Устройство дыхательной системы человека: Дыхательная система человека (3 класс, окружающий мир)

Содержание

Дыхательная система человека

Строение органов дыхания

В человеческом организме, при помощи поступающего вместе с воздухом кислорода, происходит кислородное окисление. При этом вдыхаемый кислород окисляется, а вместо него выдыхается углекислый газ. Далее, уже в клетках происходит бескислородное окисление органических веществ, иначе называемое гликолизом. Дыхание делят на два этапа: внешнее и внутренне. При внешнем дыхании происходит обмен атмосферного воздуха и воздуха из альвеол. При внутреннем дыхании, происходит потребление кислорода митохондриями, с образованием углекислого газа.

Рисунок 1. Дыхательные пути. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

1 — носовые ходы; 2 — носоглотка; 3 — гортань; 4 — трахея.

Дыхательную систему образуют дыхательные пути и легкие. К дыхательным путям относят:

  • носовые полости,
  • носоглотку,
  • гортань,
  • трахею,
  • бронхи.

Воздухоносные пути – это целый лабиринт, образованный множеством хрящевых выростов и перегородок. В носовой полости атмосферный воздух согревается, благодаря густой сети кровеносных сосудов, пронизывающих слизистую оболочку носовых ходов и носоглотки. Кроме того, воздух увлажняется, очищается от пыли и обеззараживается благодаря слизи, скапливающейся на реснитчатом эпителии тканей воздухоносных путей. При помощи обонятельного анализатора мы можем почувствовать запах вдыхаемого нами воздуха. Следующим этапом является прохождение воздуха через хоаны в гортань. В гортани, между черпаловидным и щитовидным хрящом имеются две парные складки слизистой оболочки – это голосовые связки, составляющие голосовой аппарат. От плотности складок и силы их натяжения зависит тембр голоса.

Когда человек дышит, голосовая щель свободно открыта, когда в глотку попадает пища, то надгортанник закрывает вход в гортань. Гортань плавно переходит в трахею. Трахея представлена в виде мышечной трубки, поддерживаемой хрящевыми кольцами, в длину она составляет около тринадцати сантиметров. Трахея разделяется на два бронха, которые в свою очередь ветвятся на бронхиолы, образуя бронхиальное дерево.

Рисунок 2. Легкие человека. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

1 — правое легкое; 2 — плевральная полость.

Легкие у человека расположены в грудной клетке и защищены ребрами. Правое легкое состоит из трех долей, левое – из двух. Ацинус является структурной единицей легкого, представляет собой совокупность бронхиол с альвеолами, напоминающими виноградную гроздь. Проходя через трахею, бронхи и бронхиолы, воздух попадает в альвеолы. Внутренняя поверхность альвеол выстлана суфрактантом. Суфрактант – это пленка, обладающая бактерицидными свойствами и не позволяющая альвеолам слипнуться.

Число альвеол может достигать семисот миллионов, при этом их общая дыхательная поверхность будет составлять до ста двадцати квадратных метров. Каждое из легких защищено серозным мешком. Мешок состоит из двух слоев – внутренний (висцеральный) и наружный (париетальный), который срастается со стенкой грудной полости. Между этими слоями находится плевральная полость, сохраняющая постоянное давление ниже атмосферного. Если при ранении в плевральную полость попадает воздух, наступает такое явление как пневматоракс и легкое перестанет растягиваться при вдохе, вследствие чего дыхательный цикл будет нарушен.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ)

Определение 1

Жизненная емкость легких – это максимальное количество воздуха, выдыхаемого человеком, после того, как он сделал глубокий вдох.

Жизненная емкость легких составлена из нескольких частей:

  • дыхательный объем;
  • дополнительный;
  • резервный объем.

Дыхательный объем легких – это количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает в спокойном состоянии. Дополнительным называется объем воздуха, который вдыхает человек после спокойного вдоха. Резервным называется тот воздух, который человек способен выдохнуть после спокойного выдоха. Кроме того, в легких всегда есть немного воздуха, который человек не выдохнет ни при каких условиях – это остаточный объем, он составляет примерно 1000 см3.

Замечание 1

Существует такое понятие, как дыхательное мертвое пространство – это часть дыхательных путей, в которой никогда не происходит газообмен.

Газообмен в легких и тканях

Во время вдоха поступающий в легкие воздух смешивается с воздухом, уже находившимся в дыхательных путях после выдоха, т.к. даже альвеолы полностью не спадаются при выдохе.

Рисунок 3. Содержание газов во вдыхаемом, и выдыхаемом воздухе (в %). Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Во время дыхания воздух в легких заменяется на новый лишь на 15%. Свежий воздух просто смешивается с тем воздухом, что уже был там. Таким образом, содержание газов в выдыхаемом воздухе в процентах, составляет:

Движение газов в легких подчиняется законам парциального давления. Парциальное давление – это давление, которое он оказывает в общей смеси газов. Парциальное давление O2 в альвеолах равно 100 мм ртутного столба. А в венозной крови сорока мм ртутного столба. Поэтому кислород переходит из альвеол в кровяное русло. Напротив же, парциальное давление СО2 выше в крови, чем в альвеолах, поэтому углекислый газ покидает кровь, стремясь очутиться в альвеолах.

Практически весь кислород крови находится в соединении с гемоглобином (99%), в то время как на дол растворенного в крови кислорода приходится всего 1%.

Углекислый газ чаще всего транспортируется не в чистом виде, а в соединениях, образуя гидракарбонаты и карбгемоглобин.

Регуляция дыхания

В зависимости от ситуации и от потребности организма в кислороде, происходит регуляция дыхания, в ходе которой меняется глубина и частота дыхания. Регуляция происходит за счет нервной системы и гуморальной системы.

Нервная регуляция осуществляется дыхательным центром продолговатого мозга, в котором различают отдел вдоха и отдел выдоха. Отделу вдоха свойственна автоматия, раз в 4 с здесь возникает возбуждение, которое проводится к дыхательным мышцам, происходит вдох. При растяжении альвеол происходит возбуждение рецепторов в их стенках, возбуждение проводится по блуждающему нерву к центру выдоха и тормозится центр вдоха. Происходит выдох, стенки альвеол спадаются, происходит возбуждение рецепторов на сжатие, от которых импульсы проводятся в центр вдоха и начинается вдох. Таким образом, вдох рефлекторно вызывает выдох, а выдох — вдох. На дыхательные движения оказывает влияние и кора больших полушарий, человек может сознательно изменять частоту и глубину дыхательных движений.

Мы не задумываемся над тем, как вдохнуть и как выдохнуть воздух: это происходит автоматически. Но существует нервная регуляция, которая руководит процессом дыхания за нас. Так, продолговатый мозг имеет два отдела:

  • отдел, отвечающий за вдох;
  • отдел, отвечающий за выдох.

Продолговатый мозг посылает сигнал дыхательным мышцам, заставляя их совершать движения, способствующие вдоху. Как только вдох произошел, и альвеолы растянулись, подается другой сигнал: выдохнуть. Но как только выдох произошел, и стенки легких сжались, подается новый сигнал на вдох и так далее. Таким образом, вдох дает толчок выдоху, а выдох дает начало вдоху, образуя дыхательный цикл.

Дыхательная система имеет эффективные защитные приспособления: кашель и чихание. Говоря простым языком, кашель – это резкий выдох через рот, а чихание – это резкий выдох через нос. И кашель, и чихание, происходя по одной причине: чужеродный компонент попал на рецептор носовой полости или гортани. В этом случае рецепторы немедленно посылают сигнал продолговатому мозгу, а продолговатый мозг, в свою очередь подает сигнал о резком выдохе, для очищения полостей от чужеродных веществ.

Противостоять коронавирусу поможет опыт космонавтов

С каждым днем из больниц по всей стране выписывают все больше пациентов, перенесших коронаровирусную пневмонию, включая и тяжелые ее формы. Информация в некоторых источниках настораживает: сообщается, что легкие теряют часть объема, и это сказывается на их функции. Так ли это? Обратим ли этот процесс, и что нужно делать, чтобы вирус не оставил последствий?

С этими вопросами "РГ" обратилась в Институт медико-биологических проблем РАН, в котором много лет изучают работу респираторной системы человека в условиях многомесячных космических полетов, длительной изоляции и глубоководных погружений. Нам ответил заведующий отделом физиологии и биомеханики кардиореспираторной системы в экстремальных условиях ИМБП РАН, заслуженный испытатель космической техники, доктор медицинских наук Александр Суворов.

Александр Владимирович, чем коронавирусная пневмония отличается от обычной?

Александр Суворов: Наши легкие устроены чрезвычайно сложно. Это целая архитектура - трахеобронхиальное дерево, которое заканчивается воздушными мешочками - альвеолами. Они и обеспечивает газообмен между внешней средой и организмом. Представьте: если развернуть все поверхности альвеол на плоскости, то они займут от 80 до 120 квадратных метров - и вся эта площадь скомпонована в нашей грудной клетке. Внутри альвеол постоянно происходит диффузия газов: благодаря разности градиентов, в одну сторону, где циркулирует кровь, движутся молекулы кислорода, в другую - молекулы углекислого газа. Так происходит газообмен.

При пневмониях бактериальной природы инфекция опускается сверху вниз - сначала трахеит, потом бронхит, потом уже пневмония. При вирусной поражаются сразу глубинные участки легких - альвеолы с выстилкой из сурфактанта - это активное вещество, которое и позволяет держать альвеолы в расправленном состоянии. Вирус изменяет свойства этой структуры, и в окружающих капиллярах появляются тромбы и деструктивные изменения. Затем к вирусной инфекции может присоединиться бактериальная - стафилококки, стрептококки, пневмококки, а также грибковая флора. Такие комбинированные пневмонии очень сложно лечить. Коронавирусная пневмония не менее сложна, чем другие вирусные - например, гриппозная, однако она оказалась более коварной и тяжелой.

Как коронавирус может сказаться на функциональных возможностях дыхательной системы?

Александр Суворов: Благодаря тому, что у нас два легких, даже при тотальном поражении одного из них, если второе функционирует, человек сохраняет относительно неплохую работоспособность и качество жизни. Хотя, конечно, он уже не будет чемпионом и не поставит рекорды. Сейчас на КТ мы видим, что распространенный процесс идет в обоих легких. Но есть верхние доли, которые обычно не задействованы в газообмене, они могут взять на себя эти функции, поэтому пугаться особо не стоит. Конечно, пневмосклероз может сформироваться - какая-то часть легкого или даже двух перестанет функционировать. Но для обычной жизни с умеренными физическими нагрузками это не страшно благодаря значительным резервам нашей респираторной системы.

Имеет ли значение то, что такие пациенты довольно долгое время проводят в лежачем положении?

