جهد التنفس

يتم تخزين هذا العمل (بشكل عام خلال مرحلة الشهيق) كطاقة كامنة يتم استعادتها أثناء الزفير.

يلزم وجود فرق في الضغط للتغلب على مقاومة الاحتكاك لتدفق الغاز بسبب اللزوجة، ومقاومة القصور الذاتي بسبب الكثافة، ولتوفير مكونات غير مرنة لحركة أنسجة مجرى الهواء لاستيعاب تغير حجم الرئة.

يحدث انضغاط مجرى الهواء الديناميكي عندما يساوي الضغط داخل الجنبة أو يتجاوز الضغط السنخي ، مما يؤدي إلى انهيار ديناميكي لمجاري الهواء في الرئتين . يُطلق عليه اسم ديناميكي لأن الضغط عبر الرئتين (الضغط السنخي - الضغط داخل الجنبة) يتغير بناءً على عوامل تشمل حجم الرئة ، ومطاوعة الرئة ، ومقاومتها ، والأمراض الموجودة، وما إلى ذلك. ^{[ 6 ]} يحدث هذا الانضغاط أثناء الزفير القسري عندما يكون الضغط داخل الجنبة أكبر من الضغط الجوي ( قيم بارومترية موجبة )، ولا يحدث أثناء الزفير السلبي عندما يبقى الضغط داخل الجنبة أقل من الضغط الجوي (قيم بارومترية سالبة). سريريًا، يرتبط الانضغاط الديناميكي في أغلب الأحيان بصوت الأزيز أثناء الزفير القسري، كما هو الحال لدى الأفراد المصابين بمرض الانسداد الرئوي المزمن . ^{[ 7 ] [ 8 ]} تؤثر كثافة الغاز أيضًا على انخفاض الضغط في المسالك الهوائية، وتؤدي الكثافة العالية إلى انخفاض أكبر في الضغط عند معدل تدفق حجمي معين، مما يؤثر على الغوص تحت الضغط الجوي، وقد يحد من التهوية عند كثافات تزيد عن 6 غ/لتر. ويمكن أن يتفاقم هذا التأثير بسبب الحمل الساكن السلبي على الرئة. ويتم نمذجة هذا التأثير باستخدام مقاومة ستارلينغ ^{[ 9 ].}

قد تختلف خصائص الرئة في حال وجود فرق في الضغط بين غاز التنفس والضغط المحيط على الصدر. يتساوى الضغط الداخلي في الرئتين في حالة الاسترخاء مع الضغط عند الفم، أما في حالة الغواص المغمور، فقد يختلف الضغط على الصدر عن الضغط عند الفم تبعًا لوضعية الغواص في الماء. يُعرف هذا الفرق في الضغط بحمل الرئة الساكن أو عدم التوازن الهيدروستاتيكي. ^{[ 12 ]}

يحدث الحمل الرئوي الساكن السلبي عندما يكون ضغط إمداد الغاز أقل من الضغط المحيط عند الصدر، مما يستدعي من الغواص بذل جهد أكبر للاستنشاق. يؤدي فرق الضغط السلبي الطفيف داخل المسالك الهوائية إلى احتقان الأوعية الدموية الرئوية القابلة للتمدد، مما يقلل من مرونة أنسجة الرئة ويجعلها أكثر صلابة من المعتاد، وبالتالي يتطلب جهدًا عضليًا أكبر لتحريك حجم معين من الغاز عبر المسالك الهوائية. يمكن أن يحدث هذا التأثير لدى الغواصين في وضعية الوقوف باستخدام جهاز التنفس ذي الدائرة المفتوحة، حيث يكون الصدر أعمق من منظم التنفس، ولدى الغواصين الذين يستخدمون جهاز إعادة التنفس إذا كان الصدر أعمق من الرئة المضادة ، مما يزيد من جهد التنفس، وفي الحالات القصوى قد يؤدي إلى انضغاط ديناميكي للمسالك الهوائية. لم تُثبت آثار الحمل الرئوي الساكن الإيجابي في هذه الظروف بشكل قاطع، ولكن قد يؤدي إلى تأخير هذا التأثير. ^{[ 12 ] [ 9 ]}

