Cơ học hô hấp
Cơ học hô hấp mô tả các lực vật lý di chuyển không khí vào và ra khỏi phổi: áp lực cơ học và đàn hồi tác động lên hệ hô hấp, sức cản mà không khí gặp phải khi di chuyển qua đường thở, và năng lượng tiêu hao cho công việc này. Lĩnh vực này coi phổi và thành ngực là một hệ thống cơ học mà hành vi của nó có thể được đo lường thông qua mối quan hệ giữa áp suất, thể tích và lưu lượng.
Definition
Cơ học hô hấp là nghiên cứu về áp suất, thể tích và lưu lượng của hệ hô hấp cùng với các đặc tính đàn hồi và sức cản liên quan đến chúng, chi phối cách không khí di chuyển trong quá trình thông khí.
Scope
Lĩnh vực này định hướng cho người đọc về các yếu tố vật lý chính quyết định sự thông khí — tạo luồng khí, các đặc tính đàn hồi (độ giãn nở) của phổi và thành ngực, áp lực màng phổi liên kết chúng, sự mất mát do sức cản trong đường thở, và công hô hấp phát sinh. Đây là một khuôn khổ tham chiếu để hiểu cách hô hấp được tạo ra và đo lường, không phải là hướng dẫn quản lý lâm sàng cho bất kỳ tình trạng nào.
Sub-topics
Core questions
- Các cơ hô hấp phải tạo ra áp lực bao nhiêu để vượt qua các tải trọng đàn hồi và sức cản của hô hấp?
- Các đặc tính đàn hồi của phổi và thành ngực xác định thể tích phổi khi nghỉ ngơi và sự thay đổi thể tích cho một áp lực nhất định như thế nào?
- Lưu lượng khí liên quan đến áp lực đẩy và sức cản của đường thở như thế nào?
- Hô hấp tiêu tốn bao nhiêu năng lượng, và công việc đó được phân chia giữa các thành phần đàn hồi và sức cản như thế nào?
Key concepts
- Mối quan hệ áp suất-thể tích
- Độ giãn nở và độ đàn hồi
- Sức cản đường thở
- Áp lực xuyên phổi và màng phổi
- Công hô hấp đàn hồi và sức cản
- Sức căng bề mặt và chất hoạt động bề mặt
- Phương trình chuyển động
Key theories
- Phương trình chuyển động của hệ hô hấp
- Áp lực tác dụng lên hệ hô hấp tại bất kỳ thời điểm nào bằng tổng của một số hạng đàn hồi (tỷ lệ thuận với thể tích trên thể tích nghỉ), một số hạng sức cản (tỷ lệ thuận với lưu lượng), và một số hạng quán tính, do đó hô hấp có thể được mô hình hóa như một hệ thống đàn hồi-sức cản một khoang.
- Phân bố ứng suất tĩnh trong phổi
- Phổi hoạt động như một thể liên tục đàn hồi mà áp lực co rút của nó phụ thuộc vào thể tích mà nó được kéo giãn; Mead, Takishima và Leith đã mô hình hóa cách các ứng suất và thể tích cục bộ phân bố khắp nhu mô, giải thích sự khác biệt khu vực trong sự giãn nở.
Mechanisms
Trong quá trình hít vào, các cơ hô hấp làm giảm áp lực màng phổi, làm tăng áp lực xuyên phổi làm giãn phổi và hút không khí vào chống lại sức cản đường thở; trong quá trình thở ra nhẹ nhàng, lực đàn hồi dự trữ của phổi và thành ngực đẩy không khí ra một cách thụ động. Áp lực mà hệ thống yêu cầu tại bất kỳ thời điểm nào thường được phân chia thành tải trọng đàn hồi (được xác định bởi độ giãn nở tổng hợp của phổi và thành ngực) và tải trọng sức cản (được xác định bởi sức cản đường thở và lưu lượng), như được thể hiện trong phương trình chuyển động. Thể tích phổi khi nghỉ ngơi (dung tích cặn chức năng) là thể tích mà tại đó lực đàn hồi co vào của phổi cân bằng với lực đàn hồi giãn ra của thành ngực. Năng lượng tiêu hao chống lại các tải trọng đàn hồi và sức cản này tạo thành công hô hấp.
Clinical relevance
Cơ học hô hấp cung cấp cơ sở khái niệm cho các xét nghiệm chức năng phổi và để hiểu cách bệnh tật làm thay đổi hô hấp — ví dụ, phổi cứng (độ giãn nở thấp) làm tăng tải trọng đàn hồi trong khi đường thở bị hẹp làm tăng tải trọng sức cản. Các nguyên tắc cơ học tương tự là cơ sở cho lý do thông khí cơ học và nhận thức rằng áp lực và thể tích quá mức có thể làm tổn thương phổi. Mục này mô tả các cơ chế và phép đo; nó không phải là nguồn cung cấp lời khuyên chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân hóa.
Evidence & guidelines
Phần lớn khuôn khổ định lượng bắt nguồn từ các nghiên cứu sinh lý học giữa thế kỷ XX đã định nghĩa độ giãn nở, sức cản và hành vi áp suất-thể tích của hệ hô hấp, được tóm tắt trong các văn bản tiêu chuẩn. Các khái niệm cơ học được vận dụng lâm sàng thông qua các phép đo chức năng phổi và chăm sóc tích cực tiêu chuẩn hóa; việc lạm dụng chúng, như trong tổn thương phổi do máy thở, đã trở thành một trọng tâm của bằng chứng.
History
Cơ học hô hấp định lượng phát triển mạnh mẽ vào những năm 1950 và 1960, khi các nhà nghiên cứu như DuBois giới thiệu các phương pháp đo phế dung ký toàn thân (body-plethysmographic) và dao động cưỡng bức (forced-oscillation) để đo sức cản đường thở và các đặc tính áp suất-thể tích của lồng ngực, và Mead cùng các đồng nghiệp đã chính thức hóa hành vi đàn hồi của phổi. Những tiến bộ này đã biến hô hấp thành một hệ thống cơ học có thể đo lường được và là nền tảng cho cả xét nghiệm chức năng phổi và sinh lý học sau này của thông khí cơ học.
Key figures
- Jere Mead
- Arthur B. DuBois
- John B. West
- Arthur Slutsky
Related topics
Seminal works
- dubois-1956
- mead-1970
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa tải trọng đàn hồi và tải trọng sức cản của hô hấp là gì?
- Tải trọng đàn hồi là áp lực cần thiết để kéo giãn phổi và thành ngực đến một thể tích nhất định và phụ thuộc vào độ giãn nở của chúng; tải trọng sức cản là áp lực cần thiết để đẩy không khí qua đường thở và phụ thuộc vào sức cản đường thở và tốc độ lưu lượng.
- Tại sao không khí lại rời khỏi phổi trong quá trình thở nhẹ nhàng mà không cần nỗ lực cơ bắp?
- Vào cuối thì hít vào, phổi và thành ngực bị kéo giãn và tích trữ năng lượng đàn hồi co rút; trong quá trình thở ra nhẹ nhàng, lực co rút này thụ động đẩy không khí ra ngoài, do đó thì thở ra thường không yêu cầu hoạt động cơ bắp tích cực.