Физиология и патофизиология дыхания

Структура и функции легких
Легкие это орган газообмена. Главное назначение их- обеспечение перехода кислорода в венозную кровь.
Легкие обладают и другими функциями – здесь происходит метаболизм некоторых веществ, фильтрация и удаление некоторых продуктов кровотока, а так же депонирование крови. Но главная функция легких – газобмен.
Перенос кислорода и углекислого газа происходит путем диффузии. Парциальное давление газа можно расчитать умножив его концентрацию в газовой смеси на общее давление этой смеси. Так концентрация 02 в сухом воздухе 20,93% на уровне моря (760 мм рт.ст.) составляет:
20,93% / 100 Х 760 = 159 мм рт. ст.

.
При прохождении через воздухоносные пути воздух увлажняется и нагревается и давление водяных паров составляет 47 мм рт. ст.
Следовательно общее давление «сухой» газовой смеси составляет:
760 – 47 = 713 мм рт. ст.
Следовательно р02 альвеолярного воздуха равно:
20,93% / 100 х 713 = 149 мм рт. ст.
Количество газа согласно закона Фика, перемещающегося через слой ткани ( в данном случае альвело-капиллярной мембраны ), прямо пропорционально его толщине.
Мельчайшие кровеносные сосуды (капилляры) оплетают громадное количество альвеол (мешочков). В легких их до 300 млн. Диаметр каждой составляет 1/3 мм. Общая площадь поверхности альвеол – 85 м2,общий объем 4 л.

Дыхательные пути и движение по ним воздуха
На рис. 1.4. представлена упрощенная схема воздухоносных путей по Вейбелю. Воздухоносные пути представляют последовательно разветвляющиеся трубочки. Помере погружения в легочную ткань они сужаются, укорачиваются и увеличиваются в числе. К проводящей зоне относятся пути )-16 порядка, а к дыхательным от 17 до 23 порядка.
Поскольку в проводящей системе нет альвеол, следовательно они не могут участвовать в газообмене. Их называют анатомическим мертвым пространством (Vt),
Уt = 150 мл.

Конечные бронхиолы (КБЛ) разветвляются на дыхательные бронхиолы, в стенках которых в виде выпячиваний появляются одиночные альвеолы, наконец от дыхательных альвеол отходят альвеолярные ходы со стенками, образованными исключительно альвеолами
Отделы легких, содержащие альвеолы и участвующие в газообмене называются дыхательной зоной.
Структуры, расположенные дистальнее образуют элементарную анатомическую единицу – первичную дольку или ацинус.
Растояние от кончной бронхиолы до самой дальней альвеолы составляет 5 мм. Однако на дыхательную зону приходится большая часть легких.Во время вдоха вдыхаемый воздух продвигается до конечных бронхиол. Общая площадь поперечного сечения сечения дыхательных путей возрастает (рис. 1.5)

Из-за резкого падения скорости движения воздуха в конечных бронхиолах часто оседают пылевые частицы. Благодаря упругим свойствам легкие после вдоха при спокойном дыхании спадаются и восстанавливается их прежний объем.
Легки хорошо растяжимы, чтобы увеличить объем их на 500 мл достаточно приложить давление менее 3 см. Давление, обеспечивающее продвижение воздуха через воздухоносные пути так же очень мало. Расход 1 л воздуха соответствует перепаду давления в них менее 2 см вод.ст.

Удаление пылевых частиц
Крупные частицы задерживаются через в носу, мелкие оседают в проводящих путях и удаляются восходящим током слизи к надгортаннику и проглатываются
Слизь вырабатывается слизистыми железами и бокаловидными клетками бронхов. Она оттекает благодаря ритмичным движениям тонких ресничек. В альвеолах ресничек нет и осаждаемые здесь частицы поглощаются макрофагами, затем через лимфатические сосуды удаляются. В защите легких от инородных тел участвуют так же и лейкоциты.

Стабильность альвеол
В легких содержится 300 млн пузырьков (альвеол), диаметр которых 0,3 мм. Этим структурам присуща нестабильность. Поверхостное натяжение жидкости, выстилающей альвеолы, создают значительные силы стемящиеся их сплющить. Однако этого не происходит, т.к. некоторые клетки альвеол продуцируют сурфоктант, который резко снижает поверхостное натяжение этой жидкости. Благодаря этому обстоятельству стабильность альвеол резко повышается.

Кровеносные сосуды
Ветви легочной артерии делятся до капилляров, затем вновь соединяются в легочные вены. Капилляры образуют на стенках альвеол густые сплетения, отдельные капилляры образуют в стенке альвеол непрерывный слой крови. Это очень выгодно для газообмена.
Сопротивление легочных сосудов удивительно мало, расход 6 л крови обеспечивается при среднем давлении 20 мм рт.ст.
Каждый эритроцит находится в капиллярной легочной сети ¾ с !!!

Альвеоло-капиллярное различие по кислороду
Рассмотрим процесс перехода 02 в кровь по легочному капилляру (рис. 3.3) Р02 в эритроцитах, поступающих в капилляр приблизительно 40 мм рт. ст. ( смешанная венозная кровь). В альвеолярном воздухе р02 ( по ту сторону мембраны) 103 мм рт.ст. Благодаря градиенту давления 63-60 мм рт.ст. кислород интенсивно диффундирует в кровь. И р02 в эритроцитах повышается ( до 80-100 мм рт.ст. В нормальных условиях на протяжении 1/3 временного пути р02 составляет около 90 мм рт.ст., т.е. поднимается до уровня нормы ( практически до уровня альвеолярного воздуха). Эритроцит контактирует с альвеолой всего ¾ сек.
Таким образом, альвеоло-капиллярное различие по р02 ничтожное!!! Иными словами резервы времени для диффузии 02 огромные.

