(国家精品课程生理学)肺与呼吸

Chapter 5 Respiratory physiology,Summarize,1.Conception: The movement of air into and out of the body. 机体和外界环境之间进行气体交换的过程。 2.Significance:To provide oxygen and remove carbon dioxide. 保证机体新陈代谢的正常进行，是维持 生命活动的必需过程,The process of respiration,3.Courses of respiration: 3.1.外呼吸: Includes two phases: a.肺通气(ventilation): Air into and out of the lungs b.肺换气:Gases exchange between the air in lungs and the blood 3.2气体运输: Transport of gases in the blood 3.3内呼吸: Gases exchange between the blood and the tissues,Section 1 Pulmonary ventilation （肺通气） Air into and out of the lungs 一The function of airway(呼吸道的作用）,*Conduits of gas passage *Protection of the lungs from foreign matter *Warming and humidifying gases,二、 Mechanics of pulmonary ventilation （肺通气原理） （一）The motivity of ventilation（动力）,diaphragm,External intercostal muscles,1. 呼吸运动,呼吸肌收缩、舒张 所造成的胸廓扩大 和缩小。,呼吸肌：,1 吸气肌: 膈肌,呼吸肌：,吸气肌: 肋间外肌,呼吸肌：,2 呼气肌: 肋间内肌 腹壁肌,呼吸肌：,3 辅助呼吸肌 斜角肌 胸锁乳突肌 胸肌 背肌,(1)The courses of respiratory movement,平静呼吸时:,膈肌收缩 胸廓上下径增加,肋间外肌收缩胸廓前后和左右径增加,胸廓容积肺被动扩张肺内压 吸气(inspiration),当膈肌和肋间外肌舒张时，上述过程相反，引起呼气(expiration)。 用力呼吸时，胸锁乳突肌、斜角肌（加强吸气）肋间内肌、腹壁肌（加强呼气）也参与。 Air moves from an area of higher pressure to one of lower pressure. The pressure difference comes from the movement of respiratory muscles.,(2)The types of respiration （呼吸的形式） 1. Thoracic breathing and abdominal breathing 胸廓起伏明显的呼吸运动称胸式呼吸. 腹壁起伏明显的呼吸运动称腹式呼吸. 2.Eupnea and forced breathing 安静状态下的呼吸称平静呼吸. 运动、呼吸困难状态下的呼吸称用力呼吸。 呼吸困难：在某些病理条件下，不仅呼吸加深加快， 而且出现鼻翼扇动等现象，同时主观上有 不舒适的困压感。,2The changes of intrapulmonary Pressure （肺内压的变化）,图 吸气和呼气时，肺内压、胸膜腔内压,肺内压： 肺泡内的压力,吸气初：肺内压 大气压 呼气开始 呼气末：肺内压 = 大气压 呼气停止,负压人工呼吸 正压人工呼吸,Artificial breathing人工呼吸： 人为地建立肺内压和大气压之间的压力差，维持肺的通气。,3The intrapleural pressure（胸膜腔内压）,（1）胸内压: 胸膜腔内的压力。平静呼吸时始终低于大气压,称胸膜腔负压.,少量浆液起着润滑、减少摩擦和通过 内聚力使两层胸膜吸附在一起的作用， 所以肺可以随胸廓运动。,（2）胸膜腔负压的形成,先决条件:胸膜腔是密闭的. 根本因素:肺有弹性回缩力 a.胸腔的自然容积大于肺的 自然容积，使肺处于扩张状态。 b.胸膜的壁层不易受大气压 的直接影响 胸膜腔内压=大气压肺回缩力 =0肺的回缩力 = 肺回缩力,（3）呼吸过程中胸内压的变化 呼气末：-3 -5 mmHg 吸气末：-10 -5mmHg （4）胸膜腔负压的意义: a.