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

在此基础上可进一步推算出气速指数(air velocity of index)，即最大通气量实际数占预计值的百分数与肺活量实际数占预计值的百分数相比。
气速指数(A.V.I)＝（最大通气量实测值／预计值%）/（肺活量实测值／预计值%）
气速指数有助于鉴别通气功能损害的类型。正常值为1，气速指数大于1，示限制性通气损害，小于1示阻塞性通气损害。最大通气量预计值回归方程式：
Baldwin： 男：[86.4－（0.522×年龄）]×体表面积(m2)（以L表示）
女：[71.3－（0.474×年龄）]×体表面积(m2)（以L表示）
肺活量预计值回归方程式：
Baldwin： 男：[27.63－（0.112×年龄）]×身高(cm)（以ml表示）
女：[21.78－（0.101×年龄）]×身高(cm)（以ml表示）
10．肺泡通气量(alveolar ventilation)：指每分钟吸入肺泡的新鲜空气量或每分钟能与血液进行气体交换的量，等于（潮气量-无效腔气量）×呼吸频率。与每分通气量相比，肺泡通气量比每分通气量小，其差值为无效腔气量×呼吸频率。这是因为每次吸入的气体，一部分将留在从上呼吸道至呼吸性细支气管以前的呼吸道内。由于该段呼吸道内的气体不能直接与血液进行气体交换，而呼气时又先将这部分气体排出体外。因此将这一段呼吸道称为解剖无效腔(anatomical dead space)，正常成年人其容积约为150ml。此外，进入肺泡的气体，也可因血流在肺内分布不均而未能都与血液进行气体交换，这一部分未能与血液发生气体交换的肺泡容量称为肺泡无效腔(alveolar dead space)，正常人的肺泡无效腔接近于零。肺泡无效腔与解剖无效腔之和称为生理无效腔(physiological dead space)。正常人的生理无效腔等于或接近于解剖无效腔。病理情况下，如支气管扩张时解剖无效腔增大；肺动脉部分梗塞时肺泡无效腔增大。
肺泡通气量是反映肺通气效率的重要指标。例如，某人的潮气量是500ml，呼吸频率是12次/分，则每分通气量为6 000ml/min，肺泡通气量为4 200ml/min。如果呼吸形式改变，例如潮气量减半而呼吸频率加倍（浅快呼吸）或潮气量加倍而呼吸频率减半（深慢呼吸），此时每分通气量不变，肺泡通气量却发生明显变化，分别为2 400ml/min和5 100ml/min。可见，在一定的呼吸频率范围内深而慢的呼吸比浅而快的呼吸更为有效。

临床用于鉴别阻塞性通气障碍与限制性通气障碍的常用指标见表5-1。
表5-1 鉴别阻塞性与限制性通气功能障碍的常用指标
阻塞性 限制性
VC 减低或正常 减低
RV 增加 减低
TLC 正常或增加 减低
RV/TLC 明显增加 正常或略增加
FEV1/FVC 减低 正常或增加
MMEF 减低 正常或减低
A.V.I <1.0 >1.0

第三节 肺换气和组织换气
(Gas exchanges in the lung and in the tissue)
新鲜空气经肺通气进入肺泡后即与血液进行气体交换，O2从肺泡扩散入血液，CO2从血液扩散入肺泡，即为肺换气。当血液流经组织细胞时，O2从血液扩散入细胞，CO2从细胞扩散入血液，即为组织换气。
一、 气体交换的原理
(Principle of gas exchange)
气体分子不停地进行着无定向的运动，但其总的结果是从分压高处向分压低处扩散。单位时间内气体扩散的容积为气体扩散速率(rate of diffusion，D)，影响气体扩散的因素有：
（一）气体的分压差
在混合气体中，某种气体分子运动所产生的压力为该气体的分压(P)，它不受其他气体影响。在温度恒定时，每一气体的分压取决于它自身的浓度和混合气体的总压力。气体分压可按下式计算：
气体分压＝混合气总压力×该气体所占的容积百分比
例如：大气压是101.3kPa(760 mmHg)，则空气中O2的分压为101.3×20.84%＝21.1kPa(159 mmHg)；CO2的分压为101.3×0.04%＝0.04kPa(0.3mmHg)。
