Αντίσταση αεραγωγών και αεροδυναμική

Η αντίσταση των αεραγωγών είναι η αντίσταση που προβάλλουν οι αγώγιμοι αεραγωγοί στη ροή του αέρα, ορίζεται ως η διαφορά πίεσης που οδηγεί τη ροή διαιρεμένη με την παραγόμενη ροή. Η δυναμική των αεραγωγών — ο τρόπος με τον οποίο η διάμετρός τους μεταβάλλεται ανάλογα με τον πνευμονικό όγκο, τον ρυθμό ροής και τη διαμέσα πίεση — καθορίζει πού εντοπίζεται το μεγαλύτερο μέρος της αντίστασης και γιατί η ροή περιορίζεται κατά τη βίαιη εκπνοή.

Definition

Η αντίσταση των αεραγωγών είναι ο λόγος της διαφοράς οδηγητικής πίεσης μεταξύ των κυψελίδων και του στομίου του αεραγωγού προς την παραγόμενη ροή αέρα· αντικατοπτρίζει την τριβτική και γεωμετρική αντίσταση στη μεταφορά αερίου μέσω των αγώγιμων αεραγωγών και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακτίνα του αεραγωγού.

Scope

Το θέμα καλύπτει τον ορισμό και τους καθοριστικούς παράγοντες της αντίστασης των αεραγωγών, την κατανομή της αντίστασης κατά μήκος του βρογχικού δέντρου, την εξάρτηση της διαμέτρου των αεραγωγών από τον πνευμονικό όγκο, και τη δυναμική συμπίεση που περιορίζει την εκπνευστική ροή. Πρόκειται για έγγραφο αναφοράς μηχανικής αεραγωγών που δεν παρέχει συμβουλές κλινικής διαχείρισης.

Core questions

• Πώς ορίζεται η αντίσταση των αεραγωγών ως προς την οδηγητική πίεση και τη ροή;
• Γιατί η ακτίνα του αεραγωγού έχει τόσο μεγάλη επίδραση στην αντίσταση;
• Πού κατά μήκος του βρογχικού δέντρου εντοπίζεται το μεγαλύτερο μέρος της αντίστασης;
• Πώς η δυναμική συμπίεση των αεραγωγών παράγει περιορισμό της εκπνευστικής ροής;

Key concepts

• Αντίσταση αεραγωγών
• Στρωτή και τυρβώδης ροή
• Εξάρτηση από την ακτίνα
• Κατανομή αντίστασης
• Εξάρτηση διαμέτρου αεραγωγού από τον πνευμονικό όγκο
• Δυναμική συμπίεση αεραγωγών
• Σημείο ισοπίεσης

Key theories

Εξάρτηση αντίστασης από την ακτίνα

Για στρωτή ροή, η αντίσταση μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με υψηλή δύναμη της ακτίνας του αεραγωγού, οπότε μικρές μεταβολές στη διάμετρο — από τόνο λείων μυών, εκκρίσεις ή πάχυνση τοιχώματος — προκαλούν μεγάλες μεταβολές αντίστασης· η αντίσταση επίσης μειώνεται καθώς ο πνευμονικός όγκος αυξάνει και οι αεραγωγοί ανοίγονται.

Δυναμική συμπίεση και σημείο ισοπίεσης

Κατά τη βίαιη εκπνοή, η υπεζωκοτική πίεση μπορεί να υπερβεί την πίεση εντός των αεραγωγών σε ένα σημείο κατάντη των κυψελίδων· πέρα από αυτό το σημείο ισοπίεσης ο αεραγωγός συμπιέζεται, οπότε η μέγιστη ροή καθορίζεται από την ελαστική επαναφορά του πνεύμονα και την αντίσταση του τμήματος ανάντη και όχι από την εκπνευστική προσπάθεια.

