Вместе с выдыхаемым воздухом на зеркало выходит: Возьми зеркальце или стекло и подыши на него. Что осталось на нем? Это значит, что вместе с выдыхаемым воздухом выходит

Возьми зеркальце или стекло и подыши на него. Что осталось на нем? Это значит, что вместе с выдыхаемым воздухом выходит

В детстве у меня была любимая игра: я дышала на стекло и неважно, было это зеркало или оконная рама, появлялось тонкая непрозрачная пленка, а потом рисовала, писала. Вытерев надпись, я все начинала сначала. Правда, был нюанс. Летом не получалось такого большого равномерного пятна на поверхности как зимой. Что это было? Сейчас расскажу.

Дыхание человека

При появлении на свет первое важное дело младенца — начать дышать, о чем и возвещает первый крик. Вдыхает человек атмосферный воздух, который является смесью газов. Целью данного процесса является кислород. При выдохе состав этой смеси меняется: кислород расходуется на окисление продуктов потребления и жизнедеятельности организма, а диоксид углерода выделяется как продукт окисления.

В легких человека процесс газообмена происходит в миллионах маленьких легочных пузырьков — альвеолах. Там же выдыхаемый воздух насыщается водяным паром, так как организм человека на 75-85% состоит из воды.

«Зеркальный» конденсат

При выдохе на более холодное стекло или зеркало из выдыхаемого воздуха конденсируется (переходит из газообразного в жидкое состояние) водяной пар в виде маленьких капелек воды, равномерно распределенных по поверхности и создающих так называемый эффект «запотевания». Остальные компоненты, составляющие выдыхаемую смесь:

• азот N2;
• кислород O2;
• углекислый газ CO2;
• инертные газы аргон Ar, неон Ne, криптон He, гелий и другие.

Они имеют высокие температуры конденсации и остаются в виде газов.

Летом температура окружающего воздуха может незначительно отличаться от температуры человеческого тела (36,6 градуса), поэтому водяной пар остается в газообразном состоянии и смешивается с окружающим воздухом.

Для чего можно использовать «зеркало» фонендоскопа

В медицинской практике при тяжелых травмах, когда пациент не проявляет признаков жизни, а врач не может прослушать биение сердца, то он подносит «зеркало» фонендоскопа ко рту пациента и смотрит на образование конденсата.

Появление конденсат свидетельствует о жизни и дыхании пациента и в таком случае требуется приступать к неотложной медицинской помощи. Если «зеркало» остается незамутненным, то, возможно, помощь уже не требуется.

Полезные статьи

Нормальная влажность воздуха в детской комнате составляет 45-70%, что сопоставимо с влажностью приятного морского бриза где-нибудь на побережье. В таких условиях слизистая носоглотки ребенка идеально увлажнена, активизируется местный иммунитет, который не пускает вирусы и микробы в организм малыша. Но как быть, если Вы живете не на море, и влажность в доме не достаточна, чтобы уберечь слизистую носа от пересыхания?

Опасности низкой влажности

Начиная с сентября, с приходом холодов, на всей территории России в домах начинают включать отопление. Однако радиаторы отопления сушат комнатный воздух, и относительная влажность снижается с оптимального уровня до критической отметки  — менее 20%. Относительная влажность воздуха, выдыхаемого человеком, составляет примерно 100%. Таким образом, при вдыхании сухого воздуха наши слизистая и  легкие работают как воздухоувлажнители – в организм попадает воздуха с низкой влажностью, выходит максимально увлажненный. Происходит это за счет водных ресурсов нашего собственного организма, что может привести к следующим последствиям:

1.  слизистая носоглотки теряет защитные свойства – бактерии и вирусы беспрепятственно поступают в организм;
2.  происходит общее обезвоживание организма, что особенно опасно для детей, недомогание начинает развиваться стремительно, и если не предпринять меры, результат может быть самый печальный.  

Как предотвратить последствия низкой влажности воздуха?

• Следить за тем, чтобы ребенок постоянно  пил достаточное количество жидкости (вода, морсы, соки и т.д.), в особенности после физической активности.
• Регулярно производить влажную уборку в детской, это не только уберет пыль и гряз с поверхностей мебели и пола, но и позволит немного увеличить влажность воздуха.
• Поставить увлажнитель воздуха в детскую комнату – самый простой и эффективный способ справиться с сухим воздухом.

Как выбрать детский увлажнитель воздуха?

Существует три распространенных типа увлажнителей воздуха: паровой, ультразвуковой и традиционный (так называемая, мойка воздуха). Однако не все из них могут быть использованы в качестве увлажнителя воздуха в детской комнате или увлажнителя воздуха, например, в детском саду. 

Так паровой увлажнитель воздуха работает по принципу электрического чайника – вода нагревается внутри корпуса прибора и выходит из него в виде пара. В комнате, где живет активный ребенок, его лучше не ставить, чтобы малыш не опрокинул прибор на себя и не обжегся, поэтому это не лучший вариант увлажнителя для ребенка.

В ультразвуковом увлажнителе воздуха пар образуется благодаря ультразвуковым колебаниям мембраны, находящейся внутри прибора. Пар в данном случае холодный,  в виде мельчайших частичек воды.  Однако эти увлажнители не рекомендуется устанавливать слишком близко с кроваткой новорожденного.

Самый безопасный воздухоувлажнитель для ребенка — мойка воздуха. Она производит именно увлажненный воздух, а не горячий пар или холодную дымку. Такой детский увлажнитель воздуха уже много лет производит немецкая компания «Venta».

Преимущества увлажнителя «Venta»

1.  Работает по простому и эффективному принципу: в качестве увлажнителя и фильтра используется вода. Воздух всасывается, проходит через воду, увлажняется и очищается от аллергенов, пыли и шерсти животных. Чтобы поменять грязный фильтр, просто вылейте воду и наберите новую.
2. Очень тихий увлажнитель воздуха в детскую комнату. Нет раздражающего жужжания и шипения, что не мешает ребенку спокойно спать.  
3. Гигиеничен. В приборе нет сменных фильтров и картриджей, в которых активно размножаются микроорганизмы, что важно, если необходим детский увлажнитель воздуха.
4. Подходит для детей любого возраста. Поэтому Venta — хороший увлажнитель воздуха для детского сада.

Где установить увлажнитель воздуха для ребенка?

Лучше всего не устанавливать детский увлажнитель воздуха в непосредственной близости от малыша. Все же стоит стремиться к тому, чтобы весь воздух в комнате был равномерно увлажнен и имел одну и ту же влажность. Выбирая увлажнитель воздуха в детскую, обратите внимание – на какую площадь рассчитан прибор. Если площадь обслуживания существенно превышает размеры комнаты, то есть риск переувлажнить воздух (в данном случае стоит запускать прибор на минимальном режиме, либо же использовать таймер отключения). Если же площадь обслуживания наоборот слишком мала, то вероятнее всего ни Вы, ни ваш малыш не ощутите никакого эффекта от работы такого прибора.  Итак, стараемся выбирать увлажнитель для ребенка, соответствующий площади детской комнаты, таким же образом выбираем увлажнитель воздуха для детского сада. Мойки воздуха Venta подразделяются на различные модели, каждая из которых соответствует определенной площади: LW15- идеальное решение для маленькой детской до 15 кв. м, LW25 подходит для комнат побольше (до 40 кв. м), а вот LW45 -это уже увлажнитель воздуха для детского сада, обеспечивающий увлажнение больших площадей до 65 кв. м.

Чаще всего увлажнитель воздуха в детскую (особенно мойка воздуха) устанавливается на полу, там этот прибор проще всего расположить, а самое главное – именно на полу мойка воздуха собирает максимум пыли из воздуха, выполняя свою вторую функцию. Кроме этого, рекомендуется устанавливать на полу и увлажнитель воздуха для детского сада, в противном случае во время игр дети могут  опрокинуть или перевернуть прибор, находящийся на столе или полке.

С помощью моек воздуха Venta вы создадите оптимальную влажность и очистите воздух. Ваш малыш будет здоровее, а если вдруг и подхватит простуду, то вылечится гораздо быстрее. Будьте здоровы!

Ученые сообщили о возможности заражения коронавирусом через дыхание | Новости из Германии о событиях в мире | DW

До сих пор большинство ученых склонялось к мнению о том, что коронавирус SARS-CoV-2, который вызывает опасную пневмонию COVID-19, передается в основном воздушно-капельным путем. Это означает, что им можно заразиться от чихающего или кашляющего больного или дотронувшись до поверхности, на которую попали капельки выделений последнего. Однако теперь некоторые ученые склонны полагать, что вирус может попасть в воздух через дыхание инфицированного человека и оставаться там после этого заразным на протяжении трех часов. Об этом сообщает немецкий журнал Focus в пятницу, 3 апреля.

Выводы о том, что коронавирус может передаваться через обычное дыхание, содержатся также в материалах исследования «Аэрозоль и устойчивость на поверхности вируса SARS-CoV-2 в сравнении с вирусом SARS CoV-1», опубликованном 17 марта в научном журнале The New England Journal of Medicine.

Согласно авторам исследования, вирус может попадать в воздух в «аэрозольных капельках» диаметром менее пяти микрометров. Эти капельки способны парить в воздухе до трех часов. Все это время содержащиеся в них вирусы остаются заразными, говорится в статье.

Выводы Национальной академии наук США о коронавирусе

Кроме этого, о возможности передачи коронавирусной инфекции этим путем предупреждает Национальная академия наук США (NAS) в экстренном письме к правительству страны от 1 апреля. «Доступные на сегодняшний день результаты исследований говорят о том, что существует возможность передачи вируса SARS-CoV-2 через биоаэрозоли, производимые дыханием человека», — говорится в этом письме.

Далее его авторы сообщают о том, что недавнее исследование, проведенное медицинским центром университета Небраски, подтвердило наличие РНК вируса в помещении, где оказывали помощь больным коронавирусом. Генетический материал вируса был найден также на одежде, которую носил персонал, обследовавший больных, хотя во время этого обследования пациенты не чихали и не кашляли, говорится в письме.

ВОЗ о возможности передачи коронавируса через дыхание

В то же время эксперты NSA отмечают, что степень угрозы заразиться коронавирусом через дыхание или во время разговора, а также поведение биоаэрозолей, содержащих коронавирус, в окружающей среде необходимо исследовать отдельно. Пока известно лишь, что концентрация вируса, содержащаяся в дыхании разных пациентов, также является различной, указывается в документе.

Со своей стороны Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) неоднозначно относится к гипотезе о том, что коронавирус может передаваться через биоаэрозоли. В конце марта представители ВОЗ заявили, что этот способ передачи инфекции «при определенных обстоятельствах и в некоторых ситуациях, в которых возникают аэрозоли, является вероятным». В качестве примера подобной ситуации эксперты ВОЗ назвали интубацию тяжело больного пациента с целью обеспечения его кислородом.

 Focus: Надо носить защитные маски

Если способ передачи коронавируса через биоаэрозоль подтвердится, делает вывод журнал Focus, возникает большая проблема: люди должны будут носить защитные маски на публике, чтобы предотвратить заражение лицом к лицу, но эти маски почти везде в дефиците.

Смотрите также:

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Вирусы на дверных ручках

  Известные науке коронавирусы выживают на поверхностях типа дверных ручек от 4 до 5 дней, оставаясь заразными. Как и прочие инфекции, распространяющиеся воздушно-капельным путем, SARS-CoV-2 может передаваться через руки и поверхности, до которых часто дотрагиваются. По крайней мере, эксперты полагают, что эти особенности уже изученных коронавирусов свойственны и новому типу инфекции.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Столовые приборы

  Чтобы не заразиться коронавирусом в кафе или столовой, нужно соблюдать меры предосторожности. В теории вирус может попасть на столовые приборы, если инфицированный человек на них чихнет или закашляется. Тем не менее, по данным немецкого Федерального ведомства по оценке рисков (BfR), случаев передачи вируса SARS-CoV-2 через столовые приборы до сих пор не зафиксировано.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Товары из Китая

  Может ли ребенок заразиться коронавирусом через китайские игрушки? По данным BfR, до сих пор случаев заражения через товары «made in China» не было. Согласно первым исследованиям, на картонной поверхности коронавирус остается заразным в течение 24 часов. На поверхностях из пластика и нержавеющей стали — три дня.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Посылки из-за границы

  На сухих поверхностях передающиеся человеку коронавирусы долго не выживают. Поскольку жизнеспособность вируса вне человеческого организма зависит от многих факторов, в том числе температуры и влажности воздуха, ведомство BfR называет заражение SARS-CoV-2 через почтовые отправления маловероятным. Правда, с оговоркой: точных данных на этот счет пока нет.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Домашние животные

  Могу ли я заразиться коронавирусом от своей собаки? А собака от меня? Риск того, что домашний питомец будет инфицирован SARS-CoV-2, эксперты считают очень невысоким, но и не исключают его. При этом животные не проявляют симптомов болезни. Однако, если они заражены коронавирусом, то могут распространять его через дыхание или экскременты.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Овощи с рынка

  Заражение коронавирусом SARS-CoV-2 через продукты питания маловероятно, подобных случаев пока зарегистрировано не было. Тем не менее, перед готовкой нужно тщательно вымыть руки — независимо от эпидемии коронавируса. Поскольку вирусы плохо переносят высокие температуры, подогрев пищи может еще больше снизить риск заражения.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Замороженные продукты

  Известные медицине коронавирусы типов SARS- и MERS- не любят высоких температур, однако довольно устойчивы к низким. При температуре -20 градусов по Цельсию они могут оставаться заразными до двух лет! Тем не менее, по данным ведомства BfR, случаев передачи коронавируса SARS-CoV-2 через продукты питания — в том числе замороженные — зарегистрировано не было.

• Руки прочь: от каких поверхностей можно заразиться коронавирусом

  Есть диких животных запрещено!

  Из-за пандемии коронавируса в Китае запретили употреблять в пищу диких животных. Многое указывает на то, что коронавирус передался человеку от летучей мыши — конечно, против ее воли. Вероятно, произошло это на одном из рынков в китайском городе Ухань.

