更新时间:2023-03-20 20:17
经肺通气进入肺泡的新鲜空气与血液进行气体交换,氧气从肺泡顺着分压差扩散到静脉血,而静脉血中的二氧化碳,则向肺泡扩散。这样,静脉血中的氧分压逐渐升高,二氧化碳分压逐渐降低,最后接近于肺泡气的氧分压和二氧化碳分压。由于氧气和二氧化碳的扩散速度极快,仅需约0.3s即可完成肺部气体交换,使静脉血在流经肺部之后变成了动脉血。一般血液流经肺毛细血管的时间约0.7s,因此当血液流经肺毛细血管全长约1/3时,肺换气过程基本上已完成。
一般将气体在1mmHg分压差作用下,每分钟通过呼吸膜扩散的气体毫升数称为肺扩散容量(pulmonary diffusion capacity,Dv),即:
DL=V/ | P(A)—P(C)|
上式中V是每分钟通过呼吸膜的气体容积(ml/min),P(A)是肺泡气中该气体的平均分压,P(C)是肺毛细血管血液内该气体的平均分压。肺扩散容量是测定呼吸气通过呼吸膜能力的重要指标。正常人安静时氧气的肺扩散容量约为20ml/(min·mmHg),二氧化碳的肺扩散容量为氧气的20倍。运动时肺扩散容量增加;肺疾病情况下,肺扩散容量可因有效扩散面积减小或扩散距离增加而降低。
气体的分压差
气体交换的动力是气体的分压差(Difference of partial pressure,ΔP)。气体的分压差越大,则扩散越快,扩散速率越大;反之,分压差小则扩散速率低。气体的分压差也决定气体交换的方向。
气体的溶解度与分子量
在其他条件相同时,气体扩散速率与气体在溶液中的溶解度(S)成正比,与气体分子量(MW)的平方根成反比。气体的溶解度与分子量的平方根之比称为扩散系数(diffusion coefficient)。因为二氧化碳在血浆中的溶解度(51.5%)约为氧气的(2.14%)24倍,二氧化碳的分子量(44)大于氧气(32),这样二氧化碳的扩散系数是氧气的20倍。尽氧气的分压差比二氧化碳的分压差大将近10倍,二氧化碳的扩散速度仍为氧气的2倍。因此临床上易出现缺氧而二氧化碳潴留少见。
呼吸膜的面积
正常成人约3亿个肺泡的呼吸膜总面积约70㎡。在安静状态下,机体仅需40㎡的呼吸膜便足以完成气体交换。因此,呼吸膜有30㎡的贮备面积。运动时肺毛细血管开放数量和开放程度增加,呼吸膜面积(A)增加,加快氧气和二氧化碳扩散的速度。反之,肺不张、肺实变、肺气肿时呼吸膜扩散面积减小,气体交换减少。
呼吸膜的厚度
呼吸膜又称为肺泡-毛细血管膜。由含肺表面活性物质的极薄的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜层、肺泡上皮和毛细血管基膜之间含有胶原纤维和弹性纤维的间隙、毛细血管基膜层及毛细血管内皮细胞层6层组成。但呼吸膜的总厚度(d)不到1μm,最薄处只有0.2μm,气体易于扩散通过。此外,由于肺毛细血管平均直径不足8μm,血液层很薄,红细胞膜通常能接触到毛细血管壁,使氧气和二氧化碳可不经大量的血浆层即可到达红细胞或进入肺泡,扩散距离短,气体交换速度加快。病理情况下,如肺纤维化、肺水肿时呼吸膜增厚或扩散距离加大都会降低扩散速率,减少氧气和二氧化碳扩散量。此时若增加运动,可因血流加速缩短气体在肺部的交换时间,进一步降低气体交换,加重呼吸困难。
温度
温度愈高,气体分子运动速度愈快,故气体扩散速率与温度成正比。
气体扩散速率 ∝ ΔP·T·A·S/[d·(√MW)]
以上主要是从肺泡内气体的角度来讨论肺换气的影响因素,但肺泡内的气体是与流经肺部的血液之间进行气体交换。因此,还必须考虑到通气与血流的匹配。
通气/血流比值(ventilation/perfusion ratio,V(A)/Q),是指每分肺泡通气量(VA)和每分肺血流量(Q)(心输出量)的比值(V(A)/Q)。正常成年人安静时肺泡通气量约为4200ml/min,心输出量为5000mI/min。因此,V(A)/Q为0.84,这就意味着肺泡通气量与肺血流量的比例适宜,气体交换的效率最高,即流经肺部的静脉血变成了动脉血。如果V(A)/Q比值增大,表明通气过度或血流不足,使得部分肺泡气未能与血液气体充分交换,造成肺泡无效腔增大。反之,V(A)/Q下降,则意味着通气不足或血流相
对过剩,造成部分血液流经通气不良的肺泡,混合静脉血中的气体未能得到充分更新,在流经肺部之后仍然是静脉血,相当于功能性动一静脉短路。因此,从气体交换角度来看,V(A)/Q增大或减小时肺换气的效率都差;如果肺内某一区域,或者整个肺的肺泡通气量和血流量按比例同向变化,保持V(A)/Q值为0. 84,则能维持气体的交换效率。因此,决定肺换气效率的因素是肺泡通气量和肺血流量的比值,而非它们的绝对值。
健康成人全肺的V(A)/Q为0. 84,但在肺的各个局部区域的V(A)/Q存在差异。这与肺泡通气量和肺毛细血管血流量的不均匀分布有关。人在直立位时,由于重力等因素的作用,肺泡通气量由上(肺尖部)至下(肺底部)逐渐递增,肺底部的肺泡通气量是肺尖部的3倍。肺血流量亦发生同样由上至下的递增,肺底部的血流量是肺尖部的10倍。也就是说,肺尖部的肺泡通气量的减少幅度小于肺血流量,肺尖部的V(A)/Q较大,可达3以上;而肺底部的肺泡通气量增加幅度小于肺血流量,肺底部的V(A)/Q比值较小,可低至0.6。正常情况下,尽管存在肺泡通气和血流的不均匀分布,导致肺不同部位的V(A)/Q的不一致,但由于呼吸膜面积远远超过肺换气的实际需要,因而并不影响正常的气体交换。