Легочные объемы и емкости. Дыхательный объем и минутный объем дыхания (МОД), дыхательный эквивалент Остаточный объем легких состоит из

4. Изменение объема легких во время вдоха и выдоха. Функция внутриплеврального давления. Плевральное пространство. Пневмоторакс.
5. Фазы дыхания. Объем легкого (легких). Частота дыхания. Глубина дыхания. Легочные объемы воздуха. Дыхательный объем. Резервный, остаточный объем. Емкость легких.
6. Факторы, влияющие на легочный объем в фазу вдоха. Растяжимость легких (легочной ткани). Гистерезис.
7. Альвеолы. Сурфактант. Поверхностное натяжение слоя жидкости в альвеолах. Закон Лапласа.
8. Сопротивление дыхательных путей. Сопротивление легких. Воздушный поток. Ламинарный поток. Турбулентный поток.
9. Зависимость «поток-объем» в легких. Давление в дыхательных путях при выдохе.
10. Работа дыхательных мышц в течение дыхательного цикла. Работа дыхательных мышц при глубоком дыхании. Фазы дыхания. Объем легкого (легких). Частота дыхания. Глубина дыхания. Легочные объемы воздуха. Дыхательный объем. Резервный, остаточный объем. Емкость легких.

Процесс внешнего дыхания обусловлен изменением объема воздуха в легких в течение фаз вдоха и выдоха дыхательного цикла. При спокойном дыхании соотношение длительности вдоха к выдоху в дыхательном цикле равняется в среднем 1:1,3. Внешнее дыхание человека характеризуется частотой и глубиной дыхательных движений. Частота дыхания человека измеряется количеством дыхательных циклов в течение 1 мин и ее величина в покое у взрослого человека варьирует от 12 до 20 в 1 мин. Этот показатель внешнего дыхания возрастает при физической работе, повышении температуры окружающей среды, а также изменяется с возрастом. Например, у новорожденных частота дыхания равна 60-70 в 1 мин, а у людей в возрасте 25-30 лет - в среднем 16 в 1 мин. Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в течение одного дыхательного цикла. Произведение частоты дыхательных движений на их глубину характеризует основную величину внешнего дыхания - вентиляцию легких . Количественной мерой вентиляции легких является минутный объем дыхания - это объем воздуха, который человек вдыхает и выдыхает за 1 мин. Величина минутного объема дыхания человека в покое варьирует в пределах 6-8 л. При физической работе у человека минутный объем дыхания может возрастать в 7-10 раз.

Рис. 10.5. Объемы и емкости воздуха в легких человека и кривая (спирограмма) изменения объема воздуха в легких при спокойном дыхании, глубоком вдохе и выдохе . ФОЕ - функциональная остаточная емкость.

Легочные объемы воздуха . В физиологии дыхания принята единая номенклатура легочных объемов у человека, которые заполняют легкие при спокойном и глубоком дыхании в фазу вдоха и выдоха дыхательного цикла (рис. 10.5). Легочный объем, который вдыхается или выдыхается человеком при спокойном дыхании, называется дыхательным объемом . Его величина при спокойном дыхании составляет в среднем 500 мл. Максимальное количество воздуха, которое может вдохнуть человек сверх дыхательного объема, называется резервным объемом вдоха (в среднем 3000 мл). Максимальное количество воздуха, которое может выдохнуть человек после спокойного выдоха, называется резервным объемом выдоха (в среднем 1100 мл). Наконец, количество воздуха, которое остается в легких после максимального выдоха, называется остаточным объемом, его величина равна примерно 1200 мл.

Сумма величин двух легочных объемов и более называется легочной емкостью . Объем воздуха в легких человека характеризуется инспираторной емкостью легких, жизненной емкостью легких и функциональной остаточной емкостью легких. Инспираторная емкость легких (3500 мл) представляет собой сумму дыхательного объема и резервного объема вдоха. Жизненная емкость легких (4600 мл) включает в себя дыхательный объем и резервные объемы вдоха и выдоха. Функциональная остаточная емкость легких (1600 мл) представляет собой сумму резервного объема выдоха и остаточного объема легких. Сумма жизненной емкости легких и остаточного объема называется общей емкостью легких, величина которой у человека в среднем равна 5700 мл.

При вдохе легкие человека за счет сокращения диафрагмы и наружных межреберных мышц начинают увеличивать свой объем с уровня , и его величина при спокойном дыхании составляет дыхательный объем , а при глубоком дыхании - достигает различных величин резервного объема вдоха. При выдохе объем легких вновь возвращается к исходному уровню функциональной остаточной емкости пассивно, за счет эластической тяги легких. Если в объем выдыхаемого воздуха начинает входит воздух функциональной остаточной емкости , что имеет место при глубоком дыхании, а также при кашле или чиханье, то выдох осуществляться за счет сокращения мышц брюшной стенки. В этом случае величина внутриплеврального давления, как правило, становится выше атмосферного давления, что обусловливает наибольшую скорость потока воздуха в дыхательных путях.

Фазы дыхания.

