生理學┃肺通氣的原理（一）肺通氣的動力

生理學· 呼吸

呼吸

呼吸系統由鼻、咽、喉。氣管、支氣管和肺等器官組成，其主要功能是從外界環境攝取機體新陳代謝所需要的O2，並向外界排出代謝所產生的CO2。機體與外界環境之間的氣體交換過程，稱為呼吸（respiration）。呼吸是機體維持正常代謝和生命活動所必需的基本功能之一，呼吸一旦停止，便意味著生命的終止。呼吸系統的功能與血液循環系統的功能緊密相連，氣體在肺部與外界環境之間進行交換依賴於肺循環，而在全身器官組織與細胞進行交換則依賴體循環。另外，呼吸系統的正常功能還有助於體內酸鹼平衡的維持。

在人和高等動物，呼吸的全過程由三個相互銜接且同時進行的環節組成，即外呼吸、氣體在血液中的運輸和內呼吸（圖5-1）。外呼吸（external respiration）即肺毛細血管血液與外界環境之間的氣體交換過程，包括肺通氣（pulmonary ventilation）和肺換氣（gas exchange in lungs）兩個過程。前者是指肺與外界環境之間的氣體交換過程；後者則為肺泡與肺毛細血管血液之間的氣體交換過程。氣體在血液中的運輸是銜接外呼吸和內呼吸的中間環節，即由循環血液將O2從肺運輸到組織以及將CO2從組織運輸到肺的過程。內呼吸（internal respiration）也稱組織換氣（gas exchange in tissues），是指組織毛細血管血液與組織、細胞之間的氣體交換過程，有時也將細胞內的生物氧化過程包括在內。由於肺通氣是整個呼吸過程的基礎，而肺通氣的動力來源於呼吸運動，因此，狹義的呼吸通常僅指呼吸運動。

第一節 肺通氣

實現肺通氣的器官包括呼吸道、肺泡、胸膜腔、膈和胸廓等。呼吸道是氣體進出肺的通道，還具有加溫、加濕、過濾和清潔吸入氣體的作用以及引起防禦反射（咳嗽反射和噴嚏反射）等保護功能；肺泡時肺換氣的主要場所；胸膜腔時連接肺和胸廓的重要結構，使肺在呼吸過程中能隨胸廓的張縮而張縮；膈和胸廓中的胸壁肌則是全身呼吸運動的動力器官。

一、肺通氣的原理

肺通氣是氣體流動進出肺的過程，取決於推動氣體流動的動力和阻止氣體流動的阻力的相互作用，動力必須克服阻力，才能實現肺通氣。

（一）肺通氣的動力

按照物理學原理，氣體總是從氣壓高處向氣壓低處流動，所以氣體進出肺，即要實現肺通氣，必須在肺泡氣與外界大氣之間存在一定的壓力差。可見，肺泡氣與外界大氣之間的壓力差是實現肺通氣的直接動力（direct force）。在一定的海拔高度，外界大氣的壓力，即大氣壓（barometric pressure，Pb）是相對恆定的；因而在呼吸過程中，發生變化的只能是肺泡內氣體的壓力，即肺內壓（alveolar pressure 或 intrapulmonary pressure）。肺內壓在呼吸過程中的變化取決於肺的擴張和縮小，但肺自身並不具有主動張縮能力，其張縮依賴於胸廓的節律性擴張和縮小，而胸廓的張縮則由呼吸肌的收縮和舒張引起。因此，呼吸肌的收縮和舒張所引起的胸廓節律性擴張和縮小，即呼吸運動（respiration movement）是實現肺通氣的原動力（primary force）。

1、呼吸運動：呼吸運動可分為吸氣運動（inspiratory movement）和呼氣運動（expiratory movement），前者引起胸廓擴大，後者則使胸廓縮小。主要吸氣肌是膈肌和肋間外肌，主要呼氣肌為肋間內肌和腹肌。此外，還有一些輔助吸氣肌，如斜角肌、胸鎖乳突肌等。

