呼吸系統解剖與功能分區
傳導區 (Conducting Zone)
- 範圍:從鼻腔、咽、喉、氣管、主支氣管、各級支氣管到終末細支氣管。
- 主要功能:
- 傳導空氣。
- 加溫、加濕空氣。
- 過濾空氣。
呼吸區 (Respiratory Zone)
- 主要功能:進行氣體交換。
- 重要物質:表面張力素 (surfactant)
- 分泌細胞:由第二型肺泡細胞 (Type II pneumocyte) 分泌。
- 功能:降低肺泡表面張力,防止肺泡塌陷,增加肺臟順應性,使肺臟更容易膨脹。
無效腔 (Dead Space)
- 解剖無效腔 (Anatomical Dead Space):
- 範圍:傳導區。
- 特點:不進行氣體交換。
- 生理無效腔 (Physiological Dead Space, VD):
- 定義:肺部有通氣但沒有或很少進行氣體交換的區域。
- 組成:解剖無效腔 + 肺泡無效腔 (alveolar dead space)。
- 臨床意義:肺氣腫患者因肺泡破壞,有效氣體交換面積減少,導致生理無效腔增加。
肺泡通氣量 (Alveolar Ventilation, VA)
- 定義:每分鐘進入肺泡並參與氣體交換的空氣總量。
- 相關參數:
- 潮氣容積 (Tidal Volume, VT):每次呼吸吸入或呼出的空氣量。
- 呼吸頻率 (Respiratory Frequency, f):每分鐘呼吸的次數。
- 計算公式:VA = (VT - VD) × f
氣體分壓變化 (Partial Pressure Changes)
- 氧分壓 (PO2):指混合氣體中氧氣所佔的壓力。分壓梯度是驅動氧氣從外界環境進入肺部、血液,最終到達組織的關鍵。
- 不同區域的氧分壓排序:
- 大氣壓 (Atmospheric Air):PO2 約 159 mmHg (最高)。
- 濕潤氣道氣體 (Humidified Tracheal Air):PO2 約 149 mmHg。因水蒸氣分壓存在而略低於大氣壓。
- 肺泡內氣體 (Alveolar Air):
- PO2 約 104 mmHg。
- 吸入空氣與肺泡殘餘氣體混合,且氧氣已擴散至血液,並有持續的 CO2 產生,導致 PO2 下降。
- 肺泡微血管內血液 (Alveolar Capillary Blood) / 體動脈血 (Systemic Arterial Blood):
- PO2 約 100 mmHg。經過肺泡氣體交換後,血液氧分壓接近肺泡氣體。
- 呼出的氣體 (Expired Air):
- PO2 約 120 mmHg。
- 為肺泡氣與無效腔氣的混合。
- 無效腔氣未參與氣體交換,其 PO2 接近吸入空氣,因此呼出氣體的 PO2 介於吸入氣體和肺泡氣體之間,通常高於肺泡氣體和動脈血的 PO2。
呼吸肌
吸氣肌 (Inspiratory Muscles)
- 橫膈膜 (Diaphragm):
- 主要吸氣肌,由膈神經 (phrenic nerve) 支配。
- 吸氣為主動過程,無論平靜或用力,皆需橫膈膜收縮。
- 膈神經放電頻率越高,橫膈膜收縮強度越大,吸氣越深。
- 外肋間肌 (External Intercostal Muscles):平靜吸氣的輔助肌。
- 用力吸氣輔助肌:胸鎖乳突肌 (sternocleidomastoid) 和斜角肌 (scalenes)。
呼氣肌 (Expiratory Muscles)
- 平靜呼氣:
- 被動過程,主要靠吸氣肌放鬆 (包括橫膈膜放鬆) 和肺部彈性回縮。
- 與膈神經活動無關。
- 用力呼氣 (Forced Expiration):
- 主動過程,需要內肋間肌 (internal intercostal muscles) 和腹肌 (abdominal muscles) 收縮。
- 內肋間肌收縮會使肋骨下降。
呼吸力學 (Mechanics of Breathing)
- 空氣流動依據壓力梯度。
肺容量與肺容積 (Lung Volumes and Capacities)
- 總肺容量 (Total Lung Capacity, TLC):肺部能容納的最大氣量。
- 肺餘容積 (Residual Volume, RV):最大呼氣後,肺中仍殘留的氣量,無法被完全呼出。
- 肺活量 (Vital Capacity, VC):最大吸氣後,能呼出的最大氣量。
