Измерение функциональной остаточной емкости (ФОЕ)

Поскольку ФОЕ–что количество воздуха, остающееся в легких в конце выдоха, ее можно измерить только непрямыми методами. Принцип таких методов заключается в том, что либо в легкие вводят инородный газ типа гелия (метод разведения), либо вымывают содержащийся в альвеолярном воздухе азот, заставляя испытуемого дышать чистым кислородом (метод вымывания). И в том и в другом случае искомый объем вычисляют, исходя из конечной концентрации газа [2].

Для таких исследований необходим газоанализатор.

При первом методе замкнутого контура (метод разведения) пациент дышит заполняющим спирометр маркерным газом (водородом или чаще гелием), объем и концентрация которого известны. Через несколько минут, когда легочный и маркерный газы полностью перемешаются, измеряют объем и концентрацию газов и по их пропорции вычисляют остаточный объем.

При методе открытого контура, или при методе вымывания азота, пациент дышит чистым кислородом и выдыхает в спирометр, из которого удален кислород. Если пациент дышит воздухом, то остающийся в его легких газ содержит 78% азота. Когда он начинает дышать чистым кислородом, то кислород смешивается с остающимся в легких газом и при каждом цикле дыхания некоторое количество азота будет «вымываться» из легких. Измеряя количество азота в каждом выдохе, можно построить кривую вымывания, по которой можно вычислить объем воздуха, который оставался в легких в начале эксперимента. Наиболее удобным для начала проведения таких измерений участком цикла дыхания является конец нормального выдоха, который представляет собой ФОЕ.

Аналогично измеряют полную (общую) емкость легких.

Рисунок 21 - Принципиальная схема оборудования для определения полной емкости легких (TLC) по методу гелиевого разбавления

   Функциональную остаточную емкость (ФОЕ, FRC) (вычтя из нее резервный объем выдоха, можно также определить 00) можно измерить с помощью плетизмографа для всего тела (рис. 22). Этот прибор представляет собой воздухонепроницаемую камеру, в которую помещается пациент (в сидячем положении). Пациент дышит воздухом, находящимся внутри камеры, через трубку, в которой расположены преобразователь воздушного потока, и заслонку, перекрывающую трубку в определенные моменты исследования. Преобразователи давления измеряют давление воздуха в дыхательной трубке между пациентом и заслонкой и внутри камеры. Количество воздуха в камере, включая и тот воздух, что находится в легких пациента, остается в течение исследования постоянным, так как воздух не может проникнуть в камеру или выйти из нее. Однако, когда пациент сжимает воздух в своих легких во время выдоха, общий объем его тела уменьшается, что приводит к уменьшению давления в камере. И наоборот, когда пациент делает вдох, который происходит за счет разрежения или уменьшения давления воздуха в полости грудной клетки, объем его тела увеличивается и давление в камере возрастает. При измерениях ФОЕ (FRC) заслонку в дыхательной трубке закрывают. При отсутствии потока воздуха давление во рту (воспринимаемое преобразователем в трубке) можно считать равным альвеолярному.

   Пациента просят медленно делать дыхательные движения при закрытой заслонке. При этом он попеременно сжимает и расширяет воздух в легких. Измеряя изменения давления воздуха во рту и соответствующие изменения объема грудной клетки (равные по значению и противоположные изменениям объема камеры вне тела пациента), можно вычислить объем грудной клетки. Если исследования выполняются на конечном уровне выдоха, то объем грудной клетки будет равен ФОЕ.

   При использовании плетизмографа для всего тела (интегральной плетизмографии) необходимо следить, чтобы пациент правильно выполнял все инструкции. Когда пациент войдет в камеру в первый раз, необходимо подождать несколько минут, чтобы воздух внутри камеры нагрелся до температуры тела. Необходимо также выравнить давление внутри камеры с атмосферным давлением с помощью соленоидного клапана, который можно открыть на короткое время.

   Перед началом измерений необходимо провести тщательную калибровку в точном соответствии с инструкциями изготовителя. Для получения надежных и достоверных результатов измерений необходимо, чтобы (персонал, работающий с плетизмографом для всего тела, был знаком с правилами использования соответствующей регистрирующей аппаратуры и дисплеев.

