第1章肺与胸壁的力学特征
AshokP.Sarnaik
肺与胸壁的力学特性决定了肺内空气与大气之间的交换。众所周知，气体的移动是需要压力梯度的，只要肺与大气之间的通路是完整的，那么气体一定会顺着压力梯度以一定的流速(L/mrn），从压力高的一边流向压力低的一边，直到两侧的压力相等，气流才会停止。这种压力平衡不会瞬间达成，它需要一定的时间。如果这种时间过短，则会妨碍压力的平衡，从而导致肺内气体容量的潜在变化。气道阻力会阻止气体的流动，而肺特有的弹力特质，则会阻止肺内气体容积的扩张。
一、肺的体积和容量
同压力一样，对肺的体积和容量的理解至关重要，因为它关乎我们去理解肺在正常生理状态及病理状态下的不同特质（图1.1）。潮气量（tidal volume，TV）是在平静呼吸时每一次吸入或呼出的气体量。在健康人平静自主呼吸的情况下，潮气量是6～8ml/kg。潮气量能让我们吸入足够的新鲜空气，并呼出体内的二氧化碳。在平静呼气末，仍然有一部分气体无法呼出体外，这一部分气体称为功能残气量（functional residual capacity，FRC）。功能残气量的测量可以通过胸腔体积变化描记法来测量，也可以通过氦气稀释法来测量。在呼吸的时候，功能残气量在肺泡内气体和肺内毛细血管之间扮演着一种类似“气性夹板”的角色，撑住肺泡及小气道，有利于气体在肺内交换。在一些病理状态下，各种原因所导致的肺顺应性下降，会使功能残气量明显下降，从而导致患者的氧合下降。呼气末正压（positiveend-expiratory pressure，PEEP）能够帮助患者保留呼气末的肺泡内容积，提高功能残气量，从而改善患者的氧合。残气量（residua volume，RV）指在用力呼气（或*大呼气）末，仍残留在肺内的气体。功能残气量与残气量之间的差异，称为补呼气量（expiratory reserve volume，ERV）。深吸气量(inspiratorycapacity，IC）指在平静呼气末后，用力吸气能吸入的*大气体量。肺总容量（total lung capacity，TLC）则指在*大吸气后肺内气体的总容量（潮气量+补吸气量+功能残气量+残气量+解剖死腔）。闭合容量（closing capacity，CC）指在平静呼气的过程中，肺内小气道开始闭合后，存留在肺内的气体量（相当于一部分补呼气量+解剖死腔）。闭合容量无法用普通的肺容积测量方法测得，只能用一些特定气体稀释法来进行测量。健康的儿童及成人，闭合容量远低于功能残气量，意味着在平静潮式呼吸下，所有的气道都是开放的。然而，在一些肺内阻塞性疾病，或者新生儿群体，他们往往在呼气时还没呼到只剩功能残气量的时候，一些依赖型气道（需要依赖功能残气量才能保持开放的气道）就开始关闭了。而当这种情况发生的时候，就意味着闭合容量将有可能会超过功能残气量。当闭合容量大于功能残气量的时候，就意味着有可能产生肺内气体陷闭（air trapping），从而产生一个将肺泡内气体往外推的压力，将气体从血液灌注多的依赖型气道推向血液灌注少的非依赖型气道（没有换气功能的较大气道），导致通气/血流失衡，使患者的氧分压下降。
二、压力
虽然大气压力为760mmHg或1000.33cmH2O，然而，就呼吸力学而言，与肺内压力作比较时，我们通常把大气压力视作0cmH:0。在自主呼吸的吸气相，空气是由于胸膜腔内产生的负压将空气“吸”入肺泡，而在正压通气时则完全相反，呼吸机产生高于肺泡内压的气流，从而把空气“压”入肺泡。由于对压力及压力差的命名缺乏统一性，所以为了方便讨论，在本书中，我们对压力的术语学列表如图1.2所示。
