stringtranslate.com

Работа дыхания

Работа дыхания (WOB) — это энергия, затрачиваемая на вдох и выдох дыхательного газа . Обычно она выражается как работа на единицу объема, например, джоули/литр, или как скорость работы (мощность), например, джоули/мин или эквивалентные единицы, поскольку она не особенно полезна без ссылки на объем или время. Ее можно рассчитать в терминах легочного давления, умноженного на изменение легочного объема, или в терминах потребления кислорода, приписываемого дыханию. [1] [2]

В нормальном состоянии покоя работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода организмом. Она может значительно увеличиться из-за болезни [3] или ограничений потока газа, налагаемых дыхательным аппаратом , давлением окружающей среды или составом дыхательного газа .

Механизм дыхания

Нормальное расслабленное состояние легких и грудной клетки частично пустое. Дальнейший выдох требует мышечной работы. Вдох — активный процесс, требующий работы. [4] Часть этой работы идет на преодоление сопротивления трения потоку, а часть используется для деформации эластичных тканей и сохраняется в виде потенциальной энергии, которая восстанавливается во время пассивного процесса выдоха. Приливное дыхание — это дыхание, которое не требует активного сокращения мышц во время выдоха. Необходимая энергия обеспечивается за счет накопленной эластичной энергии. [5]

При повышенном сопротивлении потоку газа оптимальная частота дыхания снижается.

Работа против упругой отдачи

Эта работа (обычно во время фазы вдоха) сохраняется в виде потенциальной энергии, которая восстанавливается во время выдоха.

Работа против неупругого сопротивления

Для преодоления сопротивления трения потоку газа, обусловленного вязкостью, инерционного сопротивления, обусловленного плотностью, а также для обеспечения неупругих компонентов движения тканей дыхательных путей с целью адаптации к изменению объема легких требуется разница давлений.

Динамическая компрессия дыхательных путей

Динамическая компрессия дыхательных путей происходит, когда внутриплевральное давление равно или превышает альвеолярное давление , что вызывает динамическое спадение дыхательных путей легких . Она называется динамической, поскольку транспульмональное давление (альвеолярное давление - внутриплевральное давление) варьируется в зависимости от таких факторов, как объем легких , податливость , сопротивление , существующие патологии и т. д. [6] Она происходит во время форсированного выдоха , когда внутриплевральное давление больше атмосферного (положительные барометрические значения), а не во время пассивного выдоха, когда внутриплевральное давление остается на уровне субатмосферного давления (отрицательные барометрические значения). Клинически динамическая компрессия чаще всего связана со свистящим звуком во время форсированного выдоха, например, у людей с хроническим обструктивным заболеванием легких (ХОБЛ). [7] [8] Плотность газа также влияет на снижение давления в дыхательных путях, а более высокая плотность вызывает большее падение давления для заданной объемной скорости потока, что имеет последствия при погружениях под давлением окружающей среды и может ограничивать вентиляцию при плотностях более 6 г/литр. Может быть усугублено отрицательной статической нагрузкой на легкие. Эффект моделируется резистором Старлинга [9]

Механика

Работа определяется как сила, приложенная на расстоянии. Единицей работы в системе СИ является джоуль, эквивалентный силе в 1 ньютон, приложенной на расстоянии 1 метр. В потоке газа через постоянное сечение это соответствует объему, текущему против давления: [примечание 1]

Работа = Давление x Объем

и Мощность = Работа / время

в единицах СИ для мощности: Ватт = Джоули в секунду

Термин «работа дыхания» следует точнее называть «силой дыхания», если только он не относится к работе, связанной с определенным количеством вдохов или заданным интервалом времени. Важно различать термины «частота дыхания» и «частота дыхания». Хотя эти два термина часто используются взаимозаменяемо, «частота дыхания» относится к частоте дыхания и описывается в вдохах в минуту (BPM). С другой стороны, «частота дыхания» относится к частотному составу одного вдоха и описывается в герцах. [10]

