臨床呼吸生理涉及肺通氣功能、換氣功能、呼吸調(diào)節(jié)功能及肺循環(huán)功能等諸多方面。其中,肺循環(huán)功能將在相關(guān)章節(jié)詳述,本節(jié)不予贅述。

1.呼吸力學(xué)

(1)呼吸動力:人體在呼吸過程中,胸廓和肺會出現(xiàn)相應(yīng)的活動,吸氣時擴(kuò)大,呼氣時縮小。此活動的發(fā)生動力主要來源于呼吸肌的收縮和舒張,以及胸、肺的彈性回縮。神經(jīng)中樞與體液化學(xué)因素的調(diào)節(jié),使呼吸肌有節(jié)律地收縮。

①吸氣動力:吸氣時,呼吸中樞產(chǎn)生的吸氣訊號通過神經(jīng)傳導(dǎo)引起吸氣肌興奮收縮,膈肌中心部分下移增加了胸廓的長徑;肋間外肌的收縮使胸骨及肋骨上移、胸廓前后徑及左右徑均增寬,使胸腔容積增大。主要的吸氣肌為膈肌和肋間肌;此外,還有一些輔助吸氣肌,如斜方肌、胸鎖乳突肌等。

②呼氣動力:平靜狀態(tài)下,呼氣的動力主要來源于擴(kuò)張的胸廓和肺部產(chǎn)生的彈性回縮力,呼氣肌不參與呼氣運(yùn)動。用力呼氣時,呼氣肌參與其中,肋間內(nèi)肌收縮使肋骨下移,胸廓前后徑變小,腹壁肌肉的收縮使腹腔容積變小,膈肌上移,最終使胸腔容積縮小,協(xié)助呼氣。

由此可見,正常的呼吸中樞驅(qū)動、神經(jīng)傳導(dǎo)、呼吸肌功能及完整的胸廓是呼吸動力正常的主要因素,任何原因影響到這些因素[如腦外傷、出血、炎癥、腫瘤等導(dǎo)致的呼吸中樞受損,神經(jīng)肌肉疾病(如重癥肌無力),胸廓疾病(如開放性氣胸)等]都會使呼吸動力(或稱呼吸泵)的功能受損。

(2)呼吸阻力:呼吸動力做功的目的是要吸入氣體,使空氣(如氧氣)從肺外進(jìn)入肺內(nèi),而這必須克服呼吸阻力。呼吸系統(tǒng)的阻力如按解剖位置分類,可分為鼻腔阻力、口腔阻力、咽喉部阻力、氣管阻力、支氣管阻力、肺泡與肺組織阻力以及胸廓阻力等。如按物理特性分類,可分為黏性阻力、彈性阻力和慣性阻力。

①黏性阻力(viscous resistance):系氣體通過氣道時因摩擦消耗所產(chǎn)生的阻力,分布在大、小氣道和肺組織,但絕大部分來自于氣道。阻力的大小與氣體的性質(zhì)(如密度)、氣道的長度和管徑以及引起氣流的壓力差等因素有關(guān),其中以氣道的管徑影響最大,因而氣道狹窄(如哮喘)會導(dǎo)致氣道阻力的迅速增加。

②彈性阻力(elastic resistance):系胸廓和肺組織擴(kuò)張膨脹所消耗的阻力,主要分布在胸廓、肺組織、肺泡和可擴(kuò)展的細(xì)小支氣管。彈性阻力的倒數(shù)即為順應(yīng)性(compliance),即單位壓力下的容量變化,按部位可分為胸廓順應(yīng)性和肺順應(yīng)性。氣管因有軟骨環(huán)作支架,氣管容積基本變化不大.其順應(yīng)性可忽略。

③慣性阻力(inertia resistance):系在氣體流動和胸廓擴(kuò)張運(yùn)動過程中產(chǎn)生的阻力,主要存在于大氣道和胸廓。

如消耗于三種阻力的壓力恒定,則黏性阻力的大小取決于呼吸流量,彈性阻力取決于胸肺容積,而慣性阻力則取決于呼吸氣流的加速度。呼吸系統(tǒng)的黏性阻力、彈性阻力和慣性阻力統(tǒng)稱為呼吸總阻力或呼吸總阻抗(total respiratory impedance)。

