生理學 - 呼吸生理

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)

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：

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。