Работа дыхания - Work of breathing

Работа дыхания (WOB) энергия расходуется на вдох и выдох на дыхательный газ . Обычно он выражается как работа на единицу объема, например, джоули / литр, или как скорость работы (мощность), например, джоули / мин или эквивалентные единицы, так как это не особенно полезно без ссылки на объем или время. Он может быть рассчитан как давление в легких, умноженное на изменение объема легких, или потребление кислорода, связанное с дыханием.

В нормальном состоянии покоя работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода организмом. Оно может значительно увеличиваться из-за болезни или ограничений на поток газа, вызванных дыхательными аппаратами , атмосферным давлением или составом вдыхаемого газа .

Механизм дыхания

В нормальном расслабленном состоянии легкие и грудная клетка частично пусты. Дальнейший выдох требует мышечной работы. Вдыхание - это активный процесс, требующий работы. Часть этой работы заключается в преодолении 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 выдох. Требуемая энергия обеспечивается запасенной упругой энергией.

При повышенном сопротивлении потоку газа оптимальная частота дыхания снижается.

Работайте против упругой отдачи

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

Работайте против неэластичного сопротивления

Перепад давления необходим для преодоления сопротивления трения потоку газа из-за вязкости, инерционного сопротивления из-за плотности и для обеспечения неэластичных компонентов движения тканей дыхательных путей, чтобы приспособиться к изменению объема легких.

Динамическое сжатие дыхательных путей

Динамическое сжатие дыхательных путей происходит, когда внутриплевральное давление равно или превышает альвеолярное давление , что вызывает динамическое коллапсирование дыхательных путей легких . Это называется динамическим, учитывая, что транспульмональное давление (альвеолярное давление - внутриплевральное давление) варьируется в зависимости от факторов, включая объем легких , податливость , сопротивление , существующие патологии и т. Д. Это происходит во время форсированного выдоха, когда внутриплевральное давление превышает атмосферное давление (положительные барометрические значения). , а не во время пассивного выдоха, когда внутриплевральное давление остается на уровне ниже атмосферного (отрицательные барометрические значения). Клинически динамическое сжатие чаще всего связано с хрипом во время форсированного выдоха, например, у людей с хроническим обструктивным заболеванием легких (ХОБЛ). Плотность газа также влияет на снижение давления в дыхательных путях, а более высокая плотность вызывает большее падение давления при заданной объемной скорости потока, что имеет последствия при погружениях с давлением окружающей среды и может ограничивать вентиляцию при плотности более 6 г / литр. Оно может усугубляться отрицательной статической нагрузкой на легкие. Эффект моделируется резистором Starling.

Механика

Работа определяется как сила, приложенная на расстоянии. Единицей работы в системе СИ является джоуль, что эквивалентно силе в 1 Ньютон, приложенной на расстоянии 1 метра. В потоке газа через постоянное сечение это соответствует объему, протекающему против давления:

Работа = Давление x Объем

и Мощность = Работа / время

в единицах СИ для мощности: Вт = Джоули в секунду

Работу дыхания более точно следует называть мощностью дыхания, если не относится к работе, связанной с определенным количеством вдохов или заданным интервалом времени.

Клинические признаки повышенной работы дыхания

Поскольку для измерения работы дыхания требуется сложное оборудование, измерения у пациентов с острыми тяжелыми заболеваниями затруднены и сопряжены с риском. Вместо этого врачи определяют, усиливается ли работа дыхания гештальтом или осматривая пациента в поисках признаков повышенного дыхательного усилия. Эти признаки включают расширение носа, сокращение грудино-сосцевидной мышцы и торако-абдоминальный парадокс .

Работа дыхания при погружениях с атмосферным давлением

При погружении под водой при атмосферном давлении на работу дыхания влияют несколько факторов. Существуют физиологические эффекты погружения, физические воздействия давления окружающей среды и газовой смеси для дыхания, а также механические воздействия системы газоснабжения.

Эффекты погружения

Свойства легких могут изменяться, 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 дайвера давление на грудь может отличаться от давления во рту в зависимости от положения дайвера в воде. Этот перепад давления представляет собой статическую нагрузку на легкие или гидростатический дисбаланс.

