一、肺通气

一、肺通气

肺与外界环境之间的气体交换过程，称为肺通气。气体进出肺是通过推动气体流动的动力，克服阻止气体流动的阻力来实现的，肺泡与外界环境之间的压力差，是实现肺通气的动力。完成肺通气的器官包括呼吸道、肺和胸廓、呼吸肌等。

（一）肺通气的动力

气体会沿压力梯度进行扩散。因此，肺泡与大气之间的压力差是实现肺通气的直接动力。肺内压大于大气压时，气体出肺，产生呼气；肺内压小于大气压时，气体进肺，产生吸气。一般情况下大气压是固定的，那可变的只有肺内压，而肺内压的变化主要由呼吸肌舒缩引起胸廓的节律性运动，即由呼吸运动引起。可见，呼吸肌收缩和舒张引起的节律性呼吸运动是实现肺通气的原动力。

1.呼吸运动　呼吸肌收缩和舒张引起的胸廓节律性扩大和缩小称为呼吸运动，包括吸气运动和呼气运动。主要的吸气肌为膈肌和肋间外肌，使胸廓扩大；主要的呼气肌为肋间内肌和腹肌，使胸廓缩小；此外，还有一些辅助呼吸肌，如斜角肌、胸锁乳突肌等。

呼吸运动的过程如下。平静呼吸时，吸气运动主要由膈肌和肋间外肌的收缩实现。当膈肌收缩时，向上隆起的膈肌顶下降，增大了胸腔的上下径。当肋间外肌收缩时，肋骨和胸骨上举，胸腔前后径和左右径均增大，引起胸腔和肺的容积增大。肺内压下降低于大气压时，外界气体进入肺内，这就是吸气的过程。呼气运动时膈肌和肋间外肌均舒张，胸廓和肺依靠其自身的回缩力而回位，从而引起胸腔和肺的容积减小。肺内压上升高于大气压时，肺内气体被排出，也就是呼气过程。所以，平静呼吸时，吸气运动是主动的，呼气运动是被动的。

用力吸气时，除膈肌和肋间外肌收缩外，斜角肌、胸锁乳突肌等辅助肌也参与收缩，使胸腔容积和肺容积进一步扩大，肺内压与大气压差值变大，因此能吸入更多的气体。用力呼气时，除吸气肌舒张外，还有呼气肌参与收缩，由于肋间内肌的走行方向与肋间外肌相反，收缩时使肋骨和胸骨下移，使胸腔的前后径进一步缩小，呼气运动增强，排出更多的气体；腹肌收缩可压迫腹腔器官，推动膈肌上移，同时也牵拉下部肋骨向下向内移位，从而使胸腔容积缩小，协助呼气。

呼吸运动的形式按参与的主要肌群不同，可分为腹式呼吸和胸式呼吸。膈肌的收缩和舒张可引起腹腔内器官位移，造成腹部起伏，这种以膈肌舒缩活动为主引起腹部明显起伏的呼吸运动称为腹式呼吸。肋间外肌收缩和舒张时主要表现为胸部的起伏，因此，以肋间外肌舒缩活动为主引起胸部明显起伏的呼吸运动称为胸式呼吸。一般情况下，呼吸运动是腹式和胸式混合式呼吸，只有在胸部或腹部活动受限时才会出现某种单一的呼吸形式，婴儿常以腹式呼吸为主，妊娠晚期妇女常以胸式呼吸为主。另外，呼吸运动按其深度又可分为平静呼吸和用力呼吸。安静状态下的呼吸运动称为平静呼吸，其特点是呼吸运动较平稳均匀，吸气是主动的，呼气是被动的，呼吸频率为每分钟12～18次。当机体劳动或运动时，或者当吸入气中CO2含量增加或O2含量减少时，呼吸运动将加深、加快，称为用力呼吸或深呼吸，此时不仅参与收缩的吸气肌数量更多，收缩力更强，而且呼气肌也参与收缩。在缺O2或CO2增多较严重的情况下，会出现呼吸困难。这时，不仅呼吸大大加深，而且还可出现鼻翼扇动，同时还会产生胸部压迫的感觉。

