呼吸生理学

第五章 呼吸,第一节 肺 通 气,第二节 肺换气和组织换气,第四节 呼吸运动的调节,第三节 气体在血液中的运输,呼吸的概念：,机体与外界环境之间的气体交换过程，称为呼吸。,呼吸维持新陈代谢和其他功能活动所必需的基本过程之一。,呼吸的全过程：,三个相互衔接并同时进行的过程,1.,外呼吸,：包括,肺通气,和,肺换气,2.,气体在血液中的运输,3.,内呼吸,：,组织,细胞与,组织毛细血管之间 的,气体交换,以及组织,细胞,内的生物氧化过程,第一节 肺通气,概念：,肺与外界环境之间进行气体交换的过程。,一、肺通气的动力,（一）直接动力,：,肺内压,与,大气压,之差,肺内压,：是指肺泡内的压力。,肺泡与大气之间存在的压力差，使气体能进出肺泡,吸气初：肺内压,大气压 呼气开始,呼气末：肺内压,=,大气压 呼气停止,实现肺通气的条件：,肺内压与大气压之间产生差值（动力）,保持呼吸道通畅,人工呼吸,:,用人为的方法改变肺内压，建立肺内压和大气压之间压力差来维持肺通气。,方法,:,负压吸气式,(,压胸法,),正压吸气式,(,口对口呼吸法，呼吸机,),肺内压的变化是由肺的扩大和缩小来决定，肺扩张时肺内压减小，肺缩小时肺内压增大，但肺本身不具有主动张缩的能力，那么,肺怎样扩大和缩小呢？,肺的张缩是由胸廓的扩大和缩小所引起,有两种运动方式均可导致胸廓容积的变化,膈肌的上下运动,肋骨的升降运动,（肋骨的运动由肋间肌的舒缩引起的）,（二）呼吸运动,1,、定义：呼吸肌的舒缩引起的胸廓节律性扩大和缩小。,2,、呼吸肌,吸气肌,：膈肌、肋间外肌,呼气肌,：肋间内肌、腹肌,呼吸辅助肌,：斜角肌和胸锁乳突肌,3,、呼吸过程,（,1,）,平静呼吸,肺内压大气压,胸廓容积扩大，肺被动扩张,膈肌收缩,使膈顶下移，,增大胸廓的上下径,；,肋间外肌收缩,使肋骨上提,扩大胸廓前后径和左右径,吸气运动（吸气肌的收缩引起的）,膈肌和肋间外肌舒张，,肋骨和膈肌弹性回位，,缩小胸廓上下径,、,前后径和左右径,胸廓容积缩小,肺被动缩小,肺内压大气压,呼气运动（吸气肌的舒张引起的）,（,2,）呼吸的类型：,按呼吸深度分,:,1,）平静呼吸和用力呼吸,平静呼吸：,安静状态下的呼吸运动，频率,12-18,次,/,分,特点：吸气是主动的，呼气是被动的。,用力呼吸或深呼吸：,特点：吸气、呼气都是主动的。,用力呼吸运动过程：,吸气运动,吸气肌： 膈肌，肋间外肌、辅助吸气肌收缩。,呼气运动,呼气肌： 肋间内肌收缩、腹肌收缩,膈肌，肋间外肌舒张,按动作部位分,:,2,）腹式呼吸和胸式呼吸,腹式呼吸：膈肌收缩、舒张活动为主的呼吸运动。,（婴儿、胸膜炎、胸腔积液）,胸式呼吸：肋间外肌舒缩活动为主的呼吸运动。,（严重腹水、腹腔有巨大肿块、妊娠、肥胖）,混合式呼吸：正常成人。,总结,肺内压与大气压之间的压力差是实现肺通气的直接动力,肺容积改变引起肺内压的交替变化,胸廓容积改变引起肺的的扩大和缩小,呼吸运动引起胸廓的扩大和缩小,所以：,呼吸运动是实现肺通气的原动力,考虑：肺与胸廓在结构上并不直接相连，肺如何随胸廓的运动而张缩呢？,（三）胸膜腔内压,1,、定义,2,、测量,直接法,:,水检压计法,间接法,:,气囊测定食管内压以间接反映胸内压,3,、,特点,:,平静呼吸时胸内压始终为,负压,；,用力呼吸时负压变动更大；,有时可为正压,(,如紧闭声门用力呼吸,),。