临床呼吸生理

临床呼吸生理涉及肺通气功能、换气功能、呼吸调节功能及肺循环功能等诸多方面。其中,肺循环功能将在相关章节详述,本节不予赘述。

1.呼吸力学

(1)呼吸动力:人体在呼吸过程中,胸廓和肺会出现相应的活动,吸气时扩大,呼气时缩小。此活动的发生动力主要来源于呼吸肌的收缩和舒张,以及胸、肺的弹性回缩。神经中枢与体液化学因素的调节,使呼吸肌有节律地收缩。

①吸气动力:吸气时,呼吸中枢产生的吸气讯号通过神经传导引起吸气肌兴奋收缩,膈肌中心部分下移增加了胸廓的长径;肋间外肌的收缩使胸骨及肋骨上移、胸廓前后径及左右径均增宽,使胸腔容积增大。主要的吸气肌为膈肌和肋间肌;此外,还有一些辅助吸气肌,如斜方肌、胸锁乳突肌等。

②呼气动力:平静状态下,呼气的动力主要来源于扩张的胸廓和肺部产生的弹性回缩力,呼气肌不参与呼气运动。用力呼气时,呼气肌参与其中,肋间内肌收缩使肋骨下移,胸廓前后径变小,腹壁肌肉的收缩使腹腔容积变小,膈肌上移,最终使胸腔容积缩小,协助呼气。

由此可见,正常的呼吸中枢驱动、神经传导、呼吸肌功能及完整的胸廓是呼吸动力正常的主要因素,任何原因影响到这些因素[如脑外伤、出血、炎症、肿瘤等导致的呼吸中枢受损,神经肌肉疾病(如重症肌无力),胸廓疾病(如开放性气胸)等]都会使呼吸动力(或称呼吸泵)的功能受损。

(2)呼吸阻力:呼吸动力做功的目的是要吸入气体,使空气(如氧气)从肺外进入肺内,而这必须克服呼吸阻力。呼吸系统的阻力如按解剖位置分类,可分为鼻腔阻力、口腔阻力、咽喉部阻力、气管阻力、支气管阻力、肺泡与肺组织阻力以及胸廓阻力等。如按物理特性分类,可分为黏性阻力、弹性阻力和惯性阻力。

①黏性阻力(viscous resistance):系气体通过气道时因摩擦消耗所产生的阻力,分布在大、小气道和肺组织,但绝大部分来自于气道。阻力的大小与气体的性质(如密度)、气道的长度和管径以及引起气流的压力差等因素有关,其中以气道的管径影响最大,因而气道狭窄(如哮喘)会导致气道阻力的迅速增加。

②弹性阻力(elastic resistance):系胸廓和肺组织扩张膨胀所消耗的阻力,主要分布在胸廓、肺组织、肺泡和可扩展的细小支气管。弹性阻力的倒数即为顺应性(compliance),即单位压力下的容量变化,按部位可分为胸廓顺应性和肺顺应性。气管因有软骨环作支架,气管容积基本变化不大.其顺应性可忽略。

③惯性阻力(inertia resistance):系在气体流动和胸廓扩张运动过程中产生的阻力,主要存在于大气道和胸廓。

如消耗于三种阻力的压力恒定,则黏性阻力的大小取决于呼吸流量,弹性阻力取决于胸肺容积,而惯性阻力则取决于呼吸气流的加速度。呼吸系统的黏性阻力、弹性阻力和惯性阻力统称为呼吸总阻力或呼吸总阻抗(total respiratory impedance)。

呼吸阻力增大使气体进入体内变得困难,患者感到胸闷、气促、喘息等不适。气道阻塞性疾病如支气管哮喘的急性发作期、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)、支气管肿瘤等,以及胸肺顺应性下降的疾病如肺纤维化、肺水肿、胸廓畸形等均可有呼吸阻力增高的表现。

2.肺通气功能 呼吸动力克服呼吸阻力使呼吸得以进行,气体通过气道进出于肺,肺容量发生相应改变,是呼吸气体交换的第一步。按改变与呼吸时间的关系可分为静态肺容量和动态肺通气。