2.呼吸过程中肺内压的变化　肺泡内的压力称为肺内压。吸气时，肺的容积增大，肺内压下降，低于大气压，外界的空气在肺内压与大气压之差的推动下进入肺泡。随着肺内气体逐渐增加，肺内压也逐渐升高，至吸气末，肺内压升高到与大气压相等。在呼气时，肺的容积减小，肺内压升高并超过大气压，气体由肺内流出，肺内气体逐渐减少，肺内压逐渐下降，至呼气末，肺内压又降到与大气压相等。

呼吸过程中肺内压变化的程度，视呼吸运动的缓急、深浅和呼吸道是否通畅而定。若呼吸浅慢，呼吸道通畅，则肺内压变化较小；若呼吸深快，呼吸道不够通畅，则肺内压变化较大。平静呼吸时，呼吸运动和缓，肺容积的变化较小，吸气时，肺内压较大气压低1～2 mmHg（0.133～0.266 kPa），即肺内压为-2～-1 mmHg（-0.266～-0.133 kPa），呼气时，肺内压较大气压高1～2 mmHg（0.133～0.266 kPa）。用力呼吸时，肺内压变动的幅度增大。当呼吸道不够通畅时，肺内压的起伏幅度将更大。在紧闭声门的情况下尽力做呼吸运动，则吸气时肺内压可低至-100～-30 mmHg（-13.3～-4 kPa），呼气时可高达60～140 mmHg（8～18.7 kPa）

由此可见，呼吸运动中，肺内压随胸腔容积的变化而呈周期性的交替变化，造成肺内压和大气压之间的压力差，这一压力差成为推动气体进出肺的直接动力。

3.胸膜腔内压　如上所述，在呼吸运动过程中，肺随着胸廓的运动而扩张和缩小所造成的肺内压与大气压之差是肺通气的直接动力。肺之所以能随胸廓运动，是因为在肺和胸廓之间存在着一个密闭、潜在的胸膜腔和肺本身具有弹性。胸膜腔内没有气体，仅有少量浆液。由于肺的弹性回缩力，胸膜腔内压始终低于大气压，称为胸膜腔负压。胸膜腔内压可用连接检压计的注射针头斜刺入胸膜腔内直接测定，但有一定风险；也可通过测定食管内压间接反映胸膜腔内压的变化（图7-11）。

胸膜腔内的浆液有两方面的作用：一是在两层胸膜之间起润滑作用，减轻在呼吸运动过程中，两层胸膜间的摩擦；二是浆液分子的内聚力使两层胸膜互相贴附在一起，不易分开，从而保证肺随胸廓的运动而运动。

胸膜腔负压的生理意义如下。胸膜腔的密闭性和两层胸膜间浆液分子的内聚力对于维持肺的扩张状态和肺通气具有重要的生理意义。第一，保持肺总是处于扩张状态而不至于塌陷，有利于肺泡内不间断地进行气体交换。第二，胸膜腔负压加大了胸膜腔内一些管壁薄、压力低的管道（如腔静脉和胸导管）的内外压力差，从而有利于静脉血和淋巴回流。第三，在胸廓容积和肺容积改变之间起耦联作用，使肺能随胸廓的扩大而扩张。一旦胸膜破裂，胸膜腔与大气相通，空气将立即进入胸膜腔内，形成气胸，此时两层胸膜彼此分开，肺将因其本身的回缩力而塌陷。显然，气胸时，肺通气功能受到影响，血液和淋巴回流也将受阻，严重时必须紧急处理，否则将危及生命。

（二）肺通气的阻力

气体在进出肺的过程中，会遇到各种阻止其流动的力，统称为肺通气的阻力。肺通气的动力须克服肺通气的阻力，方能实现肺通气。肺通气的阻力有两种：一是弹性阻力，包括肺的弹性阻力和胸廓的弹性阻力，是平静呼吸时的主要阻力，约占总通气阻力的70％；二是非弹性阻力，包括气道阻力、惯性阻力和组织的黏滞阻力，约占总通气阻力的30％，非弹性阻力中以气道阻力为主。

1.弹性阻力　弹性阻力是指弹性物体受到外力作用时所产生的一种对抗变形的回位力。肺和胸廓都是弹性物体，因此，当呼吸运动改变其容积时都会产生弹性阻力。呼吸的总弹性阻力即由肺弹性阻力和胸廓弹性阻力组成。