维持肺扩张,保证肺通气的正常进行. b.降低中心静脉压,有助于静脉血和淋巴的回流.,Review: 1.Respiration is the movement of air into and out of the body for provide oxygen and remove carbon dioxide. 2.The process of respiration includes three phases. 3.Mechanisms of respiration : Inspiration occurs when the diaphram contracts and the external intercostal muscles lift the rib cage,thus increasing the volume of the thoracic cavity. Passive expiration during quiet breathing occurs when the muscles of inspiration relax. Active expiration during forced breathing occurs . The pressure difference between the atmosphere and the alveoli resulting the air flow from high to low.,4.Intrapleural pressure: The pleural cavity is filled with a small volume of pleural fluid which can performs two functions :the first is allowing the visceral and parietal pleurae to slide past each other, and the second is to helps hold the pleural membranes together. The mechanisms of intrapleural pressure.,(二)Resistance肺通气的阻力 弹性阻力 :肺弹性阻力和胸廓弹性阻力. 非弹性阻力 :气道阻力和惯性阻力. 1.弹性阻力和顺应性(compliance): 弹性阻力：物体对抗外力作用所引起的变形的力. 顺应性：弹性组织在外力作用下的可扩展性。 弹性阻力小，容易扩展，顺应性大。,(1)肺的弹性阻力和顺应性 肺的顺应性:表示肺扩张难易程度的指标，与 弹性阻力呈倒数关系 容积的变化(V) 肺顺应性= 跨肺压的变化(P),1)肺静态顺应性曲线,呼气,吸气,*测定在无气流的条件下进行，故称之肺的静态顺应性曲线。 *曲线斜率大，表示肺的顺应性大。 *呼气和吸其时的肺顺应性曲线存在滞后现象,与表面张力有关,肺充血、肺不张、肺纤维化 肺顺 表面活性物质减少 应性 肺气肿 肺顺应性,2）Specific compliance（比顺应性） 测得的肺顺应性（L/cmH2O）/肺总量（L） 平静呼吸时测得的肺顺应性（L/cmH2O）/肺的功能残气量（L）,3）肺弹性阻力的来源 Elastic tissue : 弹性纤维及 胶原纤维 1/3 Surface tension: 表面张力 2/3 （液气界面） 两者所占的比例与肺容积有关。,The function of surface tension： tends to collapse the alveoli. Surface tension is regulated by the surfactant.,图 充空气和充生理盐水时肺的顺应性曲线（1cmH2O=0.098kPa） *充生理盐水时所需跨肺压比充空气时小得多。 *充生理盐水时无明显的滞后现象。,表面活性物质(surfactant),Typealveolar cells型细胞分泌的二软酯酰卵磷脂(DPPC),肺泡表面活性物质的分子结构及分布,肺泡表面活性物质形成单分子层，其密度随肺泡的张缩而改变。,The functions of surfactant：,1.Reduce the surface tension and allows the lungs to be kept expanded. 2.Keep the alveolar stability. 