Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. [1] [2] В нормальном состоянии покоя работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода организмом. Он может значительно увеличиться из-за болезни [3] или ограничения на поток газа, налагаемые дыхательным аппаратом, атмосферным давлением или составом дыхательного газа.

Механизм дыхания [ править ]

В нормальном расслабленном состоянии легкие и грудная клетка частично пусты. Дальнейший выдох требует мышечной работы. Вдыхание - это активный процесс, требующий работы. [4] Некоторые из этих работ направлены 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 не требует активного сокращения мышц во время выдох. Требуемая энергия обеспечивается запасенной упругой энергией. [ требуется медицинская цитата ]

При повышенном сопротивлении потоку газа оптимальная частота дыхания снижается.

Работа против упругой отдачи [ править ]

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

Работайте против неэластичного сопротивления [ править ]

Перепад давления необходим для преодоления сопротивления трения потоку газа из-за вязкости и для обеспечения неэластичных компонентов движения тканей дыхательных путей, чтобы приспособиться к изменению объема легких. Общая работа, проделанная против неупругих сил, составляет 35% от общей. [ необходима цитата ] [ требуется пояснение ]

Эффекты погружения [ править ]

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 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. [5]

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 грудь глубже регулятора, и у дайвера с ребризером, если грудная клетка глубже, чем дыхательное легкое, и увеличивает работу дыхания. [5]

Механика [ править ]

Работа определяется как сила, приложенная на расстоянии. Единица работы в системе СИ - джоуль, что эквивалентно силе в 1 Ньютон, приложенной на расстоянии 1 м. В потоке газа через постоянное сечение это соответствует объему, протекающему против давления: [примечание 1]

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.

Признаки увеличения работы дыхания [ править ]

Поскольку для измерения работы дыхания требуется сложное оборудование, измерения у пациентов с острыми тяжелыми заболеваниями затруднены и опасны. 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 . [6]

Подводный дыхательный аппарат [ править ]

График сопротивления дыханию регулятора мощности холостого хода. Площадь графика (зеленая) пропорциональна чистой механической работе дыхания за один дыхательный цикл.
См. Также: Производительность регуляторов дыхания.

В индустрии дайвинга работу дыхательного аппарата часто называют работой дыхания. В этом контексте это обычно означает 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 уменьшить риск декомпрессионной болезни или наличие газов, содержащих гелий, для уменьшения наркотического эффекта . [ необходима цитата ]Гелий также снижает работу дыхания за счет уменьшения плотности смеси, хотя вязкость гелия немного выше, чем у азота. [7] [8] Стандарты для этих условий существуют, и для полезного сравнения дыхательных аппаратов они должны быть проверены на соответствие одному стандарту.

Стандарты испытаний подводных дыхательных аппаратов [ править ]

  • EN 250: 2014. Респираторное оборудование. Автономные водолазные аппараты на сжатом воздухе. Требования, испытания, маркировка. [9]
  • EN 14143: 2013. Респираторное оборудование. Автономный дыхательный аппарат для дайвинга [9]
  • EN 15333 –1: 2008 COR 2009 - Респираторное оборудование - Пневматический подводный аппарат с открытым контуром, подводящий сжатый газ - Часть 1: Аппарат по требованию. [9]
  • BS 8547: 2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые должны использоваться на глубинах более 50 м. [10]

Вариации и управление работой дыхания [ править ]

Факторы, которые влияют на работу дыхательного аппарата для подводного дыхания, включают плотность и вязкость газа, скорость потока, давление открытия (перепад давления, необходимый для открытия регулирующего клапана) и противодавление на выпускных клапанах. [5]

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 переходе 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.снижение RMV и увеличение 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.[11]

Отрицательная статическая нагрузка на легкие увеличивает работу дыхания и может варьироваться в зависимости от относительной глубины диафрагмы регулятора в легких в оборудовании с открытым контуром и относительной глубины дыхательного легкого в легких в ребризере. [5]

Плотность газа при атмосферном давлении является ограничивающим фактором способности дайвера эффективно устранять углекислый газ на глубине при заданной работе дыхания. [5] 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.[12]

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 и эффектов мертвого пространства. [13]

Удержание углекислого газа и токсичность [ править ]