Клинические признаки повышенной работы дыхания

Поскольку измерение работы дыхания требует сложной аппаратуры, его измерение у пациентов с острым серьезным заболеванием является сложным и рискованным. Вместо этого врачи определяют, увеличивается ли работа дыхания с помощью гештальта или путем обследования пациента в поисках признаков повышенного дыхательного усилия. К этим признакам относятся раздувание крыльев носа, сокращение грудино-сосцевидной мышцы и торакоабдоминальный парадокс . [11]

Работа дыхания при погружениях под давлением окружающей среды

На работу дыхания при подводном плавании под давлением окружающей среды влияют несколько факторов. Существуют физиологические эффекты погружения, физические эффекты давления окружающей среды и дыхательной газовой смеси, а также механические эффекты системы подачи газа. [9]

Эффекты погружения

Свойства легких могут меняться, если существует разница давлений между подачей дыхательного газа и давлением окружающей среды на грудную клетку. Расслабленное внутреннее давление в легких равно давлению во рту, а у погруженного водолаза давление на грудь может отличаться от давления во рту в зависимости от положения водолаза в воде. Эта разница давлений является статической нагрузкой на легкие или гидростатическим дисбалансом. [12]

Отрицательная статическая нагрузка на легкие возникает, когда давление подачи газа ниже, чем давление окружающей среды в груди, и дайверу необходимо приложить больше усилий для вдоха. Небольшой перепад отрицательного давления внутри дыхательных путей вызывает прилив крови к растяжимым кровеносным сосудам легких, уменьшая податливость легочной ткани и делая легкие более жесткими, чем обычно, поэтому требуя больше мышечных усилий для перемещения заданного объема газа через дыхательные пути. Этот эффект может возникнуть у вертикального дайвера открытого цикла, когда грудь находится глубже регулятора, и у дайвера с ребризером, если грудь находится глубже дыхательного мешка , и увеличит работу дыхания и в крайних случаях приведет к динамической компрессии дыхательных путей. Эффект положительной статической нагрузки на легкие в этих обстоятельствах четко не продемонстрирован, но может задержать этот эффект. [12] [9]

Влияние давления и состава газа

Плотность данной газовой смеси пропорциональна абсолютному давлению при постоянной температуре во всем диапазоне вдыхаемых давлений, а сопротивление потоку является функцией скорости потока, плотности и вязкости. [9]

По мере увеличения плотности увеличивается и величина перепада давления, необходимого для обеспечения заданной скорости потока. Когда плотность превышает около 6 г/литр, переносимость упражнений дайвера значительно снижается [12] , а при 10 г/литр она становится предельной. На этом этапе даже умеренные нагрузки могут вызвать накопление углекислого газа, которое не может быть устранено путем усиления вентиляции, поскольку работа, необходимая для усиления вентиляции, производит больше углекислого газа, чем устраняется усилением вентиляции, и поток может быть подавлен эффектами динамической компрессии дыхательных путей. В некоторых случаях человек может прибегнуть к кашлевому выдоху, чтобы попытаться увеличить поток. Этот эффект можно отсрочить, используя газ с меньшей плотностью, такой как гелий, в дыхательной смеси, чтобы поддерживать общую плотность ниже 6 г/литр. [9]

На воздухе или нитроксе максимальная вентиляция падает примерно до половины на глубине 30 м, что эквивалентно 4 барам абсолютного давления и плотности газа около 5,2 г/литр. Рекомендуемый мягкий предел в 6 г/литр достигается примерно на глубине 36 м, а к рекомендуемому пределу глубины любительского дайвинга в 40 м плотность воздуха и нитрокса достигает 6,5 г/литр [9]

Максимальная произвольная вентиляция и дыхательная способность приблизительно обратно пропорциональны квадратному корню из плотности газа, которая для данного газа пропорциональна абсолютному давлению. Использование газа с низкой плотностью, такого как гелий или водород, для замены азота в смеси помогает не только уменьшить наркотические эффекты, но и плотность и, следовательно, работу дыхания. Чтобы быть негорючим, в богатой водородом смеси должно быть менее 4% по объему кислорода. Наличие и концентрация других разбавителей, таких как азот или гелий, не влияет на предел воспламеняемости в богатой водородом смеси. [13] [14]

