【通气功能及其障碍】
1.肺容量及其组成
（1）肺容积（lung volume）和肺容量（lung capacity）
肺容积反映外呼吸的空间，不仅具有静态解剖意义，反映肺和胸廓扩张的程度，亦为动态呼吸活动提供基础。肺容积是不能分割的最小单位，而肺容量包括两个或两个以上肺容积（图1-4-1所示），它们各自具有不同的生理和临床意义。
图1-4-1 肺总量及其组成
①潮气量（tidal volume，TV）：平静呼吸时，每次吸入或呼出的气量为潮气量。成人静息状态的潮气量约为500 mL。
②吸气量（inspiratory capacity，IC）、补呼气量（expiratory reserve volume，ERV）、肺活量（vital capacity，VC）和补吸气量（inspiratory reserve volume，IRV）：IC和ERV分别为平静呼气末做深吸气所能吸入或平静呼气末做深呼气所能呼出的最大气量。而VC为深吸气末再做呼气的最大呼气量，即为IC与ERV之和，前者占75%，后者占25%。IRV为潮气量吸气末所能吸入的最大气量，IRV与TV相加即为IC。IC、ERV、IRV和VC的大小均与体表面积、性别、年龄、胸廓结构和肺的弹性以及呼吸肌强度有关，亦受职业、体力锻炼等因素影响。动态测定VC，其变化可反映肺的生理和病理生理变化。评估肺活量以实测值占预计值百分数来表示，如低于预计值的80%，定为异常。
③残气量（residual volume，RV）和功能残气量（functional residual capacity，FRC）：RV和FRC分别为深呼气末和平静呼气末肺内剩留的气量，后者为ERV和RV之和。为排除体表面积对残气的影响，将百分比作为肺泡内气体滞留的指标。
RV/TLC的百分比和FRC/TLC的百分比随年龄增长和肺弹性减退而递增。功能残气能使肺气体交换连续进行，对稳定肺泡气体浓度具有缓冲作用，其多少取决于胸廓与肺组织的弹性平衡。严重阻塞性肺气肿因肺弹性下降，加上呼气末的陷闭气量，使FRC/TLC的百分比增加，若超过胸廓的自然位置的67%，则患者吸气时除需克服肺弹性回缩力外，还要克服胸廓的弹性回缩力，使呼吸功增加，患者感觉气急和呼吸劳累。
④肺总量（totallung capacity，TLC）：TLC为深吸气后肺内所含的气量，即各部分肺容积的总和。哮喘发作和阻塞性肺气肿，RV/TLC的百分比显著增加。但前者经支气管扩张剂治疗，支气管痉挛解除后，RV/TLC的百分比可恢复，而后者则不能。
（2）常用通气功能测定指标
胸廓扩张和收缩改变肺容量而产生通气（ventilation），测定单位时间内吸入或呼出的气量称为通气量。
①每分钟静息通气量（mimute ventilation，MV）和肺泡通气量（alveolar ventilation）：基础代谢测得的MV为潮气量与呼吸频率的乘积。而肺泡通气量（或称有效通气量）为潮气量减去生理无效腔（解剖无效腔+肺泡气无效腔）与呼吸频率的乘积。虽然深而慢（TV 500 mL、f12次/分）与浅而快（TV250 mL、f24次/分）的MV均为6000 mL，但它们的肺泡通气量分别为4200 mL和2400 mL，说明深而慢的呼吸通气效率高。肺泡通气量与肺泡二氧化碳密切相关，临床上以肺泡二氧化碳或动脉血二氧化碳分压（PaCO2）作为衡量肺泡通气量的指标。
②最大通气量（maximum breathing capacity，MBC）：以最大努力所能取得的每分通气量，称为最大通气量。它能反映机体的通气储备能力，其大小取决于胸廓的完整性和呼吸肌的力量、肺的弹性和呼吸道的阻力，其中以气道阻力影响最大。最大通气量随年龄、性别、体表面积而异，故通常先计算出最大通气量预计值，再计算实测值占预计值的百分数，若降低20%以上可认为不正常。
