内容提要
(一)呼吸过程
呼吸是指机体与外界环境之间的气体交换过程,包括三个相互联系的环节:①外呼吸,包括肺与外界环境之间的气体交换过程(肺通气)和肺泡气与肺毛细血管血液之间的气体交换过程(肺换气);②气体在血液中的运输;③内呼吸,指组织毛细血管血液或组织液与组织细胞之间的气体交换过程。
(二)肺通气
1.肺通气的原始动力——呼吸运动(呼吸肌收缩和舒张引起的胸廓节律性扩大与缩小)。
平静呼吸时,吸气是主动过程。吸气结束后膈肌、肋间外肌等吸气肌舒张,胸廓和肺依靠自身的弹性回缩力回位,产生呼气,因此呼气是被动的。用力呼吸时肋间内肌等呼气肌才出现收缩活动,以加速胸廓的缩小,促进呼气。所以用力呼吸时吸气和呼气都是主动过程。
主要由膈肌舒缩引起的呼吸运动伴以腹部的起伏,称为腹式呼吸。由肋间外肌的舒缩使肋骨和胸骨移位而产生胸廓运动,称为胸式呼吸。正常生理状况下,呼吸运动是胸式和腹式的混合型式。
2.肺通气的直接动力——肺内压和大气压差(指混合气体压力差,而不是某种气体的分压差)。肺内压是指肺泡内的压力。生理条件下,呼吸过程中肺内压的周期性变化是由于肺容积的周期性扩大和缩小所致。平静呼吸时肺内压变化幅度较小,一般在1~2mmHg之间;在用力呼吸或气道不够通畅时,肺内压变化的幅度显著增高。在吸气末和呼气末时肺内压等于大气压。人工呼吸就是用人为的方法周期性改变肺内压或外界气压,在肺内压与外界气压之间造成压力差,以维持肺通气。
3.胸内压
胸内压指胸膜腔内的压力。正常情况下,胸内压力总是低于大气压,故称为胸内负压。
(1)胸膜腔是由胸膜壁层与胸膜脏层所围成的密闭的潜在的腔隙,其间仅有少量起润滑作用的浆液,无气体存在。
(2)肺是被动扩张的,扩张的肺组织有回缩的趋势。由于婴儿出生后胸廓比肺的生长快,而胸腔的壁层和脏层又粘在一起,故肺处于被动扩张状态,产生一定的回缩力。胸内压=肺内压-肺回缩力,在吸气末和呼气末,肺内压等于大气压,这时胸内压=大气压-肺回缩力= -肺回缩力,故胸内负压是肺的回缩力造成的。
(3)胸内负压随呼吸产生周期性变化。吸气末回缩力大,胸内负压绝对值大,呼气时,胸内负压绝对值变小。
(4)胸内负压的意义:保持肺的扩张状态;促进血液和淋巴液的回流(导致胸腔内静脉和胸导管扩张)。
4.肺通气阻力
肺通气阻力包括弹性阻力和非弹性阻力,平静呼吸时弹性阻力是主要因素。
(1)弹性阻力指胸廓和肺的弹性回缩力(主要来自肺),其大小常用顺应性表示,顺应性=1/弹性阻力。肺的顺应性可用单位压力的变化引起多少肺容积改变来表示,它与弹性阻力、表面张力成反变关系,肺顺应性大,说明肺的回缩力小,肺易扩张;反之,肺回缩力大,肺不易扩张。在肺充血、肺纤维化时其顺应性降低。肺泡的回缩力来自肺组织的弹力纤维和肺泡的液-气界面形成的表面张力。
肺泡表面活性物质是由肺泡Ⅱ型细胞分泌的脂蛋白混合物,主要成分是二棕搁酰卵磷脂,分布于肺泡液体分子层的表面,即在液-气界面之间。 肺泡表面活性物质的生理意义:降低肺泡表面张力;增加肺的顺应性;维持大小肺泡容积的相对稳定;防止肺不张;防止肺水肿。肺泡表面活性物质缺乏将出现肺泡的表面张力增加,大肺泡破裂小肺泡萎缩,新生儿呼吸窘迫综合征等病变。
(2)非弹性阻力包括气道阻力、惯性阻力和组织的粘滞阻力,其中气道阻力主要受气道管径大小的影响。使气道平滑肌舒张的因素有:跨壁压增大、肺实质的牵引、交感神经兴奋、PGE2、儿茶酚胺类等。 使气道平滑肌收缩的因素有:副交感神经兴奋、组织胺、PGF2、5-HT、过敏原等。平静呼吸时气道阻力主要发生在直径2mm细支气管以上的部位。