Александр Суворов: Несомненно! Вот почему есть обязательная рекомендация - эти пациенты должны хотя бы несколько часов в день проводить в положении на животе. И это обусловлено простыми причинами. Когда мы находимся в вертикальном положении, нижние доли легких содержат много крови и хуже вентилируются, а верхние - наоборот - обескровлены и лучше вентилируются. Однако наибольший вклад в газообмен вносят средние доли. А когда мы лежим на спине, также происходит перераспределение крови. Те части легкого, что ближе к грудине, лучше вентилируются, а кровь находится ближе к позвоночнику. Поэтому очень важно периодически менять эти области, чтобы происходил наиболее качественный газообмен. Но надо поворачиваться не только на живот, а обязательно то на один, то на другой бок. Кроме того, при обилии мокроты рекомендуется понижать на несколько градусов изголовье - чтобы мокрота механически опускалась в трахею, и больной мог бы ее более активно откашливать. В этом положении показан также массаж, вибрация - в конечном итоге все это способствует нормализации дыхания.

Известно, что тяжелые формы пневмонии сейчас возникают чаще у мужчин. Связано ли это с тем, что у них и у женщин разные типы дыхания?

Александр Суворов: Нет, не думаю. Скорее, с тем, что у мужчин легкие больше, чем у женщин, и, возможно, больше невентилируемых альвеол и, следовательно, зон поражения. Дополнительные объемы легких мужчинам нужны для физических нагрузок, и весьма вероятно, что этот избыточный запас в данном случае играет против них. Физические нагрузки сейчас снижены, необходимости в повышенной вентиляции нет. А в этих условиях микробы распространяются лучше. Клиницисты-пульмонологи эти тонкости хорошо знают. Но сейчас к лечению привлекли врачей, которые являются специалистами в других областях и могут этого не знать. Поэтому для них читаются лекции, проводятся семинары и пишутся методические рекомендации по ведению таких больных.

В вашем институте проводились многочисленные эксперименты по имитации длительных космических полетов с гипокинезией: добровольцы-испытатели в течение года находились в лежачем положении с пониженным изголовьем. Как это повлияло на их дыхательную систему?

Александр Суворов: Мы фиксировали у них снижение респираторной функции. Но поскольку в испытатели идут люди практически здоровые и даже немного более здоровые, чем обычные, у них снижение параметров дыхания остается в пределах физиологической нормы, то есть обеспечивается нормальный полноценный газообмен. Однако есть моменты, связанные с изменениями в регуляции дыхания. И в наших замкнутых экспериментальных объемах, и на МКС всегда немного повышается уровень углекислоты в воздухе - до 0,3 процента, а это в 10 раз больше, чем в земной атмосфере. Мы, как правило, этого не ощущаем. Но вот школьные физиологи ставят этот вопрос активно: если не проветривать классы, то за 40 минут сидения 30 детей в герметичном классе уровень СО2 может повыситься и сказаться на их работоспособности, памяти и т.д. Мы тоже видим, что после года пребывания в такой атмосфере у испытателей снизилась чувствительность дыхательного центра к углекислому газу, что не очень благоприятно отражается на метаболизме внутри организма.

Поэтому вы рекомендовали частое проветривание палат, в которых сейчас лежат больные с пневмонией?

Александр Суворов: Именно поэтому. Свежий воздух им необходим, там и ионный состав другой, и углекислоту надо удалять из замкнутых помещений. Но люди нередко, наоборот, закрывают окна и форточки. Хотя с давних времен хорошо известно, что легким необходим свежий воздух. Прежде даже детей с респираторными заболеваниями зимой укутывали и укладывали спать на открытых верандах.

А какие изменения происходят с легкими у космонавтов во время длительных полетов?

Александр Суворов: Наши исследования показали, что пребывание в невесомости способствует более равномерному распределению крови в легких и более равномерной вентиляции. Но есть и обратная сторона медали - человек привыкает к этим условиям, у него снижается минутная вентиляция, дыхательные мышцы работают с меньшей нагрузкой. И если не заниматься физкультурой и периодически не заставлять дыхательные мышцы работать, то при возвращении на землю возникает их перегрузка и как бы дыхательная недостаточность. Поэтому космонавты на борту МКС регулярно тренируются. Врач Валерий Поляков, который провел в космосе почти 438 суток, лучше всех знает это. Он выполнил многочисленные исследования на себе и товарищах, заложил основы тренировочных режимов для всех последующих экспедиций. Принцип один - чем больше будешь тренироваться, тем в лучшей форме вернешься на землю.

А бывают ли у космонавтов респираторные инфекции?

Александр Суворов: К счастью, такого не было благодаря предполетному карантину и мерам по профилактике. Но имеющийся на МКС специальный спирограф позволяет нам оценить функцию внешнего дыхания. И мы отмечали некоторое снижение проходимости трахеобронхиального дерева. Но причина тут другая. МКС - довольно большое сооружение, космонавты регулярно проводят генеральные уборки, там стоят фильтры, которые улавливают пыль и очищают атмосферу. Но периодически им приходится вскрывать панели, где, к сожалению, пыль может накапливаться. Не исключено, что у них могут возникать аллергические реакции. Аллерген работает так: на небольшое его количество организм не реагирует, но повышение дозы может вызвать аллергическую реакцию. Не исключено, что может появиться обструктивный бронхит, но степень его выраженности обычно очень небольшая. Какая-либо терапии им не требуется - на моей памяти таких случаев не было.

Но, тем не менее, мы говорим о том, что при полетах в дальний космос на борту необходим спирограф, который позволял бы оценить проходимость трахеобронхиального дерева. Потому что при полетах на Луну, например, экипаж может столкнуться с этим фактором.

То есть на Луне есть аллергены для человека?

Александр Суворов: Не совсем, но лунная пыль отличается от земной - ее частицы имеют острые края. И если космонавт занесет пыль на станцию или в обитаемый модуль, она будет висеть в воздухе, попадать в дыхательные пути и, как наждачная пыль, может травмировать органы дыхания. Поэтому ее ни в коем случае нельзя допустить внутрь жилого модуля или привезти на окололунную станцию. А медикам придется усилить контроль за респираторной системой космонавтов в этих экспедициях.

В вашем институте много лет разрабатывались дыхательные смеси на основе гелия для глубоководных погружений. Сейчас идут эксперименты по использованию кислородно-гелиевой смеси для лечения коронавирусной пневмонии. Связаны ли эти темы?

Александр Суворов: При пневмонии в результате отека возникает обструкция дыхательных путей. Их просвет сужается, повышается сопротивление дыханию. И чтобы дышать было легче, нужна газовая смесь, имеющая меньшую плотность. У гелия она в 7 раз меньше, чем у азота, доля которого в составе воздуха достигает 78 процентов. Поэтому кислородно-гелиевые смеси легче проникают в альвеолы, а внутри альвеол кислород и углекислый газ быстрее двигаются между молекулами гелия. Мы начинали с применения их при больших физических нагрузках еще в 1980 году. К счастью, гелий не входит в список ВАДА, не является допингом, как и кислородные ингаляции.Мы активно применять эти смеси в период восстановления не только спортсменов, но и спецконтингента - людей, которым необходимо выполнить тяжелую физическую работу, преодолеть экстремальные условия. Смеси помогают примерно на 20 процентов повысить физическую работоспособность человека, он быстрее восстанавливается. Потом мы стали применять их при погружении на большие глубины. Первая причина та же - на глубине людям из-за плотности газовой смеси трудно дышать. Вторая - на глубине больше 60 метров возникает так называемый азотный наркоз. Чтобы убрать это действие азота, стали добавлять гелий. Плотность смеси снижается, убирается наркотическое действие. В 70-е годы ХХ века было даже предложение заменить атмосферу космического корабля или скафандра на кислородно-гелиевую смесь. Противники этого предложения говорили, что человеку нельзя прожить без азота. И тогда мой руководитель профессор А.Г.Дианов провел серию экспериментов и доказал, что успешно может. Позже я и сам прожил 37 суток на глубине 350 метров в кислородно-гелиевой среде. Но сейчас мы используем уже не двух, а трехкомпонентные смеси - кислород плюс гелий и еще один инертный газ. Думаю, что именно такие смеси в перспективе окажутся более полезны, в том числе и пациентам с коронавирусом.

К вам обращались врачи с просьбой поделиться этим опытом?

Александр Суворов: К сожалению, наши разработки широкого применения в клинике пока не нашли. Но разработанный с нашим участием прибор "Ингалит" прошел все необходимые испытания и сейчас применяется в ряде клиник.

Какие комплексы дыхательной гимнастики можно рекомендовать для реабилитации пациентов, перенесших коронавирусную пневмонию?

Александр Суворов: Наша школа физиологии однозначно показала, что для любого человека полезна любая дыхательная гимнастика. Она помогает управлять дыханием, человек приобретает навыки его задержки, углубленного дыхания, подключает к вентиляции различные участки легких. Таких комплексов немало. А еще правильнее сочетать их с физическими упражнениям, чтобы вдох, например, сопровождался подъемом рук и расправлением грудной клетки, а выдох - сжатием грудной клетки и т.д. Можно тренировать "перекачку" воздуха из нижних отделов легких вверхние и т.д. Детей, например, мы учим делать глубокий вдох и на очень длинном выдохе произносить шипящие звуки как можно дольше. Существуют зарубежные дыхательные маски и отечественные тренажеры с повышенным сопротивлением дыханию. Для космонавтов нами была разработана маска "УДОД" (устройство дополнительного отрицательного давления) для тренировки дыхательных мышц. Гимнастика важна для профилактики, поскольку тренированные мышцы помогут легче перенести респираторное заболевание. В острый период тренировки исключены, но на этапе реабилитации углубленное дыхание и физические упражнения позволяют минимизировать последствия и сохранить объем легких.

Второе дыхание: как спасают аппараты ИВЛ

Искусственная вентиляция легких применяется в тяжелых случаях заболевания COVID-19, при котором поражаются нижние дыхательные пути. Таким больным требуется срочное подключение к аппарату ИВЛ. Спрос на подобные устройства в условиях пандемии сегодня сильно превышает предложение.

Разбираемся, как работают аппараты искусственной вентиляции легких и почему их так остро не хватает при пандемии коронавируса.

История ИВЛ

Восстановление и поддержка дыхательных процессов волновали еще древних врачевателей и ученых. В классических трактатах содержатся теории дыхания и описания первых попыток искусственной вентиляции легких. Известно, что в XVI веке европейские реформаторы медицины Парацельс и Везалий применяли вентиляцию легких в своих практиках. С XVII века для поддержки дыхания использовались аппараты, устроенные на основе мехов для раздувания огня. К сожалению, такая вентиляция часто приводила к разрыву легких. Параллельно развиваются более щадящие мануальные методы вентиляции посредством наружного воздействия на грудную клетку.

