Physics of the Lungs and Breathing PDF

Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah translated by ‫لَــــيِــث‬ PHYSICS OF THE LUNGS AND BREATHING ‫فيزياء الرئتين والتنفس‬ The body keeps living by two basic processes involving Oxygen: (1) “oxidization” of food in tissue by the arterial oxygen-rich...

Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah translated by ‫لَــــيِــث‬ PHYSICS OF THE LUNGS AND BREATHING ‫فيزياء الرئتين والتنفس‬ The body keeps living by two basic processes involving Oxygen: (1) “oxidization” of food in tissue by the arterial oxygen-rich blood for the metabolic activity, i.e., for producing energy for the body organs to perform their functions. (2) “oxygenation” of the venous oxygen-depleted blood in the lungs soas to turn it oxygen-rich again. The first process occurs within the general (systemic) circulation in the cardiovascular system already dealt with in previous Lecture, and the second occurs within the pulmonary circulation in the respiratory system with which this lecture is concerned. ‫) «أكسدة» الغذاء في األنسجة بواسطة‬1( :‫ويستمر الجسم في الحياة بعمليتين أساسيتين تتضمنان األكسجين‬ ‫ أي إلنتاج الطاقة الالزمة ألعضاء الجسم للقيام‬،‫الدم الشرياني الغني باألكسجين للقيام بالنشاط األيضي‬.‫) "أكسجة" الدم الوريدي المستنفد لألكسجين في الرئتين لتحويله غنيًا باألكسجين مرة أخرى‬2(.‫بوظائفها‬ ‫العملية األولى تحدث ضمن الدورة الدموية العامة (الجهازية) في الجهاز القلبي الوعائي التي سبق تناولها في‬ ‫ والثانية تحدث ضمن الدورة الدموية الرئوية في الجهاز التنفسي التي تتناولها هذه‬،‫المحاضرة السابقة‬ ‫المحاضرة‬. 1- Functions of the respiratory system ‫وظائف الجهاز التنفسي‬ (1) Exchange of O2 and CO2 between the alveolar air and pulmonary blood. (2) Keeping the pH (acidity of blood) constant. (3) Filtering, moisturizing, and warming the inhaled air. (4) Providing a controlled air flow for talking, sneezing, coughing, sighing, sobbing, snoring, laughing, sniffing, and yawning. (5) Increasing pressure in the digestive tract, by blocking the air passage, for defecating, vomiting,  ‫‪belching, and burping.‬‬ ‫‪(6) Producing voice by controlled outflow of air from lungs through the larynx and‬‬ ‫‪mouth‬‬ ‫‪(tongue, teeth, and lips).‬‬ ‫تبادل األكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الهواء السنخي والدم الرئوي‪ )2(.‬الحفاظ على درجة )‪(1‬‬ ‫‪.‬الحموضة (حموضة الدم) ثابتة‬ ‫‪.‬تصفية وترطيب وتدفئة الهواء المستنشق )‪(3‬‬ ‫توفير تدفق هواء متحكم فيه للتحدث والعطس والسعال والتنهد والنحيب والشخير والضحك واالستنشاق )‪(4‬‬ ‫‪.‬والتثاؤب‬ ‫‪.‬زيادة الضغط في القناة الهضمية عن طريق سد مجرى الهواء للتبرز والقيء والتجشؤ والتجشؤ )‪(5‬‬ ‫إنتاج الصوت عن طريق التحكم في تدفق الهواء من الرئتين عبر الحنجرة والفم )‪(6‬‬ ‫)اللسان واألسنان والشفاه(‬ ‫‪Breathing Rate: We breathe‬‬ ‫‪about 6 liters of air per‬‬ ‫‪minute (this is also about the‬‬ ‫‪same volume of blood the‬‬ ‫)‪heart pumps each minute). (1‬‬ ‫‪Men breathe about 12 timesper‬‬ ‫‪minute at rest, (2) women‬‬ ‫‪breathe about 20 times per‬‬ ‫‪minute, and (3) infants‬‬ ‫‪breathe about 60 times per‬‬ ‫‪Minute.‬‬ ‫معدل التنفس‪ :‬نحن نتنفس‬ ‫حوالي ‪ 6‬لترات من الهواء لكل‬ ‫دقيقة (وهذا أيضًا يتعلق بـ‬ ‫نفس حجم الدم‬ ‫)يضخ القلب كل دقيقة)‪1(.‬‬ ‫يتنفس الرجال حوالي ‪ 12‬مرة في المرة الواحدة‬ ‫دقيقة راحة عدد (‪ )2‬سيدات‬ ‫التنفس حوالي ‪ 20‬مرة في كل مرة‬ ‫دقيقة‪ ،‬و(‪ )3‬رضع‬ ‫التنفس حوالي ‪ 60‬مرة في كل مرة‬ ‫‪.‬دقيقة‬ ‫‪1‬‬ ‫‪Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah‬‬ 2- The airways: (1) nose, (2) pharynx, larynx, and epiglottis (3) trachea, (4) bronchi, (5) bronchioles, (6) alveoli. )4( ،‫) القصبة الهوائية‬3( ‫ ولسان المزمار‬،‫ والحنجرة‬،‫) البلعوم‬2( ،‫) األنف‬1( :‫الشعب الهوائية‬ ‫) الحويصالت الهوائية‬6( ،‫) القصيبات‬5( ،‫القصبات الهوائية‬. (1) The Nose (nostrils, nasal passages, mucous membrane, and cilia): Usually air enters the respiratory system through the nostrils. The nostrils then lead to open spaces in the nose called the nasal passages. The nasal passages serve for filtering, moistening, and warming the inhaled air before it reaches the lungs. The hairs existing within the nostrils prevent various foreign particles from entering into the lungs. The different air passageways in addition to the nasal passages are covered with a lining of