Процесс внешнего дыхания обусловлен изменением объема воздуха в легких в течение фаз вдоха и выдоха дыхательного цикла. При спокойном дыхании соотношение длительности вдоха к выдоху в дыхательном цикле равняется в среднем 1:1,3. Внешнее дыхание человека характеризуется частотой и глубиной дыхательных движений. Частота дыхания человека измеряется количеством дыхательных циклов в течение 1 мин и ее величина в покое у взрослого человека варьирует от 12 до 20 в 1 мин. Этот показатель внешнего дыхания возрастает при физической работе, повышении температуры окружающей среды, а также изменяется с возрастом. Например, у новорожденных частота дыхания равна 60-70 в 1 мин, а у людей в возрасте 25-30 лет - в среднем 16 в 1 мин. Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в течение одного дыхательного цикла. Произведение частоты дыхательных движений на их глубину характеризует основную величину внешнего дыхания - вентиляцию легких . Количественной мерой вентиляции легких является минутный объем дыхания - это объем воздуха, который человек вдыхает и выдыхает за 1 мин. Величина минутного объема дыхания человека в покое варьирует в пределах 6-8 л. При физической работе у человека минутный объем дыхания может возрастать в 7-10 раз.

2. Техника проведения спирографии .

Исследование проводят утром натощак. Перед исследованием пациенту рекомендуется находиться в спокойном состоянии на протяжении 30 мин, а также прекратить прием бронхолитиков не позже чем за 12 часов до начала исследования.

Спирографическая кривая и показатели легочной вентиляции приведены на рис. 2.

Статические показатели (определяют во время спокойного дыхания ).

Главными переменными, использующимися для отображения наблюдаемых показателей внешнего дыхания и для построения показателей-конструктов являются: объём потока дыхательных газов, V (л ) и время t ©. Отношения между этими переменными могут быть представлены в виде графиков или диаграмм. Все они по являются спирограммами.

График зависимости объёма потока смеси дыхательных газов от времени называют спирограмма: объём потока – время .

График взаимозависимости объёмной скорости потока смеси дыхательных газов и объёма потока называют спирограмма: объёмная скорость потока – объём потока.

Измеряют дыхательный объем (ДО) - средний объем воздуха, который больной вдыхает и выдыхает во время обычного дыхания в состоянии покоя. В норме он составляет 500-800 мл. Часть ДО, которая принимает участие в газообмене, называется альвеолярным объемом (АО) и в среднем равняется 2/3 величины ДО. Остаток (1/3 величины ДО) составляет объем функционального мертвого пространства (ФМП).

После спокойного выдоха пациент максимально глубоко выдыхает - измеряется резервный объем выдоха (РОвыд), который в норме составляет 1000-1500 мл.

После спокойного вдоха делается максимально глубокий вдох - измеряется резервный объем вдоха (Ровд). При анализе статических показателей рассчитывается емкость вдоха (Евд) - сумма ДО и Ровд, которая характеризует способность легочной ткани к растяжению, а также жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - максимальный объем, который можно вдохнуть после максимально глубокого выдоха (сумма ДО, РО ВД и Ровыд в норме составляет от 3000 до 5000 мл).

После обычного спокойного дыхания проводится дыхательный маневр: делается максимально глубокий вдох, а затем - максимально глубокий, самый резкий и длительный (не менее 6 с) выдох. Так определяется форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ) - объем воздуха, который можно выдохнуть при форсированном выдохе после максимального вдоха (в норме составляет 70-80 % ЖЕЛ).

Как заключительный этап исследования проводится запись максимальной вентиляции легких (МВЛ) - максимального объема воздуха, который может быть провентилирован легкими за I мин. МВЛ характеризует функциональную способность аппарата внешнего дыхания и в норме составляет 50-180 л. Снижение МВЛ наблюдается при уменьшении легочных объемов вследствие рестриктивных (ограничительных) и обструктивных нарушений легочной вентиляции.

При анализе спирографической кривой, полученной в маневре с форсированным выдохом , измеряют определенные скоростные показатели (рис. 3):

1) объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ 1) - объем воздуха, который выдыхается за первую секунду при максимально быстром выдохе; он измеряется в мл и высчитывается в процентах к ФЖЕЛ; здоровые люди за первую секунду выдыхают не менее 70 % ФЖЕЛ;

2) проба или индекс Тиффно - соотношение ОФВ 1 (мл)/ЖЕЛ (мл), умноженное на 100 %; в норме составляет не менее 70-75 %;

3) максимальная объемная скорость воздуха на уровне выдоха 75 % ФЖЕЛ (МОС 75), оставшейся в легких;

4) максимальная объемная скорость воздуха на уровне выдоха 50 % ФЖЕЛ (МОС 50), оставшейся в легких;

5) максимальная объемная скорость воздуха на уровне выдоха 25 % ФЖЕЛ (МОС 25), оставшейся в легких;

6) средняя объемная скорость форсированного выдоха, вычисленная в интервале измерения от 25 до 75 % ФЖЕЛ (СОС 25-75).

Обозначения на схеме .
Показатели максимального форсированного выдоха:
25 ÷ 75% FEV - объёмная скорость потока в среднем интервале форсированного выдоха (между 25% и 75%
жизненной ёмкости лёгких),
FEV1 - объём потока за первую секунду форсированного выдоха.

Рис. 3 . Спирографическая кривая, полученная в маневре форсированного выдоха. Расчет показателей ОФВ 1 и СОС 25-75

Вычисление скоростных показателей имеет большое значение в выявлении признаков бронхиальной обструкции. Уменьшение индекса Тиффно и ОФВ 1 является характерным признаком заболеваний, которые сопровождаются снижением бронхиальной проходимости - бронхиальной астмы, хронического обструктивного заболевания легких, бронхоэктатической болезни и пр. Показатели МОС имеют наибольшую ценность в диагностике начальных проявлений бронхиальной обструкции. СОС 25-75 отображает состояние проходимости мелких бронхов и бронхиол. Последний показатель является более информативным, чем ОФВ 1 , для выявления ранних обструктивных нарушений.
В связи с тем, что в Украине, Европе и США существует некоторое различие в обозначении легочных объемов, емкостей и скоростных показателей, характеризующих легочную вентиляцию, приводим обозначения указанных показателей на русском и английском языках (табл. 1).