Подводный дыхательный аппарат

График сопротивления дыханию регулятора давления открытого цикла. Площадь графика (зеленая) пропорциональна чистой механической работе дыхания за один цикл дыхания

В индустрии дайвинга производительность дыхательных аппаратов часто называют работой дыхания. В этом контексте это обычно означает внешнюю работу среднего одиночного вдоха, сделанного через указанный аппарат для заданных условий давления окружающей среды, подводной среды, скорости потока во время цикла дыхания и газовой смеси - подводные дайверы могут дышать дыхательным газом , богатым кислородом , чтобы снизить риск декомпрессионной болезни , или газами, содержащими гелий, чтобы снизить наркотические эффекты . [15] [16] [17] Гелий также имеет эффект снижения работы дыхания за счет снижения плотности смеси, хотя вязкость гелия несколько больше, чем у азота. [18] [19] Существуют стандарты для этих условий, и для проведения полезных сравнений между дыхательными аппаратами они должны быть испытаны по одному и тому же стандарту.

Системы свободного потока; В дыхательном аппарате свободного потока пользователь дышит из объема окружающего давления газа перед лицом. Если подача достаточная, выдыхаемый газ вымывается потоком свежего газа, и вдыхается только свежий газ — мертвого пространства нет. Работа дыхания зависит от плотности газа из-за давления и состава газа, и может быть положительная или отрицательная статическая нагрузка на легкие, но нет дополнительной внешней работы дыхания из-за потока воздуха через дыхательный аппарат. Водолазы с поверхностной подачей, которые будут много работать под водой, часто используют системы свободного потока по этой причине.

Системы спроса:

Рециркуляционные системы: Работа дыхания ребризера состоит из двух основных компонентов: Резистивная работа дыхания обусловлена ​​ограничением потока газовых каналов, вызывающим сопротивление потоку дыхательного газа, и существует во всех приложениях, где нет внешней вентиляции. Гидростатическая работа дыхания применима только к приложениям для дайвинга и обусловлена ​​разницей в давлении между легкими дайвера и дыхательными мешками ребризера. Эта разница в давлении обычно обусловлена ​​разницей в гидростатическом давлении, вызванной разницей в глубине между легким и дыхательным мешком, но может быть изменена путем балластировки подвижной стороны сильфонного дыхательного мешка . [20]

Резистивная работа дыхания представляет собой сумму всех ограничений потока из-за изгибов, гофр, изменений направления потока, давления открытия клапанов, потока через скрубберную среду и т. д., а также сопротивления потоку газа из-за инерции и вязкости, на которые влияет плотность, которая является функцией молекулярного веса и давления. Конструкция ребризера может ограничивать механические аспекты сопротивления потоку, в частности, конструкцией скруббера , дыхательных мешков и дыхательных шлангов. На ребризеры для дайвинга влияют изменения работы дыхания из-за выбора газовой смеси и глубины. Содержание гелия снижает работу дыхания, а увеличение глубины увеличивает работу дыхания. Работа дыхания также может быть увеличена из-за чрезмерной влажности скрубберной среды, обычно вследствие утечки в дыхательном контуре или из-за использования слишком маленького размера зерна абсорбента. Оба этих фактора вызывают ограничения потока газа. [21]

Полузакрытые системы ребризеров, разработанные компанией Drägerwerk в начале 20-го века в качестве источника газа для подводного плавания для стандартного водолазного костюма , использующего кислород или нитрокс, и шлем ВМС США Mark V Heliox, разработанный в 1930-х годах для глубоких погружений, обеспечивали циркуляцию дыхательного газа через шлем и скруббер с помощью инжекторной системы, в которой добавленный газ увлекал за собой петлевой газ и создавал поток очищенного газа мимо водолаза внутри шлема, что исключало внешнее мертвое пространство и резистивную работу дыхания, но не подходило для высокой частоты дыхания. [22]

Стандарты испытаний подводных дыхательных аппаратов

Вариации и управление работой дыхания

Факторы, влияющие на работу подводного дыхательного аппарата, включают плотность и вязкость газа, скорость потока, давление открытия (перепад давления, необходимый для открытия клапана-распределителя) и обратное давление на выпускных клапанах. [12] Ориентация водолаза влияет на относительную глубину легких и регулятора или дыхательного контура, что может вызвать разницу между положительным и отрицательным давлением дыхания.

