ระบบหายใจกับการรักษาดุลยภาพในร่างกาย

โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊ส

เริ่มที่จมูกและปาก อากาศเมื่อผ่านเข้ารูจมูกแล้วจะผ่านเข้าสู่โพรงจมูก ที่โพรงจมูกมีขนเส้นเล็กๆและต่อมน้ำมันช่วยในการกรองและจับฝุ่นละอองไม่ให้ผ่านลงสู่ปอด คอหอยเป็นบริเวณที่พบกันของช่องอากาศจากจมูก ช่องอาหารจากจากปาก กล่องเสียงจากหลอดลมคอ หลอดอาหารและจากช่องหูคือหลอดยูสเทเชียน (eustachian tube)  อากาศเมื่อผ่านคอหอยจะเข้าสู่กล่องเสียง ที่กล่องเสียงมีอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการปิดเปิดกล่องเสียงเรียกว่าเอพิกลอทติส (epiglottis) ป้องกันไม่ให้อากาศตกลงสู่หลอดลมคอ ที่กล่องเสียงมีเยื่อเมือกที่มีใยเอ็นยืดหยุ่นได้ เรียกว่า เส้นเสียง (vocal cord) เมื่อลมผ่านกล่องเสียงทำให้เส้นเสียงสั่นและเกิดเป็นเสียงขึ้น

จากนั้นอากาศจึงเข้าสู่หลอดลมคอ หลอดลมคอเป็นท่อกลวงที่มีผนังแข็งและหนาเพราะประกอบด้วยกระดูกอ่อนรูปเกือกม้าเรียงตัวกันเป็นหลอดทำให้หลอดลมคอไม่แฟบ หลอดลมคอของผู้ใหญ่ยาวประมาณ 9-15 เซนติเมตร โดยเริ่มจากกระดูกคอชิ้นที่ 6 จนถึงกระดูกอกชิ้นที่ 5 แล้วจึงแตกแขนงเป็นหลอดลมซ้ายขวาเข้าสู่ปอดซ้ายขวาอีกที่หนึ่ง  หลอดลมเป็นส่วนที่แตกแขนงแยกจากหลอดลมคอ แบ่งเป็น 2 กิ่ง คือซ้ายและขวาโดยกิ่งซ้ายจะเข้าสู่ปอดซ้ายและกิ่งขวาจะเข้าสู่ปอดขวาพร้อมเส้นเลือดและเส้นประสาทซึ่งเข้าสู่ปอดทั้งสองข้างด้วย

ซึ่งจะแตกแขนงเล็กลงไปเรื่อยๆ เรียกว่า หลอดลมฝอย (bronchiole)
          หลอดลมฝอยหรือบรอนคิโอลแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ
1. เทอร์มินอลบรอนคิโอล (terminal bronchiole) เป็นท่อที่เเยกออกจากหลอดลม มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 มิลลิเมตรพบกล้ามเนื้อเรียบ และเยื่ออีลาสติกไฟเบอร์ (elastic fiber) เป็นองค์ประกอบของผนังของเทอร์มินอลบรอนคิโอลแต่ไม่พบโครงสร้างที่เป็นกระดูกอ่อน
2. เรสไพราทอรีบรอนคิโอล (respiratory bronchiole) เป็นส่วนแรกที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊สเนื่องจากผนังพองออกเป็นถุงลมย่อยซึ่งจะพบส่วนที่อยู่ท้ายๆ และจะมีมากกว่าส่วนที่อยู่ติดกับเทอร์มินอลบรอนคิโอล
ท่อถุงลม (alveolar duct) เป็นท่อส่วนท้ายของส่วนที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส (respiratory division) ซึ่งไปสิ้นสุดที่ถุงลม (alveolar sac)

ถุงลมและถุงลมย่อย (alveolar sac and pulmonary alveoli) ถุงลมเป็นช่องว่างที่ถุงลมย่อยหลายๆมาเปิดเข้าที่ช่องว่างส่วนนี้ส่วนถุงลมย่อยมีลักษณะเป็นถุงหกเหลี่ยมมีเซลล์พิเศษหลั่งสารพวกฟอสโฟลิปิดเรียกว่าเซอร์แฟกแทนต์ (Surfactant) เข้าสู่ถุงลมย่อยเพื่อลดแรงตึงผิวของถุงลมย่อยทำให้ไม่ติดกันเมื่อปอดแฟบเวลาหายใจออกผนังของถุงลมย่อยที่อยู่ติดกันจะรวมตัวกันเป็นอินเตอร์อัลวิโอลาร์เซปตัม (Interalveolar septum) ซึ่งมีเส้นเลือดฝอยอยู่ภายในโดยถุงลมย่อยแต่ละถุงจะมีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยง ประมาณ 1,000 เส้น ซึ่งเป็นบริเวณที่มีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยงมากที่สุดในร่างกายนอกจากนี้ยังมีรูซึ่งเป็นช่องว่างติดต่อระหว่างถุงลมย่อยทำให้อากาศภายในถุงลมย่อยมีแรงดันเท่ากันทั้งปอดทั้งถุงลมและถุงลมย่อยจะรวมเรียกว่าถุงลมปอด