（1）肺弹性阻力：肺在被扩张时产生弹性回缩力，回缩力的方向与肺扩张的方向相反，因而是吸气的阻力。

肺弹性阻力来自两个方面：一是肺泡表面液体层所形成的表面张力，约占肺弹性阻力的2/3；二是肺组织本身的弹性回缩力，约占肺弹性阻力的1/3。肺弹性阻力对吸气起阻力作用，对呼气起动力作用。

肺组织本身的弹性阻力主要来自弹力纤维和胶原纤维等弹性成分，当肺被扩张时，这些纤维被牵拉而倾向于回缩。肺扩张越大，其牵拉作用越强，肺的回缩力和弹性阻力便越大；反之，就越小。

肺泡是气体交换的场所，在肺泡的内表面覆盖着薄层液体，与肺泡内气体形成液气界面，因此存在表面张力，其沿肺泡半球状曲面切线方向拉紧液面，合力构成向心回缩力。肺泡表面张力使肺泡趋于缩小，是肺泡扩张的阻力。肺泡表面的液体层来源于血浆，表面张力较大，它的存在会给呼吸带来以下不利影响：①阻碍肺泡的扩张，使吸气的阻力增大。②使相通的大小肺泡内压不稳定。

肺泡表面活性物质是由Ⅱ型肺泡细胞合成并释放，是一种复杂的脂蛋白混合物，主要成分是二棕榈酰卵磷脂。肺泡表面活性物质易溶于水，以单分子层分布在肺泡液气界面上，其密度随肺泡的扩张和缩小而改变。该物质的作用是降低肺泡液气界面的表面张力而使肺泡的回缩力减小。肺泡表面活性物质对降低肺泡表面张力的作用具有重要的生理意义：①有助于维持肺泡的稳定性。因为肺泡表面活性物质的密度随肺泡半径的变小而增大，或随肺泡半径的增大而减小，所以在小肺泡或呼气时，表面活性物质的密度大，降低表面张力的作用强，肺泡表面张力小，可以防止肺泡塌陷；在大肺泡或吸气时，表面活性物质的密度减小，肺泡表面张力增加，可以防止肺泡过度膨胀，这样就保持了肺泡的稳定性。②减少肺间质和肺泡内的组织液生成，防止肺水肿的发生。肺泡表面张力合力指向肺泡腔内，对肺泡间质产生“抽吸”作用，使肺泡间质静水压降低，组织液生成增加，可能导致肺水肿。肺泡表面活性物质降低肺泡表面张力，从而减弱表面张力对肺泡间质的“抽吸”作用，防止肺水肿的发生。③降低吸气阻力，减少吸气做功。

胎儿Ⅱ型肺泡细胞在妊娠6～7个月开始分泌肺泡表面活性物质，到分娩前达高峰，某些早产婴儿因Ⅱ型肺泡细胞尚未发育成熟，导致缺乏肺泡表面活性物质而使肺泡塌陷，发生新生儿呼吸窘迫综合征。现在可以通过检测羊水中肺泡表面活性物质的含量，预测发生新生儿呼吸窘迫综合征的可能性，从而采取预防措施。例如，如果肺泡表面活性物质缺乏，则可延长妊娠时间或用药物促进其合成，出生后也可给予外源性肺泡表面活性物质进行替代治疗，预防新生儿呼吸窘迫综合征的发生。成人患肺炎、肺血栓等疾病时，也可以因为Ⅱ型肺泡细胞受损导致肺泡表面活性物质减少而发生肺不张并引起呼吸困难。研究还发现，吸烟者肺泡表面活性物质的浓度比不吸烟者的低。

（2）胸廓弹性阻力：胸廓弹性阻力来自胸廓的弹性成分。胸廓处于自然位置时，肺容量约为肺总量的67％（相当于平静吸气末的肺容量），此时胸廓无变形，不表现出弹性阻力。肺容量小于肺总量的67％（如平静呼气或深呼气）时，胸廓被牵引向内而缩小，其弹性阻力向外，是吸气的动力，呼气的阻力；肺容量大于肺总量的67％（如深吸气）时，胸廓被牵引向外而扩大，其弹性阻力向内，成为吸气的阻力，呼气的动力。所以胸廓的弹性阻力既可能是吸气或呼气的阻力，也可能是吸气或呼气的动力，视胸廓的位置而定。这与肺的情况不同，肺的弹性阻力总是吸气的阻力。临床上由于胸廓弹性阻力引起肺通气障碍的情况较少，所以临床意义相对较小。(https://www.daowen.com)

