运动对呼吸系统的影响

关于运动对呼吸系统的影响12右肺左肺第2页,共34页，2024年2月25日，星期天3肺的解剖構造左肺有２葉，右肺有３葉。右心室的血液經由肺動脈輸入肺臟，再經由肺靜脈流返左心室，稱為肺循環（lungcirculation）。肺的氣管系統經過17次分枝後纔出現肺泡（alveolus），稱為呼吸性氣管。人體約有３億個肺泡，總表面積約為90平方公尺，表面佈滿微血管，為肺的構造和功能的單位，總表面積約為50平方公尺。第3页,共34页，2024年2月25日，星期天4肺的解剖構造（續）肺臟的微血管密度約為250～300×109

，平均每一個肺泡的周圍有1,800～2,000條微血管。氣血障壁（air-bloodbarrier）為氣體擴散時必須通過的層次，包括肺泡上皮、間質組織和微血管內皮等。厚度約為0.5～4μm。肺臟與胸廓（肋骨與肌肉）之間存在的空隙，稱為胸膜腔，但由於該處為負壓（-10～-12毫米汞柱），故使得壁胸膜（parietalpleura）和臟胸膜（visceralpleura）緊密相連。第4页,共34页，2024年2月25日，星期天5肺尖第一肋骨壁胸膜臟胸膜肺韌帶橫膈第5页,共34页，2024年2月25日，星期天6紅血球微血管的內皮細胞肺泡的上皮細胞間質組織第6页,共34页，2024年2月25日，星期天7呼吸的過程人體的細胞需要藉呼吸作用來獲得氧氣，俾能進行細胞的代謝和維持生命，共分為4個過程。換氣（ventilation）：空氣出入肺泡進行O2和CO2的交換，亦稱為外呼吸（externalrespiration）。運送（transportation）：O2和CO2經由血液流運送至肺部或全身各處的組織細胞。擴散（diffusion）：O2和CO2在肺泡或細胞與血液之間依壓力梯度移動，亦稱為內呼吸（internalrespiration）。利用（utilization）：細胞內進行營養分子的有氧代謝第7页,共34页，2024年2月25日，星期天8循環系統呼吸系統周邊組織換氣運送利用第8页,共34页，2024年2月25日，星期天9吸氣動作吸氣（inspiration）是一個主動的過程主要的吸氣肌肉為橫膈（diaphragm）和外肋間肌（externalintercostals），平靜吸氣僅依賴前者的收縮（下移），使胸廓的縱長增加；若外肋間肌亦收縮（上舉），則胸廓的橫徑亦增加。因為肺臟以胸膜與胸廓相連，故可隨之而運動，因胸廓容積的變大而擴增。劇烈運動時，一些輔助吸氣肌包括胸鎖乳突肌、斜方肌、前鋸肌、和提肩胛肌等亦參與收縮，額外地增加胸廓和肺的容積。第9页,共34页，2024年2月25日，星期天10第10页,共34页，2024年2月25日，星期天11第11页,共34页，2024年2月25日，星期天12胸膜胸廓中膈心包膜中央肌腱橫膈橫膈腳第12页,共34页，2024年2月25日，星期天13輔助肌肉外肋間肌內肋間肌橫膈腹部肌肉第13页,共34页，2024年2月25日，星期天14呼氣動作呼氣（expiration）是一個被動的過程主要的呼氣肌肉為腹部的肌群和內肋間肌（internalintercostals）當橫膈鬆弛、肺臟和胸廓的彈性恢復力、腹肌的收縮力皆會迫使橫膈上移，胸廓下降，使胸廓的容積因胸腔的縱長和橫徑的變化而縮小。劇烈運動時，呼氣動作可自被動轉為主動，此時腹肌的收縮力更增加，使腹腔內臟朝向橫膈移動，進一步減少胸廓的容積。第14页,共34页，2024年2月25日，星期天15氣體的交換氣體的交換（gasexchange）指O2和CO2在肺泡或組織細胞中循壓力梯度的擴散肺泡的PO2=100～105毫米汞柱，PCO2＝40毫米汞柱微血管（靜脈血）的PO2＝40～50毫米汞柱，PCO2＝46毫米汞柱

O2自肺泡向微血管擴散，CO2自微血管向肺泡擴散組織細胞的PO2＝30～40毫米汞柱，PCO2＝46毫米汞柱微血管（動脈血）的PO2＝100毫汞柱，PCO2＝46毫米汞柱

O2自微血管向細胞擴散，CO2自細胞向微血管擴散第15页,共34页，2024年2月25日，星期天16第16页,共34页，2024年2月25日，星期天17影響氣體擴散的因素1.壓力梯度（pressuregradient）：自高壓向低壓處擴散2.擴散係數（diffusionconstant,D）：D與氣體的溶解度成正比，但與分子量的平方根成反比例如：

