生理学 第5章 呼吸

生理学 第5章 呼吸：肺通气和肺换气，呼吸运动的调节，气体在血液中的运输，不同情况下肺内气体的变化

第五章 呼吸

• 肺通气
  • 定义：肺内气体和外界环境之间的气体交换
  • 原理
    • 肺通气动力
      • 直接动力：肺泡和外环境之间的压力差
      • 原动力：呼吸肌的收缩和舒张引起的胸廓节律性扩张和缩小
    • 肺内压：肺泡内的压力
      • 吸气时：肺容积增大肺内压降低，气体从外界进入肺泡，肺内压升高至吸气末，与大气压相等，呼吸暂停
      • 呼气时：肺容积缩小肺内压升高，肺泡内气体排出肺部，肺内压降低至呼气末，与大气压相等，呼吸暂停
    • 胸膜腔内压（胸内压）=肺内压-肺回缩压
      • 胸膜腔内压主要是由肺回缩压决定
      • 胸膜腔的密闭状态是形成胸膜腔内负压的前提
      • 吸气时：肺回缩压增大，胸膜腔内负压变的更大
      • 呼气时：肺回缩压减小，胸膜腔内负压变的更小
      • 胸膜腔负压生理意义
        • 维持肺的扩张状态
        • 有利于静脉血和淋巴的回流
        • 降低气道阻力
      • 呼吸运动的影响
        • 吸气
          • 胸腔容积变大
            • 胸膜腔负压增大
              • 大静脉和右心房扩张
                • 回心血量增多
        • 呼气
          • 胸腔容积变小
            • 胸膜腔负压减小
              • 回心血量减少
        • 补充：Vasaval动作，回心血量减少
  • 肺的通气阻力
    • 弹性阻力（主要影响因素）
      • 性质：静态阻力（在气流停止的状态下依然存在）
      • 肺的弹性阻力
        • 肺泡组织本身的弹性阻力（占1/3）
        • 肺泡内液—气表面张力产生的回缩力（占2/3）（主要影响因素）
      • 胸廓弹性阻力
        • 来自于胸廓的弹性成分
    • 非弹性阻力
      • 性质：动态阻力（仅在气流通过时才会发生）
      • 气道阻力
        • 非弹性阻力的主要成分
        • 影响因素
          • 气道口径（主要影响因素）
          • 气流速度
            • 速度越快，阻力越大
          • 气流形式
            • 气流呈现湍流（气道内有粘液、异物、肿瘤等阻塞），则气道阻力越大
      • 惯性阻力
      • 组织的黏滞阻力
    • 顺应性
      • 定义：弹性体在外力作用下所发生变形的难易程度
      • 顺应性越大，弹性阻力越小，引发形变所需要的外力越小
    • 影响因素
      • 气流速度
        • 流速越快，阻力越大
      • 气流形式
        • 气流呈现湍流（气道内有粘液、异物、肿瘤等阻塞），则气道阻力越大
      • 气道口径
        • 气道口径越大，阻力越小
      • 化学因素
        • 儿茶酚胺、前列腺素E2（PGE2）
          • 使支气管平滑肌舒张，气道口径增大，气道阻力下降
        • 前列腺素F2α（PGF2α）、过敏反应释放的白三烯、组胺等， 内皮素、吸入的CO2增加
          • 使支气管平滑肌收缩，气道口径减小，气道阻力增大
  • 肺泡表面活性物质
    • 来源
      • 肺泡Ⅱ型上皮细胞分泌合成
    • 主要成分
      • 脂质（占90%）和蛋白质（占10%）的混合物
      • 脂质：二棕榈酰磷脂（DPPC）占60%以上
      • 蛋白质：表面活性物质结合蛋白（SP）
    • 分布
      • 以单分子层的形式分布于肺泡内液-气界面上（肺泡内侧）
      • 其密度可以随肺泡半径的变小而增大，也可随肺泡半径的增大而减小
    • 生理意义（作用）
      • 四大作用
        • 降低吸气阻力，减少吸气做功