Таблица 1. Наименование показателей легочной вентиляции на русском и английском языках

Наименование показателя на русском языке	Принятое сокращение	Наименование показателя на английском языке	Принятое сокращение
Жизненная емкость легких	ЖЕЛ	Vital capacity	VC
Дыхательный объем	ДО	Tidal volume	TV
Резервный объем вдоха	Ровд	Inspiratory reserve volume	IRV
Резервный объем выдоха	Ровыд	Expiratory reserve volume	ERV
Максимальная вентиляция легких	МВЛ	Maximal voluntary ventilation	MW
Форсированная жизненная емкость легких	ФЖЕЛ	Forced vital capacity	FVC
Объем форсированного выдоха за первую секунду	ОФВ1	Forced expiratory volume 1 sec	FEV1
Индекс Тиффно	ИТ, или ОФВ 1 /ЖЕЛ %		FEV1 % = FEV1/VC %
Максимальная объемная скорость в момент выдоха 25 % ФЖЕЛ, оставшейся в легких	МОС 25	Maximal expiratory flow 25 % FVC	MEF25
Forced expiratory flow 75 % FVC	FEF75
Максимальная объемная скорость в момент выдоха 50 % ФЖЕЛ, оставшейся в легких	МОС 50	Maximal expiratory flow 50 % FVC	MEF50
Forced expiratory flow 50 % FVC	FEF50
Максимальная объемная скорость в момент выдоха 75 % ФЖЕЛ, оставшейся в легких	МОС 75	Maximal expiratory flow 75 % FVC	MEF75
Forced expiratory flow 25 % FVC	FEF25
Средняя объемная скорость выдоха в интервале от 25 % до 75 % ФЖЕЛ	СОС 25-75	Maximal expiratory flow 25-75 % FVC	MEF25-75
Forced expiratory flow 25-75 % FVC	FEF25-75

Таблица 2. Наименование и соответствие показателей легочной вентиляции в различных странах

Украина	Европа	США
мос 25	MEF25	FEF75
мос 50	MEF50	FEF50
мос 75	MEF75	FEF25
СОС 25-75	MEF25-75	FEF25-75

Все показатели легочной вентиляции изменчивы. Они зависят от пола, возраста, веса, роста, положения тела, состояния нервной системы больного и прочих факторов. Поэтому для правильной оценки функционального состояния легочной вентиляции абсолютное значение того или иного показателя является недостаточным. Необходимо сопоставлять полученные абсолютные показатели с соответствующими величинами у здорового человека того же возраста, роста, веса и пола - так называемыми должными показателями. Такое сопоставление выражается в процентах по отношению к должному показателю. Патологическими считаются отклонения, превышающие 15-20 % от величины должного показателя.

5. СПИРОГРАФИЯ С РЕГИСТРАЦИЕЙ ПЕТЛИ «ПОТОК-ОБЪЁМ»

Спирография с регистрацией петли «поток-объем» - современный метод исследования легочной вентиляции, который заключается в определении объемной скорости движения потока воздуха вдыхательных путях и его графическом отображением в виде петли «поток-объем» при спокойном дыхании пациента и при выполнении им определенных дыхательных маневров. За рубежом этот метод называют спирометрией .

Целью исследования является диагностика вида и степени нарушений легочной вентиляции на основании анализа количественных и качественных изменений спирографических показателей.
Показания и противопоказания к применению метода аналогичны таковым для классической спирографии.

Методика проведения . Исследование проводят в первой половине дня, независимо от приема еды. Пациенту предлагают закрыть оба носовых хода специальным зажимом, взять индивидуальную простерилизованную насадку-мундштук в рот и плотно обхватить ее губами. Пациент в положении сидя дышит через трубку по открытому контуру, практически не испытывая сопротивления дыханию
Процедура выполнения дыхательных маневров с регистрацией кривой «поток-объем» форсированного дыхания идентична той, которая выполняется при записи ФЖЕЛ во время проведения классической спирографии. Больному надлежит объяснить, что в пробе с форсированным дыханием выдохнуть в прибор следует так, будто нужно погасить свечи на праздничном торте. После некоторого периода спокойного дыхания пациент делает максимально глубокий вдох, в результате чего регистрируется кривая эллиптической формы (кривая АЕВ). Затем больной делает максимально быстрый и интенсивный форсированный выдох. При этом регистрируется кривая характерной формы, которая у здоровых людей напоминает треугольник (рис. 4).

Рис. 4. Нормальная петля (кривая) соотношения объемной скорости потока и объема воздуха при проведении дыхательных маневров. Вдох начинается в точке А, выдох - в точке В. ПОСвыд регистрируется в точке С. Максимальный экспираторный поток в середине ФЖЕЛ соответствует точке D, максимальный инспираторный поток - точке Е

Спирограмма: объёмная скорость потока – объём потока форсированного вдоха/выдоха .

