Искусственная вентиляция легких

Физико-биофизические основы искусственной вентиляции лёгких

В естественном дыхании отрицательное давление, создаваемое сокращением дыхательных мышц, вызывает приток воздуха в альвеолы. При искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ) происходит подача воздуха под положительным давлением. Этот принцип нарушает физиологические закономерности, и потому требует особого внимания к биомеханике, газообмену и гемодинамике.

ИВЛ классифицируется в зависимости от способа подачи газа:

Положительное давление на вдохе (IPPV) — газ подаётся в дыхательные пути, увеличивая внутрилёгочное давление;
Постоянное положительное давление (PEEP) — поддерживается давление в конце выдоха для предотвращения коллапса альвеол;
Негативное давление (железные лёгкие) — моделирует физиологическое дыхание, но применяется крайне редко.

Объёмно-давовые параметры при ИВЛ

Искусственная вентиляция требует строгого контроля над объёмом и давлением подаваемого газа. Основные параметры:

Дыхательный объём (V_T) — объём газа, подаваемый за один вдох (обычно 6–8 мл/кг массы тела);
Частота дыхания (f) — число дыхательных циклов в минуту;
Минутная вентиляция (VE) — произведение V_T на f;
Пиковое давление вдоха (P_peak) и плато давление (P_plat) — показатели сопротивления дыхательных путей и эластичности лёгких;
PEEP (Positive End Expiratory Pressure) — давление в конце выдоха, предотвращающее спадение альвеол.

Эти параметры влияют на физико-биофизические свойства дыхания: податливость лёгких (compliance), сопротивление дыхательных путей (resistance), работу дыхания и газообмен.

Податливость и сопротивление: биофизический анализ

Податливость лёгких (C_L) — отношение изменения объёма к изменению давления:

$$ C_L = \frac{\Delta V}{\Delta P} $$

При ИВЛ важно различать:

Статическую податливость — измеряется при отсутствии потока газа (в фазе плато);
Динамическую податливость — учитывает сопротивление воздушному потоку.

Сопротивление дыхательных путей (R_aw) описывается законом Пуазейля:

$$ R_{aw} = \frac{8 \eta l}{\pi r^4} $$

где η — вязкость газа, l — длина дыхательного пути, r — радиус дыхательного канала.

Именно радиус бронхов оказывает наибольшее влияние, так как сопротивление обратно пропорционально четвёртой степени радиуса. Поэтому при бронхоспазмах механическая вентиляция требует повышения давления, что может привести к баротравме.

Режимы вентиляции и их биофизические особенности

1. Контролируемая вентиляция (CMV): Полностью задаётся аппаратом. Все вдохи индуцированы, без участия дыхательной мускулатуры пациента. Полный контроль позволяет точно управлять объёмом и давлением, но требует глубокой седации или нейромышечной блокады.

2. Ассистированно-контролируемая вентиляция (A/C): Пациент инициирует вдох, а аппарат завершает его. Биофизически это снижает работу дыхания, однако требует чувствительных триггерных механизмов.

3. Синхронизированная прерывисто-мандаторная вентиляция (SIMV): Сочетает спонтанные вдохи пациента и принудительные вдохи аппарата. Улучшает синхронность, снижает риск атрофии дыхательных мышц.

4. Давление-регулируемая вентиляция (PRVC, BiPAP): Позволяет адаптировать давление по текущей податливости лёгких. При ухудшении податливости аппарат увеличивает давление для достижения заданного объёма.

5. Высокочастотная вентиляция (HFOV): Применяет частоты до 900 дыханий/мин с минимальным объёмом. Возникает доминирование процессов диффузии над конвекцией. Биофизически требует оценки не только механики дыхания, но и особенностей газообмена при малых объёмах.

Газообмен при ИВЛ

Диффузия кислорода и углекислого газа при ИВЛ подчиняется тем же законам, что и при спонтанном дыхании, однако искажается условиями вентиляции.

Формула Фика описывает диффузионную способность:

$$ V = D \cdot A \cdot \frac{\Delta P}{T} $$

где:

D — коэффициент диффузии,
A — площадь альвеолярной поверхности,
ΔP — градиент парциального давления,
T — толщина альвеолярно-капиллярной мембраны.

При ИВЛ часто наблюдаются феномены вентиляционно-перфузионного несоответствия (V/Q mismatch) и шунтирования крови, при которых даже при адекватной вентиляции газообмен остаётся нарушенным. Это требует повышения концентрации кислорода во вдыхаемой смеси или применения положительного давления на выдохе.

Энергетика дыхания и работа вентиляции

Работа дыхания при ИВЛ — это механическая работа, совершаемая аппаратом. Она складывается из работы на преодоление:

эластического сопротивления лёгочной ткани и грудной клетки,
вязкого сопротивления,
сопротивления воздушному потоку.

Общая работа (W):

W = ∫_V₀^VP(V) dV

При положительном давлении вдоха (в отличие от физиологического) нарушается естественная форма кривой давление–объём, что может привести к волютравме (повреждению лёгочной ткани из-за перерастяжения) и баротравме (избыточное давление). Это требует мониторинга и ограничения V_T и P_plat.

Физика аэрации и рекруитмента альвеол

При ИВЛ важнейшее значение имеет феномен рекруитмента альвеол — вовлечение в газообмен ранее спавшихся участков лёгочной ткани. Это достигается:

постоянным PEEP, поддерживающим открытость альвеол;
рекруитмент-манёврами, временным увеличением давления вдоха;
оптимизацией податливости через титрацию PEEP.

Однако чрезмерное давление может вызвать гиперрастяжение соседних альвеол и спровоцировать воспаление (биотравму), что поднимает вопрос биофизического баланса между рекруитментом и гиперинфляцией.

Гемодинамические эффекты искусственной вентиляции

Подача воздуха под положительным давлением увеличивает внутригрудное давление, снижая венозный возврат к сердцу. Это может привести к снижению сердечного выброса. Особенно выражено при:

высоком PEEP;
гиповолемии;
жёстких лёгких (низкая податливость).

Сердечно-лёгочное взаимодействие при ИВЛ требует постоянного гемодинамического мониторинга, поскольку чрезмерное давление в грудной клетке может нарушить баланс между эффективной вентиляцией и перфузией.

Законы физики в практике ИВЛ

Искусственная вентиляция базируется на целом ряде физических принципов:

Закон Бойля–Мариотта: давление и объём газа обратно пропорциональны;
Закон Пуазейля: сопротивление потоку газа зависит от радиуса трубки;
Закон Лапласа: сила растяжения альвеолы пропорциональна давлению и радиусу, но обратно пропорциональна толщине стенки;
Закон Фика: скорость диффузии пропорциональна градиенту давления и площади поверхности.

Эти законы лежат в основе параметрической настройки режимов ИВЛ, интерпретации кривых давления, объёма и потока, а также оценки потенциальных рисков повреждения лёгочной ткани.

Биофизика современных технологий вентиляции

Современные аппараты ИВЛ используют микропроцессорное управление, сенсорную обратную связь, математические модели податливости и сопротивления. Применяются алгоритмы адаптивной поддержки вентиляции, интеллектуальные режимы (ASV, PAV+), учитывающие изменения состояния пациента в реальном времени.

Таким образом, управление ИВЛ — это динамический процесс, требующий глубокого понимания биофизики дыхания, инженерных принципов и физиологических обратных связей.