呼吸力學

呼吸力學是以工程學的觀點和方法研究呼吸系統中的力學問題，包括呼吸功能的評價，各類呼吸疾病的檢測、診斷以及治療。呼吸過程大致可以分為兩個階段，吸入與呼出：人體通過膈肌的收縮擴張胸腔，使得肺容積增大，進而引起肺內壓的下降，以致呼吸道口的壓力大於肺內壓，空氣即會向肺內流入；隨著外部空氣的不斷流入，肺內壓慢慢接近外部大氣壓，空氣流速減緩，此時人體通過膈肌的舒張收縮胸腔，使得肺容積減小，進而引起肺內壓的升高，以致肺內壓大於呼吸道口的壓力，這就迫使肺內的氣體向呼吸道口外流。人體通過呼吸循環過程，實現了氧氣的輸入與二氧化碳的輸出，保證了各項機能的正常需求。相比而言，吸入過程屬主動行為，而呼出過程屬被動行為。

1. 基本概念及原理

氣體分壓

各組分氣體在混合氣體總容積中單獨存在時所產生的壓力，一般記為 ，下標i 指明是對氣體i 而言的。混合氣體的壓力 等於各組分氣體分壓的總和，即Dalton氣體分壓定律：

常態下，人體氣道內的氧分壓 及二氧化碳分壓 分別約為20kPa，與0.04kPa。

Henry 定律

氣體溶於液體中的氣量，與作用在液面上的壓力有關，具體關係遵從Henry定律：

式中：

c為氣體在單位容積液體中的溶解量；

p為氣體的壓力；

s為溶解係數。

Henry定律只表示氣體因為壓力而產生的物理溶解量，對於能與液體發生化

學反應的氣體則不適用。

Fick彌散定律

氣體透過生物膜的彌散率，即單位時間通過膜的氣體容積，與膜的氣體交換

面積、膜兩側有關氣體的分壓差成正比，與膜的厚度成反比，計算公式如下：

式中：

為彌散率；

D為彌散係數；

A為膜的氣體交換面積；

δ為膜的厚度；

， 為膜兩側有關氣體的分壓。

氣道平滑肌的力學行為

人體氣道平滑肌（Airway Smooth Muscle，ASM）對周邊物理環境的改變非常敏感，異常的力學刺激因素可能會導致氣道平滑肌細胞在結構或功能方面發生變化，進而引發氣道平滑肌過度收縮等症狀。近年來，人們對氣道平滑肌的生物力學行為及其在哮喘的病理機制中的作用展開了大量研究，獲得了許多重要的發現，主要包括：氣道平滑肌收縮和骨架纖維的組織結構、氣道平滑肌功能長度範圍以及適應性、力學刺激引起的氣道平滑肌細胞結構和功能的變化、氣道平滑肌緊張度對應變誘導的回響的調控以及細胞骨架軟玻態動力學行為等。

氣道重構（Airway Remodeling，AR）

所謂重構是一個基質產生與降解的動態過程，主要功能在於對器官創傷的修復，屬炎症入侵時的應激反應。氣道重構正是由於肺循環損傷而引發的氣道內皮細胞以及細胞外基質改變而引起的，常表現為氣道平滑肌的過度肥大、基底膜的增厚、上皮細胞的損傷以及基質蛋白的沉積等。氣道重構是哮喘的典型特徵。

氣道高反應性（Airway Hyperresponsiveness，AHR）

氣道在刺激因素的作用下，發生極為敏感的過度性收縮，從而導致氣道過度狹窄甚至關閉的行為稱為氣道高反應性。造成氣道高反應性的潛在因素很多，例如：氣道平滑肌的過度增生、氣道重構、氣道炎症以及氣道神經控制系統紊亂等。目前，氣道平滑肌的過度增生被公認為是主要的原因之一。哮喘或COPD的典型症狀就是氣道高反應性，它可以作為二者疾病發展風險的預警標準。但氣道高反應性並不止出現在哮喘或COPD中，流行病學的研究表明氣道高反應性也會出現在一些無症狀的人群中，尤其是遺傳性過敏症人群。

2. 常用測量參量

1.潮氣量（Tidal Volume ）、肺活量（Vital Capacity ）、機能餘氣量（Functional residual capacity FRC）、餘氣量（Residual Capacity RV）

平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣量稱為潮氣量；最大吸入後盡其所能呼出的

氣量稱為肺活量；在平靜呼吸過程中的呼吸終點處，仍然存留在呼吸系統中（包括上、下呼吸道和呼吸區）的氣量，稱為機能餘氣量；而當呼氣達到最大呼氣量的終點仍然殘留在呼吸系統中的氣量，則稱為餘氣量。