(1)静态肺容量:指肺部能容纳的呼吸气量。在不同的呼吸时相位,肺容量可有相应的改变,如残气位、功能残气位、肺总量位等。肺容量是临床评估肺功能的基础。

(2)肺通气功能:指单位时间随呼吸运动进出肺的气体容积,即呼吸气体的流动能力。是临床评估肺功能最常用和最广泛使用的检查方法。

肺通气的产生机制和过程:在呼吸动力学中已经描述,吸气肌的收缩增加了胸廓的长径、前后径以及左右径,使胸肺容积增大,这导致胸腔及肺泡内负压增大低于开口压(大气压),两者的差异为经肺压。气体压力的差异产生气流,驱动气体从体外进入,经鼻、咽、喉、气管、支气管等大小气道最终进入肺泡,当肺泡压与口腔压相等时吸气气流停止,增大的胸廓和肺容积亦导致胸肺弹性回缩力增加。当吸气肌停止收缩后,胸廓和肺由于弹性回缩力的作用而使胸腔容积和肺容积趋于缩小,肺泡内压高于口腔压,形成自然呼气。平静呼吸时气是主动的,而呼气是被动的,呼气时,除吸气肌群舒张外,肋间内肌和腹壁肌参与收缩才构成主动呼气。呼吸肌的舒张收缩、胸廓与肺的弹性力量形成胸部风箱式的呼吸动作以及呼吸气流进出肺泡,共同形成肺通气。

在用力呼气相早期即(高肺容量位),呼气流量与用力程度成正比;但在中后期的低肺容量位,呼气流量却呈非用力依赖性特点。这一现象可用等压点学说阐明:用力呼气时,由于气流阻力的作用,肺内气体沿周围气道呼出至气管开口端的过程中,气道内压逐渐下降,当气道内压降至与胸膜腔内压相等的某一点,称为等压点。依等压点学说,气道可分为两段:自等压点至肺泡侧的较小气道称为上游段;等压点至气道开口的较大气道为下游段。在上游段,气道内压>胸膜腔内压,管腔不会被压缩;在下游段,气道内压<胸膜腔内压,气道被压缩,管腔变小。等压点在用力呼气过程中并非固定不变,它反映的是动态生理变化。从动力学角度来看,肺泡弹性回缩力是肺泡等压点气道内产生流量的驱动力,而气道阻力则决定肺泡回缩力能有效作用于气道壁上保持通畅的长度(即上游段的长度)。驱动力愈大,气道阻力愈小,而等压点离肺泡则愈远。这见于高肺容量用力呼气时,等压点移至大气道,其下游段气道因有气管软骨环支持而不被压缩,气道阻力小。因此,高肺容量时气流量具有用力依赖性。随呼气肺容积减少、驱动力下降,等压点渐向周围气道移动,这时的下游段气道在胸膜腔内压作用下被挤压,管腔狭小,气道阻力增大,抵消了胸膜腔内压作用于肺泡增加呼气流量的作用力,表现为流量自我受限,即低肺容量下呼气流量的非用力依赖性。

凡能影响呼吸频率、呼吸幅度和气体流量的生理、病理因素均可影响肺通气功能。气道阻塞性疾病以及肺容积扩张受限性疾病均可导致通气功能受损。

通气功能在不同的时间或季节可有波动变化,这种变化在气道敏感性增高的病人(如支气管哮喘)更加明显,气道反应性检查多在通气功能检查的基础上进行。

3.气体分布 气体进入肺内后广泛分布于各肺泡中,但即使在正常人也存在气体分布不均的现象。肺上、下部单位肺容积的通气量不等,不同呼吸时相气体在肺内的分布也有差异,其最主要原因在于跨肺压的重力依赖性。另外,胸廓结构的影响和肺门组织的牵拉也导致通气分布不均。

直立位受重力作用的影响,下胸部的胸膜腔内压较上胸部高(即负压较小),低垂部位的跨肺压低于上肺部跨肺压,呈重力依赖性。平静呼吸时,下肺区的肺单位常常是开放的,但跨肺压常较上肺区低。正常吸气时,气体首先进入下肺区,越靠近膈肌,单位肺容积通气量越多,局部肺泡容积与肺泡通气之间存在明显的矛盾现象。吸气过程中,下肺区跨肺压的改变比上肺区改变明显,所以通气在下肺区的分布多于上肺区。由于胸廓上部和底部外形的差异,使胸廓上部的活动度较下部少,横膈下降使肺下叶扩张比上叶明显。这种气体分布不均主要出现在功能残气位以下的水平,而在功能残气位以上水平,肺内气体分布则相对均匀。

由于受到重力作用的影响,不同的体位亦影响通气在肺部的分布。健康人于清醒坐位时,右肺通气稍多于左肺,这与右肺容积略大于左肺有关;在仰卧位时,虽然功能残气量减少,但单位肺容积的通气分布相对均匀;而在直立位时,下叶的通气分布较上叶好;在侧卧位时低垂部位的通气分布较高位部分好,因为在功能残气位时,低侧肺接近残气位,而高侧肺接近最大吸气位,膈肌的低侧部分处在胸廓的较高位置,使低侧肺在吸气时能更有效地收缩,从而获得较大的容积改变。低侧肺的优先通气与低侧肺血液灌注增加,使得其通气/血流比值无明显变化。