  Автор: Юлия Вергин, Елена Гункель

Optical Flow Investigation Methods — Registered manuscripts

На практике для визуализации слабо поглощающих биологических образцов применяются фазово-контрастные и дифференциальные интерференционно-контрастные методы микроскопии. Однако эти методы имеют один важный недостаток, заключающийся в том, что измеренная интенсивность имеет нелинейную, а, следовательно, и неконвертируемую связь с фазой образца. А без информации о фазе невозможно определить морфологию исследуемых образцов, такие как размер, оптическую толщину, свили и т.д. Эти ограничения, в сочетании с появлением цифровых датчиков изображения и прогрессом в области информационной оптики, привели к появлению и расширению области фазовых измерений и методов количественной фазовой визуализации, который сочетает в себе инновации в области оптики, теории визуализации и вычислительных методов для количественного отображения фазовой информации различных образцов.
Несмотря на достижения оптической интерферометрии на протяжении десятилетий развивались и другие методы фазовой визуализации, например, методы интерферометрической микроскопии и цифровой голографии, низкокогерентные методы голографии или интерферометрическую микроскопию белого света.
В отличие от указанных выше методов, существует категория методов извлечения фазы из измерения интенсивности не итерационным способом. По сравнению с традиционными интерферометрическими методами, уравнение переноса интенсивности (TIE) имеет много преимуществ, нет опорного пучка, простота расчета, возможность работы с временными/частично-временными когерентными пучками, отсутствие необходимости в фазовой развёртке и сложных оптических установок и стабильная среда измерения. Использование TIE оказывается достаточным, когда ставится задача голографического восстановления (пусть и цифрового) лишь трех характеристик объектного поля: амплитуды, фазы и длины волны. Однако важная изначальная характеристика рассеянного объектом поля — состояние его поляризации на голограмме не отображается и в процессе восстановления не воспроизводится.
Картирование объема природного алмаза ставит задачи, где требуются измерения состояния поляризации не только на выходе, но и внутри этой среды. Это направление развивается последние несколько десятилетий и позволяет рассчитать не только амплитуду и фазу излучения, в любой точке пространства, но и учесть состояние поляризации. Реализованные методы будут эффективным инструментом для структурного описания оптических центров алмаза.

Легкие и дыхательная система (для родителей)

Что такое легкие и дыхательная система?

Легкие и дыхательная система позволяют нам дышать. Они приносят кислород в наши тела (так называемый вдох или вдох) и выводят углекислый газ наружу (так называемый выдох или выдох).

Этот обмен кислорода и углекислого газа называется дыханием.

Какие части дыхательной системы?

Дыхательная система включает нос, рот, горло, голосовой ящик, дыхательное горло и легкие.

Воздух попадает в дыхательную систему через нос или рот. Если он попадает в ноздри (также называемые ноздрями), воздух нагревается и увлажняется. Крошечные волоски, называемые ресничками (SIL-ee-uh), защищают носовые проходы и другие части дыхательных путей, отфильтровывая пыль и другие частицы, попадающие в нос через вдыхаемый воздух.

Два отверстия дыхательных путей (носовая полость и рот) встречаются в глотке (чернила FAR) или в горле, в задней части носа и рта.Глотка является частью пищеварительной системы, а также дыхательной системы, потому что она несет как пищу, так и воздух.

В нижней части глотки этот путь разделяется на две части: один для пищи — пищевод (ih-SAH-fuh-gus), который ведет к желудку, а другой — для воздуха. Надгортанник (eh-pih-GLAH-tus), небольшой лоскут ткани, закрывает проход только для воздуха, когда мы глотаем, предотвращая попадание пищи и жидкости в легкие.

Гортань, или голосовой ящик, представляет собой верхнюю часть трубы, предназначенной только для воздуха.Эта короткая трубка содержит пару голосовых связок, которые издают звуки.

Трахея или дыхательное горло является продолжением дыхательных путей ниже гортани. Стенки трахеи (TRAY-kee-uh) укреплены жесткими кольцами

мм.
хрящ, чтобы держать его открытым. Трахея также выстлана ресничками, которые удаляют жидкости и инородные частицы из дыхательных путей, чтобы они не попадали в легкие.

На нижнем конце трахея делится на левую и правую воздушные трубки, называемые бронхами (BRAHN-kye), которые соединяются с легкими.В легких бронхи разветвляются на более мелкие бронхи и еще более мелкие трубки, называемые бронхиолами (BRAHN-kee-olz). Бронхиолы заканчиваются в крошечных воздушных мешочках, называемых альвеолами, где на самом деле происходит обмен кислорода и углекислого газа. У каждого человека в легких сотни миллионов альвеол. Эта сеть альвеол, бронхиол и бронхов известна как бронхиальное дерево.

Легкие также содержат эластичные ткани, которые позволяют им раздуваться и сдуваться, не теряя формы, и покрыты тонкой оболочкой, называемой плеврой (PLUR-uh).

Грудная полость или грудная клетка (THOR-aks) — это воздухонепроницаемая коробка, в которой находится бронхиальное дерево, легкие, сердце и другие структуры. Верхняя и боковые части грудной клетки образованы ребрами и прикрепленными к ней мышцами, а нижняя — большой мышцей, называемой диафрагмой (DYE-uh-fram). Стенки грудной клетки образуют защитную клетку вокруг легких и другого содержимого грудной полости.

Как работают легкие и дыхательная система?

Клеткам нашего тела нужен кислород, чтобы оставаться в живых.Углекислый газ вырабатывается в нашем организме, поскольку клетки выполняют свою работу.

Легкие и дыхательная система позволяют кислороду из воздуха поступать в организм, а также позволяют организму избавляться от углекислого газа, содержащегося в выдыхаемом воздухе.

Когда вы вдыхаете, диафрагма движется вниз к животу, а мышцы ребер тянут ребра вверх и наружу. Это увеличивает грудную полость и втягивает воздух через нос или рот в легкие.

На выдохе диафрагма движется вверх и мышцы грудной стенки расслабляются, в результате чего грудная полость сужается и выталкивает воздух из дыхательной системы через нос или рот.

Каждые несколько секунд при каждом вдохе воздух наполняет большую часть миллионов альвеол. В процессе, называемом диффузией, кислород перемещается из альвеол в кровь через капилляры (крошечные кровеносные сосуды), выстилающие альвеолярные стенки. Попадая в кровоток,

забирает кислород.
гемоглобин в красных кровяных тельцах. Эта богатая кислородом кровь затем возвращается к сердцу, которое перекачивает ее по артериям к кислородно-голодным тканям по всему телу.

В крошечных капиллярах тканей тела кислород освобождается от гемоглобина и перемещается в клетки.Углекислый газ, вырабатываемый клетками во время их работы, перемещается из клеток в капилляры, где большая часть его растворяется в плазме крови. Кровь, богатая углекислым газом, затем возвращается к сердцу по венам. Из сердца эта кровь перекачивается в легкие, где углекислый газ переходит в альвеолы ​​для выдоха.

Химический состав выдыхаемого воздуха из легких человека

Как биологическому виду, людям для выживания нужен воздух; потребность, которую он разделяет с большинством других членов Королевства Животных.После того, как человек вдыхает воздух Земли (примерно 78 процентов азота и 21 процент кислорода), он или она выдыхает смесь соединений, аналогичных вдыхаемому воздуху: 78 процентов азота, 16 процентов кислорода, 0,09 процента аргона и четыре процента углекислого газа. Некоторые ученые предполагают, что выдыхаемый воздух содержит до 3500 соединений, большинство из которых находятся в микроскопических количествах. Однако в этом есть некоторая вариативность. Качество воздуха может повлиять как на содержание того, что люди вдыхают и выдыхают, что беспокоит некоторых защитников окружающей среды, когда речь идет о промышленных предприятиях и автомобилях, выделяющих потенциально вредные газы.Точно так же некоторые врачи предполагают, что мониторинг химического состава воздуха, который выдыхает человек, может быть полезным диагностическим инструментом при выявлении респираторных заболеваний.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Людям и многим другим видам нужен воздух, чтобы жить. Они вдыхают сочетание элементов и соединений и выдыхают похожий набор с разными пропорциями. Выдыхаемый воздух состоит из 78 процентов азота, 16 процентов кислорода, 4 процентов углекислого газа и, возможно, тысяч других соединений.

Краткое описание дыхания

Люди, как и многие другие животные, вдыхают воздух через рот в легкие. Грудная полость, содержащая легкие, расширяется и сжимается вместе с диафрагмой при движении вниз и вверх. Внутри легких небольшие мешочки, называемые альвеолами, наполняются воздухом. Оттуда кислород в воздухе проходит через тонкие стенки альвеол в кровь, где он используется в аэробном дыхании — процессе, с помощью которого клетки превращают кислород и сахар в химическую энергию, углекислый газ и воду.Затем кровь переносит оставшийся углекислый газ обратно в легкие, и человек выдыхает его вместе с другими частями воздуха, которые не нужны для жизни человека, такими как азот. В среднем люди потребляют и поглощают около 4 процентов кислорода, который они получают из воздуха.

Что в дыхании?

Азот составляет основную часть (78 процентов) воздуха, который люди вдыхают и выдыхают, учитывая, что человеческим телам он не нужен. Второе место принадлежит кислороду (21 процент на входе, 16 процентов на выходе) и на дальнем третьем месте углекислый газ (0.04 процента вошли, четыре процента вышли). В выдыхаемом воздухе присутствуют и другие микроэлементы, такие как аргон (0,09 процента в обе стороны, опять же потому, что люди его не используют). Люди также выдыхают водяной пар, побочный продукт клеточного дыхания, со скоростью, которая зависит от человека, его здоровья и других факторов.

В воздухе, который люди вдыхают и выдыхают, могут присутствовать другие химические вещества, некоторые из которых могут быть вредными для здоровья человека. Промышленные твердые частицы, дым от сигарет и другие химические вещества, такие как оксиды серы и азота, могут нанести вред легким.Некоторые формы опасных веществ, такие как микробы и частицы, попадают в волосовидные наросты, выстилающие проход в горло человека. Названные ресничками, они помогают защитить людей от этих элементов в воздухе Земли, но это не идеальная система, и иногда вещи могут достигать остальной части легких и попадать в альвеолы. Например, микробы потенциально могут вызывать инфекции.

Композиции выдыхаемого воздуха при различных дыхательных ритмах отражают изменения дыхания: перевод дыхательной техники в респираторную медицину

Дыхательная система: части, функции и заболевания

Что такое дыхательная система?

Дыхательная система — это органы и другие части вашего тела, участвующие в дыхании, когда вы обмениваетесь кислородом и углекислым газом.

Части дыхательной системы

В вашу дыхательную систему входят:

• Нос и носовая полость
• Пазухи
• Рот
• Горло (глотка)
• Голосовой аппарат (гортань)
• Дыхательное горло (трахея)
• Диафрагма
• Легкие
• Бронхи / бронхи
• Бронхиолы
• Воздушные мешочки (альвеолы)
• Капилляры

Как мы дышим?

Дыхание начинается, когда вы вдыхаете воздух в нос или рот.Он проходит по задней стенке горла и попадает в трахею, которая разделена на дыхательные пути, называемые бронхами.

Чтобы ваши легкие работали наилучшим образом, эти дыхательные пути должны быть открыты. На них не должно быть воспалений, отеков и лишней слизи.

Проходя через легкие, бронхи разделяются на более мелкие дыхательные пути, называемые бронхиолами. Бронхиолы заканчиваются крошечными воздушными мешочками, напоминающими воздушные шары, которые называются альвеолами. В вашем теле около 600 миллионов альвеол.

Альвеолы ​​окружены сеткой крошечных кровеносных сосудов, называемых капиллярами. Здесь кислород из вдыхаемого воздуха попадает в вашу кровь.

После поглощения кислорода кровь направляется к сердцу. Затем ваше сердце перекачивает его через ваше тело к клеткам ваших тканей и органов.

Поскольку клетки используют кислород, они производят углекислый газ, который попадает в вашу кровь. Затем ваша кровь переносит углекислый газ обратно в легкие, где он удаляется из вашего тела при выдохе.

Вдыхание и выдох

Вдыхание и выдох — это то, как ваше тело получает кислород и избавляется от углекислого газа. Этому процессу помогает большая куполообразная мышца под легкими, называемая диафрагмой.

Когда вы вдыхаете, ваша диафрагма тянется вниз, создавая вакуум, который вызывает прилив воздуха в легкие.

С выдохом происходит обратное: ваша диафрагма расслабляется вверх, давя на легкие, позволяя им сдуться.

Как дыхательная система очищает воздух?

Ваша дыхательная система имеет встроенные средства, предотвращающие попадание вредных веществ из воздуха в легкие.

Волосы в носу помогают отфильтровывать крупные частицы. Крошечные волоски, называемые ресничками, вдоль дыхательных путей движутся широкими движениями, чтобы поддерживать их в чистоте. Но если вдыхать вредные вещества, например, сигаретный дым, реснички могут перестать работать. Это может привести к таким проблемам со здоровьем, как бронхит.

Клетки трахеи и бронхов вырабатывают слизь, которая поддерживает влажность дыхательных путей и помогает удерживать пыль, бактерии, вирусы и вещества, вызывающие аллергию, из легких.

Слизь может доставить вещи, которые проникают глубже в легкие. Затем вы откашляете или проглотите их.

Заболевания дыхательной системы

Распространенные болезни дыхательной системы включают:

• Астма. Ваши дыхательные пути сужаются и выделяют слишком много слизи.
• Бронхоэктазия. Воспаление и инфекция делают стенки бронхов толще.
• Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). Это длительное состояние со временем ухудшается.Он включает бронхит и эмфизему.
• Пневмония. Инфекция вызывает воспаление ваших альвеол. Они могут заполниться жидкостью или гноем.
• Туберкулез. Эту опасную инфекцию вызывает бактерия. Обычно это поражает ваши легкие, но также может поражать почки, позвоночник или мозг.
• Рак легких. Клетки в вашем легком изменяются и превращаются в опухоль. Это часто происходит из-за курения или употребления других химических веществ, которые вы вдыхали.
• Муковисцидоз. Это заболевание вызвано проблемой в ваших генах и со временем ухудшается. Это вызывает неизлечимые инфекции легких.
• Плевральный выпот. Слишком много жидкости скапливается между тканями, выстилающими ваши легкие и грудную клетку.
• Идиопатический фиброз легких. Ткань вашего легкого покрывается рубцами и не может работать должным образом.
• Саркоидоз. Крошечные скопления воспалительных клеток, называемые гранулемами, часто образуются в легких и лимфатических узлах.