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 набухание кровью растяжимых кровеносных сосудов легкого, снижая податливость легочной ткани и делая легкое более жестким, чем обычно, поэтому требуется больше мышечных усилий для перемещения заданного объема газа через дыхательные пути. Этот эффект может возникать у вертикального дайвера открытого цикла, когда грудная клетка глубже регулятора, и у дайвера с ребризером, если грудная клетка глубже, чем дыхательное легкое, и увеличивает дыхательную работу, а в крайних случаях приводит к динамическому сжатию дыхательных путей. . Эффекты положительной статической нагрузки на легкие в этих обстоятельствах не были четко продемонстрированы, но могут отсрочить этот эффект.

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.

По мере увеличения плотности величина разности давлений, необходимая для управления заданным расходом, увеличивается. Когда плотность превышает примерно 6 г / литр, толерантность дайвера к физической нагрузке значительно снижается, а на 10 г / литр становится предельной. На этом этапе даже умеренная нагрузка может вызвать накопление углекислого газа, которое не может быть устранено усилением вентиляции, поскольку работа, необходимая для увеличения вентиляции, производит больше углекислого газа, чем устраняется усиленной вентиляцией, и поток может быть ограничен эффектами динамических дыхательных путей. сжатие. В некоторых случаях человек может прибегнуть к кашлевому выдоху, чтобы попытаться увеличить поток. Этот эффект можно отсрочить, если использовать в дыхательной смеси газ с более низкой плотностью, например гелий, чтобы общая плотность не превышала 6 г / литр.

На воздухе или найтроксе максимальная вентиляция снижается примерно до половины на 30 м, что эквивалентно 4 бар абсолютного давления и плотности газа около 5,2 г / литр. Рекомендуемый мягкий предел 6 г / литр достигается примерно на 36 м, а к рекомендуемому пределу глубины для рекреационного погружения 40 м плотность воздуха и найтрокса достигает 6,5 г / литр.

Подводный дыхательный аппарат

График сопротивления дыханию регулятора нагрузки холостого хода. Площадь графика (зеленая) пропорциональна чистой механической работе дыхания за один дыхательный цикл.

В индустрии дайвинга работу дыхательного аппарата часто называют работой дыхания. В этом контексте это обычно означает внешнюю работу среднего одиночного вдоха, сделанного через указанный аппарат для данных условий давления окружающей среды, подводной среды, скорости потока во время дыхательного цикла и газовой смеси - подводные дайверы могут вдыхать богатый кислородом дыхательный газ, чтобы снизить риск декомпрессионной болезни или газов, содержащих гелий, для уменьшения наркотического эффекта . Гелий также снижает работу дыхания за счет уменьшения плотности смеси, хотя вязкость гелия немного выше, чем у азота. Существуют стандарты для этих условий, и для того, чтобы можно было сравнивать дыхательные аппараты, их необходимо тестировать по одному и тому же стандарту.

Стандарты испытаний подводных дыхательных аппаратов

  • EN 250: 2014. Респираторное оборудование. Автономные водолазные аппараты на сжатом воздухе. Требования, испытания, маркировка.
  • EN 14143: 2013. Респираторное оборудование. Автономный дыхательный аппарат для дайвинга
  • EN 15333 –1: 2008 COR 2009 - Респираторное оборудование - Пневматический подводный аппарат с открытым контуром, подводящий сжатый газ - Часть 1: Аппарат по требованию.
  • BS 8547: 2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые должны использоваться на глубинах более 50 м.

Вариации и управление работой дыхания

Факторы, которые влияют на работу дыхательного аппарата под водой, включают плотность и вязкость газа, скорость потока, давление срабатывания (перепад давления, необходимый для открытия регулирующего клапана) и противодавление на выпускных клапанах.

Работа дыхания водолаза имеет как физиологическую составляющую, так и составляющую снаряжения. для данной смеси газов для дыхания плотность будет увеличиваться с увеличением глубины. Более высокая плотность газа требует больше усилий для ускорения газа при переходах между вдохом и выдохом. Чтобы свести к минимуму работу по дыханию, скорость потока можно уменьшить, но это снизит RMV, если глубина дыхания не будет увеличена для компенсации. Медленное глубокое дыхание повышает эффективность дыхания за счет увеличения газооборота в альвеолах, и необходимо ограничивать нагрузку, чтобы соответствовать возможному переносу газа от RMV, который можно комфортно поддерживать в течение длительных периодов времени. Превышение этой максимальной продолжительной нагрузки может привести к накоплению углекислого газа, что может вызвать учащенное дыхание с повышенной турбулентностью, что приведет к снижению эффективности, снижению RMV и увеличению работы дыхания в контуре положительной обратной связи. На больших глубинах это может происходить даже при относительно небольших нагрузках, и порвать цикл может быть трудно или невозможно. Возникающий в результате стресс может стать причиной паники, поскольку возникает ощущение недостаточной подачи газа из-за накопления углекислого газа, хотя оксигенация может быть адекватной.