Работа дыхания дайвера имеет как физиологический компонент, так и компонент оборудования. Для данной дыхательной газовой смеси плотность будет увеличиваться с увеличением глубины. Более высокая плотность газа требует больших усилий для ускорения газа при переходах между вдохом и выдохом. Чтобы минимизировать работу дыхания, скорость потока может быть уменьшена, но это уменьшит RMV, если только глубина дыхания не будет увеличена для компенсации. Медленное глубокое дыхание повышает эффективность дыхания за счет увеличения оборота газа в альвеолах, и нагрузка должна быть ограничена, чтобы соответствовать возможному переносу газа из RMV, который может комфортно поддерживаться в течение длительных периодов. Превышение этого максимального непрерывного усилия может привести к накоплению углекислого газа, что может вызвать ускоренную частоту дыхания с повышенной турбулентностью, что приведет к снижению эффективности, снижению RMV и повышению работы дыхания в положительной обратной связи. На экстремальных глубинах это может происходить даже при относительно низких уровнях нагрузки, и может быть трудно или невозможно разорвать цикл. Возникающий в результате стресс может стать причиной паники, поскольку создается впечатление, что газа недостаточно из-за накопления углекислого газа, хотя оксигенация может быть адекватной. [23] [9]

Отрицательная статическая нагрузка на легкие увеличивает работу дыхания и может варьироваться в зависимости от относительной глубины диафрагмы регулятора по отношению к легким в оборудовании открытого цикла, а также относительной глубины дыхательного мешка по отношению к легким в ребризере. [12]

Плотность газа при давлении окружающей среды является ограничивающим фактором способности дайвера эффективно удалять углекислый газ на глубине при заданной работе дыхания. [12] При повышенном давлении окружающей среды повышенная плотность дыхательного газа вызывает большее сопротивление дыхательных путей. Максимальная вентиляция при физических нагрузках и максимальная произвольная вентиляция уменьшаются в зависимости от плотности, которая для заданной газовой смеси пропорциональна давлению. Максимальная произвольная вентиляция аппроксимируется функцией квадратного корня плотности газа. Скорость потока выдоха ограничивается независимым от усилия турбулентным потоком. Как только это происходит, дальнейшие попытки увеличить скорость потока становятся активно контрпродуктивными и способствуют дальнейшему накоплению углекислого газа. Эффект отрицательной статической нагрузки на легкие усиливается повышенной плотностью газа. [21] [9]

Чтобы снизить риск гиперкапнии, дайверы могут использовать более медленный и глубокий, чем обычно, тип дыхания, а не быстрый и поверхностный, поскольку это обеспечивает максимальный газообмен на единицу усилия за счет минимизации турбулентности, трения и эффектов мертвого пространства. [24]

Удержание углекислого газа и токсичность

Углекислый газ является продуктом клеточного метаболизма, который выводится газообменом в легких при дыхании. Скорость выработки варьируется в зависимости от нагрузки, но есть базовый минимум. Если скорость выведения меньше скорости выработки, уровни будут увеличиваться и вызывать симптомы токсичности, такие как головная боль, одышка и умственное расстройство, в конечном итоге потеря сознания, что может привести к утоплению. В дайвинге есть факторы, которые увеличивают выработку углекислого газа (напряжение), и факторы, которые могут ухудшить выведение, делая дайверов особенно уязвимыми к токсичности углекислого газа. [24]

Кислород потребляется и углекислый газ вырабатывается в тех же количествах под водой, что и на поверхности, затрачивая ту же самую работу, но дыхание требует работы, а работа дыхания может быть намного больше под водой, а работа дыхания аналогична другим формам работы по производству углекислого газа. [24]