11.3 Системы кровообращения и дыхания — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите прохождение воздуха из окружающей среды в легкие
• Объясните, как легкие защищены от твердых частиц
• Опишите функцию кровеносной системы
• Опишите сердечный цикл
• Объясните, как кровь течет по телу

Животные — сложные многоклеточные организмы, которым необходим механизм для транспортировки питательных веществ по телу и удаления отходов.Система кровообращения человека имеет сложную сеть кровеносных сосудов, которые достигают всех частей тела. Эта обширная сеть снабжает клетки, ткани и органы кислородом и питательными веществами, а также удаляет углекислый газ и отходы.

Средой для переноса газов и других молекул является кровь, которая постоянно циркулирует по системе. Разница в давлении внутри системы вызывает движение крови и создается за счет работы сердца.

Газообмен между тканями и кровью — важная функция системы кровообращения.У людей, других млекопитающих и птиц кровь поглощает кислород и выделяет углекислый газ в легких. Таким образом, кровеносная и дыхательная системы, функции которых заключаются в получении кислорода и выбросе углекислого газа, работают в тандеме.

Сделайте вдох и задержите дыхание. Подождите несколько секунд, а затем дайте ему выйти. Люди, когда они не напрягаются, дышат в среднем примерно 15 раз в минуту. Это соответствует примерно 900 вдохам в час или 21 600 вдохам в день. С каждым вдохом воздух наполняет легкие, а с каждым выдохом он устремляется обратно.Этот воздух делает больше, чем просто надувает и сдувает легкие в грудной полости. Воздух содержит кислород, который проходит через легочную ткань, попадает в кровоток и попадает в органы и ткани. Там кислород обменивается на углекислый газ, который является клеточным отходом. Углекислый газ выходит из клеток, попадает в кровоток, возвращается в легкие и выходит из организма во время выдоха.

Дыхание бывает как произвольным, так и непроизвольным. Частота вдоха и количества вдыхаемого или выдыхаемого воздуха регулируется дыхательным центром мозга в ответ на сигналы, которые он получает о содержании углекислого газа в крови.Однако можно отключить это автоматическое регулирование для таких действий, как говорение, пение и плавание под водой.

Во время вдоха диафрагма опускается, создавая отрицательное давление вокруг легких, и они начинают раздуваться, втягивая воздух извне. Воздух поступает в тело через носовую полость, расположенную внутри носа (рис. 11.9). По мере того, как воздух проходит через носовую полость, он нагревается до температуры тела и увлажняется влагой со слизистых оболочек.Эти процессы помогают уравновесить воздух в соответствии с условиями тела, уменьшая любой ущерб, который может причинить холодный сухой воздух. Твердые частицы, плавающие в воздухе, удаляются из носовых ходов с помощью волос, слизи и ресничек. Образцы воздуха также отбираются химически с помощью обоняния.

Из носовой полости воздух проходит через глотку (горло) и гортань (голосовой ящик), попадая в трахею (рис. 11.9). Основная функция трахеи — направлять вдыхаемый воздух в легкие, а выдыхаемый — обратно из тела.Человеческая трахея представляет собой цилиндр длиной около 25–30 см (9,8–11,8 дюйма), который находится перед пищеводом и простирается от глотки в грудную полость к легким. Он состоит из неполных колец хряща и гладкой мускулатуры. Хрящ обеспечивает силу и поддержку трахеи, чтобы проход оставался открытым. Трахея выстлана клетками, которые имеют реснички и выделяют слизь. Слизь улавливает вдыхаемые частицы, а реснички перемещают частицы к глотке.

Конец трахеи разделяется на два бронха, которые входят в правое и левое легкое.Воздух попадает в легкие через главные бронхи. Главный бронх разделяется, создавая бронхи все меньшего и меньшего диаметра, пока проходы не станут менее 1 мм (0,03 дюйма) в диаметре, когда их называют бронхиолами, поскольку они разделяются и распространяются по легкому. Как и трахея, бронхи и бронхиолы состоят из хряща и гладких мышц. Бронхи иннервируются нервами как парасимпатической, так и симпатической нервной системы, которые контролируют сокращение мышц (парасимпатическая) или расслабление (симпатическая) в бронхах и бронхиолах, в зависимости от сигналов нервной системы.Последние бронхиолы — это респираторные бронхиолы. К концу каждой респираторной бронхиолы прикреплены альвеолярные протоки. В конце каждого протока находятся альвеолярные мешочки, каждый из которых содержит от 20 до 30 альвеол. Газообмен происходит только в альвеолах. Альвеолы ​​тонкостенные и выглядят как крошечные пузырьки внутри мешочков. Альвеолы ​​находятся в непосредственном контакте с капиллярами кровеносной системы. Такой тесный контакт обеспечивает диффузию кислорода из альвеол в кровь. Кроме того, углекислый газ будет диффундировать из крови в альвеолы ​​для выдоха.Анатомическое расположение капилляров и альвеол подчеркивает структурную и функциональную взаимосвязь дыхательной и кровеносной систем. Оценки площади поверхности альвеол в легких колеблются в пределах 100 м ² . Эта большая территория составляет примерно половину теннисного корта. Эта большая площадь поверхности в сочетании с тонкостенным характером альвеолярных клеток позволяет газам легко диффундировать по клеткам.

Рис. 11.9 Воздух попадает в дыхательную систему через носовую полость, а затем проходит через глотку и трахею в легкие.(кредит: модификация работы NCI)

Основная функция дыхательной системы — доставлять кислород к клеткам тканей тела и удалять углекислый газ, продукт жизнедеятельности клеток. Основными структурами дыхательной системы человека являются носовая полость, трахея и легкие.

Все аэробные организмы нуждаются в кислороде для выполнения своих метаболических функций. На древе эволюции разные организмы изобрели разные способы получения кислорода из окружающей атмосферы.Среда, в которой живет животное, во многом определяет то, как оно дышит. Сложность дыхательной системы коррелирует с размерами организма. По мере увеличения размера животного расстояния диффузии увеличиваются, а отношение площади поверхности к объему уменьшается. У одноклеточных организмов диффузии через клеточную мембрану достаточно для снабжения клетки кислородом (рис. 11.10). Диффузия — это медленный пассивный транспортный процесс. Для того чтобы диффузия была возможным средством обеспечения клетки кислородом, скорость поглощения кислорода должна соответствовать скорости диффузии через мембрану.Другими словами, если бы ячейка была очень большой или толстой, диффузия не могла бы достаточно быстро доставить кислород внутрь ячейки. Следовательно, зависимость от диффузии как средства получения кислорода и удаления углекислого газа остается возможной только для небольших организмов или организмов с сильно уплощенным телом, таких как многие плоские черви (Platyhelminthes). Более крупные организмы должны были развить специализированные респираторные ткани, такие как жабры, легкие и дыхательные пути, сопровождаемые сложной системой кровообращения, чтобы транспортировать кислород по всему телу.

Рис. 11.10. Клетка одноклеточной водоросли Ventricaria ventricosa — одна из самых крупных из известных, достигая от одного до пяти сантиметров в диаметре. Как и все одноклеточные организмы, V. ventricosa обменивается газами через клеточную мембрану.

Для небольших многоклеточных организмов диффузии через внешнюю мембрану достаточно для удовлетворения их потребности в кислороде. Газообмен путем прямой диффузии через поверхностные мембраны эффективен для организмов диаметром менее 1 мм. У простых организмов, таких как книдарии и плоские черви, каждая клетка тела находится рядом с внешней средой.Их клетки остаются влажными, а газы быстро диффундируют за счет прямой диффузии. Плоские черви — это маленькие, буквально плоские черви, которые «дышат» путем диффузии через внешнюю мембрану (рис. 11.11). Плоская форма этих организмов увеличивает площадь поверхности для диффузии, гарантируя, что каждая клетка в теле находится близко к поверхности внешней мембраны и имеет доступ к кислороду. Если бы плоский червь имел цилиндрическое тело, то клетки в центре не могли бы получать кислород.

Рисунок 11.11. Процесс дыхания этого плоского червя осуществляется путем диффузии через внешнюю мембрану.(кредит: Стивен Чайлдс)

Дождевые черви и земноводные используют свою кожу (покровы) как орган дыхания. Густая сеть капилляров находится чуть ниже кожи и способствует газообмену между внешней средой и кровеносной системой. Поверхность дыхательных путей должна быть влажной, чтобы газы растворялись и распространялись через клеточные мембраны.

Организмам, живущим в воде, необходим кислород из воды. Кислород растворяется в воде, но в меньшей концентрации, чем в атмосфере.В атмосфере примерно 21 процент кислорода. В воде концентрация кислорода намного меньше. У рыб и многих других водных организмов развились жабры, которые поглощают растворенный кислород из воды (рис. 11.12). Жабры — это тонкие тканевые нити, сильно разветвленные и складчатые. Когда вода проходит через жабры, растворенный в воде кислород быстро диффундирует через жабры в кровоток. Система кровообращения может переносить насыщенную кислородом кровь к другим частям тела.У животных, которые содержат целомическую жидкость вместо крови, кислород диффундирует через жаберные поверхности в целомическую жидкость. Жабры встречаются у моллюсков, кольчатых червей и ракообразных.

Рисунок 11.12.
У этого карпа, как и у многих других водных организмов, есть жабры, которые позволяют ему получать кислород из воды. (кредит: «Guitardude012 ″ / Wikimedia Commons)

Складчатые поверхности жабр обеспечивают большую площадь поверхности, чтобы рыба получала достаточное количество кислорода. Диффузия — это процесс, при котором материал перемещается из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.В этом случае кровь с низкой концентрацией молекул кислорода циркулирует по жабрам. Концентрация молекул кислорода в воде выше, чем концентрация молекул кислорода в жабрах. В результате молекулы кислорода диффундируют из воды (высокая концентрация) в кровь (низкая концентрация), как показано на рисунке 11.13. Точно так же молекулы углекислого газа в крови диффундируют из крови (высокая концентрация) в воду (низкая концентрация).

Рисунок 11.13. Когда вода течет по жабрам, кислород передается в кровь по венам.(кредит «рыба»: модификация работы Дуэйна Рейвера, NOAA)

Дыхание насекомого не зависит от его кровеносной системы; следовательно, кровь не играет прямой роли в транспорте кислорода. У насекомых есть узкоспециализированная дыхательная система, называемая трахеальной системой, которая состоит из сети небольших трубок, по которым кислород проходит по всему телу. Трахеальная система — самая прямая и эффективная дыхательная система активных животных. Трубки в трахеальной системе изготовлены из полимерного материала, называемого хитином.

Тела насекомых имеют отверстия, называемые дыхальцами, вдоль грудной клетки и брюшка. Эти отверстия соединяются с трубчатой ​​сетью, позволяя кислороду проходить в тело (рис. 11.14) и регулируя диффузию CO ₂ и водяного пара. Воздух входит и выходит из трахеальной системы через дыхальца. Некоторые насекомые могут вентилировать трахею с помощью движений тела.

Рисунок 11.14. Насекомые дышат через трахею.

У млекопитающих вентиляция легких осуществляется путем вдыхания (дыхания).Во время вдоха воздух поступает в тело через носовую полость , расположенную внутри носа (рис. 11.15). По мере прохождения воздуха через носовую полость он нагревается до температуры тела и увлажняется. Дыхательные пути покрыты слизью, защищающей ткани от прямого контакта с воздухом. Слизь с высоким содержанием воды. Когда воздух проходит через эти поверхности слизистых оболочек, он впитывает воду. Эти процессы помогают уравновесить воздух в соответствии с условиями тела, уменьшая любой ущерб, который может причинить холодный сухой воздух.Твердые частицы, которые плавают в воздухе, удаляются через носовые ходы через слизь и реснички. Процессы нагревания, увлажнения и удаления частиц являются важными защитными механизмами, предотвращающими повреждение трахеи и легких. Таким образом, вдыхание служит нескольким целям в дополнение к доставке кислорода в дыхательную систему.

Рисунок 11.15. Воздух попадает в дыхательную систему через носовую полость и глотку, а затем проходит через трахею в бронхи, которые переносят воздух в легкие.(кредит: модификация работы NCI)

Какое из следующих утверждений о дыхательной системе млекопитающих неверно?

1. Когда мы вдыхаем, воздух проходит от глотки к трахее.
2. Бронхиолы разветвляются на бронхи.
3. Альвеолярные протоки соединяются с альвеолярными мешочками.
4. Газообмен между легкими и кровью происходит в альвеолах.

Из носовой полости воздух проходит через глотку (горло) и гортань (голосовой ящик), попадая в трахею (Рисунок 11.16). Основная функция трахеи — направлять вдыхаемый воздух в легкие, а выдыхаемый — обратно из тела. Трахея человека представляет собой цилиндр длиной от 10 до 12 см и диаметром 2 см, который находится перед пищеводом и простирается от гортани в грудную полость, где он разделяется на два основных бронха в средней части грудной клетки. Он состоит из неполных колец гиалинового хряща и гладкой мускулатуры (рис. 11.17). Трахея выстлана слизистыми бокаловидными клетками и мерцательным эпителием.Реснички продвигают инородные частицы, попавшие в слизь, к глотке. Хрящ обеспечивает силу и поддержку трахеи, чтобы проход оставался открытым. Гладкая мышца может сокращаться, уменьшая диаметр трахеи, в результате чего выдыхаемый воздух с огромной силой устремляется вверх из легких. Форсированный выдох помогает избавиться от слизи при кашле. Гладкие мышцы могут сокращаться или расслабляться в зависимости от стимулов внешней среды или нервной системы организма.

Рисунок 11.16.
Трахея и бронхи состоят из неполных хрящевых колец.(кредит: модификация работы Gray’s Anatomy)

Легкие: бронхи и альвеолы ​​

Конец трахеи разветвляется (делится) на правое и левое легкие. Легкие не идентичны. Правое легкое больше и содержит три доли, тогда как левое легкое меньшего размера содержит две доли (рис. 11.17). Мышечная диафрагма , , которая облегчает дыхание, находится ниже (внизу) легких и отмечает конец грудной полости.

Рисунок 11.17. В легких трахея разветвляется на правый и левый бронхи.Правое легкое состоит из трех долей и больше. Для размещения сердца левое легкое меньше и имеет только две доли.

