Дыхательный объем

Величина объёма лёгких у разных людей

Самые большие и самые маленькие лёгочные ёмкости имеют люди со следующими природными или приобретёнными данными (наибольшие — в левой колонке, наименьшие — в правой):

Объём лёгких человека: таблица

мужской пол	женский пол
высокий рост	низкий рост
астенический тип	гиперстенический тип
отсутствие склонности к употреблению никотина	имеющаяся склонность к употреблению никотина
постоянное пребывание на местности, расположенной на достаточной высоте над уровнем моря	постоянное пребывание на местности, расположенной ниже уровня моря

Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление и, тем самым, затруднительнее проникновение кислорода в кровь человека. Следовательно, на большом расстоянии от уровня моря лёгкие могут проводить куда меньше кислорода, чем на маленьком. Тем самым, ткани, адаптируясь к новым условиям, повышают свою кислородопроводимость.

Как вычислить лёгочный объём

Объём лёгких человека можно рассчитывать следующими способами:

• спирометрия — измерение всевозможных показателей качества дыхания;
• спирография — графическое регистрирование изменений лёгочного объёма;
• пневмография — графическая регистрация дыхания по изменению окружности грудной клетки;
• пневмотахометрия — измерение максимальной скорости воздуха;
• бронхография — рентгеновская диагностика дыхательных путей методом их контрастирования;
• бронхоскопия — специальный осмотр трахеи и бронхов при помощи бронхоскопа;
• рентгенография — проекция внутреннего состояния дыхательных путей на рентгеновскую плёнку;
• ультразвуковое исследование — исследование состояния внутренних органов при помощи ультразвука;
• рентгеновская компьютерная томография;
• магнитно-резонансная томография;
• радионуклидные методы;
• метод разведения газов.

В каких величинах измеряется объём лёгких

Жизненная ёмкость лёгких

Чтобы получить его значение, нужно сделать максимально возможный глубокий вдох, и затем максимально возможный глубокий выдох. То количество воздуха, которое выйдет при выдохе — и есть ЖЕЛ. То есть жизненная ёмкость — это максимальное количество воздуха, которое может пройти через дыхательные пути человека. Как уже упоминалось ранее, величина жизненной емкости дыхательных путей составляет обычно от 3 до 6 литров. При помощи пневмотахометрии, которая активно задействуется в медицине с недавних времён, можно определить ФЖЕЛ — форсированную жизненную ёмкость лёгких.

Определяя своё собственное значение ФЖЕЛ, человек сначала делает всё тот же максимально глубокий вдох, а следом выдыхает набранный воздух с максимально возможной скоростью движения выдыхаемого потока. Это и будет так называемый «форсированный выдох». Дальше уже компьютер сам проанализирует и рассчитает необходимое значение.

Дыхательный объём

Воздух, который успевает как попадать в лёгкие, так и выходить из них, при нормальном дыхании и за один дыхательный цикл, называется «дыхательным объёмом» или, иначе, «глубиной дыхания». В среднем она у каждого взрослого человека равняется 500 мл (общий диапазон — от 300 до 800 мл), у ребёнка возрастом один месяц — 30 мл, один год — 70 мл, десять лет — 230 мл.

Нормальную глубину (и частоту) дыхания называют «эупноэ». Бывает, что глубина дыхания у человека заметно превышает норму. Такое, чересчур глубокое дыхание, называется «гиперпноэ». Бывает, что, наоборот, оно до нормы не дотягивает. Такое дыхание называется «олигопноэ». От 8 до 20 вдохов/выдохов в минуту — это есть нормальная частота дыхания взрослого человека, 50 таких же циклов — эупноэ месячного младенца, 35 циклов — эупноэ годовалого малыша, 20 — десятилетнего ребёнка.

Помимо этого, есть ещё:

• физиологическое мёртвое пространство — количество воздуха в дыхательных путях, не принимающего участия в газообмене (от 20 до 35% от ДО, превышение величины, скорее всего, говорит о какой-то патологии);
• анатомическое мёртвое пространство — объём воздуха, не заходящего дальше уровня респираторных бронхиол (от 140 до 260 мл);
• резервный объём вдоха — объём, который может вдохнуть человек при максимально глубоком вдохе (примерно 2-3 литра);
• резервный объём выдоха — объём, который может выдохнуть человек при максимально глубоком выдохе (от 1 до 1,5 литра, в пожилом возрасте вырастает до 2,2 литра);
• функциональная остаточная ёмкость — воздух, который оседает в дыхательных путях после того, как человек сделает нормальный выдох (ООЛ + РО выд).

