Кроме статических показателей, характеризующих степень физического развития дыхательного аппарата, существуют и дополнительные - динамические показатели, дающие информацию об эффективности вентиляции легких и функциональном состоянии дыхательных путей.

Форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ) - количество воздуха, которое может быть выдохнуто при форсированном выдохе после максимального вдоха.

Определение фактической ФЖЕЛ. После максимального, медленного вдоха из атмосферы сделайте возможно быстрый максимальный выдох в спирометр. Сравните вашу фактическую ЖЕЛ (см. предыдущую работы) с ФЖЕЛ.

В норме разница между ЖЕЛ и ФЖЕЛ равна 100-300 мл. Увеличение этой разницы до 1500 мл и более указывает на сопротивление току воздуха вследствие сужения просвета мелких бронхов. Продолжительность максимально быстрого выдоха колеблется от 1,5 до 2,5 с.

Расчет должной ФЖЕЛ. Должную величину ЖЕЛ можно рассчитать по соответствующей формуле:

0,0592 Í Р – 0,025 Í В – 4,24 (мужчины); 0,0460 Í Р – 0,024 Í В – 2,852 (женщины);

где, Р – рост в сантиметрах; В – возраст;

Частота дыхания (ЧД) - количество дыхательных циклов (вдох-выдох) в 1 мин. Подсчитайте у себя число дыхательных циклов за одну минуту.

Минутный объем дыхания (МОД) - количество вентилируемого в легких воздуха за 1 мин. Фактический МОД определяют исходя из измеренных дыхательных объемов следующим образом:

МОД = ДО Í ЧД.

Должный минутный объем (дМОД) можно рассчитать по следующей формуле:

дМОД = ДОО / (7,07 Í 40);

ДОО – это должный основной обмен, который также рассчитывают по формуле:

66,47 + 13,7 Í Р + 5 Í Н – 6,75Í А (мужчины);

65,59 + 19,59 Í Р + 1,85 Í Н – 4,67 Í А (женщины);

где, Р – масса тела, кг, Н – рост, см, А – возраст, годы.

Альвеолярная вентиляция - объем вдыхаемого воздуха, поступающего в альвеолы.

АВ = 66-80 % от МОД.

Максимальная вентиляция легких (МВЛ) – максимальное количество воздуха вентилируемого в легких за 1 минуту. Фактическая МВЛ может быть определена следующим образом:

МВЛ = ЖЕЛ Í ЧД

Однако её прямое определение затруднено, так как очень глубокое и частое дыхание в течение минуты приведет к нарушению газового состава крови и ухудшению самочувствия. Поэтому максимальную ЧД целесообразно определить при спокойной глубине дыхания. В норме она должна составлять 70 – 100 л/мин.

Должная МВЛ (дМВЛ) может быть рассчитана по следующей формуле:

дМВЛ = дЖЕЛ Í 25 (мужчины); дМВЛ = дЖЕЛ Í 26 (женщины);

Резерв дыхания (РД) - показатель, характеризующий возможности увеличения вентиляции.

МВЛ - МОД.

РД = ------------------ Í 100

В норме эта разность составляет 85 – 90 % МВЛ.

Оформление протокола.

1. Измерьте указанные статические и динамические показатели внешнего дыхания. Результаты измерения занесите в тетрадь.

2. Рассчитайте должные величины показателей внешнего дыхания, где это возможно и сравните их с измеренными.

3. Если невозможно рассчитать должную величину, сравните измеренные фактические величины со средними значениями показателей внешнего дыхания (Таблица 1): Вычислите % отклонения фактических величин от должных, Заполните таблицу.:

Таблица 1. Средние значения основных показателей внешнего дыхания.

Вентиляция легких - непрерывный регулируемый процесс обновления газового состава воздуха, содержащегося в легких. Вентиляция легких обеспечивается введением в них атмосферного воздуха, богатого кислородом, и выведении при выдохе газа, содержащего избыток углекислого газа.

