第三章　呼吸系统的疾病概述

第一节　呼吸系统的生理机制

呼吸（respriation）是指机体与外界环境气体交换的过程，在人和高等动物的呼吸全过程中，包括外呼吸（external respriation）、气体运输以及内呼吸（internal respriation）。外呼吸是指毛细血管血液与环境之间的气体交换过程，包括肺通气（pulmonary ventilation）和肺换气（gas exchange in lungs）两个过程。肺通气是指肺泡与外界环境之间的气体交换过程，肺换气是指肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换过程。气体运输指氧气和二氧化碳在血液中的运输，是衔接外呼吸和内呼吸的中间环节。内呼吸是指组织细胞与组织毛细血管之间的气体交换以及组织细胞内的氧化代谢过程。

呼吸是机体维持正常代谢和生命活动所必需的基本功能之一，呼吸的停止意味着生命的终止。其主要功能是从外界摄取机体代谢所需要的氧气，并向外界排出代谢所产生的二氧化碳。呼吸系统的功能与血液系统紧密相连。同时，呼吸系统和肾脏共同调节机体的酸碱平衡与内环境稳定。

一、呼吸器官解剖结构

呼吸器官结构的完整性是保证呼吸功能的必要条件，主要包括呼吸道和肺泡。呼吸道为气体进出肺的通道，分为上呼吸道和下呼吸道。上呼吸道包括鼻、咽、喉以及气管，下呼吸道为气管至各级分支支气管的整个通道。呼吸道的功能是对吸入的气体进行加湿、加温、清洁以及过滤，同时可引起喷嚏反射、咳嗽反射等一些防御性呼吸反射，起到保护功能。

肺是人体的呼吸器官，位于胸腔，分为左、右肺。肺有分叶，左肺由斜裂分为上、下两个肺叶，右肺除斜裂外，还有一水平裂将其分为上、中、下三个肺叶。肺泡是气体交换的主要场所，正常成年人两肺共有肺泡7亿个，肺泡之间相互依存，存在肺泡相互依存关系，即邻近的肺泡通过小孔相连，当其中一个肺泡趋于塌陷时，周围肺泡壁的张力增加，从而限制肺泡的进一步塌陷，通过肺泡相互依存的关系增加肺泡的稳定性。

左、右支气管在肺门分成第二级支气管，第二级支气管及其分支所辖的范围构成一个肺叶，每支第二级支气管又分出第三级支气管，每支第三级支气管及其分支所辖的范围构成一个肺段，支气管在肺内反复分支可达23~25级，最后形成肺泡。支气管各级分支之间以及肺泡之间都由间质所填充，血管、淋巴管、神经等随支气管的分支分布在结缔组织内。肺泡之间的间质内含有丰富的毛细血管网，毛细血管膜与肺泡共同组成呼吸膜，血液和肺泡内气体进行气体交换必须通过呼吸膜才能进行，呼吸膜面积较大，平均约70m2，安静状态下只动用其中40m2用于呼吸时的气体交换，是肺呼吸的重要组成。

连接肺和胸廓的重要结构是胸膜腔（pleural cavity），是存在于脏层胸膜和壁层胸膜之间的密闭、潜在、无气体和仅有少量浆液的腔。胸膜腔内浆液约为10μm厚，起润滑作用，同时参与胸膜腔负压的形成，进而使肺随着胸廓的运动而张缩。

二、呼吸运动

当肺内压低于大气压时，外界气体流入肺内，这一过程称为吸气。平静吸气时，吸气肌收缩。吸气运动是一个主动过程。当肺内压高于大气压时，气体由肺内排出，这一过程称为呼气。平静呼气时，呼气肌不参与运动，而是由膈肌和肋间外肌舒张所致，是一个被动过程。

正常人的呼吸有两种形式，以膈肌舒缩为主的呼吸运动称为腹式呼吸（abdominal breathing），以肋间外肌舒缩活动为主的呼吸运动称为胸式呼吸（thoracic breathing）。