Легочные объемы

При спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает около 500 мл (от 300 до 800 мл) воздуха, этот объем воздуха называется дыхательным объемом. Кроме обычного дыхательного объема при максимально глубоком вдохе человек может вдохнуть еще приблизительно 3000 мл воздуха — это резервный объем вдоха. После обычного спокойного выдоха обычный здоровый человек напряжением мышц выдоха способен «выдавить» из легких еще около 1300 мл воздуха — это резервный объем выдоха. 

Сумма указанных объемов составляет жизненную емкость легких (ЖЭЛ): 500 мл + 3000 мл + 1300 мл = 4800 мл.

Как видим, природа подготовила для нас почти десятикратный запас по возможности «прокачивать» воздух через легкие.

Дыхательный объем — количественное выражение глубины дыхания. Жизненная емкость легких определяет собой максимальный объем воздуха, который может быть введен или выведен из легких в течение одного вдоха или выдоха. Средняя жизненная емкость легких у мужчин составляет 4000 — 5500 мл, у женщин — 3000 — 4500 мл. Физические тренировки и различные растяжки грудной клетки позволяют увеличить ЖЭЛ.

После максимального глубокого выдоха в легких остается около 1200 мл воздуха. Это — остаточный объем. Большая его часть может быть удалена из легких только при открытом пневмотораксе.

Остаточный объем определяется в первую очередь эластичностью диафрагмы и межреберных мышц. Увеличение подвижности грудной клетки и уменьшение остаточного объема — важная задача при подготовке к нырянию на большие глубины. Погружения ниже остаточного объема для обычного нетренированного человека — это погружения глубже 30-35 метров. Один из популярных способов увеличения эластичности диафрагмы и уменьшения остаточного объема легких — регулярное выполнение уддияна бандхи.

Максимальное количество воздуха, которое может находиться в легких, называется общей емкостью легких, она равна сумме остаточного объема и жизненной емкости легких (в использованном примере: 1200 мл + 4800 мл = 6000 мл).

Объем воздуха, находящийся в легких в конце спокойного выдоха (при расслабленной дыхательной мускулатуре) называется функциональной остаточной емкостью легких. Она равна сумме остаточного объема и резервного объема выдоха (в использованном примере: 1200 мл + 1300 мл = 2500 мл). Функциональная остаточная емкость легких близка к объему альвеолярного воздуха перед началом вдоха.

Вентиляция легких определяется объемом воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. Обычно измеряют минутный объем дыхания. Вентиляция легких зависит от глубины и частоты дыхания, которая в состоянии покоя составляет от 12 до 18 вдохов в минуту. Минутный объем дыхания равен произведению дыхательного объема на частоту дыхания, т.е. примерно 6-9 л.

Для оценки легочных объемов используется спирометрия — метод исследования функции внешнего дыхания, включающий в себя измерение объёмных и скоростных показателей дыхания. Мы рекомендуем пройти это исследование всем, кто планирует серьезно заниматься фридайвингом.

Поверхностное натяжение. Сурфактант[править | править код]

Поверхностное натяжение — это основной фактор, определяющий эластичность системы грудная клетка-легкиеи площадь поверхности газ-жидкость, а для легких этот параметр напрямую влияет на осуществление газообмена на поверхности альвеол (примерно 100 м2).

А. Поверхностное давление (модель мыльного пузыря)

Эффективность этих поверхностных сил можно продемонстрировать при помощи наполнения изолированного, полностью «опавшего» (претерпевшего коллапс) легкого (а) воздухом или (б) жидкостью. В примере (а) легкое проявляет гораздо большее сопротивление, особенно в начале наполнения. Это отражается на начальном давлении, которое при достижении полной емкости легких повышает альвеолярное давление (РA) примерно до 2 кПа, или 15 мм рт. ст.. В примере (б) сопротивление и, таким образом, Ра только на V4 больше. В соответствии с этим в примере (а) для преодоления поверхностного натяжения необходимо более высокое давление.