- 功能性肺餘容量 (Functional Residual Capacity, FRC):正常呼氣後肺部殘留的氣體量。
- 計算公式:
- VC = TLC - RV
- FRC = RV + ERV (Expiratory Reserve Volume)
呼吸作功 (Work of Breathing)
- 定義:指呼吸肌克服肺部彈性阻力 (elastic resistance) 和氣道阻力 (airway resistance) 所消耗的能量,以產生肺部通氣量。
- 彈性阻力:與肺臟和胸壁的順應性 (compliance) 有關。順應性越差 (肺越硬),克服彈性阻力所需的作功越多。
- 氣道阻力:與呼吸道管徑大小有關。氣道越狹窄,克服氣道阻力所需的作功越多。
- 平靜呼吸:
- 吸氣:主動過程,需橫膈膜和外肋間肌收縮作功,克服肺部彈性回縮力及氣道阻力,使胸腔擴大。
- 呼氣:被動過程,主要依靠肺部和胸壁的彈性回縮力,呼吸肌通常不需主動作功。
- 用力呼吸:吸氣和呼氣均為主動過程,需更多呼吸肌參與作功。
胸腔內壓 (Intrapleural Pressure, Pip)
- 正常狀態:始終保持負壓或略低於大氣壓力 (Patm)。
- 功能:維持肺臟擴張,防止肺臟塌陷。
- 臨床意義:若 Pip 變得高於 Patm,可能導致氣胸 (Pneumothorax)。
吸氣 (Inspiration)
- 橫膈膜和外肋間肌收縮,導致胸腔體積擴大。
- 肺泡內壓 (Palv) 降低,低於大氣壓。
- 空氣流入肺部。
- 吸氣結束:肺泡內壓與大氣壓相等,氣流停止。
呼氣 (Expiration)
- 平靜呼氣:橫膈膜和外肋間肌放鬆,肺部彈性回縮,胸腔體積縮小。
- 用力呼氣:內肋間肌和腹肌收縮,進一步縮小胸腔體積,導致胸腔內壓 (Pip) 和肺泡內壓 (Palv) 升高。
- 肺泡內壓 (Palv) 升高,高於大氣壓。
- 空氣流出肺部。
- 肺泡內壓最高點:發生在呼氣階段中途,因壓力梯度最大。
肺部區域差異 (Regional Lung Differences)
- 站立姿勢下:
- 胸膜腔壓力 (Pleural Pressure):
- 肺尖 (Apex):更負。
- 肺底 (Base):相對不那麼負 (或略正)。
- 肺泡大小 (Alveolar Size) @ FRC (功能性肺餘量):
- 肺尖:因胸膜腔壓力更負,肺泡已被拉伸得較大。
- 肺底:因胸膜腔壓力相對不那麼負,肺泡較小。
- 肺泡順應性 (Alveolar Compliance):
- 肺泡順應性曲線呈S形。
- 較小的肺泡 (肺底):位於曲線的陡峭部分,順應性較高,更容易擴張。
- 較大的肺泡 (肺尖):位於曲線的平坦部分,順應性較低,較難進一步擴張。
- 吸氣時空氣分佈 (從 FRC 開始):肺底較小、順應性較高的肺泡會比肺尖吸入更多空氣。
- 通氣/灌流 (V/Q) 分佈:
- 重力影響:在站立姿勢下,重力導致肺底的血液灌流量 (Q) 遠大於肺尖。肺底的通氣量 (V) 也大於肺尖,但 V 增加的幅度不如 Q 大。
- V/Q 比值:
區域 通氣量 (V) 灌流量 (Q) V/Q 比值 肺尖 (Apex) 較低 較低 (下降幅度大於 V) 較高 (約 > 1) 肺底 (Base) 較高 較高 (增加幅度大於 V) 較低 (約 < 1)
- 胸膜腔壓力 (Pleural Pressure):
肺部疾病對呼吸力學的影響
-
肺氣腫 (Emphysema):
- 病理特徵:慢性阻塞性肺病 (COPD) 的一種,特徵為肺泡壁破壞、肺泡擴大及彈性組織喪失。
- 呼吸道阻力:小氣道失去彈性支撐,在呼氣時塌陷,導致呼吸道阻力顯著增加。
- 肺臟順應性 (Lung Compliance):因彈性組織破壞,肺臟變得「鬆弛」,肺臟順應性增加 (即彈性回縮力下降)。
- 呼吸作功:為維持通氣量,需克服增加的呼吸道阻力與下降的彈性回縮力,因此患者必須產生更大的肋膜內壓 (intrapleural pressure, Pip) 變化。
-
肺纖維化 (Pulmonary Fibrosis):
- 病理特徵:限制性肺疾病 (restrictive lung disease),特徵為肺組織增厚、變硬,彈性降低。
- 肺臟順應性 (Lung Compliance):因肺組織變硬,順應性下降。
- 彈性回縮力 (Elastic Recoil):增加。