Максимальная экспираторная объемная скорость потока воздуха отображается начальной частью кривой (точка С, где регистрируется пиковая объемная скорость выдоха - ПОС ВЫД)- После этого объемная скорость потока уменьшается (точка D, где регистрируется МОС 50), и кривая возвращается к изначальной позиции (точка А). При этом кривая «поток-объем» описывает соотношение между объемной скоростью воздушного потока и легочным объемом (емкостью легких) во время дыхательных движений.
Данные скоростей и объемов потока воздуха обрабатываются персональным компьютером благодаря адаптированному программному обеспечению. Кривая «поток-объем» при этом отображается на экране монитора и может быть распечатана на бумаге, сохранена на магнитном носителе или в памяти персонального компьютера.
Современные аппараты работают со спирографическими датчиками в открытой системе с последующей интеграцией сигнала потока воздуха для получения синхронных значений объемов легких. Рассчитанные компьютером результаты исследования печатаются вместе с кривой «поток-объем» на бумаге в абсолютных значениях и в процентах к должным величинам. При этом на оси абсцисс откладывается ФЖЕЛ (объем воздуха), а на оси ординат - поток воздуха, измеряемый в литрах в секунду (л/с) (рис. 5).

Рис. 5. Кривая «поток-объем» форсированного дыхания и показатели легочной вентиляции у здорового человека

Рис. 6 Схема спирограммы ФЖЕЛ и соответствующей кривой форсированного выдоха в координатах «поток-объем»: V - ось объема; V" - ось потока

Петля «поток-объем» представляет собой первую производную классической спирограммы. Хотя кривая «поток-объем» содержит в основном ту же информацию, что и классическая спирограмма, наглядность соотношения между потоком и объемом позволяет более глубоко проникнуть в функциональные характеристики как верхних, так и нижних дыхательных путей (рис. 6). Расчет по классической спирограмме высокоинформативных показателей МОС 25 , МОС 50 , МОС 75 имеет ряд технических трудностей при выполнении графических изображений. Поэтому его результаты не обладают высокой точностью В связи с этим лучше определять указанные показатели по кривой «поток-объем».
Оценка изменений скоростных спирографических показателей осуществляется по степени их отклонения от должной величины. Как правило, за нижнюю границу нормы принимается значение показателя потока, что составляет 60 % от должного уровня.

MICRO MEDICAL LTD (UNITED KINGDOM)


Спирограф MasterScreen Pneumo	Спирограф FlowScreen II

Спирометр-спирограф СпироС-100 АЛЬТОНИКА, ООО (РОССИЯ)

Спирометр СПИРО-СПЕКТР НЕЙРО-СОФТ (РОССИЯ)

Одной из основных характеристик внешнего дыхания является минутный объем дыхания (МОД). Вентиляция легких определяется объемом воздуха вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. МОД – это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов . В норме, в покое ДО равен 500 мл, частота дыхательных циклов – 12 – 16 в минуту, отсюда МОД равен 6 - 7 л/мин. Максимальная вентиляция легких – это объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений.

Альвеолярная вентиляция

Итак, внешнее дыхание, или вентиляция легких обеспечивает поступление в легкие примерно 500 мл воздуха во время каждого вдоха (ДО). Насыщение крови кислородом и удаление углекислого газа происходит при контакте крови легочных капилляров с воздухом, содержащимся в альвеолах. Альвеолярный воздух – это внутренняя газовая среда организма млекопитающих и человека. Ее параметры – содержание кислорода и углекислого газа – постоянны. Количество альвеолярного воздуха примерно соответствует функциональной остаточной емкости легких – количеству воздуха, которое остается в легких после спокойного выдоха, и в норме равно 2500 мл. Именно этот альвеолярный воздух обновляется поступающим по дыхательным путям атмосферным воздухом. Следует иметь в виду, что в легочном газообмене участвует не весь вдыхаемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол. Поэтому для оценки эффективности легочного газообмена важна не столько легочная, сколько альвеолярная вентиляция.

Как известно, часть дыхательного объема не участвует в газообмене, заполняя анатомически мертвое пространство дыхательных путей – примерно 140 – 150 мл.

Кроме того, есть альвеолы, которые в данный момент вентилируются, но не снабжаются кровью. Эта часть альвеол является альвеолярным мертвым пространством. Сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств называется функциональным, или физиологическим мертвым пространством. Примерно 1/3 дыхательного объема приходится на вентиляцию мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе. Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств – альвеолярная вентиляция – представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. В норме альвеолярная вентиляция составляет 70 - 75 % величины МОД.

Расчет альвеолярной вентиляции проводится по формуле: МАВ = (ДО - МП)  ЧД, где МАВ - минутная альвеолярная вентиляция, ДО - дыхательный объем, МП - объем мертвого пространства, ЧД - частота дыхания.

Рисунок 6. Соотношение МОД и альвеолярной вентиляции

Используем эти данные для расчета еще одной величины, характеризующей альвеолярную вентиляцию - коэффициент вентиляции альвеол. Этот коэффициент показывает, какая часть альвеолярного воздуха обновляется при каждом вдохе. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха (ФОЕ), во время вдоха в альвеолы поступает 350 мл воздуха, следовательно, обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха (2500/350 = 7/1).

Объемы дыхания определяются спирометрически и должны причисляться к наиболее показательным вентиляционным величинам.

Минутный объем дыхания

Под этим понимают количество воздуха, вентилируемое при спокойном дыхании за минуту.

Методика определения. Испытуемому, соединенному со спирографом, дают сначала возможность несколько минут привыкать к не совсем обычному для него дыханию. После того как имеющаяся вначале в большинстве случаев гипервентиляция уступит место спокойному дыханию, определяют минутный объем дыхания, умножая объем дыхания при вдохе на число дыханий в минуту. При неспокойном дыхании измеряют объемы, вентилируемые за каждое дыхание на протяжении минуты и результаты складывают.

Нормальные величины. Должный минутный объем дыхания получают, умножая должный основный обмен (должное число калорий за 24 часа в сопоставлении с общей поверхностью тела) на 4,73.

