第五章 呼吸
2011-06-08 18:15:52   来源：   作者：  评论：0 点击：

第二节 肺通气原理
(Mechanisms of pulmonary ventilation)
肺通气是指外界空气与肺泡之间的气体交换。气体进出肺取决于推动气体流动的动力和阻止气体流动的阻力。动力必须克服阻力，肺通气才能进行。
一、 肺通气的动力
(Driving force of pulmonary ventilation)
肺泡内的压力称为肺内压(intrapulmonary pressure)。当肺内压低于大气压时气体入肺，引起吸气；反之则气体出肺，引起呼气。即气体进出肺是由于大气和肺泡气之间的压力差引起的。在自然呼吸时，肺内压的变化是由于肺的扩大与缩小引起的；但肺本身没有肌肉，无主动张缩的能力。因此，肺的张缩是由胸廓的扩大和缩小引起的，而胸廓的扩大和缩小又是通过呼吸肌的收缩和舒张实现的。可见，大气压与肺内压的压力差是肺通气的直接动力，呼吸运动是肺通气的原动力。
（一） 呼吸运动
在呼吸时，呼吸肌收缩与舒张引起的胸廓扩大和缩小称为呼吸运动(respiratory movement)，包括吸气运动和呼气运动。主要的吸气肌有膈肌和肋间外肌，主要的呼气肌有肋间内肌和腹肌。此外，还有一些辅助吸气肌，如斜角肌、胸锁乳突肌等。
平静吸气时，膈肌收缩使隆起的穹窿顶下移，从而增大胸腔的上下径。在成年人膈肌每下降1cm，胸腔容积增大约250ml。膈肌最大可下降7～10cm，使胸腔容积增大约2 500ml。因此，膈肌是最重要的吸气肌。当肋间外肌收缩时，肋骨和胸骨向上提，同时肋骨下缘向外侧偏转，从而增大胸腔的前后径和左右径。因此，膈肌和肋间外肌收缩使胸腔的上下、前后和左右径均增大，引起胸腔和肺容量的增大，肺内压低于大气压，外界气体进入肺内，完成吸气。平静呼吸(eupnea)时，呼气运动不需要呼气肌的收缩。因为当膈肌和肋间外肌舒张时，肺依靠其自身的回缩力而回位，并牵引胸廓，使之缩小。从而引起胸腔和肺容积减小，肺内压高于大气压，肺内气体被呼出，完成呼气。因此，平静呼吸时吸气是主动的，呼气则是被动的。通常将以膈肌舒缩运动为主的呼吸运动称为腹式呼吸(abdominal breathing)，以肋间外肌舒缩活动为主的呼吸运动则称为胸式呼吸(thoracic breathing)。正常呼吸运动是腹式和胸式的混合型。
用力呼吸是指劳动或运动时的呼吸。用力吸气时，除膈肌和肋间外肌收缩外，还有斜角肌、胸锁乳突肌等辅肋吸气肌收缩，使胸廓进一步扩大，吸气运动增强，吸入气体增加。用力呼气时，除吸气肌舒张外，还有肋间内肌、腹肌等呼气肌收缩使胸腔和肺容积进一步缩小，肺内压升高，呼出更多的气体。由此可见，用力呼吸时吸气和呼气都是主动的。
（二）肺内压的变化
在吸气初期肺内压低于大气压，如果以大气压为0，则肺内压为负值，空气入肺。随着肺内气体量的逐渐增加，肺内压升高，至吸气末，若呼吸暂停、声带开放、呼吸道畅通时，此时的肺内压与大气压相等，即肺内压为0。反之，在呼气初期，肺内压高于大气压，气体出肺，肺内气体量逐渐减少，肺内压随之下降，至呼气末，肺内压又降至大气压水平，肺内压为0。因此，在平静呼吸过程中肺内压在吸气时为－0.27～－0.13kPa(－2～－1mmHg)，呼气时为0.13～0.27kPa(1～2mmHg)。而在用力呼吸时，肺内压变动增大。若呼吸道不够通畅时，肺内压的升降将更大。例如紧闭声门，尽力吸气时，肺内压可低至－13.3～－3.99kPa(－100～－30mmHg)；用力呼气时可高达7.98～18.62kPa(60～140mmHg)。