Если газовый пузырек радиуса r находится в жидкости, поверхностное натяжение у (Н * м-1) на границе раздела создает внутри пузыря давление более высокое, чем внешнее давление (пристеночное давление ΔР > 0). По закону Лапласа:

ΔР= 2у/r(Па).

Поскольку, как правило, для плазмы у = 10~3 Н • м~1 (постоянная величина), ΔР растет с уменьшением r.

Модель мыльного пузыря. Если мыльный пузырь в виде пленки на горлышке цилиндра имеет достаточно большой радиус r (А1), то возникает небольшое ΔР. (Здесь две поверхности раздела воздух-жидкость, поэтому ΔР = 4у/r.) Чтобы увеличить объем пузырька, надо уменьшить r и увеличить АР 1К2). Поэтому требуется сравнительно высокое «начальное давление». Когда далее пузырек растет, г вновь увеличивается (АЗ) и отношение прирост давления/увеличение объема уменьшается. Альвеолы работают похожим образом. Эта модель демонстрирует, что в случае двух альвеол, соединенных друг с другом (А4), меньшая альвеола (ΔР2 высокое) становится еще меньше, а большая (ΔР1 низкое) — еще больше, чтобы выравнять давление с первой.

Сурфактант (поверхностно-активное вещество, ПАВ), выстилающий внутреннюю поверхность альвеол, предотвращает эту проблему: в меньшей альвеоле у понижается, а в большей альвеоле нет. (Концентрация ПАВ на меньшей поверхности больше.) Сурфактант — смесь белков и фосфолипидов (главным образом, дипальмитоил-лецитина) — секретируется альвеолярными клетками II типа.

Респираторный дистресс-синдром новорожденных-серьезное нарушение газообмена — вызывается тем, что недоразвитое легкое отказывается продуцировать достаточное количество сурфактанта. Легочное повреждение, связанное с токсичностью O₂, частично происходит также из-за кислородного разрушения сурфактанта, что ведет к уменьшению эластичности легких. Это необратимо приводит к альвеолярному коллапсу (ателектазу) и отеку легких.
Тестирование динамических функций легких

Максимальная вентиляция легких (МВЛ) — это самый большой объем газа, который можно вдохнуть (за 10 с) путем волевого увеличения экскурсирующего объема и частоты дыхания (Б). У здорового человека МВЛ может достигать 70-120 л/мин. Эта величина может быть полезна для обнаружения болезней, воздействующих на дыхательные мышцы, например злокачественной миастении.

В. Объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ)

Объем форсированного выдоха (ОФВ или тест Тиффно) — это максимальный объем газа, который может быть вытеснен из легких. В клинической медицине обычно измеряется ОФВ за первую секунду (0ФВ1). Отношение ОФВ к форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) называется объемом форсированного выдоха ОФВ1 (обычно 0ФВ1 > 0,7). (ФЖЕЛ — это максимальный объем газа при быстром форсированном выдохе из положения полного вдоха; В.) Обычно это значение немного ниже, чем жизненная емкость ЖЕЛ (с. 118). Максимальная скорость при выдохе при измерениях на пневмотрахографе ФЖЕЛ составляет около 10 л/с.

Тестирование динамических функций легких используется для дифференциации рестриктивной легочной болезни (РЛБ) и обструктивной легочной болезни (ОЛБ). РЛБ характеризуется функциональным уменьшением объема легких, как, например, при отеке легких, пневмонии и ухудшении легочного наполнения при искривлении позвоночника. При ОЛБ происходит сужение воздушных путей, как, например, при астме, бронхите, эмфиземе и параличе голосовых связок (В2).

Как и в случае ЖЕЛ, эмпирические формулы также используются для стандартизации ФЖЕЛ по возрасту, росту и полу пациентов.

Строение легких и грудной клетки

Легкие представляют собой пористый орган, похожий на губку, напоминающий в своем строении скопление отдельных пузырьков или виноградную гроздь с большим количеством ягод. Каждая «ягода» — это легочная альвеола (легочный пузырек) — место, где происходит выполнение основной функции легких — газообмен. Между воздухом альвеол и кровью лежит воздушно-кровяной барьер, образованный очень тонкими стенками альвеолы и кровеносного капилляра. Именно через этот барьер происходит диффузия газов: из альвеолы в кровь поступает кислород, а из крови в альвеолу углекислый газ.