,吸气末, 90,mmHg,呼气末,110,mmHg,以胸膜腔密闭且含浆液为条件,胸廓生长,肺生长,胸廓容积,肺容积,胸廓将肺拉大,肺回缩 胸内负压,4,、胸内压成因（一腔二力）,大气压,胸内压 肺回缩力,胸内压,肺内压,肺回缩力,吸气末、呼气末,肺内压大气压,（肺扩张）,（肺缩小）,平静吸气时,:,10,- 5mmHg,呼气时,:, 5,- 3mmHg,5,、,胸内压作用：,维持肺泡的扩张状态，使肺随胸廓运动而运动。,利于静脉血及淋巴回流。,胸膜腔封闭性被破坏，气体进入胸膜腔，这种状态称为,气胸,。,外伤导致胸壁破损，胸膜腔与大气直接接通，称为,开放性气胸。,呼吸运动（原动力）,胸内压变化,肺内压与大气压差变化（直接动力）,肺通气,小结,二、肺通气的阻力,弹性阻力,非弹性阻力,肺通气阻力,胸廓弹性阻力：与胸廓所处的位置有关,肺弹性阻力,气道阻力：与气体流动形式及气道半径有关,粘滞阻力,惯性阻力,肺弹性回缩力,:,占,1/3,肺泡表面张力：,占,2/3,常态下可忽略不计,（一）,弹性阻力,弹性,物体在受到外力作用发生变形时产生的对抗变形的力。,顺应性,:,定义：,在外力作用下弹性体可扩张的难易程度。,与弹性阻力（,R,）成反比,顺应性的度量：,V,P,R,1,C,( L/cmH,2,O ),（,1,）肺的弹性阻力：,度量法,：顺应性,=(1/,弹性阻力,),顺应性大,=,易扩张,=,弹性阻力小,顺应性小,=,不易扩张,=,弹性阻力大,肺容积变化,(,V),肺顺应性,(,C,L,)= = 0.2L/cmH,2,O,跨肺压变化,(,P),肺内压与胸膜腔内压之差,肺的弹性阻力的来源：,弹性回缩力,1/3,肺泡的表面张力,2/3,肺泡表面张力,肺泡内存在液,-,气界面，界面层的液体分子表现的,内聚力。,表面张力方向：指向肺泡中央,负面影响：,增加吸气阻力,使相通肺泡内压不稳定,促进肺部组织液生成,表面活性物质：,成分：,二棕榈酰卵磷脂,分泌,:,肺泡,II,型细胞分泌,作用：,降低肺泡表面张力,1.,维持大小肺泡的稳定性,2.,防止肺水肿,3.,降低吸气阻力,临床,：,成人肺炎、肺血栓等表面活性物质肺不张。,6,7,个月胎儿才开始分泌表面活性物质，故早产儿可因缺乏表面活性物质而发生肺不张和新生儿肺透明膜病呼吸窘迫综合征。,无,向外,吸气的动力,向内,吸气的阻力,(2),胸廓的弹性阻力,胸廓自然位置时的肺容量约相当于肺总量的,67%,胸廓无变形,不表现弹性阻力。,（二）非弹性阻力,惯性阻力：平静呼吸时可忽略不计,粘滞阻力：占,10%-20%,气道阻力：占,80%-90%,气道阻力增加时临床上通气障碍的最常见病因。,影响气道阻力的因素,（,1,）气道口径：,反比,（,2,）气流速度：,正比,（,3,）气流形式,层流：小,湍流：大,气道阻力主要存在于主支气管等大气道。,细支气管、终末细支气管尽管口径很小，但数量极多，因而总阻力很小。,在疾病情况下细支气管对气道阻力影响很大。,影响气道阻力的因素：,跨壁压,：跨壁压大管径被动扩大阻力。,肺实质对气道壁的外向放射状牵引作用,.,气道管壁平滑肌舒缩活动,：,迷走,NAch + M,受体收缩气道阻力,交感,NNE +,2,受体舒张气道阻力,化学因素的影响,：,儿茶酚胺、,PGE,2,气道平滑肌舒张。,组胺、,PGF2,、吸入气,CO,2,、,内皮素气道平滑肌,收缩。,呼吸的全过程,肺通气的原动力？直接动力？原动力向直接动力转化的关键因素？,胸内压的成因及意义？,顺应性？与弹性阻力的关系如何,?,肺表面活性物质由什么细胞分泌？主要成分是什么？有何作用？