Отрицательная статическая нагрузка на легкие увеличивает работу дыхания и может варьироваться в зависимости от относительной глубины диафрагмы регулятора относительно легких в оборудовании с открытым контуром и относительной глубины дыхательного легкого в дыхательном аппарате с ребризером.

Плотность газа при атмосферном давлении является ограничивающим фактором способности дайвера эффективно устранять углекислый газ на глубине при заданной работе дыхания. При повышенном давлении окружающей среды повышенная плотность дыхательного газа вызывает большее сопротивление дыхательных путей. Максимальная вентиляция при физической нагрузке и максимальная произвольная вентиляция уменьшаются в зависимости от плотности, которая для данной газовой смеси пропорциональна давлению. Максимальная произвольная вентиляция приближается к функции квадратного корня от плотности газа. Скорость выдоха ограничена турбулентным потоком, не зависящим от усилий. Как только это происходит, дальнейшие попытки увеличить скорость потока становятся контрпродуктивными и способствуют дальнейшему накоплению углекислого газа. Эффекты отрицательной статической нагрузки на легкие усиливаются за счет увеличения плотности газа.

Чтобы снизить риск гиперкапнии, дайверы могут выбрать модель дыхания, которая будет медленнее и глубже, чем обычно, а не быстро и неглубоко, поскольку это дает максимальный газообмен на единицу усилия за счет минимизации турбулентности, трения и эффектов мертвого пространства.

Удержание углекислого газа и токсичность

Углекислый газ - продукт клеточного метаболизма, который удаляется за счет газообмена в легких при дыхании. Скорость производства варьируется в зависимости от нагрузки, но существует базовый минимум. Если скорость выведения меньше, чем скорость производства, уровни будут увеличиваться и вызывать симптомы токсичности, такие как головная боль, одышка и умственные нарушения, в конечном итоге потеря сознания, что может привести к утоплению. В дайвинге есть факторы, которые увеличивают выработку углекислого газа (физическая нагрузка), и факторы, которые могут препятствовать его выведению, что делает дайверов особенно уязвимыми для отравления углекислым газом.

Кислород потребляется, а углекислый газ вырабатывается в тех же количествах под водой, что и на поверхности, для того же объема работы, но для дыхания требуется работа, а работа дыхания может быть намного больше под водой, и работа дыхания аналогична другим формам работы в производство углекислого газа.

Способность дайвера реагировать на усиление дыхательной работы ограничена. По мере того, как работа дыхания увеличивается, дополнительное производство углекислого газа при выполнении этой работы увеличивает потребность в более высокой скорости выведения, которая пропорциональна вентиляции, в случае незначительного количества углекислого газа во вдыхаемом воздухе.

Производство углекислого газа тканями - простая функция тканевого метаболизма и потребления кислорода. Чем больше работы выполняется тканью, тем больше кислорода будет потребляться и тем больше будет произведено углекислого газа. Удаление диоксида углерода в альвеолах зависит от градиента парциального давления диффузии диоксида углерода между кровью и альвеолярным газом. Этот градиент поддерживается за счет 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 входит и выходит из альвеол во время дыхания, тем больше вымывается углекислого газа и тем больше градиент давления между венозной кровью и альвеолярным газом, который вызывает диффузию углекислого газа из крови. Поддержание правильного уровня углекислого газа в значительной степени зависит от адекватной вентиляции легких, и существует множество аспектов дайвинга, которые могут помешать адекватной вентиляции легких.

Задержка углекислого газа как следствие чрезмерно интенсивной работы дыхания может вызвать прямые симптомы отравления углекислым газом и синергетические эффекты с азотным наркозом и кислородным отравлением ЦНС, которое усугубляется церебральной вазодилатацией из-за высокого уровня углекислого газа, вызывающего повышенную дозу кислорода к головной мозг.

Измерение работоспособности подводного дыхательного аппарата

Аппарат ANSTI предназначен для автоматизированного тестирования подводных дыхательных аппаратов.

Примечания

использованная литература