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呼吸是机体与外界环境之间的气体交换过程，是机体维持正常代谢和生命活动所必需的基本功能之一。呼吸的全过程包含三个环节：①外呼吸，指肺毛细血管血液与外界环境之间的气体交换过程，包括肺的通气和换气两个过程；②气体运输，指氧和二氧化碳在血液中的运输，这是衔接外呼吸和内呼吸的中间环节；③内呼吸，指组织细胞与组织细胞毛细血管之间的气体交换（组织换气）以及组织细胞内的氧化代谢过程。这三个过程相互衔接同时进行。
肺容量代表肺内气体含量的多少，其大小随着胸廓的扩张和回缩而发生改变。平静呼吸时肺扩张和回缩的幅度小，肺容积的变化小，气体交换量少；深呼吸时的变化大，气体交换量大。以下简述肺容积的组成，测定方法及临床意义。
肺容积包括四种基础肺容积和四种基础肺容量（图1-1-9）。基础肺容积指安静状态下，一次呼吸所出现的呼吸气量变化，不受时间限制，具有静态解剖学意义。基础肺容积互不重叠，包括潮气容积、补吸气容积、补呼气容积和残气容积。基础肺容量是由两个以上的基础肺容积叠加组成，包括深吸气量、肺活量、功能残气量和肺总量。
潮气容积（tidal volume，VT）：指平静呼吸时每次吸入或呼出的气体容积。
补吸气容积（inspiratory reserve volume，IRV）：平静吸气后用力吸气所能吸入的最大气体容积。
补呼气容积（expiratory reserve volume，ERV）：平静呼气后用力呼气所能呼出的最大气体容积。
深吸气量（inspiratory capacity，IC）：平静呼气末用力吸气所能吸入的最大气量，为潮气容积和补吸气容积之和。
肺活量（vital capacity，VC）：最大吸气末所能呼出的最大气量，亦称慢肺活量。表示了肺所能最大扩张和最大收缩的幅度，其大小受呼吸肌力、肺与胸廓弹性、气道阻力等因素的综合影响，为深吸气量和补呼气容积之和。
残气容积（residual volume，RV）：深呼气后肺内剩余气体容积。
功能残气量（functional residual volume，FRC）：平静呼气末肺内所含的气量。适当的FRC是维持气体交换，稳定呼吸力学的主要因素。
肺总量（total lung volume，TLC）：最大深吸气后肺内所含总的气体量。
图1-1-9 肺容积示意图
肺容量的测定在检查方法上分为直接检测的肺容量和间接检测的肺容量两大类。可直接检测的肺容量包括VT、VC、IRV、ERV和IC，能够通过肺量计直接测得。需要间接测得的肺容量包括肺量计无法检测的残气量部分，需要通过标记气体分析或体积描计等方法间接换算，包括RV、FRC和TLC。对于不能配合肺功能检查的患者，放射影像或肺核素检测也可用于肺容量的估算。
肺量计可直接检测的肺容量，受试者在平静状态下，无需快速用力，只需最大努力吸气和完全呼气即可测得。需要间接测得的肺容量，检测方法分为两大类：气体稀释法和体积描记法。气体稀释法因为操作简单且经济实用在临床中应用最多，检测常用的标记气体为氦气、氮气和甲烷。用氦气测定的方法有密闭式氦稀释法-单次呼吸法（简称一口气法）和密闭式氦稀释法-重复呼吸法。前者是目前最常用的TLC、FRC、RV测定方法，常与弥散量的检测同时进行。体积描记法检测基于玻意耳定律，即在密闭和恒温的情况下，一定量的气体被压缩或膨胀后其体积会减少或增加，而气压的改变遵从在任何时候压力与体积的乘积保持恒定的规律。体积描记法检测因为设备昂贵、操作复杂，在临床中应用相对较少，但体积描记法评价肺容积是目前已知最准确的方法，特别适用于气道阻塞严重、气体分布不均的受试者。在临床实践中体积描记法测量肺容积和气道阻力必须与肺量计检查结合进行，才能够对受试者的肺功能状态做出全面、准确的评估。
肺活量（VC）表示肺最大扩张和最大回缩的呼吸幅度，其大小受呼吸肌力、胸肺弹性、气道阻力等因素的综合影响。因此，任何影响肺组织扩张和回缩的因素均会影响肺活量。肺活量的应用价值：①限制性通气功能障碍判断：一定程度上可取代肺总量反映肺容积大小。②监测病情：限制性疾病患者VC下降说明疾病加重；反之则说明病情有所改善；慢性阻塞性肺疾病（COPD）急性发作期，VC下降说明存在呼吸肌疲劳，易出现呼吸衰竭；治疗后VC改善说明呼吸肌疲劳得到改善。
功能残气量（FRC）对维持稳定的PaO 2 、PaCO 2 起着非常关键的作用，若没有FRC，PaO 2 和PaCO 2 将会随呼吸发生大幅度波动，从而造成严重低氧和呼吸性碱中毒。临床上FRC减小多见于重症肺炎、急性呼吸窘迫综合征和严重肺水肿，仅靠吸氧难以纠正，往往需要机械通气等高级呼吸支持手段；FRC增加常见于严重COPD和哮喘。此外FRC通常用于反映肺过度充气的状态、判断疾病的严重程度和评估治疗后效果。残气量（RV）临床意义与FRC相似，但在气流阻塞性疾病，其变化幅度更为显著。
肺总量（TLC）的增大或下降皆为异常。理论上TLC是反映限制性通气功能障碍最佳的指标，但由于TLC的测定影响因素多，重复性相对较差，所以常用VC或用力肺活量（FVC）评价限制性通气功能障碍。
