Moduł 11.pdf

Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu oddechowego człowieka

Biofizyczne podstawy funkcjonowania

układu oddechowego człowieka

1. Biofizyka układu oddechowego

1.1. Biofizyczne podstawy wymiany gazowej u człowieka

1.2. Analiza biofizycznych wykładników wentylacji płucnej

2. Praca wykonywana przez układ oddechowy człowieka

Literatura podstawowa

Literatura dodatkowa

Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu oddechowego człowieka

1. Biofizyka układu oddechowego

Układ oddechowy pozwala na zaopatrywanie organizmu człowieka w tlen i uwalnianie go

od dwutlenku węgla w ramach wymiany gazowej. Tlen pobierany jest z powietrza

wypełniającego płuca. Pobieranie powietrza przez płuca i opróżnianie płuc z powietrza

ubogiego w tlen nazywane jest wentylacją płucną .

Wśród zaburzeń wentylacji rozróżniamy hiper- i hipowentylację płucną.

Do przyczyn zwiększenia wentylacji płucnej (niekiedy występuje zbieżność kilku

czynników) należą:

 niedotlenienie (hipoksja) tkanek,

 kwasica metaboliczna,

 zwiększenie wentylacji w warunkach pierwotnie prawidłowej prężności tlenu

i dwutlenku węgla we krwi,

 bezpośrednie pobudzenie ośrodka oddechowego (np. wskutek działania niektórych

leków),

 hiperwentylacja uwarunkowana emocjami.

Hiperwentylacja w warunkach pierwotnie prawidłowej prężności gazów we krwi powoduje

hipokapnię i — w dalszej kolejności — alkalozę oddechową. Alkaloza zwiększa

powinowactwo hemoglobiny do tlenu, co jest przyczyną upośledzenia procesu oddawania

tlenu w tkankach. Alkalozie oddechowej towarzyszy obniżenie stężenia potasu

i fosforanów nieorganicznych w osoczu.

1.1. Biofizyczne podstawy wymiany gazowej u człowieka

Ruch powietrza do płuc podczas wdechu oraz z płuc podczas wydechu jest spowodowany

zmienną różnicą ciśnień między powietrzem atmosferycznym a płucami. Płuca znajdują

się w klatce piersiowej — szczelnie zamkniętej przestrzeni, w której panuje ciśnienie,

zwane wewnątrzopłucnowym — P op .

Ciśnienie powietrza w płucach, a właściwie w pęcherzykach płucnych, jest nazywane

ciśnieniem śródpęcherzykowym — P p . Pęcherzyki płucne są oplecione sprężystymi

włókienkami białkowymi, między innymi kolagenowymi, które nadają tkance płucnej

pewne właściwości sprężyste. Siły sprężystości usiłują zmniejszyć objętość płuc. Dlatego

Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu oddechowego człowieka

po otwarciu klatki piersiowej płuca się kurczą, czyli zapadają. W zamkniętej klatce

piersiowej płuca wypełniają ją całkowicie, co jest spowodowane różnicą ciśnień, istniejącą

między płucami a przestrzenią opłucnową.

P op

wewnątrzopłucnowe

P a

opłucna ścienna

P sp

sprężyste

opłucna płucna

P p

śródpęcherzykowe

P p

przepona

Rysunek 1. Oznaczenie ciśnień panujących w układzie oddechowym

Ciśnienie powietrza w pęcherzykach płucnych, czyli ciśnienie śródpęcherzykowe P p , jest

większe od ciśnienia wewnątrzopłucnowego P op , panującego w przestrzeni opłucnowej. Ta

różnica ciśnień:

P = P p – P op

rozciąga płuca (tak samo jak różnica ciśnień między wnętrzem balonika gumowego

a powietrzem atmosferycznym rozciąga balonik), działając przeciw naprężeniom

sprężystym tkanki płucnej. Wynikiem działania sił sprężystych tkanki płucnej jest

ciśnienie P sp , które nazywane jest ciśnieniem sprężystym tkanki płucnej.

W stanie równowagi, czyli przy niezmieniającej się chwilowo objętości płuc, jest ono

równe różnicy ciśnień P p śródpęcherzykowego i P op wewnątrzopłucnowego.

P sp = P p – P op

Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu oddechowego człowieka

W stanie spoczynku ciśnienie śródpęcherzykowe jest równe ciśnieniu atmosferycznemu:

P a = P p .