ปอดทั้งสองข้างมีถุงลมปอดประมาณ 300 ล้านถุง ปอดเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่ในการหายใจ ปอดตั้งอยู่ภายในทรวงอก มีปริมาตรประมาณ 2 ใน 3 ของทรวงอก ปอดขวาจะสั้นกว่าปอดซ้าย เนื่องจากตับซึ่งอยู่ด้านล่างดันขึ้นมาส่วนปอดซ้ายจะแคบกว่าปอดขวา เพราะมีหัวใจแทรกอยู่ ปอดมีเยื่อหุ้มปอด (Pleura) 2 ชั้น ชั้นนอกติดกับผนังช่องอก เรียกว่า พาเรียทัลพลิวรา (Parietal pleura) ชั้นในติดกับผนังของปอดเรียกว่า วิสเซอรอลพลิวรา (Visceral pleura) ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้นมีของเหลวที่เรียกว่า พลิวรอลฟลูอิด (Pleural fluid) เคลือบอยู่ การแฟบและขยายของปอดจะเป็นตัวกำหนดปริมาณของอากาศที่เข้าสู่ร่างกายซึ่งทำให้ร่างกายได้รับแก๊สออกซิเจนและถ่ายเทแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกตามที่ร่างกายต้องการ

 กระดูกและกล้ามเนื้อ

ระบบหายใจจะทำงานได้ต้องมีองค์ประกอบอื่นๆร่วมกันคือ กระดูก และกล้ามเนื้อ
           1. กระดูก (bone) กระดูกที่เกี่ยวข้องกับระบบการหายใจประกอบด้วย
               1.1 กระดูกสันหลังส่วนนอก (thoracic vertebrae) ซึ่งเป็นกระดูกที่เป็นที่เกาะของกระดูกซี่โครง โดยกระดูกสันหลังส่วนนอกมีทั้งหมด 12 ชิ้น
               1.2 กระดูกซี่โครง (ribs) กระดูกซี่โครงมีทั้งหมด 24 ชิ้น (12 คู่ ) ข้างละ 12 ชิ้นกระดูกซี่โครคู่ที่ 1-7 จะโค้งจากระดูกสันหลังตอนอกมาเกาะกับกระดูกอกทางด้านหน้าเรียกว่าทรูริบส์ (true ribs)กระดูกซี่โครงคู่ที่ 8-10 เชื่อมต่อกันและไปเชื่อมกับกระดูกอ่อนของกระดูกซี่โครงที่อยู่ข้างบน กระดูกซี่โครงคู่ที่ 11-12 จะไม่มีกระดูกอ่อนและไม่มีการเชื่อมต่อกับกระดูกใด ๆ เรียกว่า กระดูกซี่โครงลอยหรือ โฟลติงริบส์ (Floating ribs)
               1.3 กระดูกอก (sternum) เป็นกระดูกที่อยู่ทางด้านหน้าของลำตัว มีรูปร่างแบนตรง ยาวประมาณ 15-20 เซนติเมตร โดยเริ่มจากบริเวณส่วนล่างของคอลงมาจนถึงส่วนบนของช่องท้องมีกระดูกซี่โครงมาเชื่อมต่อ 7 คู่ส่วนปลายด้านล่างของกระดูกเป็นกระดูกอ่อนยื่นออกมา เรียกว่าไซฟอยด์โพรเซสส์ (xiphoid process)
กระดูกต่าง ๆ เหล่านี้เชื่อมต่อกันเป็นโครงร่างของกระดูกส่วนอก เรียกว่า กล่องอก (thoracic cage)