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, делая дайверов особенно уязвимыми к токсичности углекислого газа. [13]

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. [13]

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. [13]

Производство углекислого газа тканями - простая функция тканевого метаболизма и потребления кислорода. Чем больше работы проделано в ткани, 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.[13]

Измерение работоспособности подводного дыхательного аппарата [ править ]

Аппарат ANSTI предназначен для автоматизированного тестирования подводных дыхательных аппаратов. [14]

Заметки [ править ]

  1. ^ Сила = давление x площадь и расстояние = объем / площадь. Когда оба относятся к одной и той же области, Сила x Расстояние = (Давление x Площадь) x (Объем / Площадь) = Давление x Объем.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Медицинский словарь для профессий здравоохранения и медсестер. Св "работа дыхания". Получено 8 сентября 2015 г. с http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing.
  2. ^ Медицинский словарь. Св "работа дыхания". Получено 8 сентября 2015 г. с http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing.
  3. ^ Медицинский словарь Мосби, 8-е издание. Св "работа дыхания". Получено 8 сентября 2015 г. с http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing.
  4. ^ Аливерти, Андреа; Педотти, Антонио (19.06.2014). Механика дыхания: новые открытия из новых технологий . Springer. п. 3. ISBN 9788847056473.
  5. ^ a b c d e Энтони, Гэвин; Митчелл, Саймон Дж. (2016). Поллок, Северо-Запад; Продавцы, SH; Годфри, JM (ред.). Респираторная физиология погружений с ребризером (PDF) . Ребризеры и научный дайвинг. Труды NPS / NOAA / DAN / AAUS 16–19 июня 2015 г. Семинар . Морской научный центр Ригли, остров Каталина, Калифорния. С. 66–79.
  6. ^ Тулаймат, А; Патель, А; Вишневски, М; Гере, Р. (август 2016 г.). «Обоснованность и достоверность клинической оценки повышенной работы дыхания у пациентов с острыми заболеваниями». Журнал интенсивной терапии . 34 : 111–5. DOI : 10.1016 / j.jcrc.2016.04.013 . PMID 27288621 . 
  7. ^ «Вязкость» (PDF) . resources.saylor.org . п. 9 . Проверено 27 июня 2019 .
  8. ^ Кестин, J; Ди Пиппо, Р. "2р. Вязкость газов" (PDF) . web.mit.edu . п. 2-242 . Проверено 27 июня 2019 .
  9. ^ a b c Персонал (август 2014 г.). «Дыхательный аппарат для дайвинга» (PDF) . Стандарты дайвинга . Дублин: Управление здравоохранения и безопасности. Архивировано из оригинального (PDF) 18 ноября 2016 года . Проверено 18 ноября +2016 .
  10. ^ Комитет PH / 4/7 (31 марта 2016 г.). BS 8547: 2016 - Респираторное оборудование. Регулятор потребности в газе для дыхания, используемый для погружений на глубину более 50 метров. Требования и методы испытаний . Лондон: Британский институт стандартов. ISBN 978-0-580-89213-4.
  11. ↑ Гора, Том (август 2008 г.). «1 ~ Основы физиологии для технических дайверов». В Маунт, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия геологоразведочных работ и водолазных погружений (1-е изд.). Майами-Шорс, Флорида: Международная ассоциация дайверов найтрокс. С. 3–32. ISBN 978-0-915539-10-9.
  12. ^ Митчелл, Саймон Дж .; Cronjé, Frans J .; Meintjes, WA Jack; Бритц, Герми С. (2007). «Смертельная респираторная недостаточность во время« технического »погружения с ребризером при экстремальном давлении» . Авиационная, космическая и экологическая медицина . 78 (2): 81–86 . Проверено 21 ноября 2019 .
  13. ^ a b c d e Митчелл, Саймон (август 2008 г.). «Четвертое: удержание углекислого газа». В Маунт, Том; Дитури, Джозеф (ред.). Энциклопедия геологоразведочных работ и водолазных погружений (1-е изд.). Майами-Шорс, Флорида: Международная ассоциация дайверов найтрокс. С. 279–286. ISBN 978-0-915539-10-9.
  14. ^ персонал. «Центр испытаний оборудования жизнеобеспечения» (PDF) . Проверено 18 ноября +2016 .