تتناسب كثافة خليط غاز معين طرديًا مع الضغط المطلق عند درجة حرارة ثابتة في جميع نطاقات الضغوط القابلة للاستنشاق، وتعتمد مقاومة التدفق على سرعة التدفق والكثافة واللزوجة. ^{[ 9 ]}

مع ازدياد الكثافة، يزداد فرق الضغط اللازم لتحقيق معدل تدفق معين. عندما تتجاوز الكثافة 6 غ/لتر تقريبًا، تنخفض قدرة الغواص على تحمل الجهد بشكل ملحوظ، ^{[ 12 ]} وتصبح هامشية عند 10  غ/لتر. في هذه المرحلة، قد يؤدي حتى الجهد المعتدل إلى تراكم ثاني أكسيد الكربون الذي لا يمكن عكسه بزيادة التهوية، لأن الجهد المطلوب لزيادة التهوية ينتج كمية من ثاني أكسيد الكربون تفوق الكمية التي يتم التخلص منها، وقد يختنق التدفق بسبب تأثيرات ضغط مجرى الهواء الديناميكي. في بعض الحالات، قد يلجأ الشخص إلى السعال والزفير في محاولة لزيادة التدفق. يمكن تأخير هذا التأثير باستخدام غاز ذي كثافة أقل، مثل الهيليوم، في خليط التنفس للحفاظ على الكثافة الإجمالية أقل من 6  غ/لتر. ^{[ 9 ]}

عند استخدام الهواء أو النيتروكس، ينخفض ​​الحد الأقصى للتهوية إلى النصف تقريبًا عند عمق 30  مترًا، أي ما يعادل ضغطًا مطلقًا قدره 4 بار وكثافة غاز تبلغ حوالي 5.2  غ/لتر. ويبلغ الحد الأدنى الموصى به للتهوية 6  غ/لتر عند عمق 36  مترًا تقريبًا، وعند عمق الغوص الترفيهي الموصى به وهو 40  مترًا، تصل كثافة الهواء والنيتروكس إلى 6.5  غ/لتر ^{[ 9 ].}

تتناسب سعة التهوية والتنفس القصوى عكسيًا تقريبًا مع الجذر التربيعي لكثافة الغاز، والتي تتناسب بدورها مع الضغط المطلق لغاز معين. يساعد استخدام غاز منخفض الكثافة كالهيليوم أو الهيدروجين بدلًا من النيتروجين في الخليط على تقليل التأثيرات المخدرة، فضلًا عن تقليل الكثافة وبالتالي جهد التنفس. لكي يكون الخليط غير قابل للاشتعال، يجب ألا تتجاوز نسبة الأكسجين فيه 4% حجميًا. لا يؤثر وجود وتركيز مواد مخففة أخرى كالنيتروجين أو الهيليوم على حد قابلية الاشتعال في الخليط الغني بالهيدروجين. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

في مجال الغوص، يُشار غالبًا إلى أداء أجهزة التنفس بمصطلح "جهد التنفس". في هذا السياق، يعني هذا المصطلح عمومًا الجهد الخارجي المبذول في نفس واحد متوسط ​​الحجم، يتم أخذه عبر الجهاز المحدد في ظل ظروف معينة من الضغط المحيط، والبيئة تحت الماء، ومعدل تدفق الهواء خلال دورة التنفس، ومزيج الغازات. قد يتنفس الغواصون تحت الماء غازًا غنيًا بالأكسجين لتقليل خطر الإصابة بداء تخفيف الضغط ، أو غازات تحتوي على الهيليوم لتقليل التأثيرات المخدرة . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} كما أن للهيليوم تأثيرًا في تقليل جهد التنفس عن طريق تقليل كثافة المزيج، على الرغم من أن لزوجة الهيليوم أعلى قليلًا من لزوجة النيتروجين. ^{[ 18 ] [ 19 ]} توجد معايير لهذه الظروف، ولإجراء مقارنات مفيدة بين أجهزة التنفس، يجب اختبارها وفقًا للمعيار نفسه.