自主呼吸时，近端的气道压（proximal airway pressure，PAW），或称为气道开口压，在口部测量。如患者在进行呼吸支持时，Paw则通过呼吸机测量。在无创呼吸支持时，在患者-呼吸机接口处测量；在有创机械通气时，则在气管内管Y形枢纽处测量。在患者自主呼吸时，经口测量到的Pw与大气压或者患者体表承受的气压相同，也就是0cmHp。而在机械通气时，患者的Paw则是由机器的压力传感器在呼吸的不同时相所测得的压力。肺泡压（alveolarpressure，Palv）是通过在吸气相和呼气相的阻断方法推断出来的，具体做法是在呼气相或者吸气相，当测量到气体的流速减为0的时候（意味着此时Paw等于Puv），测定近端气道内的压力。胸膜腔内压（intrapleural pressure，Ppl）不能在临床中直接测得，而是通过在食管远端放置气球来测定食管内压（esophageal pressure，Pes），从而推断出。
三、压力梯度
跨气道压（transairway pressure）指PAW与PAW之间的压力差，也就是大气压与肺泡压之间的差值，是驱动气体吸入或呼出的动力，用于计算气道阻力（压力/流量）。经胸壁压力差，或称为跨胸压（transthoracicpressure），等于大气压与胸膜腔内压之间的差值（Patm—Ppl），是胸壁在呼吸运动中所承受的压力。而如前所述，胸膜腔内压则用食管内压PES来代替。跨肺压（transpulmonary pressure）是肺泡内压与胸膜腔内压之间的压力差（PpL—Palv），是维持肺泡张力的主要因素，也是机械通气中肺泡在膨胀和萎陷的过程中所承受的剪切力的来源。跨肺压和跨胸压的测量，可以将肺-胸联合力学划分为单*的胸壁和肺泡成分。
四、肺泡表面张力
肺泡表面衬有一层液体膜，形成一种特有的空气-流体界面，用于气体交换。所有的肺泡都相互联通并与大气相通。维持肺泡开放的压力可以通过拉普拉斯方程（Laplace law）计算得到：
其中，P表示维持肺泡开放的压力，T表示肺泡的气-液表面张力，r则表示该肺泡的半径。通过公式1可以看出，半径越小，肺泡表面张力越高，则维持该肺泡开放的压力需要的就越大;反之亦然。如果当肺泡表面张力一定时，越小的肺泡越容易向邻近的较大肺泡塌陷，从而导致肺不张。肺泡n型上皮细胞会分泌肺泡表面活性物质（pulmonarysurfactant，PS），形成肺泡气-液表面的衬里。肺泡表面活性物质的功能至关重要，它能够显著降低肺泡表面张力，让肺泡在较低的压力下即能达到较好的扩张效果。而肺泡表面活性物质在小肺泡中的分布则比大肺泡更丰富，故可以让小肺泡和大肺泡在相同压力下扩张度也能一致（图1.3）。
五、肺的弹性与顺应性
1.弹性指某物体在导致形变的外力（如压力）去除后，能回复到初始形状的性能。肺的弹性取决于肺内结缔组织中弹性纤维内的弹性蛋白，包括小气道内的弹性蛋白及产生肺泡表面张力的肺泡弹性蛋白。肺的弹性会随弹性蛋白的丢失而降低，也会随着肺泡表面张力上升、肺泡内液体聚集、炎性物质渗出等因素而升高。胸壁的弹性取决于其骨骼结构的硬度和完整性，以及肌肉组织的强度和张力。
公式2中，E代表弹性，P代表压力，V则代表容量。弹性回缩力指当导致物体变形的应力消失时，物体回复到原来状态的速度和力度（压力）。顺应性则与弹性回缩力相反，指的是物质在受到变形应力时的可膨胀性或可拉伸性。顺应性的公式为：
2.比顺应性（specific compliance）由于不同体积的肺在相同压力下的膨胀度是不同的，故通常需要将顺应性和肺的容量进行校准（通常是和功能残气量进行校准），从而更加准确地对肺组织的状态进行描述，称之为比顺应性。
在正常的自主呼吸状态下，肺和胸壁的回弹方向是不同的。肺和胸壁的回弹压指它们在0cmHp大气压下被动呼气时，倾向回弹到它们原有体积的压力。而在正常潮式呼吸状态下，胸壁会回弹到一个偏大的容积，而肺则倾向于回弹到较小的容积，这种差异使胸膜腔内压的负压状态达到*大，以利于下一次吸气时气体更容易入肺。
尽管胸壁和肺的弹性与顺应性都有各自的特性，但由于它们之间有胸膜相连，而胸膜可以将彼此的弹力及顺应性相互传导，所以在呼吸力学的分析中常把它们看作一个整体。在不同的胸壁回缩力和肺回缩力（用压力值表示）下，所对应的肺容量与肺总容量的百分比，可以通过图中的*线描记出来（图1.4）。在任一肺容量下，胸壁和肺都会回缩到它们初始的被动容量，