一般來說，健康成年人的潮氣量在400～700ml之間，男性一般高於女性；肺活量大致與受試人的身高成正比，年齡成反比，且各種族的值有明顯的差異，我國男人的值約在4000ml左右，女人的值約在2700ml左右。

2.用力肺活量（Forced Vital Capacity, FVC）、1秒用力呼氣量（Forced Expiratory Volume in One Second, FEV1)

用力肺活量是指盡力最大吸氣後，盡力儘快呼氣所能呼出的最大氣量，數值上略小於沒有時間限制條件下測得的肺活量；其中，開始呼氣第一秒內呼出的氣量稱為一秒鐘用力呼氣量。

3.呼吸系統總阻抗（Respiratory System Impedance, Zrs）

呼吸系統總阻抗Zrs是一個複數量，包含實部和虛部，公式表達如下：

式中，Zrs的實部Rrs為呼吸系統阻力（Respiratory System Resistance），代表了Zrs的同相部分，描述了氣道和肺組織的粘性阻力，主要分布在大、小氣道之中。其中，高頻阻抗主要反映中心氣道粘性阻力的大小，低頻阻抗則反映了所有氣道粘性阻力的大小；虛部Xrs是呼吸系統電抗（Respiratory System Reactance），代表了Zrs的異相部分，描述了氣道和肺組織的彈性阻力E（Elastance）和慣性阻力I（Inertance）。彈性阻力主要分布在肺組織和細小支氣管，而慣性阻力則主要存在於大氣道和胸廓。

臨床中最常用的參數就是呼吸系統阻力Rrs，它代表了呼吸道的中央阻抗。強制振盪檢測技術正是以此為依據對人體呼吸系統的力學性能進行無創測量，研究結果能夠為哮喘、COPD等呼吸類疾病的診斷提供定量的科學依據。

4.跨肺壓（Transpulmonary Pressure ）、肺的順應性（Lung Compliance）、比順應性（Specific Compliance）

作用在肺表面與肺內壓力的差值稱為跨肺壓，該值直接影響到肺容積（V）的大小；肺本體在跨肺壓的作用下，其變形的難易通常用順應性（C）來表示，即肺容積的改變數（）與跨肺壓的變化值（）之比：

單位為L/KPa。不難看出，順應性的值越高，肺的變形越容易。一般說來，正常生理活動範圍內順應性值約等於；同時為了更為準確、合理的判斷肺的靜力學性質，引入了比順應性的概念，即單位肺絕對容積的順應性值。

　　

　　

5.肺泡表面張力（Alveolar Surface Tension）、肺表面活性物質（Pulmonary surfactant）

肺泡表面張力是指在肺泡上皮內表面分布的極薄的液體層與肺泡內氣體形成的氣-液兩相界面上，由於液體界面的分子密度較大，導致液體分子間的吸引力大於液-氣分子間的吸引力，因而產生的使液體表面具有收縮傾向的力。肺泡表面張力使肺泡趨向回縮，是肺回縮的主要動力。為了使肺泡處於平衡狀態，需要輸入一定的氣壓（P），以平衡肺泡的表面張力（T）與肺泡內的氣壓（），三者的計算關係如下：

理論情況下，表面張力相同的同一液體，只要所形成的液泡大小不同，小泡內的壓強就會超過大泡；且液泡越小，其中的壓強將越高。當大、小不同的兩個液泡由一個管腔連通時，小泡內的氣體將向壓強較低的大泡流動，於是小泡越來越小，以至完全萎縮，最後將只剩一個脹得更大的大泡。但實際情況下，正常的呼吸運動過程中不會發生上述現象，這與肺泡表面分布的活性物質有關。肺表面活性物質是一種由II型肺泡細胞形成的表面活性脂蛋白複合物（磷脂蛋白）。組成表面活性劑的蛋白質和脂質均具有親水性和疏水性區域，肺泡表面活性劑棕櫚醯磷脂醯膽鹼(DPPC)的主要脂質成分通過其親水頭部基團吸附到氣-液界面的液相而疏水性尾部則朝向氣相，從而減少了肺泡的表面張力（降至原來的1/7～1/14）。更為重要的是，肺泡表面的活性物質在小肺泡內的分布較為密集，在大肺泡內的分布較為稀疏，因此使得大、小肺泡內的回縮壓力相對平衡，都能維持在一定的充氣狀態。因此肺表面活性物質能夠維持大、小肺泡內壓與容積的相對穩定、提高肺的順應性、預防呼吸末端的肺不張。

