УДК 612.816
САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ И НЕПРОИЗВОЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЫХАНИЕМ ПРИ НАВЯЗАННЫХ ПАРАМЕТРАХ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ
© 2004 г. М. А. Погодин, Е. В. Боброва, М. П. Гранстрем
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 28.01.03
С целью выяснения механизмов взаимодействия произвольного и непроизвольного управления дыхательными движениями у бодрствующего человека исследовали респираторные паттерны во время замены естественного дыхания на самоуправляемую искусственную вентиляцию. Семь испытуемых управляли как длительностью искусственных вдохов, так и скоростью подачи воздуха под избыточным давлением. Свои действия они постоянно корректировали по ощущению комфортности дыхания. В условиях покоя вентиляция легких при самоуправляемом искусственном дыхании была больше, чем при естественном дыхании. Превышение легочной вентиляции при самоуправляемом искусственном дыхании относительно естественного сохранялось и при выполнении мышечной работы. Между скоростью движения, подающего воздух, и величиной искусственной вентиляции установлена корреляция (г = 0.91). Во время самоуправляемого искусственного дыхания испытуемые иногда делали естественные вдохи. Находкой является то, что выполнение естественного вдоха не влияло на начало и прекращение искусственного вдоха. Для самоуправления искусственным дыханием определенную роль играет информация от рецепторов дыхательной системы.
Известно, что человек способен по визуально задаваемой программе выполнять дыхательные движения почти так же успешно, как движения рукой [1, 2]. А способен ли человек движениями рукой реализовать программу, которую выполняют дыхательные мышцы? Может ли дыхательное побуждение, возникшее на основе афферен-тации от соответствующих рецепторов, быть удовлетворено за счет активности не дыхательных мышц, а мышц, например, руки? Эти вопросы связаны с произвольным контролем, играющим важную роль в регуляции дыхания у бодрствующего человека [3-7]. В определенных условиях произвольное управление дыханием может происходить в обход автоматического дыхательного центра, расположенного в стволе мозга [8, 9].
Управление вентиляцией легких непосредственно центрами коры головного мозга может быть исследовано в эксперименте, когда испытуемый управляет аппаратом искусственного дыхания при помощи мышц, которые никогда не участвуют в естественных дыхательных движениях [10]. При этом естественная информация от рецепторов дыхательной системы используется для контроля сокращения скелетных мышц. В настоящей работе, кроме показателей вентиляции легких, исследовали скорость движений, которыми испытуемый управлял подачей воздуха. По словесному отчету испытуемого после эксперимента проводили анализ возможных ощущений, служивших испытуемому сигналами, по которым он
начинал и прекращал подачу воздуха в дыхательные пути из аппарата искусственного дыхания.
МЕТОДИКА
В исследовании участвовали 7 здоровых мужчин в возрасте от 18 до 62 лет. Испытуемые сидели в удобном кресле и дышали через загубник. Носовые отверстия перекрывали зажимом. Дыхательной смесью служил воздух. При самоуправляемом искусственном дыхании [11] воздух подавали из баллона высокого давления (рис. 1, 1). До начала исследования с искусственным дыханием испытуемого обучали движениям, с помощью которых ему предстояло управлять подачей воздуха в дыхательные пути. Скорость подачи воздуха в пределах от 0.5 до 3.0 литра в секунду испытуемый регулировал правой рукой путем вращения вентиля (рис. 1, 2) редуктора манометра низкого давления. Подачу воздуха в загубник испытуемый начинал при нажатии левой рукой кнопки (рис. 1, 3), включавшей электромагнитный клапан (рис. 1, 4). Отпускание кнопки прекращало подачу воздуха. Воздух, подогретый до 37°С и увлажненный в устройстве (рис. 1, 5), через пневмо-тахографическую трубку (рис. 1, 6) поступал в клапан принудительной подачи. Если во время подачи воздуха ротовое давление превышало 15 см вод. ст., срабатывал предохранительный клапан. При отсутствии противодействия испытуемого (при открытой голосовой щели) давление в полости рта во время искусственного вдоха не превышало 4 см вод. ст.
1
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки. Пояснения в тексте.
Перед испытуемым ставилась задача во время управления аппаратом искусственного дыхания так вентилировать свои легкие, чтобы не возникало желания делать естественные вдохи. Испытуемого обучали выполнять искусственный вдох, то есть позволять воздуху из аппарата поступать в дыхательные пути и легкие. После 5-10 пробных искусственных вдохов и пассивных выдохов испытуемый был в состоянии не совершать естественных вдохов во время подачи воздуха из аппарата искусственного дыхания.
Как для естественного дыхания, так и для самоуправляемого искусственного дыхания исследование состояло из 4 периодов по 3 минуты: покой и три периода с выполнением дозированной мышечной работы на велоэргометре (рис. 1, 7). Во время периода "0 Вт" испытуемый вращал ненагружен-ное колесо велоэргометра. В других периодах нагрузка составляла 30 и 60 Вт, соответственно.