Полученные величины будут в пределах 6-9 л. На них влияют высота метаболизма (интенсивность) (например, тиреотоксикоз) и величина вентиляции мертвого пространства. Это позволяет иногда относить уклонения от нормы за счет патологии одного из этих факторов.

При замене дыхания воздухом на дыхание кислородом у здоровых лиц не происходит изменений в минутном объеме дыхания. Наоборот, при очень выраженной дыхательной недостаточности минутный объем при дыхании кислородом уменьшается и одновременно повышается потребление в минуту кислорода. Наступает «успокоение дыхания». Объясняется такой эффект лучшей артериализацией крови при дыхании чистым кислородом по сравнению с дыханием атмосферным воздухом. Это еще больше обращает на себя внимание при нагрузке.

Сравните с этим сказанное в разделе о кардио-пульмональном (сердечно-легочном) кислородном дефиците.

Проба на максимальный объем выдоха (проба Тиффно)

Под максимальным объемом выдоха понимают экспираторную работу легких за секунду, т. е. количество воздуха, выдыхаемой с силой за секунду после максимального вдоха.

Длительность выдоха у больных эмфиземой больше, чем у здоровых лиц. Этот факт, впервые зарегистрированный на спирометре Hutchinson, был затем подтвержден Tiffeneau и Pinelli, которые указали и на совершенно определенные соотношения его с жизненной емкостью.

В немецкой литературе количество воздуха, выдыхаемое в пробе за секунду, называется «полезной долей жизненной емкости», англичане говорят о «timed capacity» (емкость за определенный промежуток времени), во французской литературе применяется термин «capacite pulmonaire utilisable a l’effort» (легочная емкость, утилизируемая при усилии).

Эта проба приобретает особое значение потому, что она позволяет делать общие выводы о широте дыхательных путей и соответственно о величине сопротивления дыханию в бронхиальной системе, а также об эластичности легких, подвижности грудной клетки и силе дыхательной мускулатуры.

Нормальные величины. Максимальный объем выдоха выражается в процентах к жизненной емкости. У здоровых он равняется 70-80% жизненной емкости. При этом в первую половину секунды должно быть экспирировано не менее 55% имеющейся жизненной емкости.

У здоровых для полного выдоха после глубокого вдоха нужно 4 секунды. Через 2 секунды выдыхают 94%, через 3 секунды - 97% жизненной емкости.

Объем выдоха снижается с возрастом с 83% жизненной емкости в юности до 69% в старости. Этот факт подтвержден Gitter в его обширных исследованиях более чем на 1000 промышленных рабочих. Tiffeneau считает нормальным такой максимальный объем выдоха а первую секунду, который составляет 83,3% истинной или фактической емкости, Biicherl - 77,3% для мужчин и 82,3% для женщин.

Методика выполнения. Применяют спирограф, кимограф которого быстро передвигает ленту (не менее 10 мм/сек). После записи жизненной емкости обычным способом испытуемому предлагают еще раз сделать максимальный вдох, чуть задержать дыхание, потом быстро и насколько возможно глубоко выдохнуть. Некоторого упрощения можно достигнуть, если запись так называемой экспирограммы провести с одновременным определением жизненной емкости и максимального объема выдоха за один выдох после максимального вдоха.

Оценка. Проба Tiffeneau считается надежным критерием для распознавания обструкционного бронхита и обусловленной им эмфиземы. В этих случаях при нормальной жизненной емкости находят значительное снижение максимального объема выдоха, тогда как при рестриктивной вентиляционной недостаточности жизненная емкость хотя и снижена, но процентная доля максимального объема выдоха остается нормальной.

Так как причиной обструкционных нарушений наряду с органически обусловленными препятствиями в дыхательных путях может быть также функциональный спазм, для дифференциально-диагностического выявления подлинной причины рекомендуется проба с астмолизином.

Проба с астмолизином . После предварительного определения жизненной емкости и максимального объема выдоха вводят подкожно 1 мл астмолизина или гистамина и через 30 минут повторно определяют те же величины. Если полученные вентиляционные величины указывают на тенденцию к нормализации, то речь идет о функциональном компоненте обструкционного бронхита.

Статью подготовил и отредактировал: врач-хирург

УДК 612.215+612.1 ББК Е 92 + Е 911

А.Б. Загайнова, Н.В. Турбасова. Физиология дыхания и кровообращения. Учебно-методическое пособие по курсу «Физиология человека и животных»: для студентов 3 курса ОДО и 5 курса ОЗО биологического факультета. Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 2007. - 76 с.

Учебно-методическое пособие включает лабораторные работы, составленные в соответствии с программой курса «Физиология человека и животных», многие из которых иллюстрируют фундаментальные научные положения классической физиологии. Часть работ имеет прикладной характер и представляет собой методы самоконтроля здоровья и физического состояния, способы оценки физической работоспособности.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: В.С.Соловьев, д.мед.н., профессор

Пояснительная записка

Предметом исследования в разделах «дыхание» и «кровообращение» являются живые организмы и их функционирующие структуры, обеспечивающие эти жизненно-важные функции, чем и определяется выбор методов физиологического исследования.

Цель курса: сформировать представления о механизмах функционирования органов дыхания и кровообращения, о регуляции деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем, об их роли в обеспечении взаимодействия организма с внешней средой.

Задачи лабораторного практикума: ознакомить студентов с методами исследования физиологических функций человека и животных; проиллюстрировать фундаментальные научные положения; представить методики самоконтроля физического состояния, оценки физической работоспособности при физических нагрузках различной интенсивности.