3. 常用的檢測方法

1. 阻塞性肺功能檢測法

臨床上常以1秒用力肺活量與用力肺活量的比值，即（FEV1%）作為阻塞性肺功能（哮喘或慢性阻塞性肺病COPD）的檢測標準：

FEV1%=(FEV1/FVC)*100%

具體分級情況如下：

阻塞性肺功能級別	FEV1%	治療方案
正常	83%≦FEV1%	無
I	80%≦FEV1%<83%	按需使用短效支氣管舒張劑
II	50%≦FEV1%<80%	規律套用一種或多種長效支氣管舒張劑
III	30%≦FEV1%<50%	反覆急性發作，可吸入糖皮質激素
IV	FEV1%<30%	如有呼吸衰竭，長期氧療，可考慮外科治療

　　

2.強迫振盪呼吸檢測技術（Forced Oscillation Technique，FOT）

強迫振盪呼吸檢測技術主要通過測量受試者呼吸系統的阻抗來進行呼吸道疾病的檢測，如慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)、哮喘(Asthma)等。該技術首先是通過振盪發生器產生一個特定頻率和振幅的壓力波，壓力波施加於受試者的口腔併疊加在呼吸氣流之上，隨氣流進入人體的氣道和肺組織，通過測量經氣道和肺組織吸收並折射的壓強和流速，計算振盪波壓力和流量傅立葉變換的商即可獲得呼吸系統的總阻抗。

由於FOT提供了一種無創的技術，且無需被測試者的主動配合，因此FOT不僅適用於健康的成年人，而且特別適合於兒童、年老體弱者以及植物人等行動不便人群。

3. 光學相干斷層掃描技術

（Optical Coherence Tomography，OCT）

光學相干斷層掃描技術是利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維的結構圖像。利用該技術可進行活體組織顯微鏡結構的非接觸式、非侵入性斷層成像。

隨著近年來呼吸道疾病頻發，傳統檢測手段已滿足不了快速、實時檢測的需求。OCT利用 “相干門檢測”的原理可對生物組織進行快速成像，同時結合硬質氣管鏡，可以為哮喘、COPD、肺癌等疾病的檢測提供實時、無損、高解析度的檢方法。

4. 病理與疾病的關係

1.哮喘

哮喘作為一種慢性的呼吸道疾病正日益成為危害人類健康的重大問題。在西方已開發國家，哮喘病的發病率已高達總人口的8%～20%。據統計，美國有超過2千萬人患有哮喘病，每年有超過5千名兒童死於哮喘病。其他西方國家的情況也基本相同。更令人擔憂的是哮喘病的發病率以每10年增長20%～25%的勢頭不斷上升，尤其是包括中國在內的開發中國家上升的勢頭更猛。中國哮喘病人目前估計已達3000萬人左右。儘管如此，哮喘病的病因和發展機理至今仍沒有被解釋清楚。已知的重要病理原因涉及個體體質和環境因素等諸多方面。其中，氣道高反應性（Airway Hyperresponsiveness，AHR）與氣道炎症因素可能沒有必然的因果關係，從這個意義上可以說哮喘病是一種生物力學病。事實上，如果氣道平滑肌（ASM）的力學生物學特性不發生病理變化，一切其他的病理因素都不是致命的。而肺在實現氣體交換這一基本生命功能的所有環節中都有作用力與應力的參與。因此，氣道平滑肌的生物力學行為在哮喘病的病理機制中扮演著重要的角色。哮喘病發病率的增高趨勢也與患者的過敏性體質導致的易感性和環境因素有關。環境因素主要通過刺激和侵害氣道壁細胞和組織，引發氣道炎症（Airway Inflammation）和組織重構（Airway Remodeling）等哮喘病的病理特.具體來說主要包括各種變應源、刺激性氣體、病毒感染、居住的地區、居室的條件、職業因素、氣候、藥物、運動（過度通氣）、食物以及食物添加劑、飲食習慣、社會因素甚至經濟條件等均可能是導致哮喘病發生、發展的重要原因。

2.慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD）

慢性阻塞性肺疾病是以氣流受限為特徵的，臨床上，患者氣道內的氣流受限不完全可逆且呈進行性發展。氣道重構是慢性阻塞性肺疾病的重要病理特點之一。

3.鼾症力學（Mechanics of Sleep Apnea Syndrome）及阻塞性睡眠呼吸暫停綜合徵（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）

鼾症，學名阻塞性睡眠呼吸暫停綜合徵（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）。上氣道組織增生塌陷形成的咽腔狹窄是造成咽腔呼吸氣流阻塞的一個重要原因，研究鼾症發生、發展過程中的力學機制及採用力學手段防治鼾症具有重要的意義。鼾症力學正是套用力學的原理和方法研究在鼾症發生中人體上氣道結構和力學特性的變化及其防治的方法。具體主要研究：上氣道的解剖結構、氣流動力學、通過實驗和數值模擬得到上呼吸道中氣流分布形式的定量描述、鼾症的治療、醫療器械的最佳化以及個體化設計等。