Во второй половине XIX – начале XX века на волне научно-технического прогресса появляются новые методики и устройства для ИВЛ. В частности, в 1907 году был разработан мобильный респиратор Pulmotor «патефонного» типа, который применялся в горноспасательных работах. Однако ученые пришли к выводу, что экспираторные методы ИВЛ, основанные на активном вдувании воздуха в дыхательные пути, не физиологичны и могут приводить к негативным последствиям: изменению легочной механики, атрофии легочных мышц, недостаточному притоку крови к сердцу. Как следствие, появился новый тип устройств – камера с отрицательным давлением, в которую помещался пациент и из которой периодически откачивался воздух. Возникающий вакуум оказывал присасывающее воздействие на грудную клетку, создавая отрицательное давление в дыхательных путях и таким образом обеспечивая дыхание.


Пациенты, пораженные полиомиелитом, в аппаратах Энгстрёма, 1953 г. Фото: wikimedia.org

Как это часто бывает в медицине, ее развитию способствуют нерадостные события. Так, толчком для создания первого поколения современных аппаратов ИВЛ стали эпидемия полиомиелита 1940-50 гг. и Вторая мировая война, когда военные технологии активно использовались гражданскими медиками. В 1960-70-е годы компактные экспираторные приборы становятся основным типом аппаратов для ИВЛ. В это время в СССР начат выпуск серии аппаратов ИВЛ «РО». Они выпускались как с ручным, так и с автоматическим приводом, были просты в работе и эффективны.

Второе поколение аппаратов ИВЛ отличалось расширенными функциями мониторинга дыхания и появлением новых режимов работы. Для третьего поколения характерно широкое использование микропроцессоров, которые помогли эффективнее управлять устройствами. Сегодня медики имеют дело с аппаратами ИВЛ четвертого поколения. Кроме большого спектра режимов работы и широкого арсенала мониторинга параметров, их системы отклика отличаются высокой чувствительностью на дыхательную попытку пациента, то есть внимательно следят за тем, когда больной начнет дышать самостоятельно.
 

Последний шанс на спасение

Искусственная вентиляция легких – крайняя мера, необходимая в том случае, если дыхательная система человека не справляется самостоятельно. Известно, что без питания кислородом человек может прожить до 7 минут, дальше наступают необратимые изменения в мозге, остановка сердца и смерть. Аппарат ИВЛ замещает функцию дыхания и позволяет организму направить силы на восстановление. Очень часто подключение к аппарату ИВЛ является последним шансом на спасение пациента.

Аппарат работает следующим образом. С помощью компрессора под давлением в легкие подается воздух, в обратном направлении – из легких − выводится углекислый газ. Специальные устройства увлажняют входящую смесь и корректируют ее температуру. Также при наличии жидкости в легких она откачивается.


Общая схема работы аппарата ИВЛ

Вентиляция может выполняться двумя способами: неинвазивным и инвазивным. В первом случае воздух подается через плотно прилегающую маску. Такая вентиляция показана пациентам с более легкими симптомами. При инвазивном способе в трахею через рот или нос вводится интубационная трубка. Это довольно болезненная процедура, поэтому часто она сопровождается анестезией. Кроме того, пациент, подключенный к респиратору, не может ни есть, ни пить, ни разговаривать. Питание при этом подается через специальную трубку.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса и возможности современных приборов работать в автоматическом режиме, аппарат ИВЛ может использоваться только квалифицированным медперсоналом. Поэтому покупка аппарата ИВЛ в личное пользование – довольно бессмысленная затея. Его обладателю придется также нанимать соответствующий штат медиков. И нужно понимать, что сам по себе аппарат не лечит. Он лишь дает возможность пройти тяжелый этап болезни, чтобы время и лекарственная терапия восстановили естественное дыхание.


«Искусственные легкие» для российских клиник 

Одно из серьезных осложнений от вируса COVID-19, с которым столкнулся весь мир – это быстрое развитие тяжелой пневмонии, при котором возникает острая дыхательная недостаточность. Такого больного нужно как можно быстрее подключить к аппарату искусственной вентиляции легких, иначе существует риск летального исхода. Еще раз повторим: подключение к аппарату ИВЛ требуется только самым тяжелым больным, находящимся на грани жизни и смерти.

Аппараты ИВЛ не являются чем-то уникальным и сегодня достаточно распространены. Ими оснащаются отделения интенсивной терапии, реанимационные, машины и вертолеты скорой помощи. Но в условиях пандемии резкий рост количества больных с острыми формами пневмонии привел к тому, что во всем мире возникла нехватка и аппаратов ИВЛ, и специалистов по работе с ними.

Глава Минпромторга Денис Мантуров отметил, что Россия уже сейчас является одной из самых обеспеченных стран в мире с точки зрения количества аппаратов ИВЛ на душу населения, и призвал еще увеличить производство. В стране есть несколько производителей ИВЛ, в числе которых − холдинги Госкорпорации Ростех КРЭТ и «Швабе». В линейке продукции Корпорации есть универсальные приборы, которые подходят как для взрослых, так и для детей, а также мобильные транспортные варианты для машин скорой помощи и бортов санитарной авиации.


Ростех, как крупнейший производитель аппаратов ИВЛ в России, также наращивает их производство. В соответствии с распоряжением правительства, основным поставщиком аппаратов искусственной вентиляции легких в региональные медучреждения назначен КРЭТ, а в качестве производственной площадки выступает Уральский приборостроительный завод. 

С начала 2010-х годов завод успешно производит аппараты ИВЛ под маркой «Авента». Это новое поколение «искусственных легких» – некоторые специалисты в области ИВЛ называют их «интеллектуальными». В частности, эти аппараты обладают активным клапаном выдоха – не препятствуют попыткам выдоха пациента в случае, если он начинает дышать самостоятельно. Кроме того, работа врача облегчается интуитивно понятным интерфейсом, а также возможностью передачи данных по Wi-Fi.

В апреле УПЗ получил заказ от государства на изготовление партии примерно в 6,7 тысячи аппаратов искусственной вентиляции легких для российских клиник. Предприятие работает над увеличением выпуска приборов до 3 тысяч единиц в месяц.

Дыхательная система (анатомия человека)

 

 

 

 

 

 

 



 
 

 

содержание   ..  120  121  122  123  124  125  126  127  128  129  .. 

 

 

Дыхательная система (анатомия человека)

 

Общий обзор органов дыхательной системы (анатомия человека)

 

Дыхательная система, systema respiratorium, включает органы, осуществляющие обмен газов между наружным воздухом и кровью. В связи с этим в дыхательном аппарате можно выделить воздухопроводящие пути, обеспечивающие вентиляцию (введение в легкие воздуха и выведение его обратно): носовую полость, носоглотку, гортань, трахею, бронхи и орган, участвующий в газообмене, - легкие.

Газообмен - потребление организмом кислорода из внешней среды и выделение в нее углекислого газа - основное звено в процессе обмена веществ. Он осуществляется главным образом дыхательной системой. Газообмен через кожу и желудочно-кишечный тракт происходит в очень небольшом объеме (1-2% от общего объема). Дыхательный аппарат осуществляет только первую фазу газообмена - легочное или внешнее дыхание, которое включает обмен газами между наружным воздухом и воздухом альвеол и диффузию газов в кровь или из нее в альвеолярный воздух. Другие две фазы газообмена: а) связывание газов кровью и перенос их к тканям и от тканей, б) тканевое дыхание - процесс поглощения тканями кислорода и выделения ими углекислоты - являются функцией сосудистой системы и всех клеточных структур организма.

С дыхательной системой связаны и другие функции. Прежде всего в ней имеются образования, которые осуществляют очистку, увлажнение и согревание (или охлаждение) вдыхаемого воздуха, а также воспринимающие запахи (обоняние). Поэтому в начале воздухопроводящих путей в носовой полости имеется обонятельная зона. Дыхательные пути, особенно верхние, содержат мощно развитые венозные сплетения в подслизистом слое, что способствует согреванию воздуха, а также большое количество серозных и слизистых желез, которые выделяют жидкость, увлажняющую воздух.

Легкие играют большую роль в водном обмене, так как 15-20% воды удаляются из организма легкими. Дыхательная система принимает активное участие в поддержании кислотно-щелочного равновесия благодаря способности удалять углекислоту. Легкие являются одним из крупнейших кровяных депо. Они участвуют в поддержании постоянной температуры тела. Дыхательная система может выделять не только углекислоту и водяные пары, но и другие легколетучие вещества - алкоголь, эфир, хлороформ, ацетон, аммиак. Она осуществляет также защитную функцию - легкие относятся к ретикулоэндотелиальной системе. В легочных альвеолах находится много свободных макрофагов, поглощающих микроорганизмы, пылевые частицы и т. д. Защитная функция дыхательной системы обусловливает специальные защитные рефлексы - чихание, кашель, сильное. выделение слизи, которые способствуют выведению вредных веществ. Наконец, с дыхательным аппаратом связана функция звуковоспроизведения и речеобразования.

С перечисленными многогранными функциями дыхательной системы связано строение составляющих ее органов, а также ее сосудистых и иннервационных аппаратов.

Важнейшей анатомической особенностью дыхательных путей является их ригидность. Дыхательные пути имеют плотные, неспадающиеся стенки, что предохраняет от закрытия их просвета при наклонах и поворотах тела, смещениях органов и т. д. Различают верхние дыхательные пути - нос, носовую полость, ротовую полость, глотку и нижние - гортань, трахею, бронхи.

Вдыхаемый воздух может попадать в дыхательные пути через нос или рот. Физиологическим является носовое дыхание. В носовой полости находится обонятельная зона, рецепторы которой могут сигнализировать о поступающих с воздухом вредных веществах. В слизистой оболочке носовой полости много слизистых и серозных желез, постоянно смачивающих поверхность носовых ходов, что обусловливает увлажнение проходящего воздуха. В подслизистом слое носовой полости и добавочных воздухоносных пазух, особенно носовых раковин, расположены сильно развитые венозные сплетения, которые поддерживают более или менее постоянную температуру слизистой оболочки. Так как поверхность ее в носовой полости довольно значительна, то благодаря этому происходит согревание холодного или охлаждение горячего воздуха, поступившего в дыхательные пути.

Слизистая оболочка дыхательных путей, начиная с носовой полости, покрыта мерцательным эпителием. Движения ресничек эпителия способствуют удалению из дыхательных путей пылевых частиц, комочков слизи, микроорганизмов. Этим объясняется чрезвычайно важная дренажная функция дыхательных путей, в первую очередь бронхиального дерева. Нарушение дренажной функции дыхательных путей приводит к развитию заболеваний легких и бронхов. Дыхание через рот, при котором в значительной степени выпадают указанные выше важные отправления носовой полости, может привести к заболеваниям.

Через носоглотку (см. раздел Глотка, настоящего издания) вдыхаемый воздух поступает в гортань и далее в трахею и бронхи. В гортани находится суженный участок дыхательных путей - Голосовая щель. Слизистая оболочка над и под голосовыми связками является рефлексогенной зоной, раздражение которой вызывает кашлевой рефлекс, а при действии сильных раздражителей - спазм голосовой щели. Голосовым связкам принадлежит очень важная функция - звукообразование. У человека эта функция получила высокое развитие.

