22.3: عملية التنفس
- Page ID
- 203219
أهداف التعلم
- وصف الآليات التي تدفع التنفس
- ناقش كيفية ارتباط الضغط والحجم والمقاومة
- ضع قائمة بالخطوات المتبعة في التهوية الرئوية
- ناقش العوامل الفيزيائية المتعلقة بالتنفس
- ناقش معنى حجم الجهاز التنفسي وقدراته
- تحديد معدل التنفس
- حدد الآليات الكامنة وراء التحكم في التنفس
- وصف المراكز التنفسية للنخاع المستطيل
- وصف مراكز الجهاز التنفسي في الأحواض
- ناقش العوامل التي يمكن أن تؤثر على معدل التنفس
التهوية الرئوية هي عملية التنفس، والتي يمكن وصفها بحركة الهواء داخل وخارج الرئتين. الآليات الرئيسية التي تدفع التهوية الرئوية هي الضغط الجوي (P atm)؛ وضغط الهواء داخل الحويصلات الهوائية، والذي يسمى الضغط السنخي (P alv)؛ والضغط داخل التجويف الجنبي، والذي يسمى الضغط داخل الجنبة (P ip ).
آليات التنفس
تعتمد الضغوط السنخية وداخل الجنبة على بعض السمات الفيزيائية للرئة. ومع ذلك، فإن القدرة على التنفس - لدخول الهواء إلى الرئتين أثناء الإلهام وخروج الهواء من الرئتين أثناء انتهاء الصلاحية - تعتمد على ضغط الهواء في الغلاف الجوي وضغط الهواء داخل الرئتين.
علاقات الضغط
يعتمد الإلهام (أو الاستنشاق) وانتهاء الصلاحية (أو الزفير) على الاختلافات في الضغط بين الغلاف الجوي والرئتين. في الغاز، الضغط هو قوة ناتجة عن حركة جزيئات الغاز المحصورة. على سبيل المثال، يحتوي عدد معين من جزيئات الغاز في حاوية سعة 2 لتر على مساحة أكبر من نفس عدد جزيئات الغاز في حاوية سعة لتر واحد (الشكل\(\PageIndex{1}\)). في هذه الحالة، تكون القوة التي تمارسها حركة جزيئات الغاز على جدران الحاوية سعة 2 لتر أقل من القوة التي تمارسها جزيئات الغاز في الحاوية سعة لتر واحد. لذلك، يكون الضغط أقل في الحاوية سعة 2 لتر وأعلى في الحاوية سعة لتر واحد. عند درجة حرارة ثابتة، يؤدي تغيير الحجم الذي يشغله الغاز إلى تغيير الضغط، وكذلك تغيير عدد جزيئات الغاز. يصف قانون بويل العلاقة بين الحجم والضغط في الغاز عند درجة حرارة ثابتة. اكتشف بويل أن ضغط الغاز يتناسب عكسيًا مع حجمه: إذا زاد الحجم، ينخفض الضغط. وبالمثل، إذا انخفض الحجم، يزداد الضغط. يرتبط الضغط والحجم عكسيًا (P = k/V). لذلك، سيكون الضغط في الحاوية سعة لتر واحد (نصف حجم الحاوية سعة 2 لتر) ضعف الضغط في الحاوية سعة 2 لتر. يتم التعبير عن قانون بويل بالصيغة التالية:
\[P_1V_1=P_2V_2\]
في هذه الصيغة، يمثل P 1 الضغط الأولي ويمثل V 1 الحجم الأولي، بينما يتم تمثيل الضغط النهائي والحجم بواسطة P 2 و V 2 على التوالي. إذا تم توصيل الحاويات سعة 2 لتر أو 1 لتر بواسطة أنبوب وتم تغيير حجم إحدى الحاويات، فإن الغازات ستنتقل من الضغط العالي (الحجم المنخفض) إلى الضغط المنخفض (الحجم الأعلى).

تعتمد التهوية الرئوية على ثلاثة أنواع من الضغط: الضغط الجوي، وداخل السنخ، والضغط بين الرئتين. الضغط الجوي هو مقدار القوة التي تمارسها الغازات في الهواء المحيط بأي سطح معين، مثل الجسم. يمكن التعبير عن الضغط الجوي من حيث الغلاف الجوي للوحدة، أو atm المختصر، أو بمليمترات الزئبق (mm Hg). يساوي جهاز الصراف الآلي الواحد 760 ملم زئبق، وهو الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. عادة، بالنسبة للتنفس، تتم مناقشة قيم الضغط الأخرى فيما يتعلق بالضغط الجوي. لذلك، فإن الضغط السلبي هو ضغط أقل من الضغط الجوي، في حين أن الضغط الإيجابي هو الضغط الذي يكون أكبر من الضغط الجوي. يتم التعبير عن الضغط الذي يساوي الضغط الجوي على أنه صفر.
الضغط داخل السنخ هو ضغط الهواء داخل الحويصلات الهوائية، والذي يتغير خلال مراحل التنفس المختلفة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). نظرًا لأن الحويصلات الهوائية متصلة بالغلاف الجوي عبر أنابيب الشعب الهوائية (على غرار الحاويات سعة 2 لتر أو لتر في المثال أعلاه)، فإن الضغط الرئوي للحويصلات الهوائية يتساوى دائمًا مع الضغط الجوي.

الضغط داخل الجنبة هو ضغط الهواء داخل التجويف الجنبي، بين الجنب الحشوي والجداري. على غرار الضغط داخل السنخ، يتغير الضغط داخل الجنبة أيضًا خلال مراحل التنفس المختلفة. ومع ذلك، نظرًا لخصائص معينة للرئتين، يكون الضغط داخل الجنبة دائمًا أقل من الضغط داخل السنخ أو سلبيًا له (وبالتالي الضغط الجوي أيضًا). على الرغم من تذبذب الضغط داخل الجنبة أثناء الإلهام وانتهاء الصلاحية، يظل الضغط داخل الجنبة حوالي -4 ملم زئبق طوال دورة التنفس.