Воздух к альвеолам поступает по воздухоносным путям — трохея, бронхи и более мелкие бронхиолы, которые завершаются альвеолярными мешками. Ветвление бронхов и бронхиол формирует доли (правое легкое имеет 3 доли, левое — 2 доли). В среднем в обоих легких имеется около 500-700 млн альвеол, дыхательная поверхность которых составляет от 40 м2 при вы­дохе до 120 м2 при вдохе. При этом большее количество альвеол находится в нижних отделах легких.

Бронхи и трахея имеют в своих стенках хрящевое основание и поэтому достаточно жестки. Бронхиолы и альвеолы имеют мягкие стенки и поэтому могут спадаться, то есть слипаться, как спустивший воздушный шарик, если в них не поддерживать некое давление воздуха. Чтобы этого не произошло, легкие, как единый орган, со всех сторон покрытый плеврой — прочной герметичной оболочкой.

Плевра имеет два слоя — два листка. Один листок плотно прилежит к внутренней поверхности жесткой грудной клетки, другой — окружает легкие. Между ними находится плевральная полость, в которой поддерживается отрицательное давление. Благодаря этому легкие находятся в расправленном состоянии. Отрицательное давление в плевральной щели обусловлено эластической тягой легких, то есть постоянным стремлением легких уменьшить свой объем.

Эластическая тяга легких обусловлена тремя факторами:
1) упругостью ткани стенок альвеол вследствие наличия в них эластичных волокон
2) тонусом бронхиальных мышц
3) поверхностным натяжением пленки жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность альвеол.

Жесткий каркас грудной клетки составляют ребра, которые гибко, благодаря хрящам и суставам, присоединяются к позвоночнику и суставам. Благодаря этому грудная клетка увеличивает и уменьшает свой объем, сохраняя при этом жесткость, необходимую для защиты находящихся в грудной полости органов.

Дыхательные мышцы

Для того, чтобы вдохнуть воздух, нам необходимо создать в легких давление более низкое, чем атмосферное, а чтобы выдохнуть более высокое. Таким образом, для вдоха необходимо увеличение объема грудной клетки, для выдоха — уменьшением объема. На самом деле большая часть усилий дыхания расходуется на вдох, в обычных условиях выдох осуществляется за счет упругих свойств легких.

Основной дыхательной мышцей является диафрагма — куполообразная мышечная перегородка между полостью грудной клетки и брюшной полостью. Условно её границу можно провести по нижнему краю ребер.

При вдохе диафрагма сокращается, растягиваясь активным действием в сторону нижних внутренних органов. При этом несжимаемые органы брюшной полости оттесняются вниз и в стороны, растягивая стенки брюшной полости. При спокойном вдохе купол диафрагмы спускается приблизительно на 1.5 см, соответственно увеличивается вертикальный размер грудной полости. При этом нижние ребра несколько расходятся, увеличивая и обхват грудной клетки, что особенно заметно в нижних отделах. При выдохе диафрагма пассивно расслабляется и подтягивается, удерживающими её сухожилиями, в своё спокойное состояние.

Кроме диафрагмы, в увеличении объема грудной клетки принимают участие также наружные косые межреберные и межхрящевые мышцы. В результате подъема ребер увеличивается смещение грудины вперед и отхождение боковых частей ребер в стороны.

При очень глубоком интенсивном дыхании или при повышении сопротивления вдоху в процесс увеличения объема грудной клетки включается ряд вспомогательных дыхательных мышц, которые могут поднимать ребра: лестничные, большая и малая грудные, передняя зубчатая. К вспомогательным мышцам вдоха относятся также мышцы, разгибающие грудной отдел позвоночника и фиксирующие плечевой пояс при опоре на откинутые назад руки(трапециевидная, ромбовидные, поднимающая лопатку).

Как говорилось выше, спокойный вдох протекает пассивно, практически на фоне расслабления мышц вдоха. При активном интенсивном выдохе «подключаются» мышцы брюшной стенки, в результате чего объем брюшной полости уменьшается и повышается давление в ней. Давление передается на диафрагму и поднимает ее. Вследствие сокращения внутренних косых межреберных мышц происходит опускание ребер и сближение их краев.