           2. กล้ามเนื้อ (muscle) กล้ามเนื้อที่สำคัญและเกี่ยวข้องกับการหายใจแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ
               2.1 กล้ามเนื้อหายใจเข้า (inspiratory muscle) ประกอบด้วยกล้ามเนื้อสำคัญคือ
                   2.1.1 กล้ามเนื้อกระบังลม (diaphragm) มีความสำคัญที่สุด อากาศที่หายใจเข้าประมาณร้อยละ 75 เกิดจากการหดตัวของกล้ามเนื้อนี้ ขณะที่หายใจออกกล้มเนื้อกระบังลม มีลักษณะเป็นรูปโดม และเมื่อหายใจเข้ากล้ามเนื้อกระบังลมจะลดตัวต่ำลงเพิ่มขนาดของช่องอกในแนวตั้งให้มากขึ้น และยังช่วยดันให้ซี่โครงส่วนล่างเคลื่อนที่ขึ้นด้วยขณะที่หายใจแบบปกติ กล้ามเนื้อกระบังลมจะเคลื่อนตัวต่ำลง 1-2 เซนติเมตร แต่ถ้าหายใจเข้าเต็มที่กล้ามเนื้อกระบังลมอาจเคลื่อนตัวต่ำลงได้ถึง 10-12 เซนติเมตร เส้นประสาทที่มาเลี้ยงกล้ามเนื้อกระบังลม คือ ประสาทเฟรนิก (phrenic nerve) ถ้าหากเส้นประสาทนี้ถูกทำลาย ทำให้กล้ามเนื้อกระบังลมทำงานไม่ได้และเป็นอัมพาต
                   2.1.2 กล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอก (external intercostals muscle) มีความสำคัญน้อยกว่ากล้ามเนื้อกระบังลม โดยเมื่อหดตัวจะทำให้อากาศไหลเข้าปอดได้ประมาณร้อยละ 25 การหดตัวของกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านนอก ทำให้กระดูกซี่โครงทางด้านหน้าเคลื่อนขึ้นด้านบนและออกไปทางด้านหน้าทำให้เพิ่มขนาดของช่องอกทางแนวนอน เส้นประสาทที่มาเลี้ยงคือ เส้นประสาทระหว่างซี่โครง (intercostals nerve)
               2.2 กล้ามเนื้อหายใจออก (expiratory muscle) ในการหายใจธรรมดาไม่จำเป็นต้องอาศัยการทำงานของกล้ามเนื้อ แต่อาศัยการคืนตัวกลับของปอดโดยปอดหดตัวกลับและเกิดการผ่อนคลายของกล้ามเนื้อที่ทำให้เกิดการหายใจเข้า แต่ถ้าหากมีการหายใจออกมากกว่าธรรมดา จะมีการหดตัวของกล้ามเนื้อหายใจออก คือกล้ามเนื้อหน้าท้อง (abdominal muscle) ซึ่งจะไปดันกล้ามเนื้อกระบังลมขึ้นทำให้ช่องอกแคบลง นอกจากนี้ยังมีความสำคัญและจำเป็นในการไอ จาม อาเจียน เบ่งปัสสาวะและอุจจาระ การหดตัวของกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านใน (internal intercostals muscle) ก็ทำให้ซี่โครงลดต่ำลงทำให้เกิดการหายใจออกเช่นกัน

 กระดูกอก

กล้ามเนื้อกระบังลม

การหายใจ

 