（3）肺和胸廓的顺应性和总弹性阻力：由于肺和胸廓弹性阻力不易测定，因此，通常用顺应性来表示肺和胸廓弹性阻力的大小。顺应性是指在外力作用下，弹性体扩张的难易程度，与弹性阻力（R）成反比，即弹性阻力越大，顺应性越小，则物体越不易扩张。肺和胸廓均为弹性组织，具有弹性阻力，其弹性阻力的大小亦可用顺应性来表示。因为肺和胸廓呈串联排列，所以肺和胸廓的总弹性阻力是两者弹性阻力之和。

在肺充血、肺组织纤维化或肺泡表面活性物质减少时，肺的弹性阻力增加，顺应性降低，患者表现为吸气困难；而在肺气肿时，肺弹性成分大量被破坏，肺回缩力减小，弹性阻力减小，顺应性增大，患者表现为呼气困难。这些情况都会导致肺通气功能的降低。

2.非弹性阻力　气体在呼吸道内的流动还需克服非弹性阻力，包括惯性阻力、黏滞阻力和气道阻力，主要是气道阻力。气道阻力来自气体流经呼吸道时气体分子间和气体分子与气道壁之间的摩擦，是非弹性阻力的主要成分，占80％～90％。气道阻力受气流速度、气流形式和气道管径大小的影响。流速快，阻力大，流速慢，阻力小。气流形式有层流和湍流，层流阻力小，湍流阻力大。气流太快和管道不规则容易发生湍流，如气管内有黏液、渗出物或肿瘤、异物等，可用排痰、清除异物、减轻黏膜肿胀等方法减少湍流，降低阻力。气道管径大小是影响气道阻力的另一重要因素。因为流体的阻力（R）与管道半径（r）的4次方成反比，所以管径缩小时，气道阻力增加。

呼吸道管壁平滑肌接受交感神经和迷走神经支配。交感神经兴奋时，呼吸道管壁平滑肌舒张，气道口径扩大，气道阻力降低；迷走神经兴奋时，呼吸道管壁平滑肌收缩，气道口径缩小，气道阻力增大。此外，某些体液因素也影响呼吸道管壁平滑肌的舒缩，如儿茶酚胺可使平滑肌舒张，气道阻力降低；在发生变态反应时，肺间质的肥大细胞脱颗粒，释放大量组胺、5-羟色胺、缓激肽等，则可引起呼吸道管壁平滑肌强烈收缩，造成气道狭窄，气道阻力升高，进出肺的气流量减少，导致呼吸困难，称支气管哮喘。

（三）肺通气功能的评价指标

1.肺容量　肺容量是指肺容纳的气体量，其大小随着呼吸运动而变化。肺容量及肺通气量是反映进出肺气体量的一些指标，除余气量和功能余气量外，其他气体量都可以用肺量计直接记录。

（1）潮气量：平静呼吸时，每次吸入或呼出的气体量为潮气量。正常成人平静呼吸时，潮气量为400～600 mL，平均以500 mL计算。用力呼吸时，潮气量增大，最大可达肺活量大小。

（2）补吸气量：平静吸气末，再尽力吸气所能吸入的气体量为补吸气量。正常成人补吸气量为1500～2000 mL。补吸气量反映吸气储备能力。

（3）补呼气量：平静呼气末，再尽力呼气所能呼出的气体量为补呼气量。正常成人补呼气量为900～1200 mL。补呼气量反映呼气储备能力。

（4）余气量：最大呼气末尚存留于肺内不能再呼出的气体量为余气量。正常成人余气量为1000～1500 mL。余气量过大表示肺通气功能不良。支气管哮喘和肺气肿患者的余气量增加。

（5）深吸气量：平静呼气末做最大吸气时所能吸入的气体量为深吸气量。它是潮气量与补吸气量之和，是衡量最大通气潜力的重要指标。胸廓、胸膜、肺组织和呼吸肌等的病变，可使深吸气量减少而降低最大通气潜力。

（6）功能余气量：平静呼气末尚存留于肺内的气体量为功能余气量。功能余气量等于余气量与补呼气量之和，正常成人约为2500 mL。肺气肿患者的功能余气量增加，肺实质性病变时减小。

