и гипервентиляции выдох становится активным. К наиболее важным мышцам, обеспечивающим выдох, относятся прямая, косые и поперечная мышцы брюшной стенки. При их сокра­щении внутрибрюшное давление повышено, а диафрагма поднимается. Они сок­ращаются также при кашле, рвоте, дефекации.

Внутренние межреберные мышцы, опуская и втягивая внутрь ребра, помогают активному выдоху (действие, противоположное тому, которое оказывают наружные межреберные мышцы). В результате объем грудной полости умень­шается. Кроме того, они укрепляют межреберные пространства и предупреж­дают выпячивание стенки при физическом напряжении.

Болезни отрицательно влияют на работу дыхательных мышц. У больных, которым приходится затрачивать больше усилий на дыхание, диафрагма может утомляться, в результате чего вентиляция легких становится неадекватной, в них накапливается двуокись углерода. У некоторых больных усталость диафрагмы играет большую роль в развитии дыхательной недостаточности.

У некоторых новорожденных слабо скоординирована активность разных ды­хательных мышц, что может стать причиной синдрома внезапной смерти (см. гл. 215).

Растяжимость. Этот термин используют для обозначения эластических свойств легких и грудной стенки. В норме при снижении внутриплеврального давления на 1 см вод. ст. объем легких увеличивается примерно на 200 мл. В этом случае говорят, что растяжимость (податливость) легких составляет 200 мл/см вод. ст. В действительности эта цифра обозначает легочный объем в состоянии покоя. При больших объемах растяжимость легких уменьшается. Более полное представление об эластических свойствах легких получают при определении зависимости давление — объем во всем диапазоне легочных объемов^, в связи с чем специалисты многих лабораторий функциональной легочной диагностики предпочитают проводить именно его. Растяжимость грудной клетки у здорового человека примерно соответствует растяжимости легких. Следовательно, суммарная растяжимость легких и грудной клетки составляет около 100 мл/см вод. ст.

Растяжимость легких зависит от массы тканей, вовлеченной в дыхательный процесс. Например, при одном и том же изменении внутриплеврального давления одна доля легкого не будет изменяться в объеме в той мере, в какой изменяется целое легкое. В результате растяжимость иногда соотносят с объемом легких и называют удельной растяжимостью.

В норме эластичность легкого частично зависит от эластичности формирую­щих его тканей. Основными двумя их компонентами служат эластин и коллаген. Тот и другой находятся в стенках альвеол, вокруг сосудов и бронхов. Полагают, что эластические свойства легких обусловлены скорее не простым удлинением этих волокон, а их геометрическим строением. Аналогию можно провести с ней­лоновым чулком, который легко растягивается благодаря вязке, тогда как само по себе нейлоновое волокно растягивается с трудом. Изменения эластичности легких по мере взросления человека и при эмфиземе, по-видимому, обусловлены нарушением конфигурации эластических элементов ткани.

Другим важным компонентом, определяющим эластичность легких, служит поверхностное натяжение, создаваемое жидкостью, выстилающей внутреннюю по­верхность альвеол. Легкие можно рассматривать как орган, состоящий из 300 млн мельчайших пузырьков, стремящихся к спадению, подобно тому, как это происходит с мыльным пузырем на конце соломинки (пример явно упрощенный). Силы поверхностного натяжения направлены на сокращение поверхности пузырь­ка, а следовательно, и его объема, поэтому они играют роль в обеспечении эластических свойств легких. Однако некоторые клетки, выстилающие альвеолы, выделяют фосфолипид, уменьшающий поверхностное натяжение до крайне низ ких величин, особенно при небольших объемах легкого. Это вещество называют сурфактантом. Процесс уменьшения поверхностного натяжения имеет ог­ромное физиологическое значение, поскольку помогает поддерживать стабиль­ность альвеол и предотвращает образование ателектазов. У здорового человека примерно половина силы эластической отдачи легких представлена силами по­верхностного натяжения.

Точный состав легочного сурфактанта неизвестен, но важным его состав­ляющим служит дипалмитоилфосфатидилхлорин. Его секретируют альвеолярные клетки 2-го типа. При электронной микроскопии в клетках можно видеть осмиофильные пластинки, выступающие в полость альвеолы и превращающиеся в сурфактант. Некоторое количество сурфактанта можно «вымыть» из легкого с помощью изотонического раствора хлорида натрия. Сурфактант образуется на довольно поздних стадиях внутриутробного развития плода, поэтому у недоно­шенных людей его недостаточно, что обусловливает у них синдром дыхательной недостаточности (болезнь гиалиновых мембран).

