Аэродинамика дыхания. 
Физиология дыхания

Этот раздел изучает движение воздушной струи в дыхательных путях.

Механизмы воздушного потока. Движущей силой для движения воздуха служит разность давлений. При вдохе легкие расширяются и в альвеолах создается некоторое разрежение — альвеолярное давление становится меньше атмосферного. Разница между атмосферным и альвеолярным давлениями служит движущей силой для потока воздуха при вдохе. При выдохе легкие спадаются, альвеолярное давление несколько повышается и становится больше атмосферного. Движущей силой для потока воздуха при выдохе также служит разница между атмосферным и альвеолярным давлениями, только направлена она уже в другую сторону.

Количественное описание воздушного потока Воздушный поток — это количество воздуха, проходящее через дыхательные пути в единицу времени; он измеряется в л/с.

Воздушный поток прямо пропорционален движущей силе (разнице между атмосферным и альвеолярным давлением) и обратно пропорционален сопротивлению дыхательных путей; отсюда, в некотором приближении:

Q = (Pальв — Pатм)/R, (12).

где Q — воздушный поток в дыхательных путях; Pальв — альвеолярное давление; Pатм — атмосферное давление; R — сопротивление дыхательных путей.

Или, если принять атмосферное давление за ноль:

Q = Pальв/R. (13).

Из уравнения (13) следует, что при повышении сопротивления дыхательных путей (например, при спазме бронхиол) необходимый воздушный поток может быть достигнут за счет повышения альвеолярного давления. Однако это повышение не безгранично из-за динамического закрытия дыхательных путей.

Динамическое закрытие дыхательных путей Этот эффект обусловлен двумя факторами:

• — действием соседних альвеол друг на друга;
• — мягкостью стенок мелких бронхиол.

Пусть при форсированном выдохе альвеолярное давление достигает 8 см вод. ст. Это давление передается на дыхательные пути соседних альвеол и стремится их сжать. Однако эти дыхательные пути не спадаются, так как в противоположном направлении действуют две силы:

• — растягивающая упругая сила, равная эластической тяге легких, давление этой силы составляет 7 см вод. ст.;
• — остаточное давление в дыхательных путях: по мере удаления от альвеолы давление падает, но все же не до нуля. К тому моменту, когда в стенке бронхиол появляются хрящевые кольца (от этого участка дыхательные пути уже спадаться не могут), давление снизилось вдвое и стало равным 4 см вод. ст.

Таким образом, сдавливающее давление в данном случае равно 8 см вод. ст., а противодействующее ему — 4 + 7 = 11 см вод. ст.; дыхательные пути не спадаются.

На рис. 10.4, Б изображены те же две альвеолы, но только выдох еще более резкий — альвеолярное давление достигает 18 см вод. ст. К точке появления хрящевых колец давление в дыхательных путях, как и в предыдущем случае, снижается вдвое (до 9 см вод. ст.), и сумма растягивающих давлений (9 + 7 = 16 см вод. ст.) становится меньше сдавливающего — дыхательные пути спадаются. Это и есть динамическое закрытие дыхательных путей.

Из этого следуют следующие важные особенности.

Максимальная скорость форсированного выдоха всегда меньше, чем вдоха, так как на вдохе альвеолярное давление, напротив, становится отрицательным и не сдавливает соседние дыхательные пути.

По мере форсированного выдоха скорость воздушного потока снижается, так как чем меньше объем легких, тем меньше их эластическая тяга (см. выше, разд. «Биомеханика дыхания»).

Скорость форсированного выдоха ограничена тем альвеолярным давлением, при котором наступает динамическое закрытие дыхательных путей. Попытки выдохнуть еще быстрее за счет интенсивного сокращения экспираторных мышц бесполезны: чем больше мышечное усилие, тем больше альвеолярное давление и сдавление дыхательных путей (эффект воздушной ловушки).

Любые нарушения, приводящие к снижению эластической тяги легких, сделают выдох затрудненным.

Любые нарушения, приводящие к повышению сопротивления мелких дыхательных путей (например, спазм бронхиол), также сделают выдох затрудненным, так как чем больше сопротивление, тем быстрее падает давление в дыхательных путях и, соответственно, общее давление, растягивающее дыхательные пути; вдох при этом почти не нарушится.

Показатели скорости воздушного потока Основные методы измерения этих показателей:

• — спирометрия;
• — пневмотахометрия.

При спирометрии человека просят сделать максимальный вдох, затем — как можно более быстрый выдох; при этом записывают спирограмму. По мере выдоха его скорость снижается. При этом можно зарегистрировать множество показателей скорости воздушного потока; важнейшие из них — объем форсированного выдоха за первую секунду выдоха (ОФВ 1) и отношение этого объема к форсированной жизненной емкости легких ОФВ 1/ФЖЕЛ (это отношение показывает, какую часть от общего объема максимального форсированного выдоха, то есть от ФЖЕЛ, человек выдыхает за первую секунду; в норме оно составляет около 75%).

При пневмотахометрии человека также просят сделать максимальный вдох, затем — как можно более быстрый выдох, но регистрируют при этом не объем выдыхаемого воздуха (как при спирометрии), а непосредственно максимальную скорость воздушного потока.