两个区域之间的分压差(△P)是气体扩散的动力，分压差大，则扩散快，扩散速率大；反之，分压差小则扩散速率低。同时气体的分压差也决定了气体扩散的方向。
表5-2 肺泡、血液及组织中各气体的分压 kPa（mmHg）
肺泡气 静脉血 动脉血 组织
Po2 13.9(104) 5.3(40) 13.3(100) 4.0(30)
Pco2 5.3(40) 6.1(46) 5.3(40) 6.7(50)
PN2 75.8(569) 76.4(573) 76.4(573) 76.4(573)
PH2O 6.3(47) 6.3(47) 6.3(47) 6.3(47)

（二）气体的扩散速率
分子量(MW)小的气体扩散快，气体在溶液中的溶解度大的扩散速度快。溶解度(S)与分子量的平方根之比称为扩散系数(diffusion coefficient)，因为CO2在血浆中的溶解度(51.5)约为O2的(2.14)24倍，CO2的分子量(44)大于O2(32)，这样CO2的扩散系数是O2的20倍。此外，气体扩散速率还与扩散面积(A)、温度(T)成正变，与扩散距离(d)成反变。由于CO2扩散系数是O2的20倍，故临床上易出现缺氧而CO2潴留少见。
综上所述，气体扩散速率与上述各因素的关系为：
气体扩散速率 ∝

二、肺换气
(Gas exchange in the lung)
1．肺换气过程
当低Po2高Pco2的静脉血流经肺毛细血管时，由于肺泡气的Po2总是高于静脉血的，而Pco2总是低于静脉血。这样，肺泡气中的O2便顺着分压差扩散到血液，而静脉血中的CO2则向肺泡扩散。使血液的Po2逐渐升高，Pco2逐渐降低，最后接近肺泡气的Po2和Pco2。同时O2和CO2的扩散速度极快，仅需约0.3s即可完成肺部气体交换，使静脉血在流经肺部之后变成了动脉血。一般血液流经肺毛细血管的时间约0.7s，因此当血液流经肺毛细血管全长约1/3时，肺换气过程基本上已完成。
一般将气体在1mmHg分压差作用下，每分钟通过呼吸膜扩散的气体毫升数称为肺扩散容量(pulmonary diffusion capacity，DL)，即：
DL＝V/︱PA－PC︱
上式中V是每分钟通过呼吸膜的气体容积(ml/min)，PA是肺泡气中该气体的平均分压，PC是肺毛细血管血液内该气体的平均分压。肺扩散容量是衡量呼吸气通过呼吸膜能力的指标。正常人安静时O2的DL平均约为20ml/(min·mmHg)，CO2的DL为O2的20倍。运动时DL增加；肺疾病情况下，DL可因有效扩散面积减小或扩散距离增加而降低。
2．影响肺换气的因素
（1）气体分压差(△P) 如前所述，气体分压差与气体扩散速率成正变，是气体交换的动力，并决定气体的扩散方向。
（2）气体的扩散系数 扩散系数越大，肺部气体交换的速度越快。
（3）呼吸膜的面积(A) 气体扩散速率与扩散面积成正比。正常成人约有3亿个肺泡，总扩散面积约70m2。而在安静状态下，仅需40m2的呼吸膜便足以完成气体交换，因此呼吸膜有30m2的贮备面积。运动时肺毛细血管开放数量和开放程度增加，从而增加扩散面积，以适应O2和CO2扩散速度的加快。肺不张、肺实变、肺气肿时呼吸膜扩散面积减小，气体交换减少。
（4）呼吸膜的厚度(d) 前已述及，呼吸膜由六层结构组成，但总厚度不到1μm，最薄处只有0.2μm，气体易于扩散通过。此外，肺毛细血管平均直径不足8μm，血液层很薄。红细胞膜通常能接触到毛细血管壁，使O2、CO2可不经大量的血浆层即可到达红细胞或进入肺泡，扩散距离短，交换速度快。病理情况下，如肺纤维化、肺水肿时，呼吸膜增厚或扩散距离增加都会降低扩散速率，减少扩散量。尤其在运动时因血流加速缩短了气体在肺部的交换时间，这时呼吸膜的厚度或扩散距离的改变对肺换气的影响便显得更加明显。因此，肺纤维化、肺水肿的病人在运动时气体交换明显降低，呼吸困难加重。