按呼吸用力程度可分为平静呼吸（eupnea）和用力呼吸（forced breathing）。正常人安静状态下的呼吸平稳而均匀，称为平静呼吸。呼吸频率一般为每分钟12~18次，吸气主动，呼气被动。当呼吸道不通畅或肺通气阻力增大时，或者当吸入气体中CO2含量增加或O2含量减少时，加深加快的呼吸形式称为用力呼吸，吸气肌、呼气肌及呼吸辅助肌同时参与，吸气和呼气均主动，同时消耗能量。机体严重缺O2或CO2增多较严重的情况下，可出现呼吸困难（dyspnea）。不仅表现为呼吸明显加深，而且可出现鼻翼扇动。

三、肺通气

参与肺通气的结构和组织有呼吸道、肺泡、胸膜腔、膈肌和胸廓等。

（一）肺通气的原理

1.肺通气的动力

气体进出肺部取决于肺泡通气动力和阻力的相互作用。实现肺通气的直接动力是肺泡与外界间的压力差。由于在一定的海拔高度外界大气压恒定，所以在呼吸过程中只有肺泡内气体的压力在发生变化，即肺内压（alveolar pressure）变化。肺的扩张和收缩决定着肺内压在呼吸过程中的变化。但是肺本身不能够主动地舒张和收缩，肺的舒张和收缩必须依赖于胸廓的节律性扩张和收缩。而胸廓的收缩和舒张由呼吸肌的收缩和舒张所引起。因此，实现肺通气的原动力是呼吸肌的舒张和收缩所引起的节律性呼吸运动。

胸膜腔内的压力称为胸膜腔内压（pleural pressure），简称胸内压，详见表3-1。

胸膜腔内压随呼吸运动而发生周期性波动。平静呼气末胸膜腔内压较大气压低3~5mmHg，吸气末较大气压低5~10mmHg。可见，胸膜腔内压在平静呼吸时始终低于大气压。若大气压以0计，则胸膜腔内压为负压，故称为胸膜腔负压或胸内负压。

胸膜腔内保持负压的意义在于使肺能随胸廓的舒张和收缩而舒张和收缩，还有利于静脉血和淋巴液的回流。胸膜腔维持负压的重要前提是胸膜腔保持其密闭性。

在某些特定情况下，胸内压也可成为正压。例如：分娩或便秘时，可在用力吸气后，紧闭声门做强力呼气，肺中气体不能呼出，但肺受到胸廓强大压力，肺内压可上升到+65mmHg左右，减去此时肺回缩力15mmHg，仍有+50mmHg左右胸内压向下压迫膈肌，使腹内压也大大提高，以便于分娩或排便。

2.肺通气的阻力

气体在进出肺的过程中遇到的各种阻止其流动的力称为肺通气阻力，分为弹性阻力和非弹性阻力。

（1）弹性阻力：

是指弹性体对抗外力作用所引起的变形的力。其大小可用顺应性的高低来衡量。

顺应性：是指弹性组织在外力作用下发生变形的难易程度，包括：

1）肺的弹性阻力和肺顺应性：阻力的来源为肺的弹性成分和肺泡表面张力。

肺泡表面张力来源于肺泡内液-气界面液体分子之间的吸引力，是使肺泡尽量缩小的力。

肺泡表面活性物质：由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成和释放，成分是二棕榈酰卵磷脂（dipalmitoyl phosphatidylcholine，DPPC），其作用是降低肺泡表面张力。其生理意义是：①维持肺泡容积的稳定性；②减少肺间质和肺泡内的组织液生成，防止肺水肿；③降低肺泡表面张力、减少吸气阻力，增加肺的顺应性，有利于肺的扩张。

2）胸廓弹性阻力和胸廓顺应性：胸廓弹性阻力源于胸廓的弹性成分。

3）肺和胸廓的总弹性阻力和总顺应性。

（2）非弹性阻力：

包括惯性阻力、黏滞阻力和气道阻力。平静呼吸时，由于呼吸频率较低、气流速度相对缓慢，因此惯性阻力和黏滞阻力都很小。气道阻力占非弹性阻力的80%~90%，其大小可用维持单位时间内气体流量所需要的压力差来表示。气道阻力受气流速度、气流形式和气道口径等因素的影响。其中以气道口径最为重要。气道口径受跨壁压、肺实质对气道壁的牵引、自主神经系统的调节、化学因素等的影响。