胸廓扩张可降低胸膜腔内压,使肺组织扩张,但肺门周围肺组织的扩张亦受大气道的牵拉和限制,因而在直立位的任何水平肺组织,吸气动作都使外周肺组织扩张度较肺门周围肺组织明显。由此可见,除了存在垂直方向的通气不均外,尚有水平方向的通气分布不均。

生理因素产生了一定程度的通气不均匀分布,肺和气道的病理改变则加重了此现象。局部肺组织弹性下降(如肺纤维化),将使肺顺应性下降。在跨肺压差一定时,肺组织顺应性越小,肺组织的扩张度亦越小。局部气道阻塞(如肿瘤压迫气道),增加了气流阻力,使某些肺区域通气不良。胸腔积液可限制肺扩张,使肺顺应性下降,导致通气不均匀分布。

通气分布不均不仅是通气功能异常的结果,也是换气功能异常的原因之一。弥漫性支气管肺疾病可加剧这种分布的不均。通气/血流分布不均是动脉低氧血症的最常见原因。因此,测定通气在肺内的分布对判断病理状况下病理生理改变有重要价值。

4.肺换气功能 肺除了具有通气功能外,也是人体进行气体交换的惟一器官。气体分子[有呼吸生理意义的主要为氧气(O2)及二氧化碳(CO2)]通过肺泡膜进行气体交换。肺泡膜由肺泡上皮及其基底膜、肺泡毛细血管内皮及其基底膜以及两个基底膜之间的结缔组织所构成。由于气体交换是通过被动扩散或称弥散的方式进行,因而也称为肺的弥散功能。

影响肺内气体弥散的决定因素主要有以下4种。

(1)呼吸膜两侧的气体分压差:气体交换的动力取决于该气体的肺泡压与毛细血管压之间的差值。依气体的压力梯度(或浓度梯度)从高压区移向低压区,分压差越大,则进行交换的气体越多。要保证这种压力梯度,需有正常的通气功能及正常的气体分布,以维持动脉血氧分压(PaO2)、动脉二氧化碳分压(PaCO2)在正常范围以及时间常数(=气道阻力×肺顺应性)正常。由于肺泡中的氧气分压(或浓度)较肺泡毛细血管高,而肺泡毛细血管中的二氧化碳分压(或浓度)较肺泡高,因此,氧气从肺泡进入肺泡毛细血管,而二氧化碳则从肺泡毛细血管进入肺泡。

(2)气体的溶解度:气体在肺泡内弥散至液体的相对速率与气体的密度及气体在液体中的溶解度有关,后者是影响气体在液体中弥散的重要因素。二氧化碳的弥散能力比氧气大20倍,当患者弥散功能发生异常时,氧的交换要比二氧化碳更易受影响。在临床上,肺弥散功能的障碍可明显影响动脉血氧水平,而非至终末期不会发生二氧化碳弥散障碍,故肺弥散实际上是指氧气的弥散是否正常。

(3)弥散距离:气体在肺内的弥散路径包括表面活性物质层、呼吸膜、毛细血管中血浆层、细胞膜及红细胞内血红蛋白,其中呼吸膜的厚度对弥散功能有重要影响。呼吸膜任何部分的病变(如增厚、渗透等)均可使弥散距离增加,从而影响肺弥散。由于氧在液体(如血液)中的溶解度很低,氧气必须与血液中的血红蛋白结合,才能有足够的氧气,供机体的新陈代谢所需,因而临床上肺的弥散功能试验还包括了氧与毛细血管红细胞内血红蛋白结合的过程,血液中的血红蛋白量少亦会导致弥散距离增加从而影响弥散能力。

(4)弥散面积:是指与有血流通过的毛细血管相接触的具有功能的肺泡面积。任何损害肺血流或肺泡膜结构的因素均可影响肺通气与血流灌注比例(V/Q),导致弥散功能下降。

临床上,影响肺泡膜两侧氧分压差的主要原因是环境低氧(如高原)。影响气体通过肺泡膜的主要原因是气体交换面积减少(如毁损肺、肺气肿等)或弥散距离增加(如肺纤维化、肺水肿等)。V/Q异常常见于肺气肿、肺动静脉分流、大面积的肺栓塞等。血红蛋白含量减少(如失血、贫血)或特异性改变如血红蛋白异常、中毒等也会导致肺的弥散功能下降。