（5）通气／血流比值(ventilation／perfusion ratio，V/Q) 由于肺泡内气体是与流经肺部的血液进行气体交换，因此通气与血流必须匹配，气体交换才能正常进行。通气／血流比值，即每分肺泡通气量(VA)和每分肺血流量(Q)（心输出量）的比值(VA/Q)。正常成年人安静时肺泡通气量约为4 200ml/min，心输出量为5 000ml/min，因此VA/Q为0.84。当VA/Q比值为0.84，意味着肺泡通气量与肺血流量比例适宜，气体交换的效率最高。如果VA/Q比值增大，表明通气过度或血流不足，使得部分肺泡气未能与血液气体充分交换，造成肺泡无效腔增大(alveolar dead space increases)。反之，VA/Q下降，则意味着通气不足或血流相对过剩，部分混合静脉血流经通气不良的肺泡时气体未得到充分更新，在流经肺部之后仍然是混合静脉血，相当于功能性动-静脉短路(functional arterial-venous shunt)。因此，VA/Q增大或减小，都将妨碍气体的有效交换，导致动脉血PO2下降。
健康成人全肺的VA/Q与肺各个局部区域的VA/Q存在差异。这是由于肺泡通气量和肺毛细血管血流量的不均匀分布。例如，由于重力等因素的作用，人在直立位时，肺泡通气量由上（肺尖部）至下（肺底部）逐渐递增，肺底部是肺尖部的3倍。肺血流量亦逐渐递增，肺底部是肺尖部的10倍。即在肺尖部的肺泡通气量的减少小于肺血流量，肺尖部的VA/Q较大，可达3以上；而肺底部的肺泡通气量增加小于肺血流量的增加，因此，肺底部的VA/Q比值较小，可低至0.6（图5-9）。尽管正常情况下因肺泡通气和血流的不均匀分布，导致肺不同部位的VA/Q的不一致，但由于呼吸膜面积远远超过肺换气的实际需要，因而并不影响正常的气体交换。
三、组织换气
(Gas exchange in the tissue)
组织换气是体循环毛细血管中的血液与组织细胞之间的气体交换，其发生机制及影响因素与肺换气基本相似。所不同的是气体交换发生于液相（血液、组织液、细胞内液）之间，而且扩散膜两侧的O2和CO2的分压差会随细胞内氧化代谢的强度、局部血流量、毛细血管的功能状态等发生变化。
由于组织细胞不断利用O2并产生CO2，因此组织细胞内的Po2可低至4.0kPa(30mmHg)，Pco2可高达6.7kPa(50mmHg)。动脉血流经组织毛细血管时，O2顺分压差从血液向组织细胞扩散，CO2则从组织细胞向血液扩散，这样高Po2低Pco2的动脉血又变成了低Po2高Pco2的静脉血。

第四节 气体在血液中的运输
(Gas transport in the blood)
一、 氧的运输
(Oxygen transport)
正常情况下，血液中98.5%的O2与红细胞内的血红蛋白(hemoglobin，Hb)结合形成氧合血红蛋白，称为化学结合；仅1.5%的O2是直接溶解于血浆中即物理溶解。因此，O2运输的主要形式是氧合血红蛋白。但物理溶解状态的O2是O2进出红细胞的必经形式，血浆中O2分压也是由物理溶解的O2形成的。
（一）Hb与O2的可逆性结合
Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素（又称亚铁原卟啉）组成。每个珠蛋白有4条多肽链，每条与1个血红素结合构成一个亚单位。每个血红素则由4个吡咯基构成一个环，中心含1个Fe2＋。Fe2＋ 能与进入其中的O2结合形成氧合血红蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)。因此，一分子的Hb能结合4分子的O2。在HbO2中仍然是Fe2＋，所以该结合过程没有发生氧化，而是氧合。该氧合作用具有反应速度快、可逆、不需酶催化的特点，主要受氧分压变化的影响。
当血液流经Po2高的肺部时，Hb与O2结合，形成HbO2；当血液流经Po2低的组织时，HbO2迅速解离，释放O2，成为去氧Hb，其反应式为：
