فیزیک پزشکی
فیزیک ششها و مکانیسم تنفس
فهرست مطالب
دستگاه تنفسی
مسیرهای هوایی
انتشار
تبادل خون و اکسیژن
اندازه گیری حجم تنفسی
فیزیک بیماری های ششی
دستگاه تنفسی
کارکرد اصلی:
ششها فراهم کننده اکسیژن و دفع کننده دی اکسید کربن هستند.
خون، اکسیژن را به بافتها می برند و دی اکسید کربن را از بافتها می گیرد.
برای مبادله اکسیژن و دی اکسید کربن، خون باید در ششها در تماس نزدیک با هوا باشد.
کارکرد های فرعی:
مبادله گرما
تنظیم PH
تولید جریان کنترل کننده ای از هوا مانند : سرفه کردن، عطسه کردن و آه کشیدن
تولید فشار افزایش یافته از طریق سد کردن راه هوا
تولید صدا: خروج کنترل شده جریان هوا از ششها
دستگاه تنفسی
در هر دقیقه حدود 6 لیتر هوا تنفس می کنیم.
مردان در زمان استراحت: 12 بار در دقیقه
زنان در زمان استراحت: 20 بار در دقیقه
نوزادان در زمان استراحت: 60 بار در دقیقه
ترکیب گازی در دم: تقریبا 80% هوایی که تنفس می شود، نیتروژن و 20% آن اکسیژن است.
ترکیب گازی در بازدم: 80% نیتروژن، 16% اکسیژن و 4% دی اکسید کربن است.
درصد بالا اکسیژن در بازدم: احیا از طریق تنفس مصنوعی و دمیدن در آتش.
دستگاه تنفسی
سیستم تنفسی شامل موارد زیر است:
ششها و مسیر تنفسی
شریان های ششی
ماهیچه های تنفسی، بافتها و ساختار های مجاور.
محفظه هایی پر از گاز در شش که آلوئول نام دارد
و ساختار نهایی برای تبادل گازی هست که در آنها
گاز به درون رگ و برعکس از رگ به آلوئول
منتشر می شود.
مسیرهای هوایی
بینی: در حالت عادی، تنفس از بینی انجام می شود و هوا در آنجا گرم و مرطوب و سپس تصفیه می شود.
دهان: در ورزش های سنگین، هوا از دهان تنفس می شود که در این حالت مرحله تصفیه حذف می شود.
هوا از نای می گذرد.
نای به دو قسمت تقسیم می شود تا از طریق
نایژه ها هوا را به ششها ببرند.
هر نایژه نیز تقسیم می شوند و تقسیمات متوالی
15 بار تکرار می شود.
نایژک های انتهایی، هوای میلیون ها کیسه هوایی
یا آلوئول را فرهم می کنند.
کیسه های هوایی
ساختار: شبیه حباب های کوچک متصل بهم است.
هر کیسه هوایی با خون احاطه شده تا اکسیژن بتواند از کیسه هوایی به درون خون جریان یابد و دی اکسید کربن از خون به هوای درون کیسه هوایی راه یابد.
شش ها در هنگام تولد نزدیک به 30 میلیون کیسه هوایی دارند.
تا 18 سالگی، تعداد کیسه هوایی به 300 میلیون افزایش می یابد.
پس از این سن، تعداد کیسه هوایی نسبتا ثابت است اما بر قطر آنها افزوده می شود.
تداخل کاری خون و ششها
حدود یک پنجم (1 لیتر) خون بدن در ششها است اما فقط حدود 70 میلی لیتر از این خون که در هر لحظه در مویرگ های شش ها جریان دارد، اکسیژن می گیرد.
از آنجایی که خون مدت زمان کوتاهی (کمتر از 1 ثانیه) در مویرگ های ششی می ماند، ساختمان شش ها باید برای مبادله سریع گازها مناسب باشد.
برای افزایش کارایی تبادلات گازی:
کیسه های هوایی ششها دیواره بسیار نازکی دارند.
سطح تماس بین هوا و خون در ششها بسیار زیاد و در حدود 80 متر مربع است.