呼吸阻力增大使氣體進(jìn)入體內(nèi)變得困難,患者感到胸悶、氣促、喘息等不適。氣道阻塞性疾病如支氣管哮喘的急性發(fā)作期、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)、支氣管腫瘤等,以及胸肺順應(yīng)性下降的疾病如肺纖維化、肺水腫、胸廓畸形等均可有呼吸阻力增高的表現(xiàn)。

2.肺通氣功能 呼吸動力克服呼吸阻力使呼吸得以進(jìn)行,氣體通過氣道進(jìn)出于肺,肺容量發(fā)生相應(yīng)改變,是呼吸氣體交換的第一步。按改變與呼吸時間的關(guān)系可分為靜態(tài)肺容量和動態(tài)肺通氣。

(1)靜態(tài)肺容量:指肺部能容納的呼吸氣量。在不同的呼吸時相位,肺容量可有相應(yīng)的改變,如殘氣位、功能殘氣位、肺總量位等。肺容量是臨床評估肺功能的基礎(chǔ)。

(2)肺通氣功能:指單位時間隨呼吸運(yùn)動進(jìn)出肺的氣體容積,即呼吸氣體的流動能力。是臨床評估肺功能最常用和最廣泛使用的檢查方法。

肺通氣的產(chǎn)生機(jī)制和過程:在呼吸動力學(xué)中已經(jīng)描述,吸氣肌的收縮增加了胸廓的長徑、前后徑以及左右徑,使胸肺容積增大,這導(dǎo)致胸腔及肺泡內(nèi)負(fù)壓增大低于開口壓(大氣壓),兩者的差異為經(jīng)肺壓。氣體壓力的差異產(chǎn)生氣流,驅(qū)動氣體從體外進(jìn)入,經(jīng)鼻、咽、喉、氣管、支氣管等大小氣道最終進(jìn)入肺泡,當(dāng)肺泡壓與口腔壓相等時吸氣氣流停止,增大的胸廓和肺容積亦導(dǎo)致胸肺彈性回縮力增加。當(dāng)吸氣肌停止收縮后,胸廓和肺由于彈性回縮力的作用而使胸腔容積和肺容積趨于縮小,肺泡內(nèi)壓高于口腔壓,形成自然呼氣。平靜呼吸時氣是主動的,而呼氣是被動的,呼氣時,除吸氣肌群舒張外,肋間內(nèi)肌和腹壁肌參與收縮才構(gòu)成主動呼氣。呼吸肌的舒張收縮、胸廓與肺的彈性力量形成胸部風(fēng)箱式的呼吸動作以及呼吸氣流進(jìn)出肺泡,共同形成肺通氣。