（1）呼吸運動的過程：平靜呼吸時，吸氣運動是由主要吸氣肌（膈肌和肋間外肌）的收縮而實現的，是一個主動過程。胸廓的形狀類似於中空的圓錐體，上小下大，肋骨從上到下逐漸加長，並且由後向前下斜，肋間外肌起自上一肋骨的下緣，斜向前下方走行，止於下一肋骨的上緣。由於脊椎的位置是固定的，胸骨則可上下移動。所以當肋間外肌收縮時，肋骨和胸骨上舉，同時肋骨下緣向外側偏轉，從而增大胸腔的前後徑和左右徑。膈肌位於胸腔和腹腔之間，構成胸腔的底，靜止時向上隆起，形似穹窿。收縮時，隆起的中心下移，從而增大胸腔的上下徑。胸腔的上下徑、前後徑和左右徑都增大，引起胸腔擴大，肺的容積隨之增大，肺內壓降低。當肺內壓低於大氣壓時，外界氣體流入肺內，這一過程稱為吸氣（inspiration）。平靜呼吸時，呼氣運動並不是由呼氣肌收縮引起的，而是由膈肌和肋間外肌額舒張所致，是一個被動過程。膈肌和肋間外肌舒張時，肺依其自身的回縮力而回位，並牽引胸廓，使之上下徑、前後徑和左右徑縮小，從而引起胸腔和肺的容積減小，肺內壓升高。當肺內壓高於大氣壓時，氣體由肺內流出，這一過程稱為呼氣（expiration）。

用力吸氣時，除膈肌和肋間外肌加強收縮外，輔助吸氣肌也參與收縮。控制第一對肋骨和胸骨運動的胸鎖乳突肌及斜角肌參加收縮，可使胸骨柄及第一對肋骨向上向外提起，擴展胸廓上部，胸廓和肺的容積進一步擴大，更多的氣體被吸入肺內。用力呼氣時，除吸氣肌舒張外，還有呼氣肌參與收縮，此時呼氣運動也是一個主動過程。腹肌是主要的呼氣肌，收縮時增加腹內壓，膈肌被向上推擠，使胸腔的上下徑減小。另外，肋間內肌也是呼氣肌，其走行方向與肋間外肌相反，收縮時使肋骨和胸骨下移，肋骨還向內側旋轉，使胸腔的前後徑和左右徑進一步縮小。呼氣肌的參與使呼氣運動增強，呼出更多的氣體。

（2）呼吸運動的型式：參與活動的呼吸肌的主次、多少和用力程度不同，呼吸運動可呈現不同的型式（breathing pattern）。

1）腹式呼吸和胸式呼吸：以膈肌舒縮活動為主的呼吸運動稱為腹式呼吸（abdominal breathing），因為膈肌的收縮和舒張可引起腹腔內器官位移，造成腹部的起伏。以肋間外肌舒縮活動為主的呼吸運動稱為胸式呼吸（thoracic breathing），因為肋間外肌收縮和舒張可引起胸部的起伏。一般情況下，成年人的呼吸運動都呈腹式和胸式混合式呼吸，只有在胸部或腹部活動受限時才出現某種單一形式的呼吸運動。如在妊娠後期，胃腸道脹氣或腹膜炎症等情況下，因膈肌運動受限，故主要依靠肋間外肌舒縮而呈胸式呼吸。而在嬰幼兒，因肋骨的排列基本上與脊柱垂直，傾斜度小，肋骨運動不易擴大胸腔容量，因而主要依靠膈肌舒縮而呈腹式呼吸。

2）平靜呼吸和用力呼吸：正常人安靜狀態下的呼吸平穩而均勻，呼吸頻率為12～18次/分，吸氣是主動的，呼氣是被動的，這種呼吸型式稱為平靜呼吸（eupnea）。當機體運動或吸入氣中CO2含量增加而O2含量減少或肺通氣阻力增大時，呼吸加深加快，此時不僅吸氣肌舒縮活動加強，輔助吸氣肌與呼氣肌也參與呼吸運動，這種呼吸型式稱為用力呼吸（forced breathing）或深呼吸（deep breathing）。在缺氧、CO2增多或肺通氣阻力增大較嚴重的情況下，可出現呼吸困難（dyspnea），表現為呼吸顯著加深，鼻翼扇動，同時還會出現胸部困壓的感覺。