На проведение лабораторных занятий по курсу «Физиология человека и животных» отводится 52 часа на ОДО и 20 часов на ОЗО. Итоговая форма отчетности по курсу «Физиология человека и животных» - экзамен.

Требования к экзамену: необходимо понимание основ жизнедеятельности организма, в том числе механизмов функционирования систем органов, клеток и отдельных клеточных структур, регуляции работы физиологических систем, а также закономерности взаимодействия организма с внешней средой.

Учебно-методическое пособие разработано в рамках программы общего курса «Физиология человека и животных» для студентов биологического факультета.

ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

Сущность процесса дыхания заключается в доставке к тканям организма кислорода, обеспечивающего протекание окислительных реакций, что приводит к освобождению энергии и выделению из организма диоксида углерода, образующегося в результате обмена веществ.

Процесс, протекающий в легких и заключающийся в обмене газов между кровью и окружающей средой (воздухом, поступающим в альвеолы, называют внешним, легочным дыханием, или вентиляцией легких .

В результате газообмена в легких кровь насыщается кислородом, теряет углекислоту, т.е. вновь становится способной переносить кислород к тканям.

Обновление газового состава внутренней среды организма происходит вследствие циркуляции крови. Транспортная функция осуществляется кровью благодаря физическому растворению в ней СО 2 и О 2 и связыванию их с компонентами крови. Так, гемоглобин способен вступать в обратимую реакцию с кислородом, а связывание СО 2 происходит в результате образования в плазме крови обратимых бикарбонатных соединений.

Потребление кислорода клетками и осуществление окислительных реакций с образованием углекислого газа составляет сущность процессов внутреннего , или тканевого дыхания .

Таким образом, лишь последовательное изучение всех трех звеньев дыхания может дать представление об одном из самых сложных физиологических процессов.

Для изучения внешнего дыхания (вентиляция легких), газообмена в легких и тканях, а также транспорта газов кровью используют различные методы, позволяющие оценивать дыхательную функцию в состоянии покоя, при физической нагрузке и различных воздействиях на организм.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ПНЕВМОГРАФИЯ

Пневмография - это регистрация дыхательных движений. Она позволяет определить частоту и глубину дыхания, а также соотношение продолжительности вдоха и выдоха. У взрослого человека число дыхательных движений составляет 12-18 в минуту, у детей дыхание более частое. При физической работе оно увеличивается вдвое и более. При мышечной работе изменяется и частота, и глубина дыхания. Изменение ритма дыхания и его глубины наблюдаются во время глотания, разговора, после задержки дыхания и т. п.

Между двумя фазами дыхания нет пауз: вдох непосредственно переходит в выдох и выдох во вдох.

Как правило, вдох несколько короче выдоха. Время вдоха относится ко времени выдоха, как 11:12 или даже как 10:14.

Кроме ритмических дыхательных движений, обеспечивающих вентиляцию легких, по времени могут наблюдаться особые дыхательные движения. Некоторые из них возникают рефлекторно (защитные дыхательные движения: кашель, чихание), другие произвольно, в связи с фонацией (речью, пением, декламацией и др.).

Регистрация дыхательных движений грудной клетки осуществляется при помощи специального прибора - пневмографа. Получаемая запись – пневмограмма – позволяет судить: о продолжительности фаз дыхания - вдоха и выдоха, частоте дыхания, относительной глубине, зависимости частоты и глубины дыхания от физиологического состояния организма - покоя, работы и т.д.

Пневмография основана на принципе воздушной передачи дыхательных движений грудной клетки пишущему рычажку.

Наиболее употребительный в настоящее время пневмограф представляет собой продолговатую резиновую камеру, помещенную в матерчатый чехол, герметически соединенный резиновой трубочкой с капсулой Марэ. При каждом вдохе грудная клетка расширяется и сдавливает воздух в пневмографе. Это давление передается в полость капсулы Марэ, ее упругая резиновая крышечка поднимается, и опирающийся на нее рычажок пишет пневмограмму.

В зависимости от применяемых датчиков пневмографию можно осуществлять различными способами. Наиболее простым и доступным для регистрации дыхательных движений является пневмодатчик с капсулой Марэ. Для пневмографии можно применять реостатные, тензометрические и емкостные датчики, но в этом случае необходимы электронные усилительные и регистрирующие устройства.

Для работы необходимы: кимограф, манжетка от сфигмоманометра, капсула Марэ, штатив, тройник, резиновые трубки, отметчик времени, раствор аммиака. Объект исследования - человек.

Проведение работы. Собирают установку для регистрации дыхательных движений, как показано на рис. 1, А. Манжетку от сфигмоманометра укрепляют на самой подвижной части грудной клетки испытуемого (при брюшном типе дыхания это будет нижняя треть, при грудном - средняя треть грудной клетки) и соединяют ее с помощью тройника и резиновых трубок с капсулой Марэ. Через тройник, открыв зажим, в регистрирующую систему вводят небольшое количество воздуха, следя за тем, чтобы слишком высокое давление неразорвало резиновую перепонку капсулы. Убедившись, что пневмограф укреплен правильно и движения грудной клетки передаются рычажку капсулы Марэ, подсчитывают число дыхательных движений в минуту, а затем устанавливают писчик по касательной к кимографу. Включают кимограф и отметчик времени и приступают к записи пневмограммы (испытуемый при этом не должен смотреть на пневмограмму).

Рис. 1. Пневмография.