           การหายใจเข้า (inspiration) และการหายใจออก (expiration) รวมเรียกว่าการหายใจเข้าออก (breathing) โดยมีกล้ามเนื้อกระบังลม กระดูกซี่โครง กล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านในเป็นตัวกระทำการหายใจที่เกิดจากกล้ามเนื้อกระบังลมเรียกว่า การหายใจส่วนท้อง (abdominal breathing) ซึ่งมีความสำคัญประมาณร้อยละ 75 และการหายใจซึ่งเกิดจากกระดูกซี่โครงและกล้ามเนื้อยึดกระดูกซี่โครงด้านนอก เรียกว่าการหายใจส่วนอก (chest breathing) ซึ่งมีความสำคัญประมาณร้อยละ 25 การหายใจส่วนท้องและการหายใจส่วนอกนี้จะทำงานร่วมกันทำให้เกิดการหายใจเข้าและการหายใจออกอย่างสม่ำเสมอ เมื่อกล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกหดตัวทำให้ทรวงอกและปอดขยายตัวขึ้น ปริมาตรภายในกล่องเพิ่มขึ้นดังนั้นความดันภายในกล่องจึงลดลงและต่ำกว่าความดันบรรยากาศภายนอกอากาศภายนอกจึงเคลื่อนตัวเข้าสู่ปอดจนทำให้ความดันภายนอกและความดันภายในปอดเท่ากันแล้วอากาศก็จะไม่เข้าสู่ปอดอีกเรียกว่า  การหายใจเข้า (inspiration)เมื่อกล้ามเนื้อกระบังลมและกล้ามเนื้อยึดซี่โครงด้านนอกคลายตัวลงทำให้ปอดและทรวงอกมีขนาดเล็กลงปริมาตร ของอากาศในปอดจึงลดลงด้วยทำให้ความดันภายในปอดสูงกว่าบรรยากาศภายนอกอากาศ จึงเคลื่อนที่ออกจากปอดจนความดันในปอดลดลงเท่ากับความดันภายนอกอากาศก็จะหยุดการเคลื่อนที่ซึ่งเรียกว่า การหายใจออก (expiration)การหายใจเข้าและการหายใจออกนี้ จะเกิดสลับกันอยู่เสมอ ในสภาพปกติผู้ใหญ่หายใจประมาณ 15 ครั้งต่อนาทีส่วน ในเด็กมีอัตราการหายใจสูงกว่าผู้ใหญ่เล็กน้อยในขณะที่ร่างกายเหนื่อยเนื่อง จากการทำงานหรือเล่นกีฬาอย่างหนักอัตราการหายใจจะสูงกว่านี้มาก   ขณะที่ หายใจแบบปกติธรรมดาจะใช้พลังงานประมาณร้อยละ 2-3 ของพลังงานที่ร่างกายใช้ทั้งหมดและขณะที่มีการออกกำลังกายทำให้ร่างกายใช้พลังงานมากขึ้นและพลังงานที่ใช้ในการหายใจก็เพิ่มขึ้นด้วยโดยเพิ่มเป็นร้อยละ 3-5 ของพลังงานที่ใช้ในขณะนั้นทั้งหมด แต่ในสภาวะที่เป็นโรคของระบบทางเดินหายใจเช่น โรคหอบหืดหรือเกิดจากการลดความยืดหยุ่นของปอดลงทำให้มีการใช้พลังงานในการหายใจเพิ่มมากขึ้นเป็น 1 ใน 3 ของพลังงานที่สร้างได้หรือเกือบทั้งหมดของพลังงานที่สร้างได้ในกรณีอาการรุนแรง
                ปริมาตรของอากาศที่เราหายใจเข้าออกแต่ละครั้งประมาณ 500 cm3 (Tidal air) เข้าถึงถุงลมประมาณ 350 cm3 อีก 150 cm3 จะอยู่ตามทางเดินอากาศถ้าเราสูดลมหายใจเข้าเต็มที่จะรับอากาศเข้าได้อีก 1,500 cm3 ดังนั้นรวมอากาศที่เราหายใจเข้าทั้งหมดเต็มที่เท่ากับ 2,000 cm3 ซึ่งจะเท่ากับอากาศที่เราหายใจออกทั้งหมด ปอดจะยังมีอากาศค้างอยู่ภายในประมาณ 1,000-1,500 cm3 เป็นอากาศที่เราไม่สามารถทำให้ออกมาได้อีก เรียกว่า Residual air ดังนั้นความจุของปอดทั้งหมดจึงประมาณ 4,500-5,000 cm3 ทั้งนี้จะแตกต่างกันไปตามสภาพของร่างกาย (คนไทยประมาณ 3,500-4,000 cm3)
                เครื่องมือที่ใช้ในการวัดปริมาตรของลมหายใจเข้าและออกเรียกว่า มาตรอากาศหรือสปิโรมิเตอร์ (Spirometer)วัดได้โดยให้ผู้ถูกวัดหายใจทางปากผ่านท่อยางที่ต่อกับเครื่องมือตามปกติอากาศเข้าและออกจากปอดแต่ละครั้งประมาณ 500 cm3 แต่จริงๆแล้วปอดมีความจุมากกว่านี้ เพราะเราไม่สามารถนำอากาศเข้าสู่ปอดได้ทั้งหมดแต่ได้เพียงเกือบเต็มปอดเท่านั้นคนที่ออกกำลังกายเสมอจะสูดลมหายใจเข้าเต็มที่ได้มากกว่าคนปกติเพราะกล้ามเนื้อที่ใช้ในการสูดลมหายใจทำงานได้ดีปริมาตรลมหายใจจึงใกล้เคียงกับความจุของปอดมากขึ้นทำให้คนพวกนี้เหนื่อยช้ากว่าคนทั่วไปด้วย