Теперь рассмотрим ситуацию с тяжелой физической нагрузкой. В этом случае легочный кровоток возрастает, время прохождения эритроцитов через капилляры может уменьшиться в 3 раза. Следовательно сокращается время, отведенное для оксигенации. Но даже в этих условиях у здоровых людей, дышащих атмосферным воздухом, р02 в конечных отрезках капиллярной практически не снижается. Однако при патологических (РДС и другие заболевания легких) вследсвии значительного утолщения альвеоло-капиллярной мембраны скорость увеличения р02 снижается, уровень р02 в эритроците не уравнивается с уровнем р02альвеолярного воздуха ( рис.3.3.)
Следовательно у больных с утолщеним альвеоло-капиллярной мембраны при дыхани воздухом или смесью с низким содержанием 02 ( особенно при физической нагрузке) могут возникать условия для развития гипоксии.

Изменение парциального давления в легочных капиллярах
Известно, что диффузионная способность С02 раз больше 02. Казалось бы выделение С02 не должно сталкиваться с трудностями в диффузии. Эта точка зрения превалирует в литературе. Однако выяснилось, что связывание С02 кровью это трудный процесс. Он мало исследован. В последнее время выяснилось, что при нарушениях альвеоло-капиллярной мембраны парциальные давления С02 в конце легочных капилляров и в альвеолярном воздухе могут быть различными.

По закону Фика объем газа, диффундирующий за единицу времени, равен:
V = S / t x D ( P1 - P2 ), где
S и t - площадь и толщина слоя;
Р1 и Р2 – парциальные давления газа по обе стороны слоя;
D – константа диффузии для данного газа.

63-

в

Легочный кровоток и метаболизм
Легочное кровообращение начинается от ствола легочной артерии, в которую сбрасывается смешанная венозная кровь из правого желудочка. Ветви легочной артерии идут рядом с бронхами к центрам вторичных долек, вплоть до конечных бронхиол. После этого артерия распадается, образуя в стенках альвеол густую сеть капилляров, исключительно эффективную для газообмена. По сути дела это сплошной слой движущейся крови с отдельными островками, межкапиллярными участками тканей.
Оксигенированная кровь вытекает в мелкие легочные вены. Путем слияния венул образуются 4-е легочные вены

Между малым и большим кругами кровообращения существуют различия:
1. давление в системе легочной артерии очень низкое – среднее давление в легочном стволе – 15 мм рт.ст. ( в аорте – 100 мм рт.ст.);
АД сист. 20-30 мм рт.ст.
АД дист. 8-12 мм рт.ст.
АД пульсовое 12-15 мм рт.ст.;
2. давление в правом и левом предсердии соответственно 2 и 5 мм рт. ст. Следовательно разность между началом и концом системного кровообращения составляет 100 – 2 = 98 мм рт.ст., а легочного кровообращения (15-5) = 10 мм рт.ст. Таким образом, различие в 10 раз меньше !!!

3. Стенки легочной артерии очень тонкие, т.к. содержат небольшое количество мышечных волокон. В легкие должна поступать вся кровь, выбрасываемая правым желудочком. Задача правого сердца – обеспечение эффективного газообмена.
4. Давление в легочных капиллярах не известно. Основное падение давления происходит в легочных капиллярах. Кроме того давление в капиллярах в разных отделах легких варьирует в связи с гидростатическими факторами.
В системном же кровотоке основное падение давления происходит перед капиллярами.

Легочные капилляры практически окружены газовой средой. Альвеолы могут спадаться или расширяться в зависимости от давления внутри и снаружи их. При открытой голосовой щели и задержке дыхания наружное давление в альвеоле равно атмосферному. При некоторых условиях эффективное давление снаружи капилляров снижается за счет поверхностного натяжения жидкости, покрывающей альвеолы. Но, когда в альвеолах давление выше, чем внутри капилляров, то они спадаются.
Разность давлений между внутренней и наружной средой кровеносных сосудов часто называют трансмуральным давлением.

Давление в тканях, окружающих легочные вены и артерии может понижаться, то просвет крупных сосудов увеличивается под действием окружающей эластической тяги – легочной паренхимы, при этом эффективное давление в околососудистой ткани мало. Даже может быть меньше внутриплеврального давления.
Таким образом, сравнительно жесткая структура ( кровеносный сосуд, бронх) окружен быстрорасширяющейся эластической легочной паренхимой.
В любом случае при расширении легких просвет легочных артерий возрастает ( рис. 4.2.).

Сопротивлениие легочных сосудов
Сосудистое сопротивление = давление на входе - давление на выходе / кровоток. Перепад давления между легочной артерией (15 мм рт.ст.) и правым предсердием ( 5 мм рт.ст.) составляет 10 мм рт.ст., а в большом круге кровообращения 98 мм рт.ст.
СЛС = (15 - 5 ) / 6 = 1,7 ммрт.ст./л/ мин, где
15 мм рт.ст. – АДср. в легочной артении;
5 мм рт.ст. – давление в левом предсердии;
6 л/ мин – кровоток.

Низкое сопротивление в системе легочной артерии связано с отсутствием мощного гладкомышечного слоя в сосудах. Фактически это сопротивление, которое обусловлено только растеканием крови по обширной поверхности альвеол. Более того, при повышении внутрисосудистого давления оно становится еще ниже, чего нет в системном кровотоке (рис. 3.5)
Это объясняется 2-мя факторами:
1. с одной стороны, в норме часть легочных капилляров закрыты, эти сосуды раскрываются, что ведет к снижение сосудистого сопротивления. Этот механизм называется вовлечением.
2. с другой стороны, при высоком внутрисосудистом давлении происходит увеличение просвета или расширение отдельных капиллярных сегментов. Это главный механизм снижения сопротивления в малом круге при сравнительно высоком внутрисосудистом давлении

Два механизма снижения сопротивления легочных сосудов

Следующий фактор снижения сопротивления сосудов – объем легких. При расширении легких просвет внеальвеолярных сосудов расширяется. А сосудистое сопротивление уменьшается.
С другой стороны, в стенках сосудов содержится гладкомышечные и эластические волокна, которые препятствуют растяжению, т.е. стремятся уменьшить просвет. В этой ситуации при снижении объема легких сопротивление внутриальвеолярных сосудов возрастает (рис. 4.6.).
При спавшихся полностью легких тонус этих сосудов настолько велик, что для появления кровотока давление в самой легочной артерии должно возрастать на несколько мм. Это артериальное давление называется критическим давлением открытия.