残气量占肺总量百分比（RV/TLC）主要反映周围气道的气流阻塞及其程度，升高越明显，阻塞越严重，但应同时结合RV、FRC和TLC的变化，这三者一致升高，则RV/TLC可反映肺气肿的程度。
肺通气是外界大气和肺泡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，呼吸道是沟通肺泡与外界的通道，肺泡是进行气体交换的主要场所，而胸廓的节律性呼吸运动是实现肺通气的动力。呼吸生理学中测定的肺通气功能指标主要包括静息通气量和用力通气量，前者反映静息呼吸时的通气能力，后者反映肺的储备和代偿能力。
气体总是从压力高处向压力低处流动，所以气体进出肺必须在肺泡与外界大气之间存在一定的压力差才能实现。而气体进出肺取决于肺通气动力和肺通气阻力的相互作用。
肺泡气与外界大气之间的压力差是实现肺通气的直接动力。在一定海拔高度，外界大气压力相对恒定，因而在呼吸的过程中，发生变化的只能是肺泡内气体的压力，即肺内压。肺内压在呼吸过程中的变化取决于肺的扩张和缩小，但肺并不具备自主收缩的能力，因此呼吸肌的收缩和舒张引起的节律性呼吸运动是实现肺通气的原动力。
肺通气过程中遇到的阻力可分为弹性阻力和非弹性阻力两类。弹性阻力包括肺弹性阻力和胸廓弹性阻力，非弹性阻力包括气道阻力、惯性阻力和组织的黏滞力。平静呼吸时，弹性阻力约占肺通气总阻力的70%，非弹性阻力约占30%。弹性阻力在气流停止的静息状态下仍然存在，为静态阻力；而非弹性阻力仅在气体流动时才发生，属于动态阻力。肺通气阻力增大是临床上发生通气障碍最常见的原因。
每分钟通气量（minute ventilation volume，MV）指基础代谢状态或静息状态下每分钟呼出或吸入的气量，是呼气潮气量（TV）和呼吸频率（RR）的乘积。
健康成人每次吸气时约500ml空气进入肺部（潮气量），呼气时再把相同容积的气体排出体外。但并不是所有吸入的气体都会到达肺泡进行气体交换，500ml吸入的气体中有约150ml留在肺内有通气但无气体交换的部位，即解剖无效腔（anatomic dead space），除此之外每分钟进入肺泡的气体总量称为肺泡通气量（alveolar ventilation，VA）。进入肺泡的气体也可因为局部通气血流比例（V/Q）失调等原因而不能进行气体交换，该部分肺泡气称为肺泡无效腔（alveolar dead space）。解剖无效腔与肺泡无效腔之和称为生理无效腔（physiological dead space，VD）。健康成人的解剖无效腔和生理无效腔几乎是一样的，但在肺部疾病患者中，由于通气和血流的不匹配可能导致生理无效腔远远大于解剖无效腔。生理无效腔的容积非常重要，生理无效腔越大则需要更大的总通气量才能保证有足够的气体进入肺泡参与气体交换。正常生理无效腔是维持肺泡气容积和动脉血气稳定的重要因素，由于解剖无效腔和功能残气（FRC）的存在，每次呼吸只能使肺泡气获得部分更新，从而减小了肺泡和动脉血气中气体分压的波动。
深吸气至肺总量位，做最大力量、最快速度的呼气至残气位所呼出的气量即为用力肺活量（forced vital capacity，FVC）。呼气至第一秒时所呼出的气量即为FEV1，简称一秒量，FEV1是通气功能评价中最常用也是最重要的指标。FEV1与FVC的比值简称一秒率，为判断阻塞性通气障碍的敏感指标。健康人或限制性通气功能障碍患者由于气道阻力正常，呼出气量的大小基本不受时间的影响，因此FVC与肺活量（VC）相差不大。若为气流阻塞性疾病，用力呼气时发生气道陷闭，不能充分呼出肺内气体，FVC常小于VC。
最大自主通气量（maximal ventilatory volume，MVV）是指受试者在1分钟内最大吸入或呼出的气量，一般实际测定15秒的最大通气量，再换算成MVV。MVV理论上能准确反映受试者的最大通气能力。由于FEV1与MVV有非常好的线性关系，临床上也可用FEV1换算得出：MVV=35×FEV1。凡是影响肺活量的因素均能影响MVV，此外呼吸肌无力及中枢调节障碍也会影响MVV。MVV可用于肺储备能力的判断和指导手术治疗。
吸入或呼出的气体流量（F）随容积（V）变化的关系曲线称为流量-容积（F-V）曲线。临床中应用最多的是尽力吸气末用力呼气时的F-V曲线，称为最大呼气流量-容积（maximal expiratory flow-volume，MEFV）曲线。MEFV曲线是应用最多的代表患者通气功能的曲线，临床上具备非常丰富的信息（图1-1-10）。MEFV曲线的形状和各种参数的大小主要取决于呼吸肌力、胸廓弹性、肺容积、气道阻力对呼气流量的综合影响，反映的主要参数有用力肺活量（FVC），最大呼气流量（PEF），用力呼出25%、50%、75%肺活量的呼气流量（FEF 25 、FEF 50 、FEF 75 ）。MEFV曲线的形态能区分正常与各种异常类型的通气功能障碍（图1-1-11），同时在大气道阻塞时，MEFV曲线也有特异性改变（图1-1-12）。
图1-1-10 正常MEFV曲线及其参数
图1-1-11 正常及各类型通气功能障碍的MEFV曲线表现
注：A.正常MEFV曲线形态；B.阻塞性通气功能障碍；C.限制性通气功能障碍；D.混合性通气功能障碍。
图1-1-12 大气道阻塞的MEFV曲线改变