تداخل کاری خون و ششها
در مبادله گازها در ششها 2 فرایند عمومی صورت می گیرد:
رساندن خون به بستر مویرگی ششی یا خون رسانی (Perfusion)
رساندن هوا به سطح کیسه هوایی یا تهویه (Ventilation)
اگر هر یک از این فرایند ها دچار اشکال شود، خون به طور کامل اکسیژن گیری نخواهد شد.
مبادله گازها به درون و بیرون خون طبق قانون فیزیکی انتشار کنترل می شود.
انتشار(Diffusion)
تعریف: انتقال از محیط با غلظت بالا به محیط با غلظت پایینتر در اثر اختلاف غلظت تا زمانی که غلظت یکنواخت شود.
در ششها پدیده دفیوژن در گازها
و مایعات توجه می شود و در بافتها
صرفا به دفیوژن در مایعات.
محتمل ترین مسافتی که مولکولی از مبدا خود پس از N برخورد طی خواهد کرد، برابر است با:
مسافت میانگین بین بر خورد ها است
دفیوژن به سرعت مولکول ها بستگی دارد و مولکول های سبکتر، سریعتر منتشر می شوند.
دفیوژن به دما بستگی دارد.
انتشار(Diffusion)
از انجایی که N تعداد برخورد ها متناسب با زمان انتشارΔt است، می توانیم بنویسیم:
بنابراین در ششها مسافتی که باید در هوا پیموده شود، معمولا بخش کوچکی از یک میلی متر است و انتشار در کسری از ثانیه رخ می دهد.
دیفیوژن اکسیژن و دی اکسید کربن در بافت 10000 مرتبه کندتر از هوا است اما ضخامت بافتی که مولکول ها باید در ششها از میان آن انتشار یابند، بسیار اندک است لذا کمتر از یک ثانیه طول می کشد.
انتشار(Diffusion)
قانون دالتون در مورد فشار جزئی گازها
تعریف: هر گاز نقش خود را در فشار مخلوطی از گازها به گونه ای انجام می دهد که به تنهایی انجام می داد.
مثال: یک محفظه 1 لیتری از هوای خشک در فشار 1 اتمسفر
فشار جزئی اکسیژن: اگر همه مولکول ها را بغیر از مولکول اکسیژن از محفظه خارج کنیم، فشار تا حد 150 میلی متر جیوه پایین خواهد آمد (20% از 760 میلی لیتر جیوه)
فشار جزئی نیتروژن: اگر فقط مولکول های
نیتروژن در محفظه باقی مانده باشد، فشار حدود
80% از 760 میلی لیتر جیوه است (610)
تبادل خون و اکسیژن
در محفظه بسته ای از خون و اکسیژن چه اتفاقی می افتد:
برخی از مولکول های اکسیژن با خون برخورد می کنند و در آن حل می شوند.
پس از مدتی تعداد مولکول های اکسیژن که در هر ثانیه از خون خارج می شوند برابر تعداد مولکول هایی است که وارد آن می شود، آنگاه PO2 برابر با اکسیژنی خواهد شد که در تماس با آن است.
اگر فشار در گاز دو برابر شود، میزان اکسیژن حل شده در خون دو برابر می شود.(قانون هنری در مورد حلالیت گازها)
میزان گاز حل شده در خون برای هر گازی متفاوت است.
اکسیژن در خون یا آب چندان محلول نیست.
حلالیت متفاوت اکسیژن و دی اکسید کربن در بافت بر انتقال این گاز ها از دیواره کیسه های هوایی اثر می گذارد.
تبادل گازهای تنفسی
در تنفس طبیعی :
به علت غلظت بالاتر، اکسیژن تازه سریعا از میان هوای کهنه انتشار می یابد تا به سطح کیسه های هوایی برسد.
اکسیژن در رطوبت دیواره کیسه هوایی حل می شود و در درون خون مویرگی منتشر می شود تا وقتی که فشار جزئی اکسیژن در خون برابر با فشار جزئی آن در کیسه هوایی شود.
در همین زمان دی اکسید کربن خون در گاز درون کیسه هوایی انتشار می یابدتا فشار جزئی آن نیز در خون و کیسه هوایی یکی شود.
