Механика дыхания
Механика дыхания описывает физические силы, которые перемещают воздух в легкие и из них: мышечное и эластическое давление, действующее на дыхательную систему, сопротивление, которое встречает воздух при прохождении через дыхательные пути, и энергетические затраты этой работы. Эта область рассматривает легкие и грудную стенку как механическую систему, поведение которой может быть измерено как взаимосвязь между давлением, объемом и потоком.
Definition
Механика дыхания — это исследование давлений, объемов и потоков дыхательной системы, а также эластических и резистивных свойств, которые их связывают, определяя движение воздуха во время вентиляции.
Scope
Эта область знакомит читателя с основными физическими детерминантами вентиляции — генерацией воздушного потока, эластическими (податливость) свойствами легких и грудной стенки, плевральным давлением, которое их связывает, резистивными потерями в дыхательных путях и результирующей работой дыхания. Это справочная основа для понимания того, как происходит и измеряется дыхание, а не руководство по клиническому ведению какого-либо состояния.
Sub-topics
Core questions
- Какое давление должны создавать дыхательные мышцы, чтобы преодолеть эластические и резистивные нагрузки дыхания?
- Как эластические свойства легких и грудной стенки определяют объем легких в покое и изменение объема при заданном давлении?
- Как связан воздушный поток с движущим давлением и сопротивлением дыхательных путей?
- Сколько энергии стоит дыхание и как эта работа распределяется между эластическими и резистивными компонентами?
Key concepts
- Зависимость давление-объем
- Податливость и эластичность
- Сопротивление дыхательных путей
- Транспульмональное и плевральное давление
- Эластическая и резистивная работа дыхания
- Поверхностное натяжение и сурфактант
- Уравнение движения
Key theories
- Уравнение движения дыхательной системы
- Давление, приложенное к дыхательной системе в любой момент, равно сумме эластического члена (пропорционального объему выше объема покоя), резистивного члена (пропорционального потоку) и инерционного члена, так что дыхание может быть смоделировано как однокамерная эластично-резистивная система.
- Статическое распределение напряжения в легких
- Легкие ведут себя как эластичный континуум, давление отдачи которого зависит от объема, до которого они растянуты; Мид, Такисима и Лейт смоделировали, как локальные напряжения и объемы распределяются по паренхиме, объясняя региональные различия в расширении.
Mechanisms
Во время вдоха дыхательные мышцы снижают плевральное давление, повышая транспульмональное давление, которое растягивает легкие и втягивает воздух, преодолевая сопротивление дыхательных путей; во время спокойного выдоха запасенная эластическая отдача легких и грудной стенки пассивно выталкивает воздух. Давление, необходимое системе в любой момент, условно разделяется на эластическую нагрузку (определяемую комбинированной податливостью легких и грудной стенки) и резистивную нагрузку (определяемую сопротивлением дыхательных путей и потоком), как это отражено в уравнении движения. Объем легких в покое (функциональная остаточная емкость) — это объем, при котором внутреннее эластическое сокращение легких уравновешивает внешнее сокращение грудной стенки. Энергия, затрачиваемая на преодоление этих эластических и резистивных нагрузок, составляет работу дыхания.
Clinical relevance
Механика дыхания обеспечивает концептуальную основу для тестирования функции легких и для понимания того, как болезнь изменяет дыхание — например, жесткие (с низкой податливостью) легкие увеличивают эластическую нагрузку, в то время как суженные дыхательные пути увеличивают резистивную нагрузку. Те же механические принципы лежат в основе механической вентиляции и признания того, что чрезмерное давление и объемы могут повредить легкие. Эта статья описывает механизмы и измерения; она не является источником индивидуальных диагностических или лечебных рекомендаций.
Evidence & guidelines
Большая часть количественной основы получена из физиологических исследований середины двадцатого века, которые определили податливость, сопротивление и поведение дыхательной системы в зависимости от давления-объема, обобщенные в стандартных текстах. Механические концепции клинически реализуются посредством стандартизированных измерений функции легких и интенсивной терапии; их неправильное использование, как, например, при вентилятор-индуцированном повреждении легких, само по себе стало предметом исследований.
History
Количественная механика дыхания развивалась в 1950-х и 1960-х годах, когда такие исследователи, как Дюбуа, ввели методы бодиплетизмографии и принудительных осцилляций для измерения сопротивления дыхательных путей и свойств грудной клетки в зависимости от давления-объема, а Мид и коллеги формализовали эластическое поведение легких. Эти достижения превратили дыхание в измеримую механическую систему и легли в основу как тестирования функции легких, так и последующей физиологии механической вентиляции.
Key figures
- Jere Mead
- Arthur B. DuBois
- John B. West
- Arthur Slutsky
Related topics
Seminal works
- dubois-1956
- mead-1970
Frequently asked questions
- В чем разница между эластической и резистивной нагрузками дыхания?
- Эластическая нагрузка — это давление, необходимое для растяжения легких и грудной стенки до заданного объема, и она зависит от их податливости; резистивная нагрузка — это давление, необходимое для прохождения воздуха через дыхательные пути, и она зависит от сопротивления дыхательных путей и скорости потока.
- Почему воздух покидает легкие во время спокойного дыхания без мышечных усилий?
- В конце вдоха легкие и грудная стенка растянуты и накапливают энергию эластической отдачи; во время спокойного выдоха эта отдача пассивно выталкивает воздух, поэтому выдох обычно не требует активной мышечной работы.