呼吸生理学基础

肺的主要功能（尽管并非唯一功能）是确保正常的气体交换。外呼吸是指大气与肺毛细血管中血液进行气体交换的过程，其结果是血液成分动脉化：氧气压力升高，二氧化碳压力降低。气体交换强度主要由外呼吸系统提供的三种病理生理机制（肺通气、肺血流量、气体通过肺泡毛细血管膜的扩散）决定。

肺通气

肺通气量由以下因素决定（AP Zilber）：

1. 机械通气装置，主要依靠呼吸肌的活动、其神经调节和胸壁的活动性；
2. 肺组织和胸部的弹性和扩张性；
3. 气道通畅；
4. 肺内空气分布及其与肺不同部位血流的对应关系。

当上述一个或多个因素受到干扰时，可能会出现临床上显著的通气障碍，表现为几种类型的通气呼吸衰竭。

在呼吸肌中，横膈膜起着最重要的作用。它的主动收缩导致胸腔内和胸膜内压力下降，使其低于大气压，从而产生吸气。

吸气是通过呼吸肌（膈肌）的主动收缩来完成的，而呼气则主要由于肺本身和胸壁的弹性拉力，产生呼气压力梯度，在生理条件下足以将空气通过气道排出。

当需要增加通气量时，外肋间肌、斜角肌和胸锁乳突肌（额外的吸气肌）会收缩，这也会导致胸腔容积增加，胸腔内压降低，从而有利于吸气。额外的呼气肌被认为是腹前壁的肌肉（外斜肌、内斜肌、直肌和横肌）。

肺组织和胸壁的弹性

肺的弹性。吸气（进入肺部）和呼气（离开肺部）时气流的运动取决于大气与肺泡之间的压力梯度，即所谓的经胸压（P _tr / _t）：

Рtr/t = Рalv Рatm_其中Рalv_是肺泡压力，Рatm_是大气压力。

吸气时，P _alv和 P _tr/t为负值，呼气时，P alv 和 P tr/t 为正值。吸气末期和呼气末期，当空气不再沿气道流动且声门开放时，P _alv等于 P _atm。

_{而 P alv}的水平又取决于胸膜内压 (P _pl )的值和所谓的肺弹性回缩压 (P _el )：

弹性回缩压是由肺弹性实质产生并直接进入肺部的压力。肺组织的弹性越高，吸气时肺扩张所需的胸膜内压下降幅度就越大，因此吸气呼吸肌的主动做功也就越大。高弹性会加速呼气时肺的塌陷。

另一个重要指标是肺组织弹性的倒数——肺顺应性迟钝，它衡量的是肺在伸直时顺应性的大小。肺的顺应性（以及弹性回缩压力的大小）受多种因素影响：

1. 肺容量：低容量时（例如吸气初期），肺的弹性较大。高容量时（例如最大吸气高峰时），肺顺应性急剧下降，直至为零。
2. 肺组织中弹性结构（弹性蛋白和胶原蛋白）的含量。肺气肿的特征是肺组织弹性降低，同时伴有肺延展性增加（弹性回缩压力降低）。
3. 由于炎症（肺炎）或血流动力学（肺部血液停滞）水肿导致肺泡壁增厚，以及肺组织纤维化，显著降低肺的延展性（顺应性）。
4. 肺泡内的表面张力。它们产生于气体和液体的界面，该界面在肺泡内部形成一层薄膜，并倾向于减少该表面的面积，从而在肺泡内形成正压。因此，表面张力与肺的弹性结构相结合，确保呼气时肺泡有效塌陷，同时防止吸气时肺的伸直（拉伸）。

肺泡内表面的表面活性剂是一种可以降低表面张力的物质。

表面活性剂的活性越高，其密度就越大。因此，在吸气过程中，当表面活性剂的密度降低，从而活性降低时，表面张力（即倾向于减少肺泡表面的力）就会增加，这会导致呼气时肺组织塌陷。呼气结束时，表面活性剂的密度和活性会增加，表面张力就会降低。