气速指数为最大通气量占预计值百分数与肺活量占预计值百分数的比值。在限制性通气功能障碍时，因气道通畅，肺活量的减少比最大通气量的减少更为明显，故气速指数大于1；相反阻塞性通气障碍则小于1。但应指出，比值与1的差值应大于15%才有临床意义。
③用力肺活量（forced vital capacity，FVC）：深吸气后，以最大的力量所呼出的气量。在1 s、2 s、3 s内所呼出的气量称1 s、2 s、3 s用力呼气容积。临床常用1 s用力呼气容积占用力肺活量比值（FEV1）又称1秒率来考核通气功能损害的程度和鉴别阻塞性与限制性通气功能障碍，FEV1百分比参照值为80%。
最大呼气中段流量（maximal mid-expiratory flow rate，MMFR）：是测定用力肺活量的25%和75%之间的流量。用力呼气开始25%呼气容积的流量与用力有关，且不易掌握，弃去不用。呼气容积在最后25%流量因肺容积减小、肺组织弹性回缩力减低、支气管口径狭窄而减低，亦不予考虑。MMFR的意义与最大通气量和用力肺活量相当，但其灵敏度较高。
（3）间接反映通气功能的测定指标
①最大呼气流量-容积曲线（maximal expiratory flow-volume curves，MEFV）：在肺活量测定时，将呼出的流量为纵轴，与相对应的呼出容积为横轴，描记成流量-容积曲线。在肺容量大于75%肺活量时最大呼气流量随呼气肌用力增加而增多；而在低肺容量即小于50%肺活量的最大呼气流量，因肺组织对小气道管腔牵引力减弱，加上胸膜腔内压对小气道管壁的挤压使管腔变细，气道阻力增加，呼气流量受限制，很少出现用力依赖，重现性好。所以低容积的最大呼气流量如50%以及25%肺活量的最大呼气流量（Vmax50，Vmax 25，）是反映小气道病变的较好指标。阻塞性与限制性通气功能障碍在MEFV描图上亦显示显著差别，如图1-4-2所示。
图1-4-2 不同类型通气功能障碍患者流量-容积曲线描图
最大呼气或吸气流量-容积曲线测定对大气道阻塞有重要诊断价值。管腔狭窄固定在大气道（在胸腔内或外），吸气和呼气最大流量均减少，其高峰流量段呈平坦，表现为梯形的流量-容积描图；不固定的气管狭窄在胸外，呼气时气道不受胸膜腔内压影响，测流量容积环无明显改变，而吸气时，由于大气压大于气管内压，吸气最大流量受限制，出现吸气平坦的流量容积环；不固定的气管狭窄位于胸腔内，因受胸腔内压改变的影响，吸气时，胸腔负压增加，扩张阻塞管腔的阻力减小，吸气流量容积环无明显异常，而呼气时，因胸膜腔内压增加，挤压阻塞管腔，出现平坦的呼气高峰段。
②口腔闭合压（P0.1）：在阻断气流后，测定吸气开始0.1 s时的口腔压力为呼吸中枢驱动的简便易行的非创伤性指标，间接反映通气功能。由于气流阻断，吸气流量为零，且无容量变化，因此不受气道阻力和胸肺顺应性的影响，它与膈肌活动相关。参照值（1.52±0.51）cmH2O。呼吸中枢驱动和神经肌肉疾患可引起P0.1低下，导致通气不足。在慢性阻塞性肺疾病缺O2和CO2潴留患者，刺激呼吸中枢使P0.1升高，但其对缺O2和CO2潴留的敏感性和反应性比健康人差。