        • 维持肺泡的稳定性（肺表面活性物质可以降低肺泡表面张力）减小肺泡的回缩力（向肺泡内的力）
        • 减少肺组织组织液生成，防止肺水肿
          • 干扰项：防止肺气肿
        • 肺表面活性物质可降低肺泡表面张力，使肺的顺应性变大（易形变），减少肺的弹性阻力，防止肺不张
      • 若没有表面活性物质的情况下
        • 小肺泡表面张力大（回缩力大），气体从小肺泡流向大肺泡
        • 大肺泡表面张力小（回缩力小）
      • 肺泡增大（吸气时）
        • 表面活性物质减少
          • 降低表面张力的作用减小
            • 表面张力增加，防止肺泡过度膨胀
      • 肺泡减小（呼气时）
        • 表面活性物质增多
          • 降低表面张力的作用增大
            • 表面张力减小，防止肺泡过度萎缩
    • 临床实践
      • 成年人患有肺炎、肺血栓时，可因肺表面活性物质减少而发生肺不张
      • 新生儿呼吸窘迫综合征
        • 早产儿缺少肺表面活性物质引起肺泡极度缩小，产生肺不张，而且在肺泡表面形成透明质膜，阻碍气体交换
      • 肺充血、肺表面纤维化（肺泡表面活性物质减少）
        • 肺顺应性变小，弹性阻力增大，表现为吸气性呼吸困难
      • 肺气肿、非弹性成分大量破坏
        • 肺顺应性变大，弹性阻力减小，表现为呼气性呼吸困难
  • 肺通气功能的评价标准
    • 肺容积
      • 定义：不同状态下肺所能容纳的气体量，随呼吸运动而变化
      • 组成
        • 潮气量 TV
          • 每次简单呼吸时吸入或呼出的气体量
          • 正常范围：400~600ml，计算时按照500ml
        • 补吸气量 IRV
          • 平静吸气末，用力吸气所能吸入的气体量
          • 正常范围：1500~2000ml
        • 补呼气量 ERV
          • 平静呼气末，用力吸气所能吸入的气体量
          • 正常范围：900~1200ml
        • 余气量（残气量）RV
          • 最大呼气末尚存于肺内不能呼出的气体量
          • 正常范围：1000~1500ml
    • 肺容量
      • 定义：肺容积中两项或两项以上的联合气体量
    • 肺通气量和肺泡通气量
      • 肺通气量
        • 每分钟吸入或呼出的气体总量
        • 肺通气量=潮气量×呼吸频率
      • 肺泡通气量
        • 每分钟吸入肺泡内的空气量（每分钟肺内更新的气体量）
        • 肺泡通气量=（潮气量-无效腔通气量）×呼吸频率 =肺通气量-无效腔通气量×呼吸频率
        • 正常范围=潮气量-解剖无效腔=500-150=350ml
      • 解剖无效腔
        • 每次吸入的气体，有一部分气体不参与肺泡和血液之间的气体交换，这部分传导性呼吸道的容积被称为解剖无效腔
        • 容积约为150ml
      • 肺泡无效腔
        • 肺泡内气体也可因血流在肺内分布不均匀而不能全部和血液进行气体交换
        • 正常人无限接近与0，但病理状态下（如ARDS等）可出现
      • 生理无效腔
        • 生理无效腔=解剖无效腔+肺泡无效腔（约等于0）
        • 生理无效腔无限接近与解剖无效腔
    • 不同呼吸频率和潮气量对肺通气量和肺泡通气量的影响
      • 潮气量减半，呼吸频率加倍
        • 肺通气量不变
        • 肺泡通气量减少
        • 浅快呼吸对肺换气不利
      • 潮气量加倍，呼吸频率减半
        • 肺通气量不变
        • 肺泡通气量增加
        • 深慢呼吸增加呼吸做功，容易导致呼吸肌疲劳
      • 无论怎么变化，都是对肺通气不利
• 肺换气