В легких воздух попадает в все меньшие и меньшие проходы, или бронхи . Воздух поступает в легкие через два основных (главных) бронха (единственное число: бронх). Каждый бронх делится на вторичные бронхи, а затем на третичные бронхи, которые, в свою очередь, делятся, образуя бронхиолы все меньшего и меньшего диаметра по мере того, как они разделяются и распространяются по легкому.Как и трахея, бронхи состоят из хряща и гладких мышц. В бронхиолах хрящ заменяется эластичными волокнами. Бронхи иннервируются нервами как парасимпатической, так и симпатической нервной системы, которые контролируют сокращение мышц (парасимпатическая) или расслабление (симпатическая) в бронхах и бронхиолах, в зависимости от сигналов нервной системы. У человека бронхиолы диаметром менее 0,5 мм — это респираторные бронхиолы . У них нет хрящей, и поэтому они полагаются на вдыхаемый воздух, чтобы поддерживать их форму.По мере уменьшения диаметра проходов относительное количество гладких мышц увеличивается.

Терминальные бронхиолы подразделяются на микроскопические ветви, называемые респираторными бронхиолами. Дыхательные бронхиолы подразделяются на несколько альвеолярных протоков. Многочисленные альвеолы ​​и альвеолярные мешки окружают альвеолярные протоки. Альвеолярные мешочки напоминают грозди винограда, привязанные к концам бронхиол (рис. 11.18). В ацинарной области альвеолярных протока прикреплены к концу каждой бронхиолы.В конце каждого протока находится примерно 100 альвеолярных мешочка, по каждый содержит от 20 до 30 альвеол , имеющих диаметр от 200 до 300 микрон. Газообмен происходит только в альвеолах. Альвеолы ​​состоят из тонкостенных паренхиматозных клеток, обычно толщиной в одну клетку, которые выглядят как крошечные пузырьки внутри мешочков. Альвеолы ​​находятся в непосредственном контакте с капиллярами (толщиной в одну клетку) кровеносной системы. Такой тесный контакт обеспечивает диффузию кислорода из альвеол в кровь и распределение по клеткам тела.Кроме того, углекислый газ, который вырабатывается клетками в качестве отходов жизнедеятельности, будет диффундировать из крови в альвеолы ​​для выдоха. Анатомическое расположение капилляров и альвеол подчеркивает структурную и функциональную взаимосвязь дыхательной и кровеносной систем. Поскольку в каждом альвеолярном мешочке так много альвеол (~ 300 миллионов на легкое) и так много мешочков в конце каждого альвеолярного протока, легкие имеют губчатую консистенцию. Эта организация производит очень большую площадь поверхности, доступную для газообмена.Площадь поверхности альвеол в легких составляет примерно 75 м 2 ² . Эта большая площадь поверхности в сочетании с тонкостенной природой альвеолярных паренхиматозных клеток позволяет газам легко диффундировать по клеткам.

Рисунок 11.18.
Терминальные бронхиолы соединяются респираторными бронхиолами с альвеолярными протоками и альвеолярными мешочками. Каждый альвеолярный мешок содержит от 20 до 30 сферических альвеол и имеет вид грозди винограда. Воздух поступает в предсердие альвеолярного мешка, затем циркулирует в альвеолах, где происходит газообмен с капиллярами.Слизистые железы выделяют слизь в дыхательные пути, сохраняя их влажными и гибкими. (Источник: модификация работы Марианы Руис Вильярреал)

Концепция в действии

Посмотрите следующее видео, чтобы изучить дыхательную систему.

Воздух, которым дышат организмы, содержит твердых частиц , таких как пыль, грязь, вирусные частицы и бактерии, которые могут повредить легкие или вызвать аллергические иммунные реакции. Дыхательная система содержит несколько защитных механизмов, позволяющих избежать проблем или повреждения тканей.В носовой полости волосы и слизь задерживают мелкие частицы, вирусы, бактерии, пыль и грязь, чтобы предотвратить их попадание.

Если твердые частицы выходят за пределы носа или попадают через рот, бронхи и бронхиолы легких также содержат несколько защитных устройств. Легкие производят слизи — липкое вещество, состоящее из муцина , сложного гликопротеина, а также солей и воды, которые задерживают частицы. Бронхи и бронхиолы содержат реснички, небольшие волосовидные выступы, выстилающие стенки бронхов и бронхиол (Рисунок 11.19). Эти реснички бьются в унисон и перемещают слизь и частицы из бронхов и бронхиол обратно в горло, где они проглатываются и выводятся через пищевод.

У человека, например, смола и другие вещества в сигаретном дыме разрушают или парализуют реснички, затрудняя удаление частиц. Кроме того, курение заставляет легкие производить больше слизи, которую поврежденные реснички не могут перемещать. Это вызывает постоянный кашель, поскольку легкие пытаются избавиться от твердых частиц, и делает курильщиков более восприимчивыми к респираторным заболеваниям.

Рисунок 11.19.
Бронхи и бронхиолы содержат реснички, которые помогают выводить слизь и другие частицы из легких. (кредит: Луиза Ховард, модификация работы Дартмутского электронного микроскопа)

Резюме

Дыхательные системы животных предназначены для облегчения газообмена. У млекопитающих воздух в носовой полости нагревается и увлажняется. Затем воздух проходит по глотке через трахею в легкие. В легких воздух проходит через разветвляющиеся бронхи, достигая респираторных бронхиол, в которых находится первое место газообмена.Дыхательные бронхиолы открываются в альвеолярные протоки, альвеолярные мешочки и альвеолы. Поскольку в легком очень много альвеол и альвеолярных мешков, площадь поверхности для газообмена очень велика. Существует несколько защитных механизмов для предотвращения повреждения или заражения. К ним относятся волосы и слизь в носовой полости, которые задерживают пыль, грязь и другие твердые частицы, прежде чем они попадут в систему. В легких частицы улавливаются слоем слизи и транспортируются через реснички к пищеводному отверстию в верхней части трахеи для проглатывания.

Система кровообращения — это сеть сосудов — артерий, вен и капилляров — и насоса, сердца. У всех позвоночных это система с замкнутым контуром, в которой кровь в значительной степени отделена от другого отделения внеклеточной жидкости организма, межклеточной жидкости, которая является жидкостью, омывающей клетки. Кровь циркулирует внутри кровеносных сосудов и циркулирует в одном направлении от сердца по одному из двух путей кровообращения, а затем снова возвращается к сердцу; это замкнутая кровеносная система.Открытые системы кровообращения встречаются у беспозвоночных животных, у которых циркулирующая жидкость непосредственно омывает внутренние органы, даже если ее можно перемещать с помощью качающегося сердца.

Сердце — это сложная мышца, состоящая из двух насосов: один, перекачивающий кровь через легочную циркуляцию в легкие, а другой, перекачивающий кровь через системный кровоток к остальным тканям тела (и самому сердцу).

Сердце асимметрично, левая сторона больше правой, что коррелирует с разными размерами легочного и системного контуров (Рисунок 11.10). У людей сердце размером со сжатый кулак; он разделен на четыре камеры: два предсердия и два желудочка. Есть одно предсердие и один желудочек с правой стороны и одно предсердие и один желудочек с левой стороны. Правое предсердие получает дезоксигенированную кровь из системного кровообращения через основные вены: верхняя полая вена, отводящая кровь от головы и вен, идущих от рук, а также нижняя полая вена, отводящая кровь из вен. которые исходят из нижних органов и ног.Эта деоксигенированная кровь затем проходит в правый желудочек через трехстворчатый клапан, который предотвращает обратный ток крови. После наполнения правый желудочек сокращается, перекачивая кровь в легкие для реоксигенации. Левое предсердие получает богатую кислородом кровь из легких. Эта кровь проходит через двустворчатый клапан в левый желудочек, где кровь закачивается в аорту. Аорта — это главная артерия тела, по которой насыщенная кислородом кровь поступает к органам и мышцам тела.Этот паттерн перекачивания называется двойной циркуляцией и встречается у всех млекопитающих. (Рисунок 11.20).

Рисунок 11.20. Сердце разделено на четыре камеры, два предсердия и два желудочка. Каждая камера разделена односторонними клапанами. Правая часть сердца получает от тела дезоксигенированную кровь и перекачивает ее в легкие. Левая часть сердца перекачивает кровь к остальному телу.

Основное назначение сердца — перекачивать кровь по телу; это происходит в повторяющейся последовательности, называемой сердечным циклом.Сердечный цикл — это поток крови через сердце, координируемый электрохимическими сигналами, которые заставляют сердечную мышцу сокращаться и расслабляться. В каждом сердечном цикле последовательность сокращений выталкивает кровь, прокачивая ее по телу; за этим следует фаза расслабления, когда сердце наполняется кровью. Эти две фазы называются систолой (сокращением) и диастолой (расслаблением) соответственно (рис. 11.21). Сигнал к сокращению начинается с внешней стороны правого предсердия.Электрохимический сигнал движется оттуда через предсердия, заставляя их сокращаться. Сокращение предсердий заставляет кровь через клапаны попадать в желудочки. Закрытие этих клапанов, вызванное сокращением желудочков, производит «смазанный» звук. К этому времени сигнал прошел по стенкам сердца через точку между правым предсердием и правым желудочком. Затем сигнал заставляет желудочки сокращаться. Желудочки сокращаются вместе, заставляя кровь поступать в аорту и легочные артерии.Закрытие клапанов этих артерий из-за того, что кровь втягивается обратно к сердцу во время расслабления желудочков, производит односложный «дублированный» звук.

Рисунок 11.21 В каждом сердечном цикле серия сокращений (систол) и расслаблений (диастол) перекачивает кровь через сердце и через тело. (а) Во время сердечной диастолы кровь течет в сердце, в то время как все камеры расслаблены. (b) Тогда желудочки остаются расслабленными, в то время как систола предсердий выталкивает кровь в желудочки. (c) Когда предсердия снова расслабляются, систола желудочков выталкивает кровь из сердца.

Работа сердца — это функция клеток сердечной мышцы или кардиомиоцитов, составляющих сердечную мышцу. Кардиомиоциты — это особые мышечные клетки, которые имеют поперечно-полосатую форму, как скелетные мышцы, но качаются ритмично и непроизвольно, как гладкие мышцы; соседние клетки соединены вставочными дисками, обнаруженными только в сердечной мышце. Эти соединения позволяют электрическому сигналу проходить непосредственно к соседним мышечным клеткам.

Электрические импульсы в сердце создают электрические токи, которые проходят через тело, и их можно измерить на коже с помощью электродов.Эту информацию можно наблюдать в виде электрокардиограммы (ЭКГ), регистрирующей электрические импульсы сердечной мышцы.

Концепция в действии

Посетите следующий веб-сайт, чтобы увидеть в действии кардиостимулятор или систему электрокардиограммы.

Кровь из сердца разносится по телу сложной сетью кровеносных сосудов (рис. 11.22). Артерии забирают кровь от сердца. Основная артерия большого круга кровообращения — аорта; он разветвляется на крупные артерии, по которым кровь поступает к разным конечностям и органам.Аорта и артерии около сердца имеют тяжелые, но эластичные стенки, которые реагируют на перепады давления, вызванные биением сердца, и сглаживают их. Артерии, расположенные дальше от сердца, содержат больше мышечной ткани в стенках, которые могут сжиматься, что влияет на скорость кровотока. Крупные артерии расходятся на второстепенные артерии, а затем на более мелкие сосуды, называемые артериолами, чтобы глубже проникать в мышцы и органы тела.

Артериолы расходятся в капиллярные русла. Капиллярные русла содержат большое количество, от 10 до 100 капилляров, которые разветвляются между клетками тела.Капилляры — это трубки узкого диаметра, которые могут соответствовать одиночным эритроцитам и являются местами обмена питательными веществами, отходами и кислородом с тканями на клеточном уровне. Жидкость также просачивается из крови в интерстициальное пространство из капилляров. Капилляры снова сходятся в венулы, которые соединяются с второстепенными венами, которые, наконец, соединяются с основными венами. Вены — это кровеносные сосуды, по которым кровь с высоким содержанием углекислого газа возвращается к сердцу. Вены не такие толстостенные, как артерии, так как давление ниже, и у них есть клапаны по всей длине, которые предотвращают обратный ток крови от сердца.По основным венам кровь отводится от тех же органов и конечностей, что и по основным артериям.

Рис. 11.22 Артерии тела, обозначенные красным, начинаются у дуги и ветви аорты, чтобы снабжать органы и мышцы тела насыщенной кислородом кровью. Вены тела, обозначенные синим цветом, возвращают кровь к сердцу. Легочные артерии окрашены в синий цвет, чтобы отразить тот факт, что они дезоксигенированы, а легочные вены — красные, что свидетельствует о том, что они насыщены кислородом. (Источник: модификация работы Марианы Руис Вильярреал)

Дыхательные системы животных предназначены для облегчения газообмена.У млекопитающих воздух в носовой полости нагревается и увлажняется. Затем воздух проходит через глотку и гортань через трахею в легкие. В легких воздух проходит через разветвляющиеся бронхи, достигая респираторных бронхиол. Дыхательные бронхиолы открываются в альвеолярные протоки, альвеолярные мешочки и альвеолы. Поскольку в легком очень много альвеол и альвеолярных мешков, площадь поверхности для газообмена очень велика.

Кровеносная система млекопитающих — это замкнутая система с двойной циркуляцией крови, проходящей через легкие и тело.Он состоит из сети сосудов, содержащих кровь, которая циркулирует из-за перепада давления, создаваемого сердцем.

Сердце содержит два насоса, которые перемещают кровь по легочному и системному кровообращению. Есть одно предсердие и один желудочек с правой стороны и одно предсердие и один желудочек с левой стороны. Прокачка сердца — это функция кардиомиоцитов, отличительных мышечных клеток, которые имеют поперечно-полосатую форму, как скелетные мышцы, но качаются ритмично и непроизвольно, как гладкие мышцы.Сигнал на сокращение начинается в стенке правого предсердия. Электрохимический сигнал заставляет два предсердия сокращаться в унисон; затем сигнал заставляет желудочки сокращаться. Кровь из сердца разносится по телу сложной сетью кровеносных сосудов; артерии забирают кровь от сердца, а вены возвращают кровь к сердцу.

