生理学·肺通气功能的评价

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生理学 · 呼吸 第一节  肺通气 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。呼吸肌麻痹、肺和胸廓的弹性变化，以及气胸等可引起肺的扩张受限，发生限制性通气不足（restrictive hypoventilation）；而支气管平滑肌痉挛、气道内异物、气管和支气管等黏膜腺体分泌过多，以及气道外肿瘤压迫引起气道口径减小或呼吸道阻塞时，则可出现阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation）。对患者肺通气功能的测定不仅可明确是否存在肺通气功能障碍及其障碍程度，还能鉴别肺通气功能降低的类型。 （一）肺容积和肺容量        在呼吸运动中，吸入和呼出的气体容积可以用肺量计（肺功能仪）加以测量和记录。肺容积和肺容量是评价肺通气功能的基础。        1、肺容积：不同状态下肺所能容纳的气体量称为肺容积（pulmonary volume），随呼吸运动而变化。通常肺容积可分为潮气量、补吸气量、补呼气量和余气量（图5-6），它们互不重叠，全部相加后等于肺总量。        （1）潮气量：每次呼吸时吸入或呼出的气体量称为潮气量（tidal volume，TV），因呼吸交替似潮水涨落而得其名。正常成年人平静呼吸时的潮气量为400～600ml。运动时，潮气量增大，最大可达肺活量大小。潮气量的大小决定于呼吸肌收缩的强度、胸和肺的机械特性以及机体的代谢水平。        （2）补吸气量或吸气储备量：平静吸气末，再尽力吸气所能吸入的气体量称为补吸气量（inspiratory reserve volume，IRV）。正常成年人的补吸气量为1500～2000ml。补吸气量反映吸气的储备量。        （3）补呼气量或呼气储备量：平静呼气末，再尽力呼气所能呼出的气体量称为补呼气量（expiratory reserve volume，ERV）。正常成年人的补呼气量为900～1200ml。补呼气量反映呼气的储备量。        （4）余气量：最大呼气末尚存留于肺内不能呼出的气体量称为余气量（residual volume，RV）。正常成年人的余气量为1000～1500ml。余气量的存在是由于在最大呼气末，细支气管特别是呼吸性细支气管关闭所致；胸廓向外的弹性回位力也使肺不可能回缩至其自然容积。余气量的存在可避免肺泡在低肺容积条件下的塌陷。若肺泡塌陷，则需要极大的跨肺压才能实现肺泡的再扩张。支气管哮喘和肺气肿患者因呼气困难而使余气量增加。        2、肺容量：肺容积中两项或两项以上的联合气体量称为肺容量（pulmonary capacity）。肺容量包括深吸气量、功能余气量、肺活量和肺总量（见图5-6）。        （1）深吸气量：从平静呼气末做最大吸气时所能吸入的气体量为深吸气量（inspiratory capacity，IC）。它是潮气量与补吸气量之和，是衡量最大通气潜力的指标之一。胸廓、胸膜、肺组织和呼吸肌等发生病变时，均可使深吸气量减少而最大通气潜力降低。       （2）功能余气量：平静呼气末尚存留于肺内的气体量称为功能余气量（functional residual capacity，FRC）。功能余气量等于余气量与补呼气量之和，正常成年人约2500ml。肺气肿患者的功能余气量增多，而肺实质病变患者的功能余气量则减小。功能余气量的生理意义是缓冲呼吸过程中肺泡气氧分压（PO2）和二氧化碳分压（PCO2）的变化幅度。由于功能余气量的稀释作用，吸气时，肺内PO2不致突然升得太高，PCO2不致降得太低；呼气时，则PO2不会降得太低，PCO2不会升得太高。这样，肺泡气和动脉血PO2和PCO2就不会随呼吸而发生大幅度波动，从而有利于肺换气。        （3）肺活量、用力肺活量和用力呼气量：尽力吸气后，从肺内所能呼出的最大气体量称为肺活量（vital capacity，VC）。肺活量是潮气量、补吸气量与补呼气量之和。肺活量有较大的个体差异，与身材大小、性别、年龄、体位、呼吸肌强弱等因素有关，正常成年男性的肺活量平均约为3500ml，女性约为2500ml。肺活量测定方法简单，重复性好，可反映一次通气的最大能力，是肺功能测定的常用指标。       由于测定肺活量时不限制呼气的时间，在某些肺组织弹性降低或呼吸道狭窄的患者，虽然通气功能已经受损，但是如果延长呼气时间，所测得的肺活量仍可正常。因此，肺活量难以充分反映肺组织的弹性状态和气道通畅程度等变化，即不能充分反映肺通气功能的状况。用力肺活量和用力呼气量能更好地反映肺通气功能。用力肺活量（forced vital capacity，FVC）是指一次最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气体量。正常时，用力肺活量略小于在没有时间限制条件下测得的肺活量；但在气道阻力增高时，用力肺活量却低于肺活量。用力呼气量（forced expiratory volume，FEV）是指一次最大吸气后尽力尽快呼气，在一定时间内所能呼出的气体量，为排除背景肺容量的影响，通常以第1、2、3秒末的FEV所占FVC的百分数来表示。正常人的FEV1/FVC、FEV2/FVC和FEV3/FVC分别约为83%、96%和99%，其中以FEV1/FVC的价值最大，在临床上鉴别阻塞性肺疾病和限制性肺疾病中具有重要意义。在哮喘等阻塞性肺疾病患者，FEV1的降低比FVC更明显，因而FEV1/FVC变小，要呼出相当于FVC的气体量往往需要较长的时间，此外还显示余气量增大；而在肺纤维化等限制性肺疾病患者，FEV1和FVC均下降，但FEV1/FVC仍可基本正常，此外还显示余气量减少（图5-7）（见网络增值服务）。        （4）肺总量：如前述，肺总量（total lung capacity，TLC）是指肺所能容纳的最大气体量，等于肺活量与余气量之和，其大小可因性别、年龄、身材、运动锻炼情况和体位改变而异，成年男性平均约5000ml，女性约3500ml。在限制性通气不足时肺总量降低。        3、功能余气量的测定：在临床肺功能测定中，通过肺量计或气流仪可以测得肺容积和肺容量中的大部分指标，但是无法测得RV，所以也不能测得FRC和TLC，因此必须用其他方法间接测得，如氦稀释法。氦气扩散迅速，不被吸收，易于测定。被试者经一密闭系统重复呼吸容器内的气体（含已知浓度的氦），从氦气被肺内气体稀释的程度可以算得FRC。一旦FRC被确定，便能很容易获得RV和TLC。 （二）肺通气量和肺泡通气量        1、肺通气量：每分钟吸入或呼出的气体总量称为肺通气量（pulmonary ventilation），等于潮气量与呼吸频率的乘积。正常成年人平静呼吸时，潮气量为500ml，呼吸频率为12～18次/分，则肺通气量为6～9L/min。肺通气量随性别、年龄、身材和活动量的不同而不同。为便于在不同个体之间进行比较，肺通气量应在基础条件下（见第七章）测定，并以每平方米体表面积的通气量为单位来计算。       劳动或体育运动时，肺通气量增大。在尽力作深、快呼吸时，每分钟所能吸入或呼出的最大气体量，称为最大随意通气量（maximum voluntary ventilation）。最大随意通气量反映单位时间内充分发挥全部通气能力所能达到的通气量，是估计一个人能进行最大运动量的生理指标之一。测定时，一般只测定10秒或15秒的最深最快的呼出或吸入气量，再换算成每分钟的最大通气量。最大通气量一般可达150L，为平静呼吸时肺通气量的25倍。对平静呼吸时的每分通气量与最大通气量进行比较，可了解通气功能的储备能力，通常用通气储量百分比表示，即 通气储量百分比 =（最大通气量-每分通气量）/ 最大通气量×100%       （5-14） 其正常值应等于或大于93%。肺或胸廓顺应性降低、呼吸肌收缩力量减弱或气道阻力增大等因素均可使最大随意通气量减小。       