أنظمة التدفق الحر؛ في جهاز التنفس ذي التدفق الحر ، يتنفس المستخدم من حجم الغاز المحيط المضغوط أمام وجهه. إذا كان الإمداد كافيًا، يُطرد الغاز الزفير بتدفق غاز جديد، ولا يُستنشق إلا الغاز الجديد - فلا توجد مساحة ميتة. يتأثر جهد التنفس بكثافة الغاز نتيجة الضغط وتكوينه، وقد يكون هناك حمل ثابت على الرئتين موجبًا أو سالبًا، ولكن لا يوجد جهد تنفس خارجي إضافي بسبب تدفق الهواء عبر جهاز التنفس. لهذا السبب، غالبًا ما يستخدم الغواصون الذين يعملون تحت الماء بجهد أنظمة التدفق الحر.

أنظمة الطلب:

أنظمة إعادة التدوير: يتكون جهد التنفس في جهاز إعادة التدوير من عنصرين رئيسيين: جهد التنفس المقاوم، وهو ناتج عن تقييد تدفق الغاز في الممرات الهوائية، مما يُسبب مقاومة لتدفق غاز التنفس، ويوجد في جميع التطبيقات التي لا يوجد بها تهوية خارجية. أما جهد التنفس الهيدروستاتيكي، فهو خاص بتطبيقات الغوص، وينتج عن اختلاف الضغط بين رئتي الغواص والرئة المضادة في جهاز إعادة التدوير. ويعود هذا الاختلاف في الضغط عمومًا إلى اختلاف الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن اختلاف العمق بين الرئتين، ولكن يمكن تعديله عن طريق موازنة الجانب المتحرك من الرئة المضادة المزودة بمنفاخ . ^{[ 20 ]}

يُعرَّف جهد التنفس المقاوم بأنه مجموع جميع القيود المفروضة على التدفق نتيجة الانحناءات والتموجات وتغيرات اتجاه التدفق وضغوط فتح الصمامات والتدفق عبر وسائط جهاز التنقية، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى مقاومة تدفق الغاز الناتجة عن القصور الذاتي واللزوجة، والتي تتأثر بالكثافة، وهي دالة للوزن الجزيئي والضغط. يمكن لتصميم جهاز إعادة التنفس الحد من الجوانب الميكانيكية لمقاومة التدفق، لا سيما من خلال تصميم جهاز التنقية والرئتين المضادتين وخراطيم التنفس. تتأثر أجهزة إعادة التنفس المستخدمة في الغوص بتغيرات جهد التنفس نتيجة لاختيار خليط الغاز والعمق. يقلل محتوى الهيليوم من جهد التنفس، بينما يزيد العمق من جهد التنفس. كما يمكن أن يزداد جهد التنفس بسبب البلل المفرط لوسائط جهاز التنقية، والذي ينتج عادةً عن تسرب في دائرة التنفس، أو باستخدام حبيبات صغيرة جدًا من المادة الماصة. يتسبب كلا هذين العاملين في قيود على تدفق الغاز. ^{[ 21 ]}

أنظمة إعادة التنفس شبه المغلقة التي طورتها شركة درايجرويرك في أوائل القرن العشرين كمصدر لغاز الغوص لبدلة الغوص القياسية ، باستخدام الأكسجين أو النيتروكس، وخوذة مارك 5 هيليوكس التابعة للبحرية الأمريكية التي طُورت في ثلاثينيات القرن العشرين للغوص العميق، كانت تُدير غاز التنفس عبر الخوذة وجهاز التنقية باستخدام نظام حقن حيث يسحب الغاز المضاف غاز الحلقة وينتج تيارًا من الغاز المنقى يمر عبر الغواص داخل الخوذة، مما أدى إلى القضاء على المساحة الميتة الخارجية ومقاومة التنفس، لكنها لم تكن مناسبة لمعدلات التنفس العالية. ^{[ 22 ]}

تشمل العوامل المؤثرة على عملية التنفس في جهاز التنفس تحت الماء كثافة الغاز ولزوجته، ومعدلات التدفق، وضغط الفتح (فرق الضغط اللازم لفتح صمام الطلب)، والضغط العكسي على صمامات العادم. ^{[ 12 ]} يؤثر وضع الغواص على العمق النسبي للرئتين ومنظم التنفس أو حلقة التنفس، مما قد يُسبب اختلافًا بين التنفس بالضغط الإيجابي والتنفس بالضغط السلبي.

