پاورپوینت فیزیک شش ها و تنفس


فیزیک شش ها و تنفس

فهرست مطالب
مقاومت راه هوایی
کار دم و بازدم
فیزیک برخی از بیماری های ششی رایج
مقدمه
نقش شش ها
مسیرهای هوایی
چگونگی تداخل کاری خون و ششها
اندازه گیری حجم های ششی
رابطه فشار-جریان هوا-حجم شش ها
فیزیک کیسه هوایی
مکانیسم تنفس

مقدمه
در بدن منبع انرژی غذاست، غذا در دستگاه گوارش آماده و سپس در سلول های بدن با اکسیژن ترکیب میشود تا انرژی آزاد کند. برای هر یک از سول های زنده ی بدن باید سوخت(اکسیژن) وروشی برای دفع تولیدات جنبی فراهم کرد ،تولیدات جنبی از چهار طریق از بدن خارج میشوند :
1)بخش های غیر قابل گوارش به صورت مدفوع دفع میشود(ازین طریق فقط مقدار کمی گاز سمی آزاد میگردد).
2) آب و سایر تولیدات جنبی همراه با ادار دفع میشوند.
3)در جریان تنفس روزانه حدود۰٫۵کیلوگرم گازCo2 از راه شش ها خارج میگردد.
4) بخشی از طریق گرما و تعرق.
دستگاه قلبی عروقی (خون و رگها( مانند دستگاه حمل و نقل در سلول ها عمل میکنند و دستگاه تنفسی (شش ها) فراهم کننده ی O2و دفع کننده ی Co2 هستند.خونO2را به بافت ها میبردوCo2را از بافت ها میگیرد.
به علت همکاری نزدیک و تداخل کاری میان دستگاههای قلبی عروقی و تنفسی، کار یک دستگاه معمولاً بر دیگری اثر می گذارد. برای مثال، در جریان تنفس فشار روی سیاهرگهای اصلی درقفسه سینه در بازگشت خون به قلب اثر می گذارد. معمولاً بیماری ششها موجب عوارض قلبی خواهد شد و برعکس.

نقش ششها:
1) مبادله O2وCo2
2) نقش فرعی ششها مبادله گرماوبرقراری توازن میان مایعات بدن از طریق گرم و مرطوب کردن هوایی است که تنفس میکنیم (دم).
3) مکانیسم های تنفس جریان کنترل شده ای از هوا را تولید میکند که در حرف زدن،سرفه کردن، عطسه کردن، آه کشیدن، هق هق کردن، خندیدن ، بوییدن و خمیازه کشیدن ضروری است.
4) تولید صدا،الگوهای تنفسی در جریان سخن گفتن
متفاوت هستند و صدا در نتیجه خروج کنترل شده جریان هوا از ششها تولید می شود(مقاومت راه هوایی ایجاد شده با طنابهای صوتی ،فشار نای را به شدت افزایش می دهد. بنابراین، میزان کار در صحبت کردن و آواز خواندن بسیار بیشتر از میزان کار در تنفس طبیعی است).
5) سدکردن راه هوا، فشار افزایش یافته ای برای خروج مدفوع و استفراغ کردن تولید میکند.

ما در هر دقیقه حدود ۶ لیتر هوا تنفس میکنیم.
مردان در زمان استراحت ۱۲ بار، زنان ۲۰ بار و نوزادان ۶۰ بار در دقیقه نفس میکشند. تقریباً ۸۰٪ هوایی که تنفس میکنیم نیتروژن و ۲۰٪ آن اکسیژن است. حدود ۸۰٪ هوای بازدم نیتروژن ، ۱۶٪ اکسیژن و ۴٪ آن CO2 است. هچنین ما، هوای تنفس شده را با آب اشباع می کنیم که در هوای خشک، بازدم ما تقریبا ۰/۵ کیلوگرم آب در خود دارد (از این رطوبت می توان برای پاک کردن عینک استفاده کرد) و در هوای سرد بخشی از این رطوبت متراکم می شود و ما می توانیم نفسمان را ببینیم.