由此可见，肺通气的直接动力是肺内压的周期性变化造成肺内压和大气压之间的压力差（图5-7）。了解这一点有重要的临床意义，病人一旦呼吸停止，则在保持呼吸道畅通的前提下，若用人为的方法，使肺内压和大气压之间产生压力差，即可保持肺通气，这就是人工呼吸(artificial respiration)。如用呼吸机进行正压通气、口对口的人工呼吸和节律性地举臂压背挤压胸廓等。
（三）胸膜腔内压
胸膜腔(pleural cavity)是存在于胸膜脏层与壁层之间的密闭的、潜在的腔隙，内无气体，仅有少量浆液。这些浆液的作用有：在两层胸膜之间起润滑作用，减少在呼吸运动过程中两层胸膜间的摩擦；而浆液分子的内聚力又能使两层胸膜紧贴，肺就可以随胸廓的运动而张缩。因此，胸膜腔的密闭和两层胸膜间浆液分子的内聚力对于维持肺的扩张状态和肺通气具有重要意义。
胸膜腔内的压力称为胸膜腔内压(intrapleural pressure)。其数值可直接测定，通过将与检压计相连的注射针头斜刺入胸膜腔，从检压计的液面可直接读出胸膜腔内压力。由于直接法对机体有损伤，故一般用于动物实验中。在人体常采用间接测量法，让受试者吞下带有薄壁气囊的导管至下胸段食道。由于位于胸腔段的食道壁薄而柔软，因而在呼吸过程中食道与胸膜腔两者的压力变化值基本一致，食道内的压力可间接反映胸膜腔内压。
测量表明，胸膜腔内压通常比大气压低，为负压。平静呼气末胸膜腔内压约为－0.66～－0.40kPa(－5～－3mmHg)，吸气末约为－1.33～－0.66kPa(－10～－5mmHg)。在关闭声门、用力吸气时，胸膜腔内压可降至－11.97kPa(－90mmHg)；用力呼气时，可升高到14.63kPa(110mmHg)。
胸膜腔内负压是如何形成的？由于胸膜腔内没有气体，而少量的浆液所产生的压力可忽略不计。因此，胸膜腔内压只可能是作用于胸膜上的力形成的。而作用于胸廓的大气压因胸廓的阻挡，不可能作用于壁层胸膜，这样胸膜腔内压只能是由作用于脏层胸膜的力构成。因肺泡壁薄而柔软，作用于肺泡壁的力即可作用于脏层胸膜。这就是使肺泡扩张的肺内压和使肺泡缩小的肺回缩力，两者方向相反。这样，
胸膜腔内压＝肺内压－肺回缩力。
在吸气末或呼气末，肺内压等于大气压。若以大气压为0，则
胸膜腔内压＝－肺回缩力
由此可见，胸膜腔负压实际上是由肺回缩力造成的。吸气时，肺扩张，肺的回缩力增大，胸膜腔负压增大。呼气时，肺缩小，肺回缩力变小，胸膜腔负压也减小。在平静呼吸过程中胸膜腔内压总是负值。其原因是婴儿出生后自第一次呼吸开始，肺即充气而始终处于扩张状态；同时胸廓生长的速度比肺快，胸廓总是牵引着肺。这样在呼气胸廓缩小时，肺仍处于扩张状态。而在正常情况下，肺总是表现出回缩倾向，因而胸膜腔内压总为负值。
胸膜腔负压除维持肺的扩张，同时也作用于胸腔内的壁薄而可扩张性大的上、下腔静脉和胸导管，促进静脉血和淋巴液的回流。因此，临床上在胸膜破裂造成开放性气胸(pneumothorax)时，肺将因本身的回缩力而萎陷，使肺通气功能下降；同时静脉液和淋巴液回流受阻致循环血量减少。此时治疗的关键是使胸膜腔密闭以恢复胸内负压。
二、 肺通气的阻力
(Resistance of pulmonary ventilation)
肺通气过程中，动力必须克服阻力才能进行肺通气。肺通气的阻力可分为弹性阻力和非弹性阻力，平静呼吸时弹性阻力约占2/3。
（一） 弹性阻力与顺应性
物体对抗外力作用所引起的变形的力称为弹性阻力(elastic resistance)，常用顺应性来反映其大小，即在外力作用下弹性组织的可扩张性。若组织容易扩张，则顺应性大，表明弹性阻力小；反之，组织难于扩张时则顺应性小，其弹性阻力大。可见顺应性(C)与弹性阻力(R) 成反比关系：C＝1/R。顺应性的大小可用单位压力变化(?P) （即跨壁压的变化）所引起的容积变化(?V)来表示，即：