يتضمن جهد التنفس لدى الغواص مكونًا فسيولوجيًا بالإضافة إلى مكون متعلق بالمعدات. بالنسبة لمزيج غاز التنفس المحدد، تزداد الكثافة مع زيادة العمق. تتطلب الكثافة العالية للغاز جهدًا أكبر لتسريع الغاز في الانتقالات بين الشهيق والزفير. لتقليل جهد التنفس، يمكن تقليل سرعة التدفق، لكن هذا سيقلل من معدل تدفق الهواء الأقصى (RMV) ما لم يتم زيادة عمق التنفس للتعويض. يُحسّن التنفس البطيء والعميق كفاءة التنفس عن طريق زيادة معدل دوران الغاز في الحويصلات الهوائية، ويجب الحد من الجهد المبذول ليتناسب مع نقل الغاز الممكن من معدل تدفق الهواء الأقصى الذي يمكن الحفاظ عليه بشكل مريح لفترات طويلة. قد يؤدي تجاوز هذا الحد الأقصى للجهد المستمر إلى تراكم ثاني أكسيد الكربون، مما قد يتسبب في تسارع معدل التنفس، مع زيادة الاضطراب، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة، وانخفاض معدل تدفق الهواء الأقصى، وزيادة جهد التنفس في حلقة تغذية راجعة إيجابية. في الأعماق الشديدة، يمكن أن يحدث هذا حتى عند مستويات جهد منخفضة نسبيًا، وقد يكون من الصعب أو المستحيل كسر هذه الحلقة. قد يكون التوتر الناتج سبباً للذعر، إذ يشعر الشخص بنقص في إمدادات الغاز بسبب تراكم ثاني أكسيد الكربون، على الرغم من أن الأكسجين قد يكون كافياً. ^{[ 23 ] [ 9 ]}

يؤدي الحمل السلبي الساكن على الرئة إلى زيادة جهد التنفس، ويمكن أن يختلف هذا الحمل تبعًا للعمق النسبي للحجاب الحاجز المنظم بالنسبة للرئتين في أجهزة الدائرة المفتوحة، والعمق النسبي للرئة المضادة بالنسبة للرئتين في أجهزة إعادة التنفس. ^{[ 12 ]}

تُعدّ كثافة الغاز عند الضغط الجوي عاملًا مُحددًا لقدرة الغواص على التخلص من ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في الأعماق عند بذل جهد تنفس مُحدد. ^{[ 12 ]} عند ارتفاع الضغط الجوي، تُؤدي زيادة كثافة غاز التنفس إلى زيادة مقاومة مجرى الهواء. ينخفض ​​كل من أقصى تهوية أثناء التمرين وأقصى تهوية إرادية تبعًا للكثافة، والتي تتناسب طرديًا مع الضغط في خليط غازي مُحدد. يُمكن تقريب أقصى تهوية إرادية بدالة الجذر التربيعي لكثافة الغاز. يُحدّ معدل تدفق الزفير بتدفق مضطرب لا يعتمد على الجهد المبذول. بمجرد حدوث ذلك، تُصبح أي محاولات إضافية لزيادة معدل التدفق غير مُجدية وتُساهم في زيادة تراكم ثاني أكسيد الكربون. تتفاقم آثار الحمل الرئوي الساكن السلبي مع زيادة كثافة الغاز. ^{[ 21 ] [ 9 ]}