  • 定义：肺泡内气体和毛细血管血液之间的气体交换过程
  • 气体交换原理
    • Fick弥散定律
      • • 单位时间内气体扩散的容积称为气体扩散速率（D）
        • 气体的分压差（∆P）
          • 指两个区域之间某种气体分压的差值
          • 肺换气合组织换气都是以扩散的方式进行
          • 它是决定气体扩散的动力和决定气体扩散方向的关键因素
        • 气体的溶解度（S）
        • 扩散面积（A）
        • 温度（T）
        • 气体的分子质量（MW）
          • 质量较轻的气体扩散较快
          • 气体扩散速率与相对分子质量的平方根成反比
        • 扩散距离（d）
      • 气体分子的溶解度和分子量的平方根之比称为扩散系数（S/根号下MW），它取决于分子本身的特性
      • CO2的扩散系数约为O2的20倍
        • 虽然CO2的相对分子质量略大于O2的相对分子质量
        • 但是CO2（51.5）在血液中的溶解度比O2（2.14）大的多，这是CO2通过呼吸膜的扩散速率比O2快的主要原因
  • 人体不同部位的CO2和O2分压
    • PaCO2：细胞内液（组织细胞）＞静脉血＞肺泡气体＞呼出气体
    • PaO2：吸入气体＞肺泡气体＞动脉血＞毛细血管＞静脉血＞组织液＞细胞内液（组织细胞）
  • 影响肺换气的因素
    • 呼吸膜的厚度/扩散距离
      • 呼吸膜越厚，气体扩散速率越低
      • 肺纤维化、肺水肿会导致呼吸膜厚度增加
    • 呼吸膜的面积
      • 气体扩散速率和呼吸膜厚度成正比
      • 肺不张、肺实变、肺气肿、肺叶切除、肺毛细血管阻塞会导致呼吸膜面积减小
    • 通气（V）/血流（Q）比值
      • 定义：每分钟肺泡通气量和每分钟肺血流量的比值
      • 可以作为衡量肺换气功能的最佳指标
      • 无论V/Q是增大还是减少都会导致肺换气效率降低，导致机体缺氧和CO2潴留，尤其是缺氧
        • 肺气肿患者V/Q增大和减小都可能出现，这是造成肺换气功能异常最常见的病因
      • 安静状态下V/Q约为0.84
        • 肺尖部V/Q可高达3.33
        • 肺底部V/Q可低至0.63
        • 上大下小
      • V/Q异常主要表现为缺氧的原因
        • 动静脉血流之间PaO2远大于PaCO2，当动静脉短路时候，PaO2下降的程度远大于PaCO2升高的程度
        • CO2的扩散系数为O2的20倍，所以CO2扩散快，不易潴留
        • 动脉血PaO2下降和PaCO2升高可刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO2排出，却无助于O2的摄取
• 气体在血液中的运输
  • 氧气的运输
    • 物理溶解
      • 占血液总氧含量的1.5%
    • 化学结合
      • 占血液总氧含量的98.5%
      • 运输形式：氧合血红蛋白（HbO2）
      • Hb与O2的结合
        • 反应快、可逆、不需要酶的催化、受PaO2的影响
        • Hb分子有1个珠蛋白和4个血红素构成，每个血红素中心都有一个2价Fe，Fe2+可以与O2氧合
        • Hb的4个单体之间和亚单位内部由盐键连接
        • Hb与O2的结合或解离将影响盐键的形成和断裂，使Hb发生变构效应
        • 是氧合反应而不是氧化反应：Fe2+与O2结合后仍然是2价
        • Hb有两种构型
          • Hb为T型（紧密型）：对O2亲和力低
          • HbO2为R型（疏松型）：对O2的亲和力高
      • Hb与O2结合的指标
        • 血（Hb）氧容量
          • 100ml血液中Hb所能结合的最大O2的量
            • 成年人Hb浓度15g/100ml，血氧容量20.1ml/100ml
