生理學｜呼吸生理

空氣只會由壓力高處流向壓力低處。吸氣時肺泡內的壓力必須低於大氣壓，呼氣時則相反。肺臟本身沒有骨骼肌，擴張與回縮完全依靠胸壁與橫膈的運動，再透過胸膜腔傳到肺臟。

(1) 四種要分清楚的壓力

胸膜內壓之所以是負壓，是因為肺臟有向內回縮的彈性，胸壁則有向外彈開的傾向，兩股方向相反的力量把密閉的胸膜腔「拉開」。

(2) 吸氣與呼氣的步驟

1. 吸氣：橫膈（diaphragm）收縮下移、外肋間肌收縮使肋骨上舉，胸腔容積增加。胸膜內壓變得更負，肺間壓增加，肺臟被撐大。依波以耳定律（Boyle's law），肺容積增加使肺泡內壓降到大氣壓以下，空氣流入。
2. 平靜呼氣：吸氣肌放鬆，靠肺臟與胸壁的彈性回縮被動完成，不需肌肉收縮。肺泡內壓升到大氣壓以上，空氣流出。
3. 用力呼氣：腹肌與內肋間肌收縮，胸膜內壓甚至可轉為正值。

(3) 氣胸時的壓力變化

氣胸（pneumothorax）是空氣進入胸膜腔。胸膜腔與大氣相通後，胸膜內壓上升到與大氣壓相等，肺間壓下降趨近於 0，撐開肺臟的力量消失，肺臟因自身彈性而塌陷；胸壁則失去向內的拉力而向外彈開。塌陷後肺泡內壓與大氣壓相同，不會持續升高或降低。

(1) 順應性與彈性回縮力

肺順應性（lung compliance）是每單位肺間壓變化所造成的肺容積變化（ΔV/ΔP），代表肺臟「好不好撐開」。彈性回縮力（elastic recoil）則是肺臟擴張後想縮回原狀的力量，兩者方向相反：順應性高的肺容易吹大，但回縮力弱。

肺臟的回縮力來自兩部分：肺組織中的彈性纖維與膠原纖維，以及肺泡內襯液體所產生的表面張力。其中表面張力的貢獻比彈性纖維更大。

(2) 表面張力與拉普拉斯定律

肺泡內表面有一層薄薄的液體，水分子之間互相吸引產生表面張力，使肺泡傾向縮小。依拉普拉斯定律（law of Laplace），肺泡內使其塌陷的壓力 P＝2T／r（T 為表面張力，r 為半徑）。在表面張力相同的情況下，半徑越小的肺泡塌陷壓力越大，氣體會從小肺泡流向大肺泡，小肺泡因此萎陷。

(3) 界面活性劑與第二型肺泡細胞

界面活性劑（surfactant）由第二型肺泡細胞（type II alveolar cell）合成與分泌，主要成分是磷脂質中的雙棕櫚醯磷脂醯膽鹼（dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC），另含界面活性蛋白。其功能如下：

• 降低表面張力：減少肺泡塌陷，讓呼氣末肺泡仍保持張開。
• 穩定小肺泡：肺泡變小時界面活性劑分子排列更密，表面張力下降得更多，抵銷拉普拉斯定律中半徑變小的效應，使大小肺泡能共存。
• 增加肺順應性：吸氣更省力，減少呼吸做功。
• 減少肺水腫：表面張力降低後，把組織液拉進肺泡的力量減小。

深呼吸或嘆氣式的大口呼吸會牽張第二型肺泡細胞，促進界面活性劑分泌；長時間淺呼吸則使分泌減少，術後病人鼓勵深呼吸即與此有關。胎兒約在妊娠後期才大量製造界面活性劑，糖皮質素（glucocorticoid）可促進其成熟。早產兒因第二型肺泡細胞發育不全、界面活性劑不足，肺泡反覆塌陷，造成新生兒呼吸窘迫症候群（neonatal respiratory distress syndrome）。

(4) 呼吸道阻力

依 Poiseuille 定律（Poiseuille's law），氣流阻力與管徑的 4 次方成反比，管徑稍微變窄阻力就大增。氣管與支氣管的解剖分支見呼吸系統單元；功能上要記住：

• 阻力最大處：中型支氣管。最細的細支氣管雖然單支很細，但數量極多、總截面積很大，總阻力反而小。
• 神經調節：副交感神經（迷走神經）釋放乙醯膽鹼使支氣管平滑肌收縮、阻力上升；支氣管平滑肌上的交感神經支配很少，擴張主要靠血中腎上腺素作用於 β2 受體。
• 肺容積的影響：肺容積大時周圍組織把呼吸道向外拉開，阻力較小；用力呼氣時呼吸道受壓，阻力上升。

(1) 四種肺容積與四種肺容量

肺容積（lung volume）是不可再分的基本單位，肺容量（lung capacity）則是兩個以上容積相加。下表數值為健康成年男性的教科書參考值，女性約少 20～25%。