mucous membrane containing cilia. The cilia are only 0.1mm long, and have a waving motion (vibrating at about 1000 times a minute). The secreted sticky fluid called mucus moves 2 cm/min up the major airways carrying the dust, bacteria and other particles from the inhaled air by the ciliary action. Under the mucous membrane there are large numbers of capillaries and the blood through these capillaries warms the air as it passes through the nose. As already mentioned, the nose serves three purposes: it filters, moistens and warms the air before it reaches the lungs. One will obviously lose these special advantages when breathing through the mouth. ‫ يدخل الهواء عادة إلى الجهاز التنفسي عبر‬:)‫ واألهداب‬،‫ األغشية المخاطية‬،‫ الممرات األنفية‬،‫األنف (المنخران‬ ‫ تعمل الممرات‬.‫ ثم تؤدي فتحات األنف إلى مساحات مفتوحة في األنف تسمى الممرات األنفية‬.‫فتحتي األنف‬ ‫ تمنع الشعيرات الموجودة داخل‬.‫األنفية على تصفية وترطيب وتدفئة الهواء المستنشق قبل وصوله إلى الرئتين‬ ‫فتحتي األنف دخول الجزيئات األجنبية المختلفة إلى داخل األنف‬ ‫ وتغطى الممرات الهوائية المختلفة باإلضافة إلى الممرات األنفية ببطانة من الغشاء المخاطي الذي يحتوي‬.‫رئتين‬ ‫ يتحرك‬.)‫ مرة في الدقيقة‬1000 ‫ ولها حركة مموجة (تهتز حوالي‬،‫ ملم فقط‬0.1 ‫ يبلغ طول األهداب‬.‫على أهداب‬ ‫دقيقة أعلى المسالك الهوائية الرئيسية حامالً الغبار والبكتيريا‬/‫ سم‬2 ‫السائل اللزج ال ُمفرز المسمى المخاط بسرعة‬ ‫ يوجد تحت الغشاء المخاطي أعداد كبيرة من‬.‫والجسيمات األخرى من الهواء المستنشق عن طريق العمل الهدبي‬ ،‫ كما ذكرنا سابقًا‬.‫ ويقوم الدم عبر هذه الشعيرات الدموية بتدفئة الهواء أثناء مروره عبر األنف‬،‫الشعيرات الدموية‬ ‫ من الواضح أن المرء‬.‫ فهو يقوم بتصفية وترطيب وتدفئة الهواء قبل وصوله إلى الرئتين‬:‫لألنف ثالثة أغراض‬ ‫سيفقد هذه المزايا الخاصة عند التنفس‬ ‫الفم‬. (2) Pharynx (throat), larynx (voice box with vocal chords) and epiglottis: Air travels from the nasal passages to the pharynx, commonly known as the throat. When the expired air leaves the pharynx it enters into the larynx, or the voice box. The voice box is constructed mainly of cartilage, which is a flexible connected tissue. The vocal chords are two pairs of membrane that are stretched across the inside of the larynx. As the air is expired, the vocal chords vibrate. Humans can control the vibrations of the vocal chords, which enables them to make sounds. Food and liquids are blocked from entering the opening of the larynx by the epiglottis to prevent people from choking during swallowing. ‫ ينتقل‬:‫ والحنجرة (صندوق الصوت الذي يحتوي على الحبال الصوتية) ولسان المزمار‬،)‫البلعوم (الحلق‬ ‫ فإنه‬،‫ عندما يخرج الهواء الزفير من البلعوم‬.‫ المعروف باسم الحلق‬،‫الهواء من الممرات األنفية إلى البلعوم‬ ‫ وهو نسيج‬،‫ يتكون الصندوق الصوتي بشكل أساسي من الغضروف‬.‫ أو صندوق الصوت‬،‫يدخل إلى الحنجرة‬ ‫ ومع‬.‫ الحبال الصوتية عبارة عن زوجين من األغشية التي تمتد عبر الجزء الداخلي من الحنجرة‬.‫مرن متصل‬ ‫ مما يمكنه من‬،‫ يستطيع اإلنسان التحكم في اهتزازات الحبال الصوتية‬.‫ تهتز الحبال الصوتية‬،‫انتهاء الهواء‬ ‫ يتم منع الطعام والسوائل من الدخول إلى فتحة الحنجرة بواسطة لسان المزمار لمنع‬.‫إصدار األصوات‬ ‫األشخاص من االختناق أثناء البلع‬. (3) Trachea (wind pipe): The larynx goes directly into the trachea or the windpipe. The trachea is a tube approximately 12 centimeters in length and 2.5 centimeters wide. The trachea is kept open by rings of cartilage within its walls. Similar to the nasal passages, the trachea is covered with a ciliated mucous membrane. Usually the cilia move the mucus and trapped foreign matter to the pharynx. ‫ القصبة‬.‫ تدخل الحنجرة مباشرة إلى القصبة الهوائية أو القصبة الهوائية‬:)‫القصبة الهوائية (أنبوب الرياح‬ ‫ تبقى القصبة الهوائية مفتوحة بواسطة‬.‫ سم‬2.5 ‫ سم وعرضه‬12 ‫الهوائية عبارة عن أنبوب يبلغ طوله حوالي‬ ‫ فإن القصبة الهوائية مغطاة بغشاء مخاطي‬،‫ على غرار الممرات األنفية‬.‫حلقات غضروفية داخل جدرانها‬ ‫ عادةً ما تقوم األهداب بنقل المخاط والمواد الغريبة المحاصرة إلى البلعوم‬.‫مهدب‬. 2 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah (4) Bronchi: In the center of the chest, the trachea divides into two cartilage- ringed tubes called bronchi. Also, this section of the respiratory system is lined with ciliated cells. The bronchi enter the lungs and spread into treelike smaller tubes called bronchial tubes. ‫ تنقسم القصبة الهوائية إلى أنبوبين غضروفيين محاطين بحلقات تسمى‬،‫ في وسط الصدر‬:‫القصبات الهوائية‬ ‫ تدخل القصبات الهوائية إلى‬.