Частоту дыхания, дыхательный объем и минутную вентиляцию легких вычисляли по инспи-раторной пневмотахограмме. Ротовое давление измеряли в отводе загубника. По электрокардиограмме (отведение по Небу) оценивали частоту сердечных сокращений. В пробах газа из загубника определяли на масс-спектрометре "МХ 6202" парциальное давление С02 и 02 в конечной порции выдыхаемого газа (РЕТС02 и РЕТ02). С помощью специального устройства измеряли скорость нажатия на кнопку, которая характеризовала скорость перемещения левой руки.
Статистический анализ результатов проводили методом парного сравнения с использованием критерия Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Естественное дыхание. Во время естественных вдохов давление в ротовой полости плавно уменьшается и затем столь же плавно возвращается к нулевому значению (кривая 1 на рис. 2, А). Так же плавно изменяется скорость вдыхаемого воздуха (кривая 2 на рис. 2, А).
В покое вентиляция легких в среднем составляет 14.0 ± 3.2 л/мин (таблица). При выполнении мышечной работы вентиляция легких увеличивается относительно режима покоя (при максимальной нагрузке - более чем в 2 раза) в основном за счет роста дыхательного объема. С ростом нагрузки мышечной работы парциальное давление двуокиси углерода в конечной порции выдыхаемого воздуха увеличивается и достигает 49.5 ± ± 4,2 мм рт. ст., а изменения РЕТ02 статистически значимо не меняются. Частота сердцебиений увеличивается с ростом интенсивности мышечной работы.
В условиях самоуправляемого искусственного дыхания воздух поступает в легкие под действием положительного давления, создаваемого аппаратом искусственного дыхания. Искусственные вдохи (рис. 2, Б) отличаются от естественных как заменой отрицательного давления в полости рта на положительное (кривая 1), так и изменением формы кривой скорости потока воздуха (кривая 2). В начале искусственного вдоха давление в полости рта резко повышается и остается положительным в течение всего вдоха. Вследствие резкого поступления воздуха в дыхательные пути пневмо-тахограмма искусственного вдоха приобретает форму, более близкую к прямоугольной, чем при естественном дыхании.
Во время искусственного вдоха поступление воздуха в дыхательные пути зависит не только от управляемых испытуемым параметров механического респиратора, но и от активного сокращения как мышц верхних дыхательных путей, так и ин-спираторных мышц. В начальный момент искусственного вдоха испытуемый должен открыть голосовую щель и тем обеспечить проходимость дыхательных путей. Резкие броски ротового давления в начале искусственного вдоха (первый и третий вдохи на рис. 2, Б) или в конце его (все вдохи на рис. 2, Б) отражают запаздывание открытия или слишком раннее закрытие голосовой щели относительно момента подачи воздуха.
Активное сокращение инспираторных мышц во время искусственного вдоха наблюдается редко и отражает состояние, в котором испытуемый не мог четко выполнять задание "не совершать собственных дыхательных движений". Для рис. 2, Б выбран участок записи, на котором такие сокращения часты и видны отчетливо. Эта запись сделана у испытуемого, для которого мышечная работа "60 Вт" оказалась предельной нагрузкой. Сра-
'Е+
-10
2 [
+ 10
+0.5
3 Г+0.5 3 1_ 0
А
Щ11
4^ 0
+ 10
0 -10
5 [_ 0
Б
2 [
гГ+0.5 3|- 0
4^ 0
5 [0
5 с
Рис. 2. Регистрация параметров в условиях естественного (А) и самоуправляемого искусственного (Б) дыхания. 1 - давление в полости рта (см вод. ст.), 2 - инспираторная пневмотахограмма (л с-1), 3 - сила нажатия на кнопку пуска воздуха (кг), 4 - скорость перемещения кнопки пуска воздуха (м с-1), 5 - электрокардиограмма (1 мВ). На пневмотахограмме: светлая штриховка - естественный вдох, темная штриховка - искусственный вдох. Словом "Горбушка" обозначено изменение кривой ротового давления за счет естественного вдоха во время искусственного вдоха.
0
1
зу после отказа от продолжения эксперимента у этого испытуемого РЕТС02 составило 64 мм рт. ст.
Изменения кривых ротового давления и пнев-мотахограммы, вызванные сокращением инспи-раторных мышц, или накладываются на изменения, отражающие выполнение искусственного вдоха, или располагаются между искусственными вдохами. Изгиб кривой ротового давления выпуклостью вверх во время искусственного вдоха (см. последний вдох на рис. 2, Б, обозначен словом - "горбушка") является признаком того, что испытуемый совершает одновременно с искусственным вдохом естественный вдох. Форма кривой ротового давления, близкая к прямоугольной, свидетельствует о пассивном искусственном вдохе, т.е. без активации дыхательных мышц
(см. почти пассивный первый вдох на рис. 2, Б). На этом же рисунке во время третьего искусственного вдоха скорость поступления воздуха постепенно снижается, а ротовое давление в той же мере растет. Такие одновременные изменения пневмотахограммы и ротового давления отражают активное противодействие дыхательных мышц, препятствующее поступлению воздуха в легкие.
В некоторых случаях во время самоуправляемого иск
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.