فشار داخل آلوئولی: نگاهی به فشار هوا در کیسه‌های هوایی ریه
ریه‌ها و معماری تنفس: آلوئول‌ها کجا هستند؟
برای درک فشار داخل آلوئولی، اول باید بدانیم آلوئول‌ها3 چه هستند و در کجای دستگاه تنفس قرار دارند. وقتی شما نفس می‌کشید، هوا از طریق بینی یا دهان وارد شده و از نای4 عبور می‌کند. نای به دو نایژه5 تقسیم می‌شود که هر کدام به یکی از ریه‌ها می‌روند. این نایژه‌ها مانند شاخه‌های درخت، بارها و بارها به گذرگاه‌های باریک‌تر و کوتاه‌تری به نام نایژک6 تقسیم می‌شوند. در انتهای کوچک‌ترین نایژک‌ها، خوشه‌هایی از کیسه‌های بسیار نازک و کوچک قرار دارند که به آن‌ها آلوئول می‌گویند.
هر ریهٔ انسان حاوی صدها میلیون آلوئول است. دیوارهٔ این کیسه‌ها آنقدر نازک است که گازها می‌توانند به راحتی از آن عبور کنند. در سوی دیگر این دیواره، مویرگ‌های خونی7 قرار دارند. اینجا، در سطح آلوئول‌ها، است که عمل اصلی تنفس رخ می‌دهد: اکسیژن هوای inhaled8 به خون وارد می‌شود و دی‌اکسید کربن خون خارج می‌شود. بنابراین، آلوئول‌ها محل اصلی تبادل گازها هستند.
فشار داخل آلوئولی چیست و چگونه تغییر می‌کند؟
فشار داخل آلوئولی دقیقاً به معنای فشار هوای داخل همین کیسه‌های کوچک آلوئولی است. این فشار بر حسب میلی‌متر جیوه9 اندازه‌گیری می‌شود. یک قانون فیزیکی مهم وجود دارد: هوا همیشه از ناحیه‌ای با فشار بالاتر به ناحیه‌ای با فشار پایین‌تر جریان می‌یابد. نفس کشیدن ما کاملاً تابع این قانون است.
فشار داخل آلوئولی در طول دم و بازدم به طور مداوم تغییر می‌کند زیرا حجم ریه‌ها تغییر می‌کند. این رابطه توسط قانون بویل10 توصیف می‌شود که می‌گوید: در یک دمای ثابت، حجم یک گاز با فشاری که بر آن وارد می‌شود نسبت معکوس دارد. این قانون را می‌توان به صورت زیر نوشت:
که در آن P فشار و V حجم گاز است.
هنگام دم، ماهیچه‌های بین دنده‌ای11 و دیافراگم12 منقبض می‌شوند. این انقباض باعث بزرگ شدن قفسهٔ سینه و در نتیجه افزایش حجم ریه‌ها می‌شود. طبق قانون بویل، با افزایش حجم، فشار داخل آلوئولی کاهش می‌یابد و از فشار اتمسفر (هوای بیرون) کمتر می‌شود. در نتیجه، هوا از طریق مجاری تنفسی به داخل ریه‌ها جریان پیدا می‌کند تا این اختلاف فشار را متعادل کند.
در هنگام بازدم، این ماهیچه‌ها شل می‌شوند. قفسهٔ سینه به حالت اولیه برمی‌گردد و حجم ریه‌ها کاهش می‌یابد. طبق قانون بویل، کاهش حجم باعث افزایش فشار داخل آلوئولی می‌شود. حالا فشار داخل آلوئول‌ها از فشار اتمسفر بیشتر است، بنابراین هوا از ریه‌ها به بیرون رانده می‌شود.
| فاز تنفسی | تغییر حجم ریه | تغییر فشار داخل آلوئولی | جهت جریان هوا |
|---|---|---|---|
| دم (Inspiration) | افزایش می‌یابد | کاهش می‌یابد (منفی می‌شود) | به داخل ریه‌ها |
| بازدم (Expiration) | کاهش می‌یابد | افزایش می‌یابد (مثبت می‌شود) | به خارج از ریه‌ها |
| پایان بازدم (در حالت عادی) | ثابت | 0 mmHg (برابر با فشار اتمسفر) | هیچ جریانی وجود ندارد |
یک آزمایش ساده برای درک تغییر فشار
یک مثال ساده برای درک این مفهوم، یک سرنگ خالی است. نوک سرنگ را با انگشت خود ببندید. حالا سعی کنید پیستون آن را بکشید (حجم را افزایش دهید). احساس می‌کنید که پیستون به سختی به عقب کشیده می‌شود و پس از رها کردن، به سرعت به جای خود برمی‌گردد. چرا؟ زیرا با کشیدن پیستون، حجم فضای داخل سرنگ افزایش یافته و در نتیجه فشار داخل آن بسیار کم شده است (حتی منفی می‌شود). از آنجایی که نوک سرنگ بسته است، هوای بیرون نمی‌تواند وارد شود تا فشار را متعادل کند. بنابراین، فشار هوای بیرون که بیشتر است، پیستون را به داخل می‌راند. این دقیقاً مشابه ایجاد فشار منفی در ریه‌ها برای عمل دم است، با این تفاوت که در ریه‌ها راه برای ورود هوا باز است!