        • 血（Hb）氧含量
          • 100ml血液中Hb实际结合的O2量
        • 血（Hb）氧饱和度
          • 血氧含量与血氧容量的比值
            • 正常人约为97%
      • 波尔效应
        • 血液酸度和PaCO2对Hb与O2亲和力的影响
        • 当H+增多时，H+与Hb多肽链的氨基酸残基结合，促进盐键的形成，使Hb分子向T型转变，对O2的亲和力降低
        • 生理意义
          • 促进肺毛细血管血液摄取O2，又有利于组织毛细血管血液释放O2
      • O2解离曲线
        • 呈S型，与Hb的变构效应有关
        • 有饱和点
    • 发绀
      • HbO2呈现鲜红色，Hb呈现蓝紫色
      • 当Hb含量＞5g/100ml时，皮肤黏膜呈现暗紫色，这种现象称为发绀
      • 出现发绀时通常表示机体出现缺氧，但发绀不一定缺氧，缺氧也不一定发绀
    • 氧解离曲线
      • 分为三段
        • 上段（右段）
          • 相当于PaO2在60-100mmHg之间的Hb氧饱和度
          • 曲线较为平坦，表明在此范围内PO2对Hb氧饱和度影响不大
          • 反映Hb与O2结合的部分，机体对血氧含量有缓冲作用
          • 生理意义
            • 即使在高原、高空或肺通气或肺换气功能障碍的患者，若吸入的PO2有所下降，只要动脉血PO2＞60mmHg，Hb血氧饱和度可维持在＞90%，不会引起明显的低氧血症
        • 中段
          • 相当于PaO2在40-60mmHg之间的Hb氧饱和度
          • 曲线较为陡峭，表明在此范围内PO2对Hb氧饱和度影响较大
          • 反映HbO2释放O2的部分，安静状态下的供O2情况
        • 下段（左段）
          • 相当于PaO2在15-40mmHg之间的Hb氧饱和度
          • 曲线最为笔直，表明在此范围内PO2对Hb氧饱和度影响最大
          • 反映HbO2解离O2的部分，机体血液供O2的储备能力
      • 解离曲线呈现S型的机制
        • 与Hb的变构效应有关
        • Hb有两种构型
          • Hb为T型（紧密型）：对O2亲和力低
          • HbO2为R型（疏松型）：对O2的亲和力高
        • Hb的4个亚单位之间有协同效应，即一个亚单位和O2结合后，促进剩下的亚单位和O2结合
        • 当Hb与O2结合时，盐键逐步断裂，构型由T型转变为R型，对O2的亲和力增加
        • 当HbO2释放O2时，盐键逐渐合成，由R型转变为T型，对O2的亲和力降低
      • 氧解离曲线影响因素
        • P50是使Hb氧饱和度达到50%时的PO2，正常值为26.5mmHg
        • 曲线右移
          • 表明Hb对O2的亲和力降低
          • pH降低/H+浓度升高
            • 波尔效应：当H+增多时，H+与Hb多肽链的氨基酸残基结合，促进盐键的形成，使Hb分子向T型转变，对O2的亲和力降低
          • P50变大
            • PCO2变大
          • 温度升高
          • 2，3-DPG（2,3-二磷酸甘油酸）浓度升高
            • 2-3DPG不阻碍Hb与O2结合，但阻碍Hb释放O2
          • 记忆口诀：升高的都右移，亲和力降低
        • 曲线左移
          • 表明Hb对O2的亲和力增加
          • pH升高/H+浓度降低
          • P50减小
            • PCO2变小
          • 温度升高降低
          • 2-3DPG浓度降低
          • CO中毒