Трахея и особенно бронхи являются главным аппаратом осуществления дренажной функции дыхательной системы. Ввиду наличия в стенке бронхов мышечной оболочки возможно изменение их просвета, что позволяет регулировать приток воздуха. Вместе с тем спазмы мышечной оболочки бронхов обусловливают тяжелую болезнь - бронхиальную астму, сопровождающуюся приступами удушья.

Легкие - основной аппарат внешнего дыхания. В нем происходит обмен газами наружного воздуха в бронхах с альвеолярным воздухом, а в альвеолах - диффузия газов через альвеоло-капиллярную стенку в кровь или из крови в альвеолы. Огромное количество альвеол (700 млн.) и большая их площадь (90 м2), а также значительная поверхность капилляров, окружающих альвеолы (80-85 м2), обусловливают достаточную скорость диффузии газов. Легкие имеют значительный запас функционирующей ткани. При нормальных условиях в состоянии покоя функционирует около половины легочной ткани. В связи с этим легкие обладают высокой приспособляемостью. Удаление одного легкого компенсируется функцией оставшегося органа.

Легкие тесно связаны с плеврой. Рефлексы, возникающие в легких и плевре, играют важную роль в регуляции различных функций организма - дыхания, сердечной деятельности, обмена веществ, кровообращения, функции почек и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  120  121  122  123  124  125  126  127  128  129  .. 

 

 

 

 

Научно-исследовательская работа по биологии по теме «Дыхательная система человека»

Описание слайда:

Интересные факты о дыхательной системе. 1. Хотя дыхание насыщает наш организм кислородом, дело не только в этом. В воздухе содержится 21% кислорода, а телу нужно всего 5%! Все дело еще в том, что нужно освобождать организм от углекислого газа (СО2). 2. Если вы привыкли дышать ртом, то со временем, это может привести к сокращению челюсти, что, в свою очередь, оборачивается кривыми зубами (или возвращением кривизны зубов после того, как вам удалят скобы). 3. Дыхание ртом — одна из главнейших причин, почему у детей развивается шепелявость при разговоре. 4. Интересно, что желание сходить в туалет «по маленькому» посреди ночи часто может быть связано с дыханием ртом во время сна. Дело в том, что, когда мы дышим ртом, мочевой пузырь сжимается, вызывая потребность справить нужду. 5. Чем более интенсивно вы дышите (эффект гипервентиляции легких), тем более голодным вы становитесь, т.к. глубокое и ритмичное дыхание стимулирует производство желудочного сока, а также клеточный обмен веществ. 6. Рекомендуется тренироваться до тех пор, пока вы сохраняете способность дышать носом. Если вы вынуждены дышать ртом от физической нагрузки, значит, вы работаете на износ. 7. Если часто вдыхаете через нос, а выдыхаете через рот, то может нарушиться баланс углекислого газа в организме, что приведет к его потере. Задержка дыхания может увеличить уровень углекислоты, что сбалансирует уровень pH. 8. Если легкие развернуть на плоскую поверхность, то они смогут покрыть теннисный корт! 9. В нашем носу есть система 4-х ступенчатой фильтрации. Если же вы дышите носом, то первые три ступени вы сразу пропускаете, что естественно, может привести к различным проблемам, типа больного горла, тонзиллита и даже к ушным инфекциям. 10. Астма часто диагностируется ошибочно. Не редкость, что она передается по наследству, и если вы с ней родились, то она останется с вами на всю жизнь. Однако, правильно подобранное дыхание по программе, а также перемены во внешних факторах могут избавить вас от зависимости от ингаляторов и стероидов на всю жизнь!

Страница не найдена |

Страница не найдена |

404. Страница не найдена

Архив за месяц

ПнВтСрЧтПтСбВс

2627282930  

       

       

       

     12

       

     12

       

      1

3031     

     12

       

15161718192021

       

25262728293031

       

    123

45678910

       

     12

17181920212223

31      

2728293031  

       

      1

       

   1234

567891011

       

     12

       

891011121314

       

11121314151617

       

28293031   

       

   1234

       

     12

       

  12345

6789101112

       

567891011

12131415161718

19202122232425

       

3456789

17181920212223

24252627282930

       

  12345

13141516171819

20212223242526

2728293031  

       

15161718192021

22232425262728

2930     

       

Архивы

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Метки

Настройки
для слабовидящих

Тест по биологии на тему "Дыхательная система человека"

Спирина М.И. Учитель биологии МАОУ «Чердынская ВСОШ»

Тест Дыхательная система человека

Вариант 1.

Часть А.

К каждому заданию части А дано несколько ответов, из которых только один верный. Выберите верный, по вашему мнению, ответ.

  1. Совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа называется…

А) дыхание б) пищеварение в) выделение г)осязание

2.К органам дыхания не относится:

А)носовая полость Б) трахея в) бронхи г) сердце

3. Единица строения легкого:

А)альвеола б) ацинус в) дольки г) бронхиола

4. При вдохе происходит…

А) расширение грудной полости в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы

Б) сужения грудной полости в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы

В) расширение грудной полости в результате расслабления межреберных мышц и диафрагмы

Г) сужение грудной полости в результате расслабления межреберных мышц и диафрагмы

5. Жизненная емкость легких составляет…см3

А) 500 б) 1500 в)2500 г)3500

6. При раздражении рецепторов слизистой оболочки носа происходит:

А) кашель б)чихание в) глотание г)выдох

7.Гуморальный фактор является ведущим в регуляции дыхания:

А) концентрация кислорода в крови

Б)концентрация углекислого газа в крови

В)количество гемоглобина в крови

Г)рН крови

Часть В

В1. Найдите соответствие:

Название органа

  1. Имеет хрящевой надгортанник и голосовую щель с голосовыми связками

  2. Осуществляет газообмен в кровеносных сосудах: поступление кислорода и удаление углекислого газа

  3. Слизистая оболочка содержит реснитчатые эпителиальные клетки

  4. Состоят из ветвящихся бронхов и легочных пузырьков- альвеол, оплетенных густой сетью кровеносных капилляров

  5. Увлажняют вдыхаемый воздух, задерживают пылинки и микроорганизмы, согревают воздух до температуры тела

  6. Продолжает насыщать вдыхаемый воздух водяными парами и очищать его

В2. Укажите правильную последовательность процессов, происходящих при вдохе:

А. Засасывание воздуха в легкие через воздухоносные пути за счет разности атмосферного и плеврального давлений

Б.сокращение межреберных мышц и мышц диафрагмы

В. понижение давления в плевральной полости

Г. Увеличение объема плевральной и грудной полости

Часть С.Закончите предложение( впишите вместо многоточия правильный ответ; дайте ответ на вопрос)

С1. Какова последовательность действий при оказании первой помощи утопленнику?

С2. Какие изменения химического состава и физиологических свойств воздуха возникают при длительном пребывании людей в закрытых помещениях?

Вариант 2.

Часть А.

К каждому заданию части А дано несколько ответов, из которых только один верный. Выберите верный, по вашему мнению, ответ.

  1. Дыхание- это…

А) совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода, использование его в окислении органических веществ и удалении углекислого газа и некоторых других веществ

Б) физиологический процесс взаимного влияния отдельных групп клеток, органов и систем органов с целью поддержания постоянства их химического состава

В)процесс сохранения постоянной температуры тела за счет изменения уровня обмена веществ

Г)снижение работоспособности организма в результате длительного мышечного напряжения.

  1. К органам дыхания не относится:

А)гортань Б) трахея в) легкие г) печень

  1. Тонкостенные пузырьки на концах разветвлений бронхов, в которых происходит газообмен между воздухом в легких и кровью, -это

А) альвеолы б) капилляры в) бронхиолы г) артериолы

4. При выдохе происходит…

А) расширение грудной полости в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы

Б) сужения грудной полости в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы

В) расширение грудной полости в результате расслабления межреберных мышц и диафрагмы

Г) сужение грудной полости в результате расслабления межреберных мышц и диафрагмы

5. Дыхательный объем составляет…см3:

А) 500 б) 1500 в)2500 г)3500

6. При возбуждении рецепторов гортани, трахеи, бронхов происходит:

А) кашель б)чихание в) глотание г)выдох

7.дыхательный центр расположен в …

А) передний мозг б) средний мозг в) продолговатый мозг г)мозжечок

Часть В

В1. Найдите соответствие:

Название органа

  1. Имеют стенки, выстланные слизистой оболочкой, содержащей многочисленные клетки реснитчатого эпителия, а также многочисленные сосудистые кровеносные сплетения

  2. Имеет хрящевой надгортанник и голосовую щель с голосовыми связками

  3. Состоят из ветвящихся бронхов и легочных пузырьков- альвеол, оплетенных густой сетью кровеносных капилляров

  4. Увлажняют вдыхаемый воздух, задерживают пылинки и микроорганизмы, согревают воздух до температуры тела

  5. Препятствует попаданию пищи из носоглотки в дыхательные пути. Участвует в образовании человеческой речи и пения

  6. Продолжает насыщать вдыхаемый воздух водяными парами и очищать его

В2. Укажите правильную последовательность процессов, происходящих при выдохе:

А. уменьшение объема альвеол и бронхов

Б. выталкивание наружу большей части воздуха

В. расслабление мышц диафрагмы

Г. Опущение ребер под действием собственной тяжести

Часть С.Закончите предложение( впишите вместо многоточия правильный ответ; дайте ответ на вопрос)

С1. Почему ранения грудной клетки приводят к нарушению дыхания?

С2. Каковы способы искусственного дыхания?

Ответы

Вариант 1

Часть А

1 а

Часть В

  1. А5 Б 1 В3,6 Г2,4

Часть С1:

  1. При оказании первой помощи тонувшему прежде всего надо осмотреть полости рта и носа, очистить их от песка и других инородных предметов.

  2. Для удаления воды из дыхательных путей спасающий перевешивает его через колено согнутой ноги лицом вниз, так, чтобы голова касалась земли, а грудная клетка была на уровне колена.

С2.

1.В закрытых, невентилируемых помещениях накапливаются летучие продукты жизнедеятельности человека

2. повышается содержание углекислого газа, паров воды, уменьшается количество кислорода

Ответ включает два названных выше элемента, не содержащих биологических ошибок- 2 балла

Вариант 2

Часть А

1 а

Часть В

  1. А1,4 Б 2,5 В 6 Г 3

  2. ВГБА

Часть С1:

  1. Нарушение дыхания в некоторых случаях ранения грудной клетки происходит из- за нарушения герметичности плевральной полости, где постоянно поддерживается пониженное давление.

  2. В результате разгерметизации исчезает разница между атмосферным давлением и давлением внутри грудной клетки, в результате чего процесс наполнения воздухом становится невозможным.

С2.

