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生理學/氣體在肺的交換

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生理學

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(一)交換過程

混合靜脈血流經肺毛細血管時,血液PO2是5.32kPa(40mmHg),比肺泡氣的13.83kPa(104mmHg)低,肺泡氣中O2便由于分壓的差向血液擴散,血液的PO2便逐漸上升,最后接近肺泡氣的PO2。CO2則向相反的方向擴散,從血液到肺泡,因為混合靜脈血的PCO2是6.12kPa(46mmHg),肺泡的PCO2是5.32kPa(40mmHg)。(圖5-8)。O2和CO2的擴散都極為迅速,僅需約0.3s即可達到平衡。通常情況下血液流經肺毛細血管的時間約0.7s,所以當血液流經肺毛細血管全長約1/3時,已經基本上完成交換過程(圖5-9)。可見,通常情況下肺換氣時間綽綽有余。

氣體交換示意圖 數字為氣體分壓mmHg


圖5-8 氣體交換示意圖 數字為氣體分壓mmHg(1mmHg=0.133kPa)

肺毛細血管血液從肺泡攝取O2(A)和向肺泡排出CO2(B)的過程


圖5-9 肺毛細血管血液從肺泡攝取O2(A)和向肺泡排出CO2(B)的過程((1mmHg=0.133kPa))

(二)影響肺部氣體交換的因素

前面已經提到氣體擴散速率受分壓差、擴散面積、擴散距離、溫度和擴散系數的影響。這里只需具體說明肺的擴散距離和擴散面積以及影響肺部氣體交換的其它因素,即通氣/血流比值的影響。

1.呼吸膜的厚度 在肺部肺泡氣通過呼吸膜(肺泡-毛細血管膜)與血液氣體進行交換。氣體擴散速率與呼吸膜厚度成反比關系,膜越厚,單位時間內交換的氣體量就越少。呼吸膜由六層結構組成(圖5-10);含表面活性物質的極薄的液體層、很薄的肺泡上皮細胞層上皮基底膜、肺泡上皮和毛細血管膜之間很小的間隙、毛細血管的基膜和毛細血管內皮細胞層。雖然呼吸膜有六層結構,但卻很薄,總厚度不到1μm,有的部位只有0.2μm,氣體易于擴散通過。此外,因為呼吸膜的面積極大,肺毛細血管總血量不多,只60-140ml,這樣少的血液分布于這樣大的面積,所以血液層很薄。肺毛細血管平均直徑不足8μm,因此,紅細胞膜通常能接觸至毛細血管壁,所以O2、CO2不必經過大量的血漿層就可到達紅細胞或進入肺泡,擴散距離短,交換速度快。病理情況下,任何使呼吸膜增厚或擴散距離增加的疾病,都會降低擴散速率,減少擴散量,如肺纖維化肺水腫等,可出現低氧血癥;特別是運動時,由于血流加速,縮短了氣體在肺部的交換時間,這時呼吸膜的厚度和擴散距離的改變顯得更有重要性。

呼吸膜結構示意圖


圖5-10 呼吸膜結構示意圖

2.呼吸膜的面積 氣體擴散速率與擴散面積成正比。正常成人肺有3億左右的肺泡,總擴散面積約70m2。安靜狀態下,呼吸膜的擴散面積約40m2,故有相當大的貯備面積。運動時,因肺毛細血管開放數量和開放程度的增加,擴散面積也大大增大。肺不張肺實變肺氣腫或肺毛細血管關閉和阻塞均使呼吸膜擴散面積減小。

3.通氣/血流比值的影響通氣/血流比值(ventilation/perfusion ratio)是指每分肺通氣量(VA)和每分肺血流量(Q)之間的比值(VA/Q),正常成年人安靜時約為4.2/5=0.84。不難理解,只有適宜的VA/Q才能實現適宜的氣體交換,這是因為肺部的氣體交換依賴于兩個泵協調工作。一個是氣歷史意義,使肺泡通氣,肺泡氣得以不斷更新,提供O2,排出CO2;一個是血泵,向肺循環泵入相應的血流量,及時帶起攝取的O2,帶來機體產生的CO2。如果VA/Q比值增大,這就意味著通氣過剩,血流不足,部分肺泡氣未能與血液氣充分交換,致使肺泡無效腔增大。反之,VA/Q下降,則意味著通氣不足,血流過剩,部分血液流經通氣不良的肺泡,混合靜脈血中的氣體未能得到充分更新,未能成為動脈血就流回了心臟。猶如發生了動-靜脈短路,只不過是功能性的而不是解剖結構所造成的動-靜脈短路。由此可見,VA/Q增大,肺泡無效腔增加;VA/Q減小,發生功能性動-靜脈短路。兩者都妨礙了有效的氣體交換,可導致血液缺O2或CO2潴留,但主要是血液缺O2。這是因為,動、靜脈血液之間O2分壓差遠遠大于CO2的,所以動-靜脈短路時,動脈血PO2下降的程度大于PCO2升高的程度;CO2的擴散系數是O2的20倍,所以CO2的擴散較O2為快,不易潴留;動脈血PO2下降和PCO2升高,可以刺激呼吸,增加肺泡通氣量,有助于CO2的排出,卻幾乎無助于O2攝取,這是由氧離曲線和CO2解離曲線的特點所決定的(見第三節)。肺氣腫病人,因許多細支氣管阻塞和肺泡壁的破壞,上述兩種VA/Q異常都可以存在,致使肺換氣速率受到極大損害,這是造成肺換氣功能異常最常見的一種疾病。

健康成人就整個肺而言VA/Q是0.84。但是肺內肺泡通氣量和肺毛細血管血流量的分布不是很均勻的,因此,各個局部的通氣/血流比值也不相同,用整個肺的VA/Q就不以反映出來。例如人友直立位時,由于重力等因素的作用,肺尖部的通氣和血流都較肺底的小,不過血流量的減少更為顯著,所以肺尖部的通氣/血流比值增大,產生中度肺泡無效腔,而肺底的比值減小,產生功能性動-靜脈短路(圖5-11)。雖然正常情況下存在著肺泡通氣和血流的不均勻分布,但從總體上說,由于呼吸膜面積遠遠超過氣體交換的實際需要,所以并未明顯影響O2的攝取和CO2的排出。

正常人直立時肺通氣和血流量的分布VA/Q,通氣/血流比值


圖5-11 正常人直立時肺通氣和血流量的分布VA/Q,通氣/血流比值

(三)肺擴散容量

氣體在0.133kPa(1mmHg)分壓差作用下,每分鐘通過呼吸膜擴散的氣體的ml數為肺擴散容量(pulmonary diffusion capacyty,DL),即:

DL=V/(PA-PC

V是每分鐘通過呼吸膜的氣體容積(ml/min),PA是肺泡氣中該氣體的平均分壓,Pc是肺毛細血管血液內該氣體的平均分壓。肺擴散容量是測定呼吸氣通過呼吸膜的能力的一種指標。正常人安靜時氧的肺擴散容量平均約為20ml/min.0.133kPa,CO2的為O2的20倍。運動時DL增加,是因為參與氣體交換的肺泡膜面積和肺毛細血管血流量增加以及通氣、血流的不均分布得到改善所致,DL可因有效擴散面積減小擴散距離增加而降低。

32 氣體交換原理 | 氣體在組織的交換 32
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