在用力呼氣相早期即(高肺容量位),呼氣流量與用力程度成正比;但在中后期的低肺容量位,呼氣流量卻呈非用力依賴性特點(diǎn)。這一現(xiàn)象可用等壓點(diǎn)學(xué)說闡明:用力呼氣時,由于氣流阻力的作用,肺內(nèi)氣體沿周圍氣道呼出至氣管開口端的過程中,氣道內(nèi)壓逐漸下降,當(dāng)氣道內(nèi)壓降至與胸膜腔內(nèi)壓相等的某一點(diǎn),稱為等壓點(diǎn)。依等壓點(diǎn)學(xué)說,氣道可分為兩段:自等壓點(diǎn)至肺泡側(cè)的較小氣道稱為上游段;等壓點(diǎn)至氣道開口的較大氣道為下游段。在上游段,氣道內(nèi)壓>胸膜腔內(nèi)壓,管腔不會被壓縮;在下游段,氣道內(nèi)壓<胸膜腔內(nèi)壓,氣道被壓縮,管腔變小。等壓點(diǎn)在用力呼氣過程中并非固定不變,它反映的是動態(tài)生理變化。從動力學(xué)角度來看,肺泡彈性回縮力是肺泡等壓點(diǎn)氣道內(nèi)產(chǎn)生流量的驅(qū)動力,而氣道阻力則決定肺泡回縮力能有效作用于氣道壁上保持通暢的長度(即上游段的長度)。驅(qū)動力愈大,氣道阻力愈小,而等壓點(diǎn)離肺泡則愈遠(yuǎn)。這見于高肺容量用力呼氣時,等壓點(diǎn)移至大氣道,其下游段氣道因有氣管軟骨環(huán)支持而不被壓縮,氣道阻力小。因此,高肺容量時氣流量具有用力依賴性。隨呼氣肺容積減少、驅(qū)動力下降,等壓點(diǎn)漸向周圍氣道移動,這時的下游段氣道在胸膜腔內(nèi)壓作用下被擠壓,管腔狹小,氣道阻力增大,抵消了胸膜腔內(nèi)壓作用于肺泡增加呼氣流量的作用力,表現(xiàn)為流量自我受限,即低肺容量下呼氣流量的非用力依賴性。

凡能影響呼吸頻率、呼吸幅度和氣體流量的生理、病理因素均可影響肺通氣功能。氣道阻塞性疾病以及肺容積擴(kuò)張受限性疾病均可導(dǎo)致通氣功能受損。

通氣功能在不同的時間或季節(jié)可有波動變化,這種變化在氣道敏感性增高的病人(如支氣管哮喘)更加明顯,氣道反應(yīng)性檢查多在通氣功能檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.氣體分布 氣體進(jìn)入肺內(nèi)后廣泛分布于各肺泡中,但即使在正常人也存在氣體分布不均的現(xiàn)象。肺上、下部單位肺容積的通氣量不等,不同呼吸時相氣體在肺內(nèi)的分布也有差異,其最主要原因在于跨肺壓的重力依賴性。另外,胸廓結(jié)構(gòu)的影響和肺門組織的牽拉也導(dǎo)致通氣分布不均。

直立位受重力作用的影響,下胸部的胸膜腔內(nèi)壓較上胸部高(即負(fù)壓較小),低垂部位的跨肺壓低于上肺部跨肺壓,呈重力依賴性。平靜呼吸時,下肺區(qū)的肺單位常常是開放的,但跨肺壓常較上肺區(qū)低。正常吸氣時,氣體首先進(jìn)入下肺區(qū),越靠近膈肌,單位肺容積通氣量越多,局部肺泡容積與肺泡通氣之間存在明顯的矛盾現(xiàn)象。吸氣過程中,下肺區(qū)跨肺壓的改變比上肺區(qū)改變明顯,所以通氣在下肺區(qū)的分布多于上肺區(qū)。由于胸廓上部和底部外形的差異,使胸廓上部的活動度較下部少,橫膈下降使肺下葉擴(kuò)張比上葉明顯。這種氣體分布不均主要出現(xiàn)在功能殘氣位以下的水平,而在功能殘氣位以上水平,肺內(nèi)氣體分布則相對均勻。

由于受到重力作用的影響,不同的體位亦影響通氣在肺部的分布。健康人于清醒坐位時,右肺通氣稍多于左肺,這與右肺容積略大于左肺有關(guān);在仰臥位時,雖然功能殘氣量減少,但單位肺容積的通氣分布相對均勻;而在直立位時,下葉的通氣分布較上葉好;在側(cè)臥位時低垂部位的通氣分布較高位部分好,因?yàn)樵诠δ軞垰馕粫r,低側(cè)肺接近殘氣位,而高側(cè)肺接近最大吸氣位,膈肌的低側(cè)部分處在胸廓的較高位置,使低側(cè)肺在吸氣時能更有效地收縮,從而獲得較大的容積改變。低側(cè)肺的優(yōu)先通氣與低側(cè)肺血液灌注增加,使得其通氣/血流比值無明顯變化。