,（一）肺容积和肺容量,二、 肺通气功能的评价,潮气量,补吸气量,补呼气量,残气量,深吸气量,功能残气量,肺活量,（用力呼气量）,肺总量,肺容积,肺容量,潮气量（,tidal,volume;TV,）,400-600ml,余气量,（,residual volume; RV,）,1000-1500ml,补吸气量（,inspiratory,reserve volume;IRV,）,1500-2000ml,（吸气储备量）,补呼气量（,expiratory reserve volume;ERV,）,900-1200ml,（呼气储备量）,1,、肺容积：,肺内容纳的气体的容积,2.,肺容量：,是肺容积中两项或两项以上的联合气量,深吸气量：从平静呼气末做最大吸气时所能吸入的气量，,=,补吸气量,+,潮气量,。,意义：决定最大通气潜力的重要因素,功能余气量,：平静呼气末存留在肺内的气量，约,2500,毫升，,=,补呼气量,+,余气量,。,意义：缓冲,PO,2,和,PCO,2,的变化,肺活量,：用力吸气后再用力呼气所能呼出的气量，,=,补吸气量,+,潮气量,+,补呼气量,。,正常值：,成年男性平均,3500ml,，女性平均,2500 ml,意义：反映肺一次通气的最大能力,用力肺活量,：,一次最大吸气后，尽力尽快呼气所呼出的最大气体量。,用力呼气量（时间肺活量）,用力吸气后再用力并快速呼出的气体量占肺活量的百分数。,正常值：,t1,末,=83,，,t2,末,=96, t3,末,=99,意义：反映肺活量容量的大小、呼吸所遇阻力的变化，是评价肺通气功能较好指标，阻塞性肺疾患的时间肺活量。,肺总量,（,total lung capacity,，,TLC,）：,肺所能容纳的最大气量。,（二） 肺通气量和肺泡通气量,1.,肺通气量,指每分钟吸入或者呼出肺的气体总量，,肺通气量,=,潮气量,呼吸频率,6-9 L,500,mL,12-18,最大随意通气量,:,以最快速度、最大深度呼吸时的每分通气量为最大随意通气量。,一般可达,70,150 L/min,可了解肺通气功能的储备能力，是评价一个人进行多大运动量的指标。,通气贮量百分比,=,最大随意通气量,-,每分平静通气量,最大随意通气量,150,2500,解剖无效腔,吸气,呼气末,150,2500,150,350,500,呼气,吸气末,150,2500,呼气末,150,350,肺泡气更新率,=,潮气量无效腔量,功能残气量,2.,无效腔和肺泡通气量,生理无效腔解剖无效腔肺泡无效腔,肺泡通气量,:,定义：,每分钟吸入肺泡的新鲜空气量。,=,（潮气量,-,无效腔气量）,呼吸频率,肺通气量和肺泡通气量,呼吸频率 潮气量 肺通气量 肺泡通气量,（次,/min,） （,L,） （,L/min,） （,L/min,）,16 0.5 8.0 5.6,8 1.0 8.0,6.8,32 0.25 8.0 3.2,深而慢的呼吸利于气体交换,第二节 肺换气和组织换气,一、气体交换基本原理,原理：扩散,动力：气体的分压差,影响气体分子在液体和液,-,气之间扩散的因素：,1.,气体的分压差（,P,）,2.,气体分子量（,MW,）和物理溶解度（,S,）,3.,扩散面积（,A,）和距离（,d,）,4.,温度,(T),P,A,S,T,扩散速率,D,= ,d,MW,二、气体交换的过程,肺 