กลศาสตร์การหายใจ

กลศาสตร์การหายใจอธิบายถึงแรงทางกายภาพที่ทำให้อากาศเคลื่อนที่เข้าและออกจากปอด: แรงกดดันของกล้ามเนื้อและแรงยืดหยุ่นที่กระทำต่อระบบทางเดินหายใจ, แรงต้านที่อากาศพบขณะไหลผ่านทางเดินหายใจ, และพลังงานที่ใช้ในการทำงานนี้. สาขาวิชานี้ถือว่าปอดและผนังทรวงอกเป็นระบบกลไกที่พฤติกรรมสามารถวัดได้ในรูปของความสัมพันธ์ระหว่างความดัน, ปริมาตร, และการไหล.

Definition

กลศาสตร์ระบบทางเดินหายใจคือการศึกษาความดัน, ปริมาตร, และการไหลของระบบทางเดินหายใจ รวมถึงคุณสมบัติความยืดหยุ่นและแรงต้านที่เกี่ยวข้อง ซึ่งควบคุมการเคลื่อนที่ของอากาศในระหว่างการระบายอากาศ.

Scope

สาขาวิชานี้จะแนะนำผู้อ่านให้รู้จักกับปัจจัยทางกายภาพหลักที่มีผลต่อการระบายอากาศ — การสร้างการไหลของอากาศ, คุณสมบัติความยืดหยุ่น (การคล้อยตาม) ของปอดและผนังทรวงอก, ความดันในช่องเยื่อหุ้มปอดที่เชื่อมโยงกัน, การสูญเสียจากแรงต้านในทางเดินหายใจ, และงานของการหายใจที่เกิดขึ้น. นี่คือกรอบอ้างอิงสำหรับการทำความเข้าใจว่าการหายใจเกิดขึ้นและวัดได้อย่างไร ไม่ใช่คู่มือสำหรับการจัดการทางคลินิกของภาวะใดๆ.

Sub-topics

• แรงต้านและพลวัตของทางเดินหายใจ
• การคล้อยตามและความยืดหยุ่นของปอด
• ความดันในช่องเยื่อหุ้มปอดและกลไกการทำงาน
• การระบายอากาศและการไหลของอากาศ
• งานของการหายใจ

Core questions

• กล้ามเนื้อช่วยหายใจต้องสร้างความดันเท่าใดเพื่อเอาชนะภาระยืดหยุ่นและแรงต้านของการหายใจ?
• คุณสมบัติความยืดหยุ่นของปอดและผนังทรวงอกกำหนดปริมาตรปอดขณะพักและการเปลี่ยนแปลงปริมาตรสำหรับความดันที่กำหนดได้อย่างไร?
• การไหลของอากาศสัมพันธ์กับความดันขับเคลื่อนและแรงต้านของทางเดินหายใจอย่างไร?
• การหายใจใช้พลังงานเท่าใด และงานนั้นถูกแบ่งออกเป็นส่วนประกอบยืดหยุ่นและแรงต้านอย่างไร?

Key concepts

• ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน-ปริมาตร
• การคล้อยตามและความยืดหยุ่น
• แรงต้านของทางเดินหายใจ
• ความดันข้ามปอดและความดันในช่องเยื่อหุ้มปอด
• งานยืดหยุ่นและงานแรงต้านของการหายใจ
• แรงตึงผิวและสารลดแรงตึงผิว
• สมการการเคลื่อนที่

Key theories

สมการการเคลื่อนที่ของระบบทางเดินหายใจ

ความดันที่กระทำต่อระบบทางเดินหายใจในแต่ละขณะเท่ากับผลรวมของพจน์ยืดหยุ่น (เป็นสัดส่วนกับปริมาตรที่สูงกว่าปริมาตรขณะพัก), พจน์แรงต้าน (เป็นสัดส่วนกับการไหล), และพจน์ความเฉื่อย, เพื่อให้การหายใจสามารถจำลองเป็นระบบความยืดหยุ่น-แรงต้านแบบช่องเดียวได้.

การกระจายความเค้นสถิตในปอด

ปอดมีพฤติกรรมเป็นเนื้อเดียวกันที่ยืดหยุ่นซึ่งความดันหดตัวขึ้นอยู่กับปริมาตรที่ถูกยืดออก; Mead, Takishima และ Leith ได้จำลองว่าความเค้นและปริมาตรในแต่ละส่วนกระจายตัวอย่างไรทั่วเนื้อเยื่อปอด ซึ่งอธิบายความแตกต่างของการขยายตัวในแต่ละภูมิภาค.