Глоссарий

альвеола: (множественное число: альвеолы) (также воздушные мешочки) конечная структура легочного прохода, где происходит газообмен

аорта: основная артерия, по которой кровь от сердца поступает в систему кровообращения

артерия: кровеносный сосуд, отводящий кровь от сердца

атриум: (множественное число: предсердие) камера сердца, которая принимает кровь из вен

двустворчатый клапан: одностороннее отверстие между предсердием и желудочком в левой части сердца

бронхи: (единственное число: бронх) меньшие ветви хрящевой ткани, отходящие от трахеи; воздух направляется через бронхи в область, где происходит газообмен в альвеолах

бронхиола: дыхательный путь, идущий от главного бронха до альвеолярного мешка

капилляр: наименьший кровеносный сосуд, по которому проходят отдельные клетки крови и место диффузии кислорода и обмена питательными веществами

сердечный цикл: наполнение и опорожнение сердца кровью, вызванное электрическими сигналами, которые заставляют сердечные мышцы сокращаться и расслабляться

закрытая система кровообращения: система, в которой кровь отделена от межклеточной жидкости организма и содержится в кровеносных сосудах

диафрагма: скелетная мышца, расположенная под легкими, которая окружает легкие в грудной клетке

диастола: фаза расслабления сердечного цикла, когда сердце расслаблено и желудочки наполняются кровью

электрокардиограмма (ЭКГ): запись электрических импульсов сердечной мышцы

нижняя полая вена: большая вена тела, возвращающая кровь из нижних частей тела в правое предсердие

гортань: голосовой ящик, расположенный в горле

носовая полость: отверстие дыхательной системы во внешнюю среду

открытая система кровообращения: система кровообращения, в которой кровь смешивается с интерстициальной жидкостью в полости тела и непосредственно омывает органы

глотка: глотка

главный бронх: (также главный бронх) область дыхательных путей в легком, которая прикрепляется к трахее и раздваивается, образуя бронхиолы

малое кровообращение: поток крови от сердца через легкие, где происходит оксигенация, а затем обратно к сердцу

верхняя полая вена: главная вена тела, по которой кровь из верхней части тела возвращается в правое предсердие

системное кровообращение: кровоток от сердца к мозгу, печени, почкам, желудку и другим органам, конечностям и мышцам тела, а затем обратно к сердцу

систола: фаза сокращения сердечного цикла, когда желудочки перекачивают кровь в артерии

трахея: хрящевая трубка, по которой воздух транспортируется из горла в легкие

трехстворчатый клапан: одностороннее отверстие между предсердием и желудочком в правой части сердца

вена: кровеносный сосуд, по которому кровь возвращается к сердцу

желудочек: (сердца) большая камера сердца, которая перекачивает кровь в артерии

Выдыхаемых частиц и мелких дыхательных путей | Респираторные исследования

Выдыхаемый воздух представляет собой аэрозоль, содержащий эндогенно генерируемые капли.Эти капли содержат воду и нелетучий материал, поэтому физическое обозначение — «частицы», даже если они являются жидкими каплями. Изначально исследования выдыхаемых частиц были направлены на то, чтобы понять, как передаются воздушно-капельные инфекции. Однако в последнее время интерес расширился и включился поиск биомаркеров патологии дыхательных путей. Непосредственная близость к патологическим процессам в дыхательных путях делает выдыхаемые частицы привлекательным вариантом для клинических исследований. Знание места происхождения и механизмов образования выдыхаемых частиц составляет важную основу для изучения связанных биомаркеров.

Наряду с выдыхаемыми частицами летучие и полулетучие вещества могут нести важные биомаркеры, такие как оксид азота в выдыхаемом воздухе [1, 2], например, касающийся воздействия травмы на небольшие дыхательные пути из-за механического напряжения после циклического открытия и закрытия между ними. пациенты с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) [3]. Конденсат выдыхаемого воздуха и некоторые физиологические методы также способствуют диагностике заболеваний мелких дыхательных путей [4,5,6]. В настоящем обзоре, однако, основное внимание уделяется эндогенно продуцируемым выдыхаемым частицам, возникающим в жидкости слизистой оболочки дыхательных путей (RTLF) вдоль дыхательных путей, включая глотку и рот.Он ограничен исследованиями, показывающими количество и распределение выдыхаемых частиц по размерам, поэтому многие важные исследования малых дыхательных путей были опущены. Мы выделили ключевые исследования, в которых сообщается о растущем признании происхождения и характеристик выдыхаемых частиц. Мы также представляем доступную информацию об использовании выдыхаемых частиц из мелких дыхательных путей в качестве биомаркеров.

Размер частиц

Очень сложно напрямую определить размер мелких капель (диаметром <10 мкм), плавающих в воздухе.На практике, однако, измеренное свойство, которое зависит от размера частиц, обычно используется для косвенной оценки размера. Дополнительный файл 1 «Технические и методологические соображения» описывает различные методы калибровки, использованные в исследованиях, представленных здесь. Предположительно, частицы, образующиеся на месте, а затем выдыхаемые, представляют собой жидкие сферы. Водные капли уравновешиваются водяным паром в окружающем воздухе. Отсюда следует, что их размер зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, а также от состава частиц.Уравновешивание - это быстрый процесс (<1 с) для маленьких капель, но он может быть затруднен из-за наличия слоя поверхностно-активного вещества, покрывающего поверхность капли, замедляющего испарение или конденсацию.

Сбор выдыхаемых частиц

Для химического анализа требуется отбор образцов выдыхаемых частиц. Конструкция оборудования для отбора проб неизбежно повлияет на диапазон размеров собираемой пробы. Например, длинные трубки, детали с температурой не выше 35 ° C и крутые повороты будут способствовать потерям частиц, особенно относительно крупных.

Импактор — это устройство для отбора проб, которое позволяет отбирать пробы различного размера из аэрозоля. Подробности представлены в дополнительном файле 1.

Химический анализ собранных выдыхаемых частиц

Серьезной аналитической проблемой является чрезвычайно низкое количество собранных аналитов, в диапазоне пикограмм (пг) на литр выдыхаемого воздуха. Электронный микроскоп и рентгеновский дисперсионный анализ или поверхностная масс-спектрометрия, например времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов (TOF-SIMS) позволяет анализировать осажденные частицы напрямую [7, 8].Выдыхаемые частицы, собранные в результате столкновения, необходимо надлежащим образом десорбировать. Что касается белков, то до сих пор преобладали иммунологические методы, но появились методы масс-спектрометрии как для белков, так и для липидов [9, 10]. Протеомный анализ позволил количественно определить более 200 белков путем комбинирования ДНК-маркеров с ПЦР-амплификацией небольших количеств частиц (порядка сотен нг) [11].

Исторические перспективы

Более 70 лет назад Дугид [12] стремился оценить механизмы воздушно-капельной передачи инфекции изо рта и горла.Пять участников выполняли различные дыхательные маневры, включая обычное дыхание ртом, тихо и громко считая от 1 до 100, а также выполняя различные маневры при кашле. Непосредственно перед этими маневрами он нанес бактерии на слизистые оболочки горла и носа. На отдельном сеансе он нанес краситель на поверхность рта, передних зубов, губ и кончика языка. Выдыхаемые частицы оказывались либо на среде для роста бактерий, либо на предметном стекле для подсчета частиц с помощью микроскопа.

Результаты нормального дыхания ртом не выявили выдыхаемых капель размером> 20 мкм ни в одном из 15 одноминутных тестов с использованием культуральных планшетов с прямым воздействием. В результате мягкого подсчета было получено 63 (диапазон 0–160) капель, содержащих пятно размером от 1 до 100 мкм; громкий счет привел к увеличению числа в 4–14 раз. Результаты кашля зависели от характеристик кашля; «Кашель с языком и зубами» дал в среднем 8200, предположительно в зависимости, среди прочего, от местоположения и концентрации красителя . Количество частиц было во много раз выше, чем количество колоний, предположительно потому, что многие мелкие частицы не содержали бактерий.

Комментарий: Исследования касались частиц, образующихся только в верхних дыхательных путях. Не было информации о частицах размером <20 мкм , выдыхаемых при нормальном дыхании ртом. Частицы> 20 мкм действительно выдыхались во время всех других видов дыхательной деятельности, за исключением нормального дыхания.

Примерно 20 лет спустя Лаудон и Робертс [13] стремились определить количество и размеры выдыхаемых частиц, используя метод отбора проб, который позволял сравнивать частотное распределение всех частиц> 1 мкм.Трое участников в двух экспериментах выполнили серию из 15 кашлей в ящик, а в двух других экспериментах громко сосчитали от 1 до 100 в ящик. Перед каждым экспериментом участник протирал внутреннюю часть рта красителем. После каждого эксперимента ящик закрывали, и частицы оседали на бумажных стеклах в течение 30 мин. Подсчитывали осевшие частицы, а также оставшиеся частицы в воздухе, которые осаждались на фильтре Millipore в выходном отверстии ящика.

Результаты трех человек показали, что средний диаметр частиц, образующихся во время разговора и кашля, составлял 81 мкм и 26 мкм соответственно.Шесть процентов частиц, образовавшихся во время разговора, оставались в воздухе через 30 минут по сравнению с 49% частиц, образовавшихся во время кашля, что указывает на важность кашля в передаче бактериальных инфекций. Количество частиц, образующихся при кашле, сильно различается. Авторы обсудили несколько потенциально важных причин большой вариабельности: кашель трудно стандартизировать; Образование частиц зависит от ряда факторов, включая количество секрета и его расположение во рту, а также положение и движение губ, языка и зубов.

Комментарии: Исследования были ограничены частицами, образующимися во рту, и информации о выдыхаемых частицах при нормальном дыхании нет.

В 1997 г. Папинени и Розенталь [14] представили результаты по каплям в выдыхаемом воздухе, полученные двумя методами: (а) анализ в реальном времени с помощью оптического счетчика частиц (OPC) и (б) анализ остатков высушенных капель с помощью электронной микроскопии. .Рот был без красителя, и, следовательно, местом происхождения выдыхаемых частиц не обязательно была область рта. OPC и соответствующее программное обеспечение отображали размеры частиц в шести каналах от 0,3 до 2,5 мкм. Носовое дыхание, ротовое дыхание, кашель и разговор изучались у пяти здоровых участников с использованием OPC, а электронный микроскопический анализ частиц дыхания через рот был проведен у трех участников.

Результаты по методу OPC показали, что дыхание ртом дало 12 баллов.5 частиц / л для диаметров <1 мкм и 1,9 частиц / л для диаметров> 1 мкм. При кашле было 83,2 частиц / л для диаметров <1 мкм и 13,4 частиц / л для диаметров> 1 мкм.

Результаты электронной микроскопии показали, что распределение по размерам было более сильно отнесено к более крупным частицам: исходный размер капель> 1 мкм составлял 64%, а самая большая частица была 7,6 мкм. Поскольку на оценки размера капель, полученные с помощью электронного микроскопа, испарение не повлияло, метод OPC мог занижать исходный размер капель из-за испарения и / или потерь крупных частиц в воронке.

Комментарии: Нормальное дыхание действительно выдыхает субмикронные, а также более крупные частицы . Место происхождения и механизмы образования до сих пор неизвестны; однако рентгеновский дисперсионный анализ остатка одной частицы выявил содержание калия, кальция и хлорида, соответствующее происхождению RTLF.

В 2004 г. Эдвардс и др. [15] исследовали способность временно уменьшать количество выдыхаемых частиц путем введения распыленных аэрозолей участникам-людям.Частицы измеряли с помощью OPC, обеспечивающего счет в шести ячейках от 0,09 до 0,5 мкм. Одиннадцать здоровых участников были исследованы во время трех посещений с интервалом не менее недели в перекрестном плацебо-контролируемом дизайне. Во время двух первых посещений вдыхали аэрозоль, либо изотонический физиологический раствор с поверхностным натяжением 72 дин / см, либо имитатор поверхностно-активного вещества, состоящий из 1,2-дипальмитоил- sn -глицеро-3-фосфохолина (DPPC) или 1-пальмитоил. -2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфоглицерин с поверхностным натяжением 42 дин / см.При третьем посещении аэрозольной обработки не проводилось. Участники носили зажимы для носа и дышали большими дыхательными объемами, близкими к 1 л, вдыхая воздух без частиц. Выдыхаемые частицы измеряли в течение 2 минут непосредственно перед и 5 минут, 30 минут, 1 час, 2 часа и 6 часов после вдоха.

Результаты показали, что без обработки аэрозолем числовая концентрация частиц варьировалась среди участников от 1 до 10 000 / л выдыхаемого воздуха, а также значительно варьировалась внутри участников между шестью измерениями во время каждого посещения.Авторы разделили результаты на высокие ( n = 6) и низкие ( n = 5) продуцентов частиц и обнаружили, что доставка солевого раствора привела к статистически значимому снижению выбросов частиц среди высоких продуцентов и тенденции к увеличению выбросов среди низких. производители. Введение имитатора поверхностно-активного вещества увеличивало эмиссию частиц примерно в пять раз! Никакого влияния на гранулометрический состав не наблюдалось после введения физиологического раствора или имитатора поверхностно-активного вещества, и преобладающий размер частиц составлял 0.15–0,2 мкм. Уменьшение выбросов частиц после введения солевого раствора среди продуцентов с высоким содержанием частиц объяснялось предполагаемым сдвигом в сторону крупных частиц за пределами диапазона OPC, в результате чего значительная часть частиц откладывалась в дыхательных путях.

Эксперименты, проведенные на аппарате от кашля, состоящем из модели трахеи, выстланной на дне имитатором слизи, показали, что введение физиологического раствора или сурфактанта привело к резкому сдвигу в распределении размеров через 30-60 минут после введения от 0.От 2 мкм до примерно 30 мкм.

