第四节　气体交换

人体把环境中的O2吸进体内，同时把体内的CO2排到环境中的过程称为气体交换。有内呼吸与外呼吸之分。内呼吸指组织细胞与体液之间的气体交换过程，外呼吸指血液与外界空气之间的气体交换过程，即通常我们所说的呼吸系统的气体交换。肺泡内的气体交换和组织里的气体交换两个过程，它们都是通过气体的扩散作用实现的。

肺泡内的气体交换发生在肺泡与血液之间。当空气进入肺泡后，由于肺泡中氧的含量高于血液中氧的含量，血液中CO2的含量高于肺泡中CO2的含量，所以肺泡中的氧扩散进入血液，血液中的CO2扩散进入肺泡。肺泡内的气体交换使血液中的氧的含量增多，CO2含量减少。这种含氧丰富的血经血液循环到达身体各处。组织里的气体交换发生在血液与组织细胞之间。由于组织细胞不停地消耗氧并产生CO2，因而组织处氧的含量低于血液中氧的含量，CO2的含量高于血液中CO2的含量，氧就由血液扩散进入组织细胞，而组织细胞内的CO2扩散进入血液。这样，组织细胞所需要的样就源源不断地得到补充，产生的CO2则被及时运走（图2-3-4）。

图2-3-4　肺泡与毛细血管气体交换

肺通气血流可以采用放射性核素方法测定，锝标记的通气血流显像。吸入放射性核素锝标记的气溶胶沉积到气道和肺泡内，记录放射性即可显示吸入气体的分布情况。经静脉注入锝标记的聚颗粒白蛋白，白蛋白可进入肺毛细管，测定不同部位的核素即可显示肺血流分布。通气血流比例失调的典型病例为肺栓塞和肺不张。肺梗死中，梗死灶局部血流阻塞，但通气正常，因此比例增大，无效腔明确增大。在肺不张中，局部气流受阻，而血流量正常，比例几乎为0，静、动脉血分流量明显增高。

人体有效的肺换气功能取决于肺泡各部位通气与血流的比例均衡、弥散功能的良好。如果出现静脉血未经肺泡气氧合即进入左心房的静、动脉分流，就会出现顽固性低氧血症，而CO2分压（PCO2）可以是正常的。因此，通气血流比例对于完成肺的气体交换具有重要的意义。正常的气体交换，要求吸入气体和相应的血液循环均匀地分布于每个肺泡，静息状态下，成人VE为4L，肺循环血量5L，故通气血流比例为0.8。无论比值增大还是缩小，都妨碍了有效的气体交换，可导致血液缺氧和CO2潴留，但主要是缺氧。动静脉血液之间PO2远大于PCO2之差，所以动静脉短路时，动脉血PO2下降的程度大于PCO2升高的程度；CO2的扩散系数是O2的20倍，所以CO2扩散较O2为快，不宜潴留；动脉血PO2下降和PCO2升高时，可以刺激呼吸，增加VA有助于CO2的排出，却几乎无助于O2的摄取（这是由氧解离曲线和CO2解离曲线的特点所决定的）。

V／Q<0.8表明通气量显著减少，见于慢性气管炎，阻塞性肺气肿。

肺的弥散是指O2和CO2通过肺泡及肺毛细血管壁在肺内进行气体交换的过程。弥散功能是换气功能中的一项测定指标。用于评价肺泡毛细血管膜进行气体交换的效率。气体分子由高分压向低分压区域转移的过程，称为气体弥散。肺内气体弥散主要包括O2和CO2的弥散。分三个步骤：气相弥散、膜相弥散和血相弥散。弥散途径包括了肺泡气、肺泡毛细血管壁、肺毛细血管内血浆、红细胞及血红蛋白。气体沿着这个途径，根据哪一端的浓度较高进行交换，所以这个过程可以是双向的。O2的弥散速度比CO2要慢得多，这是因为O2不易溶解在体液里。因此，当患者弥散功能发生异常时，O2的交换比CO2更易受影响，在临床上肺弥散功能的障碍可明显影响动脉血氧水平。

气体在单位时间（1分钟）及单位压力差（1kPa）条件下，通过肺泡毛细血管膜的量，称为该气体弥散量（DL）。氧的弥散速度比CO2要慢得多，这是因为氧不易溶解在体液里。因此，当患者弥散功能发生异常时，氧的交换要比CO2更易受影响，在临床上肺弥散功能的障碍可明显影响动脉血氧水平。气体的分子量和溶解度质量轻的气体扩散较快。在相同条件下，各气体扩散速率和各气体分子量（MW）的平方根成反比。溶解度（S）是单位分压下溶解于单位容积的溶液中的气体的量。一般以1个大气压在38℃时，100ml液体中溶解的气体毫升数来表示。气体的溶解度与分子量的平方根之比为扩散系数（diffusion coefficient），取决于气体分子本身的特性。CO2的扩散系数是O2的20倍，主要是因为CO2在血浆中的溶解度（51.5）约为O2（2.14）的24倍的缘故，虽然CO2的分子量（44）略大于O2（32），扩散面积和距离扩散面积越大，所扩散的分子总数也越大，所以气体扩散速率与扩散面积（A）成正比。分子扩散的距离越大，扩散经全程所需的时间越长，因此，扩散速率与扩散距离（d）成反比。温度扩散速率与温度（T）成正比。在人体，体温相对恒定，温度因素可忽略不计。

临床上测定O2的弥散功能较困难，多以CO进行DL的测量。CO作为标示气体，有很多优点，通过肺泡毛细血管膜的速率与O2相仿，除大量吸烟者体内CO几乎含量为0，便于计算测试时的CO摄取量。CO与HB的结合力比O2大210倍，在生理范围内的不是一个主要的干扰因素。

弥散功能测定方法主要有一口气法和重复呼吸法。一口气法使受试者呼气至残气位，然后吸入混合气（0.3% CO、10% He、20% O2和N2）至肺总量位，屏气10秒再呼气，用气相色谱仪分析呼出气的CO和He气体浓度。重复呼吸法是指受试者呼气平稳后，自气体储存袋中重复呼吸混合气体，共30秒~1分钟，呼出气He浓度稳定后，仪器测定计算出CO的总弥散量。两种方法各有优缺点：一口气法容易操作，但不适合严重气短、FVC<1.0者，易受通气血流分布和肺容积的影响；重复呼吸法准确度高，但操作较困难。

弥散量的影响因素：CO弥散量随年龄增加而减少，与身高和体重呈正相关，在性别方面，男性较女性的弥散量大。弥散量与体位的关系为卧位>坐位>立位，可能与重力对通气血流比例的影响有关，立位是重力最大，分布不匀。运动时弥散量增加，与运动时肺通气和血流量增加有关。体温降低可使CO在肺泡内溶解度增加，但弥散系数、肺血流量和肺血管压力均降低，因此体温明显下降时弥散量减少。高原居民的弥散量较平原地区增高，考虑与遗传因素使出生早期的低氧对肺发育的影响有关。

弥散功能的检测异常通常可见于弥散面积减少：如肺气肿、肺叶切除、肺部感染、肺水肿、肺出血、气胸、脊柱侧弯等。肺泡毛细血管膜增厚：如肺间质纤维化、结节病、石棉肺（石棉沉着病）、硬皮病等。血红蛋白携氧能力下降：如贫血、碳氧血红蛋白症。而弥散功能增加可见于红细胞增多症、心内左至右分流致肺动脉压力增高等。