تتسبب القوى المتنافسة داخل الصدر في تكوين الضغط السلبي داخل الجنبة. ترتبط إحدى هذه القوى بمرونة الرئتين نفسها - الأنسجة المرنة تسحب الرئتين إلى الداخل بعيدًا عن الجدار الصدري. يؤدي التوتر السطحي للسائل السنخي، والذي يتكون في الغالب من الماء، أيضًا إلى سحب أنسجة الرئة إلى الداخل. يتم مواجهة هذا التوتر الداخلي من الرئتين من خلال قوى متعارضة من السائل الجنبي والجدار الصدري. الشد السطحي داخل التجويف الجنبي يسحب الرئتين إلى الخارج. قد يؤدي وجود الكثير أو القليل جدًا من السائل الجنبي إلى إعاقة تكوين الضغط السلبي داخل الجنبة؛ لذلك، يجب مراقبة المستوى عن كثب بواسطة خلايا الظهارة المتوسطة واستنزافه بواسطة الجهاز اللمفاوي. نظرًا لأن غشاء الجنب الجداري متصل بالجدار الصدري، فإن المرونة الطبيعية لجدار الصدر تعارض السحب الداخلي للرئتين. في النهاية، يكون السحب الخارجي أكبر قليلاً من السحب الداخلي، مما يؤدي إلى حدوث ضغط داخل الجنب بمقدار —4 مم زئبق بالنسبة للضغط داخل السنخ. الضغط عبر الرئة هو الفرق بين الضغوط داخل الجنبة وداخل السنخية، ويحدد حجم الرئتين. يتوافق الضغط فوق الرئوي مع رئة أكبر.
العوامل الفيزيائية التي تؤثر على التهوية
بالإضافة إلى الاختلافات في الضغوط، يعتمد التنفس أيضًا على تقلص واسترخاء ألياف العضلات في كل من الحجاب الحاجز والصدر. تكون الرئتين نفسها سلبية أثناء التنفس، مما يعني أنها لا تشارك في خلق الحركة التي تساعد على الإلهام وانتهاء الصلاحية. هذا بسبب الطبيعة اللاصقة للسائل الجنبي، والتي تسمح بسحب الرئتين إلى الخارج عندما يتحرك الجدار الصدري أثناء الإلهام. يؤدي ارتداد الجدار الصدري أثناء انتهاء الصلاحية إلى ضغط الرئتين. يتسبب تقلص واسترخاء الحجاب الحاجز والعضلات الوربية (الموجودة بين الأضلاع) في معظم تغيرات الضغط التي تؤدي إلى الإلهام وانتهاء الصلاحية. تؤدي حركات العضلات هذه وتغيرات الضغط اللاحقة إلى اندفاع الهواء أو إجباره على الخروج من الرئتين.
تؤثر الخصائص الأخرى للرئتين على الجهد الذي يجب إنفاقه للتهوية. المقاومة هي قوة تبطئ الحركة، في هذه الحالة، تدفق الغازات. حجم مجرى الهواء هو العامل الأساسي الذي يؤثر على المقاومة. يدفع القطر الأنبوبي الصغير الهواء عبر مساحة أصغر، مما يتسبب في المزيد من تصادم جزيئات الهواء مع جدران الشعب الهوائية. تساعد الصيغة التالية في وصف العلاقة بين مقاومة مجرى الهواء وتغيرات الضغط:
\[F=\dfrac{P}{R}\]
كما لوحظ سابقًا، هناك توتر سطحي داخل الحويصلات الهوائية بسبب الماء الموجود في بطانة الحويصلات الهوائية. يميل هذا التوتر السطحي إلى منع توسع الحويصلات الهوائية. ومع ذلك، فإن المادة الخافضة للتوتر السطحي الرئوي التي تفرزها الخلايا السنخية من النوع الثاني تختلط مع تلك المياه وتساعد على تقليل هذا التوتر السطحي. بدون عامل التوتر السطحي الرئوي، ستنهار الحويصلات الهوائية أثناء انتهاء الصلاحية.
الامتثال للجدار الصدري هو قدرة الجدار الصدري على التمدد أثناء الضغط. يمكن أن يؤثر هذا أيضًا على الجهد المبذول في عملية التنفس. من أجل حدوث الإلهام، يجب توسيع التجويف الصدري. يؤثر توسيع التجويف الصدري بشكل مباشر على قدرة الرئتين على التوسع. إذا لم تكن أنسجة الجدار الصدري متوافقة للغاية، فسيكون من الصعب توسيع الصدر لزيادة حجم الرئتين.
تهوية رئوية
يؤدي الاختلاف في الضغوط إلى التهوية الرئوية لأن الهواء يتدفق إلى أسفل تدرج الضغط، أي أن الهواء يتدفق من منطقة ذات ضغط أعلى إلى منطقة ذات ضغط منخفض. يتدفق الهواء إلى الرئتين إلى حد كبير بسبب الاختلاف في الضغط؛ الضغط الجوي أكبر من الضغط داخل السنخ، والضغط داخل السنخ أكبر من الضغط داخل الجنبة. يتدفق الهواء من الرئتين أثناء انتهاء الصلاحية بناءً على نفس المبدأ؛ يصبح الضغط داخل الرئتين أكبر من الضغط الجوي.
تتكون التهوية الرئوية من خطوتين رئيسيتين: الإلهام وانتهاء الصلاحية. الإلهام هو العملية التي تؤدي إلى دخول الهواء إلى الرئتين، وانتهاء الصلاحية هو العملية التي تؤدي إلى خروج الهواء من الرئتين (الشكل\(\PageIndex{3}\)). دورة التنفس هي سلسلة واحدة من الإلهام وانتهاء الصلاحية. بشكل عام، يتم استخدام مجموعتين من العضلات أثناء الإلهام الطبيعي: الحجاب الحاجز والعضلات الوربية الخارجية. يمكن استخدام عضلات إضافية إذا كانت هناك حاجة إلى نفس أكبر. عندما ينقبض الحجاب الحاجز، فإنه يتحرك بشكل أقل نحو التجويف البطني، مما يؤدي إلى تكوين تجويف صدري أكبر ومساحة أكبر للرئتين. يؤدي تقلص العضلات الوربية الخارجية إلى تحريك الأضلاع إلى الأعلى وإلى الخارج، مما يؤدي إلى توسيع القفص الصدري، مما يزيد من حجم التجويف الصدري. بسبب القوة اللاصقة للسائل الجنبي، فإن تمدد التجويف الصدري يجبر الرئتين على التمدد والتوسع أيضًا. تؤدي هذه الزيادة في الحجم إلى انخفاض الضغط داخل السنخ، مما يخلق ضغطًا أقل من الضغط الجوي. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء تدرج الضغط الذي يدفع الهواء إلى الرئتين.