小肺泡DPPC密度大，T较小,Functions：,3.减少肺间质和肺泡内组织液生成，防止肺水肿。 4.防止肺不张:Infant born prematurely often produced inadequate amounts of surfactant leads to breathing difficulties known as respiratory distress syndrome.,呼气,吸气,*测定在无气流的条件下进行，故称之肺的静态顺应性曲线。 *曲线斜率大，表示肺的顺应性大。 *呼气和吸其时的肺顺应性曲线存在滞后现象,与表面张力有关,4）胸廓弹性阻力,作用：肺容量 = 67%肺总量时 无回缩力 肺容量 67%肺总量时 呼气动力 吸气阻力,胸廓顺应性,肥胖、胸廓畸形 胸膜增厚 胸廓顺应性 腹内占位病变,2. 非弹性阻力,（1）分类 惯性阻力 粘滞阻力 气道阻力,气道阻力主要发生在直径大于2mm的气道,（2）影响气道阻力的因素,流速快、湍流、管径小 气道阻力大 流速慢、层流、管径大 气道阻力小,（3）影响气道管径的因素: a.跨壁压 b.肺实质的牵引作用 c.自主神经的调节 d.化学因素的影响 为什么支气管哮喘病人呼气比吸气更困难？,二. Pulmonary volumes and capacities,基本肺容积和肺容量图解,(一) Pulmonary volumes 1.Tidal volume:the volume of air inspired or expired during quiet breathing. 潮气量:每次吸入或呼出的气体量.400600ml 2.Inspiratory reserve volume:the amount of air that can be inspired forcefully after inspiration of the normal tidal volume. 补吸气量:平静吸气末再用力吸气所能增加的吸气量.15002000 ml 潮气量+补吸气量=深吸气量,3.Expiratory reserve volume：the amount of air that can be expired forcefully after expiration of the normal tidal volume. 补呼气量：平静呼气末再用力呼气所能增加的呼出气量. 9001200 ml 4.Residual volume:the volume of air still remaining in the respiratory passages and lungs after a maximum expiration 残气量:最大呼气末肺内所残留的气体量1000-1500ml,基本肺容积和肺容量图解,（二）Pulmonary capacity 1.Inspiratory capacity:the amount of air that a person can inspire maximally after a normal expiration. 深吸气量:从平静呼气末 作最大吸气时所能吸入的气量。 2.Functional residual capacity:the amount of air remaining in the lungs at the end of a normal expiration. 功能残气量: 平静呼气末肺内所含的气体量. 20002500ml.,3.Vital capacity:the maximum volume of air that a person can expel from his respiratory tract after a maximum inspiration 肺活量: 先尽力吸气,再尽力呼气所能呼出的全部气量 男:3500 ml 女:2500 ml 是反映静态肺功能的一项指标. 肺活量=潮气量+补吸气量+补呼气量,3.Forced vital capacity 用力肺活量 最大吸气后,以最快的速度进行呼气,计算第一秒末、第二秒末、第三秒末呼出的气量分别占肺活量的百分比。分别为：83%、96%、99%。是反映肺通气功能的动态指标。 4.Total lung capacity:The sum of all the ventilatory volumes plus the residual volume. 肺总容量：肺所容纳的最大气量。 