呼吸系统动力学

生物力学的一个分支，主要研究气体在口、鼻、气管到肺泡组成的呼吸系统内运动的动力学问题。呼吸系统是呼吸器官的重要组成部分，它的主要功能是输入氧气和排除多余的二氧化碳；呼吸器官的另一个重要系统肺循环系统则供应血液。这两个系统的结合完成空气同所有组织细胞之间的气体交换，以满足组织、 细胞在新陈代谢过程中的需要。呼吸系统是一个被动系统，气体的吸入和呼出，靠跨肺压，即胸膜腔内和口腔的压力差推动，而引起胸膜腔压变化则主要是膈肌和胸廓的运动。

在气道的不同部位，气体的运动各有特征。一般说，压力差和流量的关系用伯努利方程(见伯努利定理)描述；接近呼吸区气体主要以扩散的方式运动；在肺泡壁处气体则通过膜渗透方式与血液进行气体交换。

气体在气管系中的流动和扩散  根据E.R.韦贝尔的研究，气管系的结构如下：每一根支气管分叉为两根子支气管，而每一根子支气管又作为下一级的主管，再分叉为两根子管。韦贝尔根据测得的数据，作出一个对称的简化模型：级的编号是以气管为0级，主支气管为第1级，依次类推。具体数据见表1。

从0级至第16级的气管，统称为呼吸道，因而第16级的支气管称为终末细支气管。从终末细支气管起，气管壁上出现肺泡，这个区域称为呼吸区。血液与气体的交换只在这个区域中进行，而呼吸道则纯粹起过道的作用，因而它又被称为死腔。支气管总截面积随级号的增大而迅速递增，相应的流速也就很快递减(见表1)。

从口、鼻到肺泡的总压强差只有几个毫米水柱，因此每一段支气管的压强差就更小。要直接测定这种压降是困难的。事实上测量气流的速度比测量压降要容易些。对于理想流体的管流，压强和速度的关系可用伯努利方程表示：

，

式中p为压强；v为流速；ρ为流体密度，下标1、2分别表示上述各量在管中两个不同位置的值。对于粘性流体，上式各项应作相应修正。此外，还应加上一耗散函数项。T.J.佩德利等人据此提出一个压降与速度的关系来间接讨论压降。对于泊肃叶流(见管流)，其耗散函数为ф＝8πμL，式中L为管长；μ为动力粘性系数； ＝Q/S为平均流速；Q为流量；S为管截面。当考虑入口、管叉和管弯等效应时，可引入修正系数z，即令：

ф＝zф，

并将z表示为的形式，式中γ为一系数;Re为雷诺数;d为管径。根据在动物的呼吸道仿制模型上和在简化模型上所进行的实验，对Re在100～700间的层流，γ的平均值为0.33。若由上式求得的z值小于1，则不能用，而应令z=1。这是因为在所有类型的管流中，泊肃叶流的能量耗散率最小。

口和气管间的结构更为复杂，M.J.耶格尔和H.马西斯根据实验结果将口至气管间的压降表示为：

Δp＝cQ，

式中Δp为压降;a和c为常数值(见表2)。除了浓度非常高的混合气体外，指数a接近于1.5。

在呼吸道的终端(即第16级)以下，细支气管逐渐过渡成呼吸细支气管、肺泡管和肺泡。它们的直径都小于0.05厘米。即使在换气频率很高时，Re也总小于1，因此流体在惯性可以忽略不计，气体的运动特征是扩散，而且还与微血管床中的血液进行气体交换。因为新空气的吸入和陈肺气的呼出都通过同一呼吸道，又因为肺中的陈气不可能全部排空，故新空气不可能直达肺泡。实际上，在新陈气体交界处气体的运动颇象长江口的潮水运动，它们通过扩散和湍流混合起来。当这种氧和二氧化碳的浓度逐渐变化的混合气体进入愈来愈小的气管时，气体就逐渐以纯分子扩散的方式运动。

气和血在肺泡壁处的气体交换  呼吸器官中，供应血液的是肺循环系统。肺循环是指血液由右心室泵入肺动脉系，经微动脉流入毛细血管床，然后汇入小静脉，经肺静脉流入左心房的整个过程。肺循环的特点之一是，它是一个低压系统，肺动脉的收缩压平均为22毫米汞柱，舒张压平均为4～5毫米汞柱。另一特点是，肺循环的血流量很大，人体内几乎整个血量(大约5000毫升)在一分钟内要全部流过肺循环系统一次。在如此低压差作用下能保持如此大的流量，说明肺循环系统是一个阻力很小的系统。

与肺泡气体交换的区域则是微动脉和微静脉之间的毛细血管床。它与其他一些组织组成肺泡隔膜，隔膜的两面均暴露在肺泡气中。当空气进入肺泡，血液流经微血管床时，由于呼吸膜两侧的氧存在着较大的分压差，气体和血液就进行气体交换。它们必须经过肺泡膜、间隙液、毛细血管壁、血浆、红细胞膜、胞浆，并且与血红蛋白进行化学反应。在红细胞进入微血管床时，氧分压在正常情况下大致为40毫米汞柱，而肺泡中的氧分压大致为100毫米汞柱，其间有厚度为0.5微米的呼吸膜隔开，因此立即开始扩散和化学反应。这个动力过程在红细胞中的氧分压接近于肺泡中的氧分压以前一直在进行，正常情况约历时1/4秒，此后氧的传输就几乎完全停止。在异常情况下，例如由于肺泡壁的增厚，使扩散受阻；或是大气中氧分压大大降低，从而降低了扩散能力。这样血液流到微血管的终端就有可能没有接近肺泡中的分压值。至于二氧化碳，它在微血管始端的分压为45毫米汞柱，在肺泡内为40毫米汞柱，它的扩散能力比氧约大20倍，它从血液中扩散到肺泡中并不困难；如果遇到隔膜增厚的那类病态，扩散当然就不那么容易了。

参考书目 冯元桢著：《生物力学》，科学出版社，北京，1983。