2、肺泡通气量：每次吸入的气体，一部分将留在鼻或口与终末细支气管之间的呼吸道内，不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2.2ml/kg。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都与血液进行交换，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），正常人肺泡无效腔接近于零；但在病理情况下，有些肺泡虽有通气但无血流，因未能进行气体交换而成为肺泡无效腔（图5-8）。肺泡无效腔与解剖无效腔一起合称为生理无效腔（physiological dead space）。健康人平卧时，生理无效腔等于或接近于解剖无效腔。        由于无效腔的存在，每次吸入的新鲜空气不能全部到达肺泡与血液进行气体交换，因而肺通气量不能全面反映气体交换的状况。为了计算真正有效的气体交换量，应以肺泡通气量（alveolar ventilation）为准，它是指每分钟吸入肺泡的新鲜空气量，等于潮气量和无效腔气量之差与呼吸频率的乘积。如果潮气量为500ml，无效腔为150ml，则每次吸入肺泡的新鲜空气量为350ml。若功能余气量为2500ml，则每次呼吸仅使肺泡内的气体更新1/7左右。若潮气量减少或功能余气量增加，均可使肺泡气体的更新率降低，不利于肺换气。此外，潮气量和呼吸频率的变化对肺通气量和肺泡通气量有不同的影响。在潮气量减半和呼吸频率加倍或潮气量加倍而呼吸频率减半时，肺通气量保持不变，但是肺泡通气量却发生明显变化。由表5-1可见，对肺换气而言，浅而快的呼吸是不利的。深而慢的呼吸虽可增加肺泡通气量，但也会增加呼吸做功。        临床上，在配合支气管镜检查或治疗急性呼吸衰竭时，使用一种特殊形式的人工通气，即高频通气（high frequency ventilation，HFV）。通常采用接近或低于解剖无效腔的脉动气流以高速通过细套管向患者气道内喷射气流，其频率可达60～100次/分或更高，却可保持有效的肺通气和肺换气，这与上述浅快呼吸不利于气体交换的观点相矛盾。高频通气的原理与常规机械通气（conventional mechanical ventilation，CMV）的原理不尽相同，有人认为它和气体对流的加强及气体分子扩散的加速有关。可能因为这些通气机制使得HFV在低潮气量和高频率的情况下，能较好的改善患者的氧分压和血氧饱和度。 （三）最大呼吸流速-容积曲线        直径2mm以下的小气道，其管壁薄，炎症易波及其全层和周围组织；其管腔小，因分泌物或渗出物的增多而易被阻塞；且缺乏软骨的支撑，主要依赖肺组织的弹性纤维牵拉而维持其开放状态；其总横截面积大，气道阻力小，仅约占总气道阻力的10%，因而常规肺功能检查不易发现小气道病变。由于小气道阻力受肺组织弹性和小气道病变双重影响，所以当小气道阻力增高时，只有排除肺组织弹性减退才能认为是小气到本身病变所致。       让受试者尽力吸气后，尽力尽快呼气至余气量，同步记录呼出的气量和流速，即可绘制成最大呼气流速随肺容积变化而变化的关系曲线，即最大呼气流速-容积（maximum expiratory flow volume，MEFV）曲线，肺容积变化常用肺容积所占肺活量的百分比（%肺活量）表示。MEFV曲线的升支较陡，在肺容积较大时，呼气流速随呼气肌用力程度（力度）的增加而加大，曲线很快达到峰值。MEFV曲线的降支较平坦，表示呼气过程中不同肺容积时的最大呼气流速。在小气道阻力增高时，在某一给定的肺容积，其最大呼气流速降低，且MEFV曲线降支下移（图5-9），因此可用于诊断气道堵塞的情况。        以上测定中出现流速限制的机制与气道的动态挤压有关，动态挤压（dynamic compression）是指用力呼气时，胸膜腔内压增高而挤压气道，使其口径减小，阻力增加的现象。