Что касается объема легких, его влияния
на сопротивление капилляров, то оно зависит от внутиальвелярного и капиллярного давления. Если альвеолярное давление превышает капиллярное давление, то сосуды сдавливаются, сопротивление в них возрастает.
Кроме того сопротивление легочных сосудов при глубоком вдохе увеличивается из-за перерастяжения стенок альвеол.
Надо помнить, что на величину просвета легочных сосудов и, следовательно, на внутрисосудистое
сопротивление влияет выброс биологически-активных веществ при патологии ( серотонин, гистамин, норадреналин и др.). Их сосудосуживающее действие проявляется при РДС, т.е. при склонности к ателектазу.
Некоторые вещества, как ацетилхолин, изопротеренол вызывает расслабление гладких мышц легочных сосудов.

Легочный кровоток
Для определения легочного кровотока используют принцип Фика:
Минутное потребление 02 (V02 ) равно его количеству, поглощаемому за это время кровью легких. Следовательно:
V02 = Q ( Са02 - СV02 ), где
Са02 - концентрация 02 крови, оттекающей от легких;
СV02 - концентрация 02 крови, притекающей к легким.
Потребление 02 исследуют с помощью спирометра.

Кровоток
Принцип Фика:
Q = V / ( Ca02 - Cv02 )
Уравнение для расчета сопротивления легочных сосудов:
СЛС = (Рарт - Рвен ) / Q

В норме существует неравномерность легочного кровотока. Распределение легочного кровотока представлено на рис. 4.8. где видно, что кровоток линейно увеличивается в направлении от верхушек к основанию легких. Самые низкие значения кровотока в области верхушек.
На распределении легочного кровотока влияют:
1. изменение позы;
2. физическая нагрузка.
В положении лежа на спине – увеличивается в верхушках, в основаниях практически не меняется. Вертикальное различие практически исчезает. Кровоток в задних отделах выше, чем в передних.

При физической нагрузке различия могут сглаживаться!!! Неравномерность легочного кровотока объясняется различием гидростатического давления в кровеносных сосудах.
Если рассматривать легочную артерию как единый столб крови высотой 30 см вод.ст., то между вершиной и основанием столба возникает разница. А так как давление крови в малом круге очень мало, то такая разница будет существенной ( рис. 4.9.).
Условно легкие можно разделить на 4-е зоны:
В верхушках (зона 1) могут существовать зоны, где в легочных артериях давление ниже альвеолярного (последнее равно атмосферному). Капилляры здесь могут полностью спадаться и кровоток в них может быть невозможным, например при гиповолемии. Однако в норме такая ситуация вряд ли возможна,

т.к. давление в леочной артерии достаточно, чтобы «поднять» кровь до верхушек. Но все же подобная ситуация может возникать при следующих обстоятельвах:
- значительной кровопотере и снижении давления в легочной артерии;
- при ИВЛ в режиме ПДКВ. При этом вентилируемые но не кровоснабжаемые участки легких не участвуют в газообмене, образуют альвеолярное мертвое пространство. Все вышесказанное можно выразить следующей зависимостью:
PA > Pарт. > PVP

В средней части легких ( зона П) давление в артериях увеличивается под действием гидростатических сил и стабильно выше, чем альвеолярное давление, которое в свою очередь превышает венозное. В этой зоне будет такая зависимость: Рарт. > РА > Р vp
Такая зависимость приводит к определенной закономерности между давлением и кровотоком:
величина кровотока в зоне П определяется разностью между артериальным и альвеолярным давлением, а не как обычно разницей между артериальным и венозным давлением. Следует заметить, что венозное давление не влияет на кровоток, пока оно не превышает альвеолярное. Этот эффект называется эффектом шлюза или эффектом Старлинга. Когда давление в камере (т.е. альвеоле) становится выше, чем в дистальном отрезке трубки (т.е. капилляре), он спадается или коллабируется.

В нижней зоне (зона Ш) давление в легочных венах выше альвеолярного и величина кровотока, как и в обычных сосудах, определяется разницей между артериальным и венозным давлением. Здесь кровоток определяется следующей зависимостью:
Рарт. > PVP > P A
Возрастание кровотока обусловлено в основном расширением легочных капилляров. Давление в них соответсвует среднему между артериальным и венозным и возрастает к основанию легких, когда внешнее давление (т.е. альвеолярное) остается постоянным. Это приводитк повышению трансмурального давления. Было показано, что средний просвет капилляров увеличивается в средне- нижнем направлении.

При малом объеме легки ( недостаточном усилии вдоха при ОДН) формируется зона 1У. В данном случае приобретает большое значение сопротивление легочных сосудов, т.к. в этих условиях снижается регионарный кровоток в области оснований легких, где легочная паренхима расслаблена слабо. Причиной снижения регионарного кровотока является сужение внеальвеолярных сосудов при недостаточном расправлении легких. В этой зоне существуют те же отношения, что и в Ш зоне:
Рарт. > PVP > P A

Гипоксическая вазоконстрикция
Сосудистое сопротивление и распределение кровотока зависят главным образом от пассивных факторов. Однако при снижении р02 в альвеолярном воздухе
( ниже 70 мм рт.ст.) наблюдается интенсивная реакция -сокращение гладких мышц стенок артериол в гипоксической зоне. Была высказана гипотеза, что гипоксической зоне клетки выделяют сосудосуживающие вещества.
Гипоксическая вазоконстрикция зависит преимущественно от р02 в альвеолярном воздухе, а не в крови легочной артерии. Предполагают, что гипоксия сосудистой стенки возникает в результате диффузии 02 из нее в альвеолы.
Благодаря гипоксической вазоконстрикции уменьшается кровоснабжение плоховентилируемых участков легких, например при обструкции бронхиальных путей.