Легочная вентиляция характеризуется минутным объемом дыхания. В состоянии покоя взрослый человек вдыхает и выдыхает 500 мл воздуха при частоте 16-20 раз в минуту (минутный 8-10 л), новорожденный дышит чаще - 60 раз, ребенок 5 лет - 25 раз в минуту. Объем дыхательных путей (где газообмен не происходит) - 140 мл, так называемый воздух вредного пространства; таким образом, в альвеолы поступает 360 мл. Редкое и глубокое дыхание уменьшает объем вредного пространства, и оно значительно эффективнее.

К статическим объемам относятся величины, которые измеряют после завершения дыхательного маневра без ограничения скорости (время) его выполнения.

К статическим показателям относятся четыре первичных легочных объема: - дыхательный объем (ДО - VT);

Резервный объем вдоха (Ровд - IRV);

Резервный объем выдоха (РОвыд - ERV);

Остаточный объем (ОО - RV).

А также и емкости:

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ - VC);

Емкость вдоха (Евд - IC);

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ - FRC);

Общая емкость легких (ОЕЛ - TLC).

Динамические величины характеризуют объемную скорость воздушного потока. Их определяют с учетом времени, затраченного на выполнение дыхательного маневра. К динамическим показателям относятся:

Объем форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ 1 - FEV 1);

Форсированная жизненная емкость (ФЖЕЛ - FVC);

Пиковая объемная (PEV) скорость выдоха (ПОСвыд - PE) и др.

Объемы и емкости легких здорового человека определяет ряд факторов:

1) рост, масса тела, возраст, расовая принадлежность, конституциональные особенности человека;

2) эластические свойства легочной ткани и дыхательных путей;

3) сократительные характеристики инспираторных и экспираторных мышц.

Для определения легочных объемов и емкостей используются методы спирометрии, спирографии, пневмотахометрии и бодиплетизмографии.

Для сопоставимости результатов измерений легочных объемов и емкостей полученные данные должны соотноситься со стандартными условиями: температура тела 37 о С, атмосферного давления 101 кПА (760 мм рт ст), относительной влажности 100 %.

Дыхательный объем

Дыхательный объем (ДО) - это объем воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого при нормальном дыхании, равный в среднем 500 мл (с колебаниями от 300 до 900 мл).

Из него около 150 мл составляет объем воздуха функционального мертвого пространства (ВФМП) в гортани, трахее, бронхах, который не принимает участия в газообмене. Функциональная роль ВФМП заключается в том, что он смешивается с вдыхаемым воздухом, увлажняя и согревая его.

Резервный объем выдоха

Резервный объем выдоха - это объем воздуха, равныйу1500 -2000 мл, который человек может выдохнуть, если после нормального выдоха сделает максимальный выдох.

Резервный объем вдоха

Резервный объем вдоха - это объем воздуха, который человек может вдохнуть, если после нормального вдоха сделает максимальный вдох. Равен 1500 - 2000 мл.

Жизненная емкость легких

Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ) -- максимальное количество воздуха, выдыхаемое после самого глубокого вдоха. ЖЕЛ является одним из основных показателей состояния аппарата внешнего дыхания, широко используемым в медицине. Вместе с остаточным объемом, т.е. объемом воздуха, остающегося в легких после самого глубокого выдоха, ЖЕЛ образует общую емкость легких (ОЕЛ).

В норме ЖЕЛ составляет около 3/4 общей емкости легких и характеризует максимальный объем, в пределах которого человек может изменять глубину своего дыхания. При спокойном дыхании здоровый взрослый человек использует небольшую часть ЖЕЛ: вдыхает и выдыхает 300--500 мл воздуха (так называемый дыхательный объем). При этом резервный объем вдоха, т.е. количество воздуха, которое человек способен дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха, и резервный объем выдоха, равный объему дополнительно выдыхаемого воздуха после спокойного выдоха, составляет в среднем примерно по 1500 мл каждый. Во время физической нагрузки дыхательный объем возрастает за счет использования резервов вдоха и выдоха.

Жизненная емкость легких является показателем подвижности легких и грудной клетки. Несмотря на название, она не отражает параметров дыхания в реальных («жизненных») условиях, так как даже при самых высоких потребностях, предъявляемые организмом к дыхательной системе, глубина дыхания никогда не достигает максимального из возможных значений.

С практической точки зрения нецелесообразно устанавливать «единую» норму для жизненной емкости легких, так как эта величина зависит от ряда факторов, в частности от возраста, пола, размеров и положения тела и степени тренированности.