男性：5000ml;女性：3500ml,时间肺活量 A：正常时间肺活量B:气道狭窄时的时间肺活量,基本肺容积和肺容量图解,三.Pulmonary ventilation volume肺通气量 （一）Minute ventilation volume:the amount of air into the lungs each minute. 每分通气量=潮气量呼吸频率 Maximal voluntary ventilation最大随意通气量： 以最快的速度尽力呼气每分钟呼出的气体量，反映肺通气功能的潜力。 通气贮量百分比最大通气量-每分通气量/最大通气量100% 正常值等于或大于93%。,(二)alveolar ventilation 肺泡通气量：the amount of new air being brought into the lungs each minute. 肺泡通气量=（潮气量无效腔气量）呼吸频率 Dead space 无效腔：The volume which has to be ventilated but which does not participate in gas exchange .,The anatomical dead space ： all the airways down to the bronchiolar level. 从鼻到终末细支气管容积。该腔内的气体不能与血液 进行气体交换，140160ml。 The alveolar dead space is very small. The physiological dead space is the total volume of anatomical and alveolar dead space.,肺泡通气量是反映肺通气效率的最好指标。受呼吸频率的影响。 表 不同呼吸频率和潮气量时的肺通气量和肺泡通气量呼吸频率潮气量肺通气量肺泡通气量,Section 2 Gas exchange in the lungs and tissues 一Physical principal of gas exchange,（一）Gas diffusion(气体的扩散) 1.The movement of O2 and CO2 in and out of the capillaries both in the lungs and in the peripheral tissues depends on gas diffusion.,2.The effective factors on gas diffusion （1）Partial pressure difference drive gas movement： 分压差越大，气体扩散速度越快 （2）Solubility(溶解度) and Molecular weight(分子量) CO2的溶解度是O2的24倍，CO2的分子量是O2的1.14倍，CO2的扩散速率是O2的21倍。 （3）Diffusion area and distance(扩散面积和距离) 气体扩散量与面积呈正比，与厚度呈反比 （4）Body temperature(温度) PTAS 气体扩散速率D= d MW,(二)The partial pressure :,肺泡气,13.6,5.3,二、Gas exchange in the lungs 肺换气 (一)courses: 扩散快，仅需0.3秒,肺泡与毛细血管 之间的气体交换 过程。,肺换气,肺换气过程,（二）effective factors:,1 Respiratory membrane thickness(呼吸膜厚度 ) 反变 肺纤维化、 肺水肿时增厚,2 Surface area(呼吸膜面积) 正变 运动时面积增大； 肺不张、肺实变、肺Ca 肺泡闭塞时面积减小,3 Ventilation/perfusion ratio(通气/血流比值): 每分肺泡通气量和每分肺血流量的比值。0.84,正常,Ventilation-perfusion mismatch: 气多或血少 气少或血多 比值升高 比值降低 肺泡无效腔 A-V短路 换气效率低,几点说明： VA/Qor换气效率缺O2和CO2潴留的症状;但以缺O2为主，原因： A-V血间PO2PCO2 功能性A-V短路时，A血PO2的程度V血PCO2； CO2 的扩散系数是O2的20倍，CO2的扩散速O2，不易出现CO2潴留的症状； A血PO2和PCO2时，可刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO2的排出，而几乎无助于O2的摄取（O2和CO2解离曲线的特点所决定的）。