因此，在呼气结束后，当表面活性剂的活性最大并且阻止肺泡伸直的表面张力最小时，随后在吸气过程中伸直肺泡所需的能量消耗较少。

表面活性剂最重要的生理功能是：

• 由于表面张力降低而增加肺顺应性；
• 减少呼气时肺泡塌陷的可能性，因为在肺容量较低时（呼气结束时），肺泡的活动最大，而表面张力最小；
• 阻止空气从较小的肺泡重新分配到较大的肺泡（根据拉普拉斯定律）。

在伴有表面活性物质缺乏的疾病中，肺僵硬性增加，肺泡塌陷（肺不张发展），并发生呼吸衰竭。

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胸壁塑性回缩

胸壁的弹性特性对肺通气的性质也有很大的影响，它取决于骨骼系统、肋间肌、软组织和壁层胸膜的状态。

在胸腔和肺容积最小（最大呼气时）以及吸气初期，胸壁的弹性回缩力向外，形成负压，促进肺扩张。随着吸气时肺容积的增加，胸壁的弹性回缩力减小。当肺容积达到VC值的约60%时，胸壁的弹性回缩力减小至零，即与大气压水平相当。随着肺容积的进一步增加，胸壁的弹性回缩力向内，形成正压，并在随后的呼气过程中促进肺塌陷。

某些疾病会伴有胸壁僵硬增加，从而影响胸部伸展（吸气时）和塌陷（呼气时）的能力。此类疾病包括肥胖症、脊柱后侧凸、肺气肿、大块粘连、纤维胸等。

气道通畅和黏液纤毛清除

气道的通畅很大程度上取决于气管支气管分泌物的正常引流，这首先由粘膜纤毛清除机制的功能和正常的咳嗽反射来保证。

黏膜纤毛器的保护功能取决于纤毛上皮和分泌上皮的充分和协调功能，纤毛上皮和分泌上皮的分泌薄膜沿着支气管黏膜表面移动，并清除异物。支气管分泌物的移动是由于纤毛向头部方向快速摆动，向反方向缓慢回动所致。纤毛摆动频率为每分钟1000-1200次，这确保支气管黏液在支气管内以0.3-1.0厘米/分钟的速度移动，在气管内以2-3厘米/分钟的速度移动。

还应记住，支气管黏液由两层组成：下层为液体层（溶胶），上层为粘弹性凝胶，纤毛尖端触及凝胶。纤毛上皮的功能很大程度上取决于凝胶层和凝胶层厚度的比例：凝胶层厚度增加或溶胶层厚度减少，都会导致纤毛清除黏液的效率降低。

在呼吸性细支气管和肺泡的水平，粘膜纤毛器起作用。在这里，清洁是在咳嗽反射和细胞吞噬作用的帮助下进行的。

当支气管受到炎症损伤，尤其是慢性炎症时，上皮会在形态和功能上重建，从而导致粘膜纤毛功能不全（粘膜纤毛装置的保护功能下降）和痰液在支气管腔内积聚。

在病理条件下，气道的通畅不仅取决于粘膜纤毛清除机制的功能，而且还取决于支气管痉挛，粘膜炎性水肿和小支气管的早期呼气关闭（塌陷）现象的存在。

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支气管管腔的调节

支气管平滑肌的张力由与刺激支气管多种特定受体相关的几种机制决定：

1. 胆碱能（副交感神经）效应是由于神经递质乙酰胆碱与特定的毒蕈碱型M胆碱受体相互作用而产生的。这种相互作用会导致支气管痉挛。
2. 与血管和心肌等平滑肌相比，人类支气管平滑肌的交感神经支配程度较低。交感神经对支气管的影响主要源于循环中肾上腺素对β2-肾上腺素能受体的作用，该受体可导致平滑肌松弛。
3. 平滑肌张力也受到所谓的“非肾上腺素能、非胆碱能”神经系统 (NANC) 的影响。该系统的纤维作为迷走神经的一部分，释放几种特定的神经递质，这些递质与支气管平滑肌的相应受体相互作用。其中最重要的是：
   • 血管活性肠肽(VIP)；
   • 物质 R。