使用氧气进行弥散功能检查是最有临床意义的方法,然而有许多原因限制了氧的弥散功能的测定。临床上,一氧化碳(CO)是测定气体弥散功能的理想气体,因其透过肺泡毛细血管膜以及与红细胞血红蛋白反应的速率与氧气相似。除大量吸烟者外,正常人血浆内一氧化碳含量几乎是零,因而便于计算一氧化碳的摄取量。一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力大200多倍,因此生理范围内的氧分压不是一个主要干扰因素,另外,一氧化碳在转运过程中几乎不溶解在血浆中。因此,临床多利用一氧化碳做弥散功能检查。

血气分析亦是检查肺换气功能的一项重要指标,临床测定较为简便。引起肺通气和(或)换气功能下降的任何因素都可能引起血气分析的异常,而血气分析异常则说明患者的呼吸功能已处于失代偿状态。血气分析常与酸碱平衡一并分析,详见血气分析与酸碱平衡章节。

5.气道反应性 自然界存在着各种各样的刺激物,包括生物性刺激物(如尘螨、动物皮毛、花粉等)、物理性刺激物(如冷空气)及化学性刺激物(如甲苯、二氧化硫等)。当这些刺激物被吸入时,气道可做出不同程度的收缩反应,此现象称为气道反应性(airway reactivity)。

气道反应的强度可因刺激物的特性、刺激物的作用时间以及受刺激个体对刺激的敏感性不同而各异。正常人对这种刺激反应程度相对较轻或无反应;而在某些人群(特别是哮喘者),其气管、支气管敏感状态异常增高,对这些刺激表现出过强和(或)过早的收缩反应,称为气道高反应性(airway hyperreactivity,或airway hyperrespon siveness,AHR)。

(1)气道反应性的特点:气道反应性的改变可表现为气道的舒张和收缩,通过气道管径的大小反映出来。由于在整体上检查气道管径有困难,根据流体力学中阻力与管腔半径的4次方成反比这一原理,临床和实验室检查常用测定气道阻力的大小来反映气道管腔的改变。同时,由于气道阻力与气体流量成反比,因此气体流量也常用于反映气道管径的大小。

气道反应随刺激物剂量的变化可通过剂量-反应曲线显示。随刺激物剂量的增大气道阻力呈S形增加,对较低浓度的刺激无气道阻力明显反应,为曲线的低平台部分;随刺激物剂量的增加,当达到一定的阈值后,气道阻力开始增加,但当反应达到最大值时,即使再增加刺激物剂量也不再增加反应值,出现曲线的高平台部分。图1-1中曲线A为正常曲线;曲线B左移,提示较小剂量的刺激即可引起气道管径的改变,刺激阈值前移,敏感性(sensitivity)增加;曲线C幅度增大,提示其刺激域虽与正常曲线相同,但增加剂量情况下其气道反应的强度即反应性(reactivity)增大。曲线D则为气道敏感性和反应性均增高,AHR者多见此种改变。刺激物剂量变应原刺激既可引起哮喘的急性发作(速发反应),也可引起哮喘的慢性发作(迟发反应)。迟发反应的强度和持续时间往往较速发反应更为明显和持久,对病人给予变应原刺激者须注意对迟发反应的观察。临床实践中,考虑到受试者的安全性,一般当给予刺激后机体反应达到一定的强度时即终止激发试验,而无须达到反应最大值。

图1　剂量-反应曲线

(2)气道反应性的临床检查

①支气管激发试验:支气管激发试验(bronchial provocation test或bronchial challenge test,BPT)是通过吸入某些刺激物诱发气道收缩反应的方法,借助肺功能指标的改变来判定支气管缩窄或舒张的程度。支气管激发试验主要用于协助临床诊断气道反应性增高,尤其是对支气管哮喘的诊断。此外,支气管激发试验亦用于对气道高反应性严重度的判断和治疗效果的分析,也可用于对气道疾病发病机制的研究。

②支气管舒张试验(bronchial dilation test,BDT)气道受到外界因素的刺激可引起痉挛收缩反应。相反,痉挛收缩的气道可自然或经支气管扩张药物治疗后舒缓,此现象称为气道可逆性(airway reversibility)。气道反应性和气道可逆性是气道功能改变的两个重要的病理生理特征。与支气管激发试验的原理相同,由于直接测定气道管径较为困难,临床上也常用肺功能指标来反映气道功能的改变。通过给予支气管扩张药物的治疗,观察阻塞气道舒缓反应的方法,称为支气管舒张试验,亦称支气管扩张试验。支气管对支气管扩张药的反应性是气道上皮、神经、介质及支气管平滑肌的综合反应。支气管舒张试验是了解气流受限变化可逆性的最重要的检查,是临床诊断慢性阻塞性肺疾病的依据之一,也是在吸入支气管扩张药后的肺功能诊断“金标准”。