اکسیژن و هموگلوبین
خون اکسیژن کمی را می تواند به صورت محلول حمل کند. (2.5cm3)
بیشتر اکسیژن لازم برای سلول ها در ترکیب شیمیایی با هموگلوبین در گلبول های قرمز خون حمل می شود. (200 cm3)
از آنجا که بخش اعظم اکسیژن محلول نیست، قانون انتشار تغییر می کند.
اکسیژن با روشی که وابسته به منحنی تجزیه است با هموگلوبین ترکیب یا از آن جدا می شود.
PO2 (mm Hg)
اکسیژن و هموگلوبین
هموگلوبین در حال خروج از شش، تقریبا 97% با اکسیژنی که فشار جزئی حدودا 100 میلی متر جیوه دارد اشباح شده است.
فشار جزئی اکسیژن باید نزدیک به 50% کاهش یابد تا بار اکسیژن خون بطور چشمگیری کاهش پیدا کند.
زمانی که خون به سلول ها که فشار جزئی اکسیژن آن پایین است می رسد، اکسیژن از هموگلوبین جدا می شود و در سلول ها منتشر می شود.
تمام اکسیژن از هموگلوبین جدا نمی شود بلکه میزان خروج به PO2 در بافتها بستگی دارد.
در حالت استراحت، خون سیاهرگی با 75% بار اکسیژن به قلب بر می گردد. اکسیژن در خون می ماند چون بافتها به آن نیازی ندارند.
در هنگام ورزش، با فعالیت ماهیچه ای PO2 در ماهیچه به سرعت پایین می آید و باعث تجزیه اکسیژن بیشتری از هموگلوبین و انتشار آن به ماهیچه می شود.
عامل محدود کننده در ورزش، سرعتی است که با آن اکسیژن به ماهیچه های در حال کار انتقال می یابد.
جدا شدن اکسیژن از هموگلوبین به PCO2 ,PH و دما نیز بستگی دارد.
اکسیژن و هموگلوبین
مونواکسید کربن و تنفس
مولکول های مونواکسیدکربن در جاهایی که در حالت طبیعی در اختیار اکسیژن است به هموگلوبین متصل می شوند.
اتصال Co به هموگلوبین محکم تر از اکسیژن است و به راحتی در بافت ها تجزیه نمی شود.
دو مشکلی که توسط Co در تنفس ایجاد می شود:
استفاده از محل هایی که در حالت طبیعی برای انتقال اکسیژن بکار می رود.
Co رها شدن اکسیژن از هموگلوبین را مهار می کند.
بنابراین میزان اندکی از Co می تواند میزان رسیدن اکسیژن به بافت ها را به شکلی خطرناک کاهش دهد مرگ بافت ها شود.
بررسی فشار و حجمها در مراحل مختلف تنفس
نیتروژن هوا نقش مشخصی در کارکرد بدن ندارد.
مخلوط گازها در کیسه هوایی با مخلوط گازها در هوای معمولی یکسان نیست.
ششها در پایان هر بازدم در جریان تنفس طبیعی نزدیک به 30% حجم خود را حفظ می کند.
در هر هوای دم، حدودcm3 500 هوای تازه با فشار mm Hg150 با حدود cm3 2000 هوای مانده در ششها مخلوط می شود تا به هوای درون کیسه هوایی با فشار اکسیژن برابر با mm Hg100منجر شود.
هوای بازدمی حدود cm3 150 از هوای نسبتا تازه از نای را در خود دارد که با سطح کیسه های هوایی در تماس قرار نمی گیرند. بنابراین هوای بازدمی فشار اکسیژن نسبتا بیشتری (mm Hg 116) از هوای کیسه های هوایی دارند.
بررسی فشار و حجمها در مراحل مختلف تنفس
PCO2 در کیسه های هوایی حدود mm Hg 40 است از انجایی که هوای بازدمی حدود cm3 150 از هوای نسبتا تازه از نای را در خود دارد که با سطح کیسه های هوایی در تماس قرار نمی گیرند. بنابراین هوای بازدمی فشار دی اکسید کربن کمتری (mm Hg 32) از هوای کیسه های هوایی دارند.