- 肺容積:TLC、VC、FRC、RV 均減少。
- 呼吸作功:為克服增加的彈性阻力,呼吸作功增加。
-
肺氣腫與肺纖維化比較:
| 特徵 | 肺氣腫 (Emphysema) | 肺纖維化 (Pulmonary Fibrosis) |
|---|---|---|
| 疾病類型 | 阻塞性肺疾病 | 限制性肺疾病 |
| 肺泡結構 | 破壞、擴大 | 增厚、變硬 |
| 肺臟彈性 | 喪失 | 降低 |
| 肺臟順應性 | 增加 | 下降 |
| 彈性回縮力 | 下降 | 增加 |
| 呼吸道阻力 | 增加 (呼氣時小氣道塌陷) | 通常正常或略增 |
| 肺容積 | TLC、FRC、RV 增加 | TLC、VC、FRC、RV 減少 |
| 呼吸作功 | 克服氣道阻力的作功增加 | 克服彈性阻力的作功增加 |
肺部通氣/灌流 (V/Q) 匹配
-
V/Q 失衡類型與影響:
- 肺小動脈阻塞 (pulmonary arteriole obstruction) 導致該區域肺泡缺乏血液灌流 (perfusion)。
- 當肺泡有通氣但沒有灌流 (V/Q ratio 趨近無限大) 時:
- 該肺泡內氣體組成趨近吸入空氣。
- 肺泡內二氧化碳分壓 (PCO2) 降低。
- 肺氣腫:
- 肺泡破壞導致有效氣體交換面積減少。
- 動脈血氧分壓 (PaO2) 下降,血氧飽和度百分比降低。
- 生理無效腔增加。
- 擴散表面積減少,導致肺臟氧氣擴散能力 (DLCO) 下降。
-
肺部局部代償機制:
- 支氣管收縮 (Bronchoconstriction):
- 觸發:當肺小動脈阻塞導致灌流不足時。
- 作用:減少該區域通氣量 (VA)。
- 目的:避免無效通氣 (dead space ventilation),將空氣導向有灌流的肺泡,維持 V/Q 平衡。
- 缺氧性血管收縮 (Hypoxic Vasoconstriction):
- 觸發:當肺泡局部缺氧 (hypoxia) 時 (表示通氣不足)。
- 作用:使該區域肺小動脈收縮。
- 目的:將血液導向通氣較好的區域,維持氣體交換效率。
- 支氣管收縮 (Bronchoconstriction):
肺臟氧氣擴散能力 (DLCO)
- 定義:反映氧氣從肺泡擴散到紅血球的能力。
- 影響因素:
- 擴散距離:增加 (如肺水腫、肺纖維化) -> DLCO 下降。
- 擴散表面積:減少 (如肺氣腫) -> DLCO 下降。
- 血紅素濃度。
- 肺部微血管血流量。
- 運動時變化:
- 心輸出量增加,更多肺部微血管被募集。
- 擴散表面積和血流量增加 -> DLCO 上升。
呼吸中樞調控 (Regulation of Respiratory Center)
呼吸中樞 (Respiratory Center)
- 位置:主要位於延髓 (Medulla Oblongata)。
- 腹側呼吸群 (Ventral Respiratory Group, VRG):
- 包含吸氣和呼氣神經元。
- 在用力呼吸時會被活化,調節吸氣和呼氣的強度。
氣體運輸 (Gas Transport)
- 碳酸酐酶 (Carbonic Anhydrase, CA):
- 作用:催化 CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3-。此反應在CO2運輸及pH調節中扮演關鍵角色。
- 二氧化碳 (CO2) 運輸方式:主要有三種。
- 溶解於血漿:約 7-10%。
- 與血紅素結合:形成胺甲醯血紅素 (carbaminohemoglobin),約 20-30%。去氧血紅素 (deoxyhemoglobin) 比氧合血紅素 (oxyhemoglobin) 更容易與二氧化碳結合。
- 碳酸氫根離子 (HCO3-):約 60-70%,為最主要運輸方式。
- 機制:在紅血球內,碳酸酐酶將 CO2 和水轉化為碳酸,再解離成 H+ 和 HCO3-。
- 氯離子位移 (Chloride Shift):為維持電中性,HCO3- 與 Cl- 之間會進行交換。
- 周邊組織微血管 (Tissue Capillary):
- CO2 進入紅血球,在碳酸酐酶作用下轉化為 H+ 和 HCO3-。
- HCO3- 運出紅血球進入血漿。
- Cl- 進入紅血球。
- 結果:紅血球內 H+ 濃度升高 (pH 下降);Cl- 濃度相對較高。