С возрастом жизненная емкость легких уменьшается (особенно после 40 лет). Это связано со снижением эластичности легких и подвижности грудной клетки. У женщин в среднем на 25% меньше, чем у мужчин.

Зависимость от роста можно вычислить по следующему уравнению:

ЖЕЛ=2.5*рост (м)

ЖЕЛ зависит от положения тела: в вертикальном положение она несколько больше, чем в горизонтальном положении.

Объясняется это тем, что в вертикальном положении в легких содержится меньше крови. У тренированных людей (особенно у пловцов, гребцов) она может составлять до 8 л, так как у спортсменов сильно развиты вспомогательные дыхательные мышцы (большие и малые грудные).

Остаточный объем

Остаточный объем (ОО) - это объем воздуха, который остается в легких после максимального выдоха. Равен 1000 - 1500 мл.

Общая емкость легких

Общая (максимальная) емкость легких (ОЕЛ) является суммой дыхательного, резервных (вдох и выдох) и остаточного объемов и составляет 5000 - 6000 мл.

Исследование дыхательных объемов нужно для оценки компенсации дыхательной недостаточности путем увеличения глубины дыхания (вдоха и выдоха).

Жизненная емкость легких. Систематические занятия физкультурой и спортом способствуют развитию дыхательной мускулатуры и расширению грудной клетки. Уже через 6-7 месяцев после начала занятий плаванием или бегом жизненная емкость легких у юных спортсменов может возрасти на 500 куб.см. и более. Снижение ее - признак переутомления.

Измеряется Жизненная емкость легких специальным прибором - спирометром. Для этого закройте вначале пробкой отверстие внутреннего цилиндра спирометра и продезинфицируйте его мундштук спиртом. После глубокого вдоха сделайте через взятый в рот мундштук глубокий выдох. При этом воздух не должен проходить мимо мундштука или через нос.

Измерение повторяют дважды, а в дневнике записывают наивысший результат.

Жизненная емкость легких у человека колеблется от 2,5 до 5л, а у некоторых спортсменов достигает 5,5л и более. Жизненная емкость легких зависит от возраста, пола, физического развития и других факторов. Уменьшение ее более чем на 300 куб.см может указывать на переутомление.

Очень важно научиться полному глубокому дыханию, избегать его задержки. Если в покое частота дыхания обычно равна 16-18 в мин., то при физической нагрузке, когда организм нуждается в большем количестве кислорода, эта частота может достигать 40 и белее. При появлении же частого поверхностного дыхания, одышки нужно прекратить занятие, отметить это в дневнике самоконтроля и обратиться к врачу.

Для фридайвера легкие явлются основным "рабочим инстументом" (конечно, после головного мозга), поэтому нам важно понимать устройство легких и весь процесс дыхания. Обычно, когда мы говорим о дыхании, мы имеем в виду внешнее дыхание или вентиляцию легких - единственный заметный для нас процесс в цепи дыхания. И рассматривать дыхание надо начинать именно с него.

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 м 2 при вы­дохе до 120 м 2 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.

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.

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.

Воздух находится не только в альвеолах, но и в воздухоносных путях. К ним относятся полость носа (или рта при ротовом дыхании), носоглотка, гортань, трахея, бронхи. Воздух, находящийся в воздухоносных путях (за исключением дыхательных бронхиол), не участвует в газообмене. Поэтому просвет воздухоносных путей называют анатомическим мертвым пространством. При вдохе последние порции атмосферного воздуха входят в мертвое пространство и, не изменив своего состава, покидают его при выдохе.

Объем анатомического мертвого пространства около 150 мл или примерно 1/3 дыхательного объема при спокойном дыхании. Т.е. из 500 мл вдыхаемого воздуха в альвеолы поступает лишь около 350 мл. В альвеолах в конце спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха, поэтому при каждом спокойном вдохе обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха.

• ‹ Назад

Одной из основных характеристик внешнего дыхания является минутный объем дыхания (МОД). Вентиляция легких определяется объемом воздуха вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. МОД – это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов . В норме, в покое ДО равен 500 мл, частота дыхательных циклов – 12 – 16 в минуту, отсюда МОД равен 6 - 7 л/мин. Максимальная вентиляция легких – это объем воздуха, который проходит через легкие за 1 минуту во время максимальных по частоте и глубине дыхательных движений.