C＝?V/?P （L/cmH2O）
一般跨肺压为肺内压与胸内压之差，跨胸壁压为胸内压与大气压之差。
肺和胸廓均为弹性组织，均能产生弹性阻力，其大小亦可用顺应性来表示。
1．肺的弹性阻力与顺应性 肺的弹性阻力包括肺弹性纤维的回缩力和肺泡表面张力，肺的弹性阻力可用肺顺应性表示，即外力作用下肺扩张的难易程度。
肺顺应性(CL)＝肺容积的变化(?V)／跨肺压的变化(?P) （L/cmH2O）
图5-6所展示的压力-容积曲线即为典型的肺顺应性曲线，曲线的斜率反映不同容量时肺顺应性或弹性阻力的大小。曲线斜率大，表示肺顺应性大，弹性阻力小；曲线斜率小，则肺顺应性小，弹性阻力大。正常成年人在平静呼吸时，肺顺应性约为0.2L/cmH2O，位于斜率最大的曲线中段，表明平静呼吸时肺弹性阻力小，呼吸省力。
影响肺顺应性的因素有：
（1）肺容积 前已述及，肺容积不同时肺顺应性将随之改变。此外，肺总容量不同，肺顺应性的数值可相差很大。例如，比较大鼠与象的肺顺应性或新生儿与成年人的肺顺应性，可得到象的肺顺应性远远大于大鼠，成年人的肺顺应性大于新生儿。而事实上，大鼠与象或新生儿与成年人相比，肺的弹性阻力相差不大。提示在肺总容量显著不同时，肺顺应性不足以客观反映肺的弹性阻力。可见，肺顺应性与肺总容量有关。肺总容量大，其顺应性较大；反之，肺总容量较小，则顺应性也较小。如果将肺顺应性除以肺总容量，这就是比顺应性(specific compliance)。
比顺应性＝肺顺应性(L/cmH2O)／肺总容量(L)
在平静呼吸时，比顺应性＝平静呼吸时的肺顺应性(L/cmH2O)／功能余气量(L)
即单位肺总容量下的肺顺应性，以排除肺总容量对肺顺应性的影响。经测算得到，大鼠与象的肺比顺应性、新生儿与成年人的肺比顺应性基本相同。若比顺应性发生改变，提示肺弹性阻力发生了改变。
（2）肺部疾病及肺表面活性物质 当肺充血、肺组织纤维化或肺表面活性物质减少时，肺的弹性阻力增加，肺顺应性降低，患者出现吸气困难；而在肺气肿时，肺弹性纤维被破坏使肺回缩力减小，弹性阻力减小，顺应性增大，患者出现呼气困难。
（3）呼吸时相 在吸气或呼气时，由于肺的扩张与缩小存在滞后现象，使肺顺应性曲线不重合，提示肺顺应性的大小随呼吸时相而变化。
（4）体位 当人由直立位变为平卧位时，因重力作用使肺受到挤压，扩张性降低，肺顺应性降低。但同时功能余气量亦减少，此时肺的比顺应性保持不变。

生长因子与限制性肺疾病
限制性肺疾病的典型病理特征是肺纤维化导致的弹性回缩力增大、肺顺应性降低。有研究表明，在限制性肺疾病中肺泡巨噬细胞和粒细胞的炎症募集反应能产生大量的活性氧并释放大量的细胞因子，促进胶原生成与肺纤维化。如血小板源性生长因子可能是肺纤维化的关键物质，而转化生长因子(TGF-β)经粘附分子整合素的介导也参与了肺纤维化的发生。IL-8和肿瘤坏死因子通过调节内皮素的生成与激活，影响内皮素收缩支气管、刺激胶原合成和促进细胞分裂。
2．胸廓的弹性阻力和顺应性 当胸廓处于自然位置时，相当于肺总量的67%左右，胸廓既没有扩大，也无缩小，因而不表现出弹性阻力。肺容量小于肺总量的67%时，胸廓的容积小于其自然容积，其弹性回缩力向外，构成吸气的动力，同时也是呼气的阻力。例如平静呼气或吸气时肺容积一般小于肺总量的67%，因而胸廓容积小于其自然容积，胸廓的弹性阻力为吸气的动力。肺容量大于肺总量的67%，如用力吸气时，胸廓因牵引向外而扩大，胸廓倾向于回缩，其弹性阻力向内，成为吸气的阻力，呼气的动力。因此，与肺弹性阻力总是为吸气的阻力不同，胸廓的弹性阻力可以是吸气或呼气的阻力，也可以是动力。胸廓的弹性阻力可用胸廓的顺应性(thoracic compliance，CT)表示：