На высоте этой обструкции может наступить генерализованное сужение легочных сосудов, ведущее к повышению давления в легочной артерии и усилению работы правого сердца.
Однако гипоксическая вазоконстрикция важна при рождении. Во время внутриутробного периода сопротивление легочных сосудов очень велико. Через легкие проходит только около 15% сердечного выброса. Это обусловлено гипоксической вазоконстрикций. Но после первого вдоха в легкие поступает кислород. Обнаружены и другие реакции легочных сосудов: при низком рН сужение сосудов, особенно в условиях альвеолярной гипоксии; возбуждение симпатической НС повышает тонус легочных артерий с вазоконстрикцией.

Водный обмен
Согласно принятым представлениям Обмен жидкости через капиллярную стенку описывается законом Старлинга:
К [( Pc – Pi ) – a (Пс - Пi )], где,
К – константа, называемая коеффициентом фильтрации.
Онкотическое давление в капиллярах около 23 мм рт.ст.Гидростатическое давление примерно соответствует среднему между давлением в легочных артериях и венах.
Онкотическое давление интерстициальной жидкости неизвестно. В лимфе, оттекающей от легких, оно соответствует 20 мм рт.ст. Интерстициальное гидростатическое давление тоже неизвестно.

Возможно результирующее давление Старлинга направлено наружу, что приводит к медленному оттоку лимфы ( отток составляет 20 мл/ч.
Какова судьба, вышедшей из капилляров жидкости? На рис. 4.11 видно, что поступив в интерстиций альвеолярной стенки она оттекает по периваскулярным и перибронхиальным пространствам к лимфатическим узлам ворот легких. Здесь очень низкое давление и жидкость свободно оттекает по периваскулярным пространствам. На ранних стадиях отека легких переполняются именно периваскулярные и перибронхиальные пространства. Это интерстициальный отек легких.
На более поздних стадиях отека жидкость выходит через альвеолярный эпителий в альвеолы, заполняя их. Вентиляция этих альвеол прекращается, а кровь не оксигенируется !!!

Другие функции легочного кровообращения
Играют роль резервуара крови
Фильтрация крови. В них задерживаются и удаляются из кровообращения мелкие тромбы, которые могли бы попасть в сосуды мозга или другие жизненноважные органы.
Легкие задерживают большое количество лейкоцитов.

Метаболические функции легких
Легкие помимо дыхательной выполняют и метаболическую функцию. В них образуется или синтезируются такие вещества как:
Фосфолипиды – входят в состав сурфоктанта.
Синтез белков, участвующих в образовании коллагена и эластина легочной ткани.
Образуются протеазы, особенно при патологии легких, которые вызывают распад белков ткани легкого и образование эмфиземы легкого.
Обмен углеводов, в частности осуществляется выработка полимукосахаридов, входящего в состав бронхиальной слизи.

В легких происходит обмен многих веществ:
Активируется ангиотензин 1, который переходит в ангиотензин П
Многие вазоактивные вещества, проходя через легкие теряют свои свойства; так брадикинин инактивируется на 80%.
Серотонин – главное место инактивации, в легких он может накапливаться, а при анафилаксии он высвобождается.
Здесь находятся многие ферменты, которые инактивируют простагландиды Е1, Е2, F2a.
Норадреналин на 80% захватывается легкими.
Ода из особенностей метаболической функции легких состоит в том, что в нормальных условиях ( чаще всего без гипоксии) вазоактивные вещества здесь накапливаются, а при патологии – высвобождаются!!!

Это происходит: при анафилаксии, бронхиальной астме; в кровь высвобождается гистамин,брадикинин, простагландиды, медленнореагирующие субстанции аллергии и др. БАВ.
Легкие играют определенную роль в свертывании крови, как в норме, так и при патологии. В тучных клетках интерстиция содержится гепарин. Легкие поддерживают гемостатический потенциал крови.
Легкие играют роль в иммунном статусе – вырабатывается иммуноглобулин 1А, который выделяется в слизь и участвует в борьбе с инфекцией.

Вентиляционно-перфузионные отношения
Для эффективного газообмена должно быть соответствие вентиляции и кровотока в различных участках легких (V/Q). Нарушение этого соотношения – частая причина недостаточности газообмена при легочных заболеваниях. Чтобы понять это разберем два нарушения – гиповентиляцию и шунтирование. В обоих случаях возникает гипоксемия.
На рис.5.1 показан перенос О2 из атмосферы к митохондриям. Из представленного рисунка видно, что напряжение кислорода уменьшается приблизитльно на 1/3 и равно 100-103 мм рт.ст. Зависит это от двух причин:

Поглощения (поступления) в кровь легочных капилляров, с одной стороны;
Постоянного восполнения кислорода при альвеолярной вентиляции ( альвеолы вентилируются непостоянно, от вдоха к выдоху.
Скорость удаления 02 из легких зависит от потребления кислорода тканями. Однако следует подчеркнуть, что величина р02 в альвеоле в основном зависит от альвеолярной вентиляции. Однако главное звено в цепи переноса 02 являются легкие. Снижение р02 в артериальной крови приводит к уменьшению этого показателя в тканях.
Принято уровень альвеолярной вентиляции определять по рС02 артериальной крови.
рС02 = К х VC02 / VA, следовательно, если VA снижается вдвое, то рс02 удваивается.

Диффузия
На рис. 5.2. представлена схема переноса 02 из атмосферного воздуха до митохондрий. Обратите внимание на разницу между альвеолярным воздухом и дистальным концом легочного капилляра. Эта разница объясняется неполной диффузией кислорода. Она в норме чрезвычайно мала, но может существенно увеличиваться при вдыхании газовой смеси с низким р02.
Теперь обратите внимание на альвеоло-артериальное различие ( разницу) по 02 (А – аД02 ). Нормальное альвеоло-артериальное различие при физиологическом менее 5% сердечного выброса должно быть 6-4 мм рт.ст. При дыхании воздухом колебания А – аД02 у здоровых людей колеблется в пределах 5-20 мм рт.ст. Этот показатель повышается с возрастом.