Альвеолярная вентиляция

Итак, внешнее дыхание, или вентиляция легких обеспечивает поступление в легкие примерно 500 мл воздуха во время каждого вдоха (ДО). Насыщение крови кислородом и удаление углекислого газа происходит при контакте крови легочных капилляров с воздухом, содержащимся в альвеолах. Альвеолярный воздух – это внутренняя газовая среда организма млекопитающих и человека. Ее параметры – содержание кислорода и углекислого газа – постоянны. Количество альвеолярного воздуха примерно соответствует функциональной остаточной емкости легких – количеству воздуха, которое остается в легких после спокойного выдоха, и в норме равно 2500 мл. Именно этот альвеолярный воздух обновляется поступающим по дыхательным путям атмосферным воздухом. Следует иметь в виду, что в легочном газообмене участвует не весь вдыхаемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол. Поэтому для оценки эффективности легочного газообмена важна не столько легочная, сколько альвеолярная вентиляция.

Как известно, часть дыхательного объема не участвует в газообмене, заполняя анатомически мертвое пространство дыхательных путей – примерно 140 – 150 мл.

Кроме того, есть альвеолы, которые в данный момент вентилируются, но не снабжаются кровью. Эта часть альвеол является альвеолярным мертвым пространством. Сумма анатомического и альвеолярного мертвых пространств называется функциональным, или физиологическим мертвым пространством. Примерно 1/3 дыхательного объема приходится на вентиляцию мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе. Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств – альвеолярная вентиляция – представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. В норме альвеолярная вентиляция составляет 70 - 75 % величины МОД.

Расчет альвеолярной вентиляции проводится по формуле: МАВ = (ДО - МП)  ЧД, где МАВ - минутная альвеолярная вентиляция, ДО - дыхательный объем, МП - объем мертвого пространства, ЧД - частота дыхания.

Рисунок 6. Соотношение МОД и альвеолярной вентиляции

Используем эти данные для расчета еще одной величины, характеризующей альвеолярную вентиляцию - коэффициент вентиляции альвеол. Этот коэффициент показывает, какая часть альвеолярного воздуха обновляется при каждом вдохе. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 2500 мл воздуха (ФОЕ), во время вдоха в альвеолы поступает 350 мл воздуха, следовательно, обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха (2500/350 = 7/1).

УДК 612.215+612.1 ББК Е 92 + Е 911

А.Б. Загайнова, Н.В. Турбасова. Физиология дыхания и кровообращения. Учебно-методическое пособие по курсу «Физиология человека и животных»: для студентов 3 курса ОДО и 5 курса ОЗО биологического факультета. Тюмень.: Издательство Тюменского государственного университета, 2007. - 76 с.

Учебно-методическое пособие включает лабораторные работы, составленные в соответствии с программой курса «Физиология человека и животных», многие из которых иллюстрируют фундаментальные научные положения классической физиологии. Часть работ имеет прикладной характер и представляет собой методы самоконтроля здоровья и физического состояния, способы оценки физической работоспособности.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: В.С.Соловьев, д.мед.н., профессор

© Тюменский государственный университет, 2007

© Издательство Тюменского государственного университета, 2007

© А.Б. Загайнова, Н.В. Турбасова, 2007

Пояснительная записка

Предметом исследования в разделах «дыхание» и «кровообращение» являются живые организмы и их функционирующие структуры, обеспечивающие эти жизненно-важные функции, чем и определяется выбор методов физиологического исследования.

Цель курса: сформировать представления о механизмах функционирования органов дыхания и кровообращения, о регуляции деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем, об их роли в обеспечении взаимодействия организма с внешней средой.

Задачи лабораторного практикума: ознакомить студентов с методами исследования физиологических функций человека и животных; проиллюстрировать фундаментальные научные положения; представить методики самоконтроля физического состояния, оценки физической работоспособности при физических нагрузках различной интенсивности.

На проведение лабораторных занятий по курсу «Физиология человека и животных» отводится 52 часа на ОДО и 20 часов на ОЗО. Итоговая форма отчетности по курсу «Физиология человека и животных» - экзамен.

