ميكانيكا التنفس
تصف ميكانيكا التنفس القوى الفيزيائية التي تحرك الهواء داخل وخارج الرئتين: الضغوط العضلية والمرنة التي تؤثر على الجهاز التنفسي، ومقاومة الهواء التي يواجهها أثناء تدفقه عبر الممرات الهوائية، والطاقة التي تتطلبها هذه العملية. يتعامل هذا المجال مع الرئة وجدار الصدر كنظام ميكانيكي يمكن قياس سلوكه كعلاقات بين الضغط والحجم والتدفق.
Definition
ميكانيكا الجهاز التنفسي هي دراسة الضغوط والأحجام والتدفقات في الجهاز التنفسي والخصائص المرنة والمقاومة التي تربط بينها، والتي تحكم كيفية تحريك الهواء أثناء التهوية.
Scope
يوجه هذا المجال القارئ إلى المحددات الفيزيائية الرئيسية للتهوية — توليد تدفق الهواء، والخصائص المرنة (المطاوعة) للرئة وجدار الصدر، والضغوط الجنَبية التي تربط بينهما، والفقد المقاوم في الممرات الهوائية، والعمل التنفسي الناتج. إنه إطار مرجعي لفهم كيفية إنتاج وقياس التنفس، وليس دليلاً للإدارة السريرية لأي حالة.
Sub-topics
Core questions
- ما هي الضغوط التي يجب أن تولدها عضلات الجهاز التنفسي للتغلب على الأحمال المرنة والمقاومة للتنفس؟
- كيف تحدد الخصائص المرنة للرئة وجدار الصدر حجم الرئة المتبقي وتغير الحجم لضغط معين؟
- كيف يرتبط تدفق الهواء بالضغط الدافِع ومقاومة الممرات الهوائية؟
- كم تبلغ تكلفة التنفس من الطاقة، وكيف يتوزع هذا العمل بين المكونات المرنة والمقاومة؟
Key concepts
- العلاقة بين الضغط والحجم
- المطاوعة والمرونة
- مقاومة المجرى الهوائي
- الضغط عبر الرئوي والضغط الجنَبي
- العمل المرن والمقاوم للتنفس
- التوتر السطحي والمادة الفاعلة بالسطح
- معادلة الحركة
Key theories
- معادلة حركة الجهاز التنفسي
- يساوي الضغط المطبق على الجهاز التنفسي في أي لحظة مجموع حد مرن (يتناسب مع الحجم فوق الحجم المتبقي)، وحد مقاوم (يتناسب مع التدفق)، وحد قصوري، بحيث يمكن نمذجة التنفس كنظام مطاوعة-مقاومة أحادي الحجرة.
- توزيع الإجهاد الساكن في الرئة
- تتصرف الرئة كمتصل مرن يعتمد ضغط ارتداده على الحجم الذي تم تمديدها إليه؛ قام ميد وتاكيشيما وليث (Mead, Takishima and Leith) بنمذجة كيفية توزيع الإجهادات والأحجام المحلية عبر النسيج الرئوي، مما يفسر الاختلافات الإقليمية في التوسع.
Mechanisms
أثناء الشهيق، تخفض عضلات الجهاز التنفسي الضغط الجنَبي، مما يزيد الضغط عبر الرئوي الذي يمد الرئة ويسحب الهواء ضد مقاومة المجرى الهوائي؛ وأثناء الزفير الهادئ، تدفع الارتداد المرن المخزن في الرئة وجدار الصدر الهواء إلى الخارج بشكل سلبي. يقسم الضغط الذي يتطلبه النظام في أي لحظة تقليديًا إلى حمل مرن (يتحدد بالمطاوعة المشتركة للرئة وجدار الصدر) وحمل مقاوم (يتحدد بمقاومة المجرى الهوائي والتدفق)، كما هو موضح في معادلة الحركة. حجم الرئة المتبقي (السعة المتبقية الوظيفية) هو الحجم الذي يتوازن عنده الارتداد المرن الداخلي للرئة مع الارتداد الخارجي لجدار الصدر. تشكل الطاقة المستهلكة ضد هذه الأحمال المرنة والمقاومة عمل التنفس.
Clinical relevance
توفر ميكانيكا الجهاز التنفسي الأساس المفاهيمي لاختبار وظائف الرئة ولفهم كيفية تغيير المرض للتنفس — على سبيل المثال، تزيد الرئتان المتصلبتان (ذات المطاوعة المنخفضة) من الحمل المرن بينما تزيد الممرات الهوائية الضيقة من الحمل المقاوم. تكمن نفس المبادئ الميكانيكية وراء الأساس المنطقي للتهوية الميكانيكية والتعرف على أن الضغوط والأحجام المفرطة يمكن أن تلحق الضرر بالرئة. يصف هذا المدخل الآليات والقياس؛ وهو ليس مصدرًا للمشورة التشخيصية أو العلاجية الفردية.
Evidence & guidelines
يستمد الكثير من الإطار الكمي من الدراسات الفسيولوجية التي أجريت في منتصف القرن العشرين والتي حددت المطاوعة والمقاومة وسلوك الضغط والحجم للجهاز التنفسي، والتي تم تلخيصها في النصوص القياسية. تُطبق المفاهيم الميكانيكية سريريًا من خلال قياسات وظائف الرئة والرعاية الحرجة الموحدة؛ وقد أصبح سوء استخدامها، كما هو الحال في إصابة الرئة الناجمة عن التهوية، بحد ذاته محورًا للأدلة.
History
نضجت ميكانيكا الجهاز التنفسي الكمية في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، عندما قدم باحثون مثل دوبوا (DuBois) طرق قياس تخطيط التحجم الجسمي (body-plethysmographic) والتذبذب القسري (forced-oscillation) لقياس مقاومة المجرى الهوائي وخصائص الضغط والحجم للصدر، وقام ميد (Mead) وزملاؤه بصياغة السلوك المرن للرئة. حولت هذه التطورات التنفس إلى نظام ميكانيكي قابل للقياس ودعمت كلاً من اختبار وظائف الرئة والفسيولوجيا اللاحقة للتهوية الميكانيكية.
Key figures
- Jere Mead
- Arthur B. DuBois
- John B. West
- Arthur Slutsky
Related topics
Seminal works
- dubois-1956
- mead-1970
Frequently asked questions
- ما الفرق بين الأحمال المرنة والمقاومة للتنفس؟
- الحمل المرن هو الضغط اللازم لتمديد الرئة وجدار الصدر إلى حجم معين ويعتمد على مطاوعتهما؛ أما الحمل المقاوم فهو الضغط اللازم لدفع الهواء عبر الممرات الهوائية ويعتمد على مقاومة الممرات الهوائية ومعدل التدفق.
- لماذا يغادر الهواء الرئتين أثناء التنفس الهادئ دون جهد عضلي؟
- في نهاية الشهيق، تكون الرئة وجدار الصدر ممدودتين وتخزنان طاقة الارتداد المرن؛ وأثناء الزفير الهادئ، يدفع هذا الارتداد الهواء إلى الخارج بشكل سلبي، لذا لا يتطلب الزفير عادةً أي عمل عضلي نشط.