胸廓擴(kuò)張可降低胸膜腔內(nèi)壓,使肺組織擴(kuò)張,但肺門周圍肺組織的擴(kuò)張亦受大氣道的牽拉和限制,因而在直立位的任何水平肺組織,吸氣動作都使外周肺組織擴(kuò)張度較肺門周圍肺組織明顯。由此可見,除了存在垂直方向的通氣不均外,尚有水平方向的通氣分布不均。

生理因素產(chǎn)生了一定程度的通氣不均勻分布,肺和氣道的病理改變則加重了此現(xiàn)象。局部肺組織彈性下降(如肺纖維化),將使肺順應(yīng)性下降。在跨肺壓差一定時,肺組織順應(yīng)性越小,肺組織的擴(kuò)張度亦越小。局部氣道阻塞(如腫瘤壓迫氣道),增加了氣流阻力,使某些肺區(qū)域通氣不良。胸腔積液可限制肺擴(kuò)張,使肺順應(yīng)性下降,導(dǎo)致通氣不均勻分布。

通氣分布不均不僅是通氣功能異常的結(jié)果,也是換氣功能異常的原因之一。彌漫性支氣管肺疾病可加劇這種分布的不均。通氣/血流分布不均是動脈低氧血癥的最常見原因。因此,測定通氣在肺內(nèi)的分布對判斷病理狀況下病理生理改變有重要價值。

4.肺換氣功能 肺除了具有通氣功能外,也是人體進(jìn)行氣體交換的惟一器官。氣體分子[有呼吸生理意義的主要為氧氣(O2)及二氧化碳(CO2)]通過肺泡膜進(jìn)行氣體交換。肺泡膜由肺泡上皮及其基底膜、肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮及其基底膜以及兩個基底膜之間的結(jié)締組織所構(gòu)成。由于氣體交換是通過被動擴(kuò)散或稱彌散的方式進(jìn)行,因而也稱為肺的彌散功能。

影響肺內(nèi)氣體彌散的決定因素主要有以下4種。

(1)呼吸膜兩側(cè)的氣體分壓差:氣體交換的動力取決于該氣體的肺泡壓與毛細(xì)血管壓之間的差值。依氣體的壓力梯度(或濃度梯度)從高壓區(qū)移向低壓區(qū),分壓差越大,則進(jìn)行交換的氣體越多。要保證這種壓力梯度,需有正常的通氣功能及正常的氣體分布,以維持動脈血氧分壓(PaO2)、動脈二氧化碳分壓(PaCO2)在正常范圍以及時間常數(shù)(=氣道阻力×肺順應(yīng)性)正常。由于肺泡中的氧氣分壓(或濃度)較肺泡毛細(xì)血管高,而肺泡毛細(xì)血管中的二氧化碳分壓(或濃度)較肺泡高,因此,氧氣從肺泡進(jìn)入肺泡毛細(xì)血管,而二氧化碳則從肺泡毛細(xì)血管進(jìn)入肺泡。

(2)氣體的溶解度:氣體在肺泡內(nèi)彌散至液體的相對速率與氣體的密度及氣體在液體中的溶解度有關(guān),后者是影響氣體在液體中彌散的重要因素。二氧化碳的彌散能力比氧氣大20倍,當(dāng)患者彌散功能發(fā)生異常時,氧的交換要比二氧化碳更易受影響。在臨床上,肺彌散功能的障礙可明顯影響動脈血氧水平,而非至終末期不會發(fā)生二氧化碳彌散障礙,故肺彌散實(shí)際上是指氧氣的彌散是否正常。