,整个肺脏的VA/Q=0.84,是衡量肺换气功能的指标；临床上更应测肺脏各局部的VA/Q：,人体直立时肺局部的VA/Q 肺上区 肺下区 VA（L/min）0.24 0.82 Q（L/min）0.07 1.29 VA/Q 3.4 0.64,(三)diffusing capacity of lung(肺扩散容量)： 气体在0.133kPa(1mmHg)分压差作用下，每分钟通过呼吸膜扩散的气体的ml数为肺扩散容量。,三、Gas exchange in peripheral tissues,血液与组织细胞之间的气体交换过程。,图 气体交换示意图 数字为气体分压mmHg(1mmHg=0.133kPa),Section 3 Gas transport in the blood 一、The form of O2 and CO2 in the blood,1.Dissolved in the plasma: 2.Chemical combination: 气体分压*溶解度 溶解量= 温度,血液O2和CO2的含量,（ml/100ml血液） 动脉血 静脉血 物理 化学 合 物理 化学 合 溶解 结合 计 溶解 结合 计 O2 0.31 20.0 20.31 0.11 15.2 15.31 CO2 2.53 46.4 48.93 2.91 50.0 52.91,二、氧的运输 (一)物理溶解：(1.5%) (二)化学结合:(98.5%) O2与Hb的可逆性结合:Hb + O2,当表浅毛细血管床血液中去氧Hb达5g/100ml以上，呈蓝紫色称紫绀。,临床常见缺氧及紫绀,PO2(氧合),PO2(氧离),HbO2,鲜红色,暗红色,1分子Hb可与4分子O2可逆结合 Hb+O2结合的最大量氧容量 100ml血 Hb+O2结合的实际量氧含量 氧含量氧容量的%氧饱和度,2. O2与Hb结合的特征: 反应快、可逆、受PO2的影响、不需酶的催化； 是氧合，非氧化:Hb-Fe2+ + O2 Fe2+-HbO2,PO2 (氧合),PO2 (氧离), Hb+O2的结合或解离曲线呈S形,机制：与Hb 的变构有关： 氧合Hb 为疏松型（R型） 去氧Hb 为紧密型（T型） 当O2与Hb的Fe2+结合后 Hb4个亚基间的盐键逐步断裂 Hb分子由T型R型 （即对O2 的亲和力逐步）R型的亲O2力为T型的数百倍,当Hb某亚基与O2结合或解离后Hb变构其他亚基的亲O2力orHb4个亚基的协同效应,（三）氧离曲线特征 及生理意义 1.上段:PO28.013.3kPa （60100mmHg） 坡度较平坦。 表明：PO2变化时，,血氧饱和度变化小。,高原(低气压),PO2明显而Hb结合O2量变化不大； 轻度呼衰病人肺泡气PO2明显而Hb结合O2量变化不大。,2.中段:PO25.38kPa (4060mmHg) 坡度较陡。,上,中,下,表明：PO2降低能促进大量氧离，血氧饱和度下降显著。 意义:维持正常时组织的氧供。 因正常时组织的氧供，PO2在中段范围变化。,表明：PO2稍有下降,血氧饱和度就急剧下降。 意义:维持活动时组织的氧供。 因下段释放O2量为正常时的3倍(= O2储备段)。,上,中,下,3.下段:PO25.32.0kPa (1540mmHg) 坡度更陡。,小结： 氧离曲线特点及其生理意义,P50：指Hb氧饱和度达到 50% 的Po2 。 正常值约为26.5mmHg。 P50: 表明 Hb 对o2的,亲和力（氧离易），需更高的Po2才能使Hb氧饱和度达到50%。 P50: 表明 Hb 对o2的亲和力（氧离难）, 较低的Po2便能使Hb氧饱和度达到50%。,（四）影响氧离曲线的因素,1. Pco2 PH Pco2PH氧离曲线右移 Pco2PH氧离曲线左移,(1)组织：H+促进Hb盐键形成Hb构型变为T型 Hb与o2亲和力氧离曲线右移氧离易。,这种酸度对Hb与o2亲和力的影响，称为波尔效应(Bohr effect)，其意义：在肺脏促进氧合在组织促进氧离。,(2)肺脏：H+ 促进Hb盐键断裂Hb构型变为R型 Hb与o2亲和力氧离曲线左移氧合易。,2.温度 T氧离曲线右移 T氧离曲线左移,(1) TH+的活度 Hb与o2亲和力Hb释放o2 Hb构型变为R型氧离曲线右移氧离易 如：组织代谢局部 T+CO2H+曲线右移氧离易,(2)TH+的活度Hb与o2亲和力Hb结合o2 Hb构型变为T型氧离曲线左移氧离难 如：低温麻醉时，应防组织缺o2 冬天，末梢循环+氧离难局部红、易冻伤,3. 2,3-DPG DPG 氧离曲线右移 DPG 氧离曲线左移,(1)高原缺氧 RBC无氧代谢 DPG氧离曲线右移氧离易。