Эластичность легких изменяется при многих болезнях. Она уменьшается при диффузном фиброзе легких, утолщении плевры, рубцевании туберкулезных очагов в результате лечения, ателектазах. При болезнях сердца (стеноз митраль­ного клапана, недостаточность левого желудочка) эластические свойства легких также снижаются, хотя часто бывает трудно четко установить, за счет чего уменьшен объем легочной вентиляции: в результате отека дыхательных путей или же нарушения эластичности ткани. При эмфиземе и у лиц пожилого возраста легкие становятся более растяжимыми и отличаются чрезмерно большим объемом при нормальном внутриплевральном давлении.

Динамической растяжимостью легких называют растяжимость в конце вдоха и выдоха. У здорового человека она соответствует статической растяжимости, о которой уже сообщалось. Однако при болезнях легких дина­мическая растяжимость становится меньше, потому что из-за увеличенного со­противления дыхательных путей некоторые отделы легкого к концу вдоха не заполняются полностью. Изменение динамической растяжимости может быть ис­пользовано для выявления повышенного сопротивления воздухоносных путей.

Сопротивление дыхательных путей. Выше были рассмотрены только статиче­ские силы, участвующие в процессе расширения легких. Однако во время вен­тиляции для продвижения воздуха по дыхательным путям необходимы дополни­тельные, направленные на преодоление сопротивления потоку силы. Сопротив­ление выражают как разницу давлений в альвеолах и полости рта на единицу скорости воздушного потока. В норме при спокойном дыхании сопротивление дыхательных путей составляет 1—2 см вод. ст. на 1 л/с. По мере повышения скорости воздушного потока сопротивление усиливается.

До последнего времени считали, что основным местом, где создается сопро­тивление потоку воздуха, служат мелкие воздухоносные пути. В настоящее время установлено, что основная часть сопротивления создается в бронхах среднего размера. На долю бронхиол диаметром менее 2 мм приходится 20% от об­щей величины сопротивления дыханию, что связано с очень большим числом мелких воздухоносных путей и большой общей площадью их поперечного сечения. В результате существенное увеличение сопротивления в бронхиолах установить обычными функциональными тестами невозможно, и они, как говорят, представ­ляют собой «зону молчания». Известны методы выявления изменений в мелких воздухоносных путях. Они включают в себя тест с однократным вдыханием азота, измерение закрытого объема и определение частотно зависимой растяжимости, т. е. явного уменьшения динамической растяжимости легких при учащенном дыхании. Имеют ли эти тесты преимущество в выявлении ранних нарушений воздухоносных путей перед измерением форсированного объема выдоха (см. раздел «Измерение механических свойств легких»), до сих пор не установлено.

На сопротивление дыхательных путей влияют многие факторы. Например, сопротивление выше на выдохе, чем на вдохе, к тому же оно выше при небольших объемах легких, так как воздухоносные пути при этом еще не открыты в доста­точной мере. Однократный глубокий вдох способствует уменьшению сопротивле­ния, но затяжка во время курения или вдыхание других раздражающих ве­ществ, напротив, увеличивает сопротивление посредством рефлекторного сокра­щения гладкой мускулатуры в результате раздражения их рецепторов.

Чрезмерно сопротивление дыхательных путей увеличивается во время фор­сированного выдоха. Причиной этого служит спадение воздухоносных путей, на­зываемое динамической компрессией. Объясняют его тем, что высо­кое внутриплевральное давление действует не только на альвеолы, в результате чего они опустошаются, но и на наружную стенку воздухоносных путей, рас­положенных в грудной полости. В результате давления дыхательных путей ско­рость воздушного потока на выдохе не зависит от респираторных усилий в большом диапазоне, поскольку чем они больше, тем более выражено спадение. У здорового человека этот феномен имеет место только при форсированном выдохе. У больных с хроническим бронхитом и эмфиземой подобное состояние возникает значительно чаще. Причиной этого служат заболевание и ослабление стенок дыхательных путей или потеря их опоры за счет радиальной тракции со стороны тканей, окружающих легкое. К тому же при увеличенной растяжи­мости легких, например при эмфиземе, уменьшается разница между альвеоляр­ным и внутриплевральным давлением, что обеспечивает выдох в условиях дина­мической компрессии.