Mechanisms

Η ροή του αέρα διά μέσου των αεραγωγών αντιμετωπίζει αντίσταση που, για στρωτή ροή, εξαρτάται σε πολύ υψηλό βαθμό από την ακτίνα του αεραγωγού, οπότε η διάμετρος των αεραγωγών είναι ο κυρίαρχος παράγοντας αντίστασης. Αν και οι μικροί αεραγωγοί είναι στενοί μεμονωμένα, είναι τόσο πολυάριθμοι και η συνολική τους διατομή τόσο μεγάλη ώστε το μεγαλύτερο μέρος της μετρήσιμης αντίστασης στον φυσιολογικό πνεύμονα εντοπίζεται στους βρόγχους μέσου μεγέθους και όχι στους μικρότερους αεραγωγούς. Η διάμετρος των αεραγωγών αυξάνεται καθώς ο πνεύμονας διογκώνεται, επειδή το περιβάλλον παρέγχυμα ασκεί ακτινική έλξη που διατηρεί ανοιχτούς τους αεραγωγούς, οπότε η αντίσταση μειώνεται σε υψηλότερους πνευμονικούς όγκους. Κατά τη βίαιη εκπνοή, η αύξηση της υπεζωκοτικής πίεσης που ωθεί τον αέρα προς τα έξω συμπιέζει επίσης τους αεραγωγούς· κατάντη του σημείου όπου οι πιέσεις του αεραγωγού και του υπεζωκότα εξισούνται, ο αεραγωγός στενεύει δυναμικά, και από εκεί η μέγιστη ροή καθορίζεται από την ελαστική επαναφορά του πνεύμονα και την αντίσταση ανάντη — αυτή είναι η βάση του περιορισμού της εκπνευστικής ροής.

Clinical relevance

Η αυξημένη αντίσταση των αεραγωγών, από βρογχόσπασμο, οίδημα του βλεννογόνου, εκκρίσεις ή απώλεια της παρεγχυματικής έλξης που διατηρεί ανοιχτούς τους αεραγωγούς, αποτελεί τον μηχανικό χαρακτηριστικό γνώρισμα των αποφρακτικών αναπνευστικών προτύπων και αυξάνει το αντιστατικό έργο της αναπνοής. Η δυναμική συμπίεση εξηγεί γιατί οι μετρήσεις βίαιης εκπνοής αντικατοπτρίζουν τη λειτουργία των αεραγωγών. Το παρόν λήμμα περιγράφει τη φυσιολογία και τη μέτρηση και δεν αποτελεί βάση για μεμονωμένη διάγνωση ή θεραπεία.

Evidence & guidelines

Οι μέθοδοι μέτρησης της αντίστασης των αεραγωγών και των σχετικών ροών καθιερώθηκαν σε κλασικές μελέτες σωματικής πλεθυσμογραφίας και αναγκαστικής ταλάντωσης και εφαρμόζονται εντός τυποποιημένων πλαισίων λειτουργικής εξέτασης του πνεύμονα· η ερμηνεία των μετρήσεων αντίστασης και ροής παρουσιάζεται σε διεθνείς δηλώσεις για τη λειτουργία του πνεύμονα.

History

Η άμεση μέτρηση της αντίστασης των αεραγωγών κατέστη εφικτή τη δεκαετία του 1950 με τη σωματική πλεθυσμογραφία και τις τεχνικές αναγκαστικής ταλάντωσης που εισήγαγαν ο DuBois και οι συνεργάτες του. Στη δεκαετία του 1960, οι Mead, Macklem και συνεργάτες εξήγησαν τον περιορισμό της εκπνευστικής ροής μέσω δυναμικής συμπίεσης των αεραγωγών, συνδέοντας την αντίσταση αεραγωγών, την ελαστική επαναφορά του πνεύμονα και τη μέγιστη ροή σε μια συνεκτική θεωρία αεροδυναμικής.

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Jere Mead
• Peter Macklem

Seminal works

• dubois-1956
• mead-1967

Frequently asked questions

Γιατί μια μικρή μεταβολή στη διάμετρο του αεραγωγού προκαλεί μεγάλη μεταβολή στην αντίσταση;

Για στρωτή ροή, η αντίσταση μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με υψηλή δύναμη της ακτίνας του αεραγωγού, οπότε ακόμη και μέτρια στένωση — από σύσπαση λείων μυών, οίδημα ή εκκρίσεις — αυξάνει απότομα την αντίσταση στη ροή.

Πού στον πνεύμονα εντοπίζεται η μεγαλύτερη αντίσταση αεραγωγών;

Στον φυσιολογικό πνεύμονα, το μεγαλύτερο μέρος της μετρήσιμης αντίστασης βρίσκεται στους βρόγχους μέσου μεγέθους. Οι μικρότεροι αεραγωγοί είναι στενοί μεμονωμένα, αλλά είναι τόσο πολυάριθμοι και έχουν τόσο μεγάλη συνολική διατομή ώστε συνεισφέρουν σχετικά λίγο στη συνολική αντίσταση.