1、呼吸生理Respiratory Physiology徐國恒北京大學醫學部生理系Tel 82802916, Email: 呼吸系統解剖呼吸道上呼吸道：鼻、咽、喉下呼吸道：氣管、支氣管及分支 肺左肺: 2 葉 右肺: 3 葉TracheaBronchial treeBronchiolesTerminal bronchiolesRespiratory bronchiolesAlveolar sacsRespiratory zoneConducting zone導管部氣管支氣管細支氣管終末細支氣管呼吸部呼吸性細支氣管肺泡管肺泡(總面積70m2)呼吸系統解剖AlveolarspaceO2CO2Alveo

2、larepitheliumRed cellCapillary呼吸系統解剖與功能呼吸 respiration: 機體與外界大氣的氣體交換過程。攝取O2呼出CO2，呼吸過程包括三個環節：1. 外呼吸或肺呼吸，又包括： (1) 肺通氣: 肺與外界的氣體交換; (2) 肺換氣: 肺與毛細血管間的氣體交換.2. 氣體在血液中的運輸.3. 內呼吸或組織呼吸: 血液與組織細胞間氣體交換.細胞呼吸: 細胞內的氧化代謝, 即線粒體氧化呼吸。屬于廣義的呼吸生理，但在學科上已分化到生物化學。第一節 肺通氣 (pulmonary ventilation)肺通氣：肺與外界的氣體交換過程呼吸道是氣體交換的通道；肺泡是氣體

3、交換的場所肺通氣原理：一、肺通氣的動力二、肺通氣的阻力三、肺容積和容量四、肺通氣量肺通氣的動力：原動力和直接動力肺本身沒有主動收縮能力，而又必須進行擴張和回縮才能實現肺通氣，這有賴于：呼吸肌群的節律性運動，引起胸腔容積肺容積肺泡內壓的改變，為肺通氣提供原動力. (如同拉動風箱的手推擋板)由此產生的肺泡與大氣的壓差(2 mmHg)，為肺通氣提供直接動力. (如同擋板壓縮風箱內氣體，高于大氣壓時氣體出來)肺內壓 （肺泡內壓, intrapulmonary pressure) 初期 末期吸氣 大氣壓 = 大氣壓風箱與人工呼吸機肺通氣的動力呼吸肌群的縮張引起胸腔擴大和縮小, 帶動肺通氣過程吸氣(ins

4、piration): 呼吸肌群(膈肌和肋間外肌)收縮胸廓擴大肺擴張肺內壓大氣壓輔助呼吸肌群呼吸肌群輔助呼吸肌群平靜呼吸：膈肌和/或肋間外肌完成, 吸氣為主動, 呼氣被動.深呼吸：吸氣: 膈肌+肋間外肌+輔助呼吸肌收縮, 是主動過程; 呼氣:膈肌+肋間外肌+輔助呼肌舒張, 肋間內肌/腹肌收縮, 是被動過程主動過程呼吸困難：如嚴重缺氧，呼吸大大加深，鼻翼煽動。主動過程腹式呼吸：以膈肌運動為主，咳嗽, 噴嚏,打嗝與呃逆; 胸式呼吸：以肋間外肌運動為主。通常為混合呼吸. 人工呼吸；人工產生肺與大氣間的壓力差；頸35段支配膈肌, 胸段支配肋間肌和腹肌。頸1-3脊髓損傷者肋間肌和占呼吸功能60的膈肌癱瘓，

5、呼吸暫停。頸4-5以下損傷者肋間肌癱瘓，但沒傷及膈神經，患者呈腹式呼吸。a. 人工呼吸機，正壓。b. 口-口呼氣。c. 舉臂壓胸。d. 擠壓胸廓胸膜腔內壓 (intrapleural pressure)：肺與胸廓同步擴張和回縮運動的基礎是：肺本身具有彈性或可擴張性肺與胸廓之間存在一個潛在的密閉胸膜腔，負壓胸膜腔： 由肺表面的臟層胸膜，與胸廓內壁的壁層胸膜，構成的潛在的密閉腔。 腔內僅有少量漿液, 相對負壓，低于大氣壓 。平靜吸氣末105mmHg，平靜呼氣末5 3mmHg。吸氣2 mmHg靜息呼氣+2 mmHg胸膜腔內壓與肺通氣新生兒落地我哭故我在人生第一件大事人生第一次呼吸，吸氣長，呼吸短，聲