（二）肺通气功能的评价

肺通气过程受呼吸肌的收缩活动、肺和胸廓的弹性特征以及气道阻力等多种因素的影响。

1.肺容积　基本肺容积包括4个互不重叠的基本容积，全部相加等于肺的最大容量。具体如表3-2。

2.肺容量　基本肺容积中两项或两项以上的联合气体量，具体如表3-3。

其中时间肺活量是评价肺通气功能的较好指标，反映肺通气阻力的变化。

3.肺通气量（pulmonary ventilation volume）　每分钟吸入或呼出的气体总量。成人呼吸频率为12~18次/分，肺通气量为6~9L。

每分通气量（L/分）=潮气量（L）×呼吸频率（次/分）

每分最大通气量：单位时间内用力作快而深呼吸，所能吸入或呼出的气体总量。成年男性每分最大通气量约100L，反映最大通气能力储备。

肺泡通气量：每分钟吸入到肺泡，并可与血液进行有效气体交换的总气量。每次吸入的气体，有一部分残留在鼻或口至终末细支气管之间的呼吸道内，不能参与肺泡与血液之间的气体交换，这部分传导性呼吸道的容积称为解剖无效腔（anatomical dead space）。解剖无效腔与体重相关，约2.20ml/kg，即体重为70kg的成年人，其解剖无效腔约为150ml。进入肺泡的气体也可因血流在肺内分布不均而不能全部都与血液进行气体交换，未能进行气体交换的这部分肺泡容积称为肺泡无效腔（alveolar dead space），正常人的肺泡无效腔接近于零。故肺泡无效腔与解剖无效腔一起合称为生理无效腔（physiological dead space）。

肺泡通气量=（潮气量-生理无效腔）×呼吸频率

由表3-4可见在一定的呼吸频率范围内，深而慢的呼吸比浅快呼吸更为有效。

4.最大呼气流速-容积曲线，见图3-1。

让受试者尽力吸气后，最大呼气流量-容积曲线（MEFV）是深吸气至肺总量后，用力快速呼气至残气位，用X-Y记录仪所描绘出的肺容积与相应气流速度的相关曲线。常用指标：①最大呼气流量（PEF）：指MEFV曲线最高点所表示的呼气流量；②50%肺活量最大呼气流量（V↓50）：指肺活量为50%时的呼气流量；③25%肺活量最大呼气流量（V↓25）：指肺活量为25%时的呼气流量。V↓50及V↓25数值减低表示小气道阻塞。阻塞性通气障碍时MEFV各阶段流量减低，下降支是凹型；限制性通气障碍MEFV流量高，肺活量小，曲线高耸，倾斜度大。

5.气道反应性测定　气道反应性测定又称为支气管激发试验（bronchial provocation test, BPT）。支气管激发试验是以某种化学、物理或生物的刺激，激发气道的收缩反应，使支气管平滑肌收缩，再行肺功能检查，以判定支气管狭窄的程度，从而测定气道高反应性（AHR）的一种方法。根据激发剂的不同，常用的激发试验可分为药物试验、运动试验、蒸馏水或高渗盐水激发试验、特异性支气管激发试验等。气道反应性增高是支气管哮喘的重要特征之一，是气道炎症的间接反映，同时也反映了气道阻塞的可变性。气道反应性越高，峰值流速的昼夜波动率也越大。气道反应性与哮喘病情的轻重相关。

6.呼吸功　在呼吸过程中，呼吸肌为克服弹性阻力和非弹性阻力而实现肺通气所做的功为呼吸功（breathing work）。通常以单位时间内压力变化乘以容积变化来计算，单位是kg·m。正常人平静呼吸时，呼吸功不大，每分钟为0.30~0.60kg·m，其中呼吸功的2/3用来克服弹性阻力，1/3用来克服非弹性阻力。劳动或运动时，呼吸频率、深度增加，呼吸功可增至10kg·m。病理情况下，弹性或非弹性阻力增大时，也可使呼吸功增大。

平静呼吸时，呼吸耗能仅占全身耗能的3%。剧烈运动时，呼吸耗能可升高25倍，但由于全身总耗能也增大15~20倍，所以呼吸耗能仍只占总耗能的3%~4%。

四、呼吸的气体交换

气体交换包括肺换气和组织换气。

（一）气体交换的基本原理

气体的扩散：气体分子不停地做无定向的运动，当气体之间存在气压差时，气体分子从高气压处向低气压处发生转移，这一过程称为气体的扩散（diffusion），气体扩散的动力是分压差。