(2) 用力呼氣測試：FEV1 與 FVC

用力肺活量（forced vital capacity, FVC）是最大吸氣後以最快速度盡力呼出的總氣量；第一秒用力呼氣量（forced expiratory volume in one second, FEV1）是其中第一秒呼出的量。正常人 FEV1／FVC 約 80%，臨床常以低於 70% 作為阻塞的指標。

(3) 死腔與肺泡通氣量

每次吸入的空氣中，留在傳導呼吸道（鼻腔到終末細支氣管）而不參與氣體交換的部分稱為解剖性死腔（anatomical dead space），成人約 150 mL。若部分肺泡有通氣卻無血流，這些肺泡也不能交換氣體，稱為肺泡死腔；兩者合稱生理性死腔（physiological dead space）。

• 每分通氣量：潮氣容積 × 呼吸頻率。
• 肺泡通氣量：（潮氣容積－死腔）× 呼吸頻率，才是真正到達肺泡、可交換氣體的量。

例：潮氣容積 500 mL、死腔 150 mL、每分鐘 14 次，每分通氣量為 7,000 mL，肺泡通氣量為（500－150）× 14＝4,900 mL。

由於死腔固定，淺而快的呼吸即使每分通氣量不變，肺泡通氣量也會大幅減少。極端時每次吸入的量只比死腔多一點，結果肺泡通氣不足，造成低血氧與二氧化碳滯留，而不是呼吸性鹼中毒。反之深而慢的呼吸效率較高。

(1) 分壓與氣體擴散

依道耳頓分壓定律（Dalton's law），混合氣體中各氣體的分壓等於總壓乘以其所占比例；乾燥空氣中氧約占 21%，海平面氧分壓約 160 mmHg。氣體溶解於液體的量依亨利定律（Henry's law），與該氣體的分壓及溶解度成正比，所以分壓越高、溶解濃度越高，分壓與濃度並非無關。

氣體交換靠的是單純擴散：氣體分子不斷隨機運動，由分壓高處淨移動到分壓低處，不需能量也不需載體。

(2) 影響擴散速率的因素

依費克擴散定律（Fick's law），通過呼吸膜（respiratory membrane）的擴散速率與下列因素有關：

• 分壓差：差距越大，擴散越快。
• 擴散面積：越大越快；肺氣腫、肺葉切除使面積減少。
• 呼吸膜厚度：越厚越慢；肺水腫、肺纖維化使膜增厚，擴散變慢。
• 氣體溶解度：二氧化碳的溶解度遠大於氧，雖然分子量較大，擴散速率仍約為氧的 20 倍。

(3) 通氣與血流配合（V／Q）

理想的氣體交換需要肺泡通氣（V）與肺血流（Q）互相配合，全肺平均 V／Q 約 0.8。站立時重力使肺尖血流少、V／Q 偏高；肺底血流多、V／Q 偏低。

• V／Q 趨近 0：有血流無通氣，例如呼吸道阻塞、肺塌陷，形同分流（shunt），血液未經氧合即流出。
• V／Q 趨近無限大：有通氣無血流，例如肺栓塞，形同死腔。

(4) 缺氧性肺血管收縮

體循環小動脈在缺氧時擴張，以增加組織供血；肺小動脈則相反。當某區肺泡氧分壓下降（約低於 70 mmHg）時，該處肺小動脈收縮，稱為缺氧性肺血管收縮（hypoxic pulmonary vasoconstriction）。血流因而被導向通氣良好的肺泡，改善 V／Q 配合。若全肺長期缺氧（如高海拔或慢性肺病），廣泛的肺血管收縮會造成肺動脈高壓與右心負荷增加。

(1) 氧的運輸形式

血液中的氧約 97% 與紅血球內的血紅素（hemoglobin）結合，僅極少量直接溶於血漿。每個血紅素分子有 4 個含亞鐵（Fe²⁺）的血基質，可結合 4 個氧分子；每公克血紅素飽和時約可攜帶 1.34 mL 氧。血紅素結合第一個氧後構形改變，使後續的氧更容易結合，稱為協同結合，因此解離曲線呈 S 形。

(2) 氧合血紅素解離曲線

氧合血紅素解離曲線（oxygen-hemoglobin dissociation curve）以氧分壓為橫軸、血紅素氧飽和度為縱軸：

• 平坦區：氧分壓 60～100 mmHg，飽和度變化小；即使肺泡氧分壓略降，動脈血仍能維持高飽和度（正常約 97%）。
• 陡峭區：氧分壓約 60 mmHg 以下，尤其 20～40 mmHg 之間，氧分壓稍降就釋出大量氧，正好對應組織端。靜息時混合靜脈血飽和度約 75%。
• P50：飽和度 50% 時的氧分壓，成人約 26～27 mmHg。P50 升高代表親和力下降（右移），P50 降低代表親和力上升（左移）。

