呼吸系统的建模与仿真

第七章呼吸系统的建模与仿真主要内容7.1呼吸系统的生理功能7.2呼吸气体方程及其应用7.1呼吸系统的生理功能机体与外界环境之间的气体交换过程，称为呼吸。呼吸的三个环节：外呼吸（肺通气和肺换气）气体在血液中的运输内呼吸（组织换气）一、肺通气的原理（一）肺通气的动力（二）肺通气的阻力（三）肺容积（四）肺容量二、肺换气和组织换气（一）气体交换的原理（二）肺换气过程（三）组织换气三、呼吸运动的调节（一）呼吸中枢（二）呼吸的反射性调节一、肺通气的原理肺通气是指肺与外界环境之间的气体交换过程。实现肺通气的器官包括呼吸道、肺泡和胸廓等。要实现肺通气取决于两方面因素的相互作用：一是推动气体流动的动力；另一个是阻碍气体流动的阻力。只有前者克服后者，建立肺泡与外界环境之间的压力差，才能实现肺通气。（一）肺通气的动力肺通气的直接动力是大气与肺泡气之间的压力差。肺通气的原动力是呼吸肌收缩和舒张引起的节律性呼吸运动。1．呼吸运动呼吸肌收缩和舒张引起胸廓节律性扩大和缩小称为呼吸运动，包括吸气运动和呼气运动。参与呼吸运动的肌肉，称为呼吸肌。吸气肌：使胸廓扩大，产生吸气运动的肌肉，主要有膈肌和肋间外肌；呼气肌：使胸廓缩小，产生呼气运动的肌肉，主要有肋间内肌和腹壁肌群。呼吸运动的形式平静呼吸和用力呼吸人体在安静时，平稳而均匀的自然呼吸，称平静呼吸，每分钟约为12～18次。此时吸气是主动的，而呼气是被动的过程。当进行运动时，或者吸入气中CO2含量增加或O2含量减少时，呼吸运动将加深、加快，这种形式的呼吸运动称为用力呼吸或深呼吸，这时吸气和呼气都是主动的。呼吸运动的形式腹式呼吸和胸式呼吸以膈肌舒缩为主的呼吸运动，主要表现为腹壁明显的起伏，称为腹式呼吸。以肋间外肌舒缩引起胸骨和肋骨运动（胸廓运动）为主的呼吸运动，主要表现为胸廓的扩大和缩小称为胸式呼吸。正常成人呼吸大多是胸式呼吸和腹式呼吸同时存在，称为混合式呼吸。2．呼吸时肺内压的变化肺泡内的压力称为肺内压。在呼吸运动过程中，肺内压随胸腔容积的变化而改变。胸膜腔内压肺内压3．呼吸时胸膜腔内压的变化胸膜腔内的压力称为胸膜腔内压，可用连接检压计的针头刺入胸膜腔内直接测定，也可用测定食管内压来间接反映胸膜腔内压力的变化。测量表明，胸膜腔内压通常低于大气压，为负压。平静呼吸过程中，胸膜腔内压始终是负压，习惯上称为胸膜腔负压，或简称胸内负压。胸内负压的形成与作用于胸膜腔的两种力有关，一种是促使肺泡扩张的肺内压，另一种是促使肺泡缩小的肺回缩力，胸膜腔内压力是这两种方向相反的力的代数和，可表示为：胸膜腔内压=肺内压－肺回缩力在吸气末或呼气末，肺内压等于大气压，因而：胸膜腔内压=大气压－肺回缩力若将大气压视为零，则：胸膜腔内压=－肺回缩力可见胸膜腔负压实际上是由肺回缩力所决定的，故其值也随呼吸过程的变化而变化。为何平静呼气末胸膜腔内压仍为负？这是因为在生长发育过程中，胸廓的生长速度比肺快，胸廓的自然容积大于肺的自然容积，所以从胎儿一出生的第一次呼吸开始，肺便被充气而始终处于扩张状态，不能回复到原来的最小状态，胸膜腔负压即告形成并逐渐加大。综上所述，肺与外界大气之间的压力差，是实现肺通气的直接动力。而呼吸肌的舒缩是肺通气的原动力。（二）肺通气的阻力肺通气的动力必须克服通气的阻力，才能实现肺通气。气体在进出肺的过程中，会遇到各种阻止其流动的力，统称为肺通气阻力。弹性阻力（约占70%）非弹性阻力（约占30%）1．弹性阻力胸壁和肺都具有弹性组织，当它们在外力作用下变形时，这些弹性组织就表现出对抗这种变形的倾向；当外力解除后，组织就要恢复其原来的状态。弹性物体对抗外力作用所引起变形的力称为弹性阻力。（1）肺弹性阻力（2）胸廓弹性阻力（3）肺和胸廓的顺应性（1）肺弹性阻力肺弹性阻力来自两个方面：1.肺组织本身的弹性回缩力，约占肺弹性阻力的1/3；2.肺泡表面液体层所形成的表面张力，约占肺弹性阻力的2/3。