بررسی فشار و حجمها در مراحل مختلف تنفس
اندازه گیری حجمهای ششی (اسپیرومتر)
اسپیرومتر: وسیله ای برای اندازه گیری جریان هوا به داخل و خارج ششها و ثبت آن بر روی یک نمودار حجم بر اساس زمان است.
یک استوانه معکوس در مایعی شناور بوده و حجم هوا در ظرف با جابجایی عمودی استوانه اندازه گیری می شود.
محلول آب آهک برای حذف دی اکسید
کربن موجود در بازدم است.
منحنی بدست آمده از اسپیرومتر
تعاریف حجم های ریوی
حجم جاری ( Tidal Volume): حجم هوای دمی یا بازدمی که در هر تنفس عادی جابجا می شود که حدود ml500 است.
حجم ذخیره دمی (Inspiratory Reserve Volume ): مقدار هوای اضافی است که می توان علاوه بر حجم جاری طی یک دم عمیق وارد ریه ها کرد که حدود ml3000 است.
حجم ذخیره بازدمی (Expiratory Reserve Volume ): مقدار هوایی است که پس از یک بازدم عادی می توان با یک بازدم عمیق از ریه خارج کرد که حدود ml1100است.
حجم باقیمانده (Residual Volume): حجم هوایی است که پس از یک بازدم عمیق در ریه ها باقی می ماند که حدود ml1200 است.
تعاریف ظرفیت های ریوی
ظرفیت حیاتی (Vital Capacity): به مجموع هوایی که هر فرد پس از یک دم عمیق، طی یک بازدم عمیق بیرون می دهد.
TV+IRV+ERV=4600ml
ظرفیت دمی (Inspiratory Capacity): ماکزیمم حجم گازی است که از سطح بازدم در حالت آسایش می توان وارد شش شود.
TV+IRV=3500ml
ظرفیت کل ریوی (Total Lung Capacity): مقدار گازی است که در انتهای یک دم عمیق در شش وجود دارد و می توان ریه ها را با آن مستع کرد.
VC+RV=5800ml
تعاریف ظرفیت های ریوی
ظرفیت باقیمانده عملی(Functional Residual Capacity ): هوای باقیمانده در ششها از یک بازدم طبیعی که با هوای تازه بعدی مخلوط می شود.
ERV+RV=2300ml
برای تعیین FRC از روش رقیق کردن هلیوم استفاده می شود: ابتدا فرد یک دم عادی را در اسپیرومتری که پراز هلیوم است انجام می دهد و سپس اندازه گیری عنصر هلیوم در گاز بازدمی انجام می شود.
]Vispiromeretr1- FRC=[CiHe
CfHe
حجم های ریوی
فضای مرده: یک سوم هوای جاری در مجاری تنفسی می ماند و به شش ها وارد نمی شود.
در این مناطق مبادله گازی صورت نمی گیرد.
حجم فضای مرده هر فرد برابر با وزن آن فرد به پوند است.
فضای مرده به دو نوع فضا تقسیم می شود:
فضای مرده تشریحی یا آناتومیک: حجم تمام فضای تنفسی بغیر از نواحی مبادله کننده گاز
فضای مرده فیزیولوژیک: زمانی که به بعضی از مویرگ های کیسه های خون نرسد و اکسیژن در این کیسه های هوایی جذب نمی شود به این حجم استفاده نشده، فضای مرده آلوئولار نیز می گویند.
حجم های ریوی
تفاوت هوای باقیمانده با هوای مرده:
هوای باقیمانده در شش است و هوای مرده در مجاری تنفسی
هوای باقیمانده در دم و بازدم شرکت نمی کند ولی هوای مرده در دم و بازدم شرکت می کند.
هوای باقیمانده در تبادلات گازهای تنفسی با خون شرکت می کند ولی هوای مرده در تبادلات شرکت نمی کند.
هوا در فضای مرده اکسیژنی برای بدن فراهم نمی کند. هوا در فضای مرده پس از یک بازدم، در جریان دم بعدی به درون شش ها برگردانده می شود.
حجم های ریوی
حجم تهویه آلوئولار: حجمی از هوای تازه است که در هر تنفس وارد حبابچه ها می شود.
حجم تهویه آلوئولار همیشه کمتر از حجم جاری است.
مقدار این اختلاف در حجم بستگی به فضای مرده(ml150) دارد.