Способность дайвера реагировать на увеличение работы дыхания ограничена. По мере увеличения работы дыхания дополнительное производство углекислого газа при выполнении этой работы увеличивает необходимость в более высокой скорости выведения, которая пропорциональна вентиляции, в случае незначительного содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе. [24]

Выработка углекислого газа тканями является простой функцией метаболизма тканей и потребления кислорода. Чем больше работы выполняется в ткани, тем больше кислорода будет потребляться и тем больше будет вырабатываться углекислого газа. Удаление углекислого газа в альвеолах зависит от градиента парциального давления для диффузии углекислого газа между кровью и альвеолярным газом. Этот градиент поддерживается путем вымывания углекислого газа из альвеол во время дыхания, что зависит от замены воздуха в альвеолах с большим количеством углекислого газа воздухом с меньшим количеством углекислого газа. Чем больше воздуха перемещается в альвеолы ​​и из них во время дыхания, тем больше углекислого газа вымывается и тем больше градиент давления между венозной кровью и альвеолярным газом, который управляет диффузией углекислого газа из крови. Поддержание правильного уровня углекислого газа критически зависит от адекватной вентиляции легких, и существует множество аспектов дайвинга, которые могут помешать адекватной вентиляции легких. [24]

Задержка углекислого газа в результате чрезмерно высокой работы дыхания может вызвать прямые симптомы отравления углекислым газом, а также синергетические эффекты с азотным наркозом и отравлением ЦНС кислородом, которые усугубляются расширением сосудов головного мозга из-за высокого уровня углекислого газа, вызывающего повышенную дозировку кислорода в мозге. [9]

Измерение характеристик подводного дыхательного аппарата

Машина ANSTI используется для автоматизированного тестирования подводных дыхательных аппаратов. [25]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Сила = Давление x Площадь, а Расстояние = Объем / Площадь. Когда оба относятся к одной и той же площади, Сила x Расстояние = (Давление x Площадь) x (Объем/Площадь) = Давление x Объем