在用力呼气时，胸膜腔内压将增高，从而使肺泡内压增加，呼气的驱动压加大，呼气流速加快；但此时气流摩擦阻力和气道内的压力降落也都增加，因此气道内形成压力梯度。同时，用力呼气时胸膜腔内压明显增高，从而压迫气道，使之趋于关闭。因此，在用力呼气时可在气道上找到一个点，在这个点上气道内外的压力相等，即跨壁压为零这个点称为等压点（equal pressure point）。等压点与肺泡之间的这部分气道称为上游气道，上游气道内的压力高于胸膜腔内压，处于开放状态；等压点与鼻腔之间的这部分气道称为下游气道，下游气道内的压力低于胸膜腔内压，因而受到挤压。在肺容积较大的情况下，气道口径大，阻力小，气道内的压降小，因此等压点远离肺泡，常发生在较大的支气管。大气道有软骨支撑，这些呼吸道不会塌陷，所以呼气流速呈力度依赖性。相反，当肺容积较小时，呼吸道阻力大，压降也大，等压点将移向上游气道，因此动态挤压的范围将扩大到小气道，呼气越用力，等压点越往上游移，挤压的范围也就越大（图5-10）。因此，在这种情况下加强呼气力度，流速不再增大，呈非力度依赖性。随着肺容积减小，阻力加大，最大呼气流速也随之减小。显然，处于非力度依赖性时呼气流速依赖于驱动压和上游气道的阻力，而与下游气道阻力无关，因而可被用于判断肺通气的功能状态。 （四）气道反应性测定        气道反应性测定又称支气管激发试验（bronchial provocation test，BPT），是用以测试支气管对吸入刺激性物质产生收缩反应程度的一种试验。通常情况下，正常人气道对微量的物理、化学、过敏原或运动的刺激并不引发平滑肌收缩或仅发生微弱收缩反应，而在同样刺激下，某些患者（如哮喘）则可因气道炎症处于过度反应状态，表现出敏感而过强的支气管平滑肌收缩反应，引起气道缩窄和气道阻力增加。        气道反应性测定采用标准的雾化器雾化吸入一定量的激发剂（如组胺和乙酰胆碱），比较吸入前后的肺通气功能指标，如1秒用力呼气量（FEV1）、呼吸阻力等的变化来衡量气道对刺激的反应程度。测定方法最常用的结果表达是PC20。P表示“激发的”（provoking）；C表示激发剂的“浓度”（concentration）；20表示通气功能指标下降20%。所以PC20-FEV1即引起FEV1下降20%的激发剂浓度。        气道高反应性测定是一种非常有价值的测定方法，不仅用于哮喘的诊断，而且通过动态检测可作为哮喘治疗过程中的一项指标，还可作为判断预后的一项指标。但是需注意，患者检查前不能停药，其次检查前FEV1很低时不能进行检查。 （五）呼吸功        呼吸功（work of breathing）是指呼吸肌在呼吸运动中克服通气阻力而实现肺通气所做的功。呼吸功等于压力（跨壁压，单位是cmH2O）变化与相应的肺容积（潮气量或每分肺通气量，单位是L）变化的乘积，通常以一次呼吸运动或一分钟所做的功来表示。目前计算功的计量单位是焦耳（J），所以可按1L · cmH2O=0.098J 或 1J=10.2L · cmH2O进行换算。正常人平静呼吸时，一次呼吸所做的功很小，仅约0.25J。当呼吸加深，潮气量增大时，呼吸做功量将增加。在病理情况下，弹性阻力或非弹性阻力增大时，呼吸功也增大。单位时间所做的功即为功率，用瓦（W）作单位。正常人平静呼吸的频率若以每分钟12次（即每次呼吸历时5秒）计，则呼吸的平均功率为0.05W或50mW（0.25J÷5s）。        正常人平静呼吸时，呼吸功主要用于吸气运动，其耗能仅占全身总耗能的3%～5%。剧烈运动时，呼吸耗能可升高25～50倍，但由于全身总耗能也增大数十倍，所以呼吸耗能仍只占总耗能的很小一部分。不同的呼吸形式对呼吸功产生不同的影响。在进行深而慢的呼吸时，用于克服弹性阻力所做的功增加，而用于克服气道阻力所做的功减少。在气道阻力增大时，机体常进行这种形式的呼吸以减少克服气道阻力所做的功。进行浅而快的呼吸时，用于克服弹性阻力所做的功减少，而用于克服气道阻力所做的功增加。在肺顺应性降低，肺弹性阻力增大时，机体常表现为这种形式的呼吸以减少克服弹性阻力所做的功。