Механіка легень: Гнучкість та Опір

Дві цифри, що описують легенько

Дихальні механіки зводяться до двох фізичних властивостей, взятих безпосередньо з інженерії: компланість, тобто на скільки змінюється об'єм легенів для заданої зміни тиску (обернена величина жорсткості), та опір, тобто який тиск потрібно застосувати, щоб виштовхнути повітря по трахеї при заданому потоку.

C = delta V / delta P     compliance   (mL per cmH2O)   -- how stretchy
R = delta P / flow        resistance    (cmH2O per L/s)  -- how narrow the airways are

time constant  tau = R * C   -- how long the lung takes to (de)inflate toward equilibrium

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Цикл тиск-об'єм

Побудуйте графік зміни об’єму легенд з відповідною зміною тиску, і ви отримаєте цикл тиск-об’єм (ПВЛ): вдих відтворює один шлях, коли об’єм збільшується під дією тиску, видих – інший, трохи відмінний. Ці дві лінії не перетинаються точно – цикл має площу, яка називається гістерезисом – оскільки частина тиску під час вдиху використовується для подолання сил опору та поверхневого натягу, які не відновлюються повністю при видиху. Нахил циклу у його більш лінійній середній частині безпосередньо відображає відповідність (compliance): крутий, широкий цикл означає дуже еластичні легені (велику зміну об’єму для невеликої зміни тиску), а плоский цикл – жорсткі.

ХРОНІЧНЕ ОБЛІКОВУЮЧЕ ХВОРОБИ (COPD): надмірна відповідність та надмірна опірність

Хронічне обструктивне захворювання легень руйнує альвеолярні стінки (емфізема) та звужує та запалює дихальні шляхи (хронічний бронхіт), що призводить до протилежної проблеми в кожному параметрі: альвеолярна тканина втрачає еластичну реакцію, тому відповідність зростає – легеня стає більш м’якою і легко перерозтягується, а пошкоджені дихальні шляхи з муциною різко підвищують опір, особливо при видиху, оскільки дихальні шляхи ще більше стискаються зусиллям при видиху. Поєднання – легко надути, важко випустити – призводить до утримання повітря та гіперінфляції: кожен вдих починається з більшого спочатку, ніж попередній, оскільки не було достатньо часу для повного видиху перед початком наступного вдиху, що зумовлено аномально довгим часовим константою τ = RC.

ARDS: протилежний режим відмови

Гостра дихальна недостатність (ARDS) переміщує ті ж самі два числа в іншому напрямку. Запальний ексудат заливає альвеоли та деактивує поверхнево-активну речовину, тому альвеоли, які зазвичай чинили опір колапсу під дією поверхневого натягу, тепер легко колапсують, а тканина стає твердою – спадність різко падає – тоді як опосередження дихальних шляхів часто залишається відносно незмінним. Низька спадність означає, що кожній мілілітрі підошвидки необхідна непропорційно велика рушійна сила, тому стратегія вентиляції ARDS зосереджена на захисних низьких підошках (близько 6 мл/кг прогнозованої ваги тіла) плюс достатньо позитивного кінцевого тиску витримки (PEEP), щоб запобігти колапсу альвеол у кінці кожного дихання, оскільки вдування нормальної підошвидкості в жорстке, пошкоджене легені під високим тиском може само по собі ще більше травмувати тканини.

Чому важливий часовий константа клінічно

τ = RC визначає, наскільки швидко дихальна одиниця з’являється в рівновазі зі зміною рушійного тиску; одна часова константа дозволяє приблизно 63% від зміни тиску відбутися та близько п’яти часових констант дасть вам майже повне встановлення рівноваги. У здоровому легенях усі регіони мають подібну τ, що призводить до приблизно однорідного повітрообміну; у хворих легенях різні регіони можуть мати дуже різні місцеві опори (R) та пружності (C) – деякі дихальні шляхи більш звужені, ніж інші, а деякі альвеоли твердіші, ніж інші, що дає кожній області свою власну часову константу — швидко заповнені регіони закінчують вдих рано та починають випорожнятися, тоді як повільно заповнені регіони все ще заповнюються, що є невідповідністю та нерівномірним повітрообміном, який робить обструктивні та рестриктивні захворювання легень неефективними в газообміні навіть коли загальна менструальна вентиляція виглядає прийнятною на моніторі.

Frequently asked questions

Яка практична відмінність між відповідністю та опором?

Відповідність описує, наскільки легко об'єм легенів розширюється при заданому тиску – властивість тканинної еластичності та поверхневого натягу. Опір характеризує втрату тиску через тертя, коли повітря рухається по дихальних шляхах при заданій швидкості потоку – властивість діаметра дихальних шляхів і закономірності потоку повітря. Один вдих формується одночасно під впливом обох.

Чому ХОЗЛ ускладнює видиху, а не вдих?

Втрата еластичності релаксації при емфіземі позбавляє пасивного «пружинного» відштовхування, яке зазвичай допомагає витискати повітря, тоді як звужені та мляві дихальні шляхи ще більше колапсують під тиском насиченого видиху – явище, що називається динамічним обструкцією дихальних шляхів. В результаті пацієнти з ХОЗЛ зазвичай значно більше борються з видихом, ніж із вдихом.

Чому пацієнтам з ARDS потрібні невеликі об'єми видиху на вентиляторі?

Оскільки ARDS різко знижує відповідність, той самий об’єм видиху, який є безпечним для здорового легеневого середовища, потребує значно більшого тиску в легенях при ARDS і ризику перенапруження вже пошкоджених альвеол (волатризм/баротризм). Захисне повітроводи свідомо використовують менші об’єми видиху, приймаючи трохи вищий рівень CO2, щоб обмежити цей тиск.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Lung Mechanics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Lung Mechanics

Механіка легень: Гнучкість, Опір і Петля Тиск-Об’єм