单位时间内气体扩散的容积称为气体扩散速率（diffusion rate，D）。根据Fick弥散定律，气体扩散速率的影响因素包括以下内容。

（1）气体的分压差：

是指两个区域之间气体分压的差值，是气体扩散能力和决定气体扩散方向的关键因素。

（2）气体的分子量：

根据Graham定律，在相同的条件下，气体分子的相对扩散速率与气体的分子量（molecular weight，MW）的平方根成反比。因此分子量越小气体的扩散速率越快。

（3）气体的溶解度（solubility, S）：

是指单位分压下溶解于单位溶液中的气体量。如果扩散发生在气相和液相之间，扩散速率还与气体在水中的溶解度成正比。

（4）温度：

可忽略不计。

（5）扩散面积：

扩散面积越大，所扩散的分子总数也越多。

（6）距离：

分子扩散的距离越大，扩散需要的时间越长。

（二）肺换气

肺换气的过程在气相与液相之间完成。

影响肺换气的因素包括以下几项。

（1）呼吸膜的厚度：

肺泡与血液进行气体交换时必须通过肺泡-毛细血管膜。呼吸膜又称为气-血屏障，气体的扩散速度与呼吸膜的厚度成反比。

（2）呼吸膜的面积：

正常成年人双肺的总扩散面积约为70m2。安静状态下，呼吸膜约有40m2的面积用于气体扩散。由此可见，呼吸系统有相当大的储备系统。当毛细血管开放数量增加或开放程度增加，如活动时，其有效呼吸膜面积便随之增加。

（3）通气/血流比值（）：

是每分钟肺泡通气量与每分钟肺血流量的比值（图3-2）。

正常成人安静状态时通气/血流比值为0.84，无论比值增大还是减小，都表示妨碍了有效的气体交换，可导致血液缺氧和二氧化碳潴留，但主要是缺氧。

特征是：①动静脉血液之间O2分压远远大于CO2分压差，所以动静脉短路时，动脉血血氧分压（PO2）下降的程度大于血二氧化碳分压（PCO2）升高的程度；②CO2的扩散系数是O2的20倍，所以CO2扩散较O2为快，不易潴留；③动脉血PO2下降和PCO2升高时，可以刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO2的排出，却几乎无助于O2的摄取，这是由O2解离曲线和CO2解离曲线的特点所决定的。

影响通气/血流比值的因素有很多，具体见表3-5。

（三）组织换气

体循环中，毛细血管中的血液与组织细胞之间的气体交换称为组织换气。

在组织中，由于细胞的有氧代谢，O2被利用，同时产生CO2。故组织中CO2分压远高于O2分压。动脉血液流经组织毛细血管时，O2顺着分压差从血液向组织细胞扩散，CO2则顺着分压差由组织液向血液扩散，动脉血因失去O2得到CO2而变成静脉血。

影响组织换气的因素有很多，如毛细血管血流量、细胞代谢水平、毛细血管通透性、毛细血管开放数量、气体扩散距离。

五、气体在血液中的运输

血液是运输O2和CO2的媒介。从组织扩散入血液的CO2也必须由血液循环送到肺泡。同时肺泡扩散入血液的O2必须通过血液循环运送到各组织。因此，实现肺换气和组织换气的关键环节是气体在血液中的运输。O2和CO2在血液中的运输形式有两种，即物理溶解和化学结合，其中主要运输形式是化学结合，物理溶解的量较少。由于进入血液的气体必须先溶解，才能进行化学结合，同样结合状态的气体也要先溶解于血液，才能从血液中逸出。所以虽然物理溶解的量少，但却是气体实现化学结合的必要环节。