С практической точки зрения у нормальных людей этой разницей пренебрегают и считают, что артериальное р02
равно альвеолярному.
Величина А – аД02 ( альвело-артериальную разница) –
этопоказатель эффективности деятельности легких по обеспечению организма кислородом. Эта величина зависит от анатомических и физиологических факторов.
Увеличение А – аД02 наблюдается в 3-х основных случаях:
1. При повышении парциального давления в альвеолярном воздухе, т.к. напряжение его в крови лимитировано особенностью кривой диссоциации Нв02, т.к. кислородная емкость уже исчерпана. В результате этого А – аД02 повышается.

2. В результате низкого отношения V/Q и истинного анатомического шунтирования. Эффект коллатерального пассажа крови при нарушении V/Q в венозное русло принято называть шунтом. Шунт бывает истинным или анатомическим. Иногда его называют патологическим ( врожденные пороки синего типа). Шунтирование может быть внутри легких и внутри сердца.
В норме имеет место истинный или физиологический шунт, который меньше 5% сердечного выброса. Возникает он не в связи поражением аппарата оксигенации крови, а врезультате нормальных вариантов отклонений V/Q, прежде всего в сторону гиперперфузии или гипервентиляции.

Выраженность такого примешивания может быть определена дачей 100% кислорода. Если имеет место небольшое Ра02 при дыхании чистым кислородом, то такую гипоксемию следует рассматривать как за счет истинного шунта. При развитии 50% шунта при дыхании 100% кислородом может и не наблюдаться увеличение Ра02.
Дыхание 100% 02 – очень чувствительная проба на наличие шунтов, когда р02 вдыхаемого воздуха очень высоко, то небольшое снижение концентрации кислорода в крови может быть причиной значительного снижения р02. Это объясняется тем, что как видно на рис. 5.4 сатурационная кривая р02 в области высоких значений р02 практически горизонтальна.
Следует заметить, что наличие шунтов не приводит к повышению рС02 и связано это с высокой чувствительность хеморецепторов (центральны) к малейшему повышению рС02 артериальной крови.

3. Влияние остаточной венозной оксигенации на альвеоло-артериальную разницу.
Остаточная венозная оксигенацию может быть различной: нормальной и низкой.
Низная венозная оксигенация бывает при:
а) низком сердечном выбросе
б) высоком тканевом метаболизме.
И так шунты –это одна из причин, что р02 в артериальной крови меньше, чем в альвеолярном воздухе. Под шунтами принято понимать сосуды, несущие в артериальное русло кровь в обход вентилируемых участков. В норме шунтами являются: 1. бронхиальные артерии, кровь из них отдает 02 и поступает в легочные вены; 2.тебезиевы вены, по ним сбрасывается небольшое количество крови из коронарного русла в левый желудочек.

Напомним, что пока мы рассмотрели 3 причины гипоксемии:
гиповентиляцию;
нарушение диффузии;
Наличие шунтов.
Однако существует еще один 4-й механизм ее возникновения- неравномерность вентиляционно-перфузионных отношений. Все дело в том, что если вентиляция и кровоток в разных участках легких не соответсвуют друг другу, то нарушается перенос как кислорода, так С02 !!! На рис. 5.5. представлена модель единицы легких, в которой поглощение 02 иллюстрируется растворением в воде краски. Совершенно ясно, что концентрация краски в оттекающей воде (крови) зависит от скорости поступления порошка и скорости тока жидкости.

На рис. 5.7. показано влияние V/Q отношений на р02 и рС02 при нормальном, пониженном и повышенном соотношении вентиляции и кровотока.
Показано, что при изменении вентиляционно-перфузионного коэффициента парциальные давления газов в легочное единице приближаются к свойствам либо для смешанной венозной крови, либо для вдыхаемого газа.

Регионарный газообмен в легки
Как было показано выше в вертикальной позиции в направлении от верхушек к основаниям вентиляция постепенно увеличивается, но в гораздо большей степени увеличивается кровоток. Следовательно в области верхушек вентиляционно-перфузионный коэффициент будет выше нормального, а у оснований ниже нормального ( рис. 5.8.).
Из всего сказанного важно подчеркнуть, что когда нарушена равномерность V/Q, легкие не в состоянии обеспечивать нормальные газобменные функции

Неравномерность V/Q отношений как
причина задержки С02
Если предположить, что V/Q отношение нарушено, что произойдет с газообменом? Оказывается в этом случае одновременно снизится поглощение 02 и выделение С02. Таким образом это чистое нарушение приведет одновременно к гипоксемии и гиперкапнии.
Однако рС02 при явной неравномерности V/Q отношений часто остается нормальной. Связано это с раздражением хеморецепторов С02, что стимулирует дыхание. В результате этого вентиляция усиливается, что приводит к восстановлению нормального рС02. Однако эта «норма» поддерживается за счет высокой альвеолярной вентиляции. Такую избыточною вентиляцию в литературе называют «холостой».

Перенос газов к тканям
Кислород переносится с кровью в растворенном состоянии в соединении с Нв. Количество растворенного 02 подчиняется закону Генри: количество газа, растворенного в жидкости пропорционально его парциальному давлению.
При р02=1 мм рт.ст. в 100 мл крови растворено 0,003 мл 02 (т.е. 0,003 об%). Таким образом при 100 мм рт. ст. содержание кислорода составляет 0,3 об%. Понятно, что физически растворенный кислород не может обеспечить потребности организма. Это возможно только при участии Нв.