تهویه آلوئولار=(حجم جاری-حجم فضای مرده)×تعداد تنفس
حجم های ریوی
حجم تنفسی در دقیقه: مقدار کل هوای تازه ای است که در هر دقیقه وارد مجاری تنفسی می شود=حجم جاری×تعداد تنفس در دقیقه.
حداکثر حجم تنفسی ارادی: بیشترین هوایی که می توان در مدت 15 ثانیه به طور ارادی وارد ریه ها شده یا از آن خارج گردد. کمیت بالینی مفیدی در آزمایش های کلینیکی با اسپیرومتر است.
بیشترین آهنگ بازدم پس از یک دم عمیق، آزمایشی مفید برای بیماری های انسدادی راههای هوایی است.
– یک فرد طبیعی می تواند 70% گنجایش حیاتی خود را در 0/5 ثانیه، 85% آن را در 1 ثانیه و 97% آن را در 3 ثانیه بیرون دهد.
مکانیک تهویه ریوی
ریه ها توسط بالا و پایین رفتن دیافراگم و دنده ها، بزرگ و کوچک می شوند.
در جریان دم آرام:
دم توسط پایین رفتن دیافراگم
بازدم بطور پسیو بعلت خاصیت ارتجاعی ریه ها
در جریان تنفس سریع و شدید:
عضلاتی که قفسه سینه را بالا می برد، موسوم به عضلات دمی هستند که شامل: عضلات بین دنده ای خارجی و قدامی، عضلات نردبانی و SCM است.
عضلات بین دنده ای داخلی وعضلات شکمی که عضلات بازدمی نام دارند با بالا بردن دیافراگم سبب ایجاد بازدم می شوند.
مکانیک تهویه ریوی
فشار جنبی
ریه ها توسط پرده جنب که دارای مختصری فشار منفی است به قفسه سینه چسبانده شده اند.
فشار جنبی از کلاپس ریه ها جلوگیری می کند.
در شروع دم 5- سانتیمتر آب و در مرحله دم عمیق 7/5- سانتیمتر آب است.
در جریان بازدم، معکوس وقایع دم است به طوری که در جریان بازدم عمیق، فشار جنبی باز هم مثبت تر شده و می تواند از صفر هم بالاتر رود.
فشار حبابچه ای
فشار موجود در کیسه های هوایی ریوی است.
در شروع دم 1- سانتیمتر آب بوده تا هوای محیط را به داخل ریه ها براند.
در جریان بازدم 1+ سانتیمتر آب است که سبب خروج هوا از ریه ها می شود.
اختلاف بین فشار حبابچه ها و فشار جنبی، فشار Transpulmonary نام دارد و موسوم به فشار بازگشت ارتجاعی ریه است:
نموداری از نیروهای ارتجاعی ریه ها است که تمایل دارند ریه ها را رویهم بخوابانند.
پذیرش یا کمپلیانس ریوی
میزان اتساع ریه ها بازای هر واحد افزایش فشار بین دو سوی ریه است.
از مشخصه فیزیکی مهم شش ها است.
توسط نیروهای ارتجاعی خود بافت ریه و نیروی ارتجاعی ناشی از کشش سطحی مایع حبابچه ای تعیین می شود.
از طریق اندازه گیری تغییری که در حجم در اثر تغییر در فشار به وجود می آید، اندازه گیری می شود. ΔV/ΔP
در افراد بالغ طبیعی، پذیرش برای دو ریه رویهم 200 میلی لیتر به ازای هر سانتیمتر آب است و برای مجموع ریه و قفسه سینه 110 میلی لیتر به ازای هر سانتیمتر آب است.
پذیرش یا کمپلیانس ریوی
در مردان بالای 60 سال پذیرش 25% بیشینه تر از مردان جوانتر.
در زنان با تغییر سن، تغییر ناچیزی در پذیرش ریوی مشاهده می شود.
در یک شش سفت یا فیبروز شده، پذیرش پایین تر است به طوری که تغییر حجم در مقابل تغییر بزرگ فشار، اندک است.
در یک شش شل و در بیماری مانند آمفیزم، پذیرش افزایش می یابد به طوری که به ازای تغییر کوچک در فشار، تغییری بزرگ در حجم ایجاد می کند.