عملية انتهاء الصلاحية الطبيعية سلبية، مما يعني أن الطاقة ليست مطلوبة لدفع الهواء خارج الرئتين. بدلاً من ذلك، تتسبب مرونة أنسجة الرئة في ارتداد الرئة، حيث يرتاح الحجاب الحاجز والعضلات الوربية بعد الإلهام. في المقابل، ينخفض حجم التجويف الصدري والرئتين، مما يؤدي إلى زيادة الضغط بين الرئتين. يرتفع الضغط بين الرئتين فوق الضغط الجوي، مما يؤدي إلى حدوث تدرج في الضغط يؤدي إلى خروج الهواء من الرئتين.
هناك أنواع أو أنماط مختلفة للتنفس تتطلب عملية مختلفة قليلاً للسماح بالإلهام وانتهاء الصلاحية. التنفس الهادئ، المعروف أيضًا باسم انتفاخ البطن، هو طريقة تنفس تحدث أثناء الراحة ولا تتطلب التفكير المعرفي للفرد. أثناء التنفس الهادئ، يجب أن ينقبض الحجاب الحاجز والوصلات الخارجية.
يتطلب التنفس العميق، الذي يسمى التنفس الحجابي، أن ينقبض الحجاب الحاجز. عندما يرتاح الحجاب الحاجز، يغادر الهواء الرئتين بشكل سلبي. يتطلب التنفس الضحل، الذي يسمى التنفس الساحلي، تقلص العضلات الوربية. عندما تسترخي العضلات الوربية، يغادر الهواء الرئتين بشكل سلبي.
في المقابل، فإن التنفس القسري، المعروف أيضًا باسم فرط التنفس، هو طريقة تنفس يمكن أن تحدث أثناء التمرين أو الإجراءات التي تتطلب التلاعب النشط بالتنفس، مثل الغناء. أثناء التنفس القسري، يحدث كل من الإلهام وانتهاء الصلاحية بسبب تقلصات العضلات. بالإضافة إلى تقلص الحجاب الحاجز والعضلات الوربية، يجب أن تنقبض العضلات الإضافية الأخرى أيضًا. أثناء الإلهام القسري، تنقبض عضلات الرقبة، بما في ذلك القشور، وترفع جدار الصدر، مما يزيد من حجم الرئة. أثناء انتهاء الصلاحية القسري، تنقبض عضلات البطن الإضافية، بما في ذلك العضلات المائلة، مما يجبر أعضاء البطن على الصعود إلى أعلى مقابل الحجاب الحاجز. يساعد ذلك على دفع الحجاب الحاجز إلى داخل الصدر، ودفع المزيد من الهواء للخارج. بالإضافة إلى ذلك، تساعد العضلات الملحقة (بشكل أساسي العضلات الوربية الداخلية) على ضغط القفص الصدري، مما يقلل أيضًا من حجم التجويف الصدري.
أحجام وقدرات الجهاز التنفسي
حجم الجهاز التنفسي هو المصطلح المستخدم لكميات مختلفة من الهواء المنقول أو المرتبط بالرئتين في نقطة معينة من الدورة التنفسية. هناك أربعة أنواع رئيسية من أحجام الجهاز التنفسي: المد والجزر، والمخلفات، واحتياطي الشهيق، واحتياطي الزفير (الشكل\(\PageIndex{4}\)). حجم المد والجزر (TV) هو كمية الهواء التي تدخل الرئتين عادةً أثناء التنفس الهادئ، والتي تبلغ حوالي 500 مليلتر. حجم احتياطي الزفير (ERV) هو كمية الهواء التي يمكنك زفرها بقوة بعد انتهاء صلاحية المد والجزر العادية، حتى 1200 مليلتر للرجال. يتم إنتاج حجم احتياطي الشهيق (IRV) عن طريق الاستنشاق العميق، بعد إلهام المد والجزر. هذا هو الحجم الإضافي الذي يمكن إدخاله إلى الرئتين أثناء الإلهام القسري. الحجم المتبقي (RV) هو الهواء المتبقي في الرئتين إذا قمت بزفير أكبر قدر ممكن من الهواء. الحجم المتبقي يجعل التنفس أسهل من خلال منع الحويصلات الهوائية من الانهيار. يعتمد حجم الجهاز التنفسي على مجموعة متنوعة من العوامل، ويمكن أن يوفر قياس الأنواع المختلفة من أحجام الجهاز التنفسي أدلة مهمة حول صحة الجهاز التنفسي للشخص.


القدرة التنفسية هي مزيج من مجلدين أو أكثر من المجلدات المختارة، والتي تصف أيضًا كمية الهواء في الرئتين خلال فترة زمنية معينة. على سبيل المثال، السعة الإجمالية للرئة (TLC) هي مجموع كل أحجام الرئة (TV و ERV و IRV و RV)، والتي تمثل إجمالي كمية الهواء التي يمكن للشخص الاحتفاظ بها في الرئتين بعد الاستنشاق القوي. يحتوي TLC على حوالي 6000 مل هواء للرجال، وحوالي 4200 مل للنساء. السعة الحيوية (VC) هي كمية الهواء التي يمكن للشخص نقلها إلى رئتيه أو خارجها، وهي مجموع جميع الأحجام باستثناء الحجم المتبقي (TV و ERV و IRV)، والذي يتراوح بين 4000 و 5000 مليلتر. سعة الشهيق (IC) هي الحد الأقصى لكمية الهواء التي يمكن استنشاقها بعد انتهاء صلاحية المد والجزر العادية، وهي مجموع حجم المد والجزر وحجم احتياطي الشهيق. من ناحية أخرى، فإن السعة الوظيفية المتبقية (FRC) هي كمية الهواء التي تبقى في الرئة بعد انتهاء المد والجزر الطبيعي؛ إنه مجموع حجم احتياطي الزفير والحجم المتبقي (انظر الشكل\(\PageIndex{4}\)).