DO2

=1×√44＝

1×6.63＝

6.63＝20.4

DCO224×√3224×5.66135.8第17页,共34页，2024年2月25日，星期天18影響氣體擴散的因素（續）3.擴散面積（surfacearea）：指肺泡與微血管接觸處的面積。增加微血管開放的數量和增加心輸出量，皆有利於擴散面積的增加；但肺氣腫（emphysema）不利於氣體的擴散。4.擴散距離（diffusiondistance）：指呼吸膜（氣血障壁）的厚度，肺水腫（pulmonaryedema）不利於氣體的擴散。5.溫度（temperature）：體溫升高，將會加速氣體的擴散。第18页,共34页，2024年2月25日，星期天19擴散容積擴散容積（diffusioncapacity）：指氣體自肺泡擴散到血液中的量休息時，每1毫米汞柱的壓力梯度可促成O2的擴散容積為23毫升／分鐘；激烈運動時，則增至50～65毫升／分鐘（約3倍）。增加O2的擴散容積之原因包括開放蟄伏的微血管，血管擴張（小動脈），以及呼吸膜伸展（厚度↓）。第19页,共34页，2024年2月25日，星期天20氣體的運送98％的O2與紅血球中的血紅素（hemoglobin）結合，其餘2％則溶解於血漿中。由於血液中有4～6兆個紅血球，故其運送能力足以彌補血漿之不足。休息時，微血管中的血液與肺泡氣體接觸的時間約為0.75秒，使得血氧飽和度達到98％。運動時，血流速率增快，使得血液與肺泡氣體接觸時間減短，此將降低血氧飽和度。第20页,共34页，2024年2月25日，星期天21二氧化碳的運送大約10％的CO2先溶解於血漿中，再被運送至肺臟。最主要的運送方法為藉下列反應式，形成重碳酸根離子（bicarbonate），約佔70％。在組織中：CO2＋H2O→H2CO3→H+＋HCO3－在肺泡中：H+＋HCO-→H2CO3→CO2＋H2O上述反應紅血球中可被碳酸酐酶（carbonicanhydrase）的催化，故進行較快，但血漿中則較慢。其餘的20％的CO2與紅血素結合，生成碳醯胺血紅素（carbaminohemoglobin）。第21页,共34页，2024年2月25日，星期天22肺容積

人體的肺容積（lungvolume）為評估肺功能的常用方法，包括下列四個容積：潮氣容積（tidalvolume,VT）：指在每一安靜呼吸的週期吸入或呼出的氣體容積，亦即呼吸的深度；正常值約為500毫升。吸氣儲備容積（inspiratoryreservevolume,IRV）：指安靜吸氣之終末，儘力再吸入的氣體容積。肺餘容積（residualvolume,RV）：指在儘力作最大呼氣之後，仍餘留肺內的氣體容積。第22页,共34页，2024年2月25日，星期天23第23页,共34页，2024年2月25日，星期天24血氧飽和度血氧飽和度（bloodoxygensaturation,SO2）指紅血球中的血紅素（hemoglobin）與氧氣分子結合的比例，在1大氣壓時約為98％。血紅素與O2結合者為氧合血紅素（oxyhemoglobin），未與氧結合者為還原血紅素（reducedhemoglobin）

Hb＋O2HbO2人體每100毫升的血液約含有15公克的血紅素，每1公克的血紅素最多能與1.34毫升的O2結合，故以氧合血紅素的方式運送的O2約為20毫升。第24页,共34页，2024年2月25日，星期天25影響血氧的飽和度的因素

促進O2解離的因子，使氧解離曲線向右移動，反之，則向左移動，這些因子包括：酸鹼度降低：活動的肌肉產生乳酸和CO2，解離之H+將降低氧合血紅素的親和力，此稱為波爾效應（Bohreffect）。溫度升高：活動的肌肉在能量代謝時釋放出熱能，將減弱氧合紅血素的親和力。2,3-DPG：紅血球進行無氧醣解時將產生2,3二磷酸甘油脂（2,3-diphosphoglycerate），此種化合物將降低氧合血紅素的親和力。第25页,共34页，2024年2月25日，星期天26第26页,共34页，2024年2月25日，星期天27呼吸調節的機制呼吸中樞（respiratorycenters）：包括吸氣和呼氣兩個區域，它們週期性地傳送神經衝動至呼吸肌肉，主要對〔H+〕↑和PCO2↑反應。化學接受器（chemoreceptors）：頸動脈體（carotidbody）和主動脈體（aortribody）主要對血液中PO2↓反應，但亦受〔H+〕↑和PCO2↑的影響。伸張接受器（stretchreceptors）：位於胸膜、支氣管、和肺泡等處亦有些接受器能夠對肺過度膨脹反應。大腦運動皮質（cerebralmotorcortex）：能夠對呼吸作短暫的控制，如摒息。第27页,共34页，2024年2月25日，星期天28第28页,共34页，2024年2月25日，星期天29運動時呼吸的調節運動初期，大腦運動皮質發出興奮性神經衝動至吸氣中樞，使肺泡的換氣量增加。運動中期，由於體溫升高，PCO2↑,〔H+〕↑等因素的影響，使肺泡的換氣量因應代謝的需要，更進一步地增加，但趨於平緩。運動停止後，必須經過數分鐘中纔能使呼吸恢復正常，此一時期的長短端視氧債的多寡而定。較低強度的運動，主要增加肺臟的潮氣容積，但較高強度的運動，也使呼吸率同時增加。第29页,共34页，2024年2月25日，星期天30第30页,共34页，2024年2月25日，星期天31換氣與能量代謝的配合換氣當量(ventilatoryequivalent)：指肺臟的換氣量(VE)與組織的耗氧量(VO2)的比率輕度至中度運動時，VE/VO2=23~28；重度運動時，VE/VO2>30通常換氣量的增加與耗氧量的增加為亙相平行，惟當運動強度增至某一程度時，VE突然呈非比例性的增加(非線性增加)，但VO2

並未顯著地增加，此一時刻稱為換氣的轉折點(ventilatorybreakpoint)。轉折點的生理意義為排除過多重碳酸離子(HCO-3)與乳酸(H+)形成的CO2.第31页,共34页，2024年2月25日，星期天32第32页,共34页，2024年2月25