③最大吸气压（maximum inspiratory pressure，MIP）和最大呼气压（maximum expiratory pressure，MEP）：呼吸肌疲劳会导致呼吸肌衰竭，又称呼吸泵衰竭。随访患者的MIP和MEP可客观反映呼吸肌力量，间接评价通气功能。MIP为最大呼气后用力吸气时所测得的最大压力；MEP为吸气至肺总量时，用力呼气所产生的最大压力。男性参照值：MIP=143-0.55×年龄（cmH2O）。女性参照值：MIP=104-0.51×年龄（cmH2O）。慢阻肺肺心病患者，其膈肌因长期缺O2而变薄，肺容量增加，使膈肌低平，曲率半径增大，膈肌收缩力下降，呼吸肌收缩产生的压力不能克服气道阻力和胸肺弹性阻力来维持足够通气量。当MIP＜-30 cmH2O，预示撤离呼吸机可能成功，而MIP＞-30 cmH2O，预示撤机失败。通过呼吸肌锻炼和营养治疗，MIP可明显增加，故MIP亦可用于评价呼吸康复锻炼的疗效。
2.通气功能障碍的类型(https://www.daowen.com)
根据肺容量和通气功能测定，通气功能障碍分为阻塞性、限制性以及两者兼具的混合性三类。阻塞性通气由轻到重的过程中，先为FEV1/FVC的降低，随之FEV1呈线性减少。中度阻塞者因气道陷闭导致残气增加和FVC减少。肺气肿时，TLC明显增加伴弥散量减少；单纯性限制性通气功能障碍，则肺的所有容积均减少，FEV1/FVC增加；混合性通气障碍者如肺气肿伴轻度充血性心力衰竭，或肥胖伴支气管哮喘，其肺活量减少的同时有阻塞性通气的改变，FEV1/FVC降低。不同通气功能障碍类型的变化如图1-4-3所示。
图1-4-3 大气道不同阻塞情况下的最大吸气和呼气流量-容积曲线描图
其中以FEV1百分比最具特异性，在用力肺活量描图上亦显示两种不同类型通气障碍的典型改变（图1-4-4）。用力肺活量测得阻塞性通气障碍时应同时进行支气管扩张试验，即测定吸入支气管扩张剂后气道阻塞的可复性，其FEV1百分比改善率为用药后测得的FEV1减去用药前测得的FEV1的数值除以用药前的FVC的百分数。若FEV1百分比增加12%以上可判断为阳性，支气管哮喘患者改善率一般超过20%。相反，支气管激发试验（气道反应性测验）是吸入组胺或醋甲胆碱等支气管收缩剂，使FEV1减少20%的最小浓度，称Pc20，它有助于非典型性或隐性哮喘的诊断。
图1-4-4 用力肺活量描图
阻塞性通气功能障碍缘于气道不通畅和肺弹性减退。临床上见于慢性支气管炎、支气管哮喘和阻塞性肺气肿。呼吸形式趋于缓慢，尤其是呼气延长。限制性通气障碍是由于胸廓或肺扩张受限，见于胸廓畸形、胸腔积液、胸膜增厚、肥胖、腹腔肿瘤或腹腔积液以及妊娠所致膈肌抬高、肺纤维化、肺水肿、肺炎等疾病或状态。严重限制性通气障碍患者因气道并无阻塞而呈浅速呼吸形式。
3.呼吸动力
呼吸活动做功，呼吸肌收缩必须克服呼吸器官弹性和非弹性阻力。阻力按物理性质不同可分为弹性阻力、黏性阻力和惯性阻力，它们之和为呼吸阻抗。平静呼吸时，克服弹性阻力和非弹性阻力做功分别为80%和20%。
（1）顺应性（compliance）：呼吸器官系弹性物体，以顺应性来表示，在单位压力作用下，所能改变的肺容积包括肺顺应性、胸壁顺应性和胸肺总顺应性。
肺顺应性（CL）=肺容积改变/经肺压
胸壁顺应性（Ccw）=肺容积改变/经胸壁压
胸肺总顺应性（CRS）=肺容积改变/经胸廓压（经肺压+经胸壁压）
肺顺应性是指肺扩张性，以L/cmH2O为单位。肺弹性阻力为肺顺应性的倒数（1/C），又称为肺硬度，以扩大单位肺容积时所引起的经肺压变化来表示。
肺顺应性的特点是S形，在较小和较大肺容量时较平坦，在中等肺容量时陡直，曲线斜率越大，顺应性越大。平静呼吸时，肺容量处于曲线中段，此时顺应性最大，所以呼吸最省力。小容量下，由于部分小气道和肺泡的陷闭，以及肺表面张力作用使曲线平坦。成人比小儿的肺顺应性大，为排除肺容量的影响，将肺顺应性除以功能残气量，称为比顺应性，成人与小儿的肺弹性相差不多，但随年龄的增长而减低。