سیستم شش-قفسه سینه
ششها و دیواره قفسه سینه در حالت طبیعی با هم کوپل هستند و در تماس هستند.
شش تلاش می کند تا هوا را خالی کند و قفسه سینه سعی می کند تا افزایش حجم را داشته باشد.
اگر دیواره قفسه سینه از برهمکنش با ششها رها بود به حجم بزرگتری توسه پیدا می کرد و ششها به خودی خود روهم می خوابیدند و اصولا هیچ حجم هوایی وجود نداشت.
رفتار سیستم قفسه سینه-ریه نتیجه ترکیبی از ویژگی های فیزیکی این دو است.
مدل سیستم شش-قفسه سینه
از آنجایی که شش و دیواره قفسه سینه هر دو کشسان هستند، می توان مدل آنها را با فنر نمایش داد.
فنرهای ششی کشیده اند و فنرهای قفسه سینه فشرده اند.
در جریان پنوموتوراکس ششها و قفسه سینه از هم جدا می شوند و فنر هایی که نشان دهنده آنها است بسمت وضعیت استراحت حرکت می کنند:
شش ها روی هم می خوابند
دیواره قفسه سینه بزرگتر می شود.
فیزیک کیسه های هوایی
از نظر فیزیکی، کیسه های هوایی مانند میلیون ها حباب کوچک به هم پیوسته هستند.
فشار درونی یک حباب با شعاع نسبت معکوس و با کشش سطحی نسبت مستقیم دارند.
چون حباب کوچکتر فشار درونی بالاتری دارد، حباب کوچکتر هوای خود را به درون حباب بزرگتر خالی خواهد کرد تا زمانی که شعاع انحنای حباب بزرگ و باقیمانده حباب کوچکتر برابر شود.
نتیجه: کیسه های هوایی کوچکتر تمایل به فروریختن دارند. وضعیتی که از فروریختن تعداد قابل توجهی از کیسه های هوایی بوجود می آید، آتلکتازی نامیده می شود.
فیزیک کیسه های هوایی
سورفاکتانت، پوشش مایع منحصر بفرد کیسه های هوایی است.
این مایع کشش سطحی کیسه های هوایی را کاهش می دهد.
از خوابیدن و کولاپس کیسه های هوایی رویهم جلوگیری می کند.
کشش سطحی سورفاکتانت ثابت نیست:
هنگام کاهش سطح، کاهش بزرگ کشش سطحی را داریم.
این ویژگی باعث کاهش کشش سطحی حبابچه همزمان با کاهش اندازه آن در بازدم می شود.
برای هر حبابچه اندازه ای وجود داد که در آن کشش سطحی آن قدر سریع کاهش می یابد تا فشار به جای تداوم افزایش، شروع به کاهش کند.
این حالت باعث می شود حبابچه تقریبا در یک چهارم اندازه خود تثبیت شود و مانع روی هم خوابیدن حبابچه های کوچک شود (پایداری حبابچه).
مقاومت راههای هوایی
در جریان دم، نیروهای درون راه های هوایی تمایل دارند آنها را بازتر کنند ولی در جریان بازدم تمایل به بستن راه های هوایی دارند.
اندازه گیری مقاومت راههای هوایی(R):
تناظر سیستم الکتریکی و سیستم تنفسی
سرعت جریان هوا در شش ها جریان الکتریک
اختلاف فشار اختلاف ولتاژ
قانون اهم جریان هوا قانون اهم مدارهای الکتریکی
مقاومت راه های هوایی به ابعاد مسیر و ویسکوزیته گاز بستگی دارد.
بیشتر مقاومت در راههای هوایی بالایی است (نیمی از مقاومت در ناحیه بینی و کمتر از 10% در راه های هوایی پایینی).
بیماری هایی که بر راه های هوایی پایانی اثر می گذارد تا زمانی که خیلی پیشرفت نکردند، بر مقاومت راه هوایی اثر چندانی نمی گذارند.
کار دم و بازدم
بخش کوچکی( کمتر از 20%) از کل انرژی مصرف شده در بدن صرف عمل تنفس طبیعی می شود.