组织,（毛细血管）（毛细血管）,血,血, ,血,血,肺换气,三、影响气体交换的因素,（一）肺换气的影响因素,1,.,呼吸膜的面积,:,(60-100m,2,),安静状态时仅有,40m,2,参与气体交换,呼吸膜面积,气体交换,病变,：肺气肿、肺不张、肺叶切除,2.,呼吸膜的厚度：,（,1m,）,呼吸膜厚度,通透性,气体交换,病变：,肺纤维化、尘肺、肺水肿,3.,通气,/,血流比值,通气,/,血流比值肺泡通气量（,V,）,/,肺血流量（,Q,）,4.2L/min /5.0L/min,0.84,V/Q,肺血流,增大肺泡无效腔,换气效率,(,如心衰、肺动脉栓塞,),V/Q,肺通气,功能性,A-V,短路,换气效率,（如哮喘、肺气肿、支气管栓塞）,（二）影响组织换气的因素,1.,组织细胞代谢水平,2.,血供情况,评价肺通气的指标,影响肺换气的因素,肺内容纳气体量,单位时间进出肺的气体量,肺容积,肺容量,肺通气量,肺泡通气量,呼吸膜的面积和厚度,通气血流比值,第三节气体在血液中的运输,一、,运输形式,:,（一）物理溶解,:,气体直接溶解于血浆中。,特征,:,量小,起桥梁作用；,溶解量与分压呈正比,（二）化学结合,:,气体与某些物质进行化学结合。,特征,:,量大,主要运输形式。,物理溶解,化学结合,动态平衡,二、氧的运输,(,一,),物理溶解,：,(1.5%),(,二,),化学结合,:,(98.5%),O,2,与,Hb,的可逆性结合,:,Hb,+ O,2,当,去氧,Hb,达,5g/100ml,以上表浅毛细血管床血液中呈蓝紫色称,紫绀,（一般是缺,O,2,的标志）。,临床常见缺氧及紫绀,PO,2,(,氧合,),PO,2,(,氧离,),HbO,2,鲜红色,暗红色,1,分子,Hb,可与,4,分子,O,2,可逆结合,（,4,个亚基各结合,1,个,O,2,）,Hb+O,2,结合的最大量,氧容量,100ml,血,Hb+O,2,结合的实际量,氧含量,氧含量,氧容量的,%,氧饱和度,2.,O,2,与,Hb,结合的,特征,:,反应快,、,可逆,、,受,PO,2,的影响,、,不需酶的催化；,是氧合，非氧化,:Hb-Fe,2+,+ O,2,Fe,2+,-HbO,2,（因,O,2,结合在,Hb,的,Fe,2+,上时，无电荷的转移）,PO,2, (,氧合,),PO,2, (,氧离,),Hb+O,2,的结合或解离曲线呈,S,形,氧离曲线,定义：表示,PO,2,与血氧饱和度关系的曲线。,形状：,S,形,意义：在肺内有利于,Hb,结合,O,2,，在组织内有利于,Hb,与,O,2,分离,（三）氧离曲线意义,1.,上段,:,PO,2,60,100mmHg,曲线较平坦,表明：,PO,2,变化对血氧饱和度影响不大。,意义,:,保证低氧分压时的高载氧能力。,高原,(2.0KM,的低气压,),PO,2,明显而,Hb,结合,O,2,量变化不大；,轻度呼衰病人肺泡气,PO,2,明显而,Hb,结合,O,2,量变化不大。,如,:,2.,中段,:,PO,2,40,60mmHg,坡度较陡。,上,中,下,表明,：,PO,2,降低能促进大量氧离，血氧饱和度下降显著。,意义,:,维持正常时组织的氧供。,因正常时组织的氧供，,PO,2,在中段范围变化。,表明,：,PO,2,稍有下降,血氧饱和度就急剧下降。,意义,:,维持活动时组织的氧供。,因下段释放,O,2,量为正常时的,3,倍,(= O,2,储备段,),。