            • CO与Hb其中一个血红素结合以后，使其余3个血红素对O2的亲和力增强但同时妨碍O2的解离
            • CO与Hb的亲和力为O2的250倍
          • 记忆口诀：降低的都右移，亲和力增加
  • CO2的运输
    • 物理溶解
      • 占CO2总运输量的5%
    • 化学结合
      • 占CO2总运输量的95%
      • 运输形式
        • HCO3-形式（占88%）
          • CO2+H2O=H2CO3需要碳酸酐酶的参与，反应方向取决于PCO2的高低
          • 碳酸酐酶抑制剂：乙酰唑胺，运用后可以使组织内的PCO2升高
          • 组织液中碳酸酐酶含量极少，RBC中碳酸酐酶含量极高
          • 主要以NaHCO3的形式运输，需要酶的催化
        • 氨基甲酰血红蛋白（占7%）
          • 该反应主要受到氧合作用的调节
          • 结合生成氨基甲酰血红蛋白（HbCO2）
          • 反应快、可逆、不需要酶的催化
    • CO2解离曲线
      • 接近线性关系，不呈现S型
      • 无饱和点
    • 何尔登效应
      • 定义：Hb与O2结合可以促进CO2释放，但释放O2之后的Hb更容易与CO2结合
        • 记忆技巧：Hb是傻白甜，CO2是舔狗，O2是渣男 Hb和O2谈恋爱就把CO2踹走，O2一走CO2就去舔Hb
      • Hb是否与O2结合时影响CO2运输的主要因素
      • 机制
        • HbO2酸性较强，不易和CO2结合
        • 去氧Hb酸性较弱，容易和CO2结合，也容易和H+结合，使H2CO3解离过程中产生的H+能被及时的中和，有助于提高血液CO2的运输量
        • 当H+增多时，H+与Hb多肽链的氨基酸残基结合，促进盐键的形成，使Hb分子向T型转变，对O2的亲和力降低
        • 在组织中，由于HbO2释放出O2变成Hb，通过何尔登效应促进血液摄取并结合CO2
        • 在肺部，由于Hb与O2结合，何尔登效应促进CO2的释放
• 呼吸运动的调节
  • 化学感受性呼吸反射 （可见第四章心血管反射）
    • 外周化学感受器
      • 部位：颈动脉体（调节呼吸）、主动脉体（调节循环）
      • 颈动脉体含有Ⅰ型细胞（球细胞：感受器细胞）和Ⅱ型细胞（鞘细胞）
        • 窦神经的传入纤维末梢分支和Ⅰ型细胞形成特化的接触
        • Ⅰ型细胞受到刺激时，通过一定途径使细胞内的Ca2+浓度升高，促进递质释放，引起传入神经兴奋
      • 生理刺激：血液中的PaO2下降、PaCO2升高、H+浓度升高
        • 三者对刺激有协同作用
      • 感受的是PaO2下降（物理溶解的O2），而不是动脉O2含量下降
        • 在贫血或CO中毒患者中，虽然O2含量下降，但PaO2正常， 只要血流不减少，就不会刺激外周化学感受器
      • CO2的刺激
        • 对PaCO2突然增高的调节反应快
        • 不易发生适应，对PaCO2变化不敏感
          • 记忆口诀：将在外军令有所不受
      • H+的刺激
        • 对H+的敏感性较低
        • 但动脉血中H+主要通过刺激外周化学感受器发挥作用
      • 生理效应
        • 兴奋后使呼吸加深加快，肺通气量增加
    • 中枢化学感受器
      • 部位：延髓腹外侧浅表部位的头端区和尾端区
      • 生理刺激：脑脊液和局部细胞外液中的H+
        • 干扰项：脑脊液中的CO2浓度
      • 不能感受低O2刺激！！！！！！
        • 低氧对中枢的直接作用是抑制
      • CO2的刺激
        • 对PaCO2突然增高的调节反应慢
        • 易发生适应，对PaCO2变化敏感
        • 主要通过刺激中枢化学感受器发挥作用