1.Искусственное дыхание можно производить двумя способами: «рот в рот» или «рот в нос»

2. пострадавшего кладут на спину, под лопатки подкладывают валик из одежды. Голову откидывают назад так, чтобы шея с подбородком составляла одну линию. Помогающий становится сбоку от пострадавшего, поддерживает его голову и выдыхает свой воздух в рот пострадавшего. Если рот открыть не удается, воздух закачивают через нос, зажимая при этом рот, чтобы воздух не уходил

Ответ включает два названных выше элемента, не содержащих биологических ошибок- 2 балла

Список литературы:

Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология: учеб. Для учащихся 8 кл. общеобразоват. Учреждений.-М.: Вентана- граф, 2007

Батуев А.С., Кузьмина И.Д., Ноздрачев А.Д.Решения и ответы: к учебнику «Биология. Человек. 9 класс общеобразоват. учреждений». Висагинас, 2001

Соответствие строения органа выполняемой им функции

функция

А. носовые полости

Б. гортань

В. трахея

Г. легкие

Соответствие строения органа выполняемой им функции

функция

А. носовые полости

Б. гортань

В. трахея

Г. легкие

респираторная система человека | Описание, части, функции и факты

Нос - это внешний выступ внутреннего пространства, носовой полости. Он подразделяется на левый и правый канал тонкой медиальной хрящевой и костной стенкой, носовой перегородкой. Каждый канал открывается к лицу через ноздрю и в глотку через хоану. Дно полости носа образовано небом, которое также образует крышу полости рта. Сложная форма носовой полости обусловлена ​​выступами костных гребней верхней, средней и нижней носовых раковин (или раковин) с боковой стенки.Проходы, образованные таким образом под каждым гребнем, называются верхним, средним и нижним носовыми ходами.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

С каждой стороны интраназальное пространство сообщается с рядом соседних заполненных воздухом полостей в черепе (придаточные пазухи носа), а также через носослезный канал со слезным аппаратом в углу глаза. Проток отводит слезную жидкость в носовую полость.Этот факт объясняет, почему во время плача может быстро нарушаться или даже затрудняться носовое дыхание: слезная жидкость не только переливается слезами, но и заполняет носовую полость.

Придаточные пазухи представляют собой пары одиночных или множественных полостей переменного размера. Большая часть их развития происходит после рождения, и они достигают своего окончательного размера к 20 годам. Пазухи расположены в четырех разных костях черепа - верхней, лобной, решетчатой ​​и клиновидной.Соответственно, их называют гайморовой пазухой, которая является самой большой полостью; лобная пазуха; решетчатые пазухи; и клиновидная пазуха, которая расположена в верхней задней стенке полости носа. Пазухи выполняют две основные функции: поскольку они наполнены воздухом, они помогают удерживать вес черепа в разумных пределах и служат резонансными камерами для человеческого голоса.

Полость носа и прилегающие к ней пространства выстланы слизистой оболочкой дыхательных путей.Обычно слизистая оболочка носа содержит секретирующие слизь железы и венозные сплетения; его верхний клеточный слой, эпителий, состоит в основном из клеток двух типов: реснитчатых и секретирующих. Этот структурный дизайн отражает особые вспомогательные функции носа и верхних дыхательных путей в целом по отношению к дыханию. Они очищают, увлажняют и согревают вдыхаемый воздух, подготавливая его к интимному контакту с нежными тканями зоны газообмена. Во время выдоха через нос воздух осушается и охлаждается, что позволяет экономить воду и энергию.

Две области носовой полости имеют разную выстилку. Преддверие носа покрыто кожей с короткими густыми волосками, называемыми вибриссами. На крыше носа обонятельная луковица с ее сенсорным эпителием проверяет качество вдыхаемого воздуха. Около двух десятков обонятельных нервов передают ощущение запаха от обонятельных клеток через костный свод носовой полости в центральную нервную систему.

Дыхательная система - канал лучшего здоровья

Для выживания нашим клеткам нужен кислород.Одним из продуктов жизнедеятельности клеток является другой газ, называемый углекислым газом. Дыхательная система забирает кислород из воздуха, которым мы дышим, и удаляет нежелательный углекислый газ.

Главный орган дыхательной системы - легкие. Другие органы дыхания включают нос, трахею и дыхательные мышцы (диафрагму и межреберные мышцы).

Нос и трахея

Вдыхание через нос согревает и увлажняет вдыхаемый воздух.Волосы в носу помогают задерживать частицы пыли. Нагретый воздух попадает в легкие через дыхательное горло или трахею. Трахея представляет собой полую трубку, поддерживаемую кольцами хряща, чтобы предотвратить ее разрушение.

Легкие

Легкие находятся внутри грудной клетки, защищены грудной клеткой и покрыты мембраной, называемой плеврой. Легкие похожи на гигантские губки. Они заполнены тысячами трубок, ответвляющихся все меньше и меньше. Самыми маленькими компонентами являются воздушные мешочки, называемые «альвеолами».Каждый из них имеет тонкую сетку капилляров. Здесь происходит обмен кислорода и углекислого газа.

Дыхательные мышцы

Чтобы оставаться раздутыми, легкие полагаются на вакуум внутри грудной клетки. Диафрагма - это мышечный лист, расположенный под легкими. Когда мы дышим, диафрагма сжимается и расслабляется. Это изменение давления воздуха означает, что воздух «всасывается» в легкие при вдохе и «выталкивается» из легких при выдохе.

Межреберные мышцы между ребрами помогают изменять внутреннее давление, поднимая и расслабляя грудную клетку в ритме с диафрагмой.

Газообмен

Кровь, содержащая углекислый газ, попадает в капилляры, выстилающие альвеолы. Газ перемещается из крови через тонкий слой влаги в воздушный мешок. Затем выдыхают углекислый газ.

При вдыхании кислород втягивается в альвеолы, где он переходит в кровь, используя ту же пленку влаги.

Речь и дыхательная система

Дыхательная система также позволяет нам разговаривать. Выдыхаемый воздух проходит по голосовым связкам внутри горла.Звук голоса зависит от:

  • напряжения и длины голосовых связок
  • формы груди
  • количества выдыхаемого воздуха.

Проблемы дыхательной системы

Некоторые общие проблемы респираторной системы включают:

  • астма - хрипы и одышка, вызванные сужением дыхательных путей
  • бронхит - воспаление более крупных дыхательных путей
  • эмфизема - заболевание альвеолы ​​(воздушные мешочки) легких
  • сенная лихорадка - аллергическая реакция на пыльцу, пыль или другие раздражители
  • грипп - вызванный вирусами
  • ларингит - воспаление голосового аппарата (гортани)
  • пневмония - инфекция легкое.

Куда обратиться за помощью

15.2A: Дыхательная система человека - Биология LibreTexts

Путь

Рисунок 15.2.1.1: Легкие человека. 1: Трахея 2: Легочная вена 3: Легочная артерия 4: Альвеолярный проток 5: Альвеолы ​​6: Сердечная вырезка 7: Бронхиолы 8: Третичные бронхи 9: Вторичные бронхи 10: Первичные бронхи 11: Подъязычная кость. (CC-BY-SA-4.0; Источник: Rastrojo ).

Дыхание

У млекопитающих диафрагма разделяет полость тела на брюшную полость , которая содержит внутренние органы (например,g., желудок и кишечник) и грудной полости , которая содержит сердце и легкие. Внутренняя поверхность грудной полости и внешняя поверхность легких выстланы плевральными мембранами , , которые прилегают друг к другу. Если между ними попадает воздух, адгезия нарушается, и естественная эластичность легких вызывает его коллапс. Это может произойти из-за травмы. И иногда его вызывают намеренно, чтобы дать легким отдохнуть. В любом случае реинфляция происходит по мере того, как воздух постепенно поглощается тканями.Из-за этой адгезии любое действие, увеличивающее объем грудной полости, заставляет легкие расширяться, втягивая в себя воздух.

  • Во время вдоха (вдоха) внешние межреберные мышцы сокращаются, приподнимая и поднимая ребра. Это достигается за счет сокращения мышцы диафрагмы, которая втягивает ее вниз. Во время выдоха (выдоха) эти процессы меняются, и естественная эластичность легких возвращает им нормальный объем. В состоянии покоя мы дышим 15–18 раз в минуту, обмениваясь примерно 500 мл воздуха.
  • При более энергичном выдохе внутренние межреберные мышцы тянут ребра вниз и внутрь, а стенка живота сокращается, подталкивая желудок и печень вверх. В этих условиях средний взрослый мужчина может промывать свои легкие примерно 4 литрами воздуха при каждом вдохе. Это называется жизненной емкостью . Даже при максимальном выдохе остается около 1200 мл остаточного воздуха .

В таблице показано, что происходит с составом воздуха, когда он достигает альвеол.Часть кислорода растворяется в пленке влаги, покрывающей эпителий альвеол. Отсюда он проникает в кровь по соседнему капилляру. Он попадает в эритроцит и соединяется с находящимся в нем гемоглобином. В то же время часть углекислого газа в крови диффундирует в альвеолы, из которых она может выдыхаться.

Компонент Атмосферный воздух (%) Выдохший воздух (%)
Таблица 15.2.1.1: Состав атмосферного воздуха и выдыхаемого воздуха у типичного объекта. Обратите внимание, что только часть вдыхаемого кислорода попадает в легкие.
N 2 (плюс инертные газы) 78,62 74,9
O 2 20,85 15,3
H 2 O 0,5 6,2
100.0% 100.0%
Рисунок 15.2.1.2: Альвеолы ​​(Воспроизведено с разрешения Кейт Р. Портер и Мэри А. Бонневиль, Введение в тонкую структуру клеток и тканей , 4-е изд., Lea & Febiger, 1973.)

Центральный контроль дыхания

Скорость клеточного дыхания (и, следовательно, потребление кислорода и выработка углекислого газа) зависит от уровня активности. Энергичные упражнения могут увеличить в 20–25 раз потребность тканей в кислороде.Это достигается за счет увеличения частоты и глубины дыхания. Именно возрастающая концентрация углекислого газа - а не снижающаяся концентрация кислорода - играет основную роль в регулировании вентиляции легких. Некоторые клетки продолговатого мозга очень чувствительны к падению pH. Когда содержание CO 2 в крови поднимается выше нормального уровня, pH падает на

. Те редкие люди, которые наследуют два дефектных гена альфа-1-антитрипсина, особенно подвержены развитию эмфиземы.

Дыхательная система человека

Дыхание - это процесс высвобождения энергии из пищи в нашем организме. Функция дыхательной системы состоит в том, чтобы вдыхать кислород для дыхания, производящего энергию из пищи, и выдыхать двуокись углерода. С помощью легких происходит обмен газов между кровью и воздухом. Обмениваемые газы - это кислород и углекислый газ. Мы можем жить без еды и воды в течение многих дней, но мы не можем прожить дольше нескольких минут без воздуха, поскольку он необходим для дыхания.Итак, прежде чем обсуждать дыхательную систему человека, необходимо знать процесс дыхания, который является важной частью дыхания.