Требования к экзамену: необходимо понимание основ жизнедеятельности организма, в том числе механизмов функционирования систем органов, клеток и отдельных клеточных структур, регуляции работы физиологических систем, а также закономерности взаимодействия организма с внешней средой.

Учебно-методическое пособие разработано в рамках программы общего курса «Физиология человека и животных» для студентов биологического факультета.

ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

Сущность процесса дыхания заключается в доставке к тканям орга­низма кислорода, обеспечивающего протекание окислительных реакций, что приводит к освобождению энергии и выделению из организма диоксида углерода, образующегося в результате обмена веществ.

Процесс, протекающий в легких и заключающийся в обмене газов между кровью и окружающей средой (воздухом, поступающим в альвеолы, называют внешним, легочным дыханием, или вентиляцией легких .

В результате газообмена в легких кровь насыщается кислородом, теряет углекислоту, т.е. вновь становится способной переносить кислород к тканям.

Обновление газового состава внутренней среды организма происходит вследствие циркуляции крови. Транспортная функция осуществляется кровью благодаря физическому растворению в ней СО 2 и О 2 и связыванию их с компонентами крови. Так, гемоглобин способен вступать в обратимую реакцию с кислородом, а связывание СО 2 происходит в результате образования в плазме крови обратимых бикарбонатных соединений.

Потребление кислорода клетками и осуществление окислительных реакций с образованием углекислого газа составляет сущность процессов внутреннего , или тканевого дыхания .

Таким образом, лишь последовательное изучение всех трех звеньев дыхания может дать представление об одном из самых сложных физиологических процессов.

Для изучения внешнего дыхания (вентиляция легких), газообмена в легких и тканях, а также транспорта газов кровью используют различные методы, позволяющие оценивать дыхательную функцию в состоянии покоя, при физической нагрузке и различных воздействиях на организм.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ПНЕВМОГРАФИЯ

Пневмография - это регистрация дыхательных движений. Она позволяет определить частоту и глубину дыхания, а также соотношение продолжительности вдоха и выдоха. У взрослого человека число дыхательных движений составляет 12-18 в минуту, у детей дыхание более частое. При физической работе оно увеличивается вдвое и более. При мышечной работе изменяется и частота, и глубина дыхания. Изменение ритма дыхания и его глубины наблюдаются во время глотания, разговора, после задержки дыхания и т. п.

Между двумя фазами дыхания нет пауз: вдох непосредственно переходит в выдох и выдох во вдох.

Как правило, вдох несколько короче выдоха. Время вдоха относится ко времени выдоха, как 11:12 или даже как 10:14.

Кроме ритмических дыхательных движений, обеспечивающих вентиляцию легких, по времени могут наблюдаться особые дыхательные движения. Некоторые из них возникают рефлекторно (защитные дыхательные движения: кашель, чихание), другие произвольно, в связи с фонацией (речью, пением, декламацией и др.).

Регистрация дыхательных движений грудной клетки осуществляется при помощи специального прибора - пневмографа. Получаемая запись – пневмограмма – позволяет судить: о продолжительности фаз дыхания - вдоха и выдоха, частоте дыхания, относительной глубине, зависимости частоты и глубины дыхания от физиологического состояния организма - покоя, работы и т.д.

Пневмография основана на принципе воздушной передачи дыхательных движений грудной клетки пишущему рычажку.

Наиболее употребительный в настоящее время пневмограф представляет собой продолговатую резиновую камеру, помещенную в матерчатый чехол, герметически соединенный резиновой трубочкой с капсулой Марэ. При каждом вдохе грудная клетка расширяется и сдавливает воздух в пневмографе. Это давление передается в полость капсулы Марэ, ее упругая резиновая крышечка поднимается, и опирающийся на нее рычажок пишет пневмограмму.

В зависимости от применяемых датчиков пневмографию можно осуществлять различными способами. Наиболее простым и доступным для регистрации дыхательных движений является пневмодатчик с капсулой Марэ. Для пневмографии можно применять реостатные, тензометрические и емкостные датчики, но в этом случае необходимы электронные усилительные и регистрирующие устройства.