Рисунок 22 - Интегральная плетизмография (упрощенная схема) и кривая сопротивления дыханию (изображена красным). V–объемная скорость тока воздуха; Рa–альвеолярное давление

  Только что описанные измерения объемов и емкостей, особенно форсированные, являются хорошими индикаторами растяжимости легких и грудной клетки и сопротивления воздушных путей. Однако возможны и прямые измерения этих параметров, и они часто используются при исследовании функционирования легких.

   Для определения растяжимости, которая определяется как увеличение объема легких на единицу увеличения давления в легких, необходимо измерить вдыхаемый или выдыхаемый объем газа и давление в грудной клетке. Значения растяжимости обычно приводятся в литрах на сантиметр Н₂0.

   Сопротивление воздушных путей представляет собой отношение давления к потоку воздуха. Следовательно, для определения сопротивления воздушных путей в сантиметрах водяного столба на литр на секунду (см вод. ст./л/с) необходимо измерить внутри альвеолярное давление в сантиметрах водяного столба и потока воздуха в литрах в секунду. Большинство измерений сопротивления воздушных путей проводится в момент, соответствующий уровню функциональной остаточной емкости (конец выдоха) или вблизи нее.

  Сопротивление воздушных путей можно определить, измеряя одновременно внутри альвеолярное давление и воздушные потоки в плетизмографе для всего тела. В дыхательной трубке можно установить любой преобразователь воздушного потока из рассмотренных ранее. Однако для этих целей наиболее широко используется пневмотахометр (иногда его называют пневмотахографом). В этом устройстве используется следующий принцип: поток воздуха, проходя через сопло, создает перепад давлений по диаметру сопла, который зависит от скорости воздуха. В наиболее распространенных пневмотахометрах сопло образуется набором капилляров или перфорированным металлическим экраном. Так как поперечное сечение сопла фиксировано, то разность давлений можно откалибровать так, что она будет точно характеризовать (параметры потока. Для измерения разности давлений можно использовать два преобразователя давлений или дифференциальный преобразователь давления.

   Вдыхаемый или выдыхаемый воздух движется по воздухоносным путям под действием градиента давления между полостью рта и альвеолами. Этот градиент давления служит движущей силой для переноса дыхательных газов. Воздушный поток в дыхательных путях имеет отчасти ламинарный характер, однако в некоторых участках (особенно в местах разветвления бронхов и в области их патологических сужений) могут возникать завихрения. Ток воздуха в этих случаях становится турбулентным. Ламинарный поток воздуха, как и жидкости, подчиняется закону Хагена–Пуазейля, согласно которому объемная скорость (расход) V пропорциональна градиенту давления ДР. Таким образом, движение воздуха в дыхательных путях описывается следующим уравнением:

V^∙= ΔP/r=Pa/R (1)

где R – аэродинамическое сопротивление, зависящее от поперечного сечения и длины трубки и от вязкости газа. Хотя для турбулентного потока справедлива иная зависимость, уравнение (1) используют для вычисления общего аэродинамического сопротивления при дыхании:

R= ΔP/ V^∙ =Pa/ V. (2)

Сопротивление R обычно называют сопротивлением воздухоносных путей. Для вычисления этого сопротивления необходимо одновременно измерить разницу между давлением в полости рта и в альвеолах (в см вод. ст. или кПа) и объемную скорость воздушной струи (в л/с).

   Для измерения неэластического сопротивления дыхательной системы требуется постоянная регистрация внутри альвеолярного давления. Можно также использовать непрямой способ интегральную плетизмографию. При дыхательных движениях давление в легких исследуемого изменяется, и обратно пропорционально ему меняется давление в замкнутой плетизмографической камере. Откалибровав измерительную систему, можно судить об изменениях внутриальвеолярного давления по изменениям давления в камере. Одновременно можно регистрировать расход воздуха V при помощи пневмотахографа. Соотношение этих двух величин в соответствии с уравнением (2) представляет собой искомое сопротивление. Обычно с помощью двухкоординатного самописца регистрируют график зависимости V от Рa в виде непрерывной кривой (рис.22).

Литература

1. Физиология человека - В 3-х томах. Том 2 - Р. Шмидт, Г. Тевс – М.: Мир, 1996. 

2. Диагностические измерения в медицинских электронных системах: Учеб. пособие / Под ред. К.В.Зайченко; СПбГУАП. СПб., 2002.