Hb的分子量是64～67(KDa)，1分子Hb可以结合4分子O2，即1g Hb可以结合1.34～1.39ml的O2。1L血液中Hb所能结合的最大O2量称为Hb的氧容量(oxygen capacity)，而1L血液中Hb实际结合的O2量称为Hb的氧含量(oxygen content)。Hb氧含量和氧容量的百分比称为Hb的氧饱和度(oxygen saturation)。由于血液中溶解的O2通常极少，可忽略不计。因此，Hb氧容量、Hb氧含量和Hb氧饱和度可分别视为血氧容量、血氧含量和血氧饱和度。HbO2呈鲜红色，去氧Hb呈紫蓝色，当体表毛细血管床血液中去氧Hb含量≥50g/L血液时，皮肤、黏膜呈青紫色，称为发绀(cyanosis)。在CO中毒时，由于CO与Hb的亲和力是O2的250倍，形成大量的一氧化碳血红蛋白(carboxyhemoglobin，HbCO)，血液呈樱桃红色。
（二）氧离曲线
以氧分压为横坐标，Hb氧饱和度为纵坐标，所得到的两者之间的关系曲线称为氧合血红蛋白解离曲线简称氧离曲线(oxygen dissociation curve)。该曲线既表示不同Po2下O2与Hb的分离情况，同样也反映不同Po2时O2与Hb的结合情况（图5-10）。由于Hb的4个亚单位之间和亚单位内部由盐键连接。当Hb分子中某个亚单位与O2结合或解离时，将引起盐键形成或断裂，使Hb四级结构的构型发生改变，其他亚单位与O2的亲和力也随之改变，这是Hb氧解离曲线呈S形和波尔效应的基础。氧离曲线呈S形具有重要的生理意义，各段的特点及其功能意义如下：
1．氧离曲线的上段 相当于Po2 8.0kPa(60mmHg) 以上，曲线较平坦，相当于Hb与O2结合的部分。表明Po2发生改变时Hb氧饱和度变化很小。例如，当Po2为13.3kPa(100mmHg)时（相当于动脉血Po2），Hb氧饱和度为97.4%。如将吸入气Po2提高到19.95kPa(150mmHg)，Hb氧饱和度为100%，只增加了2.6%；而Po2为9.3kPa(70mmHg)时，Hb氧饱和度仍有94%。因此，在高原、高空或轻度呼吸功能不良时，只要Po2不低于8.0kPa(60mmHg)，Hb氧饱和度仍能保持在90%以上,血液仍可携带足够量的O2，不致发生明显的低氧血症。氧离曲线的上段的变化小，能为机体摄取足够的氧提供较大的安全系数。
2．氧离曲线的中段 8.0～5.3kPa(60～40mmHg)之间曲线较陡，表示Po2的轻度下降即可引起Hb氧饱和度的较大下降，从HbO2释放较多的O2。例如动脉血Po2为13.3kPa(100mmHg)时，Hb氧饱和度为97.4%，血O2含量约194ml/L，而混合静脉血的Po2为5.3kPa(40mmHg)时，Hb氧饱和度约为75%，血O2含量约144ml/L；即每升动脉血在流过组织时释放了50 ml的O2。氧离曲线的中段斜率较大，有利于组织的供氧。
3．氧离曲线的下段 相当于Po2 5.3～2.0 kPa(40～15mmHg)，是曲线斜率最大的一段，即Po2稍有降低，HbO2就可大大下降。在组织活动加强时，Po2可降至2kPa(15mmHg)，HbO2解离加速，Hb氧饱和度降至更低的水平，以供给组织更多的O2。此时血氧含量仅为44ml/L。即每升血液能供给组织150ml的O2，为安静时的3倍。可见该段曲线代表O2的储备，能适应组织活动增强时对O2的需求。
（三）影响氧离曲线的因素
多种因素影响Hb与O2的结合与解离，使Hb对O2的亲和力发生变化，致氧离曲线的位置偏移。通常用P50(the Po2 at which hemoglobin is half saturated with O2)表示Hb对O2的亲和力，P50是使Hb氧饱和度达50%时的Po2，正常为3.5kPa(26.5mmHg)。P50降低，曲线左移；P50增大，曲线右移。影响氧离曲线的因素主要有（图5-11）：
1．H＋浓度和Pco2 H＋浓度或Pco2升高，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，曲线右移；反之，曲线左移。H＋浓度或Pco2对Hb氧亲和力的这种影响称为波尔效应(Bohr effect)。其机制是H＋或CO2增加能使去氧Hb的分子构型稳定，从而降低了Hb对O2的亲和力。因此，当血液流经肺部时，CO2从血液向肺泡扩散，血液Pco2下降，H＋浓度也降低，氧离曲线左移，即Hb对O2的亲和力增大，结合的O2量增多。而当血液流经组织时，CO2从组织扩散进入血液，血液Pco2和H＋浓度升高，曲线右移，HbO2解离加速，释放O2供给组织利用。