Хронический бронхит и бронхиальная астма сопровождаются усилением со­противления дыхательных путей при спокойном дыхании. Оно может повыситься во много раз по сравнению с нормой и во время клинической ремиссии остается чрезмерно высоким. В этом случае объем легких увеличивается в возникают два компенсаторных механизма: воздухоносные пути открываются в большей степени, ограничивая увеличение сопротивления, а более высокое положительное давление эластической отдачи помогает выдоху.

Работа дыхания. Для того чтобы легкие и грудная клетка были подвижны, а воздух мог проходить по дыхательным путям, требуются работа и потребление дыхательными мышцами кислорода. У здорового человека, если он не выполняет тяжелой физической работы, работа, затрачиваемая на дыхание, невелика. Од­нако при обструктивной болезни легких сопротивление воздушному потоку в дыхательных путях велико даже в состоянии покоя, поэтому работа дыхания в этом случае может быть больше в 5—10 раз по сравнению с нормой. При этом затраты кислорода на работу дыхания составляют заметную часть от общей величины его потребления.

Больные, у которых растяжимость легких и грудной стенки уменьшена, за­трачивают на дыхание больше работы, поскольку более жесткие структуры труднее перемещаются. У больного появляется частое поверхностное дыхание, при котором уменьшаются затраты кислорода. Однако если дыхание становится слиш­ком поверхностным, воздух совершает только колебательное движение, в резуль­тате чего увеличивается анатомически мертвое пространство и нарушается газо­обмен. В итоге достигается некоторое равновесие.

Измерение механических свойств легких. Наиболее ценным методом функ­циональной диагностики легких служит анализ единичного форсированного вы­доха. Обследуемый делает полный вдох, а затем как можно сильнее и быстрее выдыхает воздух в облегченный спирометр. На рис. 200-2 представлены типичные кривые этого теста. У здорового человека общий объем выдоха значителен. Его называют жизненной емкостью легких, или форсированной жизнен­ной емкостью легких (ФЖЕЛ). Термин «форсированный» добавлен в связи с тем, что объем может быть меньше жизненной емкости при медленном выдохе. Около 80% этого объема обследуемый выдыхает в течение 1 с. Это количество воздуха называют форсированным объемом выдоха (фов₁). При обструктивной болезни легких, например при хроническом брон­хите и эмфиземе, ФЖЕЛ уменьшена в связи с тем, что до того, как больной сделает полный выдох, дыхательные пути закрываются, ограничивая выдох. Кроме того, ФОВ₁ заметно уменьшен, как и процентное отношение ФОВ/ФЖЕЛ. Причиной тому служит высокое сопротивление дыхательных путей, замедляющее скорость выдоха. При рестриктивном заболевании легких, на­пример при саркоидозе, ФЖЕЛ уменьшается из-за ограничения расширения легких или грудной стенки. Однако ФОВ1 редко уменьшается пропорционально ФЖЕЛ, потому что сопротивление дыхательных путей не изменено. Следова­тельно, процентное отношение ФОВ/ФЖЕЛ остается в норме или увеличено. Нормальные величины легочных объемов и результатов спирометрических тестов представлены в приложении.

На основании форсированного выдоха можно определить другие показатели вентиляторной функции легких. Одна из них — определение максимальной фор­сированной скорости потока воздуха в середине выдоха (ФСВ_25-75%). Ее получают, разделив значение объема воздуха, равного разнице между 75 и 25% ЖЕЛ, на соответствующее время (рис. 200-2). Этот показатель корре­лирует с фов₁, но, по-видимому, более чувствителен для определения закупорки воздухоносных путей на ранней стадии обструктивной болезни легких.

Нарушение функции легких нередко связано с уменьшением фов₁, поэтому его определение представляет собой ценный метод для скрининга. Оно полезно также для оценки эффективности лечения бронхолитиками и при наблюдении за больными, страдающими астмой или хроническим обструктивным процессом в легких.