Комментарии: Разделение на производителей с высоким и низким содержанием частиц, вероятно, вводит в заблуждение. Недавние исследования показали, что выдыхаемые частицы распределяются приблизительно логарифмически нормально, без признаков двух размерных мод [16, 17] . Учитывая всех участников, не было значительного уменьшения выдыхаемых частиц в пределах диапазона размеров OPC. Введение имитатора поверхностно-активного вещества участникам существенно увеличило выделение частиц, указывая на важность поверхностного натяжения.Имитатор сурфактанта с поверхностным натяжением около 42 дин / см может фактически увеличивать поверхностное натяжение небольших дыхательных путей, особенно при малых объемах легких, когда поверхностное натяжение обычно близко к нулю. Повышенное поверхностное натяжение увеличивает образование частиц [18, 19] . Выводы, сделанные с помощью аппарата для кашля, относятся к кашлю и форсированному выдоху, но не к приливному дыханию человека. Аппарат от кашля генерирует частицы путем выброса воздуха, дестабилизирующего поверхность раздела слизь / воздух под действием силы сдвига, с образованием капель субмикронного размера.

Watanabe et al. [20] изучали in vitro эффекты, в частности, изотонического хлорида натрия, на склонность RTLF к образованию мелких капель различных аэрозольных составов и широко варьирующихся поверхностных натяжений и вязкоупругих свойств. Основные эксперименты проводились на аппарате от кашля, который использовали Эдвардс и соавт. [15], которое было изменено за счет снижения приложенного давления воздуха с примерно 126 кПа до примерно 21 кПа, чтобы имитировать менее резкий дыхательный маневр.Модель измеряла образование частиц, вызванное моделированием дыхания над слизистой трахеей после нанесения различных аэрозольных составов. Образование частиц оценивали с помощью OPC, охватывающего частицы размером от 0,09 до> 0,5 мкм.

Результаты показали, что применение солевых растворов с другими добавками и без них увеличивает вязкоупругость поверхности по сравнению с одним миметиком слизи и что гелеобразование свободной поверхности миметика RTLF приводит к значительному уменьшению образования аэрозольных частиц.Эксперименты на легких теленка подтвердили, что опосредованное зарядом гелеобразование у поверхности миметика RTLF было обратимым.

Комментарии: Имитация дыхательного маневра соответствует довольно сильному выдоху. В этих условиях модель трахеи раскрывает новый механизм: граница раздела RTLF / воздух может быть стабилизирована за счет гелеобразования слизи соленой водой, что снижает склонность RTLF к распаду на очень мелкие частицы.

В 2009 г. Morawska et al.[21] изучали концентрацию выдыхаемых частиц и их распределение по размеру во рту с помощью новой системы исследования. Система представляла собой небольшую аэродинамическую трубу, в которую участники могли поместить свои головы (см. Рис. 1). Аэродинамический измеритель размера частиц (APS) измерял частицы диаметром в основном от 0,5 до 20 мкм. Выборка из 15 здоровых участников в возрасте ≤35 лет выполняла следующие дыхательные упражнения с частотой и глубиной, которые казались наиболее естественными: (а) вводить через нос и выводить через рот, (б) вводить через нос и выводить через нос. , (в) шепотом «ааа», (г) озвучиванием «ааа», (д) ​​шепотом, считая, (е) озвучиванием, и (ж) кашлем.Образцы подсчитывали в течение 2 минут и повторяли трижды с 20-минутными перерывами между подсчетами. В статистическом анализе применялась так называемая смешанная модель, предполагающая, что наблюдаемые результаты представляют собой суперпозицию логарифмически нормальных распределений, представляющих различные дыхательные маневры.

Рис. 1

Установка системы исследования капель выдоха, используемая Моравской и др. [21]. Участники теста выдыхали в аэродинамическую трубу без частиц. Вентилятор, поддерживающий скорость примерно 0,1 м / с, регулирует воздушный поток в аэродинамической трубе.Воздушный поток переносит выдыхаемые частицы вниз по потоку к аэродинамическому классификатору частиц (APS), где частицы измеряются. Датчик относительной влажности (RH) контролирует влажность. Перепечатано из оригинальной статьи с разрешения

В таблице 1 (извлеченной из их рис. 5) представлены результаты для концентраций выдыхаемых частиц диаметром от 0,5 до 20 мкм.

Таблица 1 Выдыхаемые частицы во время различных дыхательных маневров

Озвученные действия приводили к более высоким концентрациям частиц, чем шепот, что указывает на то, что вибрирующие голосовые связки во время вокализации производят выдыхаемые частицы.Подсчет шепотом дает такие же концентрации, что и при нормальном дыхании ртом, указывая на то, что при мягких движениях губ и языка образуется очень мало выдыхаемых частиц размером 0,5–20 мкм. При шепоте «ааа» выделяется столько же выдыхаемых частиц, сколько при кашле, указывая на то, что высокая скорость воздуха, проходящего через почти закрытый надгортанник, является эффективным механизмом образования частиц. Размер частиц при максимальной концентрации составлял около 0,8 мкм, и было немного частиц> 10 мкм. Модель смеси хорошо сочетается с четырьмя режимами (A, B, C, D) для всех видов дыхательной деятельности: A связан с нормальным дыханием; B, C и D связаны с вокализацией и приведением надгортанника.Средние диаметры подсчета были ≤ 0,8 мкм, 1,8 мкм, 3,5 мкм и 5,5 мкм соответственно.

Комментарии: В согласии с Папинени и Розенталем [14] результаты показывают, что при нормальном дыхании ртом образуются частицы, но механизм их образования не предлагается. Однако во время вокализации вибрирующие голосовые связки и прохождение воздуха через надгортанник почти наверняка производят выдыхаемые частицы.

Chao et al.[17] измерили распределение капель по размеру в непосредственной близости от рта во время кашля и разговора. Выборку из 11 здоровых добровольцев в возрасте до 30 лет попросили громко и медленно считать 10 раз от 1 до 100. После перерыва они 50 раз кашляли с закрытыми губами перед каждым кашлем.

Считается, что измерения размера на расстоянии 10 мм от устья не подвержены испарению и конденсации и являются репрезентативными для «исходного» профиля размера. Частицы были распределены по 16 классам размеров со средними значениями от 3 до 1500 мкм.Класс размера с наивысшим числом составлял 6 мкм как для разговора, так и при кашле, а средний геометрический диаметр составлял 16,0 мкм для разговора и 13,5 мкм для кашля. Распределение размеров во время разговора и кашля было сильно искажено из-за небольшого количества крупных частиц.

Комментарий: Это первое исследование, в котором измеряется интервал размеров от примерно 2 мкм от до 2000 мкм с той же измерительной системой и с экспериментальной установкой, оптимизированной для измерения частиц, не подверженных испарению / конденсации во время разговора и кашля.Количество частиц самых крупных классов размера было очень низким, но представляло почти весь объем и массу. Следует иметь в виду, что масса одной частицы диаметром 150 мкм соответствует почти 6,6 миллионам частиц диаметром 0,8 мкм при аналогичной плотности и сферической форме.

Гипотеза повторного открытия дыхательных путей

Примерно в то же время, что и исследование, обсуждавшееся выше, несколько независимых групп рассмотрели идею о том, что одним из важных механизмов образования частиц является повторное открытие закрытых дыхательных путей [18, 22,23,24] — как и ранее. постулируется Эдвардсом и соавт.[15]. Тот факт, что небольшие периферические дыхательные пути обычно закрываются после глубокого выдоха, был первоначально продемонстрирован Milic-Emili и соавторами в 1966–1968 [25,26,27] и элегантно подтвержден Burger и Macklem [28] и Engel et al. [29]. В вертикальном положении апикальные части легких более расширены, чем базальные, из-за веса легких. Во время выдоха до небольшого объема легких базальные дыхательные пути схлопываются, стенки дыхательных путей склеиваются вместе с помощью RTLF и снова открываются на вдохе.Существует простой тест с однократным дыханием для определения объема, при котором начинается обширное закрытие дыхательных путей (закрывающийся объем) [30]. Насколько нам известно, точное местоположение закрытия дыхательных путей вдоль дерева дыхательных путей у людей неизвестно, но обычно считается, что они находятся в небольших дыхательных путях. У собак закрытие дыхательных путей происходит в дыхательных путях с внутренним диаметром 0,4–0,6 мм [31]. Некоторые дыхательные пути могут закрываться при более высоких объемах легких, чем указано в закрывающемся объеме [32], и массивное закрытие дыхательных путей может происходить во время приливного дыхания [33] при малых объемах легких (низкая функциональная остаточная емкость), как у людей, страдающих ожирением или у которых закрывающиеся объемы увеличиваются при таком заболевании, как ХОБЛ [32].Тогда есть риск механического повреждения мелких дыхательных путей из-за циклического закрытия и повторного открытия [33].

Johnson and Morawska [23] с использованием того же оборудования, что и Morawska et al. [21], в том числе Aerodynamic Particle Sizer (APS) для определения выдыхаемых частиц в диапазоне диаметров 0,5–20 мкм. В нем приняли участие семнадцать участников в возрасте от 19 до 60 лет. Были выполнены четыре различных дыхательных упражнения, которые повторялись в течение 2-минутных периодов:

1. 1)

   Вдыхание нормального объема через нос и выдох через рот.

2. 2)

   Вдыхание нормального объема дыхания через рот в течение 3-х секундного периода, за которым сразу следует 1-секундный полный глубокий выдох.

3. 3)

   Быстрый вдох с нормальным объемом дыхания через рот с последующей задержкой дыхания на 2, 3, 5 или 10 с и полным глубоким выдохом в течение 3 с;

4. 4)

   Вдыхание нормального объема дыхания через рот в течение 3-х секундного периода, за которым сразу следует 3-х секундный полный глубокий выдох.

Результаты показывают, что глубокий выдох увеличивает концентрацию выдыхаемых частиц. Кроме того, было обнаружено, что задержка дыхания при среднем объеме легких снижает концентрацию выдыхаемых частиц пропорционально продолжительности задержки дыхания и вызывает сдвиг в сторону более мелких частиц. Результаты по задержке дыхания соответствуют прогнозируемым эффектам гравитационного осаждения в альвеолах, учитывая, что размер капель в альвеолах примерно в два раза больше, чем при измерении, из-за сжатия во время воздействия окружающей влажности.Поправка на влажность была позже экспериментально подтверждена Holmgren et al. [34]. Сообщалось о довольно слабой положительной корреляции с возрастом, но один выброс не был включен в корреляцию. Тем не менее, это наблюдение согласуется с наблюдением, что закрытие дыхательных путей увеличивается с возрастом [30].

Комментарии: Эффекты глубокого выдоха подтверждают гипотезу об открытии дыхательных путей. Задержка дыхания вызывает зависящее от времени предпочтительное осаждение более крупных частиц в дыхательных путях, тем самым предотвращая их выдох.

В 2010 г. исследовательская группа из Ганновера представила два параллельных исследования [18, 35]. Schwarz et al. [35] измеряли выдыхаемые частицы, скорость потока и дыхательные объемы в режиме онлайн во время одиночных вдохов у 21 здорового участника в возрасте от 21 до 63 лет. Были получены спирометрия и объем легких. Концентрации и распределение частиц по размерам были измерены онлайн в термостате при 37 ° C с использованием счетчика ядер конденсации и лазерного спектрометра.Было обнаружено шесть интервалов диаметров от 0,1 до> 5 мкм. Протокол включал изменение дыхательных объемов от 20 до 80% от форсированной жизненной емкости легких. Дыхательные объемы <0,7 л не учитывались, поскольку время отклика онлайн-измерительных устройств было слишком большим. Один тест оценивал вариабельность внутри участников посредством повторных дыхательных маневров после 2-часового отдыха в тот же день и во время второго визита в течение 2 месяцев.

Результаты показали, что разница между концентрациями выдыхаемых частиц при наименьшем и наибольшем дыхательном объеме может составлять более двух порядков.Средний диаметр подсчета составлял 0,3 мкм, и только около 2% частиц были> 1 мкм, и ни одна из них не была> 5 мкм. При уменьшении скорости выдыхаемого потока при заданном объеме наблюдался сдвиг в сторону меньшего и меньшего размера частиц в соответствии с повышенным предпочтительным гравитационным осаждением более крупных частиц. Количество выдыхаемых при вдохе частиц, по-видимому, больше зависело от того, насколько быстро выдох после вдоха был до ПЖ (то есть более короткое время для седиментации), чем от того, насколько близко к ТСХ завершился вдох.Эмиссия частиц положительно коррелировала с возрастом, как наблюдалось ранее [23]. Увеличение потока выдоха с примерно 0,2 л / с до 0,8 л / с привело к увеличению выброса частиц в 3 раза, предположительно из-за более короткого времени прохождения и меньшего осаждения частиц перед выдохом. Увеличение инспираторного потока с 0,3 л / с до 1,7 л / с показало незначительное увеличение выброса частиц. Была обнаружена высокая воспроизводимость в течение дня и между днями у участников со средним коэффициентом корреляции 0.92, тогда как вариабельность между участниками составляла около 2 порядков.

Комментарии: Гипотеза о повторном открытии дыхательных путей была подвергнута сомнению из-за эффектов глубокого выдоха, и гипотеза была подтверждена. Наблюдаемые межиндивидуальные различия были значительными, но оценивались с помощью корреляций.

Параллельное исследование Haslbeck et al. [18] исследовали образование частиц при разрыве пленок поверхностно-активного вещества, используя вычисления в модели гидродинамики.Упрощенный инструмент, содержащий двояковогнутый цилиндр диаметром <0,5 мм, моделировал небольшую структуру дыхательных путей. Пленка жидкости равномерной толщины была нанесена на середину цилиндра и перекрывала проход цилиндра. Модель описывала утоненную круглую пленку до разрыва и связанное с этим образование капли. Критическая толщина разрыва пленки составляла 0,2 мкм, что позволяло рассчитать разрыв пленки и образование капель в зависимости от параметра поверхностного натяжения (0,1–20 дин / см), вязкости и плотности.Модель не учитывала движения стены и падение давления на пленке. Эмиссия частиц была измерена у 16 ​​здоровых участников так же, как в исследовании Schwarz et al. [35].

Результаты показали, что высокое поверхностное натяжение увеличивает количество капель и немного уменьшает их размер. Не было влияния плотности и почти никакого влияния вязкости. Счетный средний диаметр составлял около 0,4 мкм независимо от вариации параметров. Таким образом, при разрыве пленки поверхностно-активного вещества в имитируемых малых дыхательных путях образуются частицы того же распределения по размерам, что и при приливном дыхании.Результаты исследования на людях подтвердили результаты, полученные Schwarz et al. [35].