بالإضافة إلى الهواء الذي ينتج أحجامًا تنفسية، يحتوي الجهاز التنفسي أيضًا على مساحة تشريحية ميتة، وهي الهواء الموجود في مجرى الهواء الذي لا يصل أبدًا إلى الحويصلات الهوائية وبالتالي لا يشارك أبدًا في تبادل الغازات. تتضمن المساحة السنخية الميتة الهواء الموجود داخل الحويصلات الهوائية غير القادرة على العمل، مثل تلك المصابة بمرض أو تدفق الدم غير الطبيعي. إجمالي المساحة الميتة هي المساحة الميتة التشريحية والمساحة السنخية الميتة معًا، وتمثل كل الهواء في الجهاز التنفسي الذي لا يتم استخدامه في عملية تبادل الغازات.
معدل التنفس والتحكم في التهوية
يحدث التنفس عادةً دون تفكير، على الرغم من أنه في بعض الأحيان يمكنك التحكم فيه بوعي، مثل السباحة تحت الماء أو غناء أغنية أو نفخ الفقاعات. معدل التنفس هو إجمالي عدد الأنفاس، أو دورات التنفس، التي تحدث كل دقيقة. يمكن أن يكون معدل التنفس مؤشرًا مهمًا للمرض، حيث قد يزيد المعدل أو ينقص أثناء المرض أو في حالة مرضية. يتم التحكم في معدل التنفس من قبل المركز التنفسي الموجود داخل النخاع المستطيل في الدماغ، والذي يستجيب بشكل أساسي للتغيرات في ثاني أكسيد الكربون والأكسجين ومستويات الحموضة في الدم.
ينخفض معدل التنفس الطبيعي للطفل منذ الولادة وحتى المراهقة. الطفل الذي يقل عمره عن عام واحد لديه معدل تنفس طبيعي يتراوح بين 30 و 60 نفسًا في الدقيقة، ولكن عندما يبلغ الطفل حوالي 10 سنوات، يكون المعدل الطبيعي أقرب إلى 18 إلى 30. في مرحلة المراهقة، يكون معدل التنفس الطبيعي مشابهًا لمعدل البالغين، من 12 إلى 18 نفسًا في الدقيقة.
مراكز التحكم في التهوية
التحكم في التهوية هو تفاعل معقد بين مناطق متعددة في الدماغ تشير إلى تقلص العضلات المستخدمة في التهوية الرئوية (الجدول). وتكون النتيجة عادةً معدل تهوية منتظم ومتسق يزود الجسم بكميات كافية من الأكسجين، مع إزالة ثاني أكسيد الكربون بشكل كافٍ.
ملخص لائحة التهوية | |
---|---|
مكون النظام | وظيفة |
مدخل الجهاز التنفسي النخاعي | يحدد الإيقاع الأساسي للتنفس |
مجموعة الجهاز التنفسي البطني (VRG) | يولد إيقاع التنفس ويدمج البيانات القادمة إلى النخاع |
مجموعة الجهاز التنفسي الظهري (DRG) | يدمج المدخلات من مستقبلات التمدد والمستقبلات الكيميائية في المحيط |
مجموعة بونتين التنفسية (PRG) | يؤثر ويعدل وظائف النخاع المستطيل |
جسم الشريان الأورطي | يراقب PCO 2 و PO 2 ودرجة الحموضة في الدم |
جسم سباتي | يراقب PCO 2 و PO 2 ودرجة الحموضة في الدم |
المهاد | يراقب الحالة العاطفية ودرجة حرارة الجسم |
المناطق القشرية من الدماغ | التحكم في التنفس الطوعي |
مستقبلات بروبريوس | أرسل نبضات بخصوص حركات المفاصل والعضلات |
ردود الفعل المهيجة الرئوية | حماية المناطق التنفسية للنظام من المواد الأجنبية |
منعكس التضخم | يحمي الرئتين من الانتفاخ الزائد |
الخلايا العصبية التي تعصب عضلات الجهاز التنفسي هي المسؤولة عن التحكم في التهوية الرئوية وتنظيمها. مراكز الدماغ الرئيسية المشاركة في التهوية الرئوية هي النخاع المستطيل ومجموعة Pontine التنفسية (الشكل\(\PageIndex{6}\)).

يحتوي النخاع المستطيل على المجموعة التنفسية الظهرية (DRG) ومجموعة الجهاز التنفسي البطني (VRG). يشارك DRG في الحفاظ على إيقاع التنفس المستمر من خلال تحفيز الحجاب الحاجز والعضلات الوربية على الانقباض، مما يؤدي إلى الإلهام. عندما يتوقف النشاط في DRG، فإنه لم يعد يحفز الحجاب الحاجز والوبين على الانقباض، مما يسمح لهما بالاسترخاء، مما يؤدي إلى انتهاء الصلاحية. تشارك VRG في التنفس القسري، حيث تحفز الخلايا العصبية في VRG العضلات الإضافية المشاركة في التنفس القسري على الانقباض، مما يؤدي إلى الإلهام القسري. يحفز VRG أيضًا العضلات الملحقة المشاركة في انتهاء الصلاحية القسري للتقلص.
يقع المركز التنفسي الثاني للدماغ داخل الأحواض، ويسمى مجموعة بونتين التنفسية، ويتكون من مراكز انقطاع النفس والالتهاب الرئوي. مركز انقطاع النفس عبارة عن مجموعة مزدوجة من أجسام الخلايا العصبية التي تحفز الخلايا العصبية في DRG، وتتحكم في عمق الإلهام، خاصة للتنفس العميق. مركز التكسية الرئوية عبارة عن شبكة من الخلايا العصبية التي تمنع نشاط الخلايا العصبية في DRG، مما يسمح بالاسترخاء بعد الإلهام، وبالتالي التحكم في المعدل الإجمالي.