لتقليل خطر فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم، قد يعتمد الغواصون نمط تنفس أبطأ وأعمق من المعتاد بدلاً من النمط السريع والسطحي، حيث يوفر ذلك أقصى تبادل للغازات لكل وحدة جهد عن طريق تقليل الاضطراب والاحتكاك وتأثيرات المساحة الميتة. ^{[ 24 ]}

ثاني أكسيد الكربون ناتج عن عملية التمثيل الغذائي للخلايا، ويتم التخلص منه عن طريق تبادل الغازات في الرئتين أثناء التنفس. يختلف معدل إنتاجه باختلاف الجهد المبذول، ولكنه يوجد حد أدنى أساسي. إذا كان معدل التخلص منه أقل من معدل إنتاجه، فإن مستوياته سترتفع، مما يؤدي إلى ظهور أعراض التسمم مثل الصداع، وضيق التنفس، واضطرابات عقلية، وفي النهاية فقدان الوعي، الأمر الذي قد يؤدي إلى الغرق. في الغوص، توجد عوامل تزيد من إنتاج ثاني أكسيد الكربون (الجهد المبذول)، وعوامل أخرى قد تعيق التخلص منه، مما يجعل الغواصين أكثر عرضة لتسمم ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 24 ]}

يُستهلك الأكسجين ويُنتج ثاني أكسيد الكربون بنفس الكميات تحت الماء كما هو الحال على السطح، وذلك مقابل نفس مقدار العمل، ولكن التنفس يتطلب عملاً، ويمكن أن يكون عمل التنفس أكبر بكثير تحت الماء، كما أن عمل التنفس مشابه لأشكال العمل الأخرى في إنتاج ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 24 ]}

إن قدرة الغواص على الاستجابة لزيادة جهد التنفس محدودة. فمع ازدياد جهد التنفس، يؤدي ثاني أكسيد الكربون الإضافي الناتج عن هذا الجهد إلى زيادة الحاجة إلى معدل إخراج أعلى، وهو ما يتناسب طرديًا مع التهوية، في حالة إهمال ثاني أكسيد الكربون في الهواء المستنشق. ^{[ 24 ]}

إنتاج ثاني أكسيد الكربون في الأنسجة هو وظيفة بسيطة لعملية التمثيل الغذائي للأنسجة واستهلاك الأكسجين. فكلما زاد الجهد المبذول في النسيج، زاد استهلاك الأكسجين، وبالتالي زاد إنتاج ثاني أكسيد الكربون. ويعتمد التخلص من ثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية على تدرج الضغط الجزئي لانتشار ثاني أكسيد الكربون بين الدم وغاز الحويصلات. ويُحافظ على هذا التدرج عن طريق طرد ثاني أكسيد الكربون من الحويصلات أثناء التنفس، وذلك باستبدال الهواء في الحويصلات، الذي يحتوي على تركيز أعلى من ثاني أكسيد الكربون، بهواء يحتوي على تركيز أقل منه. وكلما زاد تدفق الهواء داخل وخارج الحويصلات أثناء التنفس، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون المطروحة، وازداد تدرج الضغط بين الدم الوريدي وغاز الحويصلات، مما يدفع انتشار ثاني أكسيد الكربون من الدم. ويعتمد الحفاظ على مستويات ثاني أكسيد الكربون الصحيحة بشكل حاسم على تهوية الرئتين بشكل كافٍ، وهناك جوانب متعددة في الغوص قد تعيق هذه التهوية. ^{[ 24 ]}

قد يؤدي احتباس ثاني أكسيد الكربون نتيجةً لزيادة جهد التنفس إلى ظهور أعراض مباشرة لتسمم ثاني أكسيد الكربون، وتأثيرات تآزرية مع التخدير النيتروجيني وتسمم الجهاز العصبي المركزي بالأكسجين، والذي يتفاقم بسبب توسع الأوعية الدماغية الناتج عن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون مما يؤدي إلى زيادة جرعة الأكسجين الواصلة إلى الدماغ. ^{[ 9 ]}

يُستخدم جهاز ANSTI للاختبار الآلي لأجهزة التنفس تحت الماء . ^{[ 25 ]}