6、音怪異目的：肺擴張，擴張的肺立即形成胸膜腔負壓阿胸膜腔負壓的形成胸膜腔負壓的形成：肺內壓或大氣壓 (以此為0位) 回縮力 肺回縮力只有擴張的肺才具有回縮力，源于肺彈性纖維回縮力和肺泡表面張力胸廓容積大于肺的容積. 剛性的胸廓牽引肺，肺處于擴張狀態；肺具有彈性，只要一息尚存，擴張的肺一直有彈性回縮力并拉動肺層胸膜，產生和維持胸膜腔負壓。胸膜腔漿液使兩層胸膜粘附一起，如兩片水壓玻璃，易于滑動但不易于分開。漿液經由淋巴系統泵出, 有利于負壓形成和維持。胸膜腔負壓的意義：1. 維持肺的擴張狀態，防止肺塌陷。2. 參與呼吸吸氣時胸腔擴大，肺擴張程度高，回縮力大，負壓也大；呼氣時肺擴張程度降低，回縮力降低

7、，負壓減小。NORMALCollapsedlungAIRPleuralpressure0 cm H2OMediastinumPleuralpressure-5cm H2O胸膜腔負壓可以對抗肺的自然回縮，防止肺塌陷。PNEUMOTHORAX 氣胸氣胸: 胸膜腔與外界相通, 負壓被破壞, 肺塌陷, 影響呼吸和循環功能. 肺通氣的阻力 (resistances to ventilation)肺通氣的實現，依賴于肺通氣動力克服阻力，它決定肺通氣量。肺通氣的阻力包括2種： 非彈性阻力：占總阻力的30% 彈性阻力：占總阻力的70%非彈性阻力 (non-elastic resistances)包括氣道阻力,

8、 慣性阻力,粘滯阻力。氣道阻力(airway resistance) ：氣體分子之間，氣體分子與呼吸道壁之間的摩擦阻力。占總非彈性阻力的80-90%。其中：鼻50%，聲門25%，氣管支氣管15%，2mm口徑以下細支氣管10%。影響氣道阻力的因素 氣道口徑：R= 8 管道長度 /管道半徑4，痰、異物、腫瘤氣流速度：細支氣管氣流速率大，阻力大影響氣道口徑大小的因素與通氣障礙跨壁壓：指氣道內外的壓力差。吸氣時胸腔擴大，胸膜腔內壓下降，跨壁壓大，氣道口徑增大；肺容積：吸氣時擴張的肺通過彈性纖維牽引氣道，使口徑增大正常吸氣時，氣道口徑增大，非彈性阻力減小；正常呼氣時，管腔變細，非彈性阻力增大。副交感N：

9、支氣管平滑肌收縮. 管徑變小，阻力增大。交感N：平滑肌舒張.管徑變大，阻力減小。哮喘患者的呼吸困難以呼氣性困難為主夜間副交感占優勢, 故哮喘病人多夜間發病過敏反應：肥大細胞釋放組織胺和 5-HT, 氣道收縮, 阻力增大。變態反應，哮喘, 花粉過敏癥臨床用擬交感藥如異丙腎上腺素緩解急性哮喘 肺通氣的阻力 (resistances to ventilation)彈性阻力 (elastic resistances)：是物體對抗外力引起變形的力。彈性阻力大者不易變形。一般用順應性度量彈性阻力。順應性(compliance)：指彈性組織順應外力的可擴張性，與彈性阻力成反比(C=1/R). 易擴張者彈性阻

10、力小,順應性大。肺順應性(lung compliance)：肺順應彈性阻力的可擴張性，與肺通氣彈性阻力成反比. 易擴張的肺彈性阻力小,順應性大是衡量肺功能的指標。超出合理范圍都是不正常的。肺不張、肺部炎癥、肺水腫、肺纖維化 (SARS)等，彈性阻力增大，肺順應性減小，不易擴張. 導致吸氣困難. 肺氣腫時，肺彈性纖維破壞, 肺彈性回縮力下降, 阻力減小，肺順應性增大,導致呼氣困難. (但范教材“肺氣腫-順應性減小”-錯誤?可能是晚期肺氣腫導致肺纖維化此時彈性阻力增大) 肺通氣的阻力 (resistances to ventilation)主要來自胸廓和肺彈性阻力，占肺通氣總阻力的70%。胸廓的彈