功能余气量的生理意义是缓冲呼吸过程中肺泡气氧分压和二氧化碳分压（PO2和PCO2）的变化幅度。

由于功能余气量的稀释作用，吸气时，肺内PO2不致突然升得太高，PCO2不致降得太低；呼气时，PO2则不会降得太低，PCO2不会升得太高。这样，肺泡气和动脉血液的PO2和PCO2就不会随呼吸而发生大幅度的波动，有利于肺换气。

（7）肺活量、用力肺活量和用力呼气量：尽力吸气后，从肺内所能呼出的最大气体量为肺活量（VC）。肺活量是潮气量、补吸气量与补呼气量之和。肺活量有较大的个体差异，与性别、年龄、体位、呼吸肌强弱等有关，正常成年男性平均约3500 mL，女性约2500 mL。

肺活量反映了肺一次通气的最大通气潜力，在一定程度上可用于评价肺通气功能。但由于测定肺活量时不限制呼气的时间，所以肺活量不能充分反映肺组织的弹性状态和气道的通畅程度，即不能充分反映通气功能的状况。因此，有人提出了用力肺活量和用力呼气量的概念。用力肺活量是指一次最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气体量。正常时，用力肺活量略小于在没有时间限制条件下测得的肺活量。用力呼气量过去称为时间肺活量，是指一次最大吸气后再尽力尽快呼气，然后计算在第1 s、第2 s、第3 s末呼出的气体量占用力肺活量的百分数。正常时，第1 s、第2 s、第3 s末呼出的气体量占用力肺活量的83％、96％、99％。其中，第1 s用力呼气量（FEV1）在临床上最有意义。在哮喘等阻塞性肺疾病患者，第1 s用力呼气量可显著下降。

（8）肺总量：肺可容纳的最大气体量为肺总量。肺总量等于潮气量、补呼气量、补吸气量及余气量之和，其大小因性别、年龄、运动锻炼情况和体位改变而异，成年男性平均约为5000 mL，女性约为3500 mL。

2.肺通气量和肺泡通气量

（1）肺通气量：肺通气量是指每分钟吸入或呼出的气体总量。它等于潮气量乘以呼吸频率。正常成人平静呼吸时，呼吸频率为每分钟12～18次，潮气量为500 mL，则每分肺通气量为6～9 L。肺通气量随性别、年龄和活动量的不同而有差异。为便于比较，最好在基础条件下测定，并以每平方米体表面积的通气量为单位来计算。

劳动或运动时，肺通气量增大。在尽力做深、快呼吸时，每分钟所能吸入或呼出的最大气体量为最大随意通气量。最大随意通气量反映单位时间内充分发挥全部通气能力所能达到的通气量，是估计一个人能进行多大运动量的生理指标之一。测定时，一般只测量10 s或15 s的最深最快的呼出或吸入气量，再换算成每分钟的最大通气量。最大通气量一般可达150 L，即肺通气量的25倍。对平静呼吸时的每分通气量与最大通气量进行比较，可以了解通气功能的储备能力，通常用通气储量百分比表示。

通气储量百分比=（最大随意通气量-每分平静通气量）/最大随意通气量×100％

其正常值等于或大于93％。

（2）无效腔和肺泡通气量：每次吸入的气体，部分将留在鼻或口与终末细支气管之间的呼吸道内，这部分气体不参与肺泡与血液之间的气体交换，故将这部分呼吸道的容积称为解剖无效腔，在正常成人约为150 mL。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，未能发生交换的这一部分肺泡容量称为肺泡无效腔。肺泡无效腔与解剖无效腔一起合称为生理无效腔。健康人平卧时，生理无效腔等于或接近于解剖无效腔。

由于无效腔的存在，每次吸入的新鲜空气不能都到达肺泡与血液进行气体交换。因此，为了计算真正有效的气体交换量，应以肺泡通气量为准。肺泡通气量是每分钟吸入肺泡的新鲜空气量（等于潮气量和无效腔气量之差）乘以呼吸频率。如果潮气量为500 mL，无效腔气量为150 mL，则每次吸入肺泡的新鲜空气为350 mL。此外，潮气量和呼吸频率的变化对肺通气量和肺泡通气量有不同的影响。在潮气量减半和呼吸频率加倍或潮气量加倍而呼吸频率减半时，肺通气量保持不变，但是肺泡通气量却发生明显变化。对肺换气而言，浅而快的呼吸是不利的；深而慢的呼吸虽然可以增加肺泡通气量，但同时也会增加呼吸做功。