‫ كما أن هذا القسم من الجهاز التنفسي مبطن بالخاليا الهدبية‬.‫القصبات الهوائية‬ ‫الرئتين وتنتشر في أنابيب أصغر تشبه األشجار تسمى األنابيب القصبية‬. (5) Bronchioles: Each bronchus divides and redivides about 15 times. By doing this their walls become thinner and have less and less cartilage. Eventually, they become a tiny group of tubes called bronchioles. The resulting terminal ‫‪bronchioles supply air to millions of small sacs called alveoli.‬‬ ‫القصيبات‪ :‬تنقسم كل قصبة وتعيد االنقسام حوالي ‪ 15‬مرة‪.‬ومن خالل القيام بذلك‪ ،‬تصبح جدرانهم أرق‪،‬‬ ‫ويقل عدد الغضروف فيها‪.‬في النهاية‪ ،‬هم‬ ‫تصبح مجموعة صغيرة من األنابيب تسمى القصيبات‪.‬وتقوم القصيبات الطرفية الناتجة بتزويد الهواء‬ ‫لماليين األكياس الصغيرة التي تسمى الحويصالت الهوائية‬ ‫‪(6) Alveoli: The alveoli look like small‬‬ ‫‪interconnected bubbles. Each alveolus is about‬‬ ‫‪0.2mm in diameter and has wall thickness of‬‬ ‫‪only 0.4μm. At birth lungs have about 30‬‬ ‫‪million alveoli, by age of 8 the number of‬‬ ‫‪alveoli increases to about 300 million. Beyond‬‬ ‫‪this age the number stays relatively constant,‬‬ ‫‪but‬‬ ‫‪the alveoli increase in diameter.‬‬ ‫‪The alveoli play an important role in‬‬ ‫‪breathing, they expand and contract during‬‬ ‫‪breathing, and in them the exchange of O2 and‬‬ ‫‪CO2 takes place. Each alveolus is surrounded by blood so that O2 can diffuse from‬‬ ‫‪the alveolar air into the red blood cells and CO2 can diffuse from the blood into‬‬ ‫‪the‬‬ ‫‪air‬‬ ‫‪in‬‬ ‫‪the‬‬ ‫‪alveolus.‬‬ ‫الحويصالت الهوائية‪ :‬الحويصالت تبدو صغيرة‬ ‫فقاعات مترابطة‪.‬كل سنخة حوالي‬ ‫يبلغ قطرها ‪ 0.2‬ملم ويبلغ سمك جدارها‬ ‫ميكرومتر فقط عند الوالدة تحتوي الرئتان على حوالي ‪0.4 30‬‬ ‫مليون الحويصالت الهوائية‪ ،‬بعمر ‪ 8‬سنوات عدد‬ ‫ويزداد عدد الحويصالت الهوائية إلى حوالي ‪ 300‬مليون‪َ.‬و َرا َء‬ ‫في هذا العمر يبقى الرقم ثابتًا نسبيًا‪ ،‬ولكن‬ ‫‪.‬زيادة الحويصالت الهوائية في القطر‬ ‫تلعب الحويصالت الهوائية دورًا مه ًما في‬ ‫التنفس‪ ،‬فإنها تتوسع وتتقلص أثناء ذلك‬ ‫و ‪ O2‬التنفس وفيهم تبادل‬ ‫أن ينتشر من الهواء السنخي إلى خاليا ‪ O2‬يحدث ثاني أكسيد الكربون‪.‬كل سنخ محاط بالدم بحيث يمكن لـ‬ ‫‪.‬الدم الحمراء ويمكن لثاني أكسيد الكربون أن ينتشر من الدم إلى الهواء الموجود في الحويصالت الهوائية‬ ‫)‪3-Interaction of blood and lungs (the three perfusion- ventilation areas‬‬ ‫)تفاعل الدم والرئتين (مناطق التروية والتهوية الثالثة‬ ‫‪Blood is pumped from the heart to the lungs under relatively low pressure. The‬‬ average peak blood pressure in the main pulmonary artery carrying blood to the lungs is only about 20mmHg or about 15% of the pressure in the main body circulation. The lungs offer little resistance to the flow of blood. Two general processes are involved in gas exchange in the lungs: (1)Ventilation: getting the air to the alveolar surface. (2)Perfusion: getting the blood to the pulmonary capillaries. If either process fails the blood will not be properly oxygenated. ‫ يبلغ متوسط​​ذروة ضغط الدم في الشريان الرئوي‬.‫يتم ضخ الدم من القلب إلى الرئتين تحت ضغط منخفض نسبيا‬ ‫ من الضغط في الدورة الدموية‬%15 ‫ ملم زئبق فقط أو حوالي‬20 ‫الرئيسي الذي يحمل الدم إلى الرئتين حوالي‬ ‫ هناك عمليتان عامتان تشاركان في تبادل الغازات في‬.‫ تقدم الرئتان مقاومة قليلة لتدفق الدم‬.‫الرئيسية في الجسم‬ ‫الرئتين‬: (1) ‫ إيصال الهواء إلى السطح السنخي‬:‫التهوية‬. (2) ‫ إيصال الدم إلى الشعيرات الرئوية‬:‫التروية‬. ‫ فلن يتم تشبع الدم باألكسجين بشكل صحيح‬،‫إذا فشلت أي من العمليتين‬ 3 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah The three perfusion-ventilation areas in the lungs: ‫مناطق تهوية التروية الثالثة في الرئتين‬: (1) Areas with good perfusion, and good ventilation: it accounts to over 90% of the total volume of the normal lungs. (2)Areas with poor perfusion, and good ventilation: when blood flow to part of a lung is blocked by a clot (a pulmonary embolism) that volume willhave poor perfusion. (3)Areas with good perfusion, and poor ventilation: if air passages in the lungs are obstructed as in pneumonia, the involved area will have poor ventilation. (1) ‫ من إجمالي حجم الرئتين‬%90 ‫ تمثل أكثر من‬:‫المناطق ذات التروية الجيدة والتهوية الجيدة‬ ‫الطبيعيتين‬. (2) ‫ عندما يتم حظر تدفق الدم إلى جزء من الرئة بسبب‬:‫المناطق ذات التروية الضعيفة والتهوية الجيدة‬ ‫ سيكون هذا الحجم ضعيف التروية‬،)‫جلطة (انسداد رئوي‬. (3) ‫ إذا كانت الممرات الهوائية في الرئتين مسدودة كما في‬:‫المناطق ذات التروية الجيدة وسوء التهوية‬ ‫ فإن المنطقة المصابة ستكون تهويتها سيئة‬،‫االلتهاب الرئوي‬. 