مسیر های هوایی:
هوا در حالت طبیعی از طریق بینی وارد بدن می گردد و در صورت لزوم در آن جا گرم و مرطوب و سپس تصفیه می شود. سطح مرطوب و موهای درون بینی ذرات غبار، حشرات و غیره را به دام می اندازد. در ورزشهای سنگین از جمله دویدن، هوا از دهان تنفس می شود و در این حالت مرحله تصفیه حذف می شود.
سپس هوا از نای (لوله هوا) می گذرد. نای به دو قسمت تقسیم می شود تا از طریق نایژه ها برای هرشش هوا فراهم کند. هر نایژه نیز تقسیم می شود و
این تقسیم تقریباً ۱۵ بار تکرار می شود. نایژه های انتهایی حاصل، هوای میلیونها کیسه کوچک به نام کیسه های هوایی را فـراهـم می کنند. ایـن کیسه های هوایی به حبابهای کوچک متصل به هم شبیه اند.در جریان تنفس این کیسه ها باز و بسته می شوند و محل، مبادله O2 و CO2 هستند. هر کیسه هوایی با خون احاطه شده است تا O2 بتواند از کیسه هوایی به درون گلبولهای سرخ خون جریان پیدا کند وCO2از خون به هوای درون کیسه هوایی راه یابد.

مسیرهای هوا علاوه بر آنکه حمل و نقل هوا را به عهده دارند، ذرات گرد و غباری را که به دیواره مرطوب این مسیرها می چسبند پاک میکنند. بدن دو مکانیسم برای پاک کردن این مسیرها از ذرات خارجی دارد. ذرات درشت با سرفه به بیرون و ذرات کوچک با میلیونها مژکهای مویی شکل بسوی دهان رانده می شوند. مژکها با طولی نزدیک به mm ۰٫۱ ، حرکتی موجی دارند و مخاط حمل کننده غبار و سایر ذرات کوچک را ،بسوی مسیرهای اصلی هوا هدایت میکنند. هر مژک حدود 1000بار در دقیقه می لرزد. مژکها رامی توان مانند یک پله برقی برای نای در نظر گرفت.تقریباً 30 دقیقه وقت لازم است تا ذره ای غبار از نایژه و نای به سمت گلو پاک سازی شود. این ذره از آن جا خارج یا بلعیده می شود.
شکل :شمایی نایژه های انتهایی و کیسه های هوایی

چگونگی تداخل کاری خون و ششها:
تا اینجا فهمیدیم که کار اصلی تنفس رساندن منبعی از CO2 به خون در ششها و دفع CO2 است.خون از قلب به ششها با فشار نسبتا پایینی پمپ می شود. اوج فشار خون میانگین در سرخرگ ششی اصلی حامل خون به ششها ۱۵٪ فشار در گردش اصـلی بـدن است. ششها مقاومت ناچیزی در برابر جریان خون دارند. به طور میانگین حدود یک پنجم (حدود یک لیتر) خون بدن در ششهاست،اما فقط حدود ml ۷۰ از این خون که در هر لحظه در مویرگهای ششها جریان دارد،O2 می گیرد.
از آنجا که خون مدتی کمتر از یک ثانیه در مویرگهای ششی می ماند، باید ساختمان ششها برای مبادله سریع گازها مناسب باشد. کیسه های هوایی ششها دیواره های بسیار نازکی دارند و در دستگاه مویرگی ششی با خون احاطه شده اند. سطح تماس بین هوا و خون در ششها حدود ۸۰ متر مربع (نزدیک به نصف مساحت یک زمین تنیس) است. که تبادل گاز های تنفسی را ممکن میکند.
در مبادله گازها در ششها دو فرآیند عمومی صورت می گیرد:
1)رساندن خون به بستر مـویرگی ششی (خونرسانی)
2) رساندن هوا به سطح کیسه های هوایی (تهویه).
اگر هر یک از اینفرآیندها دچار اشکال شود، خون به طور کامل اکسیژن گیری نخواهد کرد.

سه نوع ناحیه تهویه – پرفیوژن در ششها وجود دارد: (۱) نواحی با تهویه و خونرسانی خوب (۲) نواحی با تهویه خوب و خونرسانی ضعیف (۳) نواحی با تهویه ضعیف و خونرسانی خوب. بیش از ۹۰٪ حجم کل شش طبیعی از نوع اول است. اگر مسیر . مسیر جریان خون به بخشی از شش با یک لخته مسدود شود (آمبولی ریه)، آن حجم از شش خونرسانی ضعیفی خواهد داشت . اگر راههای هوایی مسدود شود (مانند بیماری ذات الریه) تهویه در آن ناحیه ضعیف خواهد بود. بسیاری از بیماریهای ریوی باعث کاهش در میزان خونرسانی یا تهویه می شوند.