کار اولیه تنفس مربوط به کشیدن فنرهای نمایانگر دستگاه شش، دیواره قفسه سینه و دیافراگم است.
این مدل بسیار ساده است و بسیاری از خواص سیستم واقعی در آن لحاظ نشده است.
کار دم و بازدم
مدل دقیق تر:
ضربه گیر R: مقاومت بافت ها و مقاومت جریان هوا، گرما تولید می کند.
فنرC: خاصیت فنری دستگاه شش- قفسه سینه
اینرسیI: بر اینرسی جرم شش ها و دیواره قفسه سینه باید فائق آمد.
در جریان تنفس طبیعی، کاری در بازدم صورت نمی گیرد. ماهیچه ها استراحت می کنند و فنرها به عقب می جهند تا هوا بیرون دهند.
در آهنگ تنفسی پایینتر، بیشتر کار در برابر نیروها ی کشسانی شش و قفسه سینه (C) انجام می شود .
در آهنگ های تنفسی سریع، کار در مقابله با نیروهای مقاومتی(R) افزایش می یابد.
کار انجام شده در مقابله با فنر c
کار انجام شده در مقابله با مقاومت R
کار دم و بازدم
روش دیگر برای اندازه گیری کار انجام شده در تنفس:
اندازه گیری اکسیژن اضافی مصرف شده با افزایش آهنگ تنفسی در حالت استراحت.
فرض می کنیم که اکسیژن اضافی در ماهیچه های تنفسی استفاده می شود.
کارایی تخمین زده شده که با روش اکسیژن بدست آمده است از 10-5 درصد با مدل دقیق شش-قفسه سینه تفاوت دارد.
روش های مفید بررسی اختلالات تنفسی
بررسی گازها و PH خون:
اندازه گیری حداکثر شدت جریان بازدمی: هنگامی که شخص با نیروی زیاد بازدم می کند، شدت جریان بازدم به یک حداکثر می رسد که در ورای آن حتی با افزایش زیادتر نیرو، شدت جریان بازدم نمی تواند افزایش داده شود که مقدار همان حداکثر 400 لیتر در دقیقه است.
در ریه های محدود شده و در انسداد مجاری هوایی، حداکثر شدت جریان بازدمی کاهش می یابد.
اندازه گیری ظرفیت میانی بازدمی سریع: مدت زمانی است که فرد می تواند یک بازدم سریع با حداکثر کوشش انجام دهد که 80% این ظرفیت در ثانیه اول از ریه ها خارج می شود.
این رقم در بیماری های انسداد مجاری هوایی به کمتر از 20% می رسد.
روش های مفید بررسی اختلالات تنفسی
در حالت استراحت فقط بخش کوچکی از حجم شش ها به کار گرفته می شوند.
بنابراین یک بیماری ششی که حجم شش را کاهش می دهد در مراحل اولیه نشانه های بارزی ندارد.
بسیاری از آزمایش های مربوط به شش ها، مکانیسم های تنفسی را تا حداکثر مجاز آن تحت فشار قرار می دهند تا تغییراتی که در حالت عادی مشخص نیست، تشخیص داده شود.
فیزیک بیماریهای ششی
آمفیزم: ریه ها بعلت از بین رفتن بافت ارتجاعیشان، قابلیت ارتجاعی خود را از دست می دهند.
فضاهای ششی بزرگتری ایجاد می شود.
دیواره های بین حبابچه ها تخریب می شوند.
حبابچه ها به کیسه های هوایی بزرگ تبدیل می شوند.
ظرفیت انتشاری ریه ها بعلت انهدام آلوئول ها کاهش می یابد.
از خاصیت فنری شش ها می کاهد: تغییری کوچک در فشار باعث تغییرات بیش از حد طبیعی در حجم می شود.
مقاومت راه های هوایی به شدت افزایش می یابد: بیشتر
کار تنفس صرف غلبه بر مقاومت راه های هوایی می شود.
فیزیک بیماریهای ششی
مقایسه شش سالم و دارای آمفیزم:
خاصیت کشسانی در بافتها در شش طبیعی:
به صورت میلیون ها فنر کوچک متصل به هم است.
تمایل به هم خوابیدن شش دارند.
