Prezentacja W05 Analityka Uklad Oddechowy WWW, Biofizyka

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Mechanizm wentylacji płuc
Ruch powietrza do płuc i z płucwywoływany jest różnicąciśnieńpomiędzy
powietrzem atmosferycznym a powietrzem w płucach. Pęcherzykipłucne oplecione
sąsprężystymi włókienkamibiałkowymi (kolagenowymi), którenadają tkance wła-
snościsprężyste.
W otwartej klatce piersiowej płucasą skurczone (zapadnięte). W zamkniętej klat-
ce płucawypełniająjącałkowicie,gdyżciśnienie w pęcherzykach,
ciśnienieśród-
pęcherzykowe p
p
,
jest większe od
ciśnienia wewnątrzopłucnowego p
op
(panują-
cego w przestrzeni opłucnowej). Ta różnicaciśnień:
p
=
p
p
-
p
op
rozciąga płuca
wywołując naprężenia sprężyste tkanki
. Sytuacja jest podobna do
tej zilustrowanej na poniższym rysunku z balonikiem. Wynikiem działania siłsprę-
żystych tkanki jest ciśnieniesprężyste tkanki. W warunkach równowagi:
p
sp
=
p
p
-
p
op
Poniższy rysunek ilustruje mechanizm napełniania pęcherzyków płucnych.
1
Naczynie z gumowym dnem symuluje klatkę
piersiową: naczynie to żebra, gumowe dno to
przepona. Balon pełni role pęcherzykówpłuc-
nych.
Początkowo ciśnienie powietrza w naczyniu
(ciśnienie wewnątrzopłucnowe) jest równe
ciśnieniuzewnętrznemu.
Przesunięcie„przepony”w dółpowoduje wzrost
objętościwewnatrzopłucnowej.
Pociąga to za sobą zassanie powietrza przez
pęcherzyk-balon, któryzwiększaswojąobję-
tość tak długa,póki ciśnieniesprężyste (od-
kształconego balonu) i ciśnienie wewnatrzop-
łucnowe nie zrównoważą ciśnienia atmosfe-
rycznego.
Ciśnieniapanujące w płucach.
p
op
+
p
sp
=
p
p
Ciśnieniesprężyste tkanki płucnej równoważny różnicęciśnieńśródpęcherzykowego
i wewnątrzopłucnowego.
2
Ciśnienie wewnątrzopłucnowe zmie-
nia się w czasie oddychania w grani-
cach od:
-
2,5 mm Hg do
-
6 mm Hg
względemciśnieniaatmosferycznego.
Pociąga to za sobą zmiany ciśnienia
śródpęcherzykowego w granicach od:
-
1,5 mm Hg do
+
1,5 mmHg
odpowiednio przy wdechu i wydechu.
Rysunek pokazuje też, jak zmienia się
jednocześnieobjętośćpłuc.
Podczas wdechu zostaje wprowadzona do płucobjętość powietrza,
objętość
oddechowa
V
T
.
Objętość powietrza wdychana w ciągu jednej minuty zwana jest
wentylacjąminutową
:

Δ
V
t
Δ
przy spokojnym oddychaniu (15 oddechów/1 min.) wentylacja płuc wynosi około:
Wentylacja
=
8
l
/min
Przy intensywnym wysiłku wentylacja możewzrosnąć 20-krotnie, w wyniku wzrostu
objętości oddechowej i częstotliwościoddechów.
Zmiany objętości płuc mierzone spirometrem.
3
Wentylacja
Rola właściwości sprężystych tkanki płucnej i napięcia
powierzchniowego warstwy powierzchniowej pęcherzyków
Właściwości mechaniczne tkanki płucnej bada się na płucu wyizolowanym.
Płuca
nadmuchuje
się powietrzem
(inflacja)
, mierzącciśnienie i odpowiadającą mu
objętośćpłuc. Taki sam pomiar wykonuje się przy
opróżnianiupłuc - deflacji
. Poniż-
szy rysunek ilustruje wyniki takich pomiarów otrzymane dla płuca kota.
Histereza
objętościowo-ciśnie-
niowa podczas inflacji i deflacji
izolowanego płuca kota.
Mała pętla odpowiada procesowi
spokojnego oddychania.
Naprężenie wewnętrzne
σ
powstaje w wyniku odkształcenia mechanicznego
Δ
V
/
V
i zależy od wartości
modułusprężystości
objętościowej
K
:
Δ
V
σK
V
Odwrotnośćmodułusprężystości
k
-
współczynniksprężystości
objętościowej (współ-
czynnik ściśliwości,podatnośćsprężysta)określawielkośćodkształceniapowstają-
cego w wyniku przyłożenianaprężenia
σ
:
Δ
1
V
σ
VK
k

Histereza objętościowo-ciśnieniowazwiązana jest z właściwościamisprężystymi tkan-
ki płucnej oraz napięciem powierzchniowym warstwy powierzchniowej pęcherzyków
płucnych.
Zwiększenie powierzchni swobodnej cieczy o
d
S
wymaga wykonania pracy
d
W
,
która
zwiększającejenergiępowierzchniowącieczy. Przy czym:
d
W
=
σ
p
·d
S
,
gdzie
σ
p
oznacza napięcie powierzchniowe cieczy.
Stany powierzchniowe cieczy powodują,że pod zakrzywionąpowierzchnią panuje in-
ne ciśnienieniż pod płaską.
Nadwyżkaciśnienia skierowana jest w kierunku środ-
ka powierzchni krzywizny cieczy.
4


Rozważmy powierzchnię kulistą. Zwiększenie promienia krzywizny kuli z
r
do
r
+
d
r
związane jest ze zwiększeniem powierzchni o:
S
=
4
·π·r
2

d
S
=
8
·π·r·dr
Zatem energia powierzchniowa wzrośnie o:
d
W
=
σ
p
·
8
·π·r·dr
Praca związana ze wzrostem objętości kuli:
V πr
  
4
3
3
d
V
=
4
·π·r
2
·dr

d
W
=
p·dV
=

4
·π·r
2
·dr
Dodatkowe ciśnieniezwiązane z zakrzywieniem swobodnej powierzchni cieczy wy-
rażawzór Laplace'a:
2
p
σ
p

r
Jest ono skierowane w stronęśrodka promienia krzywizny (wyjaśnia poziom cieczy
w kapilarach w zależności od kształtu menisku).
Dla powierzchni cieczy o różnych promieniach krzywizny wzór Laplace'a przyj-
muje postać:
 


   


 

 
11
p
RR
R
1
i R
2
oznaczają promienie krzywizny przekrojówgłównych powierzchni cieczy.
Przekroje główne danej powierzchni, to przekroje o ekstremalnych
(
naj-
mniejszych lub największych
)
promieniach krzywizny. Przekroje te leżą we wza-
jemnie prostopadłychpłaszczyznach.
Powierzchniamającadwa różnepromienie krzywizny to np. torus (rysunek).
O
1
i
O
2
środki promieni krzywizny przekrojówgłównych.
R
1
i
R
2
oznaczają odpowie-
dnie promienie krzywizny przekrojówgłównych zaznaczonych powierzchni.
Dla łatwiejszego zrozumienia roli napięcia powierzchniowego warstwy powierzchnio-
wej pęcherzykówpłucnychporównajmyrozprężaniepęcherzyka z wydmuchiwaniem
bańki mydlanej.
5

p σ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]