انتقال O2 وCO2 به درون و بیرون خون طبق قانون فیزیکی انتشار کنترل میشود. همه مولکولها پیوسته در حال جنبش اند. در گازها و مایعات و حتی تا اندازه ای در جامدات، مولکولهادر یک وضعیت نمی مانند. مولکول ها حرکت کردهو منتشر میشوند. مولکولهای هم گونه از ناحیه ای با غلظت بیشتر
به ناحیه ای با غلظت کمتر انتشار می یابند تا زمانی که غلظت یکنواخت شود.
توجه:چون جرم یک مولکول O2 کمتر است، سریعتر از یک مولکول CO2 انتشار می یابد.
در ششها باید به پدیده انتشار در گازها و مایعات توجه شود. در دمای اتاق مولکولهای یک گاز با سرعتی نزدیک به سرعت صوت حرکت می کنند. هر مولکول در فرآیند حرکت، به طور تصادفی، در هر ثانیه حدود۱۰بار بامولکولهای اطراف برخورد میکند.انتشار به سرعت مولکولها بستگی دارد؛ اگر مولکولها سبک باشند، سریعتر منتشر می شوند.
شایان به ذکر است که انتشار با دما افزایش می یابد.در ششها انتشار در کسری از ثانیه رخ می دهد.
انتشار O2در بافت حدود ۱۰/۰ مرتبه کندتر ازانتشار در هواست، اما ضخامت بافتی که مولکولها باید در ششها از میان آن انتشار یابند بسیار اندک است و انتشار از میان دیواره کیسه های هوایی کمتر از یک ثانیه طول میکشد.
قانون دالتون:اگر مخلوطی از گازهای مختلف داشته باشیم، هر گاز نقش خود را در فشـار کـل به گونه ای انجام می دهد که به تنهایی ایفا میکرد.

بخش گنجایش باقیمانده عملی:

مخلوط گازها در کیسه هوایی با مخلوط گازها در هوای معمولی یکسان نیست. ششها در جریان بازدم خالی نمی شوند. در پایان هر بازدم در جریان تنفس طبیعی ششها نزدیک به ۳۰٪ حجم خود راحفظ می کنند. این بخش گنجایش باقیمانده عملی(FRC) نامیده می شود.
برای پی بردن به رفتار گازها در ششها بررسی قانون دالتون در فشارهای جزئی ضروری است.یک محفظه مسدود یک لیتری هوای خشک را در فشار اتمسفر (mmHg ۷۶۰) در نظر بگیرید. اگر همه مولکولها را به غیر از مولکول اکسیژن از محفظه خارج کنید، فشار تا حد mmHg ۱۵۰ (یعنی ۲۰٪ از mmHg ۷۶۰) پایین خواهد آمد. این فشارجزئی اکسیژن PO2 است.
در محفظه مسدودی از خون و O2 ،برخی مولکولهای O2 با خون برخورد میکنند و در آن حل می شوند. پس از مدتی تعداد مولکولهای O2 که در هر ثانیه از خون خارج می گردد با تعداد مولکولهایی که وارد آن می شود برابر خواهد شد. آنگاه خون PO2 ای برابر با O2 خواهد بود که با آن درتماس بوده است. اگر PO2 در فاز گاز دو برابر شود، میزان O2 حل شده در خون نیز در برابر خواهد شد. این نشانه درستی قانون هنری در مورد حلالیت گازهاست.
میزان گاز حل شده در خون برای هر گازی تفاوت میکند. اکسیژن در خون یا آب چندان محلول نیست. حلالیت متفاوت O2 و CO2 در بافت بر انتقال این گازها از دیواره کیسه های هوایی اثر می گذارد.
شکل :درصدها و فشارهای جزیی O2 و CO2 در هوای دمی، کیسه هوایی و بازدمی

در تنفس طبیعی، هوای تازه وارد کیسه های هوایی،که هنوز پر از هوای باقیمانده از تنفس پیشین است، نمی شود. به دلیل غلظت بالاتر آن، O2 تازه سریعاً از میان هوای کهنه انتشار می یابد تا به سطح کیسه هوایی برسد. O2 در رطوبت دیواره کیسه هوایی حل می شود و در درون خون مویرگی منتشرمی شود تا وقتی که PO2 در خون برابر با PO2 کیسه هوایی شود. این فرایند کمتر از ۰/۵ ثانیه طول میکشد . در همین زمان CO2 در خون با سرعتی حتی بیشتر در گاز درون کیسه هوایی انتشار می یابد تا وقتی که PCO2 در خون با PCO کیسه هوایی یکسان شود.

خون قادر به حمل O2 بسیار کمی به صورت محلول است. بیشتر O2 لازم برای سلولها، در ترکیب شیمیایی با هموگلوبین (Hb )در گلبولهای سرخ خون حمل می شود.از آنجا که بخش اعظم O2 محلول نیست، قانون انتشار تغییر میکند. O2 با روشی،که بستگی به منحنی تجزیه (شکل روبرو)دارد، با Hb ترکیب یا از آن جدا می شود. Hb در حال خروج از ششها تقریباً با ۹۷٪ از اکسیژنی که در PO2 حدودmmHg ۱۰۰ وجود دارد، اشباع شده است. PO2 باید نزدیک به ۵۰٪ کاهش یابدتا بار O2 خون به طورچشمگیری کاهش پیدا کند. زمانی که خون به سلولها و محیط آنها که PO2 آن پایین است می رسد، O2 از Hb جدا می شودودر درون سلولها انتشار می یابد. تمام اکسیژن از Hb خارج نمی شود بلکه میزان خروج به PO2 در بافتها بستگی دارد.

در حالت استراحت، خون سیاهرگی با ۷۵٪ بار O2 خود به قلب باز می گردد. O2 در خون می ماند، زیرا بافتها به آن نیازی ندارند. هنگام ورزش یا فعالیت سنگین وضعیت در ماهیچه فعال به شدت تغییر میکند.PO2در ماهیچه های در حال کار به سرعت پایین می آید و باعث تجزیه O2 بیشتری از Hb و انتشار آن به ماهیچه می شود.

جدا شدن O2 از Hb به PH ،PCO2 و دما نیز بستگی دارد. در جریان ورزش، PCO2 ، اسیدیته ودما در ماهیچه های در حال کار همگی افزایش می یابند. این افزایشها همگی منحنی شکل قبل را به راست انتقال داده و به Hb امکان رها کردن O2 بیشتری می دهند. بنابراین، همه این عوامل O2 را درماهیچه های در حال کار می افزایند.
سطح CO2 در خون با آهنگ تنفس کمابیش ثابت نگهداشته می شود. تنفس سریع بیش از اندازه می تواند PCO2 را در خون پایین آورد. این کار باعث آشفتگی ذهنی و غش می شود.
مسمومیت باCO: مولکولهای Co، در جاهایی که در حالت طبیعی دراختیار اکسیژن هستند، محکم به Hb متصل می شوند. اتصال این مولکولها حـدود ۲۵۰ مرتبه محکم تر از O2 است و به راحتی در بافتها تجزیه نمی شود. علاوه بر استفاده از محلهایی که در حالت طبیعی برای انتقال O2 به کار می رود، Co رها شدن O2 از Hb را مهار میکند. بنابراین، حتی مقدار اندکی از Co می تواند میزان رسیدن O2 را به بافتها به طور خطرناکی کاهش دهد. کسانی که سیگارمیکشند برای هر بسته نزدیک به Co ، ۲۵۰cm3 را فرو می دهند.همچنین افرادی که در ترافیک سنگین رانندگی میکنند، معمولاً Co را فرو می دهند. مونواکسیدکربن با محروم کردن بافتها از O2 ممکن است باعث مرگ شود.

اندازه گیری حجم های ششی
از وسیله ای نسبتاً ساده به نام اسپیرومتر برای اندازه گیری جریان هوا به درون و بیرون ششها و ثبت آن روی یک نمودار حجم براساس زمان استفاده می شود.
ما در جریان تنفس طبیعی در حالت استراحت نزدیک به 500 سانتی متر مکعب هوا را در هر نفس فرو می دهیم که از آن به عنوان حجم جـاری یاد می شود. چه در آغاز و چه در پایان تنفس طبیعی ذخیره قابل توجهی از هوا وجود دارد. در پایان یک دم طبیعی، با مقداری تلاش ممکن است ششها را از هوا پر تر کرد. هوای اضافی فرو برده حجم ذخیره دمی نامیده می شود. به همین نحو می توانید در پایان یک بازدم طبیعی هوای بیشتری را از شش هایتان خارج کنید. این هوای بازدمی اضافی حجم ذخیره بازدمی نام دارد. هوای باقیمانده در ششها پس از یک بازدم طبیعی گنجایش باقیمانده عملی (FRC) نامیده می شود.
برخی از آزمایشهای بالینی را می توان با اسپیرومتر انجام داد. اندازه هوای فرو برده شده در یک دقیقه حجم تنفسی در دقیقه نامیده می شود و بیشترین حجم هوایی که می توان در ۱۵ ثانیه فرو برد بیشینه تهویه ارادی نام دارد و کمیت بالینی مفیدی است.

یک فرد طبیعی می تواند حدود ۷۰٪ گنجایش حیاتی خود را در ۰/۵ ثانیه، ۸۵٪ را در ۱ ثانیه، ۹۴٪ را در ۲ ثانیه و ۹۷٪ را در ۳ ثانیه بیرون دهد. اوج سرعت های جریان طبیعی ۵۰۰ تا ۳۵۰ لیتر در دقیقه است.
اندازه گیری حجمهای ششی

رابطه فشار-جریان هوا-حجم شش ها
تفاوت فشار مورد نیاز برای جریان یافتن هوا به درون یا بیرون ششهای یک شخص سالم بسیار کم است. ششهای یک فرد طبیعی بسیار کوچک است.
از آنجا که مری از میان قفسه سینه می گذرد، می توان بازتاب فشار میان ششها و دیواره قفسه سینه (حجم داخل جنبی یا داخل قفسه سینه ای را به کمک مری مشاهده کرد. اندازه گیری فشار درون مری با یک فشار سنج درجه ای امکان پذیر است. این فشار در حالت طبیعی به دلیل کشسانی شش ها منفی (نزدیک mmHg 10-) است.
ششها و دیواره قفسه سینه در حالت طبیعی با هم جفت اند. رفتار دستگاه نتیجه ترکیب ویژگیهای فیزیکی این دو است.

فشارهای معمولی(a) آهنگهای جریان (b)و حجم های ششی (c)معمول در جریان تنفس آرام برای یک فرد طبیعی (خط ممتد) و یک بیمار با راه هوایی تنگ شده (خط چین).
رابطه فشار-جریان هوا-حجم شش ها
به فشار افزایش یافته و آهنگهای کاهش یافته جریان هنگام بازدم مربوط به راه هوایی تنگ شده توجه کنید.

فیزیک کیسه هوایی
فیزیک کیسه های هوایی از نظر فیزیکی، کیسه های هوایی مانند میلیونها حباب کوچک به هم پیوسته هستند. آنها به دلیل کشش سطحی یک پوشش مایع منحصر به فرد تمایلی طبیعی به کوچک شدن دارند. این پوشش،که سورفاکتانت نام دارد و برای کارکرد درست شش ضروری است.
فقدان سورفاکتانت در شش نوزادان، به ویژه نوزادان نارس، علت سندرم زجر تنفسی با منشا نامعلوم (RDS)است که گاهی بیماری غشای هیالن نامیده می شود. این بیماری سالانه سبب مرگ هزاران نوزاد در ایالات می شود. این بیماری بیش از هر بیماری دیگری نوزادان را میکشد.
برای پی بردن به فیزیک کیسه های هوایی باید فیزیک حبابها را بدانیم. فشار درونی یک حباب با شعاع نسبت معکوس و با کشش سطحی نسبت مستقیم دارد.
کشش سطحی یک مایع را می توان با اندازه گیری نیرویی که برای بیرون کشیدن یک حلقه سیمی از سطح یک مایع پاک لازم است، به دست آورد .