Дыхательные движения

В обычной жизни, понаблюдав за собой и своими знакомыми, можно увидеть как дыхание, обеспечиваемое в основном диафрагмой, так и дыхание, обеспечиваемое в основном работой межреберных мышц. И это в пределах нормы. Мышцы плечевого пояса чаще подключаются при серьезных заболеваниях или интенсивной работе, но почти никогда — у относительно здоровых людей в нормальном состоянии.

Считается, что дыхание, обеспечиваемое в основном движениями диафрагмы, характерно больше для мужчин. В норме вдох сопровождается незначительным выпячиванием брюшной стенки, выдох — незначительным ее втяжением. Это брюшной тип дыхания.

У женщин чаще всего встречается грудной тип дыхания, обеспечиваемый в основном работой межреберных мышц. Это может быть связано с биологической готовностью женщины к материнству и, как следствие, с затрудненностью брюшного дыхания при беременности. При этом типе дыхания наиболее заметные движения совершает грудина и ребра.

Дыхание, при котором активно движутся плечи и ключицы, обеспечивается работой мышц плечевого пояса. Вентиляция легких при этом малоэффективна и касается только верхушек легких. Поэтому такой тип дыхания называется верхушечным. В обычных условиях такой тип дыхания практически не встречается и используется либо в ходе тех или иных гимнастик или развивается при серьезных заболеваниях.

Во фридайвинге мы считаем, что брюшной тип дыхания или дыхание животом является наиболее естественным и продуктивным. Об этом же говорится при занятиях йогой и пранаямой.

Во-первых, потому, что в нижних долях легких находится больше альвеол. Во-вторых, дыхательные движения связаны с нашей вегетативной нервной системой. Дыхание животом активирует парасимпатическую нервную систему — педаль тормоза для организма. Грудное дыхание активирует симпатическую нервную систему — педаль газа. При активном и долгом верхушечном дыхании происходит перестимуляция симпатической нервной системы. Это работает в обе стороны. Так паникующие люди всегда дышат верхушечным дыханием. И наоборот, если какое-то время спокойно дышать животом, происходит успокоение неврной системы и замедление всех процессов.

Измерение жизненной емкости легких

Показатели легочного дыхания, такие как ЖЕЛ, измеряют во время процедуры спирографии, с помощью специального прибора-спирометра (рис.3).

Для замера жизненной емкости легких человек должен взять в рот трубку спирометра (нос при этом желательно заткнуть прищепкой), максимально глубоко вдохнуть, затем резко и максимально полно выдохнуть.

Спирометрия является одним из самых распространенных методов оценки состояния органов дыхания. Плюсы методики заключаются в простоте, надежности и безопасности для здоровья как пациента, так и окружающих.

Помимо спирометрии, показатели ЖЕЛ измеряются при помощи плетизмографии, а точнее ее разновидности, плетизмографии всего тела (ПВТ). Суть заключается в комплексном обследовании человека. Для этого проводят:

• Регистрацию изменений объема грудной клетки.
• Измерение скорости воздушного потока при дыхании и давление в ротовой полости (с помощью воздухопровода со специальными датчиками).
• Внутрипищеводное давление, которое приравнивается к внутриплевральному (при помощи катетера).

Все это позволяет с максимальной точностью вычислить показатели ЖЕЛ, что часто бывает необходимо при научных изысканиях. Помимо параметров, определяемых методом спирографии, ПВТ позволяет оценить состояние механических процессов, связанных с дыханием, таких как растяжимость легких и сопротивление дыхательных путей движению воздуха. Ввиду сложности этого метода в прикладной медицине его применяют реже, чем в научных исследованиях.

Также, в отсутствие других возможностей, рассчитать ЖЕЛ можно по следующим формулам:

• Для мужчин. 0,052*рост (см) – 0,029*возраст (лет) – 3,20.
• Для женщин.  0,049*рост (см) – 0,019*возраст (лет) – 3,76.

Для детей 4-17 лет существуют отдельные формулы расчета:

Для мальчиков:

• 4,53*рост(см) – 3,9, при росте от 100 до 164 см.
• 10*рост – 12,85, при росте от 165 см.

Для девочек: 3,75*рост – 3,15, при росте от 100 до 175 см.