呼吸系統動力學

呼吸系統動力學 (respiratory system dynamics) 是生物力學的一個分支，主要研究氣體在口、鼻、氣管到肺泡組成的力學問題。呼吸系統內運動的動呼吸系統是呼吸器官的重要組成部分，它的主要功能是輸入氧氣和排除多餘的二氧化碳；呼吸器官的另一個重要系統──肺循環系統則供應血液。這兩個系統的結合完成空氣同所有組織細胞之間的氣體交換， 以滿足組織、 細胞在新陳代謝過程中的需要。

簡介

生物力學的一個分支，主要研究氣體在口、鼻、氣管到肺泡組成的呼吸系統內運動的動力學問題。呼吸系統是呼吸器官的重要組成部分，它的主要功能是輸入氧氣和排除多餘的二氧化碳；呼吸器官的另一個重要系統──肺循環系統則供應血液。這兩個系統的結合完成空氣同所有組織細胞之間的氣體交換， 以滿足組織、 細胞在新陳代謝過程中的需要。呼吸系統是一個被動系統，氣體的吸入和呼出，靠跨肺壓，即胸膜腔內和口腔的壓力差推動，而引起胸膜腔壓變化則主要是膈肌和胸廓的運動。

在氣道的不同部位，氣體的運動各有特徵。一般說，壓力差和流量的關係用伯努利方程（見伯努利定理）描述；接近呼吸區氣體主要以擴散的方式運動；在肺泡壁處氣體則通過膜滲透方式與血液進行氣體交換。

氣體在氣管系中的流動和擴散

根據E.R.韋貝爾的研究，氣管系的結構如下：每一根支氣管分叉為兩根子支氣管，而每一根子支氣管又作為下一級的主管，再分叉為兩根子管。韋貝爾根據測得的數據，做出一個對稱的簡化模型：級的編號是以氣管為0級，主支氣管為第1級,依次類推。 從0級至第16級的氣管，統稱為呼吸道,因而第16級的支氣管稱為終末細支氣管。從終末細支氣管起，氣管壁上出現肺泡，這個區域稱為呼吸區。血液與氣體的交換隻在這個區域中進行，而呼吸道則純粹起過道的作用，因而它又被稱為死腔。支氣管總截面積隨級號的增大而迅速遞增,相應的流速也就很快遞減（見表1）。

表1 氣道的韋貝爾模型數據和流動參量

級數	直經; d(cm)	總截面積 (cm2)	流量0.5 l/s		流量2 l/s
			流速(cm/s)	雷諾數Re	流速(cm/s)	雷諾數Re
0(氣管)	1.8	2.6	197	2325	790	9300
1(主支氣管	1.22	2.3	215	1719	859	6876
2	0.83	2.2	235	1281	941	5124
3	0.56	2.0	250	921	1002	3684
4	0.45	2.6	202	594	809	2376
5	0.35	3.1	161	369	643	1476
10	0.13	14	38	32	151	127
15	0.066	1.12×102	4.4	1.9	17.8	7.6
20	0.045	1.7×103	0.3	0.09	1.2	0.37

從口、鼻到肺泡的總壓強差只有幾個毫米水柱，因此每一段支氣管的壓強差就更小。要直接測定這種壓降是困難的。事實上測量氣流的速度比測量壓降要容易些。對於理想流體的管流，壓強和速度的關係可用伯努利方程表示：

式中p為壓強；v為流速；ρ為流體密度,下標1、2分別表示上述各量在管中兩個不同位置的值。對於粘性流體,上式各項應作相應修正。此外，還應加上一耗散函式項。T.J.佩德利等人據此提出一個壓降與速度的關係來間接討論壓降。對於泊肅葉流(見管流)，其耗散函式為，式中L為管長；μ為動力粘性係數； 為平均流速；Q為流量；S為管截面。當考慮入口、管叉和管彎等效應時，可引入修正係數z，即令：，並將z表示為的形式，式中γ為一係數;Re為雷諾數;d為管徑。根據在動物的呼吸道仿製模型上和在簡化模型上所進行的實驗，對Re在100～700間的層流，γ的平均值為0.33。若由上式求得的z值小於1,則不能用，而應令z=1。這是因為在所有類型的管流中,泊肅葉流的能量耗散率最小。