العوامل التي تؤثر على معدل وعمق التنفس
يتم تنظيم معدل التنفس وعمق الإلهام بواسطة النخاع المستطيل والبونات؛ ومع ذلك، فإن هذه المناطق من الدماغ تفعل ذلك استجابة للمنبهات الجهازية. إنها علاقة الجرعة والاستجابة والتغذية الراجعة الإيجابية حيث كلما زاد الحافز زادت الاستجابة. وبالتالي، تؤدي زيادة المنبهات إلى التنفس القسري. هناك عوامل جهازية متعددة تشارك في تحفيز الدماغ لإنتاج التهوية الرئوية.
من المدهش أن العامل الرئيسي الذي يحفز النخاع المستطيل والبونات لإنتاج التنفس ليس تركيز الأكسجين، بل تركيز ثاني أكسيد الكربون في الدم. كما تتذكر، فإن ثاني أكسيد الكربون هو منتج نفايات للتنفس الخلوي ويمكن أن يكون سامًا. يتم استشعار تركيزات المواد الكيميائية بواسطة المستقبلات الكيميائية. المستقبل الكيميائي المركزي هو أحد المستقبلات المتخصصة الموجودة في الدماغ وجذع الدماغ، في حين أن المستقبل الكيميائي المحيطي هو أحد المستقبلات المتخصصة الموجودة في الشرايين السباتية والقوس الأبهري. تحفز تغيرات التركيز في بعض المواد، مثل ثاني أكسيد الكربون أو أيونات الهيدروجين، هذه المستقبلات، والتي بدورها تشير إلى مراكز التنفس في الدماغ. في حالة ثاني أكسيد الكربون، مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الدم، فإنه ينتشر بسهولة عبر الحاجز الدموي الدماغي، حيث يتجمع في السائل خارج الخلية. كما سيتم شرحه بمزيد من التفصيل لاحقًا، تؤدي زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة مستويات أيونات الهيدروجين، مما يقلل من درجة الحموضة. تؤدي الزيادة في أيونات الهيدروجين في الدماغ إلى تحفيز المستقبلات الكيميائية المركزية لتحفيز مراكز الجهاز التنفسي لبدء تقلص الحجاب الحاجز والعضلات الوربية. ونتيجة لذلك، يزداد معدل التنفس وعمقه، مما يسمح بطرد المزيد من ثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى دخول المزيد من الهواء إلى الرئتين وخروجهما مما يعزز انخفاض مستويات ثاني أكسيد الكربون في الدم، وبالتالي أيونات الهيدروجين، في الدم. في المقابل، تتسبب المستويات المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون في الدم في انخفاض مستويات أيونات الهيدروجين في الدماغ، مما يؤدي إلى انخفاض معدل وعمق التهوية الرئوية، مما ينتج عنه تنفس ضحل وبطيء.
هناك عامل آخر يشارك في التأثير على النشاط التنفسي للدماغ وهو التركيزات الشريانية الجهازية لأيونات الهيدروجين. يمكن أن تؤدي زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة مستويات H+، كما ذكرنا أعلاه، بالإضافة إلى الأنشطة الأيضية الأخرى، مثل تراكم حمض اللاكتيك بعد ممارسة التمارين الشاقة. تستشعر المستقبلات الكيميائية الطرفية للقوس الأورطي والشرايين السباتية المستويات الشريانية لأيونات الهيدروجين. عندما تستشعر المستقبلات الكيميائية الطرفية انخفاض أو زيادة الحموضة في مستويات الحموضة، فإنها تحفز زيادة التهوية لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الدم بمعدل أسرع. تساعد إزالة ثاني أكسيد الكربون من الدم على تقليل أيونات الهيدروجين، وبالتالي زيادة درجة الحموضة الجهازية.
مستويات الأكسجين في الدم مهمة أيضًا في التأثير على معدل التنفس. تعتبر المستقبلات الكيميائية الطرفية مسؤولة عن استشعار التغيرات الكبيرة في مستويات الأكسجين في الدم. إذا أصبحت مستويات الأكسجين في الدم منخفضة جدًا - حوالي 60 ملم زئبق أو أقل - فإن المستقبلات الكيميائية الطرفية تحفز زيادة النشاط التنفسي. إن المستقبلات الكيميائية قادرة فقط على استشعار جزيئات الأكسجين الذائبة، وليس الأكسجين المرتبط بالهيموجلوبين. كما تتذكر، فإن غالبية الأكسجين مرتبط بالهيموجلوبين؛ وعندما تنخفض مستويات الأكسجين الذائبة، يطلق الهيموجلوبين الأكسجين. لذلك، هناك حاجة إلى انخفاض كبير في مستويات الأكسجين لتحفيز المستقبلات الكيميائية للقوس الأبهري والشرايين السباتية.
تلعب منطقة ما تحت المهاد ومناطق الدماغ الأخرى المرتبطة بالجهاز الحوفي أيضًا أدوارًا في التأثير على تنظيم التنفس من خلال التفاعل مع مراكز الجهاز التنفسي. تشارك منطقة ما تحت المهاد والمناطق الأخرى المرتبطة بالجهاز الحوفي في تنظيم التنفس استجابة للعواطف والألم ودرجة الحرارة. على سبيل المثال، تؤدي الزيادة في درجة حرارة الجسم إلى زيادة معدل التنفس. الشعور بالإثارة أو الاستجابة للقتال أو الطيران سيؤدي أيضًا إلى زيادة معدل التنفس.
اضطرابات...
الجهاز التنفسي: توقف التنفس أثناء النوم
توقف التنفس أثناء النوم هو اضطراب مزمن يمكن أن يحدث عند الأطفال أو البالغين، ويتميز بوقف التنفس أثناء النوم. قد تستمر هذه الحلقات لعدة ثوانٍ أو عدة دقائق، وقد تختلف في وتيرة تجربتها. يؤدي توقف التنفس أثناء النوم إلى قلة النوم، وهو ما ينعكس في أعراض التعب والقيلولة المسائية والتهيج ومشاكل الذاكرة والصداع الصباحي. بالإضافة إلى ذلك، يعاني العديد من الأفراد الذين يعانون من توقف التنفس أثناء النوم من جفاف الحلق في الصباح بعد الاستيقاظ من النوم، والذي قد يكون بسبب الشخير المفرط.
