呼吸,也称为肺通气,是空气进出肺部的过程。推动肺通气的主要机制是大气压 (P_atm)、肺泡内的肺内压 (P_pul) 或肺泡内压 (P_alv) 以及胸腔内的胸膜内压 (P_ip)。
呼吸机制
肺泡内压和胸膜内压都依赖于特定的肺部特性。呼吸能力(允许空气在吸气时进入肺部并在呼气时离开)取决于肺部内部相对于大气压的气压。
压力动力学
吸气和呼气取决于大气和肺部之间的压力差。在气体中,压力来自密闭气体分子的运动。例如,由于体积减小,相同数量的气体分子在 1 升容器中产生的压力会比在 2 升容器中产生的压力大。恒定温度下气体体积与压力之间的关系由波义尔定律描述,该定律指出压力与体积成反比 (P = k/V);体积增加会导致压力降低,反之亦然。
三种压力——大气压、肺泡内压力和胸膜内压力——决定了肺通气。大气压表示特定表面周围空气产生的力。它可以表示为大气压单位 (atm) 或毫米汞柱 (mm Hg),其中 1 atm 相当于 760 mm Hg,即海平面大气压。其他压力值,如大气压,通常在呼吸中讨论。
肺泡内压(肺内压)表示肺泡内的气压,在不同的呼吸阶段会波动。由于肺泡通过气道与大气相连,因此肺内压会不断与大气压平衡。
胸膜内压是脏层胸膜和壁层胸膜之间的胸膜腔内的气压。它在不同的呼吸阶段会波动,并且由于肺部的特殊性质,它与肺泡内压相比始终保持为负值。在整个呼吸周期中,胸膜内压保持在约 -4 毫米汞柱。它由肺弹性纤维的向内回缩和胸壁的向外拉力维持。这些相反力量之间的平衡决定了相对于肺泡内压的 -4 毫米汞柱胸膜内压。跨肺压,即胸膜内压和肺泡内压之间的差值,决定了肺的大小。
影响通气的因素
除了压力差之外,呼吸还取决于横膈膜和胸肌纤维的收缩和舒张。横膈膜和肋间肌运动主要引起压力变化,从而影响吸气和呼气。
肺部的其他特性也会影响呼吸。阻力是一种减慢运动(在此背景下,即气体流动)的力量。气道大小是影响阻力的主要因素。较小的管径迫使空气通过较小的空间,导致空气分子与气道壁发生更多碰撞。公式 F=ΔP/R 描述了压力变化与气道阻力之间的关系。
肺泡内壁中的水分引起的肺泡表面张力往往会限制肺泡扩张。由 II 型肺泡细胞分泌的肺表面活性剂与水混合,降低了这种表面张力并防止呼气时肺泡塌陷。
胸壁顺应性,即胸壁在压力下伸展的能力,会影响呼吸所需的努力。胸腔必须扩张才能吸气,直接影响肺活量。如果胸壁缺乏顺应性(无法扩张),胎儿胸腔和肺部的发育就会变得困难。
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