نیرویی ایجاد میکنند که دیواره قفسه سینه را می کشد.
دیواره راههای هوایی را می کشند که
سبب باز نگه داشتن راه های هوایی و
به کاهش مقاومت راه هوایی در جریان
دم کمک می کند.
فیزیک بیماریهای ششی
در بیماری آمفیزم:
تعداد فنرهای در حال کار به شدت کاهش یافته
فنر های باقیمانده بسیار ضعیف تر از حد طبیعی هستند.
شش بزرگ و شل می شوند.
بافت های راه های هوایی را چندان محکم نمی کشد و به راه های هوایی تنگ شده امکان می دهد که به راحتی در جریان بازدم روی هم قرار بگیرند.
این مقاومت افزایش یافته راه هوایی
نشانه اصلی آمفیزم است.
– FRCو RV افزایش می یابد.
فیزیک بیماریهای ششی
آسم: انقباض اسپاسمی ماهیچه های صاف اطراف راه های هوایی بزرگ
التهاب برونش در راه های هوایی کوچکتر و حساسیت بیش از حد مجاری هوایی نسبت به انواع محرک ها
مساله اصلی: مشکل در بازدم به علت مقاومت افزایش یافته راه هوایی است.
بیمار بیش از یک بازدم طبیعی شروع به دم می کند.
FRC بزرگتر از حد طبیعی است
پذیرش ششی طبیعی است.
فیزیک بیماریهای ششی
فیبروز شش ها:
دیواره بین کیسه های هوایی ضخیم می شود.
دیفیوژن اکسیژن به درون مویرگ های تنفسی کاهش می یابند.
پذیرش ششی کم می شود.
مقاومت بازدمی طبیعی است.
اثر افزایش عمق آب و مسمومیت
فشار شش ها در هر عمقی بیش از فشار شش ها در سطح دریا است.
در زیر آب، هوا در شش ها فشرده تر است و فشار جزئی همه اجزای تشکیل دهنده هوا به طور نسبی بالاتر است.
بالاتر بودن فشار جزئی اکسیژن باعث می شود، مولکول های اکسیژن بیشتری به خون منتقل شود.
اگر فشار جزئی اکسیژن بسیار زیاد باشد، باعث مسمومیت اکسیژن می شود.
تنفس در عمق 30 متری به این دلیل خطرناک است که ممکن است باعث تولید نیتروژن اضافی شود.
نکروز نیتروژن یک اثر سمی دارد و باعث درد ماهیچه ها و مفصل ها شود.
امکان دارد غشایی که خون و هوا را در شش ها جدا می کند، پاره شود و هوا مستقیما وارد خون شود و سبب آمبولی هوا می شود.
منحنی فشار-حجم برای شش
منحنی دم وبازدم دارای هیسترزیس است.
فرایندی چرخه ای که در آن منحنی های متفاوت در دو نیمه چرخه دنبال می شود نشان دهنده هیسترزیس است.
مساحت درون حلقه با از دست دادن انرژی بصورت گرمایی در جریان سیکل متناسب است.
منحنی فشار-حجم برای شش
اگر تنفس جاری بدون تغییر ادامه یابد:
حلقه هیسترزیس کمی بزرگتر می شود.
منحنی به سوی فشارهای بالاتر تغییر می یابد.
پاره ای از حبابچه ها فرو می خوابد.
گاهی ما ناخوداگاه چندین نفس عمیق می کشیم که سبب می شود حبابچه ها دوباره باز شوند و منحنی به حالت اولیه بر می گردد.
در جریان عمل جراحی و بیهوشی، گاه یک حجم بزرگ از گاز را به درون شش های بیمار می فرستند تا حبابچه های روی هم خوابیده را دوباره باز کنند.
منحنی فشار، آهنگ جریان و حجم شش ها
تفاوت فشار مورد نیاز برای جریان یافتن هوا به درون وبیرون ششهای یک فرد سالم ، بسیار کم است.
یک بیمار با راه هوایی تنگ شده(خط چین):
فشار افزایش یافته.
آهنگ های کاهش یافته هنگام بازدم.
کاهش حجم ششی حین بازدم مربوط به
را ه های هوایی تنگ شده.