Ciśnienie atmosferyczne jest traktowane jako ciśnienie odniesienia, przyjmuje się, że

jego wartość wynosi zero.

P p = P a = 0

Ciśnienie wewnątrzopłucnowe wynosi w stanie spoczynku: od –0,3 do –0,5 kPa, czyli od

–2 do –4 mmHg. Rozciągnięte płuca wypełniają wtedy całą klatkę piersiową tak, że

opłucna przylega do opłucnej ściennej.

Podczas wdechu mięśnie oddechowe powiększają objętość klatki piersiowej. Ciśnienie

wewnątrzopłucnowe wówczas się zmniejsza (przy spokojnym wdechu), np. od 0,33 kPa

(–2,5 mmHg) do 0,8 kPa (–6 mmHg), płuca rozciągają się jeszcze bardziej.

Podczas spokojnego wydechu mięśnie oddechowe rozluźniają się, klatka piersiowa

zmniejsza objętość. Siły sprężyste — zwane retrakcyjnymi — zmniejszają objętość

pęcherzyków.

Ciśnienie wewnątrzopłucnowe P op rośnie do wartości około –0,33 kPa (–2,5 mmHg),

a śródpęcherzykowe staje się nieco dodatnie, czyli większe od atmosferycznego.

Wzrastające w pęcherzykach ciśnienie wypiera z nich powietrze, jego strumień staje się

największy, gdy ciśnienie śródpęcherzykowe wzrośnie do ok. 0,2 kPa (1,5 mmHg), po

czym maleje, ustając, kiedy ciśnienie w pęcherzykach zrówna się ponownie z ciśnieniem

atmosferycznym .

Ciśnienie wewnątrzopłucnowe P op zmienia się więc w rytmie oddychania od –0,33 kPa do

–0,8 kPa (od –2,5 mmHg do –6 mmHg), pociągając za sobą zmiany ciśnienia

śródpęcherzykowego od –0,2 kPa do +0,2 kPa (od –1,5 mmHg do +1,5 mmHg).

Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu oddechowego człowieka

1.2. Analiza biofizycznych wykładników wentylacji płucnej

Podczas wdechu do płuc zostaje wprowadzona objętość powietrza, zwana objętością

oddechową V t — przy spokojnym wdechu wynosi ona ok. 0,5 dm 3 . Objętość powietrza

wdychana i wydychana w ciągu minuty nazywana jest wentylacją minutową .

V r

∆

wynosi przy spokojnym oddychaniu (przy 15 oddechach na minutę) około

8 dcm/min. Podczas dłużej trwającego wysiłku fizycznego wentylacja może wzrosnąć

10-krotnie, na krótki czas nawet 20-krotnie. Wzrost ten jest wynikiem zarówno

zwiększonej objętości oddechowej, jak i częstości oddechów.

Współczynnik:

C =

∆

fizjolodzy nazywają podatnością płuc . Wyraża ona liczbowo zmianę objętości płuc

wywołaną jednostkową zmianą ciśnienia sprężystego płuc.

W wymianie gazowej bierze udział wiele różnorodnych mechanizmów związanych

z mechaniką oddychania (wentylacja), przenikanie gazów przez barierę pęcherzykowo-

włośniczkową (dyfuzja), transport tlenu i dwutlenku węgla wraz z krwią (krążenie).

Wyróżnia się szereg czynników, które biorą udział w regulacji oddychania. Są to:

1. Ośrodek oddechowy (neurony wdechowe neurony wydechowe).

2. Ciśnienie parcjalne O 2 i CO 2 (receptory obwodowe — kłębek szyjny i aortalny,

receptory ośrodkowe w rdzeniu przedłużonym).

3. Mechanoreceptory w mięśniach i ścięgnach.

4. Baroreceptory.

5. Wyższe ośrodki (kora mózgowa, układ limbiczny, most).

6. Temperatura ciała.

7. Hormony.

Prawidłowe wartości gazometryczne we krwi tętniczej u człowieka zdrowego,

oddychającego powietrzem atmosferycznym na poziomie morza wynoszą:

PaO 2 = 95 +/–5 mmHg,

PaCO 2 = 40 +/–5 mmHg,

SaO 2 = 97 +/–2%,

∆

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: