第七章呼吸系統(tǒng)的建模與仿真,主要內(nèi)容,7.1呼吸系統(tǒng)的生理功能7.2呼吸氣體方程及其應(yīng)用,7.1呼吸系統(tǒng)的生理功能,機(jī)體與外界環(huán)境之間的氣體交換過程，稱為呼吸。呼吸的三個環(huán)節(jié)：外呼吸（肺通氣和肺換氣）氣體在血液中的運(yùn)輸內(nèi)呼吸（組織換氣）,一、肺通氣的原理（一）肺通氣的動力（二）肺通氣的阻力（三）肺容積（四）肺容量二、肺換氣和組織換氣（一）氣體交換的原理（二）肺換氣過程（三）組織換氣三、呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié)（一）呼吸中樞（二）呼吸的反射性調(diào)節(jié),一、肺通氣的原理,肺通氣是指肺與外界環(huán)境之間的氣體交換過程。實現(xiàn)肺通氣的器官包括呼吸道、肺泡和胸廓等。要實現(xiàn)肺通氣取決于兩方面因素的相互作用：一是推動氣體流動的動力；另一個是阻礙氣體流動的阻力。只有前者克服后者，建立肺泡與外界環(huán)境之間的壓力差，才能實現(xiàn)肺通氣。,（一）肺通氣的動力,肺通氣的直接動力是大氣與肺泡氣之間的壓力差。肺通氣的原動力是呼吸肌收縮和舒張引起的節(jié)律性呼吸運(yùn)動。,1呼吸運(yùn)動,呼吸肌收縮和舒張引起胸廓節(jié)律性擴(kuò)大和縮小稱為呼吸運(yùn)動，包括吸氣運(yùn)動和呼氣運(yùn)動。參與呼吸運(yùn)動的肌肉，稱為呼吸肌。吸氣?。菏剐乩獢U(kuò)大，產(chǎn)生吸氣運(yùn)動的肌肉，主要有膈肌和肋間外??；呼氣?。菏剐乩s小，產(chǎn)生呼氣運(yùn)動的肌肉，主要有肋間內(nèi)肌和腹壁肌群。,呼吸運(yùn)動的形式,平靜呼吸和用力呼吸人體在安靜時，平穩(wěn)而均勻的自然呼吸，稱平靜呼吸，每分鐘約為1218次。此時吸氣是主動的，而呼氣是被動的過程。當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動時，或者吸入氣中CO2含量增加或O2含量減少時，呼吸運(yùn)動將加深、加快，這種形式的呼吸運(yùn)動稱為用力呼吸或深呼吸，這時吸氣和呼氣都是主動的。,呼吸運(yùn)動的形式,腹式呼吸和胸式呼吸以膈肌舒縮為主的呼吸運(yùn)動，主要表現(xiàn)為腹壁明顯的起伏，稱為腹式呼吸。以肋間外肌舒縮引起胸骨和肋骨運(yùn)動（胸廓運(yùn)動）為主的呼吸運(yùn)動，主要表現(xiàn)為胸廓的擴(kuò)大和縮小稱為胸式呼吸。正常成人呼吸大多是胸式呼吸和腹式呼吸同時存在，稱為混合式呼吸。,2呼吸時肺內(nèi)壓的變化,肺泡內(nèi)的壓力稱為肺內(nèi)壓。在呼吸運(yùn)動過程中，肺內(nèi)壓隨胸腔容積的變化而改變。,胸膜腔內(nèi)壓,肺內(nèi)壓,3呼吸時胸膜腔內(nèi)壓的變化,胸膜腔內(nèi)的壓力稱為胸膜腔內(nèi)壓，可用連接檢壓計的針頭刺入胸膜腔內(nèi)直接測定，也可用測定食管內(nèi)壓來間接反映胸膜腔內(nèi)壓力的變化。測量表明，胸膜腔內(nèi)壓通常低于大氣壓，為負(fù)壓。平靜呼吸過程中，胸膜腔內(nèi)壓始終是負(fù)壓，習(xí)慣上稱為胸膜腔負(fù)壓，或簡稱胸內(nèi)負(fù)壓。,胸內(nèi)負(fù)壓的形成與作用于胸膜腔的兩種力有關(guān)，一種是促使肺泡擴(kuò)張的肺內(nèi)壓，另一種是促使肺泡縮小的肺回縮力，胸膜腔內(nèi)壓力是這兩種方向相反的力的代數(shù)和，可表示為：胸膜腔內(nèi)壓=肺內(nèi)壓肺回縮力在吸氣末或呼氣末，肺內(nèi)壓等于大氣壓，因而：胸膜腔內(nèi)壓=大氣壓肺回縮力若將大氣壓視為零，則：胸膜腔內(nèi)壓=肺回縮力可見胸膜腔負(fù)壓實際上是由肺回縮力所決定的，故其值也隨呼吸過程的變化而變化。,為何平靜呼氣末胸膜腔內(nèi)壓仍為負(fù)？,這是因為在生長發(fā)育過程中，胸廓的生長速度比肺快，胸廓的自然容積大于肺的自然容積，所以從胎兒一出生的第一次呼吸開始，肺便被充氣而始終處于擴(kuò)張狀態(tài)，不能回復(fù)到原來的最小狀態(tài)，胸膜腔負(fù)壓即告形成并逐漸加大。,綜上所述，肺與外界大氣之間的壓力差，是實現(xiàn)肺通氣的直接動力。而呼吸肌的舒縮是肺通氣的原動力。,（二）肺通氣的阻力,肺通氣的動力必須克服通氣的阻力，才能實現(xiàn)肺通氣。氣體在進(jìn)出肺的過程中，會遇到各種阻止其流動的力，統(tǒng)稱為肺通氣阻力。彈性阻力（約占70%）非彈性阻力（約占30%）,1彈性阻力,胸壁和肺都具有彈性組織，當(dāng)它們在外力作用下變形時，這些彈性組織就表現(xiàn)出對抗這種變形的傾向；當(dāng)外力解除后，組織就要恢復(fù)其原來的狀態(tài)。彈性物體對抗外力作用所引起變形的力稱為彈性阻力。（1）肺彈性阻力（2）胸廓彈性阻力（3）肺和胸廓的順應(yīng)性,（1）肺彈性阻力,肺彈性阻力來自兩個方面：1.肺組織本身的彈性回縮力，約占肺彈性阻力的1/3；2.肺泡表面液體層所形成的表面張力，約占肺彈性阻力的2/3。肺組織本身的彈性回縮力主要來自彈性纖維。肺泡液層的表面張力，是使肺泡趨向于縮小的力，構(gòu)成肺通氣的阻力之一。,根據(jù)物理學(xué)原理：P=2T/R(P肺內(nèi)壓、R半徑、T表面張力)依此公式，如果大小肺泡表面張力一樣，則大肺泡因半徑大，肺泡內(nèi)壓就?。恍》闻菀虬霃叫?，肺泡內(nèi)壓就大。而正常人的肺是由大小不等的肺泡構(gòu)成，肺內(nèi)的大小肺泡又是彼此連通的，若按此公式推導(dǎo)，氣體將從小肺泡不斷流入大肺泡，結(jié)果使大肺泡膨脹，小肺泡萎縮，肺泡將失去穩(wěn)定性。但是，這種情況在正常人是不會出現(xiàn)的。因為肺泡內(nèi)尚存在一種可降低肺泡表面張力的特殊物質(zhì)，即肺泡表面活性物質(zhì)。,肺泡表面活性物質(zhì)的生理意義,有助維持大小肺泡的容積相對穩(wěn)定。降低肺泡表面張力。降低吸氣阻力，有利于肺的擴(kuò)張，減少吸氣作功。,（2）胸廓彈性阻力,胸廓的彈性阻力來自于胸廓的彈性組織。胸廓是一個雙向彈性體，其彈性回縮力的方向因胸廓所處的位置而改變。,（3）肺和胸廓的順應(yīng)性,由于胸廓和肺的彈性阻力不易測定，習(xí)慣上以順應(yīng)性來表示胸廓和肺的彈性阻力大小。順應(yīng)性（compliance）是指在外力作用下，彈性組織擴(kuò)張的難易程度。容易擴(kuò)張即順應(yīng)性大，不易擴(kuò)張則順應(yīng)性小，它與彈性阻力呈反比關(guān)系。,2.非彈性阻力,非彈性阻力包括慣性阻力、粘滯阻力和氣道阻力。慣性阻力是指氣流在發(fā)動、變速、換向時，因氣流和組織的慣性所遇到的阻力。粘滯阻力是指呼吸時，胸廓、肺等組織移位發(fā)生摩擦形成的阻力，與移位的速度成正比。氣道阻力是指氣體通過呼吸道時，氣體分子間及氣體分子與氣道管道之間的摩擦力。氣道阻力約占非彈性阻力的80%90%。,（三）肺容積,1潮氣量：每次呼吸時吸入或呼出的氣體量。正常成年人平靜呼吸時平均為500mL。2補(bǔ)吸氣量：平靜吸氣末再盡力吸氣所能吸入的氣體量。正常成年人約為15002000mL。3補(bǔ)呼氣量：平靜呼氣末再盡力呼氣所能呼出的氣體量。正常成年人約為9001200mL。4余氣量：最大呼氣末尚存留于肺中不能呼出的氣體量。正常成年人約為10001500mL。只能用間接方法測定。,（四）肺容量,兩項或兩項以上的肺容積相加，為肺容量。1深吸氣量：深吸氣量=潮氣量+補(bǔ)吸氣量，即平靜呼氣末作最大吸氣所能吸入的氣體量。2功能余氣量：功能余氣量=補(bǔ)呼氣量+余氣量，即平靜呼氣末肺內(nèi)存留的氣體量。,（四）肺容量,3肺活量：肺活量=潮氣量+補(bǔ)吸氣量+補(bǔ)呼氣量，即最大吸氣后從肺內(nèi)所能呼出的最大氣體量。肺活量反映了肺一次通氣的最大能力。4時間肺活量：測肺活量時讓受試者以最快速度呼氣，分別測定第1sec、2sec、3sec末所呼出的氣體量，計算其所占肺活量的百分比，分別稱為第1sec、2sec、3sec的時間肺活量。正常成年人各為83%、96%和99%。時間肺活量能反映肺通氣阻力的變化。阻塞性肺疾病患者肺活量可能正常，但時間肺活量顯著降低。5肺總?cè)萘浚悍慰側(cè)萘?潮氣量+補(bǔ)吸氣量+補(bǔ)呼氣量+余氣量，即肺所能容納的最大氣體量。,二、肺換氣和組織換氣,（一）氣體交換的原理,氣體分子總是由分壓高處向分壓低處移動，直至氣體分子分布均勻為止，這一過程稱為擴(kuò)散。肺換氣和組織換氣就是以擴(kuò)散方式進(jìn)行的。單位時間內(nèi)氣體分子擴(kuò)散的量為氣體擴(kuò)散速率，它受下列因素的影響：1.氣體的分壓差2.氣體的分子量和溶解度3.溫度4.擴(kuò)散距離和擴(kuò)散面積,2.氣體的分子量和溶解度氣體擴(kuò)散的速度與該氣體分子量的平方根成反比。如果擴(kuò)散發(fā)生于氣相和液相之間，氣體的擴(kuò)散速率還與氣體的溶解度有關(guān)。溶解度指的是某種氣體在單位分壓下，能溶解于單位容積液體中的ml數(shù)。,3.溫度擴(kuò)散速率與溫度成正比。4.擴(kuò)散距離和擴(kuò)散面積氣體的擴(kuò)散速率與擴(kuò)散距離成反比，與擴(kuò)散面積成正比。,（二）肺換氣過程,肺泡氣的PO2靜脈血的PO2肺泡氣的PCO2靜脈血的PCO2來自肺動脈的靜脈血流經(jīng)肺毛細(xì)血管時，在分壓差的推動下，O2由肺泡擴(kuò)散入血液，CO2則由靜脈血擴(kuò)散入肺泡，完成肺換氣過程，結(jié)果使靜脈血變成含O2較多、CO2較少的動脈血。,（三）組織換氣,在組織部位，由于細(xì)胞代謝不斷消耗O2，同時產(chǎn)生CO2，故組織內(nèi)PO2較動脈血的PO2低，而PCO2較動脈血的PCO2高，當(dāng)動脈血流經(jīng)組織毛細(xì)血管時，在分壓差的推動下，O2由血液擴(kuò)散入組織細(xì)胞，CO2則從組織細(xì)胞擴(kuò)散入血液，完成組織換氣。結(jié)果使動脈血變成了含O2較少、含CO2較多的靜脈血。,三、呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié),（一）呼吸中樞,呼吸中樞是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生和調(diào)節(jié)呼吸運(yùn)動的神經(jīng)細(xì)胞群。呼吸中樞廣泛分布在大腦皮層、間腦、腦橋、延髓和脊髓等各級部位，它們在呼吸節(jié)律的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)中所起的作用不同，正常節(jié)律性呼吸運(yùn)動是在各級呼吸中樞的相互配合下實現(xiàn)的。,（二）呼吸的反射性調(diào)節(jié),中樞神經(jīng)系統(tǒng)接受各種感受器傳入沖動，實現(xiàn)對呼吸運(yùn)動調(diào)節(jié)的過程，稱為呼吸的反射性調(diào)節(jié)。主要包括機(jī)械和化學(xué)兩類感受器的反射性調(diào)節(jié)。,1.機(jī)械感受器反射,（1）肺牽張反射肺擴(kuò)張或縮小而引起呼吸的反射性變化，稱肺牽張反射。肺牽張反射包括肺擴(kuò)張引起吸氣抑制和肺縮小引起吸氣興奮的兩種反射。,吸氣時，肺擴(kuò)張，當(dāng)肺內(nèi)氣體量達(dá)一定容積時，牽拉支氣管和細(xì)支氣管，使感受器興奮，沖動經(jīng)迷走神經(jīng)傳入延髓，通過吸氣切斷機(jī)制使吸氣神經(jīng)元抑制，結(jié)果吸氣停止，轉(zhuǎn)為呼氣。呼氣時，肺縮小，牽張感受器的放電頻率降低，經(jīng)迷走神經(jīng)傳入的沖動減少，對延髓吸氣神經(jīng)元的抑制解除，吸氣神經(jīng)元興奮，轉(zhuǎn)為吸氣。,肺牽張感受器反射的意義是阻止吸氣過深過長，促使吸氣轉(zhuǎn)為呼氣，與腦橋呼吸調(diào)整中樞共同調(diào)節(jié)著呼吸頻率與深度。,（2）呼吸肌本體感受性反射由呼吸肌本體感受器傳入沖動所引起的反射性呼吸變化，稱呼吸肌本體感受性反射。呼吸肌通過本體感受器反射，可使呼吸增強(qiáng)，但在平靜呼吸時，這一反射活動不明顯。呼吸肌本體感受器反射的意義在于隨著呼吸肌負(fù)荷的增加而相應(yīng)地加強(qiáng)呼吸運(yùn)動，這在克服氣道阻力上有重要作用。,2.化學(xué)感受性呼吸反射,化學(xué)因素是指動脈血或腦脊液中的O2、CO2和H+。機(jī)體通過呼吸調(diào)節(jié)血液中的O2、CO2和H+的水平，動脈血中的O2、CO2和H+水平的變化又能通過化學(xué)感受器反射性地調(diào)節(jié)呼吸運(yùn)動，從而維持著內(nèi)環(huán)境中這些因素的相對穩(wěn)定。,3.防御性呼吸反射,呼吸道粘膜受刺激時，引起的一些對人體有保護(hù)作用的呼吸反射，稱為防御性呼吸反射?？人苑瓷洌焊惺芷魑挥诤?、氣管和支氣管的粘膜，能接受機(jī)械的或化學(xué)的刺激，興奮傳入延髓，從而引發(fā)一系列反射效應(yīng)?？人詴r先短促或深吸氣，接著聲門緊閉，呼氣肌強(qiáng)烈收縮，肺內(nèi)壓和胸膜腔內(nèi)壓急劇上升，然后聲門突然打開，由于氣壓差極大，氣體便以極高的速度從肺內(nèi)沖出，將呼吸道內(nèi)異物或分泌物排出。,3.防御性呼吸反射,噴嚏反射：噴嚏反射是因鼻粘膜受刺激而引起，其動作與咳嗽反射類似，呼出氣主要從鼻腔噴出，以清除鼻腔中的異物。,7.2呼吸氣體方程及其應(yīng)用,呼吸氣體方程,在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0C，760mmHg）下，有效腔呼吸氣體的基本方程可用下列三個方程表達(dá)：（1）呼出氣體的容量VE等于吸入氣體容量VI減去耗氧量VO2加上二氧化碳產(chǎn)生量VCO2：,呼吸氣體方程,（2）耗氧量等于吸入氣體的氧容量減去呼出氣體的氧容量：,吸入氣體中O2濃度的百分比,呼出氣體中O2濃度的百分比,呼吸氣體方程,（3）CO2產(chǎn)生量等于呼出氣體的CO2容量減去吸入氣體的CO2容量：因為吸入氣體中CO2量很少，可忽略不計，因此上式可簡化為：,吸入氣體中CO2濃度的百分比,呼出氣體中CO2濃度的百分比,呼吸氣體方程,通過以上三個方程式，可以計算出耗氧率、CO2產(chǎn)生率、呼吸氣體交換比和肺泡氣內(nèi)O2與CO2分壓等。聯(lián)立上面三式對時間求導(dǎo)，得：,呼吸氣體方程,可求得