(3)彌散距離:氣體在肺內(nèi)的彌散路徑包括表面活性物質(zhì)層、呼吸膜、毛細(xì)血管中血漿層、細(xì)胞膜及紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白,其中呼吸膜的厚度對彌散功能有重要影響。呼吸膜任何部分的病變(如增厚、滲透等)均可使彌散距離增加,從而影響肺彌散。由于氧在液體(如血液)中的溶解度很低,氧氣必須與血液中的血紅蛋白結(jié)合,才能有足夠的氧氣,供機(jī)體的新陳代謝所需,因而臨床上肺的彌散功能試驗(yàn)還包括了氧與毛細(xì)血管紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白結(jié)合的過程,血液中的血紅蛋白量少亦會導(dǎo)致彌散距離增加從而影響彌散能力。

(4)彌散面積:是指與有血流通過的毛細(xì)血管相接觸的具有功能的肺泡面積。任何損害肺血流或肺泡膜結(jié)構(gòu)的因素均可影響肺通氣與血流灌注比例(V/Q),導(dǎo)致彌散功能下降。

臨床上,影響肺泡膜兩側(cè)氧分壓差的主要原因是環(huán)境低氧(如高原)。影響氣體通過肺泡膜的主要原因是氣體交換面積減少(如毀損肺、肺氣腫等)或彌散距離增加(如肺纖維化、肺水腫等)。V/Q異常常見于肺氣腫、肺動靜脈分流、大面積的肺栓塞等。血紅蛋白含量減少(如失血、貧血)或特異性改變?nèi)缪t蛋白異常、中毒等也會導(dǎo)致肺的彌散功能下降。

使用氧氣進(jìn)行彌散功能檢查是最有臨床意義的方法,然而有許多原因限制了氧的彌散功能的測定。臨床上,一氧化碳(CO)是測定氣體彌散功能的理想氣體,因其透過肺泡毛細(xì)血管膜以及與紅細(xì)胞血紅蛋白反應(yīng)的速率與氧氣相似。除大量吸煙者外,正常人血漿內(nèi)一氧化碳含量幾乎是零,因而便于計(jì)算一氧化碳的攝取量。一氧化碳與血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力大200多倍,因此生理范圍內(nèi)的氧分壓不是一個主要干擾因素,另外,一氧化碳在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中幾乎不溶解在血漿中。因此,臨床多利用一氧化碳做彌散功能檢查。

血?dú)夥治鲆嗍菣z查肺換氣功能的一項(xiàng)重要指標(biāo),臨床測定較為簡便。引起肺通氣和(或)換氣功能下降的任何因素都可能引起血?dú)夥治龅漠惓?而血?dú)夥治霎惓t說明患者的呼吸功能已處于失代償狀態(tài)。血?dú)夥治龀Ｅc酸堿平衡一并分析,詳見血?dú)夥治雠c酸堿平衡章節(jié)。

5.氣道反應(yīng)性 自然界存在著各種各樣的刺激物,包括生物性刺激物(如塵螨、動物皮毛、花粉等)、物理性刺激物(如冷空氣)及化學(xué)性刺激物(如甲苯、二氧化硫等)。當(dāng)這些刺激物被吸入時,氣道可做出不同程度的收縮反應(yīng),此現(xiàn)象稱為氣道反應(yīng)性(airway reactivity)。

氣道反應(yīng)的強(qiáng)度可因刺激物的特性、刺激物的作用時間以及受刺激個體對刺激的敏感性不同而各異。正常人對這種刺激反應(yīng)程度相對較輕或無反應(yīng);而在某些人群(特別是哮喘者),其氣管、支氣管敏感狀態(tài)異常增高,對這些刺激表現(xiàn)出過強(qiáng)和(或)過早的收縮反應(yīng),稱為氣道高反應(yīng)性(airway hyperreactivity,或airway hyperrespon siveness,AHR)。

(1)氣道反應(yīng)性的特點(diǎn):氣道反應(yīng)性的改變可表現(xiàn)為氣道的舒張和收縮,通過氣道管徑的大小反映出來。由于在整體上檢查氣道管徑有困難,根據(jù)流體力學(xué)中阻力與管腔半徑的4次方成反比這一原理,臨床和實(shí)驗(yàn)室檢查常用測定氣道阻力的大小來反映氣道管腔的改變。同時,由于氣道阻力與氣體流量成反比,因此氣體流量也常用于反映氣道管徑的大小。

