Биомеханика дыхания. 
Физиология дыхания

Общий механизм дыхания. В дыхании участвуют две группы мышц:

• — инспираторные (inspiratio — вдох): диафрагма и наружные межреберные мышцы;
• — экспираторные (expiratio — выдох): внутренние межреберные мышцы и мышцы брюшного пресса.

Как мы увидим ниже, в спокойном дыхании участвуют только инспираторные мышцы.

Последовательность дыхательного цикла следующая.

• 1. Сокращение инспираторных мышц вызывает расширение грудной клетки и опускание диафрагмы.
• 2. Легкие следуют за грудной клеткой и диафрагмой и при этом сами расширяются.
• 3. В результате давление в легких падает, в них засасывается воздух и происходит вдох.
• 4. Затем дыхательные мышцы расслабляются.
• 5. Растянувшиеся при вдохе легкие спадаются, за ними следуют грудная клетка и диафрагма.
• 6. В результате давление в легких повышается, из них выдавливается воздух и происходит выдох.

Таким образом, вдох происходит за счет мышечной силы (активно), а выдох — за счет упругой силы растянутых легких (пассивно). Это касается спокойного выдоха; в форсированном выдохе дополнительно участвуют экспираторные мышцы.

Между легкими с одной стороны, и диафрагмой и грудной клеткой — с другой, находится плевральная полость. Эта полость герметична и заполнена жидкостью; поскольку жидкости несжимаемы, легкие при вдохе следуют за грудной клеткой (и диафрагмой), а грудная клетка при выдохе — за легкими (в норме плевральная полость представляет собой узкую щель между висцеральной и париетальной плеврой; эта щель заполнена тончайшим слоем жидкости, так что висцеральная и париетальная плевра фактически сцеплены друг с другом, как два смоченных водой стекла).

Силы, действующие в легких и грудной клетке в ходе дыхательного цикла

Мы убедились в том, что в легких и грудной клетке действуют силы, создаваемые мышцами, и упругие силы. Последние имеют огромное значение в норме и патологии:

• — с одной стороны, значительная часть работы дыхательных мышц приходится на преодоление упругих сил;
• — с другой стороны, упругие силы поддерживают в растянутом и, следовательно, раскрытом состоянии многие внутригрудные структуры, в частности сосуды и мелкие дыхательные пути.

Рассмотрим силы, действующие в дыхательном аппарате (легких и грудной клетке) в три момента: 1) конец спокойного выдоха; 2) высота спокойного вдоха; 3) процесс спокойного выдоха.

Конец спокойного выдоха. Дыхательные мышцы расслаблены, дыхательный аппарат находится в состоянии покоя, но силы в нем действуют: если создать пневмоторакс (разгерметизировать плевральную полость), то легкие спадутся. Следовательно, на них действует сила, направленная к корню. Это упругая сила легких Fл, называемая также эластической тягой легких. Основные факторы, создающие эту силу, следующие:

• — растяжение эластических волокон легких;
• — поверхностное натяжение жидкости, покрывающей альвеолы. Эта сила существенно (в пять раз) меньше по сравнению с поверхностным натяжением такой же по площади водной пленки благодаря наличию в альвеолярной жидкости поверхностно-активных веществ — сурфактантов.

Под действием упругой силы Fл легкие стремятся уменьшить свой объем и при этом тянут за собой грудную клетку. Поскольку грудная клетка также обладает упругостью, в ней, как в сжатой пружине, также возникает упругая сила, направленная противоположно упругой силе легких; это упругая сила грудной клетки Fг. В конце спокойного выдоха эти силы равны, но направлены противоположно; поэтому дыхательный аппарат находится в покое:

Fл = Fг. (3).

При пневмотораксе, таким образом, легкие спадутся, а грудная клетка расширится.