此时弹性回缩力将归零。在容量校准后，婴儿的肺比顺应性要明显高于成人。也就是说，婴儿的胸壁回弹容积和肺回弹容积的一致性要明显高于成人。造成这种区别的主要原因，是因为婴儿的胸壁更加柔软。相较于成人，婴儿胸壁的弹性回缩力更小，而顺应性更高。因此，在婴儿尤其是新生儿，肺部扩张所需克服的胸壁弹性回缩力相较于成人就小得多。由此不难理解，新生儿肺所产生的弹性回缩力会给新生儿胸壁带来比成人胸壁更大的变化。我们在前面已经说过，功能残气量（FRC）就是在正常潮式呼吸的呼气末，存留在肺内的气体，它起到气性夹板或储气囊的作用，对肺内气体交换起到至关重要的作用。当在FRC状态下，胸壁与肺的弹性回缩力是相等的，但方向是相反的。因此，FRC也被称为“静息容量”它是在不消耗能量的情况下，通过肺和胸壁的相等和相反的弹性回缩力来实现的。在自主呼吸状态下，新生儿的实际FRC要比通过单*计算肺和胸壁弹性回缩力差异所估算出来的FRC高很多，这个实际的FRC更接近于大儿童甚至是容量校正后的成人的FRC。其原因为：①在呼气末，新生儿可以通过升高膈肌和肋间肌的肌张力来维持胸壁的吸气位置；②较快的呼吸频率导致呼气时间减少，从而陷闭一部分来不及呼出去的气体，使FRC增加；③在潮式呼吸时，新生儿肺内的闭合容量超过了潮气量。
在小婴儿中，胸壁与肺之间的机械互动所带来的影响，要比成人更大。婴儿的胸壁顺应性是肺顺应性的3～6倍。到1岁时，胸壁弹性增加到仅依靠肺和胸壁各自的弹性回缩力就足以将FRC维持在较高水平。然而，在较小的婴儿，下列这些情况则可导致他们的FRC显著下降：①任何导致吸气辅助肌力量减弱的因素，在此状况下，婴儿的胸壁顺应性会显著上升。如快速动眼睡眠期（REM）及神经肌肉相关的疾病（如肌病、神经系统疾病），正在使用镇静、镇痛或者肌松类药物，以及中枢神经系统受抑制时；②导致肺顺应性下降的疾病，如急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、肺炎、肺水肿等；③肺外气道阻塞（如异物吸入、哮喘导致的大气道痉挛、药物导致的呼吸道挛缩等）。在这种情况下，婴儿吸气时需要产生更大的负压，而婴儿特有的柔软胸壁在这种情况下会发生更大的形变，从而产生明显的三凹征。这种情况会导致婴儿的FRC显著下降，导致气体更难以吸入肺泡，从而进一步恶化氧合。在全身麻醉的情况下，由于胸壁肌肉的松弛，维持FRC胸壁回弹力和胸膜回弹力（即肺回弹力）之间的差值将会减少，从而导致FRC下降。这种下降幅度在不同年龄段是不相同的。在健康的成人，可下降10%～25%;在6～18岁的青少年及儿童，可下降35%～45%;而在婴幼儿，这种下降幅度往往超过50%。在上述情况下，施加呼气末正压（PEEP）防止肺泡塌陷和低氧血症至关重要。
3.动态与静态顺应性（static and dynamic compliance）克服气道阻力让气体产生流动时，需要一定的压力，当压力达到平衡时（吸气末和呼气末），气流将停止，此时的肺顺应性就称之为静态顺应性（Qtat），即SV75P。如果需要再产生气流，则需要增加额外的压力。此时气道阻力与气流就会对肺部顺应性产生影响，这种影响可以用压力-容量环来表示（图1.5）。图1.5中的A线就表示了压力与容量之间的静态关系。在流速为零的时候（呼吸周期的任何时期停止供气，并关闭呼气阀门），任何一个给定的压力，都可以获得一个相应的容量。这种关系呈线性，即图中的A线，也就是静态顺应性。而当气流没有停止时，气体为了克服气道阻力产生的压力和在这个压力下获得的容量之间就不是线性关系，而是一种类似于指数的*线（图1.5中的*线B和*线C）。从图1.5中可以看出，当气体在流动过程中，在
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