VIP受体的刺激可导致明显的舒张，而β受体的刺激则可导致支气管平滑肌的收缩。NANH系统的神经元被认为对气道管腔的调节具有最大的影响（KK Murray）。

此外，支气管中含有大量与各种生物活性物质相互作用的受体，包括炎症介质——组胺、缓激肽、白三烯、前列腺素、血小板活化因子（PAF）、血清素、腺苷等。

支气管平滑肌的张力受多种神经体液机制调节：

1. 刺激可导致支气管扩张：
   • β2-肾上腺素受体肾上腺素；
   • 血管活性肠多肽与VIP受体（NANH系统）作用。
2. 支气管管腔在受到以下刺激时会变窄：
   • M-胆碱受体乙酰胆碱；
   • P 物质受体（NANH 系统）；
   • α-肾上腺素受体（例如，阻断或降低β2-肾上腺素受体的敏感性）。

肺内气体分布及其与血流的对应关系

正常情况下存在的肺部通气不均匀首先是由肺组织机械特性的异质性决定的。肺底部通气最活跃，肺上部通气较少。肺泡弹性特性的改变（尤其是在肺气肿中）或支气管通畅性受损会显著加剧通气不均匀，增加生理死腔，并降低通气效率。

气体扩散

气体通过肺泡毛细血管膜的扩散过程取决于

1. 来自膜两侧（肺泡空气和肺毛细血管中）气体分压的梯度；
2. 来自肺泡毛细血管膜的厚度；
3. 来自肺内扩散区的总表面。

健康人肺泡气中氧分压 (PO2) 通常为 100 毫米汞柱，静脉血中为 40 毫米汞柱。静脉血中二氧化碳分压 (PCO2) 为 46 毫米汞柱，肺泡气中为 40 毫米汞柱。因此，氧气的压力梯度为 60 毫米汞柱，二氧化碳的压力梯度仅为 6 毫米汞柱。然而，二氧化碳通过肺泡毛细血管膜的扩散速度约为氧气的 20 倍。因此，尽管肺泡和毛细血管之间的压力梯度相对较低，但肺部的二氧化碳交换仍然相当充分。

肺泡毛细血管膜由覆盖肺泡内表面的表面活性层、肺泡膜、间质空间、肺毛细血管膜、血浆和红细胞膜组成。肺泡毛细血管膜的上述任何组成部分的损伤都会导致气体扩散显著困难。因此，在疾病中，肺泡气和毛细血管中的O2和CO2分压值可能会发生显著变化。

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肺血流量

肺内有两个循环系统：支气管血流（体循环的一部分）和肺血流本身，或称肺循环。无论在生理还是病理情况下，它们之间都存在吻合。

肺血流功能性地位于心脏左右两半之间。肺血流的驱动力是右心室和左心房之间的压力梯度（通常约为 8 毫米汞柱）。缺氧且二氧化碳饱和的静脉血通过动脉进入肺毛细血管。由于肺泡中的气体扩散，血液中氧气饱和，二氧化碳被清除，从而形成动脉血，经静脉从肺部流向左心房。实际应用中，这些数值可能会出现显著波动。动脉血 PaO2 水平尤其如此，通常约为 95 毫米汞柱。

在呼吸肌功能正常、气道通畅、肺组织弹性变化不大的情况下，肺部的气体交换水平取决于肺部的血液灌注率和肺泡毛细血管膜的状态，气体在氧气和二氧化碳分压梯度的影响下通过肺泡毛细血管膜进行扩散。

通气-灌注关系

肺内气体交换的水平，除了取决于肺通气和气体弥散的强度外，还取决于通气血流灌注比（V/Q）。正常情况下，吸入空气中氧浓度为21%，在正常大气压下，V/Q比值为0.8。

在其他条件相同的情况下，动脉血氧下降可能由两个原因引起：

• 当V/Q < 0.8-1.0时，肺通气量减少，但血流量保持相同水平；
• 血流量减少，但肺泡通气量保留（V/Q > 1.0）。