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：ü外呼吸（肺通气和肺换气）ü气体在血液中的运输ü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 ü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；ü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ü弹性阻力（约占70%） ü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l 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2/3l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500 mL 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1500－2000 mL 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900－1200 mL 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1000－1500 mL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1 sec、2 sec、3 sec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1 sec、2 sec、3 sec 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：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：吸入气体中吸入气体中OO2 2浓度的百分比浓度的百分比呼出气体中呼出气体中OO2 2浓度的百分比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。