肺组织本身的弹性回缩力主要来自弹性纤维。肺泡液层的表面张力，是使肺泡趋向于缩小的力，构成肺通气的阻力之一。根据物理学原理：P=2T/R(P肺内压、R半径、T表面张力)依此公式，如果大小肺泡表面张力一样，则大肺泡因半径大，肺泡内压就小；小肺泡因半径小，肺泡内压就大。而正常人的肺是由大小不等的肺泡构成，肺内的大小肺泡又是彼此连通的，若按此公式推导，气体将从小肺泡不断流入大肺泡，结果使大肺泡膨胀，小肺泡萎缩，肺泡将失去稳定性。但是，这种情况在正常人是不会出现的。因为肺泡内尚存在一种可降低肺泡表面张力的特殊物质，即肺泡表面活性物质。肺泡表面活性物质的生理意义有助维持大小肺泡的容积相对稳定。降低肺泡表面张力。降低吸气阻力，有利于肺的扩张，减少吸气作功。（2）胸廓弹性阻力胸廓的弹性阻力来自于胸廓的弹性组织。胸廓是一个双向弹性体，其弹性回缩力的方向因胸廓所处的位置而改变。（3）肺和胸廓的顺应性由于胸廓和肺的弹性阻力不易测定，习惯上以顺应性来表示胸廓和肺的弹性阻力大小。顺应性（compliance）是指在外力作用下，弹性组织扩张的难易程度。容易扩张即顺应性大，不易扩张则顺应性小，它与弹性阻力呈反比关系。2.非弹性阻力非弹性阻力包括惯性阻力、粘滞阻力和气道阻力。惯性阻力是指气流在发动、变速、换向时，因气流和组织的惯性所遇到的阻力。粘滞阻力是指呼吸时，胸廓、肺等组织移位发生摩擦形成的阻力，与移位的速度成正比。气道阻力是指气体通过呼吸道时，气体分子间及气体分子与气道管道之间的摩擦力。气道阻力约占非弹性阻力的80%～90%。（三）肺容积1．潮气量：每次呼吸时吸入或呼出的气体量。正常成年人平静呼吸时平均为500mL。2．补吸气量：平静吸气末再尽力吸气所能吸入的气体量。正常成年人约为1500－2000mL。3．补呼气量：平静呼气末再尽力呼气所能呼出的气体量。正常成年人约为900－1200mL。4．余气量：最大呼气末尚存留于肺中不能呼出的气体量。正常成年人约为1000－1500mL。只能用间接方法测定。（四）肺容量两项或两项以上的肺容积相加，为肺容量。1．深吸气量：深吸气量=潮气量+补吸气量，即平静呼气末作最大吸气所能吸入的气体量。2．功能余气量：功能余气量=补呼气量+余气量，即平静呼气末肺内存留的气体量。（四）肺容量3．肺活量：肺活量=潮气量+补吸气量+补呼气量，即最大吸气后从肺内所能呼出的最大气体量。肺活量反映了肺一次通气的最大能力。4．时间肺活量：测肺活量时让受试者以最快速度呼气，分别测定第1sec、2sec、3sec末所呼出的气体量，计算其所占肺活量的百分比，分别称为第1sec、2sec、3sec的时间肺活量。正常成年人各为83%、96%和99%。时间肺活量能反映肺通气阻力的变化。阻塞性肺疾病患者肺活量可能正常，但时间肺活量显著降低。5．肺总容量：肺总容量=潮气量+补吸气量+补呼气量+余气量，即肺所能容纳的最大气体量。二、肺换气和组织换气（一）气体交换的原理气体分子总是由分压高处向分压低处移动，直至气体分子分布均匀为止，这一过程称为扩散。肺换气和组织换气就是以扩散方式进行的。单位时间内气体分子扩散的量为气体扩散速率，它受下列因素的影响：1.气体的分压差2.气体的分子量和溶解度3.温度4.扩散距离和扩散面积2.气体的分子量和溶解度气体扩散的速度与该气体分子量的平方根成反比。如果扩散发生于气相和液相之间，气体的扩散速率还与气体的溶解度有关。溶解度指的是某种气体在单位分压下，能溶解于单位容积液体中的ml数。3.温度扩散速率与温度成正比。4.扩散距离和扩散面积气体的扩散速率与扩散距离成反比，与扩散面积成正比。（二）肺换气过程肺泡气的PO2静脉血的PO2肺泡气的PCO2静脉血的PCO2来自肺动脉的静脉血流经肺毛细血管时，在分压差的推动下，O2由肺泡扩散入血液，CO2则由静脉血扩散入肺泡，完成肺换气过程，结果使静脉血变成含O2较多、CO2较少的动脉血。