А - графическая регистрация дыхания с помощью капсулы Марэ; Б - пневмограммы, записанные при действии различных факторов, вызывающих изменение дыхания: 1 - широкая манжетка; 2 - резиновая трубка; 3 – тройник; 4 - капсула Марэ; 5 – кимограф; 6 -отметчик времени; 7 - универсальный штатив; а - спокойное дыхание; б - при вдыхании паров аммиака; в - во время разговора; г - после гипервентиляции; д - после произвольной задержки дыхания; е - при физической нагрузке; б"-е" - отметки применяемого воздействия.

Регистрируют на кимографе следующие типы дыхания:

1) спокойное дыхание;

2) глубокое дыхание (испытуемый произвольно делает несколько глубоких вдохов и выдохов – жизненная емкость легких);

3) дыхание после физической нагрузки. Для этого испытуемого просят, не снимая пневмографа, сделать 10-12 приседаний. При этом, чтобы в результате резких толчков воздуха не разорвалась покрышка капсулы Марея, зажимом Пеана пережимают резиновую трубочку соединяющую пневмограф с капсулой. Тотчас после окончания приседаний зажим снимают и записывают дыхательные движения);

4) дыхание во время декламации, разговорной речи, смеха (обращают внимание, как изменяется продолжительность вдоха и выдоха);

5) дыхание при кашле. Для этого испытуемый делает несколько произвольных выдыхательных кашлевых движений;

6) одышку - диспноэ, вызванную задержкой дыхания. Опыт производят в следующем порядке. Записав нормальное дыхание (эйпноэ) в положении испытуемого сидя, просят его задержать дыхание на выдохе. Обычно через 20-30 секунд происходит непроизвольное восстановление дыхания, причём частота и глубина дыхательных движений становятся значительно больше, наблюдается одышка;

7) изменение дыхания при уменьшении углекислого газа в альвеолярном воздухе и крови, что достигается гипервентиляцией лёгких. Испытуемый делает глубокие и частые дыхательные движения до лёгкого головокружения, после чего наступает естественная задержка дыхания (апноэ);

8) при глотании;

9) при вдыхании паров аммиака (к носу испытуемого подносят вату, смоченную раствором аммиака).

Некоторые пневмограммы представлены на рис. 1,Б.

Полученные пневмограммы наклейте в тетрадь. Рассчитайте количество дыхательных движений в 1 минуту при разных условиях регистрации пневмограммы. Определите, в какую фазу дыхания осуществляется глотание и речь. Сравните характер изменения дыхания под влиянием различных факторов воздействия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

СПИРОМЕТРИЯ

Спирометрия - метод определения жизненной емкости легких и составляющих ее объемов воздуха. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - это наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимального вдоха. На рис. 2 показаны легочные объемы и емкости, характеризующие функциональное состояние легких, а также пневмограмма, поясняющая связь объемов и емкостей легких с дыхательными движениями. Функциональное состояние легких зависит от возраста, роста, пола, физического развития и ряда, других факторов. Для оценки функции дыхания у данного лица, измеренные у него легочные объемы следует сравнивать с должными величинами. Должные величины рассчитывают по формулам или определяют по номограммам (рис. 3), отклонения на ± 15% расцениваются как несущественные. Для измерения ЖЕЛ и составляющих ее объемов используют сухой спирометр (рис. 4).

Рис. 2. Спирограмма. Легочные объёмы и ёмкости:

РОвд - резервный объем вдоха; ДО - дыхательный объем; РОвыд - резервный объем выдоха; ОО - остаточный объем; Евд - емкость вдоха; ФОЕ - функциональная остаточная емкость; ЖЕЛ - жизненная емкость легких; ОЕЛ - общая емкость легких.

Легочные объемы:

Резервный объем вдоха (РОвд) – максимальный объем воздуха, который человек может вдохнуть после спокойного вдоха.

Резервный объем выдоха (РОвыд) – максимальный объем воздуха, который человек может выдохнуть после спокойного выдоха.

Остаточный объем (ОО) – объем газа в легких после максимального выдоха.

Емкость вдоха (Евд) – максимальный объем воздуха, который человек может вдохнуть после спокойного выдоха.

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) – объем газа в легких, остающийся после спокойного вдоха.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после максимального вдоха.

Общая емкость легких (ОЕл) – объем газов в легких после максимального вдоха.

Для работы необходимы: сухой спирометр, носовой зажим, загубник, спирт, вата. Объект исследования - человек.

Преимущество сухого спирометра заключается в том, что он портативен и удобен в работе. Сухой спирометр представляет собой воздушную турбинку, вращаемую струей выдыхаемого воздуха. Вращение турбинки через кинематическую цепь передается стрелке прибора. Для остановки стрелки по окончании выдоха спирометр снабжен тормозным устройством. Величину измеряемого объема воздуха определяют по шкале прибора. Шкалу можно поворачивать, что позволяет устанавливать стрелку на нуль перед каждым измерением. Выдох воздуха из легких производят через мундштук.

Проведение работы. Мундштук спирометра протирают ватой, смоченной спиртом. Испытуемый после максимального вдоха делает максимально глубокий выдох в спирометр. По шкале спирометра определяют ЖЕЛ. Точность результатов повышается, если измерение ЖЕЛ производят несколько раз и вычисляют среднюю величину. При многократных измерениях необходимо каждый раз устанавливать исходное положение шкалы спирометра. Для этого у сухого спирометра поворачивают измерительную шкалу и нулевое деление шкалы совмещают со стрелкой.

ЖЕЛ определяют в положении испытуемого стоя, сидя и лежа, а также после физической нагрузки (20 приседаний за 30 секунд). Отмечают разницу в результатах измерений.

Затем испытуемый осуществляет несколько спокойных выдохов в спирометр. При этом подсчитывают количество дыхательных движений. Разделив показания спирометра на число выдохов, сделанных в спирометр, определяют дыхательный объем воздуха.