هناك نوعان من توقف التنفس أثناء النوم: انقطاع النفس الانسدادي أثناء النوم وتوقف التنفس المركزي أثناء النوم. يحدث انقطاع النفس الانسدادي أثناء النوم بسبب انسداد مجرى الهواء أثناء النوم، والذي يمكن أن يحدث في نقاط مختلفة في مجرى الهواء، اعتمادًا على السبب الأساسي للانسداد. على سبيل المثال، قد تسترخي عضلات اللسان والحلق لبعض الأفراد المصابين بانقطاع النفس الانسدادي أثناء النوم بشكل مفرط، مما يتسبب في دفع العضلات إلى مجرى الهواء. ومن الأمثلة الأخرى السمنة، وهي عامل خطر معروف لتوقف التنفس أثناء النوم، حيث يمكن للأنسجة الدهنية الزائدة في منطقة الرقبة أن تدفع الأنسجة الرخوة نحو تجويف مجرى الهواء، مما يؤدي إلى تضييق القصبة الهوائية.
في حالة توقف التنفس المركزي أثناء النوم، لا تستجيب مراكز الجهاز التنفسي في الدماغ بشكل صحيح لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون وبالتالي لا تحفز تقلص الحجاب الحاجز والعضلات الوربية بانتظام. ونتيجة لذلك، لا يحدث الإلهام ويتوقف التنفس لفترة قصيرة. في بعض الحالات، يكون سبب انقطاع النفس المركزي أثناء النوم غير معروف. ومع ذلك، قد تتسبب بعض الحالات الطبية، مثل السكتة الدماغية وفشل القلب الاحتقاني، في تلف العظام أو النخاع المستطيل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لبعض العوامل الدوائية، مثل المورفين، أن تؤثر على مراكز الجهاز التنفسي، مما يتسبب في انخفاض معدل التنفس. تتشابه أعراض انقطاع النفس المركزي أثناء النوم مع أعراض انقطاع النفس الانسدادي النومي.
عادة ما يتم تشخيص توقف التنفس أثناء النوم أثناء دراسة النوم، حيث تتم مراقبة المريض في مختبر النوم لعدة ليال. تتم مراقبة مستويات الأكسجين في دم المريض ومعدل ضربات القلب ومعدل التنفس وضغط الدم، وكذلك نشاط الدماغ وحجم الهواء الذي يتم استنشاقه والزفير. عادةً ما يتضمن علاج توقف التنفس أثناء النوم استخدام جهاز يسمى جهاز الضغط الهوائي الإيجابي المستمر (CPAP) أثناء النوم. يحتوي جهاز CPAP على قناع يغطي الأنف أو الأنف والفم، ويدفع الهواء إلى مجرى الهواء على فترات منتظمة. يمكن أن يساعد هذا الهواء المضغوط في إجبار مجرى الهواء بلطف على البقاء مفتوحًا، مما يسمح بحدوث المزيد من التهوية الطبيعية. تشمل العلاجات الأخرى تغيير نمط الحياة لتقليل الوزن، والتخلص من الكحول والأدوية الأخرى التي تعزز توقف التنفس أثناء النوم، والتغييرات في وضع النوم. بالإضافة إلى هذه العلاجات، قد يحتاج المرضى الذين يعانون من توقف التنفس المركزي أثناء النوم إلى أكسجين إضافي أثناء النوم.
مراجعة الفصل
التهوية الرئوية هي عملية التنفس التي تحركها اختلافات الضغط بين الرئتين والغلاف الجوي. الضغط الجوي هو القوة التي تمارسها الغازات الموجودة في الغلاف الجوي. تسمى القوة التي تمارسها الغازات داخل الحويصلات الهوائية بالضغط داخل السنخ (داخل الرئة)، في حين أن القوة التي تمارسها الغازات في التجويف الجنبي تسمى الضغط داخل الجنبة. عادةً ما يكون الضغط داخل الجنبة أقل أو سلبيًا للضغط داخل السنخ. الفرق في الضغط بين الضغط داخل الجنبة وداخل السنخية يسمى الضغط عبر الرئة. بالإضافة إلى ذلك، سوف يتعادل الضغط داخل السنخ مع الضغط الجوي. يتم تحديد الضغط من خلال حجم المساحة التي يشغلها الغاز ويتأثر بالمقاومة. يتدفق الهواء عند إنشاء تدرج الضغط، من مساحة الضغط العالي إلى مساحة الضغط المنخفض. يصف قانون بويل العلاقة بين الحجم والضغط. يقع الغاز تحت ضغط منخفض في حجم أكبر لأن جزيئات الغاز لديها مساحة أكبر للتحرك فيها. تؤدي نفس كمية الغاز في حجم أصغر إلى تجمع جزيئات الغاز معًا، مما يؤدي إلى زيادة الضغط.
يتم إنشاء المقاومة من خلال الأسطح غير المرنة، وكذلك قطر الشعب الهوائية. تقلل المقاومة من تدفق الغازات. يؤثر التوتر السطحي للحويصلات الهوائية أيضًا على الضغط، لأنه يعارض توسع الحويصلات الهوائية. ومع ذلك، يساعد عامل التوتر السطحي الرئوي على تقليل التوتر السطحي حتى لا تنهار الحويصلات الهوائية أثناء انتهاء الصلاحية. تلعب قدرة الرئتين على التمدد، والتي تسمى امتثال الرئة، أيضًا دورًا في تدفق الغاز. كلما زادت قدرة الرئتين على التمدد، زاد الحجم المحتمل للرئتين. كلما زاد حجم الرئتين، انخفض ضغط الهواء داخل الرئتين.
تتكون التهوية الرئوية من عملية الإلهام (أو الاستنشاق)، حيث يدخل الهواء الرئتين، وانتهاء الصلاحية (أو الزفير)، حيث يغادر الهواء الرئتين. أثناء الإلهام، ينقبض الحجاب الحاجز والعضلات الوربية الخارجية، مما يتسبب في تمدد القفص الصدري وتحريكه للخارج، وتوسيع التجويف الصدري وحجم الرئة. يؤدي ذلك إلى انخفاض الضغط داخل الرئة مقارنة بالغلاف الجوي، مما يؤدي إلى سحب الهواء إلى الرئتين. خلال فترة انتهاء الصلاحية، يرتاح الحجاب الحاجز والوبين، مما يتسبب في ارتداد الصدر والرئتين. يزداد ضغط الهواء داخل الرئتين إلى أعلى من ضغط الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى إخراج الهواء من الرئتين. ومع ذلك، أثناء الزفير القسري، قد تشارك العضلات الوربية الداخلية وعضلات البطن في إخراج الهواء من الرئتين.