Процесс дыхания:

Во время дыхания мы набираем воздух в легкие через нос, а затем вытесняем его. Вдыхание воздуха, богатого кислородом, в тело во время дыхания называется вдохом, а выход воздуха, богатого углекислым газом, называется выдохом. Оба процесса происходят регулярно во время дыхания.Следовательно, вдох означает «один вдох плюс один выдох».

Механизм дыхания следующий:

В этом разделе мы узнаем, как воздух извне всасывается в наши легкие во время вдоха и как воздух из легких выталкивается наружу во время выдоха, и это происходит с помощью легких. Легкие связаны с нашими ноздрями (отверстиями в носу) через носовой проход и дыхательную трубку. Когда мы вдыхаем воздух, он попадает в наши ноздри, проходит через носовой ход и дыхательное горло и достигает наших легких.Два наших легких висят в герметичном пространстве нашего тела, которое называется «грудная полость». Вокруг грудной клетки расположена грудная клетка с листами мышц между ребрами, которая окружает легкие. Внизу грудной клетки находится изогнутый мышечный лист, называемый диафрагмой. Следовательно, он образует дно грудной полости. Итак, дыхание предполагает движение грудной клетки и диафрагмы.

Происходит это следующим образом:

(a) Дыхание в : Когда мы вдыхаем или вдыхаем, две вещи происходят одновременно:

(i) Мышцы между ребрами сокращаются, заставляя грудную клетку двигаться вверх и наружу.

(ii) Диафрагма сжимается и движется вниз.

Все эти движения увеличивают пространство в грудной полости и увеличивают ее, и воздух всасывается извне в легкие. В результате легкие наполняются воздухом и расширяются.

(b) Выдох : Когда мы выдыхаем или выдыхаем, две вещи происходят одновременно:

(i) Мышцы между ребрами расслабляются, заставляя грудную клетку двигаться вниз и внутрь.

(ii) Диафрагма расслабляется и перемещается вверх.

Благодаря этим движениям пространство в грудной полости уменьшается и становится меньше, что выталкивает воздух из легких.

Дыхательная система

Многие органы принимают участие в процессе дыхания человека. Различные органы: нос, носовой ход или полость носа, трахея, бронхи, легкие и диафрагма.

Дыхательная система начинается от носа . В нашем носу есть два отверстия, известные как ноздри, а проход за ноздрями называется носовым ходом или носовой полостью. Воздух для дыхания втягивается в наше тело через ноздри в носу. Этот воздух попадает в носовой ход. Он отделен от ротовой, ротовой или ротовой полости твердым костным небом, поэтому мы можем дышать воздухом, даже когда едим. Носовой ход выстлан тонкими волосами и слизью. Слизь секретируется железами носового прохода. Когда воздух проходит через носовой ход, частицы пыли и другие загрязнения задерживаются носовыми волосами и слизью, так что чистый воздух попадает в легкие.Глотка - это часть горла между ртом и дыхательной трубой. Итак, воздух поступает из носового прохода в глотку, а затем попадает в дыхательную трубу (трахею).

Теперь воздух проходит через трахею, она не разрушается, даже когда в ней нет воздуха, потому что она поддерживается кольцами мягких костей, называемых хрящами. В верхнем конце трахеи находится голосовой ящик, называемый гортань. Трахея проходит вниз по шее и делится на две меньшие трубки, называемые «бронхами», на нижнем конце, которые связаны с легкими.Легкие находятся в грудной или грудной полости, которая отделена от брюшной полости мышечной перегородкой, называемой диафрагмой. Легкие покрыты двумя тонкими оболочками, называемыми плеврой. Легкие также заключены в «грудную клетку», состоящую из костей, называемых «ребрами».

Единственным из бронхов являются бронхи, и они разделяются в легких, образуя большое количество еще меньших трубок, называемых «бронхиолами». У них на концах есть крошечные мешочки, похожие на воздушные мешочки, называемые «альвеолы» (единичные альвеолы).Стенки альвеол очень тонкие и окружены кровеносными капиллярами. Из альвеол в организм поступает кислород и выводится углекислый газ. Итак, в альвеолах происходит газообмен.

В легких находятся миллионы альвеол, которые обеспечивают большую площадь для газообмена. Наличие большой площади максимально увеличивает газообмен. Диафрагма помогает «дышать» и «выдыхать». Мышцы грудной клетки также помогают при вдохе и выдохе. Теперь посмотрим, как работает дыхательная система:

Когда мы вдыхаем воздух, диафрагма и мышцы, прикрепленные к ребрам, сокращаются, в результате чего наша грудная клетка расширяется.Это движение увеличивает объем грудной клетки. Благодаря этому внутри грудной полости давление воздуха снижается, и воздух снаружи под высоким давлением устремляется в легкие через ноздри, трахею и бронхи.

Таким образом, в процессе «вдыхания» воздушные мешочки или альвеолы ​​легких наполняются воздухом, содержащим кислород. Альвеолы ​​окружены кровеносными капиллярами, благодаря которым кислород воздуха диффундирует из стенок альвеол в кровь.Кислород переносится красным пигментом, называемым гемоглобином, который присутствует в крови, ко всем частям тела. Когда кровь проходит через ткани тела, кислород, присутствующий в ней, диффундирует в клетки из-за его более высокой концентрации в крови. Этот кислород соединяется с переваренной пищей или глюкозой, присутствующей в клетках, для высвобождения энергии. Углекислый газ образуется в виде отходов и диффундирует в кровь из-за его более высокой концентрации в тканях организма. Кровь переносит углекислый газ обратно в легкие, где он диффундирует в альвеолы.Когда мы выдыхаем воздух, диафрагма и мышцы, прикрепленные к ребрам, расслабляются, в результате чего полость грудной клетки сокращается и становится меньше. Это сокращение грудной клетки выталкивает углекислый газ из альвеол легких в трахею, ноздри и затем из тела в воздух. На этом процесс газообмена завершается.

Мы должны знать, что во время дыхательного цикла, когда воздух набирается или вдыхается, а затем выдыхается или выдыхается, легкие всегда содержат определенный остаточный объем воздуха, чтобы было достаточно времени, чтобы «кислород абсорбировался» в кровь и «для выделения углекислого газа» из крови.

Частота дыхания

Дыхание происходит непроизвольно, но его частота контролируется дыхательной системой мозга. Средняя частота дыхания взрослого мужчины в состоянии покоя составляет от 15 до 18 раз в минуту. Во время физических упражнений частота дыхания увеличивается, что дает клеткам тела больше кислорода для выработки большего количества энергии.

Дефицит гемоглобина в крови человека снижает способность крови переносить кислород, что приводит к проблемам с дыханием, усталости и недостатку энергии.Человек выглядит бледным и худеет. Во время отравления угарным газом окись углерода очень прочно связывается с гемоглобином в крови и не позволяет ему переносить кислород в мозг и другие части тела. Если окись углерода вдыхать в течение длительного времени, то человек теряет сознание и даже может умереть из-за кислородного голодания. Людям, имеющим проблемы с дыханием, выдаются кислородные маски для облегчения дыхания. В серьезном случае пациента помещают в аппарат, называемый «вентилятором», в котором трубка вставляется непосредственно в трахею или дыхательную трубку пациента, чтобы помочь ему дышать комфортно.

Изображение предоставлено: www.image.slidesharecdn.com

Air Oasis® Kids: О дыхательной системе человека

Автор: доктор Джефф Беннерт

Каждой части вашего тела нужен кислород. Дыхательная система - это часть вашего тела, которая отвечает за поглощение кислорода и избавление от углекислого газа. Легкие - это основные органы, отвечающие за дыхание. Есть и другие части дыхательной системы, которые тоже важны.Без кислорода клетки мозга начинают умирать примерно через четыре минуты. В конце концов, без кислорода мозг будет настолько поврежден, что вы умрете. Каждый глоток воздуха, который вы делаете, содержит кислород, который позволяет вашим клеткам вырабатывать энергию, чтобы поддерживать вашу жизнь.

Части дыхательной системы

Прежде чем вы сможете точно понять, что делает дыхательная система, вам нужно узнать о частях этой системы. Трахею также можно назвать дыхательным горлом. Воздух, которым вы дышите, проходит через трахею и бронхи, которые представляют собой специальные трубки, по которым воздух попадает в легкие.Бронхи имеют крошечные волоски, выстилающие их, называемые ресничками. Эти волоски помогают выводить слизь из легких, чтобы вы могли кашлять или чихать. Вы можете представить себе дерево с множеством ветвей, пытаясь понять бронхи. По одному бронху входит в каждое легкое, и эти трубки делятся на более мелкие, называемые бронхиолами. Ваши правое и левое легкие имеют разные размеры. В правом легком три доли, а в левом - только две, что оставляет место для сердца. Доли содержат альвеолы, и именно внутри альвеол кислород и углекислый газ попадают в кровь и выходят из нее.Кислород перемещается в капилляры и течет в левую часть сердца. Отсюда сердце перекачивает богатую кислородом кровь по всему телу. Углекислый газ перемещается из капилляров в альвеолы, где вы затем выдыхаете его из своего тела.

Дыхательный процесс

Дыхание начинается, когда вы вдыхаете воздух через нос или рот. С этого момента воздух проходит через пазухи. Пазухи важны, потому что именно здесь контролируется температура и влажность воздуха, которым вы дышите.Из носовых пазух воздух проходит через трахею в бронхи, а затем в легкие. Альвеолы ​​внутри долей легких помогают перемещать кислород в кровь и выводить углекислый газ. Капилляры перемещают насыщенную кислородом кровь из альвеол в сердце, чтобы ее можно было перекачивать по всему телу. Капилляры также перемещают кровь с углекислым газом в альвеолы, чтобы ее можно было втянуть в легкие и выдохнуть.

Куда уходит кислород?

Когда насыщенная кислородом кровь покидает легкие через кровоток, красные кровяные тельца переносят кислород в артерии.Эти артерии разветвляются по мере удаления от сердца и становятся меньше, превращаясь в капилляры. Капилляры соединяются с артериями и венами. Кислород выделяется, когда он проходит через стенки капилляров в окружающие ткани. Тогда ваши клетки и органы могут использовать кислород для работы. Тем временем углекислый газ и другие отходы перемещаются в капилляры. Вены несут кровь обратно к сердцу, но теперь в этой крови нет кислорода. Вместо этого в нем есть углекислый газ, который является отходом, от которого организм должен избавляться.По мере приближения к сердцу вены становятся больше. Когда кровь достигает легких, она избавляется от углекислого газа и набирает больше кислорода, чтобы начать цикл заново.

Что насчет диафрагмы?