Mechanisms

ในระหว่างการหายใจเข้า กล้ามเนื้อช่วยหายใจจะลดความดันในช่องเยื่อหุ้มปอด ทำให้ความดันข้ามปอดเพิ่มขึ้น ซึ่งจะขยายปอดและดึงอากาศเข้าสู่ปอดโดยต้านทานแรงต้านของทางเดินหายใจ; ในระหว่างการหายใจออกปกติ แรงหดตัวยืดหยุ่นที่สะสมไว้ของปอดและผนังทรวงอกจะขับอากาศออกไปโดยไม่ใช้แรง. ความดันที่ระบบต้องการในแต่ละขณะมักจะถูกแบ่งออกเป็นภาระยืดหยุ่น (กำหนดโดยการคล้อยตามรวมของปอดและผนังทรวงอก) และภาระแรงต้าน (กำหนดโดยแรงต้านของทางเดินหายใจและการไหล), ดังที่แสดงในสมการการเคลื่อนที่. ปริมาตรปอดขณะพัก (ความจุคงเหลือเชิงหน้าที่) คือปริมาตรที่แรงหดตัวยืดหยุ่นเข้าด้านในของปอดสมดุลกับแรงหดตัวออกด้านนอกของผนังทรวงอก. พลังงานที่ใช้ไปเพื่อต้านทานภาระยืดหยุ่นและแรงต้านเหล่านี้ประกอบกันเป็นงานของการหายใจ.

Clinical relevance

กลศาสตร์ระบบทางเดินหายใจเป็นพื้นฐานแนวคิดสำหรับการทดสอบสมรรถภาพปอดและการทำความเข้าใจว่าโรคต่างๆ เปลี่ยนแปลงการหายใจได้อย่างไร — ตัวอย่างเช่น ปอดที่แข็ง (การคล้อยตามต่ำ) จะเพิ่มภาระยืดหยุ่น ในขณะที่ทางเดินหายใจที่แคบลงจะเพิ่มภาระแรงต้าน. หลักการทางกลศาสตร์เดียวกันนี้เป็นพื้นฐานสำหรับเหตุผลของการใช้เครื่องช่วยหายใจและการตระหนักว่าความดันและปริมาตรที่มากเกินไปอาจทำให้ปอดเสียหายได้. บทความนี้อธิบายกลไกและการวัด; ไม่ใช่แหล่งข้อมูลสำหรับคำแนะนำการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล.

Evidence & guidelines

กรอบแนวคิดเชิงปริมาณส่วนใหญ่มาจากงานวิจัยทางสรีรวิทยาในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ที่กำหนดการคล้อยตาม, แรงต้าน, และพฤติกรรมความดัน-ปริมาตรของระบบทางเดินหายใจ ซึ่งสรุปไว้ในตำรามาตรฐาน. แนวคิดทางกลศาสตร์ถูกนำไปใช้ทางคลินิกผ่านการวัดสมรรถภาพปอดและการดูแลผู้ป่วยวิกฤตที่เป็นมาตรฐาน; การใช้ผิดวิธี เช่น การบาดเจ็บของปอดที่เกิดจากเครื่องช่วยหายใจ ได้กลายเป็นจุดสนใจของหลักฐานด้วยเช่นกัน.

History

กลศาสตร์ระบบทางเดินหายใจเชิงปริมาณพัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 เมื่อนักวิจัยเช่น DuBois ได้นำวิธีการวัดด้วยเครื่องวัดปริมาตรในร่างกาย (body-plethysmographic) และการสั่นสะเทือนแบบบังคับ (forced-oscillation) มาใช้วัดแรงต้านของทางเดินหายใจและคุณสมบัติความดัน-ปริมาตรของทรวงอก และ Mead กับเพื่อนร่วมงานได้กำหนดพฤติกรรมความยืดหยุ่นของปอดอย่างเป็นทางการ. ความก้าวหน้าเหล่านี้ทำให้การหายใจกลายเป็นระบบกลไกที่สามารถวัดได้ และเป็นรากฐานของการทดสอบสมรรถภาพปอดและสรีรวิทยาของการช่วยหายใจด้วยเครื่องในเวลาต่อมา.

Key figures

• Jere Mead
• Arthur B. DuBois
• John B. West
• Arthur Slutsky

Seminal works

• dubois-1956
• mead-1970

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างภาระยืดหยุ่นและภาระแรงต้านของการหายใจคืออะไร?

ภาระยืดหยุ่นคือความดันที่จำเป็นในการยืดปอดและผนังทรวงอกให้ได้ปริมาตรที่กำหนด และขึ้นอยู่กับการคล้อยตามของปอดและผนังทรวงอก; ภาระแรงต้านคือความดันที่จำเป็นในการขับเคลื่อนอากาศผ่านทางเดินหายใจ และขึ้นอยู่กับแรงต้านของทางเดินหายใจและอัตราการไหล.

ทำไมอากาศจึงออกจากปอดในระหว่างการหายใจปกติโดยไม่ต้องใช้แรงกล้ามเนื้อ?

เมื่อสิ้นสุดการหายใจเข้า ปอดและผนังทรวงอกจะถูกยืดออกและเก็บพลังงานหดตัวยืดหยุ่นไว้; ในระหว่างการหายใจออกปกติ แรงหดตัวนี้จะขับอากาศออกไปโดยไม่ใช้แรง ดังนั้นการหายใจออกปกติจึงไม่จำเป็นต้องใช้กล้ามเนื้อทำงานอย่างกระตือรือร้น.