肺換氣

肺換氣

肺換氣是指肺泡肺毛細血管血液之間的氣體交換過程。

過程


肺通氣進入肺泡的新鮮空氣與血液進行氣體交換,氧氣從肺泡順著分壓差擴散到靜脈血,而靜脈血中的二氧化碳,則向肺泡擴散。這樣,靜脈血中的氧分壓逐漸升高,二氧化碳分壓逐漸降低,最後接近於肺泡氣的氧分壓和二氧化碳分壓。由於氧氣和二氧化碳的擴散速度極快,僅需約0.3s即可完成肺部氣體交換,使靜脈血 在流經肺部之後變成了動脈血。一般血液流經肺毛細血管的時間約0.7s,因此當血液流經肺毛細血管全長約1/3時,肺換氣過程基本上已完成。
一般將氣體在1mmHg分壓差作用下,每分鐘通過呼吸膜擴散的氣體毫升數稱為肺擴散容量(pulmonary diffusion capacity,Dv),即:DL=V/ | P(A)—P(C)|上式中V是每分鐘通過呼吸膜的氣體容積(ml/min),P(A)是肺泡氣中該氣體的平均分壓,P(C)是肺毛細血管血液內該氣體的平均分壓。肺擴散容量是測定呼吸氣通過呼吸膜能力的重要指標。正常人安靜時氧氣的肺擴散容量約為20ml/(min·mmHg),二氧化碳的肺擴散容量為氧氣的20倍。運動時肺擴散容量增加;肺疾病情況下,肺擴散容量可因有效擴散面積減小或擴散距離增加而降低。
肺泡與組織氣體交換示意圖(mmHg)
肺泡與組織氣體交換示意圖(mmHg)

影響因素


氣體的分壓差
氣體交換的動力是氣體的分壓差(Difference of partial pressure,ΔP)。氣體的分壓差越大,則擴散越快,擴散速率越大;反之,分壓差小則擴散速率低。氣體的分壓差也決定氣體交換的方向。
氣體的溶解度與分子量
在其他條件相同時,氣體擴散速率與氣體在溶液中的溶解度(S)成正比,與氣體分子量(MW)的平方根成反比。氣體的溶解度與分子量的平方根之比稱為擴散係數(diffusion coefficient)。因為二氧化碳在血漿中的溶解度(51.5%)約為氧氣的(2.14%)24倍,二氧化碳的分子量(44)大於氧氣(32),這樣二氧化碳的擴散係數是氧氣的20倍。盡氧氣的分壓差比二氧化碳的分壓差大將近10倍,二氧化碳的擴散速度仍為氧氣的2倍。因此臨床上易出現缺氧二氧化碳瀦留少見。
呼吸膜的面積
正常成人約3億個肺泡的呼吸膜總面積約70㎡。在安靜狀態下,機體僅需40㎡的呼吸膜便足以完成氣體交換。因此,呼吸膜有30㎡的貯備面積。運動時肺毛細血管開放數量和開放程度增加,呼吸膜面積(A)增加,加快氧氣和二氧化碳擴散的速度。反之,肺不張肺實變肺氣腫時呼吸膜擴散面積減小,氣體交換減少。
呼吸膜的厚度
呼吸膜的結構模式圖
呼吸膜的結構模式圖
呼吸膜又稱為肺泡-毛細血管膜。由含肺表面活性物質的極薄的液 體層、肺泡上皮細胞層、上皮基底膜層、肺泡上皮和毛細血管基膜之間含有膠原纖維彈性纖維的間隙、毛細血管基膜層及毛細血管內皮細胞層6層組成。但呼吸膜的總厚度(d)不到1μm,最薄處只有0.2μm,氣體易於擴散通過。此外,由於肺毛細血管平均直徑不足8μm,血液層很薄,紅細胞膜通常能接觸到毛細血管壁,使氧氣和二氧化碳可不經大量的血漿層即可到達紅細胞或進入肺泡,擴散距離短,氣體交換速度加快。病理情況下,如肺纖維化肺水腫時呼吸膜增厚或擴散距離加大都會降低擴散速率,減少氧氣和二氧化碳擴散量。此時若增加運動,可因血流加速縮短氣體在肺部的交換時間,進一步降低氣體交換,加重呼吸困難
溫度
溫度愈高,氣體分子運動速度愈快,故氣體擴散速率與溫度成正比。
氣體擴散速率 ∝ ΔP·T·A·S/[d·(√MW)]
以上主要是從肺泡內氣體的角度來討論肺換氣的影響因素,但肺泡內的氣體是與流經肺部的血液之間進行氣體交換。因此,還必須考慮到通氣與血流的匹配。
通氣/血流比值(ventilation/perfusion ratio,V(A)/Q),是指每分肺泡通氣量(VA)和每分肺血流量(Q)(心輸出量)的比值(V(A)/Q)。正常成年人安靜時肺泡通氣量約為4200ml/min,心輸出量為5000mI/min。因此,V(A)/Q為0.84,這就意味著肺泡通氣量與肺血流量的比例適宜,氣體交換的效率最高,即流經肺部的靜脈血變成了動脈血。如果V(A)/Q比值增大,表明通氣過度或血流不足,使得部分肺泡氣未能與血液氣體充分交換,造成肺泡無效腔增大。反之,V(A)/Q下降,則意味著通氣不足或血流相
對過剩,造成部分血液流經通氣不良的肺泡,混合靜脈血中的氣體未能得到充分更新,在流經肺部之後仍然是靜脈血,相當於功能性動一靜脈短路。因此,從氣體交換角度來看,V(A)/Q增大或減小時肺換氣的效率都差;如果肺內某一區域,或者整個肺的肺泡通氣量和血流量按比例同向變化,保持V(A)/Q值為0. 84,則能維持氣體的交換效率。因此,決定肺換氣效率的因素是肺泡通氣量和肺血流量的比值,而非它們的絕對值。
正常成年人直立時肺泡通氣與肺血液的分佈
正常成年人直立時肺泡通氣與肺血液的分佈
健康成人全肺的V(A)/Q為0. 84,但在肺的各個局部區域 的V(A)/Q存在差異。這與肺泡通氣量和肺毛細血管血流量的不均勻分佈有關。人在直立位時,由於重力等因素的作用,肺泡通氣量由上(肺尖部)至下(肺底部)逐漸遞增,肺底部的肺泡通氣量是肺尖部的3倍。肺血流量亦發生同樣由上至下的遞增,肺底部的血流量是肺尖部的10倍。也就是說,肺尖部的肺泡通氣量的減少幅度小於肺血流量,肺尖部的V(A)/Q較大,可達3以上;而肺底部的肺泡通氣量增加幅度小於肺血流量,肺底部的V(A)/Q比值較小,可低至0.6。正常情況下,儘管存在肺泡通氣和血流的不均勻分佈,導致肺不同部位的V(A)/Q的不一致,但由於呼吸膜面積遠遠超過肺換氣的實際需要,因而並不影響正常的氣體交換。