二氧化碳與 H⁺ 降低血紅素對氧親和力的現象稱為波爾效應（Bohr effect）。它的生理意義是：在代謝旺盛的組織，曲線右移使更多氧被釋出；回到肺部後二氧化碳排出、pH 回升，曲線左移又有利於氧結合。

(3) 一氧化碳與血紅素

一氧化碳（carbon monoxide, CO）與血紅素的親和力約為氧的 200～250 倍，是常見氣體中最高者，形成碳氧血紅素（carboxyhemoglobin）。其危害有二：佔據結合位使血液攜氧量下降；同時讓其餘血基質更緊抓氧，使曲線左移、組織更難取得氧。由於溶解在血漿中的氧不受影響，動脈血氧分壓可以正常，屬於貧血性缺氧。二氧化碳與血紅素結合的位置是球蛋白鏈的胺基，而非血基質，不與氧直接競爭；氮氣幾乎不與血紅素結合。

(4) 二氧化碳的運輸形式

碳酸氫根離子的形成發生在紅血球內：

1. 組織產生的二氧化碳擴散進入紅血球，在碳酸酐酶（carbonic anhydrase）催化下與水結合成碳酸（H₂CO₃）。
2. 碳酸解離為 H⁺ 與 HCO₃⁻；H⁺ 由去氧血紅素緩衝。
3. HCO₃⁻ 經由陰離子交換蛋白移出紅血球進入血漿，同時氯離子（Cl⁻）進入紅血球以維持電中性，稱為氯離子轉移（chloride shift）。因此靜脈血紅血球內 Cl⁻ 較多。
4. 到了肺部，反應全部逆轉，HCO₃⁻ 回到紅血球重新形成二氧化碳，擴散進入肺泡排出。

去氧血紅素結合二氧化碳與 H⁺ 的能力比氧合血紅素強，所以在組織端釋出氧的同時能多載走二氧化碳；在肺部與氧結合後則促使二氧化碳釋出，此現象稱為霍爾登效應（Haldane effect），與波爾效應互為一體兩面。

(1) 呼吸中樞

• 延腦：呼吸基本節律的發源地。背側呼吸群主要發出吸氣衝動，經膈神經與肋間神經驅動吸氣肌；腹側呼吸群平靜呼吸時幾乎不活動，用力呼吸時參與吸氣與呼氣。
• 橋腦：呼吸調節中樞（pneumotaxic center）限制吸氣時間、使呼吸變快；長吸中樞（apneustic center）則延長吸氣。
• 牽張反射：赫鮑二氏反射（Hering-Breuer reflex）由肺內牽張受器經迷走神經傳入，在肺過度擴張時終止吸氣。

(2) 中樞與周邊化學受器

二氧化碳可自由穿過血腦障壁，進入腦脊髓液後形成 H⁺ 刺激中樞化學受器；血中的 H⁺ 本身則不易通過。慢性二氧化碳滯留的病人，中樞化學受器反應逐漸變鈍，呼吸驅動較依賴低血氧刺激周邊化學受器。

(3) 高海拔的呼吸調適

高海拔大氣壓低，吸入氣氧分壓下降。身體的調適如下：

1. 立即：低血氧刺激周邊化學受器，換氣增加，二氧化碳被大量排出，造成呼吸性鹼中毒。
2. 數小時至數天：腎臟增加 HCO₃⁻ 排出以代償鹼中毒，換氣得以進一步提高；紅血球 2,3-DPG 增加，曲線右移有利於組織取得氧；腎臟分泌促紅細胞生成素（erythropoietin, EPO）增加。
3. 數週以上：在 EPO 作用下紅血球與血紅素逐漸增加；組織微血管密度與粒線體數目也增加。

(4) 缺氧的分類

(5) 換氣過度與呼吸性酸鹼變化

換氣過度（hyperventilation）是指肺泡通氣量超過身體產生二氧化碳所需，使動脈 PCO₂ 下降。中等強度運動時換氣量雖然大增，但與代謝增加的二氧化碳成比例，PCO₂ 大致不變，稱為呼吸增強（hyperpnea），不屬於換氣過度。所以換氣增加並不等於換氣過度。強烈運動超過無氧閾值後，乳酸堆積使換氣增加超過二氧化碳產量，PCO₂ 下降，此時才屬於換氣過度；過度緊張也是常見誘因。

• 呼吸性鹼中毒：換氣過度使 PCO₂ 下降、pH 上升。常見於焦慮或過度緊張、高海拔、發燒、水楊酸中毒早期。低碳酸血症使腦血管收縮，病人可出現頭暈；游離鈣減少可引起手腳麻刺與抽搐。
• 呼吸性酸中毒：換氣不足使 PCO₂ 上升、pH 下降。常見於慢性阻塞性肺病、呼吸中樞抑制（如鴉片類過量）、神經肌肉無力。

pH、PCO₂ 與 HCO₃⁻ 之間的關係由亨德森-哈塞巴赫方程式（Henderson-Hasselbalch equation）決定；腎臟的代償與代謝性酸鹼異常請見泌尿生理與酸鹼平衡單元。