Показатели внешнего дыхания

Частота дыхания —количество вдохов и выдохов за единицу времени. Взрослый человек делает в среднем 15—17 дыхательных движений в минуту. Большое значение имеет тренировка. У тренированных людей дыхательные движения совершаются более медленно и составляют 6—8 дыханий в минуту. Так, у новорожденных ЧД зависит от ряда факторов. При стоянии ЧД больше, чем при сидении или лежании. Во время сна дыхание более редкое (приблизительно на ¹/₅).

При мышечной работе дыхание учащается в 2—3 раза, доходя при некоторых видах спортивных упражнений до 40—45 циклов в минуту и более. На частоту дыхания влияет температура окружающей среды, эмоции, умственная работа.

Глубина дыхания или дыхательный объем —количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании. Во время каждого дыхательного движения обменивается 300—800 мл воздуха, находящегося в легких. Дыхательный объем (ДО) падает с увеличением частоты дыхания.

Минутный объем дыхания — количество воздуха, которое проходит через легкие в минуту. Он определяется произведением величины вдыхаемого воздуха на число дыхательных движений за 1 мин: МОД = ДО х ЧД.

У взрослого человека МОД составляет 5—6 л. Возрастные изменения показателей внешнего дыхания представлены в табл. 27.

Табл. 27.Показатели внешнего дыхания (по: Хрипкова, 1990)

Дыхание новорожденного ребенка частое и поверхностное и подвержено значительным колебаниям. С возрастом происходит урежение частоты дыхания, увеличение дыхательного объема и легочной вентиляции. За счет большей частоты дыхания у детей значительно выше, чем у взрослых, минутный объем дыхания (в пересчете на 1 кг массы).

Вентиляция легких может меняться в зависимости от поведения ребенка. В первые месяцы жизни беспокойство, плач, крик увеличивают вентиляцию в 2—3 раза главным образом за счет увеличения глубины дыхания.

Мышечная работа повышает минутный объем дыхания пропорционально величине нагрузки. Чем старше дети, тем более интенсивную мышечную работу они могут выполнять и тем больше у них увеличивается вентиляция легких. Однако под влиянием тренировки одну и ту же работу можно выполнять при меньшем увеличении вентиляции легких. В то же время тренированные дети способны увеличить свой минутный объем дыхания при работе до более высокого уровня, чем их сверстники, не занимающиеся физическими упражнениями (цит. по: Маркосян, 1969). С возрастом эффект тренировки сказывается больше, и у подростков 14—15 лет тренировка вызывает столь же значительные сдвиги легочной вентиляции, как и у взрослых людей.

Жизненная емкость легких — наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) является важной функциональной характеристикой дыхания и слагается из дыхательного объема, резервного объема вдоха и резервного объема выдоха.

В покое дыхательный объем мал по сравнению с общим объемом воздуха в легких. Поэтому человек может как вдохнуть, так и выдохнуть большой дополнительный объем. Резервный объем вдоха (РО_вд) — количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после нормального вдоха и составляет 1500—2000 мл. Резервный объем выдоха (РО_выд) — количество воздуха, которое человек может дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха; его величина 1000—1500 мл.

Даже после самого глубокого выдоха в альвеолах и воздухоносных путях легких остается некоторое количество воздуха — это остаточный объем (ОО). Однако при спокойном дыхании в легких остается значительно больше воздуха, чем остаточный объем. Количество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха, называется функциональной остаточной емкостью (ФОЕ). Она состоит из остаточного объема легких и резервного объема выдоха.

Наибольшее количество воздуха, которое полностью заполняет легкие, называется общей емкостью легких (ОЕЛ). Она включает остаточный объем воздуха и жизненную емкость легких. Соотношение между объемами и емкостями легких представлено на рис. 8 (Атл., с. 169). Жизненная емкость меняется с возрастом (табл. 28). Так как измерение жизненной емкости легких требует активного и сознательного участия самого ребенка, то ее измеряют у детей с 4—5 лет.

К 16—17 годам жизненная емкость легких достигает величин, характерных для взрослого человека. Жизненная емкость легких является важным показателем физического развития.

Табл. 28. Средняя величина жизненной емкости легких, мл (по: Хрипкова, 1990)

С детского возраста и до 18—19 лет жизненная емкость легких увеличивается, с 18 до 35 лет она сохраняется на постоянном уровне, а после 40 уменьшается. Это связано со снижением эластичности легких и подвижности грудной клетки.

Жизненная емкость легких зависит от ряда факторов, в частности от длины тела, веса и пола. Для оценки ЖЕЛ рассчитывают должную величину с использованием специальных формул:

для мужчин:

ЖЕЛ_должн = [(рост, см ∙ 0,052)] — [(возраст, лет ∙ 0,022)] — 3,60;

для женщин:

ЖЕЛ_должн = [(рост, см ∙ 0,041)] — [(возраст, лет ∙ 0,018)] — 2,68;

для мальчиков 8—10 лет:

ЖЕЛ_должн = [(рост, см ∙ 0,052)] — [(возраст, лет ∙ 0,022)] — 4,6;

для мальчиков 13—16 лет:

ЖЕЛ_должн = [(рост, см ∙ 0,052)] — [(возраст, лет ∙ 0,022)] — 4,2

для девочек 8—16 лет:

ЖЕЛ_должн = [(рост, см ∙ 0,041)] — [(возраст, лет ∙ 0,018)] — 3,7

У женщин ЖЕЛ на 25% меньше, чем у мужчин; у людей тренированных она больше, чем у нетренированных. Особенно она велика при занятиях такими видами спорта, как плавание, бег, лыжи, гребля и т. д. Так, например, у гребцов она составляет 5 500 мл, у пловцов — 4 900 мл, гимнастов — 4 300 мл, футболистов — 4 200 мл, штангистов — около 4 000 мл. Для определения жизненной емкости легких используется прибор спирометр (метод спирометрии). Он состоит из сосуда с водой и помещенного в него вверх дном другого сосуда емкостью не менее 6 л, в котором находится воздух. Ко дну этого второго сосуда подведена система трубок. Через эти трубки испытуемый дышит, так что воздух в его легких и в сосуде составляет единую систему.