يصف حجم الجهاز التنفسي كمية الهواء في مساحة معينة داخل الرئتين، أو التي يمكن أن تحركها الرئة، ويعتمد على مجموعة متنوعة من العوامل. يشير حجم المد والجزر إلى كمية الهواء التي تدخل الرئتين أثناء التنفس الهادئ، في حين أن حجم احتياطي الشهيق هو كمية الهواء التي تدخل الرئتين عندما يستنشق الشخص حجم المد والجزر. حجم احتياطي الزفير هو الكمية الإضافية من الهواء التي يمكن أن تغادر مع انتهاء الصلاحية بقوة، بعد انتهاء صلاحية المد والجزر. الحجم المتبقي هو كمية الهواء المتبقية في الرئتين بعد طرد حجم احتياطي الزفير. القدرة التنفسية هي مزيج من مجلدين أو أكثر. تشير المساحة الميتة التشريحية إلى الهواء داخل الهياكل التنفسية التي لا تشارك أبدًا في تبادل الغازات، لأنها لا تصل إلى الحويصلات الهوائية الوظيفية. معدل التنفس هو عدد الأنفاس التي يتم أخذها في الدقيقة، والتي قد تتغير أثناء بعض الأمراض أو الحالات.
يتم التحكم في كل من معدل التنفس والعمق من قبل المراكز التنفسية في الدماغ، والتي يتم تحفيزها بواسطة عوامل مثل التغيرات الكيميائية ودرجة الحموضة في الدم. يتم استشعار هذه التغييرات عن طريق المستقبلات الكيميائية المركزية، الموجودة في الدماغ، والمستقبلات الكيميائية الطرفية، التي تقع في قوس الأبهر والشرايين السباتية. يؤدي ارتفاع ثاني أكسيد الكربون أو انخفاض مستويات الأكسجين في الدم إلى زيادة معدل التنفس والعمق.
أسئلة الرابط التفاعلي
شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن أحجام الرئة ومقاييس التنفس. اشرح كيف يمكن استخدام نتائج اختبار قياس التنفس لتشخيص أمراض الجهاز التنفسي أو تحديد فعالية علاج الأمراض.
الإجابة: يعاني المرضى الذين يعانون من أمراض الجهاز التنفسي (مثل الربو وانتفاخ الرئة ومرض الانسداد الرئوي المزمن وما إلى ذلك) من مشاكل في مقاومة مجرى الهواء و/أو امتثال الرئة. يمكن أن يتداخل كل من هذه العوامل مع قدرة المريض على تحريك الهواء بشكل فعال. يمكن أن يحدد اختبار قياس التنفس مقدار الهواء الذي يمكن للمريض نقله إلى الرئتين والخروج منها. إذا كانت أحجام الهواء منخفضة، فقد يشير ذلك إلى أن المريض يعاني من مرض تنفسي أو أن نظام العلاج قد يحتاج إلى تعديل. إذا كانت الأرقام طبيعية، فلا يعاني المريض من مرض تنفسي كبير أو يعمل نظام العلاج كما هو متوقع.
مراجعة الأسئلة
س: أي من العمليات التالية يلعب الضغط الجوي دورًا فيها؟
أ. التهوية الرئوية
ب. إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي الرئوي
ج. المقاومة
د. التوتر السطحي
الإجابة: أ
س: يؤدي انخفاض الحجم إلى ضغط (n) ________.
ألف - انخفاض في
باء - معادلة
جيم - زيادة في
د. زيرو
الإجابة: ج
س: يسمى فرق الضغط بين الضغط داخل السنخ والضغط داخل الجنبة ________.
أ. الضغط الجوي
B. الضغط الرئوي
ج. الضغط السلبي
د. الضغط فوق الرئوي
الإجابة: د
س: ينخفض تدفق الغاز مع زيادة ________.
أ. المقاومة
ب. الضغط
C. قطر مجرى الهواء
د. الاحتكاك
الإجابة: أ
س: يؤدي تقلص العضلات الوربية الخارجية إلى حدوث أي مما يلي؟
ج: يتحرك الحجاب الحاجز لأسفل.
B. يتم ضغط القفص الصدري.
C. ينخفض حجم التجويف الصدري.
D. تتحرك الأضلاع والقص إلى أعلى.
الإجابة: د
س: أي مما يلي يمنع الحويصلات الهوائية من الانهيار؟
أ. الحجم المتبقي
B. حجم المد والجزر
جيم - حجم احتياطي الزفير
د. حجم الاحتياطي الشفهي
الإجابة: أ
أسئلة التفكير النقدي
س: وصف المقصود بمصطلح «امتثال الرئة».
ج: يشير امتثال الرئة إلى قدرة أنسجة الرئة على التمدد تحت الضغط، والتي يتم تحديدها جزئيًا من خلال التوتر السطحي للحويصلات الهوائية وقدرة النسيج الضام على التمدد. يلعب امتثال الرئة دورًا في تحديد مدى تغير الرئتين في الحجم، مما يساعد بدوره على تحديد الضغط وحركة الهواء.
س: حدد الخطوات التي ينطوي عليها التنفس الهادئ.
ج: يحدث التنفس الهادئ عند الراحة وبدون تفكير نشط. أثناء التنفس الهادئ، يعمل الحجاب الحاجز والعضلات الوربية الخارجية بدرجات مختلفة، اعتمادًا على الحالة. للحصول على الإلهام، ينقبض الحجاب الحاجز، مما يؤدي إلى تسطيح الحجاب الحاجز وهبوطه نحو التجويف البطني، مما يساعد على توسيع التجويف الصدري. تنقبض العضلات الوربية الخارجية أيضًا، مما يتسبب في تمدد القفص الصدري، وتحرك القفص الصدري والقص إلى الخارج، مما يؤدي أيضًا إلى توسيع التجويف الصدري. يؤدي توسيع التجويف الصدري أيضًا إلى توسع الرئتين، بسبب التصاق السائل الجنبي. ونتيجة لذلك، ينخفض الضغط داخل الرئتين إلى ما دون مستوى الغلاف الجوي، مما يتسبب في اندفاع الهواء إلى الرئتين. في المقابل، يعد انتهاء الصلاحية عملية سلبية. مع استرخاء الحجاب الحاجز والعضلات الوربية، ترتد الرئتان والأنسجة الصدرية، وينخفض حجم الرئتين. يؤدي هذا إلى زيادة الضغط داخل الرئتين فوق الضغط الجوي، مما يؤدي إلى خروج الهواء من الرئتين.
