第三节　肺换气和组织换气

肺换气和组织换气是呼吸系统的两个关键环节，保证了O₂的供应和CO₂的排出，维持了机体的气体平衡和酸碱平衡。这两个过程共同参与了人体的呼吸，是呼吸系统正常功能运行的基础。

了解肺换气和组织换气的基本原理和机制，有助于我们理解机械通气的工作原理以及其对生理功能的影响。肺换气是指O₂通过呼吸道进入肺泡，再通过肺泡膜和肺血管壁进行O₂和CO₂的气体交换。而组织换气是指O₂在血液中被输送到各个组织细胞，同时CO₂由细胞产生并通过血液回到肺泡，最后通过呼吸道排出体外。这些过程的基本原理可以帮助我们更好地设计和使用机械通气设备，以满足患者特定的O₂需求和CO₂排出。

此外，了解肺换气和组织换气的相关生理参数和监测指标，对于机械通气的安全和有效性也至关重要。例如，肺泡通气量、肺泡-动脉氧分压差等参数可以帮助我们判断机械通气是否满足患者的呼吸需求。同时，监测患者的氧合状态和呼气末二氧化碳分压等指标，也可以帮助我们及时调整机械通气参数，防止发生低氧血症或呼吸性酸中毒等并发症。

因此，熟知肺换气和组织换气的相关知识和原理是护士应用机械通气技术，为患者提高治疗效果的重要保障。

一、气体交换的基本原理

（一）气体的扩散

通常，气体分子不停地进行无定向的运动。当不同区域的气体分压存在差异时，气体分子会从分压高处向分压低处发生净转移，这一过程称为气体的扩散（diffusion）。肺换气和组织换气是以扩散方式进行的。根据菲克（Fick）扩散定律，气体在通过薄层组织时，单位时间内气体扩散的容积与组织两侧的气体分压差（∆P）成正比，与扩散距离（组织的厚度）成反比，与该气体的扩散系数成正比。通常将单位时间内气体扩散的容积称为气体扩散速率（diffusion rate of gas）。气体扩散速率一般受下列多种因素的影响。

1.气体的分压差

在混合气体中，每种气体分子运动所产生的压力称为各气体的分压（partial pressure），混合气的总压力等于各气体分压之和。在温度恒定的情况下，每一种气体的分压取决于它自身的浓度和气体总压力，而与其他气体无关，这种气体的分压等于混合气体的总压力乘以该气体在混合气体中所占的容积百分比。

例如，空气是一种混合气体，其中氧气（O₂）的容积百分比约为21%，空气总压力为101.325kPa（760mmHg）。因此，氧分压（PO₂）可以计算为总压力乘以氧气的百分比，即101.325kPa（760mmHg）×21%，得到21.278kPa（159mmHg）。另外，二氧化碳（CO₂）的容积百分比约为0.04%。根据相同的原理，二氧化碳分压（PCO₂）可以计算为总压力乘以二氧化碳的百分比，即101.325kPa（760mmHg）×0.04%，得到0.04kPa（0.3mmHg）。气体的分压差是指两个区域之间某气体分压的差值，这是气体扩散的动力和决定气体扩散方向的关键因素。两个区域之间的分压差是气体扩散的动力，所以分压差越大，扩散速率越快；反之，分压差越小，则扩散速率越慢。

2.气体的相对分子质量和溶解度

根据格雷厄姆定律（Graham′s law），气体分子的相对扩散速率与气体相对分子质量的平方根成反比。因此，相对分子质量小的气体扩散速率较快。如果扩散发生于气相和液相之间，扩散速率还与气体在溶液中的溶解度成正比。溶解度是单位分压下溶解于单位容积溶液中的气体量。一般以一个大气压下、温度为38℃时，100ml液体中溶解的气体毫升数值来表示。溶解度与相对分子质量的平方根之比称为扩散系数（diffusion coefficient），取决于气体分子本身的特性。二氧化碳扩散系数约为O₂的20倍，主要是因为CO₂在血浆中的溶解度（51.5）约为O₂在血浆中的溶解度（2.14）的24倍，即便CO₂的相对分子质量（44g/mol）略大于O₂的相对分子质量（32g/mol）。

3.扩散面积和距离

扩散面积越大，扩散的分子总数也越大；分子扩散的距离越长，扩散需要的时间越久，气体扩散速率越慢。

4.温度

气体扩散速率与温度成正比。在人体，体温相对恒定，故温度因素可忽略不计。

（二）呼吸气体和人体不同部位气体的分压

1.呼吸气和肺泡气的成分和分压

人体吸入的气体是空气。空气的主要成分为O₂、CO₂和N₂，其中具有生理意义的是O₂和CO₂。在空气中各气体的容积百分比一般不因地域不同而异，但分压可随总大气压的变动而改变。高原大气压较低，各气体的分压也低。当我们呼吸时，经过呼吸道的空气中的水分增加，使得呼吸道内的空气湿度达到饱和状态。这意味着呼吸道内吸入气的成分已不同于大气，各种气体成分的分压也发生相应的改变。呼出气是无效腔内的吸入气和部分肺泡气的混合气体。

2.血液气体和组织气体的分压

液体中的气体分压也称气体的张力（tension）。在不同组织中，氧分压（PO₂）和二氧化碳分压（PCO₂）各不相同。在同一组织中，PO₂和PCO₂还受组织活动水平的影响而有所差异。在人体静息状态下，动脉血、混合静脉血、组织中的PO₂分别为12.93~13.33kPa（97~100mmHg）、5.33kPa（40mmHg）、4kPa（30mmHg）；动脉血、混合静脉血、组织中的PCO₂分别为5.33kPa（40mmHg）、6.13kPa（46mmHg）、6.67kPa（50mmHg）。

二、肺换气

（一）肺换气过程

混合静脉血流经肺毛细血管时，血液中的PO₂为5.33kPa（40mmHg），比肺泡气PCO₂的13.6kPa（102mmHg）低，O₂在分压差的作用下由肺泡气向血液净扩散，使血液中的PO₂逐渐上升，最后接近肺泡气PO₂；混合静脉血PCO₂为6.13kPa（46mmHg），肺泡气PCO₂为5.33kPa（40mmHg），所以，CO₂向相反的方向净扩散，即从血液向肺泡方向扩散。O₂和CO₂在血液和肺泡之间的扩散极为迅速，不到0.3s即可达到平衡。通常，血液流经肺毛细血管的时间约为0.7s，所以，当血液流经肺毛细血管全长约1/3时，肺换气过程已基本完成。这一过程显示出肺部较强的换气功能和气体储备能力。

正常静息状态下，经过肺换气过程，每100ml肺毛细血管血液的O₂含量由1.5ml升至20ml，CO₂含量则由52ml降至48ml。若按心排血量为5L/min计算，则流经肺毛细血管的血流每分钟可自肺泡摄入O₂ 250ml，并释出CO₂ 200ml。但是，在正常情况下，体循环动脉血中的PO₂稍低于肺静脉血中的PO₂，主要是因为体循环动脉血混入了来自支气管静脉的少量静脉血。

（二）影响肺换气的因素

前已述及，气体分压差、扩散面积、扩散距离、扩散系数和温度等因素均可影响气体的扩散速率。这里进一步讲解呼吸膜的厚度、呼吸膜的面积、通气/血流比值，知识点略有交叉，汇总见表1-3-1。

1.呼吸膜的厚度

肺泡与血液之间的气体交换依赖于呼吸膜（respiratory membrane），也称为气-血屏障。呼吸膜由六层结构组成，包括肺表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜、肺泡上皮和毛细血管膜之间的间隙（基质层）、毛细血管基膜、毛细血管内皮细胞层。虽然呼吸膜有六层结构，却很薄，总厚度平均约0.6µm，最薄处只有0.2µm，最厚处也小于1µm，气体易于扩散和通过。气体扩散速率与呼吸膜厚度（扩散距离）成反比，呼吸膜越厚，需要的时间就越长，单位时间内交换的气体量就越少。人体呼吸膜不仅薄，而且整个肺的呼吸膜面积很大，而肺毛细血管总血量只有60~140ml，因而血液层很薄，非常有利于气体交换。肺毛细血管直径平均约为5µm，红细胞需要挤过肺毛细血管。因此，红细胞膜通常能接触到毛细血管壁，O₂、CO₂不必经过大量的血浆层就可到达红细胞或进入肺泡，扩散距离短，交换速度快。任何导致呼吸膜增厚或扩散距离增加的疾病（如肺纤维化、肺水肿等），都会降低气体扩散速率，减少气体扩散量。运动时，由于血流加速，气体在肺部的交换时间缩短，呼吸膜的厚度或扩散距离的改变对肺换气的影响更加显著。

2.呼吸膜的面积

气体扩散速率与扩散面积成正比。正常成年人的两肺约有3亿个肺泡，总扩散面积达70m2。在安静状态下，用于气体扩散的呼吸膜面积约为40m2，故而有相当大的储备面积。当人在劳动或体育运动时，由于肺毛细血管的开放数量和开放程度增加，有效扩散面积也大大增加。如出现肺不张、肺实变、肺气肿、肺叶切除或肺毛细血管关闭和阻塞等情况，均可使呼吸膜扩散面积减小，进而影响肺换气。

3.通气/血流比值（ventilation/perfusion ratio, V_A/Q）

指每分钟肺泡通气量（V_A）和每分钟肺毛细血管血流量（Q）之间的比值。正常成年人安静时，V_A约为4.2L/min，Q约为5L/min，因此，V_A/Q约为0.84。如果V_A/Q比值增大，就意味着通气过度或血流相对不足，部分肺泡气体未能与血液气体充分交换，致使肺泡无效腔增大。反之，V_A/Q比值下降，则意味着通气不足或血流相对过多，导致部分血液流经通气不良的肺泡，混合静脉血中的气体不能得到充分更新，犹如发生了功能性动静脉短路。可见，无论V_A/Q比值增大或减小，都会妨碍肺换气，导致机体缺氧和二氧化碳潴留，尤其是缺氧。V_A/Q比值异常时，主要表现为缺氧的原因在于：①动、静脉血液之间O₂的分压差远大于CO₂的分压差，所以动静脉短路时，动脉血PO₂下降的程度大于动脉血PCO₂升高的程度；②CO₂的扩散系数是O₂的20倍，因此CO₂扩散比O₂快，不易潴留；③动脉血PO₂下降和动脉血PCO₂升高时，可刺激呼吸，增加肺泡通气量，有助于CO₂的排出，却几乎无助于O₂的摄取，这是由氧解离曲线和二氧化碳解离曲线的特点所决定的。在肺气肿患者身上，由于许多细支气管阻塞和肺泡壁被破坏，上述两种V_A/Q比值异常的情况都可能发生，致使肺换气效率受到极大影响，这是造成肺换气功能异常最常见的一种原因。因此，V_A/Q比值可作为衡量肺换气功能的指标。

健康成年人安静时，肺部总V_A/Q比值约为0.84。但是，肺泡通气量和肺毛细血管血流量在肺内的分布是不均匀的，因此，各个局部的通气/血流比值并不相同。例如，当身体直立时，由于重力等因素的影响，从肺底部到肺尖部，肺泡通气量和肺毛细血管血流量都逐渐减少，而以血流量的减少更为显著，所以肺尖部的V_A/Q比值较大，可高达3.3，而肺底部的比值较小，可低至0.63。从总体上来说，尽管正常情况下存在肺泡通气和血流的不均匀分布，由于呼吸膜面积远超过肺换气的实际需要，这种不均匀分布也并未明显影响O₂的摄入和CO₂的排出。

（三）肺扩散容量

气体在单位分压差（1mmHg）的作用下，每分钟通过呼吸膜扩散的气体毫升数量称为肺扩散容量（pulmonary diffusing capacity，D_L），即：

式中，V代表每分钟通过呼吸膜扩散的气体量（ml/min），P_A代表肺泡中某种气体的平均分压（pulmonary alveolar），P_C代表肺毛细血管血液内该气体的平均分压（pulmonary apillary）。D_L是衡量呼吸气体通过呼吸膜的能力的一种指标。正常成人安静时，O₂的D_L平均值约为20ml/（min·mmHg），CO₂的约为O₂的20倍。运动时，因为参与肺换气的呼吸膜面积和肺毛细血管血流量的增加以及通气、血流的不均匀分布得到改善，所以D_L增大。机体存在肺部疾病情况下，D_L可因有效扩散面积减小或扩散距离增加而降低。

三、组织换气

组织之间的气体交换机制和影响因素与肺部的气体交换机制相似，不同的是，组织之间的气体交换发生于液相（血液、组织液、细胞内液）介质之间，且扩散膜两侧O₂和CO₂的分压差随细胞内氧化代谢的强度和组织血流量而异。如果血流量不变，代谢增强，则组织液中的PO₂降低，PCO₂升高；如果代谢率不变，血流量增大，则组织液中的PO₂升高，PCO₂降低。

在组织中，由于细胞进行有氧代谢，O₂被耗用并产生CO₂。因此，组织液中PO₂可低于4kPa（30mmHg），而PCO₂可高于6.67kPa（50mmHg）。当动脉血液流经组织毛细血管时，O₂沿着压力梯度从血液向组织液和细胞扩散，而CO₂则从组织液和细胞向血液扩散，动脉血因失去O₂和得到CO₂而转变为静脉血。

（吴林珠）