胸廓的顺应性(CT)＝胸腔容积的变化(?V)／跨胸壁压的变化(?P)L/cmH2O
正常人胸廓顺应性也是0.2L/cmH2O。在肥胖、胸廓畸形、胸膜增厚和腹腔内占位病变等情况下，胸廓顺应性降低。
3．肺通气的弹性阻力
肺通气过程中的弹性阻力包括肺的弹性阻力和胸廓的弹性阻力，是平静呼吸时的主要阻力。
（二）非弹性阻力
平静呼吸时非弹性阻力(non-elastic resistance)占总阻力的30%，用力呼吸时其比例将增加。非弹性阻力包括气道阻力、惯性阻力和粘滞阻力。其中气道阻力占非弹性阻力的80%～90%（有关气道阻力的分布、影响因素前已述及）。非弹性阻力是在气体流动时产生的，并随流速加快而增加，故为动态阻力。
（三）呼吸功
在呼吸过程中，呼吸肌为克服弹性阻力和非弹性阻力实现肺通气所作的功称为呼吸功(work of breathing)。通常以单位时间内的压力变化乘以容积变化来计算。正常人平静呼吸时，呼吸功较小，呼吸耗能仅占全身总耗能的3%。劳动或运动时，呼吸频率、深度增加，呼气也有呼气肌收缩，呼吸功增加。病理情况下，肺通气的弹性或非弹性阻力增大时，也可使呼吸功增大。剧烈运动时，呼吸耗能可升高25倍。因此，能否为呼吸提供足够的能量在很大程度上制约个人的运动能力。不过由于在剧烈运动时全身总耗能也将增大15～20倍，所以呼吸耗能仍只占总耗能的3%～4%。

三、 肺通气功能的评价
(Evaluation of function of pulmonary ventilation)
肺通气是呼吸的一个重要环节,应用肺量计进行测定，可得到肺容积曲线（如图5-8）。所得到的肺容量及肺通气量等指标可作为衡量肺通气功能的重要指标。
（一） 基本肺容积
肺容积(pulmonary volume)是指在不同状态下肺所容纳的气体量。有四种基本肺容积，它们互不重叠，全部相加后等于肺总量。
1．潮气量 (tidal volume，TV)：是指每次吸入或呼出的气量。平静呼吸时潮气量约为500ml。
2．补吸气量(inspiratory reserve volume，IRV)：指平静吸气末，再用力吸气所能吸入的气量。正常成年人补吸气量约为1 500～2 000ml。
3．补呼气量(expiratory reserve volume，ERV)：指平静呼气末，再尽力呼气所能呼出的气量。正常成年人补呼气量约为900～1 200ml。
4．余气量(residual volume，RV)：最大呼气末存留于肺内不能再呼出的气量，正常成人约为1 000～1 500ml。支气管哮喘和肺气肿患者，余气量增加。
（二） 评价肺通气功能的指标
肺通气时表现的多项基本肺容积相组合的气量称为肺容量(pulmonary capacity)，可作为评价肺通气功能的指标。
1．深吸气量(inspiratory capacity，IC)：指在平静呼气末作最大吸气时所能吸入的气量，等于潮气量和补吸气量之和。深吸气量一般与肺活量呈平行关系，是衡量最大通气潜力的重要指标。胸廓、胸膜、肺组织和呼吸肌等发生病变时，肺通气功能下降，深吸气量减少。
2．功能余气量(functional residual capacity，FRC)：指平静呼气末存留于肺内的气量，等于余气量与补呼气量之和。正常成年人约为2 500ml，肺气肿患者的功能余气量增加，肺实质性病变时减小。由于功能余气量对吸入气体的稀释作用，吸气时肺内空气中Po2不致太高，Pco2不致太低；反之，呼气时，Po2不会降得太低，Pco2不致升得太高，以保证肺换气的进行。因此，功能余气量的生理意义是缓冲呼吸过程中肺泡气中氧和二氧化碳分压(Po2和Pco2)的变化。