图1-4-5显示出各种疾病的肺压力容积曲线特点，从中可见支气管哮喘发作时，由于功能残气明显增加，使整个静态P-V曲线平行移位至较高的肺容量水平，但肺顺应性尚接近健康者。而肺气肿由于肺泡壁破坏，弹力组织减少，静态顺应性显著增加，对支气管环牵引力减弱，致支气管易塌陷或闭合，出现动态顺应性减低。在肺水肿、肺纤维化和ARDS中，肺顺应性均有不同程度的降低。肺水肿和ARDS因肺泡间质水肿和肺表面活性物质减少，导致肺泡陷闭，出现P-V曲线明显低位平坦而影响换气功能。在机械通气时，测定P-V曲线的低位拐点，能协助确定最佳呼气末正压（PEEP）水平，以利改善氧合功能。
图1-4-5 各种疾病的肺压力容积曲线描图
（2）气道阻力：通常呼吸阻力称黏性阻力，包括气道阻力、肺组织阻力和胸壁阻力，又称呼吸总阻力，但其主要反映的是气道阻力，它以单位流量所需要的压力差表示。可用公式表示：
气道阻力大小取决于气道管径大小、气流形态、流量、气体特性（密度、黏度）等。若管径大，管壁光滑，气流形态平直，则阻力小；反之，管径狭小，曲折，内壁粗糙，流量大，气流呈涡流，则阻力大。
流量可通过流量仪测定，但压力差测定较困难，现有阻断法、食管测压法、体描法和脉冲振荡法四种。近十年来，脉冲振荡技术（IOS）应用日趋广泛。它基于强迫振荡原理，传统的气道阻力测定是根据被测者自主呼吸的压力和流量比值来决定的。脉冲振荡技术采用外置发生器，由电控扬声器产生无数次频率正弦波形成的脉冲式矩形波施加在被测者的平静自主呼吸上，通过口腔压力脉冲的变化计算呼吸阻抗，即指整个呼吸系统的黏性阻力、弹性阻力和惯性阻力，后两者之和为电抗。
由于外加脉冲的频率低，波长长，能量大，振荡波能达到全肺各部分，所以低频率（5 Hz）的R5能反映总气道阻力；而高频率，波长短，能量少，振荡波不能达到细小的支气管，故R20反映中心气道阻力。R5和R20的差值（X）反映周围气道阻力。低频率时的惯性阻力甚小，电抗主要反映弹性阻力，故X5为周边弹性阻力，弹性阻力X从负值到零，而惯性阻力X从零到正值，当弹性阻力等于惯性阻力，则电抗为零（X=0），被称为响应频率。
IOS测定的R5值与体描仪测得的气道阻力（Raw）有很好的相关性，所以R5可替代Raw。在慢性阻塞性肺疾病和哮喘患者中，所测得的Fres、R5和X5值与用力呼气流量容积曲线参数相关性密切，而Fres与FEV1和Vmax相关性最密切，故Fres是IOS参数中诊断慢性阻塞性肺疾病和哮喘最为敏感的指标。R5还可替代FEV1了解支气管扩张剂的反应，由于作用力呼气会增加支气管平滑肌紧张性，R5比FEV1更有其优越性，并提示1/R5总气道传导率是评价支气管激发试验的一个可靠的指标，其敏感性介于气道阻力和FEV1两者之间。上气道阻塞（喉癌、气管肿瘤、气管异物等）患者的R20增加，而R5-R20无明显变化，表明阻塞部位在中心气道，X曲线呈特征性弓背向上弧形。而在气道外肿物患者的IOS测定发现R5、X5无变化，R20至R35和X20增加。IOS测定能判断气道阻塞部位、程度与治疗效果，为患者选择合适的治疗提供客观依据。ARDS患者支气管有明显水肿和肺水肿，通过IOS测定其气道阻力和肺顺应性变化的动态随访，可了解ARDS患者的病情进展情况。
IOS肺功能仪由于体积小，便于携带，不需患者用力呼吸，有较好的重复性，还可连接气道不同开口（如口、鼻气管插管等）进行床旁监测。因此IOS可适用于儿童、老人、病情重或昏迷的人工气道患者的呼吸阻抗测定。