س: ما هو معدل التنفس وكيف يتم التحكم فيه؟
ج: يُعرّف معدل التنفس بأنه عدد الأنفاس التي يتم أخذها في الدقيقة. يتم التحكم في معدل التنفس من قبل مركز الجهاز التنفسي، الموجود في النخاع المستطيل. يمكن للفكر الواعي أن يغير معدل التنفس الطبيعي من خلال التحكم عن طريق العضلات الهيكلية، على الرغم من أنه لا يمكن للمرء إيقاف المعدل بوعي تمامًا. معدل التنفس المعتاد أثناء الراحة هو حوالي 14 نفسًا في الدقيقة.
مسرد المصطلحات
- الفضاء السنخي الميت
- الفضاء الجوي داخل الحويصلات الهوائية غير القادرة على المشاركة في تبادل الغازات
- الفضاء الميت التشريحي
- الفضاء الجوي الموجود في مجرى الهواء الذي لا يصل أبدًا إلى الحويصلات الهوائية وبالتالي لا يشارك أبدًا في تبادل الغازات
- مركز التخدير
- شبكة من الخلايا العصبية داخل الأحواض التي تحفز الخلايا العصبية في المجموعة التنفسية الظهرية؛ تتحكم في عمق الإلهام
- الضغط الجوي
- مقدار القوة التي تمارسها الغازات في الهواء المحيط بأي سطح معين
- قانون بويل
- العلاقة بين الحجم والضغط كما هو موضح في الصيغة: P 1 V 1 = P 2 V 2
- مستقبل كيميائي مركزي
- أحد المستقبلات المتخصصة الموجودة في الدماغ والتي تستشعر التغيرات في تركيزات أيون الهيدروجين أو الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون في الدماغ
- مجموعة الجهاز التنفسي الظهري (DRG)
- منطقة النخاع المستطيل التي تحفز تقلص الحجاب الحاجز والعضلات الوربية للحث على الإلهام
- انتهاء الصلاحية
- عملية (الزفير أيضًا) التي تتسبب في خروج الهواء من الرئتين
- حجم احتياطي الزفير (ERV)
- كمية الهواء التي يمكن زفيرها بقوة بعد الزفير العادي للمد والجزر
- التنفس القسري
- وضع التنفس (أيضًا فرط التنفس) الذي يحدث أثناء التمرين أو عن طريق التفكير النشط الذي يتطلب تقلص العضلات للإلهام وانتهاء الصلاحية
- القدرة الوظيفية المتبقية (FRC)
- مجموع ERV و RV، وهي كمية الهواء التي تبقى في الرئتين بعد انتهاء المد والجزر
- الإلهام
- عملية (أيضًا الاستنشاق) التي تتسبب في دخول الهواء إلى الرئتين
- سعة الشهيق (IC)
- مجموع التلفزيون و IRV، وهي كمية الهواء التي يمكن استنشاقها إلى أقصى حد بعد انتهاء صلاحية المد والجزر
- حجم احتياطي الشهيق (IRV)
- كمية الهواء التي تدخل الرئتين بسبب الاستنشاق العميق بعد حجم المد والجزر
- الضغط داخل السنخ
- (الضغط داخل الرئة) ضغط الهواء داخل الحويصلات الهوائية
- الضغط داخل الجنبة
- ضغط الهواء داخل التجويف الجنبي
- مستقبل كيميائي محيطي
- أحد المستقبلات المتخصصة الموجودة في القوس الأبهري والشرايين السباتية التي تستشعر التغيرات في درجة الحموضة أو ثاني أكسيد الكربون أو مستويات الأكسجين في الدم
- مركز العلاج بالمكورات الرئوية
- شبكة من الخلايا العصبية داخل الأحواض التي تمنع نشاط الخلايا العصبية في المجموعة التنفسية الظهرية؛ تتحكم في معدل التنفس
- تهوية رئوية
- تبادل الغازات بين الرئتين والغلاف الجوي؛ التنفس
- تنفس هادئ
- (أيضًا، انقطاع التنفس) وضع التنفس الذي يحدث أثناء الراحة ولا يتطلب التفكير المعرفي للفرد
- الحجم المتبقي (RV)
- كمية الهواء التي تبقى في الرئتين بعد الزفير الأقصى
- دورة تنفسية
- سلسلة واحدة من الإلهام وانتهاء الصلاحية
- معدل التنفس
- إجمالي عدد الأنفاس التي يتم أخذها كل دقيقة
- حجم الجهاز التنفسي
- كميات متفاوتة من الهواء داخل الرئة في وقت معين
- الامتثال للجدار الصدري
- قدرة الجدار الصدري على التمدد أثناء الضغط
- حجم المد والجزر (تلفزيون)
- كمية الهواء التي تدخل الرئتين عادة أثناء التنفس الهادئ
- إجمالي المساحة الميتة
- مجموع المساحة التشريحية الميتة والمساحة السنخية الميتة
- إجمالي سعة الرئة (TLC)
- إجمالي كمية الهواء التي يمكن الاحتفاظ بها في الرئتين؛ مجموع التلفزيون و ERV و IRV و RV
- الضغط فوق الرئوي
- فرق الضغط بين الضغوط داخل الجنبة وداخل السنخية
- مجموعة الجهاز التنفسي البطني (VRG)
- منطقة النخاع المستطيل التي تحفز تقلص العضلات الملحقة المشاركة في التنفس للحث على الإلهام القسري وانتهاء الصلاحية
المساهمون والصفات
- vital capacity (VC)
- sum of TV, ERV, and IRV, which is all the volumes that participate in gas exchange
- Template:ContribOpenStaxAP