Наряду с этим могут быть измерены и другие легочные объемы, а именно общая емкость легких (ОЕЛ), т. е. общий объем газа в легких, при полном вдохе, емкость вдоха, т.е. максимальный объем, который посту­пает в легкие при вдохе при спокойном дыхании. Его называют также функ­циональной остаточной емкостью легких (ФОЕЛ). Измеряют также максимальный объем выдоха на фоне спокойного дыхания, т. е. резерв­ный объем выдоха. После максимального выдоха в легких находится остаточный объем. Его и функциональную остаточную емкость легких можно определить только непрямым методом. Один из этих методов заключа­ется в следующем: обследуемый дышит в спирометр, подключенный к замкнутой дыхательной системе, содержащей гелий, измеряют степень разбавления послед­него после нескольких минут возвратного дыхания. Другой метод основан на применении плетизмографии (см. ниже).

При болезнях легких эти объемы меняются. При увеличении сопротивления дыхательных путей, например при эмфиземе, хроническом бронхите или астме, обычно увеличиваются ФОЕЛ и остаточный объем. Одно время увеличенный оста­точный объем считали типичным признаком эмфиземы, но в настоящее время ему уделяют меньшее внимание. Уменьшение ФОЕЛ и остаточного объема часто происходит у больных с ослабленной растяжимостью легких, например, при диффузном интерстициальном фиброзе. В этом случае легкие становятся более упругими и стремятся к исходному состоянию при значительно меньших объемах при спокойном дыхании.

Измерить растяжимость легких и сопротивление дыхательных путей зна­чительно сложнее. Для того чтобы определить растяжимость легких, т. е. вели­чину изменения легочного объема на единицу изменения давления, надо знать внутриплевральное давление. На практике его можно измерить с помощью не­большого латексного баллончика, введенного в пищевод и соединенного с мано­метром. Таким образом, давление в пищеводе будет отражать внутриплевральное. Для измерения сопротивления дыхательных путей, т. е. снижения давления по хо­ду дыхательных путей на единицу объемной скорости воздушного потока, необ­ходимо знать альвеолярное давление. Его определяют у обследуемого, нахо­дящегося в положении сидя в герметической камере (плетизмография). Вна­чале его просят дышать, преодолевая полную обструкцию дыхательных путей, и по изменению давления в камере на этот момент времени рассчитывают легочный объем. Затем его просят тяжело дышать и вновь регистрируют давление в камере. На основании полученных данных определяют альвеолярное давление и рассчитывают сопротивление дыхательных путей. Подобным образом оборудова­ны только специализированные центры.

Возраст человека значительно влияет на функцию легких. По мере взросле­ния уменьшаются ЖЕЛ и ФОВ и увеличиваются ФОЕЛ и закрытый объем. Кроме того, снижается эластическая упругость легких. Развивается определенная неоднородность распределения вентиляции и вентиляционно-перфузионных отно­шений.

С возрастом парциальное давление в артериальной крови снижается почти линейно, поэтому при интерпретации данных многочисленных функциональных легочных проб следует учитывать возраст обследуемого.

Нарушения кислотно-основного равновесия. При нарушении газообмена в легких может повышаться парциальное давление двуокиси углерода в артери­альной крови, что сопровождается снижением рН и респираторным ацидозом. Снижение Рсо₂ сопровождается респираторным алкалозом. Компенсаторные меха­низмы при этом обсуждаются в гл. 42.

Рис. 200-2. Объемы воздуха при форсированном выдохе (фов₁), форсированной жизненной емкости (ФЖЕ) и максимального потока в середине выдоха (ФСВ_25-75%).

Больной делает глубокий вдох, а затем глубокий и продолжительный выдох. Во время выдоха писчик смещается вниз. фов₁ представляет собой объем выдоха за 1 с, ФЖЕ — общий объем выдоха, ФСВ_25-75% — скорость потока воздуха, измеряемая в середине ФЖЕ. Они различны у здорового человека и у больных с обструктивными процессами.

Определение газового состава крови. Определение концентрации газов в крови имеет жизненно важное значение для лечения больных с дыхательной недостаточностью. Артериальную кровь можно получить путем прямой пунктуры, а парциальное давление в ней кислорода и двуокиси углерода, а также рН из­меряют с помощью электродов. Насыщение крови кислородом определяют с помо­щью спектрофотометрии.