（一）O2的运输

血液中以物理溶解形式存在的O2量仅占血液总O2含量的1.50%左右，以化学结合形式存在的O2约占98.50%。扩散入血液的O2进入红细胞后，与红细胞内的血红蛋白（Hb）结合，以氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）的形式运输。Hb和O2结合的特征具有快速性和可逆性，主要受PO2的影响。当血液流经PO2高的肺部时，血液中的O2扩散入红细胞后，与红细胞内的Hb结合，形成HbO2；当血液流经PO2低的组织，氧合血红蛋白迅速解离，释放出O2，成为去氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，Hb）。

氧解离曲线（oxygen dissociation curve）表示血液PO2与Hb氧饱和度关系的曲线。

氧解离曲线是表示氧分压与Hb氧饱和度关系的曲线，曲线近似“S”形，可分为上、中、下三段（图3-3）。

（1）氧解离曲线的上段：

曲线较平坦，相当于PO2由13.30kPa（100mmHg）变化到8kPa（60mmHg）时，说明在这段期间PO2的变化对Hb氧饱和度影响不大，只要PO2不低于8kPa（60mmHg），Hb氧饱和度仍能保持在90%以上，血液仍有较高的载氧能力，不致发生明显的低氧血症。

（2）氧解离曲线的中段：

该段曲线较陡，是HbO2释放O2的部分。表示PO2在5.30~8kPa（40~60mmHg）范围内稍有下降，Hb氧饱和度下降较大，进而释放大量的O2，满足机体对O2的需要。

（3）氧解离曲线的下段：

相当于PO22~5.30kPa（15~40mmHg），曲线最陡，表示PO2稍有下降，Hb氧饱和度就可以大大下降，使O2大量释放出来，以满足组织活动增强时的需要。因此，该曲线代表了O2的贮备，表明O2分压较高（曲线上段）时，血液能携带足够的O2，O2分压较低（曲线中、下段）时，随着O2分压的降低，血液能释出足够的O2供组织利用。

氧解离曲线受许多因素的影响，主要影响因素有血液中PCO2、pH以及温度。PCO2升高，pH下降，体温升高，使氧解离曲线右移，即血红蛋白与氧的亲和力降低，有利于氧的释放；反之，曲线左移，血红蛋白与氧的亲和力增加，氧合血红蛋白形成增多（图3-3）。

（二）CO2的运输

CO2的运输形式包括物理溶解和化学结合。

1.物理溶解

CO2在血液中的溶解度比O2大，100ml血液可溶解3ml CO2，约占血液中CO2总运输量的5%。

2.化学结合

以化学结合形式运输的CO2占95%。CO2在血中的化学结合形式有以下两种。

（1）碳酸氢盐的形式：

以碳酸氢盐形式运输的CO2，约占血液CO2总运输量的88%，是CO2运输的主要形式。

（2）氨基甲酸血红蛋白的形式：

通过这一形式运输的CO2量虽然占总运输量的7%，但在肺部排出的CO2总量中却约有18%是经氨基甲酸血红蛋白释放出来的，可见这种形式的运输效率较高，这对CO2的排出具有重要的生理意义。

六、呼吸运动的调节

（一）呼吸中枢

呼吸中枢是在中枢神经系统中，产生和调节呼吸运动的神经细胞群，具体有以下三种。

（1）延髓呼吸中枢：

延髓的呼吸神经元主要集中分布在背内侧和腹外侧两个区域，分别称为背侧呼吸组和腹侧呼吸组。背侧呼吸组的呼吸神经元主要集中在孤束核的腹外侧部，其轴突下行支配对侧脊髓的膈运动神经元。腹侧呼吸组的呼吸神经元主要集中在疑核、后疑核以及面神经核。

（2）脑桥呼吸调节中枢：

脑桥的呼吸神经元相对集中于臂旁内侧核及其外侧。正常呼吸节律的产生，有赖于延髓和脑桥这两个呼吸中枢的共同作用。

（3）高位中枢：

包括大脑皮层、边缘系统和下丘脑。

（二）呼吸节律的形成

正常呼吸节律的形成有两种假说：一是起步细胞学说，二是神经元网络学说。

20世纪70年代提出了吸气活动发生器和吸气切断机制模型。该模型的核心是当中枢吸气活动发生器自发兴奋时，其冲动沿轴突传出至脊髓吸气运动神经元，引起吸气动作。与此同时，发生器的兴奋可以通过3条途径兴奋吸气切断机制。