Для работы необходимы: кимограф, манжетка от сфигмоманометра, капсула Марэ, штатив, тройник, резиновые трубки, отметчик времени, раствор аммиака. Объект исследования - человек.

Проведение работы. Собирают установку для регистрации ды­хательных движений, как показано на рис. 1, А. Манжетку от сфигмоманометра укрепляют на самой подвижной части грудной клетки испытуемого (при брюшном типе дыхания это будет нижняя треть, при грудном - средняя треть грудной клетки) и соединяют ее с помощью тройника и резиновых трубок с капсулой Марэ. Через тройник, открыв зажим, в регистрирующую систему вводят небольшое количество воздуха, следя за тем, чтобы слишком высокое давление неразорвало резиновую перепонку капсулы. Убедившись, что пневмограф укреплен правильно и движения грудной клетки передаются рычажку капсулы Марэ, подсчитывают число дыхательных движений в минуту, а затем устанавливают писчик по касательной к кимографу. Включают кимограф и отметчик времени и приступают к записи пневмограммы (испытуемый при этом не должен смотреть на пневмограмму).

Рис. 1. Пневмография.

А - графическая регистрация дыхания с помощью капсулы Марэ; Б - пневмограммы, записанные при действии различных факторов, вызывающих изменение дыхания: 1 - широкая манжетка; 2 - резиновая трубка; 3 – тройник; 4 - капсула Марэ; 5 – кимограф; 6 -отметчик времени; 7 - универсальный штатив; а - спокойное дыхание; б - при вдыхании паров аммиака; в - во время разговора; г - после гипервентиляции; д - после произвольной задержки дыхания; е - при физической нагрузке; б"-е" - отметки применяемого воздействия.

Регистрируют на кимографе следующие типы дыхания:

1) спокойное дыхание;

2) глубокое дыхание (испытуемый произвольно делает несколько глубоких вдохов и выдохов – жизненная емкость легких);

3) дыхание после физической нагрузки. Для этого испытуемого просят, не сни­мая пневмографа, сделать 10-12 приседаний. При этом, чтобы в результате резких толчков воздуха не разорвалась покрышка капсулы Марея, зажимом Пеана пережимают резиновую трубочку соединяющую пневмограф с капсулой. Тотчас после окончания приседаний зажим снимают и записывают дыхательные движения);

4) дыхание во время декламации, разговорной речи, смеха (обращают внимание, как изменяется продолжительность вдоха и выдоха);

5) дыхание при кашле. Для этого испытуемый делает несколько произвольных выдыхательных кашлевых движений;

6) одышку - диспноэ, вызванную задержкой дыхания. Опыт произво­дят в следующем порядке. Записав нормальное дыхание (эйпноэ) в положении испытуемого сидя, просят его задержать дыхание на выдохе. Обычно через 20-30 секунд происходит непро­извольное восстановление дыхания, причём частота и глубина дыхательных движений становятся значительно больше, наблю­дается одышка;

7) изменение дыхания при уменьшении углекислого газа в аль­веолярном воздухе и крови, что достигается гипервентиляци­ей лёгких. Испытуемый делает глубокие и частые дыхательные движения до лёгкого головокружения, после чего наступает естественная задержка дыхания (апноэ);

8) при глотании;

9) при вдыхании паров аммиака (к носу испытуемого подносят вату, смоченную раствором аммиака).

Некоторые пневмограммы представлены на рис. 1,Б.

Полученные пневмограммы наклейте в тетрадь. Рассчитайте количество дыхательных движений в 1 минуту при разных условиях регистрации пневмограммы. Определите, в какую фазу дыхания осуществляется глотание и речь. Сравните характер изменения дыхания под влиянием различных факторов воздействия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

СПИРОМЕТРИЯ

Спирометрия - метод определения жизненной емкости легких и составляющих ее объемов воздуха. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - это наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимального вдоха. На рис. 2 показаны легочные объемы и емкости, характеризующие функциональное состояние легких, а также пневмограмма, поясняющая связь объемов и емкостей легких с дыхательными движениями. Функциональное состояние легких зависит от возраста, роста, пола, физического развития и ряда, других факторов. Для оценки функции дыхания у данного лица, измеренные у него легочные объемы следует сравнивать с должными величинами. Должные величины рассчитывают по формулам или определяют по номограммам (рис. 3), отклонения на ± 15% расцениваются как несущественные. Для измерения ЖЕЛ и составляющих ее объемов используют сухой спирометр (рис. 4).