Диафрагма также является частью дыхательной системы, но не связана напрямую с легкими. Диафрагма - это мышца в нижней части грудной клетки, которая контролирует каждый вдох и выдох. Когда вы вдыхаете, диафрагма сжимается и опускается, чтобы ваши легкие могли расшириться и удерживать воздух.Другие мышцы между ребрами также помогают освободить в груди больше места для воздуха. Ваша диафрагма также помогает, когда пора выдохнуть. Когда диафрагма расслабляется и перемещается вверх в грудную клетку, мышцы ребер расслабляются, чтобы уменьшить область груди, чтобы вы могли полностью выдохнуть.


Очистка воздуха в коммерческих целях
Информация о качестве и очистке воздуха

Разработка трехмерной модели дыхательной системы человека для дозиметрического использования | Теоретическая биология и медицинское моделирование

Текущее морфологическое моделирование системы верхних дыхательных путей началось с данных изображения головы Бригама и женской больницы (BWH) проекта Visible Human Project (VHP).Получение данных изображения поперечной МРТ и компьютерной томографии (КТ) головы 72-летнего мужчины с криосрезами с интервалом 0,174 мм и фотографией с разрешением 1056 × 1528 пикселей было выполнено в BWH, Harvard Medical. Школа по контракту с Национальной медицинской библиотекой (NLM). Этот набор данных доступен держателям лицензий Virtual Human Project, а изображения можно найти в каталоге BWH_Harvard при входе на сервер изображений NLM.

Внешние особенности человеческой головы, черепа и детали носовых и ротовых проходов были восстановлены из корональной серии из 1528 изображений криосрезов, каждое из которых имеет разрешение 1036 × 1477 пикселей.Изображения были сложены и объединены в единый объемный набор данных. Каждый воксель или объемный элемент представляет собой значение в трехмерной регулярной сетке с 2338 102 816 элементами (рис. 1).

Рисунок 1

Построение объемного набора данных из серии срезов изображения и исходного трехмерного представления основной структуры головы человека.

Используя внутреннюю программную реализацию алгоритма маршевых кубов [6], несколько пороговых значений были использованы для извлечения трехмерной поверхности или изоповерхности, которая представляет все точки в объеме постоянного значения или порогового значения.Этот прием аналогичен трехмерному контуру. Были извлечены костные структуры, такие как череп и мягкие ткани, включая черты лица (рис. 2).

Рисунок 2

Извлеченное трехмерное изображение основной структуры мягких тканей головы человека и твердой костной структуры черепа.

Развитие внегрудной морфологии

Строение носовой и ротовой полостей, глотки, надгортанника, гортани и пищевода этого субъекта было создано отдельно с использованием алгоритма марширующих кубов [6] и извлечения пороговых изоповерхностей.

Развитие морфологии носа

Полость носа состоит из двух узких проходов, разделенных носовой перегородкой. Каждый носовой проход имеет три изогнутых выступа дыхательных путей в виде плавников, известных как верхний, средний и нижний проходы. Проходя дальше в дыхательные пути, два прохода сливаются в дистальном конце носовой полости и образуют начало носоглотки. Дно носовой полости образовано твердым нёбом, которое также является нёбом.

Область носовой полости была извлечена из данных объема и изолирована с помощью Rhinoceros (также называемого Rhino3D - пакет моделирования неоднородного рационального B-сплайна (NURBS)), разработанного Robert McNeel & Associates (Сиэтл, Вашингтон) (рис. 3). Части носовой полости, такие как пазухи, были удалены из модели, чтобы соответствовать структурам из опубликованной литературы. Используя представление изоповерхности носа, извлеченное из объемных данных в качестве эталонной сетки поверхности, были созданы равномерно распределенные серии плоских кривых и точек из пересечения плоскости сечения через поверхность сетки.Эти контурные линии или кривые профиля использовались для подгонки новой поверхности через выбранные кривые профиля, определяющие форму поверхности (рис. 4).

Рисунок 3

Носовая полость показана в виде ряда кривых, полученных на основе данных BWH головы. Части носовой полости, такие как пазухи, были удалены из модели, чтобы соответствовать структурам из опубликованной литературы.

Рис. 4

Контурные линии или кривые профиля были извлечены из сетки носовой полости, полученной с помощью алгоритма маршевых кубов. Эти кривые необходимы для поддержания точного структурного сцепления с исходной сеткой и поддержки основной структуры раковины (или носовой раковины), присутствующей во всех структурах носа.

Возникли аномалии в сетке носовой поверхности, такие как (а) скручивание поверхности (б), перекрытие или пересечение поверхностей и (в) защемление или выдавливание поверхностей. Эти аномалии возникли во время первоначальной реконструкции поверхности из-за сложной формы и разной степени носовых раковин, а также из-за того, что произвольное количество вершин контурных линий не имело одинаковой степени кривой и точек редактирования, из-за которых функция автоматического всплытия поверхности не работала ( Рисунок 5).Эти аномалии были исправлены с помощью автоматического подъема профильных кривых с той же степенью кривой и таким же количеством точек редактирования на сегментах поверхности (рис. 6).

Рисунок 5

Возникли аномалии в сетке носовой поверхности, такие как (а) скручивание поверхности (б), пересекающиеся поверхности и (в) защемление или выдавливание поверхностей.

Рисунок 6

Это изображение иллюстрирует сегментацию поверхности на основе комплекса профилей и окончательной поверхностной сетки носовой полости, свободной от поверхностных аномалий.

Окончательное сшивание сегментов поверхности носового прохода было завершено перестроением кривых профиля, ручным управлением степенью кривой и количеством точек редактирования на смежных сегментах поверхностей и, по существу, объединением двух форм или сегментов, создавая поверхность между ними, вручную поднимая поверхности для формирования замкнутой водонепроницаемой топологии без пересекающихся и скрученных поверхностей (рис. 6).

Полученная модель не имела дефектов поверхности и была достаточно гладкой, так что полученная модель была точна для исходной сетки изоповерхности, полученной с помощью алгоритма марширующих кубов [6].Чтобы эффективно комбинировать модели, мы используем инструменты слияния, сшивания и заполнения отверстий, которые обеспечивают гибкость при соединении сегментов поверхности.

Развитие морфологии полости рта

Потребность в понимании и прогнозировании схем воздушного потока через полость рта требовала создания физически реалистичной морфологии как языка, так и полости рта. Полость рта, извлеченная из объемных данных, была недостаточной для использования в качестве морфологически реалистичной модели (рис. 7). Стоматологическая модель VP1298 компании Digimation (Lake Mary, FL) использовалась в качестве эталонной сетки для зубов с деснами.Две отдельные части - верхняя и нижняя десны и зубы - были объединены в единую полость рта. Ретопологизированы язык и вся полость рта. Язык был добавлен к оральной модели. Затем модели верхних дыхательных путей были выровнены и объединены в единую морфологическую модель, включая стороны ротовой полости и язычка.

Рисунок 7

Топология модели полости рта или структура поверхности была упрощена для создания более подходящей структуры.

Объединение внегрудных сегментов

Для создания водонепроницаемой внелегочной модели, пригодной для исследований CFD, для всех сегментов были скорректированы дополнительные поверхностные аномалии. К ним относятся не многообразные поверхности; различная детализация, структура и разрешение поверхностей; совпадающие поверхности; дыры в сетке в критических точках стыка; и другие проблемы, которые возникали на этапах объединения отдельных частей в функциональную и морфологически реалистичную модель.Поверхность, не являющаяся многообразием, возникает, когда более двух элементов поверхности (треугольников) пересекаются на одном ребре.

Триангулированная сетка была создана с поверхностями коллекторов, которые можно было импортировать непосредственно в программное обеспечение вычислительной инженерии для дальнейшего анализа. Комбинированная модель требовала использования инструментов слияния, сшивания и заполнения отверстий (предоставленных в коммерческом приложении Rapidform XOR), что позволяло гибко объединять отдельные модели (рисунок 8).

Рисунок 8

Вид внегрудных дыхательных путей в сочетании с новыми деталями структур полости рта, включая зубы, десны, язык, язычок и надгортанник.

Развитие дыхательных путей

Чтобы разработать надежный метод создания морфологии легких для исследований CFD, мы интегрировали наиболее многообещающие аспекты из многочисленных методов моделирования. Разработанная нами методика динамического моделирования поверхности использует данные идеализированных моделей для построения трехмерных компьютерных симуляций трубчатых структур дыхательных путей в легких. Эти анатомически точные компьютерные изображения легких человека имеют такой формат, что их графические изображения можно использовать в медицине, а полученная геометрия дыхательных путей может использоваться в анализе CFD.Эта надежная система генерации морфологии может создавать трехмерные трубчатые структуры дыхательных путей с использованием методов моделирования поверхности на основе существующих анатомических данных.

Чтобы описать трехмерную структуру в легких, каждый дыхательный путь в сети ветвления должен быть однозначно определен с точки зрения его пространственных координат. Таким образом, каждый дыхательный путь представлен своей параметризацией по длине, диаметру и углам ориентации. Углы ориентации состоят из угла разветвления между двумя ветвящимися дыхательными путями и угла поворота, который является мерой вращения плоскости, содержащей разветвленные дыхательные пути.Мы используем морфологию для описания симметричной, дихотомически ветвящейся системы, в которой родительский дыхательный путь разветвляется на два дочерних дыхательных пути. Эта морфология была разработана на основе работ Weibel [7], Soong [8], Yeh и Schum [9], Phalen et al. [10] и Институт биомедицинских и экологических исследований Лавлейс [11]. Он учитывает межсубъектную изменчивость, присутствующую в типичной взрослой популяции, путем изучения распределения вероятностей данных о дыхательных путях. Он разделен на 24 поколения, начиная с трахеи (поколение 0) и заканчивая альвеолярными мешочками (поколение 23).Среднее значение для каждого параметра дыхательных путей присваивается каждому поколению. В нашей модели первые три поколения асимметричны, что соответствует реальной геометрии трахеи и крупных бронхов. За пределами этих поколений используются данные симметричного ветвления.

Длина и диаметр дыхательных путей взяты из типичного легкого взрослого человека. Чтобы быть анатомически реалистичным, мы использовали углы ветвления, которые основаны на предыдущих измерениях морфометрических данных [7–11], и мы предположили постоянный угол поворота 90 ° по всей сети дыхательных путей.Проще говоря, морфология создается автоматически из анатомических данных, и ее можно контролировать и изменять в научном контексте в пределах этих данных.