11、性阻力：胸廓剛性大不易變形，彈性阻力小,臨床意義不大。自然狀態下肺容量只占最大容量的67%, 此時胸廓毫無變形不具有彈性回縮力。肺容量67%時，胸廓向外擴大，彈性回縮力向內，是吸氣的阻力呼氣的動力。肥胖、胸廓畸形，胸廓容積減小，向外的彈性阻力增大，呼氣阻力增大肺彈性阻力：肺擴張時，肺彈性纖維和膠原纖維產生的彈性回縮力肺泡彈性阻力: 肺泡表面產生向心的張力，使肺泡傾向回縮。吸氣時必須克服肺泡彈性阻力。相通的小、大肺泡如果肺泡表面張力T相等，小肺泡表面的附加壓力P=2T大肺泡內壓低P=T 小肺泡的氣體將進入大肺泡導致：小肺泡塌陷大肺泡膨脹爆裂但這種情形沒有發生，因為肺泡內覆蓋著表面活性物質降低了肺

12、泡內表面張力T小肺泡表面積小，表面活性物質密度高，表面張力T低。大肺泡表面張力T大。P表面活性物質與Laplace Law：物體表面存在張力。彎曲表面產生指向曲率中心的壓強p=2rP：肺泡內壓(近似)T：肺泡表面張力系數r: 肺泡半徑肺表面活性物質降低肺泡內液面的表面張力肺II型上皮細胞分泌肺表面活性物質，主要是棕櫚酰卵磷脂，具有親水和疏水基團，親水端插入肺泡液的水相，疏水端暴露于肺泡氣相形成單分子層，降低表面張力. 肺泡液的表面張力約為血漿的1/5生活現象：表面張力mN/m：汞476，水73，乙醇23。蚊蟲水面爬，水珠、血滴在玻璃表面肚肺湯，泡沫表面活性物質Surfactants 磷脂的結構

13、與特性肥皂細胞內脂滴表面活性物質降低肺泡內液面表面張力的意義 1. 維持肺泡的穩定性：在呼吸時，小肺泡表面積小，表面活性物質密度高，表面張力低，可防止小肺泡塌陷；相反，大肺泡表面積大，表面活性物質密度低，表面張力大，可防止大肺泡過度膨脹。2. 減少肺間質和肺泡內組織液生成，防止肺水腫和炎性反應的發生。3. 有助于克服吸氣阻力。肺炎，肺栓塞，新生兒呼吸窘迫綜合癥，可因缺少表面活性物質引起呼吸困難或肺不張。糖皮質激素促進表面活性物質合成, 緩解癥狀, SARS。肺容積和肺容量(Pulmonary volume and pulmonary capacities)(一)肺容積(肺總量)：指肺能容納的氣

14、體量, 包括4部分: 潮氣量（每次吸或呼的氣量), Tidal volume, TV, 500ml) 補吸氣量 (Inspiratory reserve volume, IRV, 1500-2000ml)組成 補呼氣量 (Expiratory reserve volume, ERV, 9001200ml) 殘氣量（余氣量, Residual volume, RV, 10001500ml)(二) 肺容量: 是肺容積中兩項或兩項以上的聯合氣量. 功能殘氣（余氣）量=補呼氣量+殘氣量, 肺氣腫 肺活量(Vital capacity, VC)=補吸氣量+潮氣量+補呼氣量, 反映每次通氣最大能力, 個體

15、差異大. 肺通氣功能指標. 時間(用力)肺活量 (Timed vital capacity, TVC)： *反映肺活量和通氣速度, 是評價肺通氣功能的好指標.肺通氣量(Pulmonary ventilation Volume)Minute ventilation volume (V,每分進或出肺的氣體總量)=TV RR.每分通氣量=潮氣量 呼吸頻率 成人：6-8 L 新生兒：60-70次/分 正常成人：12-18次/分肺泡通氣量 = 潮氣量 無效腔容量 (dead space), 為真正有效的通氣量每分肺泡通氣量 = (潮氣量無效腔容量) 呼吸頻率 生理無效腔: 包括解剖無效腔肺泡無效腔口對口

16、人工呼吸，呼出氣體中的O2濃度足夠深而慢的呼吸比淺而快的呼吸效率高呼吸 respiration: 是指機體與外界環境的氣體交換過程。攝取O2呼出CO2，是維持生命的基本生理過程。呼吸過程包括三個環節：1. 外呼吸或肺呼吸，又包括： (1) 肺通氣: 肺與外界的氣體交換; (2) 肺換氣: 肺與毛細血管間的氣體交換2. 氣體在血液中的運輸.3. 內呼吸或組織呼吸: 血液與組織細胞間氣體交換.第二節 氣體在肺的交換肺換氣和組織換氣示意圖氣體在肺的交換遵守物理定律：氣體分壓差、擴散面積、擴散距離、溶解度/分子量影響氣體擴散氣體擴散: 從分壓高處向分壓低處凈轉移氣體分壓差，決定氣體交換的方向和速度氣體

17、在液體的溶解量 = 溶解度 氣體分壓 肺泡 血液組織細胞肺泡內氣體通過呼吸膜與血液gas exchange 呼吸膜厚度70 m2表面活性物質肺泡上皮 上皮基底膜組織間隙毛細血管基膜毛細血管內皮肺水腫、肺纖維化、塵肺呼吸膜變厚，擴散距離增加肺不張、肺纖維化、塵肺，擴散面積減少B: 氧彌散受限時的氣血交換血流量 通氣量血流量正常, 通氣量和/或O2彌散不足需增加氧分壓促進彌散 如SARS病人,高原缺氧，應正壓給氧A. 血流量受限時的氣血交換通氣量 血流量通氣量和彌散正常,血流量不足需增加血流量, 如循環障礙肺換氣需要合適的肺泡通氣/血流 比值小結: 影響肺部氣體交換的因素:1.呼吸膜厚度O2 兩倍

18、(因PO2PCO2 20倍,而擴散系數, CO2:O2, 20:1)Mr: relative molecular mass (相對分子量)呼吸 respiration: 是指機體與外界環境的氣體交換過程。攝取O2呼出CO2，是維持生命的基本生理過程。呼吸過程包括三個環節：1. 外呼吸或肺呼吸，又包括： (1) 肺通氣: 肺與外界的氣體交換; (2) 肺換氣: 肺與毛細血管間的氣體交換.2. 氣體在血液中的運輸.3. 內呼吸或組織呼吸: 血液與組織細胞間氣體交換.一. O2 和CO2在血液中存在的形式物理溶解：O2 1.5%; CO2 5% 非化學結合的O2和CO2必須以物理溶解態存在.化學結合

19、：O2 98.5% 與血紅蛋白結合為氧合血紅蛋白; CO2 95%. HCO3-形式88%, 氨基甲酸-Hb形式7%。化學結合態是高效的運輸形式第三節 O2 和CO2在血液中的運輸(Gas transport in the blood)4 血紅素(亞鐵原卜晽) + 1 珠蛋白血紅蛋白的結構示意圖氧的運輸： O2以氧合Hb形式運輸，以游離形式被利用二. O2以氧合Hb(oxyhemoglobin)形式運輸，其特征：1.反應快,可逆, 受O2分壓影響.2. 需要Fe2+，與O2氧合(oxygenation)而非氧化3. 結合量: 1分子Hb結合4分子O2，1g Hb結合1.34 ml O2 Hb濃

20、度15g/100 ml, 人有 5 L血液: 安靜時耗氧 250 ml O2 /min 人有強大的攝取氧的生理能力. 氧療保健, 偽科學童話 氧容量(oxygen capacity)：每升血液Hb與O2結合的最大容量 氧含量(oxygen content)：每升血液Hb與O2結合的實際量 氧含量/氧容量= Hb氧飽和度 發紺: 血液去氧血紅蛋白 5g%，皮膚粘膜甲床淺紫色。黑眼圈4. Hb與O2結合解離曲線為S型 Hb的變構效應：氧離Hb為緊密型(Tense form, T)氧合Hb為疏松型(Relaxed form, R)一個Hb亞單位與O2結合后其他亞單位易與O2結合.反之，一個Hb亞單位

21、與O2解離，其他亞單位更易釋放O2。因而，Hb與O2結合和解離具有S型曲線的特征鐘型曲線：頻數分布曲線S型曲線：累積頻數分布曲線，廣泛用于生物醫學研究鐘型曲線：頻數分布曲線S型曲線：累積頻數分布曲線廣泛見于生物醫學現象PO2 100時，氧飽和度 97.4% 70時，氧飽和度 94% 60時，氧飽和度 90% 高原反應PO2O2 20倍.氨基甲酸Hb(carbaminohemoglobin): 7%碳酸氫鹽(HCO3-): 88% 二氧化碳的運輸物理溶解 5%, 氨基甲酸Hb(carbaminohemoglobin)7%; 碳酸氫鹽(HCO3-) 88%. 二氧化碳的運輸CO2解離曲線(carb

