生理學 - 呼吸生理

生理學呼吸生理更新於 2026/3/16

呼吸系統解剖與功能分區

傳導區 (Conducting Zone)

  • 範圍:從鼻腔氣管主支氣管各級支氣管終末細支氣管
  • 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
      • 肺泡氣無效腔氣的混合。
      • 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)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
    • 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)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)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,需橫膈膜外肋間肌收縮作功,克服肺部彈性回縮力氣道阻力,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。
  • 吸氣結束肺泡內壓大氣壓相等,氣流停止。

呼氣 (Expiration)

  • 平靜呼氣橫膈膜外肋間肌放鬆,肺部彈性回縮胸腔體積縮小
  • 用力呼氣內肋間肌腹肌收縮,進一步縮小胸腔體積,導致胸腔內壓 (Pip)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,重力導致肺底血液灌流量 (Q) 遠大於肺尖肺底通氣量 (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)

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TLCVCFRCRV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

肺臟氧氣擴散能力 (DLCO)

  • 定義:反映氧氣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)
    • 包含吸氣呼氣神經元
    • 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)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CO2 和水轉化為碳酸,再解離成 H+HCO3-
      • 氯離子位移 (Chloride Shift):為維持電中性,HCO3-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+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 CO2H2O
        • 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),其對二氧化碳氫離子 (H+)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),其對二氧化碳氫離子 (H+)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pH值下降 (酸性增加) 時,血紅素氧氣親和力降低,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)頸動脈體 (carotid body)
    • 主要刺激:對動脈血中的 PO2 下降PCO2 上升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

    • PaCO2 升高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

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