氣道反應(yīng)隨刺激物劑量的變化可通過劑量-反應(yīng)曲線顯示。隨刺激物劑量的增大氣道阻力呈S形增加,對較低濃度的刺激無氣道阻力明顯反應(yīng),為曲線的低平臺部分;隨刺激物劑量的增加,當(dāng)達(dá)到一定的閾值后,氣道阻力開始增加,但當(dāng)反應(yīng)達(dá)到最大值時,即使再增加刺激物劑量也不再增加反應(yīng)值,出現(xiàn)曲線的高平臺部分。圖1-1中曲線A為正常曲線;曲線B左移,提示較小劑量的刺激即可引起氣道管徑的改變,刺激閾值前移,敏感性(sensitivity)增加;曲線C幅度增大,提示其刺激域雖與正常曲線相同,但增加劑量情況下其氣道反應(yīng)的強(qiáng)度即反應(yīng)性(reactivity)增大。曲線D則為氣道敏感性和反應(yīng)性均增高,AHR者多見此種改變。刺激物劑量變應(yīng)原刺激既可引起哮喘的急性發(fā)作(速發(fā)反應(yīng)),也可引起哮喘的慢性發(fā)作(遲發(fā)反應(yīng))。遲發(fā)反應(yīng)的強(qiáng)度和持續(xù)時間往往較速發(fā)反應(yīng)更為明顯和持久,對病人給予變應(yīng)原刺激者須注意對遲發(fā)反應(yīng)的觀察。臨床實(shí)踐中,考慮到受試者的安全性,一般當(dāng)給予刺激后機(jī)體反應(yīng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時即終止激發(fā)試驗(yàn),而無須達(dá)到反應(yīng)最大值。

圖1　劑量-反應(yīng)曲線

(2)氣道反應(yīng)性的臨床檢查

①支氣管激發(fā)試驗(yàn):支氣管激發(fā)試驗(yàn)(bronchial provocation test或bronchial challenge test,BPT)是通過吸入某些刺激物誘發(fā)氣道收縮反應(yīng)的方法,借助肺功能指標(biāo)的改變來判定支氣管縮窄或舒張的程度。支氣管激發(fā)試驗(yàn)主要用于協(xié)助臨床診斷氣道反應(yīng)性增高,尤其是對支氣管哮喘的診斷。此外,支氣管激發(fā)試驗(yàn)亦用于對氣道高反應(yīng)性嚴(yán)重度的判斷和治療效果的分析,也可用于對氣道疾病發(fā)病機(jī)制的研究。

②支氣管舒張?jiān)囼?yàn)(bronchial dilation test,BDT)氣道受到外界因素的刺激可引起痙攣收縮反應(yīng)。相反,痙攣收縮的氣道可自然或經(jīng)支氣管擴(kuò)張藥物治療后舒緩,此現(xiàn)象稱為氣道可逆性(airway reversibility)。氣道反應(yīng)性和氣道可逆性是氣道功能改變的兩個重要的病理生理特征。與支氣管激發(fā)試驗(yàn)的原理相同,由于直接測定氣道管徑較為困難,臨床上也常用肺功能指標(biāo)來反映氣道功能的改變。通過給予支氣管擴(kuò)張藥物的治療,觀察阻塞氣道舒緩反應(yīng)的方法,稱為支氣管舒張?jiān)囼?yàn),亦稱支氣管擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)。支氣管對支氣管擴(kuò)張藥的反應(yīng)性是氣道上皮、神經(jīng)、介質(zhì)及支氣管平滑肌的綜合反應(yīng)。支氣管舒張?jiān)囼?yàn)是了解氣流受限變化可逆性的最重要的檢查,是臨床診斷慢性阻塞性肺疾病的依據(jù)之一,也是在吸入支氣管擴(kuò)張藥后的肺功能診斷“金標(biāo)準(zhǔn)”。