Конец спокойного вдоха. Предположим, что мы сделали вдох и зафиксировали грудную клетку на высоте вдоха с помощью дыхательных мышц. При этом:

• — появилась новая сила, обусловленная сокращением дыхательных мышц (Fм);
• — упругая сила легких Fл возросла, так как легкие еще больше растянулись;
• — упругая сила грудной клетки Fг уменьшилась, так как грудная клетка расширилась в направлении действия этой силы.

Поскольку дыхательный аппарат зафиксирован, суммы сил, действующих в разных направлениях, равны:

Fл = Fг + Fм. (4).

Процесс спокойного выдоха. Инспираторные мышцы расслабились, сила Fм (уравнение (4)) исчезла, легкие вместе с грудной клеткой стали смещаться к корню под действием упругой силы легких, превышающей упругую силу грудной клетки:

Fл > Fг. (5).

Плевральное давление как показатель упругих сил Легкие в грудной клетке растянуты, и эта растягивающая сила действует на все внутригрудные структуры — сосуды, дыхательные пути и пр., они как бы подвешены в грудной полости на растянутых пружинках. Для поддержания в раскрытом состоянии образований с мягкими стенками и с низким давлением в просвете (вены, бронхиолы) эта растягивающая сила играет решающую роль. Показателем этой растягивающей силы служит так называемое плевральное давление.

Одна и та же по величине сила действует и на стенки бронхиол и кровеносных сосудов, и на пищевод, и на висцеральный листок плевры, стремясь оттянуть его по направлению к корню. Очевидно, что при этом в плевральной полости создается некоторое разряжение, то есть отрицательное (по отношению к атмосферному) давление. Это давление и называют плевральным давлением.

Рассмотрим подробно происхождение плеврального давления и его изменения в процессе дыхания; для этого вернемся к рис. 10.2, В. На этом рисунке приведена модель в виде цилиндра с двумя поршнями; левый поршень соответствует грудной клетке, правый — легким, пространство между поршнями — плевральной полости. Соединенные с поршнями пружины изображают упругие силы легких и грудной клетки; вместо сил приведены создаваемые ими давления (давление = сила на единицу площади).

В состоянии покоя дыхательного аппарата (конец спокойного выдоха, левый рисунок) за каждый поршень тянет соединенная с ним пружина, поэтому в пространстве между поршнями создается разрежение (отрицательное плевральное давление Pпл). В покое оно составляет около -5 см вод. ст. Поскольку поршни не движутся (нет ни вдоха, ни выдоха), давления, действующие на каждый поршень с обеих сторон, одинаковы. Снаружи на поршни действуют упругие давления легких Pл (на левый поршень) и грудной клетки Pг (на правый), а изнутри — плевральное давление. Значит.

Pг = Pпл; (6).

Pл = Pпл; (7).

или Pг = Pпл = Pл. (8).

При вдохе появляется третья сила (мышечная) и, соответственно, создаваемое ей давление Pм; левый поршень (грудная клетка) смещается влево, степень разрежения в пространстве между поршнями (плевральной полости) увеличивается, плевральное давление становится еще более отрицательным (примерно -8 см вод. ст.). При задержке дыхания на высоте вдоха (рисунки в центре):

Pг + Pм = Pпл; (9).

Pл = Pпл; (10).

или Pг + Pм = Pпл = Pл. (11).

Видно (уравнения (8) и (11)), что и при выдохе, и при вдохе Pпл = Pл; иными словами, плевральное давление служит показателем упругой силы (эластической тяги) легких Эти рассуждения относятся к естественному медленному дыханию, когда давление в альвеолах (альвеолярное давление) близко к атмосферному (см. ниже, разд. «Аэродинамика дыхания»). При форсированном дыхании или искусственной вентиляции легких давление в альвеолах при вдохе и выдохе существенно отличается от атмосферного, и расклад сил становится иным.

Регистрация плеврального давления Плевральное давление называется так потому, что его впервые зарегистрировали в плевральной полости после ее пункции. Аналогичное давление создается в любых полых структурах грудной полости; в настоящее время регистрируют давление в пищеводе, но по традиции продолжают называть его плевральным, хотя все чаще используют термин «внутригрудное давление» .