2、肺內壓：如前述，肺內壓在呼吸過程中呈周期性變化。吸氣時，肺容積增大，肺內壓隨之降低，當低於大氣壓時，外界氣體被吸入肺泡；隨著肺內氣體量的增加，肺內壓也逐漸升高，至吸氣末，肺內壓升高到與大氣壓相等，氣流便暫停。呼氣時，肺容積減小，肺內壓隨之升高，當高於大氣壓時，肺泡內氣體由肺內呼出；隨著肺內氣體量的減少，肺內壓也逐漸降低，至呼氣末，肺內壓又降到與大氣壓相等，氣流再次暫停（圖5-2）。

在呼吸過程中，肺內壓變化的程度與呼吸運動的緩急、深淺和呼吸道是否通暢等因素有關。平靜呼吸時，肺內壓變化較小，吸氣時肺內壓較大氣壓低1～2mmHg，呼氣時較大氣壓高1～2mmHg。用力呼吸或呼吸道不夠通暢時，肺內壓將大幅波動，如緊閉聲門並儘力進行呼吸運動，吸氣時肺內壓可低於大氣壓30～100mmHg，呼氣時可高於大氣壓60～140mmHg。

根據肺內壓的周期性升降為肺通氣動力的原理，在自然呼吸停止時，用人工方法建立起肺內壓與大氣壓之間的壓力差以維持肺通氣，稱為人工呼吸（artificial respiration）。人工呼吸可分為正壓法和負壓法兩類。正壓吸氣是使肺內壓高於大氣壓，負壓吸氣則使肺外（胸膜腔內）壓低於肺內壓。殊途同歸，兩者的目的都是為了增加肺內外的壓力差。在缺乏醫療設備的條件下，對需要急救的患者施行簡便易行的口對口人工呼吸屬於正壓人工呼吸，而節律性地舉臂壓背或擠壓胸廓則屬於負壓人工呼吸；在醫院內，且在非緊急情況下，可採用不同類型的人工呼吸機實施正壓或負壓人工呼吸。實施人工呼吸時須注意保持呼吸道通暢，注意清除呼吸道內的異物和痰液等。

3、胸膜腔內壓：在肺和胸廓之間存在一個潛在的腔隙，即胸膜腔（pleural cavity），由覆於肺表面的臟層胸膜和襯於胸廓內壁的壁層胸膜所構成。正常情況下，胸膜腔是個密閉的腔隙，腔內沒有氣體，僅有一薄層約10μm厚的漿液。漿液分子之間的內聚力使兩層胸膜緊貼在一起，不易分開，參與胸膜腔負壓的形成（見後），因而肺可隨胸廓的張縮而張縮；另一方面，這一薄層漿液在兩層胸膜之間起潤滑作用，可減小呼吸運動時兩層胸膜之間的摩擦。

胸膜腔內的壓力稱為胸膜腔內壓（pleural pressure或intrapleural pressure），簡稱胸內壓。胸膜腔內壓可採用直接法或間接法進行測量。直接法是將檢壓計相連接的注射針頭斜刺入胸膜腔內，直接測定胸膜腔內壓（圖5-2左），其缺點是有刺破胸膜臟層和肺的危險。間接法是讓受試者吞下帶有薄壁氣囊的導管至下胸段食管內，測量食管內壓。因為食管位於胸腔內，且其壁薄而軟，呼吸過程中食管內壓的變化在數值上與胸膜腔內壓的變化基本一致，所以可用食管內壓的變化來間接反映胸膜腔內壓的變化。