,3.,下段,:,PO,2,15,40mmHg,坡度更陡,上,中,下,PCO,2,、,PH,2,3-DpG,、,T,（四）影响,氧离曲线的因素,组织里,肺里,PCO,2,PH,DPG T,曲线右（下）移,PCO,2,PH,DPG T,曲线左（上）移,二、,CO,2,的运输,(,一,),物理溶解,：,5,(,二,),化学结合,：,95,HCO,3,-,的形式,：,88,(1),反应过程,：,反应极快且可逆，反应方向取决,PCO,2,差；,RBC,膜上有,Cl,-,和,HCO,3,-,特异转运载体，,Cl,-,转移,维持电平衡,促进,CO,2,化学结合的运输；,需酶催化,:,碳酸酐酶加速反应,0.5,万倍,双向作用；,在,RBC,内反应,在血浆内运输。,(2),反应特征,:,氨基甲酰血红蛋白的形式,：,7,(1),反应过程,：,HbNH,2,O,2,+H,+,+CO,2,(2),反应特征,:,在,组织,在,肺内,HHbNHCOOH,O,2,反应迅速且可逆，无需酶催化；,CO,2,与,Hb,的结合较为松散；,反应方向主要受氧合作用的调节,:,HbO,2,的酸性高,难与,CO,2,结合,反应向左进行,HHb,的酸性低,易与,CO,2,结合,反应向右进行,虽不是主要运输形式,却是高效率运输形式，,因肺部排出的,CO,2,有,20,是此释放的。,带满,O,2,的,Hb,仍可带,CO,2,。,第四节 呼吸运动的调节,正常呼吸运动是在,各级中枢,相互配合共同调节下进行的，当受到各种因素影响时，可,反射性地,引起,呼吸频率,和,深度,的变化，改变肺的通气量以适应机体代谢的需要。,一、呼吸中枢与呼吸节律的形成,呼吸中枢,:,指中枢神经系统内产生呼 吸节律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,和,脊髓,等部位。,（一）呼吸中枢,1.,脊髓（,初级中枢,）,肋间神经,膈神经,呼吸肌运动,2.,低位脑干,(,脑桥、延髓,),在不同水平横断脑干，呼吸节律发生不同改变,中脑,-,脑桥横断,:,呼吸节律无明显变化,延髓,-,脊髓横断,:,呼吸停止,脑桥上,-,中部横断,:,呼吸变慢、深,脑桥,-,延髓,:,喘息样呼吸，不规则呼吸,说明,1.,延髓,：,产生呼吸节律的基本中枢,呼吸神经元的类型,：吸气,N,、呼气,N,和跨时相,N,呼吸神经元分布,延髓呼吸神经元分布两个区：,背侧呼吸组：多为吸气,N,腹侧呼吸组：有吸气,N,和呼气,N,2.,脑桥,：,呼吸调整中枢,位于脑桥嘴段背外侧的臂旁内侧核（,NPBM,）和,Klliker,-Fuse,（,KF,）核,合称,PBKF,核群。主要作用：,抑制吸气，促进吸气向呼气转换,。,3.,高位脑,大脑皮层、边缘系统、下丘脑,呼吸运动在一定范围内可,随意,进行，并能按自身主观意志，在一定限度内停止呼吸或用力加快呼吸，都是在大脑皮层严密控制和协调下完成的。,临床：,自主呼吸、随意呼吸分离现象,传说,:,娥丁的诅咒,(,Odens,curse),（二）,呼吸节律形成机制,1,呼吸节律起源于延髓,20,世纪,20,年代的研究显示：,延髓可独立地产生呼吸节律，而在脑桥上部存在促进吸气向呼气转换的呼吸调整中枢。,机制：神经元网络学说,起步细胞学说,脑桥,KF,核,中枢吸气活动发生器,吸气切断机制,吸气肌运动神经元,肺扩张,肺牵张感受器,（,+,）,（,+,）,（,+,）,（,+,）,（,-,）,（,+,）,延髓,脊髓,吸气肌,收缩,舒张,呼气,效应器,二、呼吸运动的反射性调节,(,一,),肺牵张反射,(,黑,-,伯反射,),肺扩张反射：,肺扩张时抑制吸气的反射。,肺缩小反射：,肺缩小时引起吸气反射。,意义,:,加速吸气和呼气的交替，使呼吸频率增加。