Ссылки

  1. ^ Медицинский словарь для специалистов здравоохранения и сестринского дела. Sv "работа дыхания". Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing Архивировано 29 июля 2023 г. на Wayback Machine
  2. ^ Медицинский словарь. Sv "работа дыхания". Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing Архивировано 29 июля 2023 г. на Wayback Machine
  3. ↑ Медицинский словарь Мосби, 8-е издание. Sv «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing Архивировано 29 июля 2023 г. на Wayback Machine
  4. ^ Аливерти, Андреа; Педотти, Антонио (19 июня 2014 г.). Механика дыхания: новые идеи из новых технологий. Springer. стр. 3. ISBN 9788847056473.
  5. ^ Палмер, Джон; Аллен, Джулиан; Майер, Оскар (май 2004 г.). «Анализ приливного дыхания». NeoReviews . 5 (5). Американская академия педиатрии: e186–e193. doi :10.1542/neo.5-5-e186. Архивировано из оригинала 2021-10-07 . Получено 2021-10-07 .
  6. ^ Майкл Г. Левитцки (2003). Физиология легких. McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-138765-1.
  7. ^ Зак, М.С. (март 2000 г.). «Физиология форсированного выдоха». Pediatric Respiratory Reviews . 1 (1): 36–39. doi :10.1053/prrv.2000.0010. PMID  16263442.
  8. ^ Роджер Тис (6 декабря 2012 г.). Физиология. Springer Science & Business Media. стр. 129–. ISBN 978-1-4612-4198-0.
  9. ^ abcdefghi Митчелл, Саймон (2015). «Дыхательная недостаточность при техническом дайвинге». www.youtube.com . DAN Southern Africa. Архивировано из оригинала 9 октября 2021 г. . Получено 6 октября 2021 г. .
  10. ^ Napoli, Nicholas J.; Rodrigues, Victoria R.; Davenport, Paul W. (2022). «Характеристика и моделирование динамики дыхания: скорость потока, ритм, период и частота». Frontiers in Physiology . 12. doi : 10.3389/fphys.2021.772295 . ISSN  1664-042X . PMC 8899297. PMID  35264974 . 
  11. ^ Тулаймат, А.; Патель, А.; Вишневски, М.; Гере, Р. (август 2016 г.). «Обоснованность и надежность клинической оценки повышенной работы дыхания у остро больных пациентов». Журнал интенсивной терапии . 34 : 111–115. doi :10.1016/j.jcrc.2016.04.013. PMID  27288621.
  12. ^ abcdef Энтони, Гэвин; Митчелл, Саймон Дж. (2016). Поллок, Н. В.; Селлерс, Ш. Х.; Годфри, Дж. М. (ред.). Респираторная физиология подводного плавания с ребризером (PDF) . Ребризеры и научное подводное плавание. Труды семинара NPS/NOAA/DAN/AAUS 16–19 июня 2015 г. Центр морских наук Ригли, остров Каталина, Калифорния. стр. 66–79. Архивировано (PDF) из оригинала 11.08.2023 . Получено 21.11.2019 .
  13. ^ Эллиотт, Дэвид Х. «Плавание и дайвинг». www.britannica.com . Архивировано из оригинала 28 сентября 2023 г. . Получено 5 марта 2024 г. .
  14. ^ Кумар, РК (1985). «Пределы воспламеняемости смесей водорода, кислорода и разбавителя». Журнал пожарных наук . 3 (4): 245–262. doi :10.1177/073490418500300402.Доступ через библиотеку Википедии
  15. ^ "Смешанные газы и кислород". Руководство по дайвингу NOAA, Дайвинг для науки и технологий (4-е изд.). Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 2002.
  16. ^ abcd Staff (август 2014 г.). "Diving Breathing Apparatus" (PDF) . Diving Standards . Dublin: Health and Safety Authority. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-11-18 . Получено 18 ноября 2016 г. .
  17. ^ ab Committee PH/4/7 (31 марта 2016 г.). BS 8547:2016 — Дыхательное оборудование. Регулятор потребности в дыхательном газе, используемый для погружений на глубину более 50 метров. Требования и методы испытаний. Лондон: Британский институт стандартов. ISBN 978-0-580-89213-4. Архивировано из оригинала 16 ноября 2016 . Получено 18 ноября 2016 .{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  18. ^ "Вязкость" (PDF) . resources.saylor.org . стр. 9. Архивировано (PDF) из оригинала 27 июня 2019 г. . Получено 27 июня 2019 г. .
  19. ^ Кестин, Дж.; Ди Пиппо, Р. "2r. Вязкость газов" (PDF) . web.mit.edu . стр. 2-242. Архивировано (PDF) из оригинала 22 октября 2021 г. . Получено 27 июня 2019 г. .
  20. ^ Ларссон, А. (2000). "The Interspiro DCSC" . Получено 30 апреля 2013 г.
  21. ^ ab Mitchell, Simon J.; Cronjé, Frans J.; Meintjes, WA Jack; Britz, Hermie C. (2007). «Fatal Respiratory Failure During a «Technical» Rebreather Dive at Extreme Pressure». Авиация, космос и экологическая медицина . 78 (2): 81–86. PMID  17310877. Архивировано из оригинала 1 июля 2022 г. Получено 21 ноября 2019 г.
  22. ^ "Going deep". divingheritage.com . Получено 2 июля 2019 .
  23. ^ Маунт, Том (август 2008 г.). «1 ~ Основы физиологии для технических дайверов». В Маунт, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия исследований и погружений с использованием газовых смесей (1-е изд.). Miami Shores, Флорида: Международная ассоциация дайверов с использованием нитрокса. стр. 3–32. ISBN 978-0-915539-10-9.
  24. ^ abcde Митчелл, Саймон (август 2008 г.). «Четыре: Удержание углекислого газа». В Mount, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия исследований и погружений с использованием газовых смесей (1-е изд.). Miami Shores, Флорида: Международная ассоциация дайверов с использованием нитрокса. стр. 279–286. ISBN 978-0-915539-10-9.
  25. ^ staff. "Life Support Equipment Test Facility" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2016 г. . Получено 18 ноября 2016 г. .