مکانیسم تنفس
در حالت طبیعی، تنفس تحت کنترل ناخودآگاه است. گرچه سرعت تنفس را می توان به دلخواه تغییر داد، ولی شخص اکثرا از تنفس خود آگاه نیست؛ مگر وقتی که به آسم یا آمفیزم مبتلا باشد. کنترل فیزیولوژیک تنفس به عوامل بسیاری بستگی دارد، اما PH در مرکز تنفسی مغز کنترل اولیه را انجام می دهد.
شش را می توان به صورت میلیونها بادکنک کوچک که همگی سعی دارند فرو بخوابند فرض کرد. ششها در حالت طبیعی فرو نمی خوابند، زیرا در یک محفظه غیرقابل نفوذ به هوا یعنی : قفسه سینه قرار گرفته اند. با حرکت دیافراگم و قفسه سینه، ششها در تماس با آنها باقی می مانند. دو نیرو مانع فرو خوابیدن ششها می شود:
(۱) کشش سطحی بین ششها و دیواره قفسه سینه
(۲) فشار هوای درون ششها

مقاوت راه هوایی
ما می توانیم سریعتر از آنکه نفس را به بیرون می دهیم، هوا را به درون بکشیم. در جریان دم، نیروهای درون راههای هوایی تمایل دارند آنها را بازتر کنند. در جریان بازدم نیروها تمایل به بستن راههای هوایی و بنابراین، محدود کردن جریان هوا دارند. برای یک حجم معین شش، سرعت جریان بازدمی به یک حداکثر می رسد و ثابت می ماند؛ این سرعت حتی ممکن است با افزایش نیروی بازدمی کمی کاهش یابد. بیماران مبتلا به بیماری انسدادی راه هوایی مانند آسم، یا آمفیزم می دانند که تلاشی فزاینده برای بیرون راندن نفس به میزان قابل توجهی سرعت جریان را کند می کند. ایـن بیماران ناخودآگاه با نگهداشتن مقدار زیادی از هوا در ششها تا حدی احساس راحتی و تسکین می کنند. بنابراین، تا حد ممکن راههای هوایی خود را گشاد نگه می دارند. آنها معمولاً می توانند عمل دم را تقریباً با سرعت طبیعی انجام دهند، پس سعی میکنند به سرعت هوا را به درون بکشند تا زمـان بیشتری برای بازدم داشته باشند.

کار دم و بازدم
کار دم و بازدم بخش کوچکی از کل انرژی مصرف شده در بدن صرف عمل تنفس طبیعی میشود (نزدیک به .. حال آسایش). کار اولیه تنفس را می توان به صورت کار انجام شده در کشیدن فنرهای نمایشگر دستگاه شش – دیواره قفسه سینه – دیافراگم فرض کرد.
بازدم: بازدم به عمل خروج هوای موجود در دستگاه تنفسی بدن انسان گفته می شود. در یک چرخه کامل عملیات تنفس، این عمل در مقابل عمل دَم قرار می گیرد. عمل بازدم یکی از تاثیرات انقباض کشسانی ماهیچه میان دنده درونی ریه و ماهیچه دیافراگم موجودات زنده است.
دم: دم یا استنشاق به عمل ورود هوای موجود در خارج از دستگاه تنفسی به درون آن گفته می شود. در یک چرخه کامل عملیات تنفس، این عمل در مقابل عمل بازدم قرار می گیرد. عمل دم یکی از تاثیرات انقباض کشسانی ماهیچه میان دنده برونی ریه و ماهیچه دیافراگم موجودات زنده است.

فیزیک برخی از بیماری های ششی رایج
بیماریهای ششی بخش بزرگی از معضلات پزشکی انسان را در بر میگیرد. برآورد شده است که %15 مردم بالای ۴۰ سال در ایالات متحده بیماری ششی قابل شناسایی دارند. به بسیاری از این بیماریها می توان، با توجه به تغییرات فیزیکی در ششها پی برد. البته این به آن معنی نیست که یک فیزیکدان می تواند این بیماریها را درمان کند.
نشانه ها آشکار می شوند، بیماری کمابیش پیشرفته است. بسیاری از آزمایشهای مربوط به ششها مکانیزمهای تنفسی را تا حداکثر مجاز آن تحت فشار قرار میدهد و بنابراین، تشخیص تغییراتی را که در حالت عادی آشکار نیستند ممکن می سازد. برخی از آزمایشهای ساده ششی باید در هر معاینه پزشکی کامل گنجانده شوند.

با تشکر از صبر وحوصله شما عزیزان