- 肺泡微血管 (Pulmonary Capillary):
- O2 進入紅血球,同時 CO2 需排出。
- 血漿中的 HCO3- 運入紅血球,與紅血球內的 H+ 結合形成 H2CO3,再分解為 CO2 和 H2O。
- CO2 隨後排出紅血球進入肺泡。
- Cl- 運出紅血球。
- 結果:紅血球內 H+ 濃度下降 (pH 升高);Cl- 濃度相對較低。
- 漢氏效應 (Haldane effect):
- 定義:當血紅素攜帶的氧氣減少時 (例如在組織),其對二氧化碳和氫離子 (H+) 的親和力增加,有助於二氧化碳的運輸。
- 反之:當血紅素攜帶氧氣增加時 (例如在肺部),其對二氧化碳和氫離子 (H+) 的親和力降低,有助於二氧化碳的釋放。
- 波爾效應 (Bohr effect):
- 定義:當血液的二氧化碳分壓 (PCO2) 升高或pH值下降 (酸性增加) 時,血紅素對氧氣的親和力降低,導致氧氣更容易從血紅素釋放到組織。
- 2,3-二磷酸甘油酸 (2,3-BPG):
- 來源:紅血球醣解作用產物。
- 功能:降低血紅素對氧氣的親和力,促進氧氣釋放到組織。
- 與CO2關係:與CO2結合無顯著關係。
化學感受器 (Chemoreceptors)
-
中樞化學感受器 (Central Chemoreceptors):
- 位置:位於延髓。
- 主要刺激:對腦脊液 (CSF) 中的 H+ 濃度最敏感。
- 機制:CO2 易穿透血腦障壁 (BBB),進入 CSF 後,由碳酸酐酶催化轉化為 H+,進而刺激中樞化學感受器。
- CO2 是最主要的呼吸驅動因子:即使輕微的動脈血二氧化碳分壓 (PaCO2) 升高,也能強烈刺激中樞化學感受器,顯著增加每分鐘總通氣量 (minute ventilation)。
- 臨床應用:若藥物為碳酸酐酶抑制劑但無法穿透血腦障壁,則吸入高濃度 CO2 時,CO2 仍能進入 CSF 並由 CSF 內的碳酸酐酶轉化為 H+,刺激中樞化學感受器。
-
周邊化學感受器 (Peripheral Chemoreceptors):
- 位置:如主動脈體 (aortic body) 和頸動脈體 (carotid body)。
- 主要刺激:對動脈血中的 PO2 下降、PCO2 上升和H+ 上升敏感。
- O2 的影響:
- 動脈血氧分壓 (PaO2) 必須顯著下降 (通常低於60 mmHg,即嚴重低氧血症) 時,周邊化學感受器才會被強烈刺激,增加通氣量。在正常範圍內,O2 對呼吸的影響不如 CO2。
- 高山環境:大氣壓下降導致吸入空氣 PO2 降低,進而造成動脈 PaO2 下降,身體處於低氧環境。
- 急性反應:周邊化學感受器感知低氧,刺激呼吸中樞,導致呼吸頻率和深度增加,肺泡通氣量 (VA) 顯著增加。
- 結果:CO2 排出增加,引起動脈二氧化碳分壓 (PaCO2) 下降,導致呼吸性鹼中毒。
- 缺氧感應機制 (以頸動脈體球細胞為例):
- 細胞類型:頸動脈體內的球細胞 (Glomus cell),對血中氧分壓 (PO2) 變化非常敏感。
- 正常氧氣濃度:O2 敏感性鉀離子通道 (O2-sensitive K+ channel) 開放,K+ 外流,維持細胞膜的靜止電位。
- 缺氧 (PO2 降低):
- O2 敏感性鉀離子通道被抑制或關閉,K+ 外流減少。
- 細胞內正電荷累積,導致細胞膜去極化 (Membrane depolarization)。
- 去極化開啟電壓敏感性鈣離子通道 (Voltage-gated Ca2+ channel),Ca2+ 內流。
- 觸發神經傳導物質 (如多巴胺、乙醯膽鹼) 釋放。
- 活化舌咽神經 (Glossopharyngeal nerve) 傳入訊號至腦幹呼吸中樞,增加呼吸頻率和深度。
-
綜合影響:
- 當 PaCO2 升高 且 PaO2 降低 時,對呼吸的刺激作用是疊加的,會導致最大的通氣量增加。
高山生理適應 (High Altitude Adaptation)
- 腎臟代償:長期呼吸性鹼中毒時,腎臟會代償性地排出碳酸氫根 (bicarbonate),以糾正鹼中毒。
- 血液攜氧能力提升:為適應低氧環境,身體會增加紅血球生成素 (erythropoietin, EPO) 分泌,刺激骨髓製造更多紅血球,導致血比容 (hematocrit) 增加,以提高血液攜氧能力。