Гемоглобин
Гем – железосодержащее производное порфирина, в молекуле Нв Гем соединен с белком глобином, состоящим из 4-х поливалентных цепей (2-х альфа и 2-х бэта цепей).
У человека существует несколько типов Нв:
Гемоглобин А существует в норме у взрослых.
Гемоглобин F – фетальный, существует до 1 года.
Гемоглобин S, у которого один остаток в бэта цепи заменен остатком валина. Это ведет в смещению сатурационной кривой кислорода в низ и вправо. Дезоксигенированная форма Нв плохо растворима и образует внутри эритроцитов кристаллы с образованием хрупких серповидных клеток с тенденцией образования тромбов.

Двухвалентный ион железа в НвА может окисляться до 3-х валентного под действием различных химических соединений (нитриты, суфаниламиды, ацетанилин).
Сатурационная кривая кислорода
Соединение с 02 с Нв – хорошо диссоциированное соединение: 02 + Нв ==== Нв02
На рис. 6.2 представлена сатурационная кривая (кривая диссоциации Нв). Видно, что количество Нв02 быстро возрастает, затем когда р02 достигает 50 мм рт. ст. становится гораздо положе.
Максимальное количество кислорода, соединенное с Нв, называется кислородной емкостью крови.

Эта величина находится при обработке крови газом с очень высоким р02 (р02 = 600 мм рт. ст.). Исследуют общее количество 02 в крови и вычитая физически растворенный 02, находят кислородную емкость крови.
Один (1 г Нв) может связать 1,34 мл 02 ( от 1.34 до 1.39 мл/г).
Насыщение крови кислородом расчитывается по формуле:
Нв02% = 02, связанный с Нв/ кислор.емкость х 100
При р02 100 мм рт.ст. Нв02 арт. крови =97,5%
Венозная кровь при р02 40 мм рт.ст. насыщена до 75%.

Ход сатурационной кривой имеет большое физиологическое значение:
Горизонтальный участок показывает, что даже при снижении р02 в альвеолярном воздухе, количество кислорода в крови уменьшиться незначительно.
Крутой нижний участок кривой показывает, что при переходе большого количества кислорода р02 в крови капилляров может меняться весьма незначительно. Такое поддержание относительного постоянства р02 в крови способствует диффузии кислорода в ткани.
Восстановленный Нв имеет синюшно-багровый цвет, поэтому при низком насыщении артериальной крови возникает цианоз. Он может быть выраженным при полицитемии, его может не быть при анемии.

Сатурационная кривая сдвигается под влиянием рН рС02, тепературы, концентрации 2,3 дифосфоглицерата в эритроцитах.
сатурационная кривая смещается в право при:
снижении рН;
повышении рС02;
увеличении температуры.
При обратном изменении параметров сатурационная кривая смещается в лево.
Сдвиг кривой вправо означает высвобождение большого количества кислорода в тканевых капиллярах при данном значении р02.
На сатурационную кривую влияет состав среды, окружающий Нв в эритроцитах. Кривая смещается вправо при увеличении концентраци 2,3

дифосфоглицерата в эритроцитах –конечного продукта метаболизма красных кровяных телец. (долговременная гипоксия, хронические легочные заболевания, пребывание на высоте). Это ведет к интенсивному переходу 02 из крови в ткани.
Кислородопереносящая функция крови может нарушаться, когда Нв соединяется с С0 (угарным газом) с образованием карбоксигемоглобина (НвС0). Сродство С0 с Нв в 240 раз выше, чем у кислорода.Так при рС0=0,16 мм рт.ст. 75% Нв соединяется с С0, образуя НвС0. При этом насыщение крови кислородом будет нормальным (100%,рис. ), однако содержание 02 резко падает. Сатурационная кривая сдвигается влево.

Транспорт углекислого газа
С02 переносится кровью:
в физически растворенном виде;
в составе бикарбонатов;
в соединении с белками (кабаминовые соединения, точнее карбаминогемоглобина).
Растворимость С02 в 20 раз выше, чем у кислорода. На долю растворенного С02 приходится 20% углекислого газа, переходящего из крови в легкие.
Реакция образования бикарбонатов следующая:
С02 + Н20 === Н + НС03
Первая реация течет в плазме очень медленно и быстро в эритроцитах, поскольку в клетках содержится фермент кабрбоангидраза (к.а.).

Вторая реакция – диссоциация углекислоты идет быстро и не требует ферментов. Когда содержание ионов НСО3- повышается они диффундируют из эритроцитов в кровь. Однако водородные ионы не могут следовать за ними, т.к. мембраны эритроцитов сравнительно непроницаемы для катионов. В этой связи для поддержания электронейтральности в эритроцит входят ионы хлора ( так называемый хлоридный сдвиг, рис6.4.).
Высвобождающиеся ионы C1- связываются с Нв:
Н+ + Нв02 ==== ННв + 02
Присутствие восстановленного Нв в венозной крови способствуют связыванию С02, тогда как его окисление в легочных капиллярах облегчает отдачу С02. Увеличение сродства крови к С02 при ее дезоксигенации часто называют эффектом Холдена.

Процесс связывания С02 кровью приводит к увеличению осмотического давления в эритроцитах, вследствие чего в них входит вода. Эритроциты набухают. Когда эритроциты проходят легочные капилляры их объем несколько уменьшается.
Карбаминовые соединения образуются в результате связывания С02 с конечными амногруппами белков крови, важнейшим из которых глобин в составе Нв:
НвNH2 + C02 ==== НвNHC00H
При этом образуется караминогемоглобин. Восстановленный Нв обладает большим сродством к С02, чем Нв02. Таким образом, дезоксигенация Нв в тканевых капиллярах облегчает поглощение С02, а соединение Нв с 02 способствует выдклкнию С02 легкими.