การแลกเปลี่ยนแก๊ส

             การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเราเกิดขึ้น 2 แห่งคือที่ปอดและที่เนื้อเยื่อ การที่ออกซิเจนจากถุงลมในปอดเข้าสู่เส้นเลือดฝอยและการที่แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลมในปอดนั้นเกิดด้วยวิธีการแพร่เนื่องจากทั้งผนังของถุงลมและผนังของเส้นเลือดฝอยนั้นบางมากคือมีลักษณะเป็นเซลล์เพียงชั้นเดียวการเคลื่อนที่ของออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์จากถุงลมและเส้นเลือดฝอยนั้นเกิดจากความดันที่ต่างกันระหว่างเลือดกับปอดในปอดมีปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเลือดดำที่ไหลกลับจากร่างกายเข้าปอดซึ่งมีปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์มากมายดังนั้นความดันของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือดจึงสูงกว่าความดันคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมจึงทำให้คาร์บอนไดออกไซด์แพร่จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลมในกรณีกลับกันในถุงลมมีออกซิเจนมาก แต่ออกซิเจนในเส้นเลือดฝอยนั้นมีปริมาณน้อยมากดังนั้นความดันของออกซิเจนในถุงลมจึงสูงกว่าความดันของออกซิเจนในเส้นเลือดฝอยออกซิเจนจึงแพร่จากถุงลมเข้าสู่เส้น เลือดฝอย การแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างถุงลมกับเส้นเลือดฝอยโดยออกซิเจนจากถุงลม จะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยรอบๆถุงลมและรวมตัวกับฮีโมลโกลบิน (heamoglobin – Hb ) ที่ผิวของเม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมลโกลบิน ( Oxyhaemoglobin – HbO2 ) ซึ่งมีสีแดงสดเลือดที่มีออกซีฮีโมลโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อต่างๆทั่วร่างกายที่เนื้อเยื่อออกซีฮีโมลโกลบินจะสลายให้ออกซิเจนและฮีโมลโกลบินออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับออกซิเจน ดังสมการ

 ในขณะที่เนื้อเยื่อรับออกซิเจนนั้นออกซิเจนจะทำให้ปฏิกิริยากับสารอาหาร ทำให้ปริมาณออกซิเจนลดลงที่เนื้อเยื่อมีปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเม็ดเลือดแดงเกิดกรดคาร์
เนื้อเยื่อของปอดต้องการออกซิเจนเหมือนกันเพราะเนื้อเยื่อของปอดต้องการพลังงานในการทำกิจกรรมในเซลล์เช่นเดียวกับเซลล์ของเนื้อเยื่ออื่นๆ    การแลกเปลี่ยนแก๊สบริเวณเนื้อเยื่อของร่างกายใช้ความแตกต่างของความดันเป็นตัวอธิบายเนื่องจากเซลล์ให้ออกซิเจนในการหายใจตลอดเวลาความดันของออกซิเจนในโปรโทพลาซึมจึงต่ำกว่าความดันของออกซิเจนในเส้นเลือดฝอยออกซิเจนจากเส้นเลือดฝอยจึงแพร่เข้าสู่เซลล์ในขณะเดียวกันเซลล์สร้างคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นเรื่อยๆจากการหายใจดังนั้นคาร์บอนไดออกไซด์ในเซลล์จึงมีปริมาณสูงกว่าในเส้นเลือดฝอยคาร์บอนไดออกไซด์จึงแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยดังนั้นเส้นเลือดฝอยที่เซลล์จึงมีความดันออกซิเจนต่ำและคาร์บอนไดออกไซด์สูงถูกส่งกลับไปที่ปอดใหม่วนเวียนอยู่เช่นนี้

การควบคุมการหายใจ

การควบคุมการหายใจเกี่ยวข้องกับระบบประสาท 2 ส่วน ดังนี้

1. การควบคุมด้วยระบบประสาทอัตโนมัติ  คือการควบคุมที่อนอกเหนืออำนาจจิตใจ ประกอบด้วย การทำงานของสมองส่วน พอนด์ และเมดัลลา เป็นตัวสร้างและส่งประแสประสาท ไปกระตุ้นกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ ทำให้เกิดการหายใจเข้าและการหายใจออก เกิดขึ้นได้อย่างเป็นจังหวะ ไม่ว่าจะเป็นยามหลับหรือตื่น

2. การควบคุมการหายใจภายใต้อำนาจจิตใจ   เป็นการหายใจที่สามารถบังคับได้ โดยการทำงานของสมองส่วนหน้าที่เรียกว่า ซีรีเบลลัม ไฮโปทาลามัส และสมองส่วนที่เรียกว่า ซีรีเบลลัม ซึ่งจะทำให้เราสามารถควบคุม บังคับ หรือการปรับระดับการหายใจให้เหมาะสมกับพฤติกรรมได้ เช่น การเดิน การนั่ง การนอน การพูด เป็นต้น