口和氣管間的結構更為複雜，M.J.耶格爾和H.馬西斯根據實驗結果將口至氣管間的壓降表示為：△p=cQa，式中Δp為壓降;a和c為常數值（見表2）。除了濃度非常高的混合氣體外，指數a接近於1.5。

表2 耶格爾和馬西斯實驗中一些參量的最佳擬合值

氣體	ρ; (g·cm)	μ; (g·cm·s)	v; (cm·s)	a	c
He	0.45×10	2.05×10	0.46	1.42	0.35
O2	1.1×10	2.07×10	0.18	1.55	0.74
Ne	0.88×10	2.92×10	0.33	1.36	0.82
SF※	4.2×10	1.7×10	0.04	1.92	1.77

在呼吸道的終端（即第16級）以下，細支氣管逐漸過渡成呼吸細支氣管、肺泡管和肺泡。它們的直徑都小於0.05厘米。即使在換氣頻率很高時,Re也總小於1，因此流體在慣性可以忽略不計,氣體的運動特徵是擴散,而且還與微血管床中的血液進行氣體交換。因為新空氣的吸入和陳肺氣的呼出都通過同一呼吸道，又因為肺中的陳氣不可能全部排空，故新空氣不可能直達肺泡。實際上，在新陳氣體交界處氣體的運動頗象長江口的潮水運動，它們通過擴散和湍流混合起來。當這種氧和二氧化碳的濃度逐漸變化的混合氣體進入愈來愈小的氣管時，氣體就逐漸以純分子擴散的方式運動。

氣和血在肺泡壁處的氣體交換

呼吸器官中，供應血液的是肺循環系統。肺循環是指血液由右心室泵入肺動脈系，經微動脈流入毛細血管床，然後匯入小靜脈，經肺靜脈流入左心房的整個過程。肺循環的特點之一是，它是一個低壓系統，肺動脈的收縮壓平均為22毫米汞柱，舒張壓平均為4～5毫米汞柱。另一特點是，肺循環的血流量很大，人體內幾乎整個血量（大約5000毫升）在一分鐘內要全部流過肺循環系統一次。在如此低壓差作用下能保持如此大的流量，說明肺循環系統是一個阻力很小的系統。

與肺泡氣體交換的區域則是微動脈和微靜脈之間的毛細血管床。它與其他一些組織組成肺泡隔膜，隔膜的兩面均暴露在肺泡氣中。當空氣進入肺泡，血液流經微血管床時,由於呼吸膜兩側的氧存在著較大的分壓差,氣體和血液就進行氣體交換。它們必須經過肺泡膜、間隙液、毛細血管壁、血漿、紅細胞膜、胞漿，並且與血紅蛋白進行化學反應。在紅細胞進入微血管床時，氧分壓在正常情況下大致為40毫米汞柱，而肺泡中的氧分壓大致為100毫米汞柱，其間有厚度為0.5微米的呼吸膜隔開，因此立即開始擴散和化學反應。這個動力過程在紅細胞中的氧分壓接近於肺泡中的氧分壓以前一直在進行，正常情況約歷時1/4秒,此後氧的傳輸就幾乎完全停止。在異常情況下，例如由於肺泡壁的增厚，使擴散受阻；或是大氣中氧分壓大大降低，從而降低了擴散能力。這樣血液流到微血管的終端就有可能沒有接近肺泡中的分壓值。至於二氧化碳，它在微血管始端的分壓為45毫米汞柱，在肺泡內為40毫米汞柱，它的擴散能力比氧約大20倍，它從血液中擴散到肺泡中並不困難；如果遇到隔膜增厚的那類病態，擴散當然就不那么容易了。

參考書目

馮元楨著：《生物力學》，科學出版社，北京，1983。