注：A.胸廓外大气道非固定型阻塞；B.胸廓内大气道非固定型阻塞；C.大气道固定型阻塞；D.一侧支气管不完全阻塞。
通气功能的评价是肺功能评价的基础，对疾病的诊断、鉴别诊断、疗效评估具有重要价值。肺量计是肺功能检查中最常用的仪器，采用肺量计测量呼吸容积和流量，两者可以通过呼吸时间的微分或积分相互转换。通气功能测定指标众多，临床中最常用的是FVC、FEV1、MEFV曲线和MVV。
通气功能的参考值受多种因素的影响，如年龄、身高、体重、性别、种族、体力活动或工种、生存环境、吸烟等，应尽量选取相似人群的参考值方程。正常范围通常为预计方程的95%可信区间，高于这个最低临界值视为正常，此值称为正常值下限（lower limit of normal，LLN）。但由于LIN的计算较为烦琐，实际临床应用中FEV1、FVC、PEF等指标直接以预计值的80%为LIN，低于该值视为异常。
通气功能的评价不仅仅需要评价是否存在通气功能异常，还需要评价异常的类型和程度。各种呼吸系统疾病和神经-肌肉疾病均可导致通气功能障碍。通气功能障碍的类型主要有限制性通气功能障碍、阻塞性通气功能障碍和混合性通气功能障碍，各类的诊断及鉴别见表1-1-2。阻塞性通气功能障碍指气道阻塞引起的通气障碍，原则上以FEV1/FVC的下降为判断标准。限制性通气功能障碍指胸廓扩张受限引起的通气功能障碍，主要表现为肺容量和肺活量的明显下降。混合性通气功能障碍兼有限制性及阻塞性通气功能障碍的表现。肺通气功能障碍程度的分级均依照FEV1占预计值百分比来判断（表1-1-3）。
表1-1-2 各类型通气功能障碍的判断及鉴别
注：-：正常；↓下降；↑上升；？：不明。
表1-1-3 肺通气功能障碍程度的分级
注：LIN为正常值的下限。
肺结核对通气功能的影响取决于病程长短、受累部位及面积等因素。浸润性肺结核病变以浸润渗出为主，限制了病变肺泡的扩张能力，因此早期表现为限制性通气功能障碍，FVC、FEV1、MVV等指标下降，但FEV1/FVC多正常。血行播散性肺结核基本病理改变是增殖性结核结节和渗出性病变，可呈现不同程度限制性通气功能障碍，随着肺结核的病程延长，病变范围进一步扩大，并伴发肺纤维化、肺不张及空洞形成，由于肺组织破坏，使肺泡通气量减少、小气道闭塞甚至支气管狭窄或阻塞，引起通气功能进一步下降，出现限制性为主的混合性通气功能障碍，亦可形成代偿性肺气肿和肺大疱，导致残气量及残气量占肺总量百分比升高。结核性胸膜炎可导致胸膜毛细血管通透性增加和淋巴回流受阻，使液体渗出至胸膜腔压迫肺组织引起限制性通气功能障碍。气管及支气管结核可造成大气道阻塞，导致MEFV曲线的典型改变。
肺通气使肺泡气不断更新，以保持肺泡气氧分压和二氧化碳分压的相对恒定，这是气体交换顺利进行的前提。气体交换包括肺换气和组织换气，这一气体交换的过程依赖各部位肺组织通气血流比例的均衡及弥散功能的良好。任何引起通气血流比例失调和弥散障碍的因素均可影响气体交换的过程。
静动脉血分流是指氧饱和度低的静脉血不经肺泡毛细血管或经过但未进行气体交换，直接汇入肺静脉或左心进入体循环的过程。这种分流可以发生在生理情况下，称为生理性分流；若发生在疾病状况下称为病理性分流，如ARDS的肺泡闭陷区和实变区，可造成患者顽固性低氧血症。
肺泡通气量和肺血流之间的比例为通气血流比例（
），是影响气体交换的重要因素。吸入的气体经各级支气管最终到达肺泡进行气体交换，正常的气体交换要求通气血流的匹配，即肺泡通气量和相应的血液循环均匀地分布到每个肺泡和肺泡毛细血管。健康成人静息状态下，每分钟肺泡通气量约为4L，肺循环血流量约为5L，即
为0.8，这是评价肺气体交换效率的重要标准。
失调，即
明显高于或低于0.8，是临床上导致换气功能障碍和发生低氧血症的最常见原因。当肺血管痉挛或不完全栓塞，造成局部血流灌注量减少，而肺泡通气量相对正常，此时
大于0.8，称为无效腔样效应。气道不完全阻塞、肺泡萎陷等造成局部肺泡通气量不足，但血流灌注相对良好，此时
小于0.8，流经肺泡毛细血管的静脉血未经充分气体交换就进入动脉，称为动静脉分流样效应。人体对
失调有一定的调节能力，当
升高时该区域肺泡的PCO
2
降低，PO
2
升高。低碳酸血症将引起细支气管收缩，从而使通气量减少，
失调改善。反之当
降低时该区域肺泡PO
2
降低，PCO
2
升高，引起毛细血管收缩，使肺泡周围血流灌注减少，
失调改善。
气体分子从高分压向低分压区域转移的过程称为弥散（diffusion）。气体通过被动弥散的方式穿越肺泡壁。肺的弥散功能是指某种气体通过肺泡毛细血管膜（由肺泡上皮及其基底膜、肺泡毛细血管内皮及其基底膜以及2个基底膜之间的结缔组织所构成）从肺泡向毛细血管扩散到血液并与血红蛋白（Hb）结合的能力。在肺泡毛细血管膜中进行气体交换的主要是O 2 和CO 2 。
肺内气体的弥散包括气相弥散、膜相弥散和血相弥散三个连续不断的过程，任何一个步骤出现问题都会引起弥散功能下降，其中膜相弥散和血相弥散是肺内气体扩散过程的主要限速因素。
（1）气相弥散（gaseous phase diffusion）：