Упругие свойства легких, растяжимость легких
На рис. 7.3. представлена имитационная модель легких, помещенных в банку. Если давление в банке меньше атмосферного, то легкие расправляются, а изменения объема можно исследовать с помощью спирометра. Этим способом можно построить кривую «объем-давление».
Как видно из представленных данных, кривые «дав-
ление – объем» при раздувании и спадении разные. Объем спадающихся легких больше, чем во время раздувания. Как этот феномен объяснить?
Если давление снаружи больше атмосферного, из легких выходит незначительное количество воздуха, т.к. мелкие водухоносные пути спадаются, задерживая его в альвеолах. С возрастом, а так же при некоторых легочных заболеваниях такое закрытие дыхательных путей происходит при большем объеме легких.

Если давление в воздухоносных путях и альвеолах равно атмосферному, на оси абсцисс это соответвует точке «0». Таким образом, по данной оси отложена разница давлений внутри и снаружи легких. Это давление называется трансмуральным давлением. И равно давлению вокруг легких, если давление в альвеолах равноа тмосферному ( точнее трансмуральное давление будет равно давлению вокруг легких со знаком минус.
Кривую давление – объем для легких можно получить нагнетая в них под положительным давлением воздух, как при ИВЛ. В этом случае по оси абсцисс будет отложено положительное давление в воздухоносных путях.

Упругие свойства грудной клетки
Упругостью ( или эластичностью) обладают легкие и грудная клетка. Это хорошо показано на рис. 7.10.
Если в плевральную полость попадает воздух, то давление в ней становится атмосферным, легкие спадаются, а грудная клетка выправляется. Это говорит о том, что грудная клетка стянута, а легкие растянуты. Действующие на них силы уравновешивают друг друга.
При естественном или искусственном вдохе перемещению наружного воздуха в альвеолы противодействует эластическое и неэластическое сопротивление. Для преодоления этих сил необходимо приложить определенную силу или точнее создать разность давления во рту и альвеолах или приложить определенное давление (силу) для вдувания в легкие определенного объема воздуха. Величина этого давления (силы) зависит от эластических свойств грудной клетки и легких, называемых в литературе «податливость системы легки- грудная клетка».

Механика дыхания
Термин «Растяжимость» выражает зависимость между объемом и давлением газа, введенного в альвеолы или «Растяжимость» - это способность к изменению объема на единицу изменения давления:
С = V / P мл / см вод. ст., где
С – растяжимость
V - объем газа, введенного в легкие
Общая растяжимость системы «легкие-грудная клетка» состоит из 2-х компонетов:
1. растяжимости легких; 2. и грудной клетки

Величина общей растяжимости зависит:
- от эластичности легких и грудной клетки
- объема крови в сосудах легких
- тонуса грудных и брюшных мышц
- бронхиального тонуса
В норме общая растяжимость равна 80-150 мл/ см вод. ст.
Общая растяжимость у новорожденных составляет от 3-6 мл / см вод. ст.
У новорожденных с РДС податливость легких существенно уменьшается и находится в пределах 0,5-1 мл / см вод. ст.
В этой связи для сохранения нормального дыхательного объема необходимо повысить давление в дыхательных путях. А это увеличивает среднее внутрилегочное давление.

Растяжимость возрастает при эмфиземе легких и это связано с изменением эластических свойств самого лего.
Растяжимость зависит от размеров легкого, у человека больше, чем у кролика. Иногда для сранения используют понятие « удельная растяжимость».
Зададимся вопросом какие силы обеспечивают эластичность легких?
Это: 1. эластин, коллаген в альвеолах, сосудах и бронхах;
2. поверхностное натяжение, обусловливащее особенности кривых «объем – давление».
Поверхностное натяжение – это сила, действующая в поперечном направлении на воображаемый отрезок длиной 1 см на поверхности жидкости.

Это обусловлено тем, что межмолекулярное сцепление внутри жидкости сильнее, чем на границе его с газом. Поэтому поверхность жидкости становится меньше. Примером этого может служить образование мыльного пузыря. Его стенки стремятся максимально сократиться. Поверхностное наряжение внутри альвеолы создает определенное давление, которое по закону Лапласа равно:
Р = 2 Q / r , где
Р – давление внутри альвеолы;
Q – поверхностное натяжение;
r - радиус ( альвеолы).
Поскоку альвеола имеет одну внутреннюю стенку в числителе стоит цифра 2, а не 4.

Нергард впервые установил, что силы поверхностного натяжения имеют большое значение для растяжимости легких. Он обнаружил, что легкие, заполненные водой растянуть гораздо легче, чем когда в них находится воздух. Солевой раствор снижает поверхностное натяжение (Q ).
Сейчас известно, что некоторые клетки альвеол вырабатывают секрет, значительно снижающий поверхностное натяжение. В состав секрета входит полимукосахарид, который синтезируется их жирных кислот. Синтез и замена сурфоктанта происходит очень быстро. Однако при нарушении регионарного кровотока и воспалительных процессах запасы его могут истощаться. Сурфоктант образуется на поздних стадиях эмбрионального развития, поэтому у недоношенных детей част о развивается РДСН.

Механизмы действия сурфоктанта
Молекула его с одного конца гидрофобна, а с другого конца – гидрофильна. В этой связи они образуют тонкий слой на поверхности воды. Действующие между ними силы межмолекулярного отталкивания противодействуют силам притяжения между молекулами воды, обусловливающие поверхностное натяжение.
Какова физиологическая роль сурфоктанта?
1. Во-первых, благодаря низкому поверхностному натяжению в альвеолах увеличивается растяжимость легких, уменьшается работа дыхания («цена дыхания»).
2. Во- вторых. Обеспечивается стабильность альвеол.
В структурах подобных легким, мелкие пузырьки (альвеолы) стараются перекачать воздух в гораздо более крупные альвеолы.

В пузырьках давление, создаваемое силами поверхностного натяжения,обратно пропорционально радиусу:
Р = 4Q / r
Поэтому при одинаковом поверхностном натяжении в мелких пузырьках давление будет больше, чем в крупных. Однако сурфоктант придает ту особенность, что поверхностное натяжение уменьшается с уменьшением площади поверхности. В результате перекачивание из мелких в крупные альвеолы снижается!!!
3. В третьих, сурфоктан способствует тому, что поверхность альвеол становится «сухой». Известно, что силы поверхностного натяжения вызывают не только спадение альвеол, но и « засасывание» жидкости из капилляров. А сурфоктант уменьшает эти силы и тем самым препятсвует образованию трансудата.