,(2)大量输入冷冻血DPG氧离曲线左移氧离难。 （冷冻血3周后，RBC无氧代谢停止DPG） 故：应注意缺氧。,Pco曲线左移氧离难 co与Hb亲和力 o2与Hb亲和力 250 倍； co与Hb的结合位点与o2相同； co与Hb的某亚基结合后，将增加其余三个亚基对o2的亲和力。,Hb的Fe2+ Fe3+ : Hb失去结合o2的能力（如亚硝酸盐） 异常Hb：Hb的运o2能力（如地中海贫血） 胎儿Hb：胎儿Hb的4条肽链为22(成人为22)构成，其Hb与o2亲和力成人，这与胎儿所处的低氧环境是相适应的。,5. Hb本身的性质,4. Pco,三、CO2的运输 (一)物理溶解： 5 (二)化学结合：95 HCO3-的形式：88 (1)反应过程： CO2H2O (2)反应特征:,碳酸酐酶,H2CO3,HCO3-H+,需酶催化:碳酸酐酶加速反应0.5万倍 RBC膜上有Cl-和HCO3-特异转运载体， Cl-转移维持电平衡,促进CO2化学结合的运输； 在RBC内反应, 在血浆内运输。,氨基甲酸血红蛋白的形式：7 HbNH2O2+H+CO2,在组织,在肺脏,HHbNHCOOHO2,(三)CO2解离曲线 CO2解离曲线是表示血液中CO2含量与PCO2间关系的曲线。 几乎成线性关系(非S形曲线),V血A点CO2的含量为52ml/100ml,而A血B点CO2的含量降为48ml/100ml,说明血液流经肺脏时，每100ml血液释放出4mlCO2 。 当血PO2时， CO2解离曲线下移。,在肺脏氧与二氧化碳运输形式,在组织氧与二氧化碳运输形式,Section 4 Regulation of respiration 一、 Respirtory center（呼吸中枢）与呼吸节律的形成,在不同平面横切脑干后 呼吸的变化示意图,（一） respiratory center 呼吸中枢是指在中枢神经系统内调节呼吸运动的神经元集中的部位. 脊髓：联系脑和呼吸肌的中继站。 2. 延髓: 呼吸节律基本中枢. 部位:延髓的背侧呼吸组和腹侧呼吸组,有吸气神经元; 呼气神经元;吸气-呼气跨时相神经元. 3.脑桥：中，下部：长吸中枢 功能：形成长吸式呼吸。 上部：呼吸调整中枢 功能:抑制延髓吸气神经元,促进吸气向呼气转化. 4高位脑中枢: 对呼吸节律形成不起作用,但可随意控制呼吸.,微电极等技术研究发现：CNS内有些N元呈节律性放电，并且放电节律与呼吸周期有关，其类型有: 吸气N元(I-N元)：在吸气相放电 呼气N元(E-N元): 在呼气相放电 跨时相N元 I-EN元:吸气相放电并延续到呼气相 E-IN元:呼气相放电并延续到吸气相,呼吸N元放电类型模式,由上可知,平稳均匀 的呼吸节律有赖于 延髓呼吸中枢和脑 桥及高位脑呼吸中 枢共同调节.,(2)呼吸节律形成的假说（了解）,吸气活动发生器：当H+ CO2 等作用下兴奋并引起: 向下兴奋延髓I-N元脊髓吸气肌运动N元吸气；向上兴奋脑桥呼吸调整中枢;兴奋吸气切断机制N元。 吸气切断机制：当接受到吸气活动发生器、延髓I-N元、脑桥呼吸调整中枢和肺牵张感受器的冲动，兴奋总和达到某一阈值，反馈抑制延髓I-N元,切断吸气，从而使吸气转化为呼气。,H+ CO2,二、 呼吸的反射性调节 （一）肺牵张反射（Hering-Breuer reflex） 1.概念：由于肺扩张和缩小反射性引起的呼吸变化，包括肺扩张反射和肺缩小反射。 感受器位于从气管到细支气管的平滑肌中 2.反射过程： 2.1肺扩张反射：肺扩张 肺牵张感受器受刺激增强 沿迷走神经传人呼吸中枢冲动增加 抑制延髓吸气神经元 吸气抑制，转入呼气。 2.2肺萎陷反射 剪断双侧迷走神经，呼吸如何变化？,(二)化学感受性反射 指血液中的Pco2 H+ Po2对呼吸运动的调节. 1. 化学感受器 （1）外周化学感受器：颈动脉体和主动脉体，适宜刺激为血液中Pco2 ，H+， Po2变化。 Pco2，H+，Po2时，呼吸加深，加快。,外周R： 颈A体（主要调节呼吸） 主A体（主要调节循环）,颈动脉体和主动脉体化学感受性反射,PO2 H+ PCO2 等,颈动脉体和主动脉体外周化学感受器（+）,窦、弓N,延 髓,心血管中枢兴奋性改变,呼吸中枢（+）,心率、冠脉舒 心输出量,皮肤、内脏 骨骼肌血管缩,心率、心输出量、外周阻力,外周阻力心输出量,血 压,呼吸加深加快,间接,（2）中枢化学感受器: 延髓腹外侧浅表部位，对脑脊液中H+变化敏感. H+时，兴奋呼吸中枢，呼吸加深，加快。 CO2可迅速通过血脑屏障，血液中H+不易通过血脑屏障。,3. C