Рис. 2. Спирограмма. Легочные объёмы и ёмкости:

РОвд - резервный объем вдоха; ДО - дыхательный объем; РОвыд - резервный объем выдоха; ОО - остаточный объем; Евд - емкость вдоха; ФОЕ - функциональная остаточная емкость; ЖЕЛ - жизненная емкость легких; ОЕЛ - общая емкость легких.

Легочные объемы:

Резервный объем вдоха (РОвд) – максимальный объем воздуха, который человек может вдохнуть после спокойного вдоха.

Резервный объем выдоха (РОвыд) – максимальный объем воздуха, который человек может выдохнуть после спокойного выдоха.

Остаточный объем (ОО) – объем газа в легких после максимального выдоха.

Емкость вдоха (Евд) – максимальный объем воздуха, который человек может вдохнуть после спокойного выдоха.

Функциональная остаточная емкость (ФОЕ) – объем газа в легких, остающийся после спокойного вдоха.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после максимального вдоха.

Общая емкость легких (ОЕл) – объем газов в легких после максимального вдоха.

Для работы необходимы: сухой спирометр, носовой зажим, загубник, спирт, вата. Объект исследования - человек.

Преимущество сухого спирометра заключается в том, что он портативен и удобен в работе. Сухой спирометр представляет собой воздушную турбинку, вращаемую струей выдыхаемого воздуха. Вращение турбинки через кинематическую цепь передается стрелке прибора. Для остановки стрелки по оконча­нии выдоха спирометр снабжен тормозным устройством. Величину измеряемого объема воздуха определяют по шкале прибора. Шкалу можно поворачивать, что позволяет устанавливать стрелку на нуль перед каждым измерением. Выдох воздуха из легких производят через мундштук.

Проведение работы. Мундштук спирометра протирают ватой, смоченной спиртом. Испытуемый после максимального вдоха делает максимально глубокий выдох в спирометр. По шкале спирометра определяют ЖЕЛ. Точность результатов повышается, если измерение ЖЕЛ производят несколько раз и вычисляют среднюю величину. При многократных измерениях необходимо каждый раз устанавливать исходное положение шкалы спирометра. Для этого у сухого спирометра поворачивают из­мерительную шкалу и нулевое деление шкалы совмещают со стрелкой.

ЖЕЛ определяют в положении испытуемого стоя, сидя и лежа, а также после физической нагрузки (20 приседаний за 30 секунд). Отмечают разницу в результатах измерений.

Затем испытуемый осуществляет несколько спокойных выдохов в спирометр. При этом подсчитывают количество дыхательных движений. Разделив показания спирометра на число выдохов, сделанных в спирометр, определяют дыхательный объем воздуха.

Рис. 3. Номограмма для определения долж­ной величины ЖЕЛ.

Рис. 4. Суховоздушный спиро­метр.

Для определения резервного объема выдоха испытуемый делает после очередного спокойного выдоха максимальный выдох в спирометр. По шкале спирометра определяют резервный объем выдоха. Повторяют измерения несколько раз и вычисляют среднюю величину.

Резервный объем вдоха можно определить двумя способами: вычислить и измерить спирометром. Для его вычисления необходимо из величины ЖЕЛ вычесть сумму дыхательного и резервного (выдоха) объемов воздуха. При измерении резервного объема вдоха спирометром в него набирают определённый объем воздуха и испытуемый после спокойного вдоха делает максимальный вдох из спирометра. Разность между первоначальным объемом воздуха в спирометре и объемом, оставшимся там после глубокого вдоха, соответствует резервному объему вдоха.

Для определения остаточного объема воздуха не существует прямых методов, поэтому используют косвенные. Они могут быть основаны на разных принципах. Для этих целей применяют, например, плетизмографию, оксигемометрию и измерение концентрации индикаторных газов (гелий, азот). Считают, что в норме остаточный объем составляет 25-30% от величины ЖЕЛ.