Создание поверхностных моделей морфологии дыхательных путей с использованием анатомических данных включает абстрагирование задачи создания сложной модели легких, содержащей более 16 миллионов дыхательных путей, к параметризации составляющих ее дыхательных путей на основе знаний. Трубчатая (правый круговой цилиндр) структура дыхательного пути определяется его длиной и диаметром, а его положение определяется углами ориентации.Дихотомически разветвленную систему дыхательных путей, составляющих легкое, можно рассматривать как непрерывную серию цилиндрических трубок, соединяющихся в Y-образных разветвлениях. При создании поверхностных моделей дыхательных путей заметные сложности возникают в формировании бифуркационных форм (т. Е. Там, где дыхательные пути пересекаются). В этой реализации модели представляют собой сложные поверхности, состоящие из участков поверхности NURBS высокого уровня. Эти поверхностные участки затем сшиваются вместе как по противоположным длинам, так и по концам, где они соединяются с их родительскими или дочерними дыхательными путями.Каждый участок поверхности строится из относительно грубой сетки контрольных точек, генерируемых алгоритмами с использованием основных входных параметров длины, диаметра и угла. Плотность этих контрольных точек выше на стыке бифуркаций, так что область перехода между дыхательными путями может быть отрегулирована так, чтобы она была более плавной или резкой, чем показано.

Методы моделирования поверхности, которые мы использовали для создания морфологий, позволили нам создать гладкие соединительные дыхательные пути и реалистичные формы каринального гребня, таким образом получая анатомически точные представления раздвоенных систем.Было показано, что это очень важно для воздушных потоков в легких и осаждения частиц [12], и было необходимо для получения реалистичных геометрических фигур, которые затем можно было бы дополнительно уточнить и экспортировать в программное обеспечение CFD для изучения свойств воздушного потока и характера осаждения вдыхаемых аэрозолей в легких. Модель поверхности NURBS была использована в качестве опорной сетки для полигональных сеток, построенных в Maya.

Мы разработали метод создания трехмерной компьютерной морфологической модели ветвящейся дыхательной сети легких человека с использованием программного обеспечения Autodesk Maya 3-D (Сан-Рафаэль, Калифорния).Maya отображает полигональные сетки в виде кубического каркаса. Он также обеспечивает быстрый и простой способ просмотра сетки в режиме просмотра клетки, который представляет собой сглаженную версию сетки с кубической каркасной клеткой, окружающей сетку. Последний предоставленный метод отображения - это режим сглаженной сетки. Подразделение поверхности (subdiv) в области трехмерной компьютерной графики - это метод представления гладкой поверхности путем задания более грубой кусочно-линейной многоугольной сетки. Гладкую поверхность можно вычислить из грубой сетки как предел рекурсивного процесса разделения каждой многоугольной грани на более мелкие грани, которые лучше аппроксимируют гладкую поверхность.Четыре нижние вершины одного многоугольного куба выбираются, масштабируются и корректируются, чтобы сформировать нижнюю вершину исходного треугольника, который формирует все бифуркационные пересечения в сети ветвления. Верхняя и две боковые грани куба выдавливаются и поворачиваются для образования бифуркационных пересечений. Наконец, пересечение бифуркаций отображается в режиме каркаса, чтобы визуализировать, как будет выглядеть полученная сглаженная структура (рисунок 9).

Рис. 9

Модель бифуркации под глоткой, показывающая один полный путь генерации 24 в каждой из пяти долей с использованием метода поверхностей подразделения. На верхнем левом изображении показана исходная модель многоугольного куба. На верхнем правом изображении показан режим предварительного просмотра в Maya. На нижнем изображении показан окончательный результат метода разделения поверхностей.

Шаги предварительного просмотра сглаженной сетки изменяют только отображение сетки; это позволяет пользователю визуализировать, как будет выглядеть сетка после ее сглаживания. Исходная сетка остается в своей исходной кубической форме до тех пор, пока окончательная сетка не будет преобразована в полностью сглаженный эквивалент в форме прокси-подразделения.Это делается с помощью инструмента Предварительный просмотр сглаженной сетки в многоугольники, который преобразует версию предварительного просмотра сглаженной сетки многоугольной сетки в фактическую многоугольную сетку. Параметры атрибутов для предварительного просмотра сглаженной сетки используются при преобразовании в полигональную сетку.

Завершение модели внутренних структур

Внутренние структуры физиологических бифуркаций носа, гортани, глотки, рта и легких были объединены для создания трехмерной морфологически реалистичной модели дыхательных путей человека от ноздрей до альвеол ( Рисунок 10).Тот же метод использовался, что описан при объединении внегрудных моделей. Вкратце, триангулированная сетка была создана с множеством поверхностей, которые можно было импортировать непосредственно в программное обеспечение вычислительной инженерии для дальнейшего анализа. Комбинированная модель требовала использования инструментов слияния, сшивания и заполнения отверстий (предоставленных в коммерческом приложении Rapidform XOR), что позволяло гибко объединять отдельные модели (рисунок 10).

Рисунок 10

Полная 5-лепестковая модель была водонепроницаема без дефектов поверхности.

Восстановление внешней структуры

Поверхностная сетка многоугольника, полученная с помощью алгоритма маршевых кубов [6], привела к очень плотной сетке из 498577 вершин, 1411868 ребер и 921622 граней. Поскольку наша конечная цель состояла в том, чтобы иметь деформируемую сетку, было желательно иметь менее плотную сетку, которая позволила бы нам преобразовывать модель в зависимости от расы, пола и возраста.

Исходная топология сетки триангулированной поверхности, в которой каждый элемент поверхности состоит из треугольников, не подходит для деформации.Используя автономное приложение для шлифовки и запекания карт, TopoGun (PIXELMACHINE SR), триангулированная топология сетки поверхности была перестроена, чтобы использовать преимущества поверхности, построенной из четырехугольников или четырехугольников. Причина использования квадратов в качестве элемента топологии поверхностной сетки вращается вокруг разделения, контуров ребер и сглаживания. Элементы поверхности квадроциклов разделяются равномерно, что лучше для гибких органических моделей. Определенный поток вершин в сетке называется петлей ребер, которая позволяет вам контролировать, как поверхность изгибается и изгибается, когда сетка деформируется, трансформируется или анимируется.Квадратные поверхности также служат основой для добавления деталей сетки, таких как создание поверхностных складок или морщин, добавление мускулов и заострение краев. Edgeloops - это замкнутый цикл вершин, по которым можно перемещаться по сетке до тех пор, пока она не вернется в исходное положение. Мягкая ткань с топологией поверхности, представляющая черты лица, была реконструирована для перехода от триангулированной сетки к четырехугольным поверхностным элементам, чтобы обеспечить гибкость и движение во время деформации и морфинга черт (Рисунок 11).

Рисунок 11

Реконструкция топологии поверхности мягких тканей, отображающих черты лица.

Новая ретопологизированная сетка головы была соединена с идеализированным внешним торсом и объединена с внутренней структурой, показанной на рисунке 10. Носовая и ротовая полости были прикреплены к наружным носу и рту путем совмещения подобных точек на структурах. Модель, как показано на рисунке 12, может реагировать на динамические изменения дыхательной механики и аномальные патологии.

Рисунок 12

Полная модель непрерывного внутреннего и внешнего типичного пути, включая носовую и ротовую полости, полости, гортань и 24 поколения с одним разветвлением в каждой из пяти долей легкого.

Последние достижения

Текущая разработка модели включает добавление физиологически реалистичных хрящевых колец; параметризованная реализация автоматической генерации бифуркаций; а также добавление программного обеспечения FaceGen (Singular Inversions, Toronto, ON) для создания реалистичных трехмерных человеческих лиц, скорректированных с учетом возраста, расы, пола и других элементов управления или подходящих специально для фотографии. Эти грани можно применять к развернутым полигональным сеткам; внутренние структуры полости рта и носа можно прикреплять и манипулировать ими в зависимости от характеристик лица.Ожидается, что эти достижения будут полностью включены в текущую модель к сентябрю 2013 года. В дополнение к существующей мужской модели, модель взрослая женская и модель ребенок / младенец находятся в стадии разработки с использованием тех же методов, представленных в этом документе.

Резюме

Была разработана современная морфологически реалистичная модель дыхательных путей человека от ноздрей до альвеол, которая имитирует вдыхание, осаждение и выдыхание загрязнителей. Он включает верхние дыхательные пути, внегрудную область (носовой, оральный, глоточный и гортанный ходы), верхние дыхательные пути (трахею и главные бронхи), трахеобронхиальное дерево и разветвляющиеся сети вниз через альвеолярную область.

В настоящее время мы параметризуем переменные, которые определяют дыхательные пути субъекта, чтобы модель могла интегрировать морфологические изменения, вызванные респираторным заболеванием, воздействием токсинов или стрессоров и возрастом, а также динамическую морфологию, которая имитирует изменения структур во время типичного дыхания. цикл. Модель допускает практически любые изменения геометрии дыхательных путей и болезненных состояний. Такая гибкость будет иметь решающее значение для исследования уязвимых групп населения, таких как дети, больные и пожилые люди.Модель также будет иметь решающее значение для сообщества национальной безопасности, где исследования ингаляций на людях не могут проводиться с представляющими интерес контаминантами (например, B. anthracis , рицин и т. Д.) Из-за токсичности.

Модель может использоваться для прогнозирования дозы от воздействия опасных загрязнителей в виде твердых частиц, таких как сибирская язва, рицин или опасные частицы. Это также может оказаться полезным при нацеливании фармацевтических препаратов на соответствующее место в дыхательной системе конкретного человека.

Как работает дыхательная система человека

Дыхание - это процесс, с помощью которого организмы обмениваются газами, такими как кислород и углекислый газ, с внешней средой с целью поддержания биохимических реакций, необходимых для жизни. Простым организмам не требуются сложные специализированные органы для дыхания; у насекомых, например, газообмен происходит через трахеи, но не через легкие; у водных животных же есть жабры. Дыхательная система человека включает в себя два узкоспециализированных легких, два бронха, трахею, гортань, ноздри и рот, которые служат процессу перемещения газов внутрь и наружу тела с максимальной эффективностью.

Легкие

Эти органы, которые на самом деле являются просто врастаниями внешнего вида тела, - это то, о чем большинство людей, вероятно, думает в первую очередь, когда возникает вопрос о дыхательной системе человека. Легочное дыхание началось около 400 миллионов лет назад и ограничено позвоночными животными и несколькими улитками. У людей они соединены с головой трубками, которые становятся все меньше сверху вниз. Хотя левое легкое имеет три доли, а правое - только две, функции правого и левого легких одинаковы.См. "Ресурсы" для получения диаграммы легких.

Верхняя респираторная система

Путь воздуха между внешним миром и трахеей включает ряд структур, более специализированных, чем они могут показаться. Ваш нос со слизистой оболочкой действует как фильтр для воздуха, которым вы дышите, а также согревает воздух (при необходимости), когда он попадает в тело во время дыхания. Затем воздух проходит через глотку и гортань, которые содержат элегантно сформированные голосовые связки, прежде чем попасть в трахею.

Если бы воздух мог просто проходить в легкие без минимальной обработки, гораздо больше потенциально вредных и смертельных бактерий попало бы в легкие и кровоток, вместо того, чтобы задерживать мою слизь, реснички и другие маленькие, но жизненно важные компоненты верхних дыхательных путей. система.

Газообмен на клеточном уровне

Именно в крошечных мешочках в легких, называемых альвеолами, происходит газообмен.

Комментировать

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *