Работа дыхания

Работа дыхания — это энергия, затрачиваемая дыхательными мышцами для перемещения воздуха в легкие и из них против эластической и резистивной нагрузок дыхательной системы. Механически это интеграл давления по перемещенному объему; физиологически это отражается в потреблении кислорода дыхательными мышцами для поддержания вентиляции.

Definition

Работа дыхания — это механическая работа, выполняемая дыхательными мышцами над дыхательной системой во время вентиляции, рассчитываемая как интеграл приложенного давления по изменению объема и разделяемая на работу, необходимую для преодоления эластической отдачи, и работу, необходимую для преодоления сопротивления воздушному потоку и деформации тканей.

Scope

Эта тема охватывает определение и измерение работы дыхания, ее разделение на эластический и резистивный (а внутри резистивного — на воздухоносный и тканевый) компоненты, оптимизацию паттерна дыхания для минимизации работы и кислородную стоимость дыхания. Это справочное описание механической и энергетической величины, не содержащее клинических рекомендаций по лечению.

Core questions

• Как работа дыхания рассчитывается как площадь под петлей давление-объем?
• Как общая работа разделяется на эластический и резистивный компоненты?
• Почему организм выбирает частоту дыхания, которая минимизирует общую работу?
• Что такое кислородная стоимость дыхания и когда она становится значительной?

Key concepts

• Петля работы давление-объем
• Эластическая работа
• Резистивная работа
• Кислородная стоимость дыхания
• Оптимальная частота дыхания
• Энергетика дыхательных мышц

Key theories

Оптимизация паттерна дыхания по принципу минимальной работы

Для требуемой альвеолярной вентиляции медленные глубокие вдохи увеличивают эластическую работу, в то время как быстрые поверхностные вдохи увеличивают резистивную работу; дыхательный контроллер имеет тенденцию устанавливать частоту и дыхательный объем, которые минимизируют сумму, то есть общую механическую работу дыхания.

Mechanisms

Механическая работа равна произведению давления на перемещаемый им объем; для дыхания она определяется путем интегрирования транспульмонального или трансреспираторного давления по объему вдоха, что соответствует площади, ограниченной петлей давление-объем одного вдоха. Эта работа состоит из двух частей: эластической работы, запасаемой при растяжении легких и грудной стенки и в значительной степени возвращаемой в виде отдачи во время выдоха, и резистивной работы, рассеиваемой в виде тепла при прохождении воздуха через дыхательные пути и деформации тканей. Поскольку эластическая работа возрастает с увеличением дыхательного объема, а резистивная работа возрастает с увеличением скорости потока, для любой требуемой вентиляции существует частота дыхания, при которой общая работа минимальна, и спокойное дыхание стремится к ней. Энергия, поставляемая дыхательными мышцами, отражается в их потреблении кислорода — кислородной стоимости дыхания, которая невелика в покое, но может резко возрастать при высоких эластических или резистивных нагрузках.

Clinical relevance

Увеличение работы дыхания — из-за ригидности легких, сужения дыхательных путей или высокой потребности в вентиляции — повышает метаболические затраты на дыхание и может способствовать утомлению дыхательных мышц, и снижение этой нагрузки является частью физиологического обоснования вспомогательной вентиляции. Эта концепция также лежит в основе опасений, что сама механическая вентиляция может вызывать повреждающие давления и объемы. Данная статья описывает физиологию и не является основой для индивидуальной диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Механическое разделение работы дыхания и оптимизация паттерна дыхания основаны на классических физиологических исследованиях и обобщены в стандартных учебниках; клиническое значение механических нагрузок на легкие, включая ятрогенные повреждения, рассматривается в литературе по интенсивной терапии.

History

Энергетика дыхания была количественно оценена в середине XX века, когда Отис, Фенн и Ран проанализировали механическую работу дыхания и показали, что паттерн дыхания имеет тенденцию к ее минимизации, в то время как Дюбуа и другие разработали методы измерения основных сопротивлений и податливости. Последующее признание того, что чрезмерная механическая нагрузка может повредить легкие, расширило актуальность этой механики для интенсивной терапии.

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Arthur Otis
• Wallace Fenn
• Hermann Rahn

Seminal works

• dubois-1956
• otis-1954

Frequently asked questions

Каковы два основных компонента работы дыхания?

Эластическая работа, выполняемая для растяжения легких и грудной стенки и в значительной степени возвращаемая в виде отдачи во время выдоха, и резистивная работа, рассеиваемая в виде тепла при прохождении воздуха через дыхательные пути и деформации тканей.

Почему существует оптимальная частота дыхания?

Для заданной требуемой вентиляции медленное и глубокое дыхание увеличивает эластическую работу, в то время как быстрое и поверхностное дыхание увеличивает резистивную работу; промежуточная частота минимизирует сумму, поэтому спокойное дыхание имеет тенденцию устанавливаться вблизи этого паттерна наименьшей работы.