        • 但血液中的CO2能迅速通过血-脑屏障，使化学感受器周围细胞外液的H+浓度升高，从而刺激中枢化学感受器，但是脑脊液中碳酸酐酶的含量很少，CO2与H2O的水和反应较慢，所以中枢化学感受器对CO2刺激的调节较慢
      • H+的刺激
        • 对H+的敏感性较高（为外周化学感受器的25倍）
        • 血液中的H+不易通过血-脑屏障，虽然对H+敏感性较高，但是血液pH变化对中枢化学感受器的刺激作用较为缓慢
      • 生理效应
        • 兴奋后使呼吸加深加快，肺通气量增加
    • 体内CO2持续升高出现适应的原因
      • 肾对血液pH有调节作用
      • 血液中的HCO3-也可以缓慢通过血-脑屏障和血-脑脊液屏障，中和一部分存在于此处的H+，减弱H+对中枢的刺激
      • 所以血液中的CO2对呼吸运动的短期促进作用较强，长期刺激较弱
    • 总结
      • 刺激外周化学感受器
        • 动脉血H+升高
        • 动脉血PaO2下降（低氧）
      • 刺激中枢化学感受器
        • 动脉血PaCO2升高
  • CO2、H+和低O2对呼吸的调节
    • CO2水平
      • CO2水平是调节呼吸运动最重要的生理性化学因素
        • 当CO2水平降到很低的水平时，可出现呼吸暂停
        • 过度通气导致CO2排出过多，也可以抑制呼吸运动
        • 一定水平的CO2浓度对维持呼吸中枢的活动是必须的
      • 调节途径
        • 动脉血PaCO2升高
          • CO2进入外周化学感受器Ⅰ型细胞
            • 细胞内H+升高
              • 刺激外周化学感受器
        • 动脉血PaCO2升高
          • CO2通过血脑屏障进入脑脊液
            • 脑脊液中局部H+浓度升高
              • 刺激中枢化学感受器（主要作用途径）
      • 中枢化学感受器对血液中CO2变化敏感（升高2mmHg即可刺激），但反应较慢
      • 外周化学感受器对血液中CO2变化不敏感（升高10mmHg才可刺激）反应快，当PaCO2突然增高时起重要作用
      • 陈-施呼吸（Chyne-Stokes breathing）：心力衰竭或脑干损伤的病人，出现呼吸运动减弱和增强交替出现的现象，也可偶见于老年人、新生儿、正常人熟睡
    • H+水平
      • 调节途径
        • 动脉血H+升高
          • H+进入外周化学感受器
            • 刺激外周化学感受器（主要作用途径）
        • 动脉血H+升高
          • H+通过血-脑屏障速度较慢
            • 限制了H+对中枢化学感受器的作用（作用小且慢）
      • 临床表现
        • 动脉血H+升高（酸中毒）
          • 呼吸加深加快，肺通气量增加
        • 动脉血H+降低（碱中毒）
          • 呼吸运动受到抑制，肺通气量减少
    • O2水平
      • 调节途径
        • 动脉血PaO2下降，只能通过刺激外周化学感受器实现
      • 动脉血PaO2下降，使呼吸加深加快，肺通气量增加
        • 通常在PO2下降到80mmHg以下，肺通气量才会出现明显的变化
      • 特殊情况下低氧刺激才有重要意义
        • 严重肺气肿、肺心病患者，由于肺通气和肺换气功能障碍，导致低O2和CO2潴留
        • 长时间的CO2潴留使中枢化学感受器对CO2的刺激发生适应，而外周化学感受器对低O2刺激适应很慢
        • 这种情况下，低氧对外周化学感受器的刺激成为驱动呼吸运动的主要因素
        • 若此时给与病人吸入纯氧治疗，会导致低氧刺激作用被解除，反而引起呼吸暂停
        • 正确的治疗应该是采用持续低流量给氧（＜35%）
• 不同情况下血氧含量、血氧分压、PaCO2变化
  • 血氧含量
    • 包括物理溶解和化学结合，这两部分O2的含量
  • 血氧分压
    • 物理溶解于血液中的O2分子所产生的压力