呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流動(dòng)和擴(kuò)散

根據(jù)E.R.韋貝爾的研究，氣管系的結(jié)構(gòu)如下:每一根支氣管分叉為兩根子支氣管，而每一根子支氣管又作為下一級(jí)的主管，再分叉為兩根子管。韋貝爾根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，做出一個(gè)對(duì)稱的簡(jiǎn)化模型:級(jí)的編號(hào)是以氣管為0級(jí)，主支氣管為第1級(jí),依次類推。 從0級(jí)至第16級(jí)的氣管，統(tǒng)稱為呼吸道,因而第16級(jí)的支氣管稱為終末細(xì)支氣管。從終末細(xì)支氣管起，氣管壁上出現(xiàn)肺泡，這個(gè)區(qū)域稱為呼吸區(qū)。血液與氣體的交換只在這個(gè)區(qū)域中進(jìn)行，而呼吸道則純粹起過道的作用，因而它又被稱為死腔。支氣管總截面積隨級(jí)號(hào)的增大而迅速遞增,相應(yīng)的流速也就很快遞減(見表1)。

表1 氣道的韋貝爾模型數(shù)據(jù)和流動(dòng)參量

從口、鼻到肺泡的總壓強(qiáng)差只有幾個(gè)毫米水柱，因此每一段支氣管的壓強(qiáng)差就更小。要直接測(cè)定這種壓降是困難的。事實(shí)上測(cè)量氣流的速度比測(cè)量壓降要容易些。對(duì)于理想流體的管流，壓強(qiáng)和速度的關(guān)系可用伯努利方程表示:

式中p為壓強(qiáng);v為流速;ρ為流體密度,下標(biāo)1、2分別表示上述各量在管中兩個(gè)不同位置的值。對(duì)于粘性流體,上式各項(xiàng)應(yīng)作相應(yīng)修正。此外，還應(yīng)加上一耗散函數(shù)項(xiàng)。T.J.佩德利等人據(jù)此提出一個(gè)壓降與速度的關(guān)系來間接討論壓降。對(duì)于泊肅葉流(見管流)，其耗散函數(shù)為，式中L為管長(zhǎng);μ為動(dòng)力粘性系數(shù); 為平均流速;Q為流量;S為管截面。當(dāng)考慮入口、管叉和管彎等效應(yīng)時(shí)，可引入修正系數(shù)z，即令:，并將z表示為的形式，式中γ為一系數(shù);Re為雷諾數(shù);d為管徑。根據(jù)在動(dòng)物的呼吸道仿制模型上和在簡(jiǎn)化模型上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，對(duì)Re在100~700間的層流，γ的平均值為0.33。若由上式求得的z值小于1,則不能用，而應(yīng)令z=1。這是因?yàn)樵谒蓄愋偷墓芰髦?泊肅葉流的能量耗散率最小。

口和氣管間的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，M.J.耶格爾和H.馬西斯根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將口至氣管間的壓降表示為:△p=cQa，式中Δp為壓降;a和c為常數(shù)值(見表2)。除了濃度非常高的混合氣體外，指數(shù)a接近于1.5。

表2 耶格爾和馬西斯實(shí)驗(yàn)中一些參量的最佳擬合值

在呼吸道的終端(即第16級(jí))以下，細(xì)支氣管逐漸過渡成呼吸細(xì)支氣管、肺泡管和肺泡。它們的直徑都小于0.05厘米。即使在換氣頻率很高時(shí),Re也總小于1，因此流體在慣性可以忽略不計(jì),氣體的運(yùn)動(dòng)特征是擴(kuò)散,而且還與微血管床中的血液進(jìn)行氣體交換。因?yàn)樾驴諝獾奈牒完惙螝獾暮舫龆纪ㄟ^同一呼吸道，又因?yàn)榉沃械年悮獠豢赡苋颗趴?，故新空氣不可能直達(dá)肺泡。實(shí)際上，在新陳氣體交界處氣體的運(yùn)動(dòng)頗象長(zhǎng)江口的潮水運(yùn)動(dòng)，它們通過擴(kuò)散和湍流混合起來。當(dāng)這種氧和二氧化碳的濃度逐漸變化的混合氣體進(jìn)入愈來愈小的氣管時(shí)，氣體就逐漸以純分子擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)。

呼吸器官中，供應(yīng)血液的是肺循環(huán)系統(tǒng)。肺循環(huán)是指血液由右心室泵入肺動(dòng)脈系，經(jīng)微動(dòng)脈流入毛細(xì)血管床，然后匯入小靜脈，經(jīng)肺靜脈流入左心房的整個(gè)過程。肺循環(huán)的特點(diǎn)之一是，它是一個(gè)低壓系統(tǒng)，肺動(dòng)脈的收縮壓平均為22毫米汞柱，舒張壓平均為4~5毫米汞柱。另一特點(diǎn)是，肺循環(huán)的血流量很大，人體內(nèi)幾乎整個(gè)血量(大約5000毫升)在一分鐘內(nèi)要全部流過肺循環(huán)系統(tǒng)一次。在如此低壓差作用下能保持如此大的流量，說明肺循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)阻力很小的系統(tǒng)。

與肺泡氣體交換的區(qū)域則是微動(dòng)脈和微靜脈之間的毛細(xì)血管床。它與其他一些組織組成肺泡隔膜，隔膜的兩面均暴露在肺泡氣中。當(dāng)空氣進(jìn)入肺泡，血液流經(jīng)微血管床時(shí),由于呼吸膜兩側(cè)的氧存在著較大的分壓差,氣體和血液就進(jìn)行氣體交換。它們必須經(jīng)過肺泡膜、間隙液、毛細(xì)血管壁、血漿、紅細(xì)胞膜、胞漿，并且與血紅蛋白進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在紅細(xì)胞進(jìn)入微血管床時(shí)，氧分壓在正常情況下大致為40毫米汞柱，而肺泡中的氧分壓大致為100毫米汞柱，其間有厚度為0.5微米的呼吸膜隔開，因此立即開始擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)動(dòng)力過程在紅細(xì)胞中的氧分壓接近于肺泡中的氧分壓以前一直在進(jìn)行，正常情況約歷時(shí)1/4秒,此后氧的傳輸就幾乎完全停止。在異常情況下，例如由于肺泡壁的增厚，使擴(kuò)散受阻;或是大氣中氧分壓大大降低，從而降低了擴(kuò)散能力。這樣血液流到微血管的終端就有可能沒有接近肺泡中的分壓值。至于二氧化碳，它在微血管始端的分壓為45毫米汞柱，在肺泡內(nèi)為40毫米汞柱，它的擴(kuò)散能力比氧約大20倍，它從血液中擴(kuò)散到肺泡中并不困難;如果遇到隔膜增厚的那類病態(tài)，擴(kuò)散當(dāng)然就不那么容易了。

馮元楨著:《生物力學(xué)》，科學(xué)出版社，北京，1983。