4. Measurement of lung volumes (TV+IRV+ ERV+RV =TLC) ‫( قياس أحجام الرئة‬TV+IRV+ ERV+RV =TLC) The Spirometer: is a device used to measure the air flow into and out of the lungs and record it on a graph of volume versus time. (1) Tidal volume (TV) is the amount of air inspired or expired with each breath. (2) Inspiratory reserve volume (IRV) is the maximum amount of additional air that can be inspired beyond a normal inspiration. (3) Expiratory reserve volume (ERV) is the maximum of additional air that can be expired beyond a normal expiration. (4) Residual volume (RV) is the amount of air remaining in the lungs after an extended or complete expiration. RV cannot be measured with a spirometer. RV is decreased by restrictive lung diseases like (pulmonary fibrosis, lung cancer, and pneumonia), and increased by obstructive lung diseases such as [Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), emphysema, asthma]. ‫ هو جهاز يستخدم لقياس تدفق الهواء من وإلى الرئتين وتسجيله على رسم بياني للحجم‬:‫مقياس التنفس‬ ‫مقابل الوقت‬. (1) ‫( حجم المد والجزر‬TV) ‫هو كمية الهواء الذي يتم استنشاقه أو زفيره مع كل نفس‬. (2) ‫( حجم احتياطي الشهيق‬IRV) ‫هو الحد األقصى لكمية الهواء اإلضافي التي يمكن استنشاقها بما يتجاوز‬ ‫الشهيق العادي‬. (3) ‫( حجم احتياطي الزفير‬ERV) ‫هو الحد األقصى للهواء اإلضافي الذي يمكن زفيره بعد انتهاء الصالحية‬ ‫الطبيعية‬. (4) ‫( الحجم المتبقي‬RV) ‫ ال يمكن قياس‬.‫هو كمية الهواء المتبقية في الرئتين بعد الزفير الممتد أو الكامل‬ RV ‫ ينخفض‬.‫​ بمقياس التنفس‬RV ،‫ وسرطان الرئة‬،‫بسبب أمراض الرئة المقيدة مثل (التليف الرئوي‬ ‫ ويزيد بسبب أمراض الرئة االنسدادية مثل [مرض االنسداد الرئوي المزمن‬،)‫وااللتهاب الرئوي‬ (COPD)، ‫ والربو‬،‫]وانتفاخ الرئة‬. Total lung capacity (TLC) is the amount of air in the lungs at the end of an extended or complete inspiration. TLC is the sum of all four lung volumes discussed above. (TV+IRV+ ERV+RV =TLC). ‫( إجمالي سعة الرئة‬TLC) ‫هي كمية الهواء الموجودة في الرئتين في نهاية الشهيق الممتد أو الكامل‬. TLC ‫ (تلفزيون‬.‫هو مجموع أحجام الرئة األربعة التي تمت مناقشتها أعاله‬+IRV ERV+RV=TLC).  4 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah 5- Pressure-airflow-volume relationships of the lungs ‫العالقات بين الضغط وتدفق الهواء وحجم الرئتين‬ Breathing consists of two phases, inspiration and expiration. During inspiration, the diaphragm and the intercostal muscles contract. The diaphragm moves downward increasing the volume of the thoracic (chest) cavity, and the intercostals muscles pull the ribs up expanding the rib cage and further increasing this volume. This increase of volume lowers the air pressure in the alveoli to below atmospheric pressure. Because air always flows from a region of high pressure to a region of lower pressure, it rushes through the respiratory system into the alveoli.This is called negative pressure breathing, changing the pressure inside the lung relative to the pressure of the outside atmosphere. In contrast to inspiration, during expiration the diaphragm and intercostal muscles relax and return the thoracic cavity to its original volume thereby, increasing the air pressure in the lungs, and forcing the air out. The pressure difference needed to cause air to flow into or out of the lungs of a healthy individual is quite small. Note that the pressure difference is only few centimeters of water for normal individuals, while a greater pressure difference is required for air to flow out of a patient's lungs..‫ ينقبض الحجاب الحاجز والعضالت الوربية‬،‫ أثناء الشهيق‬.‫ الشهيق والزفير‬،‫يتكون التنفس من مرحلتين‬ ‫ وتقوم العضالت‬،)‫يتحرك الحجاب الحاجز نحو األسفل مما يزيد من حجم التجويف الصدري (الصدر‬ ‫ تؤدي هذه الزيادة في الحجم‬.‫الوربية بسحب األضالع إلى األعلى لتوسيع القفص الصدري وزيادة هذا الحجم‬ ‫إلى خفض ضغط الهواء في الحويصالت الهوائية إلى أقل من الضغط الجوي‬ ‫ فإنه يندفع عبر‬،‫ وألن الهواء يتدفق دائ ًما من منطقة الضغط المرتفع إلى منطقة الضغط المنخفض‬.‫ضغط‬ ‫ وهو تغيير الضغط داخل‬،‫ وهذا ما يسمى التنفس بالضغط السلبي‬.