فشار داخل آلوئولی در عمل: از تنفس طبیعی تا دستگاه ونتیلاتور
مفهوم فشار داخل آلوئولی فقط یک teori13 نیست، بلکه پایه و اساس عملکرد بسیاری از دستگاه‌های پزشکی و درک بیماری‌ها است.
یکی از مهم‌ترین کاربردها، دستگاه‌های ونتیلاتور14 یا کمک‌تنفس است. این دستگاه‌ها برای بیمارانی که نمی‌توانند به تنهایی نفس بکشند، استفاده می‌شوند. ونتیلاتورها با ایجاد فشار مثبت کار می‌کنند. یعنی هوای دارای اکسیژن را با فشار به داخل ریه‌های بیمار می‌فرستند (شبیه به بازدم اجباری). این کار فشار داخل آلوئولی را به طور مصنوعی افزایش می‌دهد تا ریه‌ها پر از هوا شوند. سپس فشار را قطع می‌کنند تا ریه‌ها به طور طبیعی با کشش الاستیک خودشان منقبض شده و هوای داخلشان خارج شود (بازدم غیرفعال).
همچنین، زمانی که یک غواص در اعماق دریا نفس می‌کشد، فشار هوای داخل کپسول او و در نتیجه فشار داخل آلوئولی‌هایش، بسیار بیشتر از فشار سطح دریا است. بدن او باید خود را با این شرایط تطبیق دهد، در غیر این صورت ممکن است مشکلات جدی مانند نیتروژن نارکوسیس15 رخ دهد.
پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج
خیر، این یک اشتباه رایج است. فشار داخل آلوئولی فقط در حین دم فعال منفی است. در حین بازدم معمولی، این فشار مثبت می‌شود. در پایان یک بازدم طبیعی و پیش از شروع دم بعدی، فشار داخل آلوئولی دقیقاً با فشار هوای اتمسفر (حدود 760 mmHg) برابر و در نتیجه صفر است (یعنی اختلاف فشار با اتمسفر صفر است).
این حالت به طور طبیعی در هنگام بازدم رخ می‌دهد و کاملاً normal16 است. اما اگر این فشار به دلیل یک انسداد (مثلاً در هنگام سرفه شدید یا بیماری‌هایی مانند آسم) بیش از حد افزایش یابد، می‌تواند به بافت ظریف ریه آسیب برساند. دستگاه‌های ونتیلاتور مدرن به دقت فشار را کنترل می‌کنند تا از این آسیب جلوگیری شود.
این دو فشار کاملاً به هم وابسته هستند. فشار داخل جنبی، فشاری است که در فضای بسیار باریک بین ریه و دیوارهٔ قفسهٔ سینه وجود دارد. این فشار همیشه از فشار داخل آلوئولی کمتر (یعنی منفی‌تر) است. این اختلاف فشار مانند یک نیروی مکش عمل می‌کند و ریه‌ها را در حالت باز و متسع نگه می‌دارد. اگر به هر دلیلی این اختلاف فشار از بین برود (مثلاً در اثر زخم چاقو به قفسهٔ سینه)، ریه روی خود جمع می‌شود که به آن پنوموتوراکس18 می‌گویند.
پاورقی
1 Intrapulmonary Pressure
2 Gas Exchange
3 Alveoli
4 Trachea
5 Bronchi
6 Bronchioles
7 Capillaries
8 Inhalation (دم)
9 Millimeters of Mercury (mmHg)
10 Boyle's Law
11 Intercostal Muscles
12 Diaphragm
13 Theory (نظریه)
14 Ventilator
15 Nitrogen Narcosis
16 Normal (طبیعی)
17 Intrapleural Pressure
18 Pneumothorax