Комментарии: Результаты вычислительной модели гидродинамики, моделирующей небольшое отверстие дыхательных путей, согласуются с гипотезой повторного открытия дыхательных путей. Эффект поверхностного натяжения был позже подтвержден [19] .

Almstrand et al. поставили под сомнение гипотезу о возобновлении дыхательных путей, предложив 10 нормальным участникам выполнить три строго контролируемых дыхательных маневра [22].На рисунке 2 показаны дыхательные маневры, применяемые для проверки гипотезы о возобновлении дыхания. Каждый маневр повторялся 10 раз. Выдыхаемые частицы подсчитывались с помощью ОРС, помещенного внутри коробки с термостатом, установленным на 36 ° C, путем отбора непрерывной пробы из цилиндрического резервуара емкостью 3,4 л внутри коробки, как подробно описано ранее [8]. На рис. 3 схематически показано оборудование для подсчета и отбора проб выдыхаемых частиц. OPC и классификатор определяли частицы в диапазоне 0.От 3 до> 2 мкм в диаметре, разделенных на восемь интервалов размеров. Образцы из резервуара выдыхаемого воздуха отбирались до тех пор, пока скорость счета не приближалась к нулю после каждого маневра. Затем маневр был повторен. Скорость счета в сочетании с одновременной скоростью потока позволила рассчитать концентрацию частиц в выдыхаемом воздухе (н / л).

Рис. 2

При низких заданных расходах участники выдохнули до ( a ) остаточного объема (RV), ( b ) точки закрытия (CP), т.е.е. объем легких, при котором начинается обширное закрытие дыхательных путей, или ( c ) нормальный дыхательный выдох до функциональной остаточной емкости (FRC). Затем участники вдохнули до полной емкости легких (TLC) и сразу же выдохнули в оборудование обратно в FRC. С разрешения автора

Рис. 3

Схематическое изображение оборудования Almstrand et al. [22]. Участники тщательно вдыхают HEPA-фильтр и выдыхают в оборудование. В ящике с оборудованием поддерживалась температура примерно 36 ° C.Оптический измеритель размера частиц и импактор позволяли подсчет и отбор проб выдыхаемых частиц. Выдыхаемый воздух, который не поступал непосредственно в импактор и счетчик, накапливался в резервуаре, а затем втягивался в импактор и счетчик и заменялся увлажненным воздухом без частиц. Были отобраны частицы размером <4,6 мкм и определено распределение по размерам. С разрешения автора

Средние результаты показали, что выдох в ПЖ произвел 8500 н / л, выдох до точки закрытия (CP) 2500 н / л, а выдох до функциональной остаточной емкости (FRC) 1300 н / л.Концентрация частиц после маневра правого желудочка представляет собой сумму частиц, образовавшихся во время вдоха от правого желудочка к ЦП, от ЦП к FRC и от FRC к общей емкости легких (TLC). Разделение концентраций, генерируемых во время каждого из этих интервалов вдыхаемого объема, и учет различных величин этих интервалов показали, что интервал RV-CP генерировал около 85%, интервал CP-FRC около 12%, а интервал FRC-TLC около 3%. от общего количества выдыхаемых частиц. На распределение по размерам не оказали существенного влияния различные маневры, и максимальная концентрация была в интервале размеров 0.От 3 до 0,4 мкм, и было очень мало частиц размером более 1 мкм.

Комментарии: Гипотеза открытия дыхательных путей еще больше усиливается. Описанные дыхательные маневры показывают, что объемы легких, в которых преобладает закрытие (и повторное открытие) дыхательных путей, генерируют подавляющее большинство выдыхаемых частиц.

Holmgren et al. [36] измерили распределение по размерам от 0,01 до 2 мкм у 16 ​​здоровых участников, используя оптический измеритель размера частиц (OPS) и сканирующий измеритель подвижности частиц (SMPS).Экспериментальная система по существу размещалась в климатической камере, установленной на температуру 35 ° C. Участники сидели снаружи, и измерения OPC были скорректированы, чтобы лучше представить фактические физические размеры выдыхаемых водяных капель после пересчета на 15 интервалов размера от 0,41 до> 33,1 мкм. Система SMPS измеряла частицы размером от 0,01 до 0,43 мкм. Мешок для отбора проб объемом 30 л собирал выдыхаемый воздух. Участники выполнили два дыхательных маневра: (1) нормальное приливное дыхание, при котором вдохи были воздухом, свободным от частиц, и (2) медленный выдох в правую часть желудка с последующим полным вдохом воздуха, свободным от частиц, с последующим взвешенным выдохом.Участники выдыхали до емкости мешка для отбора проб, когда инструменты для отбора проб поглощали воздух в мешке. Дыхательные маневры повторяли дважды. Результаты показали, что во время нормального приливного дыхания средний геометрический размер частиц составлял 0,07 мкм. Во время дыхательного маневра RV распределение частиц было в основном между 0,2 и 0,5 мкм. Не было никакой корреляции между выбросами частиц от приливного дыхания и дыхания ПЖ.

Комментарии: Приливное дыхание испускает моду чрезвычайно мелких частиц, масса которых незначительна.Широко различающиеся распределения размеров в результате двух дыхательных маневров и отсутствие корреляции между ними предполагают разные места происхождения.

Johnson et al. [37] расширили предыдущую работу [21, 23] и объединили результаты оценок APS для частиц с диаметром в основном от 0,7 до 20 мкм и анализа осаждения капель (DDA), охватывающего диаметр> 20 мкм, таким образом, охватывая широкий диапазон размеров частиц. Их оборудование было по существу установкой в ​​аэродинамической трубе, описанной ранее [21].Пятнадцать здоровых участников моложе 35 лет участвовали в исследованиях APS. Восемь были включены в DDA после полоскания рта, содержащего пищевой краситель. Поскольку количество выдыхаемых крупных капель было очень низким, участникам приходилось кашлять 50 раз, чтобы произвести необходимое количество капель каждого размера. Подсчеты APS были скорректированы с учетом эффектов испарения и разбавления. Объединение результатов DDA и результатов APS после преобразования в общую шкалу позволило получить составное распределение размеров. Для всех индивидуумов были представлены только средние результаты из-за очень большой индивидуальной и внутриличностной вариативности.В анализе применялась модель смеси, предполагающая логарифмически нормальные распределения.

Результаты показали три режима распределения частиц по размерам:

1. 1)

   Нормальное и глубокое приливное дыхание привело к первому режиму со средним диаметром счета 0,8 мкм, который, как считается, был вызван механизмом повторного открытия дыхательных путей.

2. 2)

   Разговор, немодулированная вокализация и кашель привели ко второму режиму со средним диаметром около 1 мкм, который интерпретируется как вызванный вибрациями голосовых связок и аэрозолизацией в области гортани.

3. 3)

   Говорение и кашель также приводили к третьему режиму с пятнами окрашивания DDA со средним диаметром около 200 мкм, которые интерпретировались как образовавшиеся в присутствии слюны, то есть между надгортанником и губами.

Комментарии: В дополнение к ранее определенным модам размеров существовала мода крупных частиц.Этот режим относится к образованию частиц в верхних дыхательных путях, включая ротовую полость.

Holmgren et al. [38] расширили исследование Johnson и Morawska [23] по задержке дыхания, изучив ее как при низком, так и при большом объеме легких. Оборудование было таким же, как у Almstrand et al. [22]. Десять участников затаили дыхание в TLC или RV. Задержка дыхания на 5 с при ТСХ снизила концентрацию выдыхаемого воздуха на целых 43% и более при более длительной задержке дыхания, почти наверняка из-за оседания частиц в дыхательных путях.Однако задержка дыхания в RV увеличивала количество выдыхаемых частиц: 5 секунд вызывали увеличение на 63% по сравнению с отсутствием задержки дыхания, а 10-секундная задержка дыхания вызывала увеличение на 110%. Этот результат был интерпретирован как влияние времени на закрытие дыхательных путей: количество дыхательных путей, закрывающихся в области правого желудочка, увеличивается со временем.

Комментарии: При интерпретации результатов или разработке дыхательных маневров следует учитывать зависящее от времени образование частиц в небольших дыхательных путях и отложение частиц в альвеолах и дыхательных путях.

Несколько исследований показали, что количество выдыхаемых частиц варьируется от человека к человеку на порядки [15, 21, 22, 35]. Bake et al. [16] изучали межиндивидуальную вариабельность выбросов выдыхаемых частиц у 126 здоровых участников среднего возраста после стандартного дыхательного маневра (выдох до правого желудочка, задержка дыхания на 3 секунды, полный вдох на ТСХ и немедленный полный выдох в оборудование для измерения. выдыхаемых частиц).Оборудование было тем же, что использовалось в исследовании Almstrand et al. [22]. Выдыхаемые частицы распределялись логарифмически нормально, без признаков двух наложенных друг на друга распределений. Межличностные вариации эмиссии частиц были в пределах одного порядка, меньше, чем сообщалось ранее, по-видимому, из-за стандартизированной модели дыхания. Учет возраста, веса и показателей спирометрии еще больше снизил вариабельность. Эти предикторы объяснили от 28 до 29% индивидуальных вариаций, но оставшаяся вариация все еще велика.

Комментарии: Остается необъяснимая большая межпредметная изменчивость.

На рис. 4 показан механизм повторного открытия дыхательных путей. Когда дыхательные пути расширяются во время вдоха, закрытые дыхательные пути снова открываются, производя мелкие частицы, поскольку пробка RTLF разрывается.

Рис. 4

Схематическое изображение концепции повторного открытия дыхательных путей. Когда дыхательные пути закрываются, противоположные стенки дыхательных путей соприкасаются, создавая пробку жидкости, выстилающей дыхательные пути.Поскольку стенки дыхательных путей расширяются во время вдоха, образуя мениск, который в конечном итоге разрывается и генерирует частицы. С разрешения автора

Химические доказательства происхождения

Химический анализ выдыхаемых частиц может пролить свет на происхождение и механизмы, участвующие в процессе образования. Папинени и Розенталь [14] использовали электронную микроскопию и рентгеновский дисперсионный метод для элементного анализа остатков капель. Они обнаружили значительное содержание калия, кальция и хлора, которых много в жидкостях организма.Almstrand et al. [8] проанализировали столкнувшиеся частицы с помощью поверхностно-активной масс-спектрометрии TOF-SIMS. Анализ показал сильные сигналы от фосфолипидов во всех образцах от четырех здоровых участников. Выявленные группы фосфолипидных соединений, такие как фосфатидилхолин, фосфатидилглицерин и фосфатидилинозитол, являются известными составляющими поверхностно-активных веществ из анализов бронхоальвеолярного лаважа.

Несколько публикаций подтвердили, что выдыхаемые частицы содержат фосфолипиды и белки аналогично сурфактанту [7,8,9,10, 40], таким образом подтверждая происхождение от RTLF и гипотезу о повторном открытии дыхательных путей.Особый интерес представляют фосфолипид дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC), главный компонент сурфактанта, который, как известно, продуцируется альвеолярными клетками типа II, и сурфактантный белок A (SP-A). Ларссон и др. показали линейную зависимость через происхождение между проанализированной массой собранного альбумина, SP-A, DPPC и пальмитоил-олеоил-фосфатидилхолина (POPC) и массой собранных частиц [10, 41]. Оценки массы собранных частиц основаны на оптическом счетчике частиц, обеспечивающем восемь интервалов размеров в диапазоне размеров около 0.Диаметром 4–4,6 мкм (Grimm Aerosol, Ainring, Германия). Предполагая удельную плотность (1000 кг м ^{— 3} ) и сферические частицы, можно оценить массу собранных частиц, а концентрацию химических соединений в частицах можно выразить в процентах по массе (мас.%). Взаимосвязь между массой DPPC и массой выдыхаемых частиц проиллюстрирована на рис. 5.

Комментарии: Эта процедура способствует нормализации результатов и дает оценку концентрации в RTLF малых дыхательных путей.

Рис. 5

DPPC (1,2-дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) масса и масса выдыхаемых частиц, как определено в образцах от одиннадцати человек, которые выполнили десять выдохов с использованием маневра повторного открытия дыхательных путей. Обратите внимание на линейную связь по происхождению между собранной массой частиц и собранной массой DPPC. Массовая процентная концентрация DPPC (мас.%) Показана для каждого образца на нижней панели. С разрешения автора

Larsson et al.исследовали выдыхаемые частицы, генерируемые механизмом повторного открытия дыхательных путей и во время высоких потоков выдоха [10]. Были проведены исследования количества выдыхаемых частиц, гранулометрического состава и содержания частиц DPPC. Ожидалось, что концентрация DPPC будет снижаться по мере удаления от альвеол из-за деградации, разбавления и поглощения. Размер и концентрация выдыхаемых частиц измеряли с помощью прибора, описанного ранее Almstrand et al. [8]. Масс-спектрометр с тройным квадруполем количественно определял извлеченное содержание DPPC в выдыхаемых частицах.В исследовании приняли участие одиннадцать участников в возрасте от 28 до 75 лет, которые выполнили четыре дыхательных упражнения в рандомизированном порядке.

1. а)

   Эталонный маневр FRC : приливное дыхание, вдох для ТСХ и выдох в измерительное оборудование. Эти результаты служили базовыми значениями образования частиц.

2. б)

   Маневр форсированного выдоха отличался от эталонного маневра FRC только высокой скоростью выдоха, предназначенной для образования выдыхаемых частиц во время выдоха.

3. в)

   Был включен маневр от кашля , который, как известно, генерирует большое количество частиц.

4. г)

   Маневр повторного открытия дыхательных путей : выдох до правого желудочка перед вдохом на ТСХ и выдох в аппарат.Этот дыхательный маневр вызвал большое количество частиц, генерируемых механизмом повторного открытия дыхательных путей.