胸膜腔內壓隨呼吸運動而發生周期性波動。平靜呼氣末胸膜腔內壓較大氣壓低3～5mmHg，吸氣末較大氣壓低5～10mmHg（圖5-2右）。可見，胸膜腔內壓在平靜呼吸時始終低於大氣壓，若以大氣壓為0計，則胸膜腔內壓為負壓，故稱為胸膜腔負壓或胸內負壓。肺通氣阻力增大時，胸膜腔內壓波動將大幅增加，呼氣時有可能高於大氣壓。例如，在關閉聲門用力吸氣時，胸膜腔內壓可降至低於大氣壓90mmHg；而當關閉聲門用力呼氣時，胸膜腔內壓可升高到高於大氣壓110mmHg。

胸膜腔負壓的形成與肺和胸廓的自然容積不同有關。在人的生長發育過程中，胸廓的發育比肺快，因此胸廓的自然容積大於肺的自然容積。由於兩層胸膜緊緊貼在一起，肺被牽引而始終處於擴張狀態。被擴張的肺所產生的回位力向內牽引胸廓，使胸廓容積縮小。當胸廓的容積小於其自然容積時，胸廓將產生向外擴展的回位力，使胸廓的容積趨於擴大，以回到其自然容積位置。在肺的內向回位力和胸廓的外向回位力的作用下，胸膜腔內壓便降低而低於大氣壓，即形成負壓。嬰兒期由於胸廓和肺的容積差小，故胸膜腔負壓很小；隨著個體的生長發育，胸廓和肺的容積差變大，胸膜腔負壓也逐漸增大。

前已述，在平靜呼吸過程中，肺始終處於擴張狀態。在不考慮胸廓因素的情況下（一方面由於所佔比例相對較小，另一方面在不同肺容積下可變，故較複雜，後文「胸廓彈性阻力」中將敘及），肺之所以能維持擴張狀態主要取決於跨肺壓，跨肺壓（transpulmonary pressure）是指肺泡壁內外的壓力差，由於肺組織間隙內壓與胸膜腔內壓幾乎相等，所以

跨肺壓 = 肺內壓 - 胸膜腔內壓 （5-1）

在吸氣末或呼氣末，由於呼吸道內氣流停止流動，且呼吸道與外界大氣相通，此時肺內壓等於大氣壓，上式可改寫為

跨肺壓 = 大氣壓 - 胸膜腔內壓 （5-2）

若以大氣壓為0計，則

跨肺壓 = - 胸膜腔內壓 （5-3）

可見使肺維持擴張狀態的主要因素實際上是胸膜腔負壓。

另一方面，肺之所以能維持擴張狀態是由於肺內壓與肺回縮壓之間平衡的結果（也不考慮胸廓的因素），而胸膜腔內壓正是這種平衡結果的體現，所以，胸膜腔內壓就等於這兩種方向相反的代數和，即

胸膜腔內壓 = 肺內壓 + （ - 肺回縮壓） （5-4）

同理在吸氣末或呼氣末，由於肺內壓等於大氣壓，上式可改寫為

胸膜腔內壓 = 大氣壓 + （ - 肺回縮壓） （5-5）

若以大氣壓為0計，則

胸膜腔內壓 = - 肺回縮壓 （5-6）

可見，胸膜腔內壓的大小主要是由肺回縮壓所決定的。

胸膜腔內保持負壓具有重要意義。它不僅能擴張肺，使肺能隨胸廓的張縮而張縮，使肺通氣成為可能；它還能加大胸腔內腔靜脈和胸導管的跨壁壓，使之擴張，有利於靜脈血和淋巴液的迴流。胸膜腔內保持負壓的一個重要前提是胸膜腔須保持其密閉性。其密閉性一旦喪失，如因外傷使胸壁破裂或因肺氣腫使肺大泡破裂，使胸膜腔與大氣相通，空氣便進入胸膜腔而形成氣胸（pneumothorax）。此時胸膜腔負壓減小或消失，肺依其彈性而回縮，造成肺不張，不僅影響肺通氣，也阻礙靜脈和淋巴迴流。氣胸嚴重時，不但患側呼吸和循環功能發生障礙，由於縱隔向健側移位甚至出現縱隔隨呼吸左右擺動，也將累及健側的呼吸和循環功能，此時若不緊急處理，將危及生命（見網路增值服務）。