‫الجهاز التنفسي إلى الحويصالت الهوائية‬ ‫الرئة‬ ‫ يسترخي الحجاب الحاجز والعضالت‬،‫ أثناء الزفير‬،‫ على عكس الشهيق‬. ‫نسبة إلى ضغط الجو الخارجي‬ ‫ ويجبر الهواء‬،‫ مما يزيد من ضغط الهواء في الرئتين‬،‫الوربية ويعيد التجويف الصدري إلى حجمه األصلي‬ ‫على الخروج‬.  ‫ الحظ أن فرق‬.‫إن فرق الضغط الالزم لتدفق الهواء إلى داخل أو خارج رئتي الشخص السليم صغير جدًا‬ ‫ بينما يلزم وجود فرق أكبر في‬،‫الضغط ال يتجاوز بضعة سنتيمترات من الماء بالنسبة لألفراد الطبيعيين‬ ‫الضغط حتى يتدفق الهواء من رئتي المريض‬. 6-Physics of the alveoli ‫فيزياء الحويصالت الهوائية‬ 6.1 Laplace law of surface tension applied to the alveoli: The alveoli are physically like millions of small interconnected bubbles that have a natural tendency to get smaller due to the “surface tension” of a unique fluid lining, called the “surfactant” which is secreted by the cells lining the internal surfaceof the alveoli. This fluid is responsible for decreasing surface tension of the alveoli. ‫ تشبه الحويصالت الهوائية ماليين الفقاعات‬:‫تطبيق قانون البالس للتوتر السطحي على الحويصالت الهوائية‬ ‫الصغيرة المترابطة والتي تميل بشكل طبيعي إلى أن تصبح أصغر بسبب "التوتر السطحي" لبطانة سائلة فريدة‬ ‫تسمى "الفاعل بالسطح" والتي يفرزها الخاليا المبطنة للسطح الداخلي‬ ‫ هذا السائل مسؤول عن تقليل التوتر السطحي للحويصالت الهوائية‬.‫الحويصالت الهوائية‬. 5 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah The surface tension is the force acting on an imaginary line along the surface of a liquid.. γ = Force (dyne) / Length (cm) For a soap bubble, the surface of the bubble contracts forming a sphere and generating a pressure that obeys Laplace law: P = 4γ / R. For a spherical alveolus: P = 2γ/R. While the surface tension of water is (70 dyne/cm) is constant with the change in surface area (∆A), (i.e., independent of it), the surface tension of the surfactant greatly changes with the change in surface area. For the alveoli it falls to extremely low values when the area is small. ‫سم) ثابت مع التغير في مساحة السطح‬/‫ داين‬70( ‫∆( في حين أن التوتر السطحي للماء‬A)، (‫أي مستقل‬ ‫ بالنسبة‬.‫ فإن التوتر السطحي للفاعل بالسطح يتغير بشكل كبير مع التغير في مساحة السطح‬،)‫عنه‬ ‫للحويصالت الهوائية تنخفض إلى قيم منخفضة للغاية عندما تكون المساحة صغيرة‬. 6.2 The law of diffusion applied to O2 and CO2 exchange between alveolar air and pulmonary capillaries: The transfer of O2 and CO2 across the alveolar and pulmonary capillary membranes is governed by the law of diffusion, which states that: “the molecules of a particular type diffuse from the region of higher concentration to the region of lower concentration until the concentration becomes uniform in the two regions”. ‫قانون االنتشار المطبق على تبادل األكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الهواء السنخي والشعيرات الدموية‬ ‫ إن انتقال األكسجين وثاني أكسيد الكربون عبر األغشية السنخية والشعيرات الدموية الرئوية يحكمه‬:‫الرئوية‬ ‫ "الجزيئات من نوع معين تنتشر من المنطقة ذات التركيز األعلى إلى‬:‫ الذي ينص على أن‬،‫قانون االنتشار‬ ‫»المنطقة ذات التركيز األقل حتى يصبح التركيز موحداً في المنطقتين‬. ‫ التعتمد على القوانين واالرقام التي في اللغة العربية اعتمد فقط على قوانين‬: ‫مالحظة‬ ‫وارقام اللغة االنكليزية‬ The principle of Diffusion: ‫مبدأ االنتشار‬ In the lungs diffusion occurs both in gas and liquid. Each molecule collides in a random manner about 10 times / sec with other molecules. The most probable distance (D), a molecule will travel from its origin after (N) collisions is: [ D = λ √N].. where λ= the average distance between collisions, λair = 10-7, λtissue = 10-11. The number of collisions is directly proportional to the square root of the change of time [N a √∆t],, and ∆t a D2.. N depends on: (a) The speed of molecules. (b) The Temperature. Respiration involves the gaseous exchange of O2 and CO2 by diffusion between the alveolar air and the pulmonary capillaries. This exchange depends on: 1. Volume of alveolar ventilation. 2. Volume of blood flow through the pulmonary capillaries which are in contact with the ventilated alveoli. 10 ‫ يصطدم كل جزيء بطريقة عشوائية حوالي‬.‫في الرئتين يحدث االنتشار في كل من الغاز والسائل‬ ً‫ المسافة األكثر احتماال‬.