３．肺总容量(total lung capacity，TLC)：指肺所能容纳的最大气量，等于潮气量、补吸气量、补呼气量和余气量之和。也等于深吸气量与功能余气量之和。肺总容量可随性别、年龄、身材、运动锻炼情况和体位而变化，成年男性平均约5 000ml，女性约3 500ml。
4．肺活量(vital capacity，VC)：指最大吸气后作最大呼气所呼出的气量。肺活量等于潮气量、补吸气量和补呼气量之和，也等于肺总容量减去余气量。肺活量与身材、性别、年龄、体位、呼吸肌强弱等有关，一般与身高成正变，男性大于女性，幼年和老年人较小，一般卧位时的肺活量比立位时小300ml。正常成年男性平均约3 500ml，女性约2 500ml。肺活量反映了肺一次通气的最大能力，一般来说肺活量越大，肺的通气功能越好。
5．用力肺活量(forced vital capacity，FVC)：指最大吸气后，以最快速度用力呼气时所呼出的最大气量。该指标避免了肺活量不限制呼气时间的缺陷，排除气道阻塞病人在延长呼气时测得的肺活量正常的假象，能更客观地反映肺的通气功能，是反映肺通气功能的较好指标。
6．用力呼气量(forced expiratory volume，FEV)：是指最大吸气后以最快速度用力呼气时在一定时间内所呼出的气量，一般以它所占用力肺活量的百分数来表示，即FEVt/FVC %。其中，第1秒钟内呼出的气量称为1秒用力呼气量(the first second of a forced expiration，FEVl)，是临床反映肺通气功能最常用的指标，正常时FEV1/FVC%约为80%。在哮喘等阻塞性肺部疾病患者，FEVl的降低比FVC更明显，因而FEV1/FVC%降低；而在肺纤维化等限制性肺部病变患者，因FVC降低使FEV1亦下降，故FEVl/FVC%仍可正常甚至超过80%。因此，FEV1/FVC%是评定慢性阻塞性肺病的常用指标，也常用于鉴别阻塞性肺病和限制性肺病。
7．最大呼气中段流量(maximal midexpiratory flow curve，MMEF)：指在FEV描图上按肺活量等分为4等份，取中间二等份容积，除以所占时间，即可计算出MMEF。该指标的优点是去掉了呼气初始与呼气力量有关的部分，能较好地反映小气道的阻力情况，是测定小气道功能的简单实用的方法。
8．每分通气量(minute ventilation volume)：指每分钟吸入或呼出的气量，等于潮气量乘以呼吸频率。平静呼吸时，正常成年人呼吸频率每分钟12～18次，潮气量为500ml，则每分静息通气量为6～9L。每分通气量随性别、年龄、身材和活动量的不同而有差异。
9．最大随意通气量(maximal voluntary ventilation)：也称为最大通气量，指以最大的力量、最快的速度每分钟吸入或呼出的气量。它反映单位时间内充分发挥全部通气能力所能达到的通气量，是估算机体能进行多大运动量的重要生理指标。测定时，一般只测量10s或15s内最深最快呼出或吸入的气量，再乘以6或4换算成每分钟的最大通气量。正常成年人最大通气量一般可达70～120L/min。比较每分静息通气量与最大通气量，可以了解通气功能的贮备能力，后者通常用通气贮量百分比表示：
通气贮量百分比＝（最大通气量－每分平静通气量）／最大通气量×l00%
通气贮量百分比的正常值等于或大于93%。小于70%为通气功能严重损害。