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（diffusion）。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（diffusion rate），它受下列因素的影响：

 

（一）气体的分压差大气是由O2、CO2、N2等多种成分组成的混合气体，其总压力在海平面约为101.3kPa（760mmHg）。在混合气体的总压力中，某种气体所占有的压力，称为该气体的分压（partial pressure），其值与该气体在混合气体中所占体积分数成正比。混合气体中各组成气体分子扩散只与该气体的分压差有关，即从分压高处向分压低处扩散，而与总压力和其他气体的分压差无关。分压差愈大，扩散速率也愈大。

 

在液体中，溶解的气体分子也按它们的各自分压在液体中互相弥散交换，达成动态平衡。气体分子可扩散而溶解于液体中，溶解在液体中的气体分子也可从液体中逸出。溶解的气体分子从液体中逸出的力，称为张力（tension），亦即液体中气体的分压，其数值与分压相同

（二）气体的物理特性与扩散速率

 

单位时间内气体扩散的容积气气体扩散速率（diffusion rate，D）。气体扩散速率不仅取决于分压差大小，也与气体的分子量和溶解度有关。气体扩散率与该气体分子量的平方根成反比。分子量越小，扩散速率越快。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。溶解度大，扩散速率也大。溶解度与分子量的平方根之比称为扩散系数（diffusion coefficient），它取决于气体分子本身的特性。O2和CO2在血浆中的溶解度分别为21.1 ml/L 和515.0 ml/L。CO2的溶解度比O2的溶解度大24 倍，CO2的分子量（44 Da））大于O2的分子量（32 Da），所以CO2的扩散系数是O2的20 倍。由于在肺泡与静脉血之间，O2的分压差约比CO2分压差大10 倍，故上述两种因素综合结果是CO2扩散速率比O2的扩散速率大2 倍。由于CO2比O2容易扩散，故临床上缺氧比CO2潴留更为常见，呼吸困难的病人常常先出现缺氧。

 

此外，气体扩散速率还与温度、扩散面积和距离有关。扩散速率与温度成正比，温度越高，扩散越快，但人体体温恒定，所以一般不影响体内气体交换。气体的扩散速率与扩散距离成反比，与扩散面积成正比。

（一）肺换气过程  

肺泡气的PO2大于静脉血的PO2，而肺泡气的PCO2则小于静脉血的PCO2，故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。肺泡处O2和CO2的气体扩散仅需0.3 s 即可平衡，而通常血液流经肺毛细血管的时间约0.7 s，所以，当静脉血流经肺毛细血管时，有足够的时间进行气体交换。

 

（二）影响肺换气的因素

前已述及，影响气体扩散速度的因素都可以影响气体交换的进行，其中扩散距离和扩散面积在人体肺内是影响气体交换的主要因素，另外，肺换气过程还受通气/血流比值的影响。 

1．呼吸膜的厚度

 呼吸膜（respiratory membrane）是指肺泡腔与肺毛细血管腔之间的膜，它由六层结构组成，即含有表面活性物质的液体层、肺泡上皮细胞层、肺泡上皮基膜层、肺泡与毛细血管之间的间质、

2．呼吸膜的面积

正常成人肺的总扩散面积很大，约       100 m2。平静呼吸时，可供气体交换的呼吸膜面积约为40 m2；用力呼吸时，肺毛细血管开放增多，呼吸膜面积可增大到约70 m2。呼吸膜广大的面积及良好的通透性，保证了肺泡与血液间能迅速地进行气体交换。但肺不张、肺气肿或肺毛细血管阻塞均使呼吸膜的面积减小，影响肺换气。

3．通气/血流比值

 通气/血流比值（ventilation/perfusionratio，VA/Q 比值）指的是每分钟肺泡通气量与肺血流量之间的比值。由于肺换气是发生在肺泡与血液之间，要达到高效率的气体交换，肺泡既要有充足的通气量，又要有足够的血流量供给，它们之间应有一个适当的比值。正常成人在安静状态下，每分钟肺泡通气量约为4.2 L，肺血流量即心输出量约为5.0 L/min，VA/Q =4.2/5.0 = 0.84。在此情况下，肺泡通气量与肺血流量配合适当，气体交换的效率高，静脉血流经肺毛细血管时，将全部变为动脉血。但当VA/Q 比值增大时，可能是肺通气过度或肺血流量不足，多见于部分肺泡血流量减少。例如部分肺血管栓塞，使相对过多的肺泡气不能与足够的血液充分交换，意味着肺泡无效腔增大，降低了肺换气的效率。当VA/Q 比值减小时，可能是肺通气不足或肺血流量过多， 

多见于部分肺泡通气不良。例如支气管痉挛时，使相对过多的血流量流经通气不良的肺泡，不能充分进行气体交换，形成了功能性动-静脉短路，换气效率也降低（图5-12）。由此可见，从换气效率来看，VA/Q 比值维持约0.84 是适宜状态。VA/Q 比值大于或小于0.84，都将使换气效率降低。肺气肿是临床上常见的换气功能障碍的疾病，病人可因细支气管的阻塞或肺泡壁的破损，上述两种VA/Q 异常都可以存在，肺换气功能降低而出现缺O2。

此外，由于肺的各部分肺泡通气量和肺毛细血管血流量是不均匀的，所以，在肺的各部分VA/Q 比值并不一样。如人在直立时，肺上区的肺泡血流量较肺下区少，VA/Q 比值就偏大。可见，肺整体V/Q 比值正常，并不表明肺内各部分的VA/Q 比值都正常。 

低VA/Q 比值区域（上A/B）相当于有一定量的心排血量功能性分流（上C）。高VA/Q 比值区域（下A/B）相当于一部分肺泡成为了无效腔（下C）

 

 

（三）肺扩散容量

 气体在单位分压差作用下每分钟通过呼吸膜扩散的气体的   ml     数为肺扩散容量（pulmonarydiffusion capacity，DL）。是反映肺换气功能的一个指标。

肺扩散容量（DL）＝  通过肺泡膜的气体量／肺泡膜两侧的气体分压差

 目前临床上常采用一氧化碳（CO）测定肺扩散功能，这是因为CO 透过肺泡膜的弥散系数以及和血红蛋白的反应速率与O2相似，并呈线性关系，且CO 与血红蛋白的亲和力比O2大210倍。血浆CO 分压接近于零，可忽略不计，仅测定单位时间内通过肺泡毛细管膜的CO 量和肺泡气CO 分压，即可得到CO 扩散容量。O2肺扩散容量的测定在理论上是可行的，但由于很难采取肺毛细血管的血样测定氧分压，因此临床上很少测定。毛细血管基膜层、毛细血管内皮细胞层，正常呼吸膜非常薄，平均厚度不到1 μm，有的部位仅厚约  0.2  μm，因此通透性极大，气体很容易扩散通过。在肺水肿、肺纤维化等病理情况下，呼吸膜的厚度增加，将导致气体扩散量减少。