‫ ثانية مع الجزيئات األخرى‬/ ‫( مرات‬D) ‫التي سيقطعها الجزيء من نقطة‬ ‫( األصل بعد االصطدامات‬N) ‫هي‬: [ D = lect √N].. ‫ حيث‬χ= ‫متوسط​​المسافة بين االصطدامات‬، χ‫ يتناسب عدد‬.11-10 =‫األنسجة‬″ ،7-10 =‫الهواء‬  ‫[ التصادمات بشكل مباشر مع الجذر التربيعي لتغير الزمن‬N a √∆t]، ‫∆و‬t a D2.. ‫ يعتمد‬N :‫على‬ ‫ (ب) درجة الحرارة‬.‫(أ) سرعة الجزيئات‬. ‫يتضمن التنفس التبادل الغازي لألكسجين وثاني أكسيد الكربون عن طريق االنتشار بين الهواء السنخي‬ ‫ ويعتمد هذا التبادل على‬.‫والشعيرات الدموية الرئوية‬: 1. ‫حجم التهوية السنخية‬. 2. ‫حجم تدفق الدم عبر الشعيرات الدموية الرئوية المتالمسة مع الحويصالت الهوائية‬. 6.3 Dalton’s law of partial pressures applied to O2 and CO2: The behavior of gases in the lungs obeys Dalton’s Law of partial pressures which state that: “the total pressure of a mixture of gases in a container is the sum of the partial pressuresof the individual gases”, (i.e., the pressure exerted by each gas when it alone occupies the 6.3 ‫ قانون دالتون للضغوط الجزئية المطبق على‬O2 ‫و‬CO2: ‫يخضع سلوك الغازات في الرئتين لقانون‬ ‫ "الضغط اإلجمالي لخليط من الغازات في الحاوية هو مجموع‬:‫دالتون للضغوط الجزئية الذي ينص على أن‬ ‫الضغوط الجزئية للفرد الغازات" (أي الضغط الذي يمارسه كل غاز عندما يحتل وحده المساحة‬ 6 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah container) (Total pressure = sum of partial pressures). For a gas in the lungs: Partial pressure = (percentage of the gas in the mixture)×(atmospheric pressure – partial pressure of water vapor) In the lungs, at 37˚C and 100% relative humidity, the partial pressure of water vapor = 47mmHg. The atmospheric pressure = 760 mmHg. The alveolar aircontains 14% O2, 5.6% CO2. To determine the partial pressures of O2 and CO2: PO2 = 14% (760mmHg – 47mmHg) = 100mmHg PCO2 = 5.6% (760mmHg – 47mmHg) = 40mmHg The mixture of gases in the alveoli is not the same as the mixture in ordinary air. The lungs are not emptied completely during expiration. During normal breathing the lungs retain about 30% of its volume at the end of each expiration. This is called Functional Residual Capacity (FRC). ‫ الضغط الجزئي = (نسبة‬:‫ بالنسبة للغاز في الرئتين‬.)‫الحاوية) (الضغط الكلي = مجموع الضغوط الجزئية‬ ‫)الغاز في الخليط) × (الضغط الجوي – الضغط الجزئي لبخار الماء‬ ‫ يكون الضغط الجزئي لبخار‬،%100 ‫ درجة مئوية ورطوبة نسبية‬37 ‫ عند درجة حرارة‬،‫في الرئتين‬ %5.6 ،‫ أكسجين‬%14 ‫ يحتوي الهواء السنخي على‬.‫ ملم زئبق‬760 = ‫ الضغط الجوي‬.‫ ملم زئبق‬47 = ‫الماء‬ ‫ثاني أكسيد الكربون‬. ‫لتحديد الضغوط الجزئية لألكسجين وثاني أكسيد الكربون‬: PO2 = 14% (760 ‫ ملم زئبق‬100 = )‫ ملم زئبقي‬47 – ‫ملم زئبقي‬  ‫ملم زئبقي – ‪ 47‬ملم زئبق) = ‪ 40‬ملم زئبق ‪PCO2 = 5.6% (760‬‬ ‫إن خليط الغازات الموجود في الحويصالت الهوائية ليس هو نفسه الخليط الموجود في الهواء العادي‪.‬ال‬ ‫يتم إفراغ الرئتين بشكل كامل أثناء الزفير‪.‬أثناء التنفس الطبيعي‪ ،‬تحتفظ الرئتان بحوالي ‪ %30‬من حجمها‬ ‫‪ (FRC).‬في نهاية كل زفير‪.‬وهذا ما يسمى القدرة المتبقية الوظيفية‬ ‫‪6.4 Henry’s law of solubility of gases applied to O2 and CO2: Henry's law-states‬‬ ‫‪that “the amount of a gas dissolved in a liquid is directly proportional to the‬‬ ‫”‪partial pressure of the gas‬‬ ‫‪The amount of a gas dissolved in blood varies greatly from one gas to another.‬‬ ‫‪Oxygen is not very soluble in blood or water. At body temperature 1 liter of blood‬‬ ‫‪plasma at PO2 of 100mmHg will hold about 2.5 cm3 of O2 at normal pressure and‬‬ ‫‪temperature.‬‬ ‫‪The difference in the solubility of O2 and CO2 in tissue affects the transport of‬‬ ‫‪these gases across the alveolar wall. A molecule of O2 diffuses “faster” than a‬‬ ‫‪molecule of CO2 because of its “smaller mass”. However, because of the “greater‬‬ ‫‪number” of CO2 molecules in solution, the transport of CO2 is more efficient than‬‬ ‫‪the transport of O2. Adding to that the solubility of CO2 molecules in blood is 25‬‬ ‫‪times greater than that of O2, this also helps in increasing the efficiency of CO2‬‬ ‫‪transportation‬‬ ‫‪through‬‬ ‫‪the‬‬ ‫‪blood.‬‬ ‫ينص قانون هنري على أن "كمية الغاز المذاب في ‪CO2:‬و ‪ O2‬قانون هنري لذوبان الغازات المطبق على‬ ‫"السائل تتناسب طرديا مع الضغط الجزئي للغاز‬ ‫وتختلف كمية الغاز الذائبة في الدم بشكل كبير من غاز إلى آخر‪.‬األكسجين غير قابل للذوبان بشكل كبير‬ ‫في الدم أو الماء‪.‬عند درجة حرارة الجسم‪ ،‬فإن لترًا واحدًا من بالزما الدم عند ضغط أكسجين يبلغ ‪ 100‬ملم‬ ‫‪.