5.肺通气功能的评价
(1)潮气量:平静呼吸时,每次吸入或呼出的气量。
(2)余气量:在尽量呼气后,肺内仍保留的气量。
(3)功能余量=余气量+补呼气量。功能余气量对于稳定肺泡内O2和CO2的浓度有重要意义。
(4)肺总容量=潮气量+补吸气量+补呼气量+余气量。
(5)肺活量:最大吸气后,从肺内所能呼出的最大气量。肺活量反映一次通气的最大能力,在一定程度上可作为肺通气功能的指标。
(6)时间肺活量:是指一次最大吸气后,再尽力尽快呼气时,在一定时间内所能呼出的气体量。正常人头3秒分别为83%、96%、99%的肺活量。时间肺活量是一种动态指标,既反映肺活量的大小,又反映呼气时所遇阻力的变化,比肺活量更能反映肺通气状况,故是评价肺通气功能的较好指标。
(7)每分肺通气量:每分种进或出肺的气体总量。每分肺通气量=潮气量×呼吸频率。
(8)钟肺泡通气量:指每分钟吸入肺泡的新鲜空气量。每分钟肺泡通气量=(潮气量-无效腔气量)×呼吸频率。
从气体交换的效果看,深慢呼吸比浅快呼吸有利于气体交换。
评价肺通气功能的常用指标有肺活量、时间肺活量、肺泡通气量等,从气体交换的意义来说,最好的指标是肺泡通气量。因为肺通气的生理意义在于摄入氧气和排出体内的二氧化碳,进入肺内的气体中只有肺泡气能与机体进行气体交换,因此肺通气效果的好坏主要取决于肺泡通气量的大小以及肺泡通气量是否与肺血流相适应,其它评价肺通气的指标都不能直接反映肺通气的效果。
(三)肺换气
肺换气即肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换。
1.结构基础:呼吸膜(肺泡膜)
2.肺换气的动力:气体的分压差。分压是指在混合气体中某一种气体所占的压力。
3.气体的扩散:气体分子从分压高处向分压低处发生净转移,这一过程称为气体扩散。
扩散速率(D)指单位时间内气体扩散的容积。
在肺部,氧气从分压高的肺泡通过呼吸膜扩散到血液,而二氧化碳则从分压高的肺毛细血管血液中扩散到分压低的肺泡中。
肺泡气体、血液气体和组织气体的分压kPa(mmHg)
肺泡气 | 混合静脉血 | 动脉血 | 组织 |
PO2 104 | 40 | 97~100 | 30 |
PCO2 40 | 46 | 40 | 50 |
混合静脉血流经肺毛细血管时,血液PO2是40mmHg,比肺泡气的104mmHg低,肺泡气中O2便顺分压差梯度向肺毛细血管血液扩散,血液的PO2便逐渐上升,最后接近肺泡气的PO2。混合静脉血的PCO2是46mmHg,肺泡的PCO2是40mmHg,故CO2从血液向肺泡扩散,排出体外。交换的结果是静脉血变为动脉血。
5.影响肺换气的因素
(1)呼吸膜的面积和厚度影响肺换气。在肺组织纤维化时,呼吸膜面积减小,厚度增加,将出现肺换气效率降低。凡影响到呼吸膜的病变均将影响肺换气,而呼吸道的病变首先影响的是肺通气,仅当肺通气改变造成肺泡气体分压变化时才影响到肺换气。
(2)气体分子的分子量,溶解度以及分压差也影响肺换气。 O2的分子量小于CO2,肺泡与血液间O2分压差大于CO2分压差,仅从这两方面看,O2的扩散速度比CO2快,但由于CO2在血浆中的溶解度远大于O2(24倍),故综合结果是CO2比O2扩散速度快,所以当肺换气功能不良时,缺O2比CO2潴留明显。