O 2 和CO 2 在肺泡内通过弥散实现的转运过程称为气相弥散。正常成人肺泡直径为200μm，从肺泡管到肺泡周围的扩散距离约为500μm，气体扩散在很短的时间内（＜10ms）即可达到平衡，故气相弥散不是肺内气体扩散过程的限速因素。但需要注意的是，肺气肿时，肺泡壁被破坏，形成气肿泡，气体扩散的距离明显增加，气相弥散时间可达300ms以上，此时气体弥散量将受到影响，这就是有些肺气肿患者会出现弥散功能下降的原因。
（2）膜相弥散（membrane phase diffusion）：
O 2 和CO 2 在肺泡毛细血管膜（ACM）两侧的转运过程称为膜相弥散。弥散依靠ACM两侧的分压差驱动，但ACM和气体本身的特性影响弥散的速度。新陈代谢不断消耗O 2 排出CO 2 ，肺泡气与毛细血管血液之间的O 2 分子与CO 2 分子相互弥散，并不断被肺泡气排出体外或经血液循环运输至周边，从而保障换气功能的持续进行。根据Fick定律，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比。扩散量与该截面的面积成正比，与其厚度成反比。健康成人的气-血屏障面积为50～100m 2 ，而大部分区域的厚度只有0.3μm，非常有利于气体弥散。当氧含量低的混合静脉血流经肺泡毛细血管时，肺泡内含量高的O 2 顺浓度差跨越扩散膜，由气相进入液相；反之CO 2 则由液相进入气相。膜相弥散是影响弥散量的最主要因素。
（3）血相弥散（hematic phase diffusion）：
指O 2 从毛细血管壁进入红细胞内和Hb结合，同时CO 2 从红细胞内释放到达毛细血管壁的过程。O 2 分子由ACM进入血浆后，还必须通过红细胞膜、胞浆，最终与Hb结合变成氧合血红蛋白。由于O 2 与Hb的结合非常迅速，红细胞内游离的O 2 很少，因此肺泡、血浆和红细胞间的氧分压梯度得以维持，使得O 2 能够持续不断地从肺泡内向红细胞内扩散；CO 2 从血液到肺泡的扩散亦是如此。O 2 和Hb的结合以及CO 2 的释放皆需要时间，另外血相弥散的速率还受肺血流量、红细胞数量和质量的影响。因此血相弥散亦是肺内气体扩散过程的限速因素之一。
弥散功能指某种肺泡气通过肺泡-毛细血管膜从肺泡向毛细血管扩散到血液，并与红细胞中的Hb结合的能力（图1-1-13）。在肺泡-毛细血管膜中进行交换的气体主要是O 2 和CO 2 。
图1-1-13 肺换气和组织换气示意图
临床需要测定的肺内气体弥散主要为O 2 的弥散，但实际上O 2 弥散量的检测很难实现，因为肺泡毛细血管从动脉端到静脉端的氧分压不恒定，临床检测多用CO代替O 2 进行CO弥散量的测定，再由D L O 2 =1.23×D L CO换算为O 2 弥散量。选择CO作为弥散功能检测气体的原因如下：①CO透过ACM的速率与O 2 相似，能反映O 2 的弥散状态；②除大量吸烟者外，正常人血浆内CO含量几乎为零，通过测定肺泡CO分压即可准确反映ACM两侧的CO分压差；③CO与Hb的结合能力是O 2 的210倍，因此生理范围内的O 2 分压和Hb浓度对D L CO测定几乎没有影响；④CO为扩散限制性气体，扩散速率与肺血流量无明显关系，与O 2 相比能更好地反映扩散膜特性。
根据Fick定律，通过某种组织截面的气体总量与弥散面积、弥散常数和弥散面两侧的气体分压成正比，与弥散面的厚度成反比。即：
。其中
代表气体弥散速率，
K
代表弥散系数，
A
代表弥散面积，
L
代表弥散膜厚度，
P
1
-
P
2
代表肺泡和肺毛细血管中CO的分压差。因此决定气体弥散速率的驱动力为膜两侧的分压差，在压力差恒定的情况下气体弥散速率取决于ACM的特点。由于人类的血气屏障相对复杂，测量弥散面积和厚度无法实现，因此常以肺弥散能力（
D
L
）代替弥散膜的特点，因此公式可改写成
。由于肺泡毛细血管中的CO水平低到忽略不计，因此公式可简化为
。即CO的弥散能力等于每分钟每毫米汞柱的肺泡CO分压所能转运的CO量。
CO弥散的传统测定方法主要有单次呼吸法（single breath method，SB）、恒定状态法（steady state method，SS）和重复呼吸法（rebreathing medthod，RB）。其中临床应用最多的是单次呼吸法。检测方法为受试者呼气至残气位，然后快速吸入含有0.3% CO、10%氦气（或甲烷）、21% O 2 以及N 2 平衡的混合气至肺总量位，屏气10s后呼出。呼气过程中气体中的水蒸气和CO 2 被吸收，连续测定CO浓度，通过公式即可计算出D L CO。
①肺弥散量（D L ）：指单位分压差时（1mmHg或1kPa），每分钟由肺泡或红细胞内经肺泡毛细血管膜弥散的气体容积（ml）。②肺CO弥散量（D L CO）：指单位分压差时，每分钟由肺泡经肺泡毛细血管膜到达红细胞内，与Hb结合的CO容积（ml）。③每升肺泡容积的CO弥散量（D L CO/V A ）：又称比弥散量（KCO），为CO弥散量与肺泡通气量的比值，即单位肺容积的CO弥散量。由于排除了肺容积大小的影响，对不同患者弥散能力的比较更有价值，即健康人D L CO可有较大差异，而D L CO/V A 测定值都是比较接近的。