‬زئبقي سيحتوي على حوالي ‪ 2.5‬سم مكعب من األكسجين عند الضغط ودرجة الحرارة العادية‬ ‫في األنسجة على نقل هذه الغازات عبر الجدار السنخي‪.‬ينتشر ‪ CO2‬و ‪ O2‬يؤثر االختالف في ذوبان‬ ‫بشكل أسرع" من جزيء ثاني أكسيد الكربون بسبب "كتلته األصغر"‪.‬ومع ذلك‪ ،‬بسبب "العدد" ‪ O2‬جزيء‬ ‫األكبر" من جزيئات ثاني أكسيد الكربون في المحلول‪ ،‬فإن نقل ثاني أكسيد الكربون يكون أكثر كفاءة من نقل‬ ‫األكسجين‪.‬إضافة إلى أن قابلية ذوبان جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الدم أكبر بـ ‪ 25‬مرة من ذوبان‬ ‫‪.‬األكسجين‪ ،‬وهذا يساعد أيضًا في زيادة كفاءة نقل ثاني أكسيد الكربون عبر الدم‬ ‫‪6.5 O2 association with and dissociation from Hb in RBCs of blood: Perfusion‬‬ ‫‪of O2 and CO2 occurs in two distinct processes:‬‬ ‫‪(1) between the arterial blood and body tissues across the capillary walls in the‬‬ ‫‪oxidization of food (the metabolic activity), and (2) between the alveolar air and‬‬ ‫‪blood in the oxygenation of blood in the lungs. Here, we concentrate on the first‬‬ ‫في عمليتين ‪CO2‬و ‪ O2‬واالنفصال عنه في كرات الدم الحمراء في الدم‪ :‬يحدث تروية ‪ Hb‬مع ‪ O2‬ارتباط‬ ‫‪:‬متميزتين‬ ‫بين الدم الشرياني وأنسجة الجسم عبر جدران الشعيرات الدموية في أكسدة الطعام (النشاط األيضي)‪ ،‬و )‪(1‬‬ ‫(‪ )2‬بين الهواء السنخي والدم في أكسجة الدم في الرئتين‪.‬وهنا نركز على األول‬  7 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah process though the two have much in common. Blood can carry very little O2 in solution. Most of O2 is carried to the body’s cells by chemical combination with the hemoglobin (Hb) in the red blood cells (RBCs). A liter of blood can carry about 200cm3 of O2 at normal body temperature and pressure. Since most of O2 is not in solution, the “law of diffusion” is altered; O2 will combine with or separate from the Hb in a way that depends on a certain “dissociation curve”. ‫العملية على الرغم من أن هناك الكثير من القواسم المشتركة بين االثنين‬. ‫ يمكن أن يحمل الدم كمية قليلة جدًا من‬O2 ‫ يتم نقل معظم األكسجين إلى خاليا الجسم عن طريق‬.‫في المحلول‬ ‫( االتحاد الكيميائي مع الهيموجلوبين‬Hb) ‫الموجود في خاليا الدم الحمراء‬ (‫ من األكسجين عند درجة حرارة الجسم‬3 ‫ سم‬200 ‫ يمكن للتر من الدم أن يحمل حوالي‬.)‫كرات الدم الحمراء‬ ‫ وبما أن معظم‬.‫ والضغط الطبيعي‬O2 ‫ سوف يتحد‬."‫ يتم تغيير "قانون االنتشار‬،‫ ليس في المحلول‬O2 ‫مع‬ Hb ‫أو ينفصل عنه بطريقة تعتمد على "منحنى تفكك" معين‬. The oxygenated blood leaving the lungs is about 97% saturated with O2 at PO2 of about 100mmHg. When the blood reaches the tissues cells and their low PO2 environment, O2 dissociates from the Hb and diffuses into the cells. Not all the O2 leaves the Hb. The amount of O2 dissociation from the Hb depends on: (1) PO2 of the tissue (2) PCO2, (3) pH (acidity) and (4) Temperature. Under normal (resting conditions) the venous blood returns from body tissues to the heart with about 75% loads of blood. During heavy physical exercise the PO2 in the working muscles drops rapidly causing more O2 to dissociate from the Hb and diffuse into the muscles. The working muscles will obtain about 10 times more O2 than what they consume at rest. The PCO2, pH, and temperature allincrease, so that the Hb gives more of its O2 to the working muscles. ‫ تقريبًا بـ‬٪97 ‫ يكون الدم المؤكسج الذي يغادر الرئتين مشبعًا بنسبة‬O2 ‫ عند‬PO2 ‫ مم‬100 ‫الذي يبلغ حوالي‬ ‫ عندما يصل الدم إلى خاليا األنسجة وبيئتها المنخفضة‬.‫ زئبق‬PO2، ‫ ينفصل‬O2 ‫ عن‬Hb.‫وينتشر في الخاليا‬ ‫ ليس كل‬O2 ‫ يترك‬Hb. ‫ تعتمد كمية تفكك‬O2 ‫ من‬Hb 1( :‫ )على‬PO2 2( ‫ )لألنسجة‬PCO2، (3) ‫الرقم‬ ‫) درجة الحرارة‬4( ‫الهيدروجيني (الحموضة) و‬. %75 ‫في ظل الظروف الطبيعية (ظروف الراحة) يعود الدم الوريدي من أنسجة الجسم إلى القلب بحوالي‬ ‫ ينخفض‬،‫ أثناء ممارسة التمارين البدنية الثقيلة‬.‫​ من الدم‬PO2 ‫في العضالت العاملة بسرعة مما يؤدي إلى‬ ‫ انفصال المزيد من‬O2 ‫ عن‬Hb 10 ‫ سوف تحصل العضالت العاملة على حوالي‬.‫وانتشاره في العضالت‬ ‫ يزداد كل من‬.‫ أضعاف كمية األكسجين التي تستهلكها أثناء الراحة‬PCO2 ‫و‬pH ‫ بحيث‬،‫ودرجة الحرارة‬ ‫ يعطي‬Hb ‫ المزيد من‬O2 ‫للعضالت العاملة‬. 