22、on dioxide dissociation curve)CO2的解離接近線性關系,沒有飽和點何爾登效應: O2與Hb結合促使血中CO2釋放 在肺，Hb與O2 的結合增加, 利于CO2釋放出肺在組織 ，Hb與O2結合下降, 利于CO2釋放入血.A: 靜脈血PO2 = 40PCO2= 45 CO2含量:52mlB: (流出肺) 的動脈血PO2 = 100PCO2= 40CO2含量:48ml釋放了4 ml到肺血經肺時釋出4 ml CO2/100 ml血液靜脈血PO2=0 mmHg動脈血PO2120 mmHg(三) O2與Hb的結合對CO2運輸的影響 (相互影響)Bohr effect (波爾效應

23、)1) 在組織，血PCO2增加pH降低，降低Hb對O2的親和力,利于氧釋放給組織；2) 在肺, 血CO2擴散進入肺泡，血液pH增加, Hb對O2的親和力增加，利于氧與Hb的結合。Haldane effect (何爾登效應) : 1) 在肺，O2與Hb結合促使血CO2釋放入肺; 2) 在組織, O2與Hb結合下降, 利于CO2釋放入血液.第四節. 呼吸運動的調節Respiratory Regulation呼吸中樞(respiratory centers)： 大腦皮層,間腦,橋腦,延髓,脊髓等相互配合，產生呼吸節律, 調節呼吸運動。 正常呼吸運動是在各級呼吸中樞的相互配合下進行的。 節律性呼吸運動

24、不是在脊髓產生的。脊髓只是聯系高位腦中樞和呼吸肌的中繼站。脊髓第3-5頸段支配膈肌, 脊髓胸段支配肌間肌和腹肌等. 呼吸中樞(respiratory centers)低位腦干 指腦橋和延髓。橫切腦干的實驗表明，低位腦干的延髓有呼吸節律基本中樞。腦橋上部有呼吸調整中樞, 但對節律性呼吸不是必需的.A平面, 橫切中腦和腦橋，呼吸無明顯變化B平面，橫切腦橋上、中部，呼吸變慢變深C平面，橫切腦橋和延髓，喘息樣或平靜呼吸 D平面, 橫切延髓和脊髓, 呼吸停止Legallois 1812年發現，切除大腦、小腦、部分高位腦干，呼吸節律仍然存在 Lumsden:1923年首先精確證實:自主呼吸節律起源于延髓和

25、腦橋呼吸節律的控制不隨意的自主節律可能源于延髓多個部位，神經結構相當廣泛 (但迄今未明)，不容易因局灶損害而喪失呼吸節律。 低位腦干: 具有自主節律呼吸調節系統。大腦皮層: 具有隨意呼吸調節系統, 可隨意控制呼吸，保證與呼吸相關的說話、唱歌、哭笑、咳嗽、吞咽等動作的順利完成，在一定限度內可隨意屏氣或加強加快呼吸。這兩個系統的下行通路是分開的。臨床上可見自主呼吸和隨意呼吸分離的現象。例如在脊髓前外側索下行的自主呼吸通路受損后，自主節律呼吸異常甚至停止，但病人仍可進行隨意呼吸。患者清醒時可隨意呼吸維持肺通氣，一旦病人入睡，可能發生呼吸停止。因而睡眠時必須靠人工呼吸維持肺通氣呼吸的反射性調節(reflex regulation)肺牽張反射(pulmonary stretch reflex) 1868年Breuer和Hering發現，在麻醉動物肺充氣或肺擴張，則抑制吸氣；肺放氣或肺縮小，則引起吸氣。切斷迷走神經，上述反應消失，所以是反射性反應。由肺擴張或肺縮小引起的吸氣抑制或興奮的反射為黑-伯反射（Hering-Breuer reflex）或肺牽張反射。有種屬差異，兔最強，人最弱。人潮氣量增至800ml時，才引起肺擴張反射，所以平靜呼吸時，肺擴張反射不參與人的呼吸調節。但初