(3)通气/血流比值是影响肺换气的另一重要因素。 通气/血流比值(V/Q)是指每分钟肺泡通气量与每分肺血流量的比值,正常值为0.84左右。V/Q>0.84表示肺通气过度或肺血流量减少,这意味着部分肺泡内气体无法与血液进行气体交换,相当于肺泡无效腔增大。V/Q<0.84表示肺通气不足或血流过剩或两者同时存在,这意味着有部分静脉血无法与肺泡内气体交换即流入肺静脉(动脉血)中,也就是相当于发生了功能性动-静脉短路。
6.肺扩散容量
在单位分压差(1mmHg)的作用下.每分钟通过呼吸膜扩散的气体的毫升数称为肺扩散容量(DL)。DL是衡量呼吸气体通过呼吸膜的能力的—种指标。
(四)组织换气
在组织处,由于细胞有氧代谢,O2被利用并产生CO2,所以PO2可低至30mmHg以下,PCO2可高达50mmHg以上。动脉血流经组织毛细血管时,O2便顺分压差由组织毛细血管血液向细胞扩散,CO2则由细胞内血液扩散,动脉血因失去O2和得到CO2而变成静脉血。
(五)气体在血液中的运输
1.氧和二氧化碳在血液中存在的形式
O2和CO2都以两种形式存在于血液中,即物理溶解和化学结合。
气体在溶液中溶解的量与气体的分压和溶解度成正比,和温度成反比。
2.氧的运输
(1)运输形式
血液中的O2以物理溶解和化学结合两种形式存在。溶解的量极少,仅占血液总O2含量的约1.5%,结合的占 98.5%左右。O2的结合形式是氧合血红蛋白(HbO2)。
(2)Hb与O2结合的特征
血液中的O2主要以氧合Hb(HbO2)形式运输。O2与Hb的结合有以下一些重要特征:
①此反应过程具有反应快、可逆、不需酶的催化和受PO2的影响的特点。
②Fe2+与O2结合后仍是二价铁,所以该反应是氧合,不是氧化。
③1分子Hb可以结合4分子O2。100ml血液中,Hb所能结合的最大O2量称为Hb的氧容量。此值受Hb浓度的影响,而实际结合的O2量称为Hb的氧含量,其值可受PO2的影响。Hb氧含量和氧容量的百分比为Hb氧饱和度。通常情况下,溶解的O2极少,故可忽略不计,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,当体表表浅毛细血管床血液中去氧Hb 含量达5g/100ml血液以上时,皮肤、粘膜呈浅蓝色,称为紫绀。
④Hb与O2的结合或解离曲线呈S形,与Hb的的变构效应有关。
(3)氧解离曲线
氧解离曲线是表示PO2与Hb氧饱和度或血液氧含量的关系曲线,也称为血红蛋白氧解离曲线。该曲线表示不同PO2时,O2与Hb 的结合和解离的情况。
①氧解离曲线的上段:相当于PO27.98~13.3kPa(60~100mmHg),即PO2较高的水平,可以认为是Hb与O2结合的部分。这段曲线较平坦,表明PO2的变化对Hb氧饱和度影响不大。
②氧解离曲线的中段:该段曲线较陡,相当于PO25.32~7.98kPa(40~60mmHg),是HbO2释放O2的部分。血液流经组织液时释放出的O2容积所占动脉血O2含量的百分数称为O2的利用系数,安静时为25%左右。
③氧解离曲线的下段:相当于PO22~5.32kPa(15~40mmHg),也是HbO2与O2解离的部分,是曲线坡度最陡的一段,意即PO2稍降,HbO2就可大大下降。在组织活动加强时,O2的利用系数提高到75%,是安静时的3倍。可见该段曲线代表O2贮备。
(4)影响氧解离曲线的因素