Спирометр дает возможность установить и ряд других характеристик дыхательной деятельности. Одной из них являет величина легочной вентиляции. Для ее определения число циклов дыхательных движений в минуту умножают на дыхательный объем. Так, за одну минуту между организмом и средой в норме обменивается около 6000 мл воздуха.

Альвеолярная вентиляция = частота дыхания х (дыхательный объем - объем «мертвого» пространства).

Установив параметры дыхания, можно оценить интенсивность обмена веществ в организме, определив потребление кислорода.

В ходе работы важно выяснить, находятся ли величины, полученные для конкретного человека, в пределах нормы. С этой целью были разработаны специальные номограммы и формулы, где учитывается корреляция отдельных характеристик функции внешнего дыхания и таких факторов как: пол, рост, возраст и др.

Должная величина жизненной емкости легких рассчитывается по формулам (Гуминский А.А., Леонтьева Н.Н., Маринова К.В., 1990):

для мужчин -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) – (возраст (лет) х 0,022)} - 3,60;

для женщин –

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,041)- (возраст (лет) х 0,018)} - 2,68.

для мальчиков 8 -12 лет -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) - (возраст (лет) х 0,022)} - 4,6;

для мальчиков 13 -16 лет-

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,052) - (возраст (лет) х 0,022)} - 4,2;

для девочек 8 - 16 лет -

ЖЕЛ = {(рост (см) х 0,041) - (возраст (лет) х 0,018)} - 3,7.

К 16-17 годам жизненная емкость легких достигает величин, характерных для взрослого человека.

Результаты работы и их оформление. 1. Занесите в таблицу 1 результаты измерений, вычислите среднее значение ЖЕЛ.

Таблица 1

2. Сравните результаты измерений ЖЕЛ (покой) стоя и сидя. 3. Сравните результаты измерений ЖЕЛ стоя (покой) с результатами, полученными после физической нагрузки. 4. Рассчитайте % от должной величины, зная показатель ЖЕЛ, полученный при измерении стоя (покой) и должной ЖЕЛ (рассчитанной по формуле):

ЖЕЛфакт. х 100 (%).

5. Сравните величину ЖЕЛ, измеренную спирометром, с должной ЖЕЛ, найденной по номограмме. Рассчитайте остаточный объем, а также емкости легких: общую емкость легких, емкость вдоха и функциональную остаточную емкость. 6. Сделайте выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНУТНОГО ОБЪЕМА ДЫХАНИЯ (МОД) И ЛЕГОЧНЫХ ОБЪЕМОВ

(ДЫХАТЕЛЬНОГО, РЕЗЕРВНОГО ОБЪЕМА ВДОХА

И РЕЗЕРВНОГО ОБЪЕМА ВЫДОХА)

Вентиляция легких определяется объемом воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого в единицу времени. Обычно измеряют минутный объем дыхания (МОД). Его величина при спокойном дыхании 6-9 л. Вентиляция легких зависит от глубины и частоты дыхания, которая в состоянии покоя составляет 16 в 1 мин (от 12 до 18). Минутный объем дыхания равен:

МОД = ДО х ЧД,

где ДО - дыхательный объем; ЧД - частота дыхания.

Для работы необходимы: сухой спирометр, носовой зажим, спирт, вата. Объект исследования - человек.

Проведение работы. Для определения объема дыхательного воздуха испытуемый должен сделать спокойный выдох в спирометр после спокойного вдоха и определить дыхательный объем (ДО). Для определения резервного объема выдоха (РОвыд) после спокойного обычного выдоха в окружающее пространство сделать глубокий выдох в спирометр. Для определения резервного объема вдоха (РОвд) установить внутренний цилиндр спирометра на каком-либо уровне (3000-5000), а затем, сделав спокойный вдох из атмосферы, зажав нос, сделать максимальный вдох из спирометра. Все измерения повторить три раза. Резервный объем вдоха можно определить по разнице:

РОвд = ЖЕЛ – (ДО – РОвыд)

Расчетным методом определить сумму ДО, РОвд и РОвыд, составляющую жизненную емкость легких (ЖЕЛ).

Результаты работы и их оформление. 1. Полученные данные оформите в виде таблицы 2.

2. Рассчитайте минутный объем дыхания.

Таблица 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4