Последствия недостатка сурфоктанта:
Легкие были бы более «жесткими», т.е. менее растяжимы.
В них образуются участки ателектаза, а в альвеолы пропотевает жидкость.
Описан еще один механизм стабильности альвеол –взаимозависимость.
Большинство альвеол, за исключением тех, которые прилежат к плевре, окружены другими альвеолами и поддерживают друг друга. В подобных структурах со множественными связями стремление одной группы альвеол уменьшить или увеличить свой объем встречает противодействие. Взаимозависимость играет огромную роль в предупреждении ателектаза и в расправлении спавшихся участков легких. Возможно она играет большую роль чем сурфоктант.

Неэластическое сопротивление - это сопротивление, возникающее при движении газов по дыхательным путям. Главным образом от сопротивления току газов вследстивиее трения воздушной струи о стенки дыхательных путей (аэродинамическое сопротивление - 80%).
10-20% приходится на тканевое или вязкостное сопротивление, связанное с перемещением тканей легких в грудной полости. Его величина прямо пропорциональна величине ДО. Доля его возрастает при увеличении ДО.
Незначительную часть составляет инерционное сопротивление -1-2 %.Инерционное сопротивление
может значительно увеличивается при ВЧ ИВЛ.

Сопротивление воздухоносных путей
Воздух проходит по воздухоносным путям, если между началом и концом ( альвеола) существует перепад давления. От величины перепада давления зависит скорость и величина воздушного потока.
Поток может быть ламинарным, при котором линии течения в трубе параллельны. При возрастании скорости потока или при повышении давления в трубе могут возникать завихрения. Такой поток называется турбулентным.
Большую роль в ламинарном потоке играет радиус трубки, когда он уменьшается в 2 раза, то сопротивление потоку увеличивается в 16 раз. Здесь большую роль играет вязкость, а не плотность газа. При ламинарном потоке в центре струи частицы движутся в 2 раз быстрее.

Особенности турбулентного потока совершенно иные !!!
Профили скорости с максимальным движением в центре струи не характерны. Кроме того, вязкость здесь не играет роли, зато повышение плотности увеличивает перепад давлений. Поток будет ламинарным или турбулентным зависит от числа Рейнольдса. В прямых трубках турбулентность возможна при числе более 2000.

В дыхательных путях, если создаются где либо завихрения, поток тянет его дальше, они исчезают на определенном расстоянии. Поскольку бронхиальное дерево ветвится, можно полагать, что истинный ламинарный поток возникает лишь в самых мелких воздухоносных путях, где число Рейнольдса очень мало.
Сопротивлени е воздухоносных путей составляет 80% от неэластического сопротивления. Его можно расчитать разделив разность давлений во рту и альвеолах на расход воздуха, т.е. на скорость потока.

В ротовой области давление расчитывается с помощью манометра, а в альвеолах – сопротивление дыхательных путей здорового человека составляет 2 см вод.ст./л/с. На рис. 7.13. приведены кривые изменения внутриплеврального давления, альвеолярного давления во время спокойного дыхания. Видно, что перед началом вдоха внутриплевральное давление -5 см вод.ст. Это обусловлено эластической тягой легких. Внутриальвеолярное давление равно нулю (0), т.к. перепада давления в дыхательных путях нет.
Для вдоха нужно понизить внутриальвеолярное давление, создав « движущую разность давлений» !!! Степень этого понижения зависит от расхода воздуха и сопротивления воздухоносных путей. У здоровых людей внутриальвеолярное давление уменьшается на 1 см вод.ст. У больных с обструктивной непроходимостью эти изменения могут быть в несколько раз большими.

Внутриплевральное давление становится еще более отрицательным. Наибольшее разряжение в плевральной полости наступает тогда, когда, возникает перепад давления. Эти взаимотношения можно выразить следующим образом:
Р (рот.пол. – пл. пол.) = Р (рот. – альвеолы) +
Р ( альв. – пл. пол.)
Сходные изменения происходят при выдохе:
- здесь в/ альвеолярное давление положительное;
- в/плевральное давление становится менее отрицательным ( при форсированном выдохе может быть даже положительным).

По мере разветвления бронхиального дерева воздухоносные пути становятся более многочисленными и более узкими. По уравнению Пуайзеля сопротивление обратно пропорционально радиусу в четвертой степени (рис. 7.12.). В случае с дыхательными путями можно предположить, что сопротивление воздухоносных путей обусловлено преимущественно самыми узкими ветвями дыхательных путей. Такая точка зрения превалировала ранее. Однако исследованиями последних лет было показано, что основное сопротивление току воздуха приходится на бронхи среднего диаметра!!!, тогда как вклад мелких бронхов сравнительно невелик.
Как видно на рис. 7.14., давление в основном падает в бронхах до 7-го порядка, а на воздухоносные пути менее 2 мм не приходится и 20% общего падения сопротивления. Это обьясняется колоссальным количеством таких узких дыхательных путей.

дыхательных путей

Помимо сказанного выше, на сопротивление дыхательных путей существенно влияет объем легких. При расправлении легочной ткани расширяются как бронхи, так и кровеносные сосуды (рис. 7.15). Видно, что при уменьшении объема легких сопротивление легочных сосудов возрастает. Поэтому важно не допускать причин, приводящих к уменьшению объема легких.
Кроме того, если объем легких мал, то мелкие воздухоносные пути закрываются (ЭЗДП). Заметим, что для больных с увеличенным сопротивлением дыхательных путей характерно дыхание на фоне исходно высокого легочного объема, что способствует снижению аэродинамического сопротивления ( и уменьшает эффект ЭЗДП. Примером могут служить больные с бронхиальной астмой.

Региональные различия объёмов альвеол

легочной ткани