,与呼吸调整中枢共同调节呼吸频率和深度。,特征,:,敏感性有种属差异；,正常成人平静呼吸时这种反射不明显，深呼吸时可,能起作用；,病理情况下,(,肺充血、肺水肿等,),肺顺应性降低时起,重要作用。,迷走,N,牵张感受器,(,气管,-,细支气管平滑肌中,),延髓,(,兴奋吸气切断机制,),呼吸运动,N,呼吸肌,(,呼吸频率,),（二）呼吸肌本体感受性反射,本体感受器：肌梭、腱器官,牵张刺激 肌梭,反射性,同块肌肉收缩,意义：,随着呼吸肌负荷的增加而相应地加强呼吸运动，在克服气道阻力上起重要作用。,（三）化学感受性反射,体液中的化学物质（,O,2,、,CO,2,、,H,+,）,通过刺激化学感受器调节呼吸运动加深、加快）的反射。,1,、化学感受器,（,1,）外周化学感受器：颈动脉体,主动脉体,（,2,）中枢化学感受器：,延髓腹外侧的浅表部位,（,1,）外周化学感受器：,颈动脉体,、主动脉体,效应：,呼吸加深加快；心血管效应,（ 颈动脉体） （主动脉体）,特点,适宜刺激：,动脉,血的,P,O,2,、,P,CO,2,、,H,+,传入神经：,窦,N,舌咽,N,主动脉,N,迷走,N,是动脉血的,P,O,2,，,而不是动脉血的,O,2,含量,（,2,）中枢化学感受器,位于延髓腹外侧,适宜刺激：,1,）对,脑脊液,中的,H,+,高度敏感；而血液中,H,+,不易,透过血,-,脑屏 障，故对,A,血中的,H,+,不起作用,2,）血液中的,CO,2,易透过,血,-,脑屏障,进入脑脊液，与,H,2,O,结合生成,H,2,CO,3,，解离出,H,+,而发挥刺激作用。,3,）不感受缺,O,2,的刺激,2,CO,2,、,H,+,和,O,2,对呼吸的影响,（,1,）,CO,2,对呼吸的调节：,CO,2,是呼吸中最重要的生理性刺激因素。,1,时呼吸开始加深；,4,时呼吸加深加快,肺通气量,1,倍以上,;,6,时肺通气量可增大,6-7,倍,;,7,以上呼吸减弱,=,CO,2,麻醉。,CO,2,呼吸减慢（过度通气后可发生呼吸暂停）。,CO,2,PCO,2,调节呼吸的两条途径,：,（,主要途径,）,（,次要途径,）,作用途径：,刺激中枢化学感受器（,80%,）,动脉血,P,CO,2,只需,2mmHg,即可引起效应,(,敏感程度高,),，,但有潜伏期（因脑脊液中碳酸酐酶含量很少）,刺激外周化学感受器,动脉血,P,CO,2,需,10mmHg,才可产生效应,(,敏感程度低,),，,重要性表现在,P,CO,2,突然时，引起早期快速效应；,中枢感受器受抑制时，起决定作用,（,2,）,H+,对呼吸的调节,效应,H,+,，,pH,：,呼吸加深加快,H,+,，,pH,：,呼吸减弱,H,+, ,呼吸,CO,2,排出过多,PCO,2,限制了对呼吸的加强作用呼吸抑制甚至停止。,作用途径,外周化学感受器：作用为主,（难以通过血脑屏障）,（,3,）缺,O,2,对呼吸的调节：,效应,:,作用途径,重要性,思考：,严重肺气肿、肺心病患者能否吸纯,O,2,？,吸入气,P,O,2,肺泡气、动脉血,P,O,2,呼吸加深加快,对正常呼吸调节作用不大：,当动脉血,P,O,2,80mmHg,时出现,当动脉血,P,O,2,60mmHg,时明显,完全由外周化学感受器引起,（低氧对呼吸中枢的直接作用是抑制）,当,A,血,P,O,2,40mmHg,时，呼吸反而抑制,病例分析,以下疾病为何引起机体缺氧？,气胸，呼吸窘迫症，支气管哮喘，,老年性慢性支气管炎，呼吸肌麻痹,高原缺氧，贫血，肺水肿，,CO,中毒,