通常用P50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3.52 kPa(26.5mmHg)。P50增大,表明Hb对O2的亲和力降低,需更高的PO2才能达到50%的Hb氧饱和度,曲线右移;P50降低,示Hb对O2的亲和力增加,达50%Hb氧饱和度所需的PO2降低,曲线左移。影响Hb与O2亲和力或P50的因素主要有[H+]、PCO2、温度、红细胞内2,3-DPG 水平等。以上因素水平增高,P50增大,氧离曲线右移;反之P50减小,氧离曲线左移。另外,还有一氧化碳和血红蛋白的质和量等因素也可影响氧离曲线。
3.二氧化碳的运输
(1)CO2的运输形式:也以物理溶解和化学结合两种形式运输。化学结合的CO2主要是碳酸氢盐和氨基甲酸血红蛋白。溶解的CO2约占总运输量的5%,结合的占95%(碳酸氢盐形式的占88%,氨基甲酸血红蛋白形式占7%)。
①碳酸氢盐
②氨基甲酸血红蛋白
(2)CO2解离曲线:是表示血液中CO2含量与PCO2关系的曲线。与氧离曲线不同,血液CO2含量随PCO2上升而增加,几乎成线性关系而不是S形,而且没有饱和点。
(3)氧与Hb的CO2运输的影响
O2与Hb结合将促使CO2释放,这一效应称作何尔登效应。
(六)呼吸中枢及呼吸节律的形式
1.呼吸中枢是指中枢神经系统内产生和调节呼吸运动的神经细胞群,分布在大脑皮层、间脑、脑桥、延髓、脊髓等部位。呼吸运动的基本调节中枢在脑桥和延髓呼吸中枢。 基本呼吸节律产生于延髓,延髓是自主呼吸的最基本中枢。
2.呼吸节律形成的假说——吸气切断机制
引起吸气向呼气转化的信息来自三个方面:①吸气神经元;②呼吸调整中枢的纤维投射;③肺牵张感受器兴奋经传入神经将信息传至吸气切断机制。
(七)呼吸的反射性调节
1.肺牵张反射(黑-伯反射):肺牵张反射包括肺扩张时抑制吸气的肺扩张反射和肺缩小时引起吸气的肺缩小反射。平静呼吸时,这两种反射都不参与人的呼吸调节,仅在病理情况下发挥作用。其感受器位于气管和支气管平滑肌内,是牵张感受器,传入纤维是通过迷走神经粗纤维进入延髓。
2.化学因素对呼吸的调节
(1)调节呼吸的化学因素:动脉血或脑脊液中的O2、CO2、H+。
(2)中枢化学感受器与外周化学感受器的异同点:
| 位置 | 感受细胞 | 感受刺激 |
中枢感受器 | 延髓腹外侧浅表部位 | 神经细胞 | 脑脊液和局部细胞外液的 [H+]↑(pH↓)↑ |
外周感受器 | 颈动脉体和主动脉体 | Ⅰ型细胞 | 动脉血的[H+]↑、PCO2↑、PO2↓ |
(3)CO2对呼吸的调节:CO2对呼吸有很强的刺激作用,一定水平的PCO2对维持呼吸中枢的兴奋性是必要的。CO2通过刺激中枢和外周化学感受器,使呼吸加深加快,其中刺激中枢化学感受器是主要途径。CO2是调节呼吸的最重要的生理性体液因子,因为血中CO2变化既可直接作用于外周感受器,又可以增高脊液中H+浓度作用于中枢感受器;而血中H+主要作用于外周感受器,H+通过血脑屏障进入脑脊液比较缓慢;O2含量变化不能刺激中枢化学感受器,同时低O2对中枢则是抑制作用。
(4)H+对呼吸的调节:血液中[H+]升高通过刺激中枢和外周化学感受器,使呼吸加强。H+主要作用于外周感受器,H+通过血脑屏障进入脑脊液比较缓慢,而中枢感受器的有效刺激是脑脊液中的H+。
(5)低O2对呼吸的调节:O2含量变化不能刺激中枢化学感受器,PO2降低兴奋外周化学感受器而兴奋呼吸中枢使呼吸加强,对呼吸中枢则是直接抑制作用。