（三）组织换气在组织部位，由于细胞代谢不断消耗O2，同时产生CO2，故组织内PO2较动脉血的PO2低，而PCO2较动脉血的PCO2高，当动脉血流经组织毛细血管时，在分压差的推动下，O2由血液扩散入组织细胞，CO2则从组织细胞扩散入血液，完成组织换气。结果使动脉血变成了含O2较少、含CO2较多的静脉血。三、呼吸运动的调节（一）呼吸中枢呼吸中枢是指中枢神经系统内产生和调节呼吸运动的神经细胞群。呼吸中枢广泛分布在大脑皮层、间脑、脑桥、延髓和脊髓等各级部位，它们在呼吸节律的产生和调节中所起的作用不同，正常节律性呼吸运动是在各级呼吸中枢的相互配合下实现的。（二）呼吸的反射性调节中枢神经系统接受各种感受器传入冲动，实现对呼吸运动调节的过程，称为呼吸的反射性调节。主要包括机械和化学两类感受器的反射性调节。1.机械感受器反射（1）肺牵张反射肺扩张或缩小而引起呼吸的反射性变化，称肺牵张反射。肺牵张反射包括肺扩张引起吸气抑制和肺缩小引起吸气兴奋的两种反射。吸气时，肺扩张，当肺内气体量达一定容积时，牵拉支气管和细支气管，使感受器兴奋，冲动经迷走神经传入延髓，通过吸气切断机制使吸气神经元抑制，结果吸气停止，转为呼气。呼气时，肺缩小，牵张感受器的放电频率降低，经迷走神经传入的冲动减少，对延髓吸气神经元的抑制解除，吸气神经元兴奋，转为吸气。肺牵张感受器反射的意义是阻止吸气过深过长，促使吸气转为呼气，与脑桥呼吸调整中枢共同调节着呼吸频率与深度。（2）呼吸肌本体感受性反射由呼吸肌本体感受器传入冲动所引起的反射性呼吸变化，称呼吸肌本体感受性反射。呼吸肌通过本体感受器反射，可使呼吸增强，但在平静呼吸时，这一反射活动不明显。呼吸肌本体感受器反射的意义在于随着呼吸肌负荷的增加而相应地加强呼吸运动，这在克服气道阻力上有重要作用。2.化学感受性呼吸反射化学因素是指动脉血或脑脊液中的O2、CO2和H+。机体通过呼吸调节血液中的O2、CO2和H+的水平，动脉血中的O2、CO2和H+水平的变化又能通过化学感受器反射性地调节呼吸运动，从而维持着内环境中这些因素的相对稳定。3.防御性呼吸反射呼吸道粘膜受刺激时，引起的一些对人体有保护作用的呼吸反射，称为防御性呼吸反射。咳嗽反射：感受器位于喉、气管和支气管的粘膜，能接受机械的或化学的刺激，兴奋传入延髓，从而引发一系列反射效应。咳嗽时先短促或深吸气，接着声门紧闭，呼气肌强烈收缩，肺内压和胸膜腔内压急剧上升，然后声门突然打开，由于气压差极大，气体便以极高的速度从肺内冲出，将呼吸道内异物或分泌物排出。3.防御性呼吸反射喷嚏反射：喷嚏反射是因鼻粘膜受刺激而引起，其动作与咳嗽反射类似，呼出气主要从鼻腔喷出，以清除鼻腔中的异物。7.2呼吸气体方程及其应用呼吸气体方程在标准状况（0°C，760mmHg）下，有效腔呼吸气体的基本方程可用下列三个方程表达：（1）呼出气体的容量VE等于吸入气体容量VI减去耗氧量VO2加上二氧化碳产生量VCO2：22(71)EIOCOVVVV呼吸气体方程（2）耗氧量等于吸入气体的氧容量减去呼出气体的氧容量：222(72)OIOIEOEVFVFV吸入气体中O2浓度的百分比呼出气体中O2浓度的百分比呼吸气体方程（3）CO2产生量等于呼出气体的CO2容量减去吸入气体的CO2容量：因为吸入气体中CO2量很少，可忽略不计，因此上式可简化为：222(73)COECOEICOIVFVFV22(74)COECOEVFV吸入气体中CO2浓度的百分比呼出气体中CO2浓度的百分比呼吸气体方程通过以上三个方程式，可以计算出耗氧率、CO2产生率、呼吸气体交换比和肺泡气内O2与CO2分压等。联立上面三式对时间求导，得：222()(75)EIIOIECOEECOEVVFVFVFV222111EEOECOIOVFFVF呼吸气体方程可求得耗氧率VO2为：CO2产生率VCO2为：2222