6.6 Carbon monoxide (CO) poisoning: This results in the dissociation of insufficient O2 from Hb for generating energy in body tissues, since it prevents the association of sufficient O2 with Hb in breathing. The molecules of carbon monoxide (CO) attach very securely to the Hb and occupy the places normally occupied by O2. They attach about 250 times more tightly to Hb than do the O2 molecules. The CO molecules do not easily dissociate in the tissue. That is why they impede both the dissociation of sufficient O2 from Hb in the oxidization process, and the association of sufficient O2 with Hb (which is poisoned and occupied by CO) in the oxygenation processes. ‫( التسمم بأول أكسيد الكربون‬CO): ‫يؤدي إلى تفكك كمية األوكسجين غير الكافية من الهيموجلوبين لتوليد‬ ‫ ترتبط‬.‫ ألنه يمنع ارتباط كمية كافية من األوكسجين مع الهيموجلوبين في التنفس‬،‫الطاقة في أنسجة الجسم‬ ‫( جزيئات أول أكسيد الكربون‬CO) ‫ بشكل آمن للغاية بالـ‬Hb ‫ وتحتل األماكن التي يشغلها عادة‬O2. ‫وهي‬ ‫ مرة بالـ‬250 ‫ ترتبط بقوة أكبر بحوالي‬Hb ‫ مقارنة بجزيئات‬O2. ‫ال تنفصل جزيئات ثاني أكسيد الكربون‬ ‫ وهذا هو السبب في أنها تعيق تفكك كمية كافية من‬.‫ بسهولة في األنسجة‬O2 ‫ من‬Hb ‫ و‬،‫في عملية األكسدة‬ ‫ ارتباط كمية كافية من‬O2 ‫ مع‬Hb (‫ المسمم والمحتل بواسطة‬CO) ‫في عمليات األوكسجين‬. 8 Medical physics Department of Anesthesia Dr. Sabah Osmosis: ‫التنافذ‬ If we have two salts solutions of different concentrations separated by a membrane permeable to water not to salt , it is found that in time the solution on the two side will have the same strength. These due to the passage of water from the weak salt solution to the stronger. Such phenomena is known Osmotic Pressure as osmosis. Is the force under which a solvent moves from a solution of a lower solute concentration to a solution of higher solute concentration. When these solution are separated by a selectively permeable membrane. PV =nRT Where P is the osmotic pressure V is the volume n is the number of mole R is the universal gas constant = 8.3 J/mole T is the absolute temperature The osmotic pressure is proportional to the concentration of the solute , Which means inversely proportional to the volume of the solution. It is also proportional to the absolute temperature. ‫إذا كان لدينا محلولين من األمالح بتركيزات مختلفة يفصل بينهما غشاء نافذ للماء وليس‬ ‫ وذلك‬.‫ فقد وجد أنه بمرور الوقت سيكون للمحلول الموجود على الجانبين نفس القوة‬،‫للملح‬ ‫ وتعرف مثل‬.‫بسبب مرور الماء من المحلول الملحي الضعيف إلى المحلول الملحي األقوى‬ ‫هذه الظواهر بالضغط األسموزي بالتناضح‬. ‫هي القوة التي يتحرك بها المذيب من المحلول ذي تركيز المذاب األقل إلى المحلول ذي‬ ‫تركيز المذاب األعلى‬. ‫ الكهروضوئية = نرت‬.‫عندما يتم فصل هذه المحاليل بواسطة غشاء منفذ بشكل انتقائي‬ ‫ حيث‬P ‫هو الضغط األسموزي‬ V ‫هو الحجم‬ n ‫هو عدد الخلد‬ R ‫مول‬/‫ جول‬8.3 = ‫هو ثابت الغاز العالمي‬ T ‫هي درجة الحرارة المطلقة‬ ‫ كما أنه‬.‫ أي يتناسب عكسيا مع حجم المحلول‬،‫ويتناسب الضغط االسموزي مع تركيز المذاب‬ ‫يتناسب مع درجة الحرارة المطلقة‬. Lung Diseases: ‫أمراض الرئة‬: 1. Disorder of low compliance: -Fibrosis: scarring of connective tissue framework cause by many disease occupational hazards (welders miners) and ionizing radiation 1. Lung stiffens→ reduced compliance 2. Alveolar membrane thickens→O2 cannot diffuse -RDS (respiratory distress syndrome ) : absence of surfactant→ reduced compliance. 2. Obstructive diseases: -Emphysema: 1. Alveolar walls destroyed (due to smoking) 2. Lung flabby (i.e. increased compliance) →chest expands (barrelchested) →hard to blow out, airway collapses when exhale -Asthma: airway narrowing 1. Incidence on the rise: leading cause of hospitalization in children 2. Due to sensitive airway (allergic reaction) 3. Excess mucus secretion, bronchospasm (constriction of smooth lining airways) 1. ‫اضطراب انخفاض االمتثال‬: - ‫ تندب إطار النسيج الضام الناتج عن العديد من المخاطر المهنية لألمراض (عمال اللحام) واإلشعاعات‬:‫التليف‬ ‫المؤينة‬ ‫تصلب الرئة → انخفاض االمتثال ‪1.‬‬ ‫أن ينتشر ‪ O2‬يتكاثف الغشاء السنخي → ال يمكن لـ ‪2.‬‬ ‫‪.‬متالزمة الضائقة التنفسية)‪ :‬غياب الفاعل بالسطح → انخفاض االمتثال( ‪-RDS‬‬ ‫‪:‬أمراض االنسداد ‪2.‬‬ ‫‪:‬انتفاخ الرئة‪-‬‬ ‫)تدمير الجدران السنخية (بسبب التدخين ‪1.‬‬ ‫الرئة مترهلة (أي زيادة االمتثال) ← يتوسع الصدر (مقوس الصدر) ← يصعب نفخها‪ ،‬ينهار مجرى الهواء ‪2.‬‬ ‫عند الزفير‬ ‫الربو‪ :‬ضيق مجرى الهواء –‬ ‫معدل اإلصابة في االرتفاع‪ :‬السبب الرئيسي لدخول األطفال إلى المستشفى ‪.2‬بسبب مجرى الهواء الحساس ‪1.‬‬ ‫)(رد الفعل التحسسي‬ ‫)زيادة إفراز المخاط‪ ،‬والتشنج القصبي (انقباض بطانة الشعب الهوائية الملساء ‪3.‬‬ ‫‪9‬‬