Мёртвое пространство (физиология)

Общее (физиологическое) мёртвое пространство — это сумма^[3]:

• анатомического мёртвого пространства;
• альвеолярного мёртвого пространства.

Несмотря на кажущуюся неэффективность такой вентиляции, наличие мёртвого пространства имеет ряд физиологических преимуществ^[2]:

• Углекислый газ задерживается, что позволяет создать бикарбонатную буферизацию крови и интерстиция.
• Вдыхаемый воздух нагревается до температуры тела, увеличивая сродство гемоглобина к кислороду и улучшая поглощение O₂.
• Твёрдые частицы задерживаются на слизи, выстилающей дыхательные пути, что позволяет удалять их путём мукоцилиарного транспорта.
• Вдыхаемый воздух увлажняется, улучшая качество слизи в дыхательных путях.

У здоровых людей в состоянии покоя физиологическое мёртвое пространство составляет примерно 30-35 % дыхательного объёма, что эквивалентно приблизительно 150 мл у взрослого человека^[4].

Мёртвое пространство можно увеличить путём дыхания через длинную трубку, например, трубку для подводного дыхания (шноркель). Хотя один конец трубки открыт для воздуха, при вдохе человек вдыхает значительное количество воздуха, оставшегося в трубке после предыдущего выдоха. Таким образом, трубка для подводного плавания увеличивает мёртвое пространство человека, добавляя дополнительный участок дыхательных путей, который не участвует в газообмене^[2].

Подобно тому как мёртвое пространство «теряет» часть вдыхаемого воздуха, оно также разбавляет альвеолярный воздух при выдохе. Количественно оценив степень этого разбавления, можно определить физиологическое мёртвое пространство, используя принцип материального баланса, выраженный в уравнении Бора^[9]:

${\displaystyle {\frac {V_{d}}{V_{t}}}={\frac {P_{a\,{{\ce {CO2}}}}-P_{e\,{{\ce {CO2}}}}}{P_{a\,{{\ce {CO2}}}}}}}$

где ${\displaystyle V_{d}}$ объём мёртвого пространства и ${\displaystyle V_{t}}$ дыхательный объём;

${\displaystyle P_{a\,{{\ce {CO2}}}}}$ парциальное давление CO₂ в артериальной крови и

${\displaystyle P_{e\,{{\ce {CO2}}}}}$ парциальное давление CO₂ в смешанном выдыхаемом воздухе.

Механическое мёртвое пространство, или внешнее мёртвое пространство, — это объём в каналах дыхательного аппарата, в котором дыхательный газ движется в обоих направлениях при вдохе и выдохе пользователя. В результате газ, выдохнутый при предыдущем дыхательном цикле, немедленно вдыхается при следующем вдохе, что приводит к увеличению необходимого дыхательного объёма и дыхательной работы для получения того же количества пригодного для дыхания воздуха или дыхательной смеси, а также к усиленному накоплению углекислого газа при поверхностном дыхании. Таким образом, механическое мёртвое пространство увеличивает общее (физиологическое) мёртвое пространство пациента^[13].

Его величину можно уменьшить следующими способами:

• Использование раздельных каналов вдоха и выдоха с односторонними клапанами, установленными в каждом из каналов, обычно между соответствующим каналом и загубником. Это ограничивает мёртвое пространство объёмом между обратными клапанами и ртом или носом пользователя. Не весь объём между обратными клапанами обязательно является мёртвым пространством, поскольку выдыхаемый газ в узких каналах не всегда хорошо смешивается со свежим газом из канала вдоха; однако можно обоснованно предположить, что выдыхаемый газ за выпускными обратными клапанами не смешивается со свежим газом при условии их исправной работы. Общее эффективное мёртвое пространство может быть минимизировано за счёт уменьшения объёма этого внешнего мёртвого пространства, однако это не должно чрезмерно увеличивать работу дыхания, что может стать критичным в дыхательных аппаратах, используемых при высоком внешнем давлении^[14].
• При использовании полнолицевой маски или дыхательного шлема с подачей по требованию:
  • уменьшение внутреннего объёма маски или шлема;
  • наличие небольшой внутренней ороназальной маски внутри основной маски или шлема, которая отделяет внешний дыхательный путь от остального внутреннего объёма.
• В некоторых моделях полнолицевых масок устанавливается загубник, аналогичный применяемым в регуляторах для дайвинга. Он выполняет ту же функцию, что и ороназальная маска, и может дополнительно уменьшать объём внешнего мёртвого пространства, однако ценой вынужденного дыхания через рот (и действуя как кляп, препятствуя чёткой речи)^[15].

Мёртвое пространство уменьшает количество свежего дыхательного газа, достигающего альвеол при каждом вдохе. Это приводит к снижению объёма кислорода, доступного для газообмена, а также к уменьшению количества углекислого газа, которое может быть удалено из организма. Накопление углекислого газа обычно является более заметным эффектом, за исключением случаев, когда дыхательный газ является гипоксическим, как это происходит на большой высоте^[3].

Организм способен в определённой степени компенсировать эти изменения за счёт увеличения объёма вдыхаемого газа, однако это сопровождается ростом работы дыхания и эффективно лишь тогда, когда отношение мёртвого пространства к дыхательному объёму снижается настолько, чтобы компенсировать дополнительную углекислотную нагрузку, обусловленную возросшей работой дыхания. Продолжающееся накопление углекислого газа приводит к развитию гиперкапнии и дыхательного дистресса^[16].

У здоровых людей объём мёртвого пространства (Vd) в покое составляет примерно одну треть дыхательного объёма (Vt) и при физической нагрузке уменьшается примерно до одной пятой, главным образом за счёт увеличения дыхательного объёма, поскольку анатомическое мёртвое пространство изменяется незначительно, а альвеолярное мёртвое пространство в норме отсутствует или очень мало^[17].

Внешнее мёртвое пространство для конкретного дыхательного аппарата обычно является постоянной величиной, и этот объём должен прибавляться к дыхательному объёму для обеспечения эквивалентной эффективной вентиляции на любом заданном уровне физической нагрузки^[12].