肺弥散功能检查的结果须与正常预计值相比较，从而判断是否在正常范围，正常范围通常以95%人群可达到的数值为界，即预计方程的95%可信区间，高于这个最低临界值视为正常，此值称为正常值下限（LIN）。但LIN的计算较为烦琐，实际临床应用中D L CO和D L CO/V A 等指标直接以预计值的80%为LIN，低于该值视为异常。
肺弥散功能随年龄的增长而下降，可能与毛细血管床的变化或
离散度增大有关。此外身高、体重、性别的差异都会影响弥散量，是因为这些因素对肺容积的影响从而影响了弥散量。体位的改变亦会影响弥散量，有研究显示卧位较坐位时弥散量增加14%～20%，坐位较站立位增加约13%，可能与肺血流量的增加和
的改善有关。此外，运动、吸烟、高原环境等因素也会对弥散量有所影响。各种能影响肺泡毛细血管膜面积、厚度、弥散能力以及CO与Hb反应的病理因素均能影响弥散量的测定，如肺实质疾病、胸腔及胸廓疾病、气流阻塞性疾病、肺内孤立性病变（如巨大肿块或大疱）、肺切除术后心血管病变、贫血、肺泡出血均可引起肺弥散功能的改变。总之，D
L
CO不仅是反映弥散功能的指标，也是综合反映肺换气的参数。气体分布异常、血流异常和
失调以及动静脉分流均可导致D
L
CO的下降。
肺结核可造成肺泡渗出、支气管狭窄等引起通气血流比下降，或由于空洞形成和肺气肿使毛细血管床破坏而导致死腔增加引起通气血流比升高。此外，如换气面积减少、肺间质纤维化等因素均可导致弥散功能随病变的发展而减退（图1-1-14）。结核性胸膜炎、气管及支气管结核对弥散功能影响较小，D L CO是否下降取决于病变对肺容量的影响，D L CO/V A 通常变化不大。
图1-1-14 扩散膜示意图
气体交换包括肺换气和组织换气，原理是一样的。组织换气是体循环毛细血管中的血液与组织细胞之间的气体交换。其发生的机制和影响因素与肺换气相似，不同的是气体的交换发生于液相介质（血液、组织液、细胞内液）之间，而扩散膜两侧O 2 和CO 2 的分压差随细胞内氧化代谢的强度和组织血流量的多少而改变（图1-1-14）。如果血流量不变而代谢增强，则组织液中的PO 2 下降而PCO 2 升高；如果代谢不变而血流量增加，则组织液中的PO 2 升高而PCO 2 下降。在组织中，由于细胞的有氧代谢，O 2 被利用同时产生CO 2 ，所以PO 2 可降至30mmHg以下，而PCO 2 可达50mmHg以上。当动脉血流经组织毛细血管时，O 2 便顺着分压差从血液向组织液和细胞扩散，而CO 2 则由组织液和细胞向血液扩散，动脉血从而变为静脉血。
血液运送的气体主要包括O 2 和CO 2 。气体在血液中的运输过程即是将肺泡中摄取的O 2 运送至周边组织，同时把组织中代谢生成的CO 2 运送至肺泡呼出。O 2 和CO 2 均以物理溶解和化学结合两种形式进行运输。
O 2 在血液中有两种运输方式：溶解于血液和与血红蛋白结合。
（1）O 2 的溶解：
根据Henry定律，气体溶解的量取决于气体分压。每1mmHg的氧分压可以使0.003ml的O 2 溶解在100ml血液中，因此每100ml动脉血（氧分压100mmHg）含有0.3ml O 2 ，而在剧烈活动的情况下，组织耗氧量高达3000ml/min，显然仅仅依靠O 2 在血液中的溶解来运送O 2 远远不能满足机体需求。
（2）O 2 与Hb结合：
O 2 的另一种运送方式即是与Hb结合。Hb是红细胞内负责运输O 2 的特殊蛋白质，由亚铁血红素和包含4个肽链的珠蛋白组成。O 2 很容易与Hb形成可逆的结合，每个Hb有4个亚铁血红素位点可以结合O 2 。Hb可以结合的最大氧量称为氧容量，此时Hb的所有可结合的位点都已经被O 2 分子占据。1g纯Hb可以与1.39ml O 2 结合，若按照正常成人体内Hb正常值为150g/L计算，100ml血液中氧容量约为20.8ml。氧饱和度是Hb实际结合O 2 的位点占总位点的百分比，即：O 2 与Hb结合量/氧容量×100。动脉血（PO 2 =100mmHg）中的氧饱和度约为97.5%，而静脉血（PO 2 =40mmHg）中的氧饱和度约为75%。
（3）氧解离曲线：
以PO 2 为横坐标，相应的血氧饱和度为纵坐标描绘出的曲线称为氧解离曲线（oxygen dissociation curve），简称氧离曲线（图1-1-15），是表示氧分压与血氧饱和度关系的曲线。该曲线即表示不同PO 2 时，O 2 与Hb 的结合情况。氧离曲线的形态具有重要的生理意义。
图1-1-15 不同氧饱和度下的氧解离曲线
（4）氧离曲线的特点及其意义：