Газообмен

Содержание газов в альвеолах. Во время акта вдоха и выдоха человек постоянно вентилирует легкие, поддерживая в альвеолах газовый состав. Вдыхает человек атмосферный воздух с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%). В выдыхаемом воздухе содержится 16,3% кислорода, а углекислого — 4%. При вдохе из 450 мл вдыхаемого атмосферного воздуха в легкие попадает лишь около 300 мл, а приблизительно 150 мл остается в воздухоносных путях и в газообмене не участвует. При выдохе, который следует за вдохом, этот воздух выводится наружу неизменным, то есть не отличается по своему составу от атмосферного. Поэтому его называют воздухом мертвого,или вредного,пространства. Воздух, достигший легких, смешивается здесь с 3000 мл воздуха, уже находящегося в альвеолах. Газовая смесь в альвеолах, участвующая в газообмене, называется альвеолярным воздухом. Поступившая порция воздуха невелика по сравнению с объемом, к которому она добавляется, поэтому полное обновление всего находящегося в легких воздуха — процесс медленный и прерывистый. Обмен между атмосферным и альвеолярным воздухом незначительно сказывается на альвеолярном воздухе, и его состав практически остается постоянным, что видно из табл. 29.

Табл. 29. Состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха, в %

При сравнении состава альвеолярного воздуха с составом вдыхаемого и выдыхаемого видно, что одну пятую часть поступающего кислорода организм удерживает для своих нужд, в то время как количество СО₂ в выдыхаемом воздухе в 100 раз больше того количества, которое поступает в организм при вдохе. По сравнению с вдыхаемым воздухом он содержит меньше кислорода, но больше СО₂. Альвеолярный воздух вступает в тесный контакт с кровью, и от его состава зависит газовый состав артериальной крови.

У детей иной состав как выдыхаемого, так и альвеолярного воздуха: чем моложе дети, тем меньше у них процент углекислого газа и тем больше процент кислорода в выдыхаемом и альвеолярном воздухе, соответственно меньше процент использования кислорода (табл. 30). Следовательно, у детей низкая эффективность легочной вентиляции. Поэтому ребенку на один и тот же объем потребленного кислорода и выделяемого углекислого газа нужно больше вентилировать легкие, чем взрослым.

Табл. 30. Состав выдыхаемого и альвеолярного воздуха
(средние данные по: Шалков, 1957; сост. по: Маркосян, 1969)

Поскольку у маленьких детей дыхание частое и поверхностное, то большую долю дыхательного объема составляет объем «мертвого» пространства. В результате этого выдыхаемый воздух состоит в большей степени из атмосферного воздуха, и в нем меньше процент углекислого газа и процент использования кислорода из данного объема дыхания. Вследствие этого низка эффективность вентиляции у детей. Несмотря на повышенный, по сравнению со взрослыми процент кислорода в альвеолярном воздухе у детей не имеет существенного значения, так как для полного насыщения гемоглобина крови достаточно 14—15% кислорода в альвеолах. Больше кислорода, чем его связывается гемоглобином, в артериальную кровь перейти не может. Низкий уровень содержания углекислого газа в альвеолярном воздухе у детей свидетельствует о его более низком содержании в артериальной крови по сравнению со взрослыми.

Обмен газов в легких. Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух. Диффузия происходит вследствие разности парциального давления этих газов в альвеолярном воздухе и их насыщения в крови.

Парциальное давление — это часть общего давления, которое приходится на долю данного газа в газовой смеси. Парциальное давление кислорода в альвеолах (100 мм рт. ст.) значительно выше, чем напряжение О₂ в венозной крови, поступающей в капилляры легких (40 мм рт. ст.). Параметры парциального давления для СО₂ имеют обратное значение — 46 мм рт. ст. в начале легочных капилляров и 40 мм рт. ст. в альвеолах. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких приведены в табл. 31.

Табл. 31. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких, в мм рт. ст.

Эти градиенты (разность) давлений являются движущей силой диффузии О₂ и СО₂, то есть газообмена в легких.

Диффузионная способность легких для кислорода очень велика. Это обусловлено большим количеством альвеол (сотни миллионов), большой их газообменной поверхностью (около 100 м²), а также малой толщиной (около 1 мкм) альвеолярной мембраны. Диффузионная способность легких для кислорода у человека равна около 25 мл/мин в расчете на 1 мм рт. ст. Для углекислого газа вследствие его высокой растворимости в легочной мембране диффузионная способность в 24 раза выше.

Диффузия кислорода обеспечивается разностью парциальных давлений, равной около 60 мм рт. ст., а углекислого газа — всего лишь около 6 мм рт. ст. Времени на протекание крови через капилляры малого круга (около 0,8 с) достаточно для полного выравнивания парциального давления и напряжения газов: кислород растворяется в крови, а углекислый газ переходит в альвеолярный воздух. Переход углекислого газа в альвеолярный воздух при относительно небольшой разнице давлений объясняется высокой диффузионной способностью для этого газа (Атл., рис. 7, с. 168).

Таким образом, в легочных капиллярах совершается постоянный обмен: кислорода и углекислого газа. В результате этого обмена кровь насыщается кислородом и освобождается от углекислого газа.