Рис. 3. Номограмма для определения должной величины ЖЕЛ.

Рис. 4. Суховоздушный спирометр.

Для определения резервного объема выдоха испытуемый делает после очередного спокойного выдоха максимальный выдох в спирометр. По шкале спирометра определяют резервный объем выдоха. Повторяют измерения несколько раз и вычисляют среднюю величину.

Резервный объем вдоха можно определить двумя способами: вычислить и измерить спирометром. Для его вычисления необходимо из величины ЖЕЛ вычесть сумму дыхательного и резервного (выдоха) объемов воздуха. При измерении резервного объема вдоха спирометром в него набирают определённый объем воздуха и испытуемый после спокойного вдоха делает максимальный вдох из спирометра. Разность между первоначальным объемом воздуха в спирометре и объемом, оставшимся там после глубокого вдоха, соответствует резервному объему вдоха.

Для определения остаточного объема воздуха не существует прямых методов, поэтому используют косвенные. Они могут быть основаны на разных принципах. Для этих целей применяют, например, плетизмографию, оксигемометрию и измерение концентрации индикаторных газов (гелий, азот). Считают, что в норме остаточный объем составляет 25-30% от величины ЖЕЛ.

Спирометр дает возможность установить и ряд других характеристик дыхательной деятельности. Одной из них являет величина легочной вентиляции. Для ее определения число циклов дыхательных движений в минуту умножают на дыхательный объем. Так, за одну минуту между организмом и средой в норме обменивается около 6000 мл воздуха.

Альвеолярная вентиляция = частота дыхания х (дыхательный объем - объем «мертвого» пространства).

Установив параметры дыхания, можно оценить интенсивность обмена веществ в организме, определив потребление кислорода.

В ходе работы важно выяснить, находятся ли величины, полученные для конкретного человека, в пределах нормы. С этой целью были разработаны специальные номограммы и формулы, где учитывается корреляция отдельных характеристик функции внешнего дыхания и таких факторов как: пол, рост, возраст и др.

Должная величина жизненной емкости легких рассчитывается по формулам (Гуминский А.А., Леонтьева Н.Н., Маринова К.В., 1990):

для мужчин -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) – (возраст (лет) х 0,022)} - 3,60;

для женщин –

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,041)- (возраст (лет) х 0,018)} - 2,68.

для мальчиков 8 -12 лет -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) - (возраст (лет) х 0,022)} - 4,6;

для мальчиков 13 -16 лет-

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) - (возраст (лет) х 0,022)} - 4,2;

для девочек 8 - 16 лет -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,041) - (возраст (лет) х 0,018)} - 3,7.

К 16-17 годам жизненная емкость легких достигает величин, характерных для взрослого человека.

Результаты работы и их оформление. 1. Занесите в таблицу 1 результаты измерений, вычислите среднее значение ЖЕЛ.

Таблица 1

Номер измерения	ЖЕЛ (покой)
Номер измерения	стоя	сидя
1 2 3 Среднее

2. Сравните результаты измерений ЖЕЛ (покой) стоя и сидя. 3. Сравните результаты измерений ЖЕЛ стоя (покой) с результатами, полученными после физической нагрузки. 4. Рассчитайте % от должной величины, зная показатель ЖЕЛ, полученный при измерении стоя (покой) и должной ЖЕЛ (рассчитанной по формуле):

ЖЕЛфакт. х 100 (%).

5. Сравните величину ЖЕЛ, измеренную спирометром, с должной ЖЕЛ, найденной по номограмме. Рассчитайте остаточный объем, а также емкости легких: общую емкость легких, емкость вдоха и функциональную остаточную емкость. 6. Сделайте выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНУТНОГО ОБЪЕМА ДЫХАНИЯ (МОД) И ЛЕГОЧНЫХ ОБЪЕМОВ

(ДЫХАТЕЛЬНОГО, РЕЗЕРВНОГО ОБЪЕМА ВДОХА

И РЕЗЕРВНОГО ОБЪЕМА ВЫДОХА)

Вентиляция легких определяется объемом воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. Обычно измеряют минутный объем дыхания (МОД). Его величина при спокойном дыхании 6-9 л. Вентиляция легких зависит от глубины и частоты дыхания, которая в состоянии покоя составляет 16 в 1 мин (от 12 до 18). Минутный объем дыхания равен:

МОД = ДО х ЧД,

где ДО - дыхательный объем; ЧД - частота дыхания.

Для работы необходимы: сухой спирометр, носовой зажим, спирт, вата. Объект исследования - человек.

Проведение работы. Для определения объема дыхательного воздуха испытуемый должен сделать спокойный выдох в спирометр после спокойного вдоха и определить дыхательный объем (ДО). Для определения резервного объема выдоха (РОвыд) после спокойного обычного выдоха в окружающее пространство сделать глубокий выдох в спирометр. Для определения резервного объема вдоха (РОвд) установить внутренний цилиндр спирометра на каком-либо уровне (3000-5000), а затем, сделав спокойный вдох из атмосферы, зажав нос, сделать максимальный вдох из спирометра. Все измерения повторить три раза. Резервный объем вдоха можно определить по разнице:

РОвд = ЖЕЛ – (ДО – РОвыд)

Расчетным методом определить сумму ДО, РОвд и РОвыд, составляющую жизненную емкость легких (ЖЕЛ).

Результаты работы и их оформление. 1. Полученные данные оформите в виде таблицы 2.

2. Рассчитайте минутный объем дыхания.

Таблица 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4