氧离曲线的上段，相当于氧分压为60～100mmHg，是氧化血红蛋白结合O 2 的部分。该段曲线较平坦，表明PO 2 的变化对氧饱和度影响不大。这就解释了为何通气血流不匹配时，肺泡通气量的增加几乎无助于O 2 的摄取；反之，使PO 2 下降到70mmHg，氧饱和度却下降不多，约为94%。因此，即使吸入气或肺泡气PO 2 有所下降，如在高原、高空或某些呼吸系统疾病时，只要PO 2 不低于60mmHg，氧饱和度仍能保持在90%以上，不致发生明显的低氧血症。氧离曲线的中段较陡，相当于PO 2 为40～60mmHg，是氧化血红蛋白释放O 2 的部分。40mmHg的PO 2 相当于混合静脉血的PO 2 ，此时Hb氧饱和度约为75%，血氧含量约14.4ml，即每100ml血液流过组织时释放了5ml O 2 。血液流经组织液时释放出的O 2 容积所占动脉血O 2 含量的百分数称为O 2 的利用系数，安静时为25%左右。以心输出量5L计算，安静状态下人体每分钟耗氧量约为250ml。氧离曲线的下段是坡度最陡的一段，相当于PO 2 为15～40mmHg，也是氧化血红蛋白与O 2 解离的部分，即PO 2 稍下降氧饱和度就可显著下降。在组织活动加强时，PO 2 可降至15mmHg，与血红蛋白结合的O 2 进一步解离，氧饱和度降至更低水平，这样每100ml血液能供给组织15ml O 2 ，氧的利用系数提高到75%，是安静时的3倍，该段曲线代表O 2 的贮备。
H + 浓度、PCO 2 、温度、红细胞内2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）的增加会使氧离曲线右移，O 2 与Hb的亲和力下降，反之曲线左移。氧离曲线右移意味着在特定PO 2 下组织毛细血管可以释放更多的O 2 ，如在运动时肌肉产酸、产CO 2 、温度升高，这些情况有利于毛细血管释放更多的O 2 给组织利用。红细胞内环境也可以影响氧离曲线，2，3-DPG是红细胞的代谢终产物，可在慢性缺氧的状态下增加，这有利于O 2 的解离。
（5）评价指标：
O 2 的运输障碍可导致机体缺氧。许多因素均可影响O 2 的运输，即影响Hb与O 2 的结合或解离。氧离曲线的位置发生偏移意味着Hb对O 2 的亲和力发生了变化，通常用P 50 来表示Hb对O 2 的亲和力。P 50 是使Hb氧饱和度达到50%时的PO 2 ，正常约为26.5mmHg。P 50 增大时氧离曲线右移，表示Hb对O 2 的亲和力降低；P 50 下降时氧离曲线左移，表示Hb对O 2 的亲和力增加。氧离曲线上有3个点对估测某给定PaO 2 大致对应的血氧饱和度帮助很大，分别是正常动脉血PO 2 100mmHg对应的氧饱和度（SO 2 ）为97%，正常混合静脉血PO 2 40mmHg对应的SO 2 为75%，而SO 2 为50%时动脉血PO 2 为27mmHg即P 50 。P 50 常用来衡量氧离曲线位置。
CO 2 的运输对血液和整个机体酸碱状态的平衡调节有重要的作用。CO 2 在血液中以3种形式存在：5%以物理溶解的形式运输，其余约95%以化学结合的形式运输，化学结合的形式主要是碳酸氢盐（约88%）和氨基甲酰血红蛋白（约7%）。
CO 2 的溶解与O 2 一样遵循Henry定律，但CO 2 的溶解度是O 2 的24倍，因此溶解的CO 2 在运输中起重要的作用，碳酸盐反应是CO 2 排出的主要来源。碳酸氢盐以如下形式存在于血液中：CO 2 +H 2 O⇌H 2 CO 3 ⇌H + +HCO 3 - 。反应的第一步依靠红细胞内碳酸酐酶的催化，反应的第二步碳酸氢盐迅速解离，无需催化，当这些离子在红细胞内浓度升高，HCO 3 - 就顺梯度向外弥散。氨基甲酰化合物是CO 2 与血液中蛋白质末端的氨基结合形成的。其中最主要的是与血红蛋白中的珠蛋白形成氨基甲酰血红蛋白。此反应无需催化酶而迅速发生，还原Hb比HbO 2 更易与CO 2 结合形成氨基甲酰血红蛋白，因此外周毛细血管内氧解离后Hb易于与CO 2 结合。动脉血中总CO 2 的浓度5%取决于CO 2 的溶解，90%取决于HCO 3 - ，5%取决于氨基甲酰化合物。动-静脉CO 2 的浓度差10%取决于CO 2 的溶解，60%取决于HCO 3 - ，30%取决于氨基甲酰化合物。CO 2 的解离曲线（图1-1-16）与氧离曲线相比更接近于线性，比氧离曲线更陡直，这就是为什么动脉血和静脉血PO 2 的差异很大（大约60mmHg），而PCO 2 的差异很小（5～7mmHg）。
图1-1-16 不同氧饱和度下的CO 2 解离曲线
正常的呼吸循环受复杂的机制所调控。呼吸的节律控制起源于脑干，通过延髓的神经元、更高级的呼吸中枢和很多系统性感受器以及反射器进行调节，这些不同的结构作为一个整体，根据人体气体交换的需求，精确地调控呼吸的频率和深度。以下介绍呼吸调节的基本生理机制。
动物实验表明，切除延髓下面的脑干部分将中止所有的呼吸运动。但仅切除脑桥上的脑干部分，呼吸节律仍然可以保持。延髓有几个分散的呼吸相关神经元区域，包括延髓的背侧呼吸组（dorsal respiratory groups，DRGs）和腹侧呼吸组（ventral respiratorygroups，VRG）。
背侧的神经元主要为吸气神经元，分布在两侧。这些神经元发放膈肌、肋间外肌的驱动信号，提供吸气的神经冲动。
腹侧呼吸组神经核团分别位于延髓腹侧的两边，既包括吸气神经元，也包括呼气神经元。部分吸气神经元通过迷走神经传导神经冲动控制咽喉部的肌肉，舒展声带和扩张声门。另一部分腹侧吸气神经元传导到膈肌和肋间外肌的神经冲动；还有一些呼气神经元主要控制呼气的形式，传导神经冲动到肋间内肌和腹部的呼气肌。