（1）兴奋脑桥呼吸调节中枢的活动；

（2）吸气时的肺扩张兴奋肺牵张感受器，进而兴奋吸气切断机制；

（3）中枢吸气活动发生器在引起吸气肌运动神经元兴奋的同时，直接兴奋吸气切断机制。

（三）呼吸的反射性调节

中枢神经系统接受各种感受器传入冲动，实现对呼吸运动调节的过程称为呼吸的反射性调节。

分为以下几类：

1.肺牵张反射

肺扩张或收缩而引起的呼吸反射性变化。反射过程是吸气时，肺扩张，当肺内气量达到一定容积时，肺牵张感受器兴奋，发放冲动增加。肺牵张反射是一种负反馈调节，其生理意义在于阻止吸气过长、过深，促使吸气转向呼气，与脑桥呼吸调节中枢共同调节呼吸的频率和深度。

2.呼吸肌本体感受性反射

肌梭和腱器官是骨骼肌的本体感受器。当呼吸道阻力增大，呼吸肌收缩阻力增加时，肌梭感受器兴奋，传入冲动，提高脊髓中吸气肌运动神经元的兴奋性，因而使吸气肌的收缩增强，出现呼吸运动加强现象。这种由呼吸肌本体感受器传入冲动所引起的反射性呼吸变化称为呼吸肌本体感受性反射。其生理意义在于随呼吸肌负荷增加而相应地加强呼吸运动。

3.防御性呼吸反射

呼吸道黏膜受刺激时，可引起一些对机体有保护作用的呼吸反射。

咳嗽反射：常见的一种清除激惹物，避免其进入肺泡的重要防御反射。

喷嚏反射：是由鼻黏膜受到刺激引起的，但传入冲动沿三叉神经到脑干中枢，其动作与咳嗽反射类似。生理意义是清除鼻腔中的异物。

4.化学感受性呼吸反射

化学因素对呼吸运动的调节是一种反射性调节，称为化学感受性反射。化学因素是指动脉血液、组织液或脑脊液中的O2、CO2和H+。化学感受器分为外周化学感受器（位于颈动脉体和主动脉体）和中枢化学感受器（位于延髓）。化学感受性呼吸反射是呼吸反射性调节的重要部分。

H+对呼吸的影响：H+是化学感受器的有效刺激物质，其作用机制与CO2相似，它对呼吸系统的影响主要通过刺激外周化学感受器。

低氧对呼吸的影响：实验表明低氧对呼吸的兴奋作用完全是通过外周化学感受器实现的，其中颈动脉体起主要作用。低氧对呼吸中枢的直接作用是抑制。

（四）特殊条件下的呼吸运动及其调节

1.运动对呼吸的影响

（1）神经调节：

在运动开始时通气量迅速增加，可能是由于大脑皮质发出冲动使肌肉收缩，同时也发出指令，兴奋脑干呼吸中枢，引起呼吸增强。另一方面，运动时肌肉关节内的本体感受器受到刺激，其传入冲动也可以反射性刺激呼吸，使呼吸运动增强。

（2）体液调节：

体液的PCO2、PO2以及pH的波动可能在通气调节过程中起重要作用。

2.潜水对呼吸的影响

高气压是潜水时遇到的特殊环境，潜水深度每增加10m，压力就增加760mmHg。在高气压或高氧压下，血氧饱和度并无明显增加，但是血液中物理溶解的氧量可随着氧压的增加而增加。若氧压过高，可引起急性氧中毒，表现为脑组织受损、惊厥，继而昏迷，又称惊厥性氧中毒，此为深海潜水常见的致死原因之一，因此，要高度注意吸气的配比。在潜水时返回水面的减压过程中，若减压过快，同样存在很大风险，可致减压病，轻者只表现为短期的关节疼痛，重者会导致肺损伤及神经系统损害，并留有后遗症。因此减压过程必须严格遵守规章，防止减压病的发生。

3.高海拔对呼吸的影响

高海拔对呼吸系统的影响主要是由于空气稀薄，大气压降低，氧分压降低，而导致的机体缺氧。研究表明，一般人能够耐低PO2（35~40mmHg），低于此值必须吸入纯氧，但海拔超过15 000m，即使吸入纯氧也会丧失知觉。