2．温度 运动时或发热时体温升高，可致氧离曲线右移，促进O2的释放；反之，温度降低使曲线左移。如果温度降低至20℃，此时Po2为8.0kPa(60mmHg)，Hb仍可完全饱和，不利于O2的释放。因此，在临床低温麻醉手术时应加以考虑。
3．2，3-二磷酸甘油酸(2,3-diphosphoglycerate，2,3-DPG) 红细胞中的2,3-DPG能调节Hb与O2的亲和力。2,3-DPG浓度升高，Hb对O2的亲和力降低，氧解离曲线右移；2,3-DPG浓度降低，Hb对O2的亲和力增加，曲线左移。在高原缺O2时，无氧糖酵解增加，红细胞2,3-DPG增加，氧离曲线右移，有利于HbO2释放O2供给组织利用。而在血库贮存过久的血液，由于糖酵解停止，红细胞2,3-DPG含量下降，氧离曲线左移，Hb不易与O2解离。所以，用大量贮存血液给病人输血，虽然Hb含量并未下降，但其运O2功能较差。
综上所述，血液中Pco2、H＋、2,3-DPG和温度升高时，氧离曲线右移，有利于组织供O2；反之，氧离曲线左移。
二、二氧化碳的运输
(Carbon dioxide transport)
（一）CO2的运输形式
血液中物理溶解的CO2较少，仅占CO2总运输量的5%。其余95%即以化学结合的形式来运输，其中大部分为碳酸氢盐(88%)，少部分是氨基甲酸血红蛋白(7%)。
1．碳酸氢盐(HCO3－) 从组织扩散入血的CO2首先溶解于血浆，而溶解的CO2可与水在碳酸酐酶的作用下生成H2CO3，后者再解离成HCO3－和H＋，H＋被血浆缓冲系统缓冲。溶解的CO2绝大部分经单纯扩散进入红细胞，红细胞内的碳酸酐酶含量远远高于血浆，在红细胞内生成H2CO3的速度比血浆快13 000倍。由于红细胞内HCO3－浓度不断增加，HCO3－便顺浓度差经红细胞膜扩散进入血浆。同时红细胞允许小的负离子Cl－通过，经细胞膜上特异的HCO3－-Cl－载体转运，C1－便由血浆扩散进入红细胞，即氯转移(chloride shift)，以维持正负离子的平衡。在红细胞内HCO3－与K＋结合，在血浆中则与Na＋结合生成碳酸氢盐。在上述反应中产生的H＋，主要与Hb结合而缓冲（图5-12）。
碳酸酐酶的催化作用是双向的，如下式所示：
在肺部，反应向相反方向（向左）进行，以HCO3－形式运输的CO2在肺部被排出。
2．氨基甲酸血红蛋白(carbaminohemoglobin) 少部分CO2可与红细胞内Hb自由氨基结合形成氨基甲酸血红蛋白(HHbNHCOOH)，这一反应不需酶的催化，且CO2与Hb的结合松散，因而迅速、可逆。
在肺脏，Pco2较低，Po2较高，HbO2生成增多，HHbNHCOOH解离释放CO2和H＋，反应向左进行。在外周组织，CO2分压较高，Po2较低，HbO2解离释放出O2，反应向右进行。
虽然以氨基甲酸血红蛋白形式运输的CO2仅约占总运输量的7%，但在肺排出的CO2中却有17.5%是从氨基甲酸血红蛋白释放出来的，说明这种运输形式的效率较高。
（二）CO2解离曲线
CO2解离曲线(Carbon dioxide dissociation curve)是表示血液中CO2含量与CO2分压关系的曲线。与氧离曲线不同的是血液CO2含量随Pco2上升而上升，几乎成线性关系且没有饱和点。因此，CO2解离曲线的纵坐标不用饱和度而用浓度表示。
值得注意的是O2与Hb结合可促使CO2释放，这一现象称为何尔登效应(Haldane effect)。这是因为Hb与O2结合后酸性增强，与CO2的亲和力下降，使结合于Hb的CO2释放，同时酸性的氧合Hb释放H＋，后者与HCO3－结合生成H2CO3，再解离出CO2和H2O。因此，在组织何尔登效应可促使血液摄取并结合CO2；在肺部，则因Hb与O2结合，促使CO2释放。综上所述，O2和CO2的运输是相互影响的。CO2通过波尔效应影响O2的结合和释放，O2又通过何尔登效应影响CO2的结合和释放。