基础呼吸节律的准确起源目前尚不明确，两大主流呼吸节律产生的理论分别为起搏器假说和网络假说。前者认为延髓的某些特定细胞有内在的起搏属性，即自激特性，这些细胞驱动着其他延髓细胞。而网络假说认为，呼吸的节律性是分散在腹侧呼吸组前端的神经元（包钦格复合体和前包钦格复合体）相互作用的结果。该假说认为特定的吸气和呼气神经元是相互抑制的，并且有一定的自限性，神经元发挥作用的时间越长，应答能力则逐渐降低。但目前这两种假说均没有准确的证据，因此呼吸节律产生的精确机制尚待阐明。
如果脑干的延髓以上部位被切除，自发的呼吸形式仍然会存在。脑桥并不会促进节律性呼吸，其主要对延髓发出的指令进行调节，包括2个主要的神经核团：①长吸中枢；②呼吸调节中枢。它们的相互作用机制目前仍不清楚，但两者共同作用以控制吸气的深度。
长吸中枢的定义并不十分清晰，因为其存在和功能只有在与高一级的呼吸调节中枢和迷走神经相互作用时才能被证明，即其功能可以被呼吸调节中枢和迷走神经所抑制。其传出冲动可以延长吸气时间，减慢呼吸频率，从而产生更深、更长的吸气动作。
呼吸调节中枢在脑桥上部的两侧神经元组，负责结束吸气，从而控制吸气时间。如果该部位神经信号加强会加快呼吸频率，减弱则会延长吸气时间，增加潮气量。
由大、小气道上的平滑肌牵张感受器所产生。当肺扩张时，这些感受器发放抑制信号，通过迷走神经传递到背侧呼吸组神经元，使得吸气停止。因此在静息状态下，该反射并不是重要的调控机制。当机体进行剧烈运动时，其在调节呼吸频率和深度方面发挥重要作用。
突然的肺部萎陷会引起强烈的呼吸努力，这一点可能是肺牵张感受器的活动减弱，或激活了其他感受器。虽不清楚哪些感受器参与，但可以肯定迷走神经是通路的传递路径，效应是呼吸增强。
在运动时可以帮助维持大的潮气量，还可能与静息状态下的周期性叹气式呼吸有关。周期性叹气可防止肺泡塌陷和肺不张。另外，Head's反射可能与新生儿的第一次呼吸有关。
刺激感受器按照刺激适应的快慢分为两类：快适应感受器和慢适应感受器。快适应感受器（rapid adaptive receptor，RAR）位于具有迷走神经感觉神经纤维大的传导性气道的上皮细胞中。无论是吸气刺激或机械因素，RAR的激活会导致支气管收缩的反射，包括咳嗽、打喷嚏、呼吸急促以及缩窄声门。部分反射还包括感觉和运动迷走神经成分，因此又称作经迷走神经的反射。这些反射是发生喉痉挛、咳嗽以及心跳减慢的原因。气管插管、气道内吸引以及支气管镜会很容易引发这些迷走反射。
C纤维位于肺泡壁和支气管壁上，其支配的感受器为化学敏感性感受器，因其临近毛细血管，因此取名肺毛细血管旁感受器（Juxtacapillary Receptor，J-receptor）。肺泡的炎症过程如肺炎，肺血管充血如充血性心力衰竭，以及肺气肿均会刺激这些感受器，导致浅快呼吸，患者会感到呼吸困难，呼气时声门缩窄。
肌肉、肌腱、关节等处的本体感受器以及皮肤和肌肉的痛觉感受器，传递刺激信号到延髓的呼吸中枢。这类刺激会增强延髓的吸气活动，导致过度通气。因此，活动肢体和皮肤触碰冷水，以及其他一些痛觉感受均会刺激呼吸抑制患者的通气。肌肉和肌腱部位的本体感受器在发起和维持增强的运动起始呼气中起到了重要作用。在麻醉的动物和未被麻醉的人体，围绕关节作被动的肢体运动均能增加呼吸的频率。
肌梭是肌肉中的牵张感受器，接受肌纤维的牵拉刺激，反射性地引起呼吸运动增强。膈肌和肋间肌中的肌梭作为反射弧的一部分，帮助机体在负荷时加强呼吸。因此，肌梭的临床意义在于使机体能够随着呼吸肌负荷的增加而相应地加强呼吸运动。
人体血液中的O 2 、CO 2 以及H + 通过肺部的通气换气始终维持平衡。生理机制下，有很多监测这些化学物质的感受器，称之为化学感受器。高碳酸血症、低氧血症均会刺激这些感受器，传递相应的神经信号来调节通气。化学感受器分为中枢化学感受器和外周化学感受器，分别位于延髓、主动脉弓以及颈动脉体，对H + 的浓度进行反应。
H + 对延髓两侧的反应性化学感受器神经细胞的刺激最大（而并非CO 2 分子）。因此，这些中枢性化学感受器对CO 2 的敏感性是间接的，即不直接对CO 2 的浓度进行反应。化学感受器并不直接和动脉血接触，而是在脑脊液中，通过血脑屏障与血液隔离。该屏障隔绝了H + 和HCO 3 - ，但CO 2 却可以自由通过。当动脉CO 2 分压升高时，CO 2 快速通过血脑屏障弥散到脑脊液中。在脑脊液中，CO 2 与H 2 O反应生成H + ，H + 在脑脊液中浓度增加，刺激中枢性化学感受器，从而进一步刺激延髓的吸气神经元。这样，CO 2 的浓度变化间接调节了肺的分钟通气量。CO 2 浓度升高造成脑脊液中H + 浓度上升是即时的，而引起通气量变化的过程仅需几秒。动脉CO 2 分压（PaCO 2 ）约升高1mmHg，通气量便会增加2～3L/min。然而，慢性CO 2 升高对中枢化学感受器的效应在1～2天内会递减，因为肾脏会因呼吸性酸中毒而减少碳酸氢盐的排出，从而调节血液pH趋于正常。而多的碳酸氢盐最终也弥散到脑脊液中，使得H + 浓度下降，脑脊液pH正常，从而减轻了CO 2 对中枢化学感受器的刺激效应。因此，CO 2 对中枢化学感受器的影响在1～2天的机体适应期后会逐渐减弱。
外周化学感受器很小，血管上的结构有主动脉体和颈动脉体。颈动脉体在颈总动脉分支处的两侧，主动脉体在主动脉弓的位置。无论H + 来源于酸的累积还是PaCO 2 升高，只要动脉血H + 浓度升高便会刺激外周化学感受器，颈动脉体的神经冲动通过舌咽神经传导到延髓，主动脉体通过迷走神经传递到延髓。颈动脉体比主动脉体的影响更大，尤其是在低氧和高碳酸血症时。
通常认为，颈动脉体能够感受动脉氧分压降低，因此可以独立调节因低氧血症导致的呼吸驱动增加。虽然外周化学感受器在低氧时发放神经冲动更频繁，但这是因为低氧导致其对H + 更加敏感。低氧血症时，颈动脉体对H + 变化的敏感性增加，相反，氧分压过高时颈动脉体对H + 的敏感性降低。由于外周化学感受器所在部位的血流速度非常快，因此颈动脉体对动脉氧分压降低有反应，而不是对动脉血氧含量有反应。这也是为什么动脉氧分压不变而血氧含量变化不会刺激机体通气量增加，如贫血、CO中毒等情况。
颈动脉体对于一定的PaCO 2 的反应性没有中枢化学感受器强。外周化学感受器占高碳酸血症引起的通气反应的20%～30%。但是，它们对H + 的升高比中枢化学感受器更加敏感，这是因为其直接暴露于动脉血中。因此，即使H + 很难通过血脑屏障，代谢性酸中毒引起的最初通气反应也非常快。前面已经提到，由于低氧只对外周化学器产生刺激，即提高它们对H + 的敏感性，进一步影响CO 2 ，因此可以推断：①高PaO 2 导致外周化学感受器对CO 2 的敏感性下降；②低PaCO 2 导致外周化学感受器对低氧的刺激反应性降低。当同时存在低氧和高碳酸血症时，则会最大程度地刺激外周化学感受器，此时这两种刺激表现为协同作用。
PaCO 2 突然增加会导致通气立即增加，这是因为CO 2 能迅速通过血脑屏障弥散到脑脊液中，导致H + 升高，对中枢化学感受器形成刺激。另一方面，CO 2 逐渐升高持续一段时间（比如严重COPD），将会启动肾脏的代偿功能，减少碳酸氢盐排出，从而维持血液和脑脊液pH在正常范围内。因此，即使此时PaCO 2 浓度很高，但脑脊液中pH相对正常，也不会刺激中枢化学感受器对通气量的影响。这一点很好地解释了为什么慢性高碳酸血症的患者通气量并没有增加；严重的COPD患者，同时存在低氧和高碳酸血症的情况下，不适当的氧疗将提高PaO 2 ，进一步降低机体对H + 的反应性，降低通气量，加重病情。这种情况可能需要更高级的呼吸支持手段，如正压通气。
一定强度的运动会增加CO 2 的产生和O 2 的消耗，可达到静息状态的20倍之多。但运动致通气量增加的明确机制并不完全清楚，尤其是运动初始阶段，机体还未出现任何化学性和体液性的改变时，通气量即开始突然增加。针对该现象，目前有两个主流的理论：①当大脑运动皮质层传递神经冲动到运动肌肉时，同时也传递了神经冲动到延髓呼吸中枢；②运动肢体会刺激本体感受器，从而传递神经冲动到延髓呼吸中枢。也有证据表明，突然增加的运动起始通气量，是一个机体自我学习后的反应。重复多次这样的经历后，大脑会自动获得运动后通气需求增加以维持正常血气的反射。
异常的呼吸形式包括陈施呼吸、比奥呼吸、长吸呼吸、中枢性低通气以及过度换气。陈施呼吸的呼吸频率和潮气量逐渐增加又逐渐减弱至呼吸暂停，并持续数秒。然后，潮气量和呼吸频率又逐渐增加，重复上述过程。这种呼吸形式通常发生于心输出量低下的患者，如充血性心力衰竭。另外，陈施呼吸在大脑损伤时也会出现，尤其是呼吸中枢损伤，便会对PCO 2 的变化过度反应。比奥呼吸与陈施呼吸类似，但潮气量不变。常见于颅内压升高的患者，但目前其机制尚不清楚。长吸呼吸的出现，表明有大脑脑桥的损伤。中枢神经性过度换气常常由异常的神经刺激引起，与中脑和脑桥上部损伤有关，导致因素通常包括头部创伤、严重脑缺氧或者脑缺血。相反的，中枢神经性低通气是因为呼吸中枢不能对刺激如CO 2 升高产生相应的通气反应，同样也和头部创伤、脑缺氧有关，类似情况还可能出现在麻醉药物抑制呼吸中枢时。
呼吸调节机制中无论任何环节发生异常，皆会导致以通气量变化为特征的呼吸调节异常。临床中常用的检测指标为通气应答和0.1秒口腔闭合压（P 0.1 ）。这两项指标不仅能单纯地反映呼吸中枢对低氧及高二氧化碳的感受性和通气驱动水平，且能反映肺本身或者肺以外原因所引起的气体交换障碍等对通气应答值的影响。
一般指低氧及高二氧化碳通气应答，两者的要求分别是控制其他因素不变，在PaO 2 下降、PaCO 2 上升时，定量检测每分钟通气量（minute ventilation volume，MV）的变化，以评价呼吸的化学调节功能。即以MV的变化幅度表示其对低氧和高二氧化碳刺激的化学感受性。通气应答的检测方法主要有恒定状态检测法、单次呼吸检测法和累进重复呼吸法，其中累进重复呼吸法是最常用的方法。正常人的通气应答值有较大的个体差异，但作为个体却长期保持不变，且在各种疾病中作为病理因素起作用，因此判断通气应答检测结果正常或异常应与其基础疾病相结合进行分析。
受试者预先不知道的情况下突然阻断气道（一般在平静呼气末），在第二次吸气开始后0.1秒所产生的口腔负压为P 0.1 ，该压力综合反应呼吸中枢和神经-肌肉的功能。在呼吸传出神经和呼吸肌收缩功能正常的情况下，可较好地反映呼吸中枢的驱动能力。P 0.1 的正常范围为1～2 cmH 2 O。相对而言，P 0.1 较通气应答的稳定性更好，临床应用更多。
（曹 璐 陈一冰）