Результаты показали, что маневр принудительного выдоха и маневр кашля увеличивают массу выдыхаемых частиц / л выдыхаемого воздуха по сравнению с эталонным маневром FRC на 150 и 640% соответственно . Однако выдыхаемая масса DPPC не увеличилась по сравнению с эталонным маневром FRC .Однако маневр повторного открытия дыхательных путей привел к увеличению на 470% массы выдыхаемых частиц / л выдыхаемого воздуха по сравнению с эталонным маневром FRC и пропорционально увеличивалось DPPC. Кроме того, концентрация DPPC в частицах была аналогичной для маневра повторного открытия дыхательных путей и эталонного маневра FRC. Таким образом, форсированный выдох вызывает образование частиц размером 0,4–4,6 мкм, и эти частицы содержат очень мало альвеолярного поверхностно-активного вещества.Массовая доля крупных частиц размером от 3,0 до 4,6 мкм увеличилась после принудительного выдоха по маневру по повторному открытию дыхательных путей , предположительно потому, что большие частицы имеют более высокую вероятность выдоха при образовании в центральных или верхних дыхательных путях во время принудительного выдоха из-за короткого транзита. раз.

Комментарии: Центральные дыхательные пути, а также мелкие дыхательные пути генерируют выдыхаемые частицы, но с разным составом.

Ljungkvist et al. [44] измерили концентрацию метадона в выдыхаемых частицах у 13 участников, получавших поддерживающую терапию метадоном. Метод воздействия PExA (PExA®) с измерением размеров частиц от 0,4 мкм до 4,6 мкм сравнивали с методом электретной фильтрации, собирающим частицы любого размера во время приливного дыхания [42, 43]. Все пробы, полученные методом PExA во время модели дыхания ПЖ, содержали метадон. Таким образом, распределение метадона включает RTLF малых дыхательных путей.Интересно, что фильтрующее устройство собирает значительно больше метадона, чем импакционный инструмент, почти наверняка потому, что фильтрующее устройство собирает более крупные частицы из верхних дыхательных путей и / или ротовой жидкости.

Комментарии: Подтверждено, что выдыхаемые частицы во время приливного дыхания включают относительно крупные частицы, которые преобладают в выдыхаемой массе и не связаны с повторным открытием дыхательных путей.

Частицы в выдыхаемом воздухе — потенциальный биомаркер заболевания мелких дыхательных путей?

Химический анализ выдыхаемых частиц открывает огромные возможности для изучения биомаркеров небольших заболеваний дыхательных путей, и мы, вероятно, только начинаем использовать эту новую биологическую матрицу в полной мере.

Эмиссия частиц среди пациентов с ХОБЛ остается неясной [39, 45]. Schwarz et al. [39] сообщили, что не было различий в концентрациях частиц между здоровыми некурящими ( n = 16) и пациентами с ХОБЛ ( n = 28). Однако пациенты с ХОБЛ, представленные на рис. 2, явно выделяют меньше частиц, чем здоровые некурящие. Lärstad et al. [45] сообщили о значительном снижении выбросов частиц у пациентов с ХОБЛ ( n = 13) по сравнению со здоровыми участниками ( n = 12).Несмотря на некоторую двусмысленность, мы считаем, что результаты указывают на то, что пациенты с ХОБЛ выдыхают меньше частиц, чем здоровые участники. Одна из причин может заключаться в том, что гиперинфляция у пациентов с ХОБЛ препятствует их способности истекать при низком объеме легких. Когда здоровые участники выдыхают в КП, а не в ПЖ, их выбросы частиц составляют около одной трети от выбросов в ПЖ [22]. Другая причина может заключаться в том, что при ХОБЛ разрушаются терминальные бронхиолы [46], что приводит к уменьшению количества мелких дыхательных путей, которые нужно закрывать и открывать. Кроме того, доступные дыхательные пути могут быть повреждены из-за механического напряжения циклического закрытия и открытия [3, 33], что может повлиять на состав и продукцию частиц.

Lärstad et al. [45] изучали концентрации SP-A и альбумина с помощью PEx. SP-A участвует во многих биологических процессах на периферии легких, связанных с воспалением [47], и является интересным потенциальным биомаркером частиц из небольших дыхательных путей. Среди прочего, концентрация альбумина может быть индикатором утечки плазмы в дыхательные пути [48]. SP-A определяли с помощью иммуноферментного анализа, и результаты показали, что среди пациентов с ХОБЛ концентрации частиц SP-A (вес.%) Были ниже, чем у здоровых контролей, тогда как уровни альбумина были аналогичными.

Комментарии: Маленькие дыхательные пути действительно вовлечены в ХОБЛ, как показали всесторонние исследования Hogg et al [49,50,51] , и могут действовать несколько механизмов образования частиц.

Пациенты с астмой ( n = 10) до и после провокации метахолином были изучены Schwarz et al. [39]. Было обнаружено, что выбросы частиц не различались между здоровыми некурящими участниками ( n = 16), а провокация метахолином не влияла на выброс частиц, несмотря на значительную бронхиальную обструкцию.Ларссон и др. [41] изучали эмиссию и содержание частиц SP-A и альбумина у участников аллергии на пыльцу березы, страдающих астмой ( n = 13) и здоровых людей в контрольной группе ( n = 13). Выбросы выдыхаемых частиц снизились во время сезона пыльцы среди астматиков, но не изменились среди контрольных. SP-A (вес.%) И альбумин (вес.%) Не различались между участниками, страдающими астмой, и контрольной группой, и не было никакого влияния сезона пыльцы. Таким образом, результаты выбросов частиц от астматиков противоречивы.На Международном конгрессе Европейского респираторного общества в Милане в 2017 г. Östling et al. представили протеомику (SomaLogic, Inc., Колорадо, США) RTLF малых дыхательных путей [11]. PEx собирали во время модели дыхания RV прибором PExA у 20 участников с астмой и 10 здоровых людей из контрольной группы. Обнаружено более 200 различных белков. Многие белки у пациентов с астмой отличались от белков в контрольной группе, и многие белки сильно зависели от возраста. Полученные профили белков из мелких дыхательных путей предполагают, что метод захватывает патобиологически релевантные белки и что конкретный профиль указывает на субфенотип астмы.

Комментарии: Протеомика из маленьких дыхательных путей предлагает захватывающий потенциал для получения отпечатков пальцев из маленьких дыхательных путей.

участников, инфицированных риновирусом ( n = 16), были изучены Fabian et al. [24]. Участникам было предложено нормально дышать в аппарате в течение 20 минут. Выдыхаемые частицы собирали на желатиновых фильтрах для количественного определения риновирусов.Результаты были отрицательными, что указывало либо на то, что количество вируса было ниже предела обнаружения, либо на то, что вирус не присутствовал в собранных частицах. В исследование были включены три здоровых добровольца для изучения влияния кашля, глотания, приливного дыхания и дыхания на TLC и RV. Концентрация выдыхаемых частиц увеличивалась от 10 до 70 раз, когда участники выдыхали в RV перед вдохом в TLC.

Комментарии: Результаты согласуются с гипотезой открытия дыхательных путей.

Пациенты с синдромом облитерирующего бронхиолита (БОС) после трансплантации легких показали более низкие концентрации частиц SP-A, чем группа трансплантатов легких, не содержащая БОС [52].

Анализ с помощью TOF-SIMS показал, что фосфолипиды курильщиков более протонированы и насыщены содой, чем у некурящих [53]. Поскольку частицы были произведены механизмом открытия дыхательных путей, результаты указывают на влияние курения на RTLF малых дыхательных путей.Курильщиков также изучали Schwarz et al. [39], но никаких эффектов на испускание частиц обнаружено не было.

Экспериментальная оценка содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе с или без лицевых масок у здоровых детей: рандомизированное клиническое испытание | Педиатрия | JAMA Педиатрия

Многие правительства сделали обязательными для школьников закрытие носа и рта или маски для лица. Доказательная база для этого слабая. ^{1 , 2} Вопрос о том, увеличивает ли прикрытие носа и рта углекислый газ во вдыхаемом воздухе, имеет решающее значение.Масштабное исследование ³ побочных эффектов у родителей и детей в Германии с использованием данных 25930 детей показало, что 68% участвовавших детей имели проблемы при ношении носовых покрытий и покрытий для рта.

Нормальное содержание углекислого газа на открытом воздухе составляет около 0,04% по объему (т. Е. 400 частей на миллион). Согласно Федеральному управлению окружающей среды Германии, уровень 0,2% по объему или 2000 частей на миллион является пределом для закрытых помещений, и все, что выше этого уровня, недопустимо. ⁴

Мы измерили содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе с двумя типами покрытий для носа и рта и без них в хорошо контролируемом, сбалансированном краткосрочном экспериментальном исследовании у здоровых детей-добровольцев (подробности см. В электронных методах в Приложении 1). Исследование было проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией и передано в комитет по этике Университета Виттена / Хердеке.Все дети дали письменное информированное согласие, а родители также дали письменное информированное согласие для детей младше 16 лет. Было проведено 3-минутное непрерывное измерение базового уровня углекислого газа без маски. Допускалось 9-минутное измерение для каждого типа маски: 3 минуты для измерения содержания углекислого газа в совместном вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, 3 минуты для измерения содержания углекислого газа во время вдоха и 3 минуты для измерения содержания углекислого газа во время выдоха. .Содержание углекислого газа в окружающем воздухе всегда поддерживалось ниже 0,1% по объему за счет многократной вентиляции. Последовательность масок была рандомизирована, рандомизация — слепым методом и стратифицирована по возрасту детей. Мы проанализировали данные с использованием линейной модели для повторных измерений с P <0,05 в качестве порога значимости. Протокол измерений (протокол испытаний в Приложении 2) доступен в Интернете. ⁵ Данные были собраны 9 и 10 апреля 2021 г. и проанализированы с помощью программы Statistica версии 13.3 (TIBCO).

Средний возраст (СО) детей составлял 10,7 (2,6) года (диапазон от 6 до 17 лет), из них 20 девочек и 25 мальчиков. Результаты измерений представлены в таблице. Мы проверили возможные ассоциации с результатом. Только возраст был связан с содержанием углекислого газа во вдыхаемом воздухе (y = 1,9867 — 0,0555 × x; r = –0,39; P = 0,008; рисунок). Следовательно, мы добавили возраст в модель как непрерывную ковариату. Это выявило ассоциацию (частичное η ² = 0.43; P <0,001). Контрасты показали, что это связано с разницей между базовым значением и значениями обеих масок вместе. Контрасты между двумя типами масок не были значительными. Мы измерили средние значения (SD) между 13120 (384) и 13910 (374) ppm углекислого газа во вдыхаемом воздухе под хирургическими и фильтрующими масками 2 (FFP2), что выше, чем то, что уже считается неприемлемым Федеральным экологическим ведомством Германии. Office в 6 раз. Это значение было достигнуто после 3 минут измерения.В нормальных условиях школы дети носят такие маски в среднем 270 (межквартильный размах, 120–390) минут. ³ На рисунке показано, что значение ребенка с самым низким уровнем углекислого газа было в 3 раза больше, чем предел в 0,2% по объему. ⁴ Самые маленькие дети имели самые высокие значения: у одного 7-летнего ребенка уровень углекислого газа был измерен на уровне 25000 частей на миллион.

Ограничениями исследования были его краткосрочный характер в лабораторных условиях и тот факт, что дети не были заняты во время измерений и могли испытывать опасения.Большинство жалоб детей ³ можно рассматривать как последствия повышенного уровня углекислого газа во вдыхаемом воздухе. Это происходит из-за того, что маски имеют мертвое пространство, в котором выдыхаемый углекислый газ собирается быстро через короткое время. Этот углекислый газ смешивается со свежим воздухом и повышает содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе под маской, и это было более выражено в этом исследовании для детей младшего возраста.

Это, в свою очередь, приводит к нарушениям, связанным с гиперкапнией.В недавнем обзоре ⁶ сделан вывод о наличии достаточных доказательств неблагоприятных эффектов ношения таких масок. Мы предлагаем лицам, принимающим решения, соответствующим образом взвесить веские доказательства, полученные в результате этих экспериментальных измерений, которые предполагают, что детей не следует заставлять носить маски для лица.

Принято к публикации: 7 июня 2021 г.

Опубликовано в Интернете: 30 июня 2021 г. doi: 10.1001 / jamapediatrics.2021.2659

Отзыв: Уведомление об отзыве было опубликовано 16 июля 2021 г.

Автор для переписки: Харальд Валах, доктор философии, Познанский университет медицинских наук, педиатрическая клиника, ул. Szpitalna 27/33, PL-60-572 Познань, Польша ([email protected]).

Вклад авторов: Доктор Валах (главный исследователь) имел полный доступ ко всем данным в исследовании и несет ответственность за целостность данных и точность анализа данных.

Концепция и дизайн: Все авторы.

Сбор, анализ или интерпретация данных: Walach, Weikl, Diemer, Traindl, Kappes, Hockertz.

Составление рукописи: Walach, Traindl.

Критический пересмотр рукописи для важного интеллектуального содержания: Walach, Weikl, Prentice, Diemer, Kappes, Hockertz.

Статистический анализ: Walach.

Административная, техническая или материальная поддержка: Weikl, Prentice, Diemer, Traindl, Kappes, Hockertz.

Надзор: Вейкл, Димер, Трайндл, Каппес, Хокертц.

Другое — связь со всеми другими авторами: Валах.

Раскрытие информации о конфликте интересов: Не сообщалось.

Финансирование / поддержка: Общественная благотворительная организация Mediziner und Wissenschaftler für Gesundheit, Freiheit und Demokratie eV организовала это исследование и покрыла только основные расходы, такие как поездки.

Роль спонсора / спонсора: Спонсор не участвовал в разработке и проведении исследования; сбор, управление, анализ и интерпретация данных; подготовка, рецензирование или утверждение рукописи; и решение представить рукопись для публикации.

Заявление об обмене данными: См. Приложение 3.

1. сяо
Джей, Шиу
EYC, Гао
H,
и другие. Нефармацевтические меры при пандемическом гриппе в немедицинских учреждениях — меры личной защиты и меры по охране окружающей среды. Emerg Infect Dis . 2020; 26 (5): 967-975. DOI: 10.3201 / eid2605.1 PubMedGoogle ScholarCrossref 3.Schwarz
S, Jenetzky
E, Krafft
H, Маурер
Т, Мартин
D.Corona children изучает «Co-Ki»: первые результаты общегерманского реестра покрытий (маски) для рта и носа у детей. Опубликован в 2021 г. По состоянию на 15 июня 2021 г. https://www.researchsquare.com/article/rs-124394/v14. [Оценка здоровья углекислого газа в воздухе помещений]. Bundesgesundheitsblatt Gesundheitsforschung Gesundheitsschutz . 2008; 51 (11): 1358-1369. DOI: 10.