影响气体交换的因素

如前所述,气体扩散速率受气体分子理化特性,即分压差、分子量及溶解度的影响。但在人体内,肺和组织换气过程还受其他因素的影响。

(一)影响肺换气的因素

1.呼吸膜的面积和厚度 呼吸膜指的是肺泡腔与肺毛细血管腔之间的膜,它由6层结构组成,即含有表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、肺泡上皮基膜层、肺泡与毛细血管之间的间质、毛细血管基膜层、毛细血管内皮细胞层(图5-6)。正常呼吸膜非常薄,平均厚度不到1μm,有的部位仅厚约0.2μm,因此通透性极大,气体很容易扩散通过。正常成年人肺的总扩散面积也很大,约100m2。平静呼吸时,可供气体交换的呼吸膜面积仅约为40m2;用力呼吸时,肺毛细血管开放增多,呼吸膜面积可增大到约70m2。呼吸膜广大的面积及良好的通透性,保证了肺泡与血液间能迅速地进行气体交换。在病理情况下,呼吸膜面积的减小(如肺气肿)或呼吸膜的厚度增加(如肺炎、肺纤维化等)都将导致气体扩散量减少。

图5-6　呼吸膜结构

2.通气/血流比值 由于肺换气是发生在肺泡与血液之间,要达到高效率的气体交换,肺泡既要有充足的通气量,又要有足够的血流量供给,它们之间应有一个适当的比值。通气/血流比值(ventilation/perfusion ratio,简称V/Q比值)指的是每分钟肺泡通气量与肺血流量之间的比值。正常成年人在安静状态下,每分钟肺泡通气量约为4.2L,肺血流量即心排血量约为5.0L/min,V/Q比值约为0.84。人体活动增强时,肺泡通气量增大,同时肺血流量也相应增加,V/Q比值仍保持约0.84。V/Q比值在0.84的情况下,肺泡通气量与肺血流量配合适当,气体交换的效率高,静脉血流经肺毛细血管时,将全部变为动脉血(图5-7A)。如果V/Q比值增大,说明通气过度或肺血流量不足(如肺血管栓塞,图5-7B),这时部分肺泡气不能与血液气体充分交换,致使肺泡无效腔的增大;反之如果V/Q比值减小,说明通气不足(如支气管痉挛,图5-7C)或肺血流量过多,这时部分静脉血中得不到充分交换,形成了功能性动脉-静脉短路。由此可见,V/Q比值大于或小于0.84,都将使换气效率降低。

图5-7　通气/血流比值变化

(二)影响组织换气的因素

影响组织换气的因素,主要是组织细胞代谢及血液供应情况。当组织细胞代谢活动增强时,O2耗量、CO2产生量增多,使动脉血与组织间的O2及CO2分压差增大,气体交换增多,同时组织代谢产生的酸性产物,使毛细血管大量开放,血流量增多,也有利于气体交换。此外,组织细胞与有血流的毛细血管间距离也影响气体交换。例如,组织水肿时,细胞与毛细血管间的距离增大,换气将减少。如果水肿组织间隙压力过高,压迫毛细血管,将使气体交换进一步减少。