1. 基本概念及原理

氣體分壓

各組分氣體在混合氣體總?cè)莘e中單獨(dú)存在時(shí)所產(chǎn)生的壓力，一般記為

，下標(biāo)i 指明是對氣體i 而言的?；旌蠚怏w的壓力

等于各組分氣體分壓的總和，即Dalton氣體分壓定律：

常態(tài)下，人體氣道內(nèi)的氧分壓

及二氧化碳分壓

分別約為20kPa，與0.04kPa。Henry 定律

氣體溶于液體中的氣量，與作用在液面上的壓力有關(guān)，具體關(guān)系遵從Henry定律：

式中：

c為氣體在單位容積液體中的溶解量；

p為氣體的壓力；

s為溶解系數(shù)。

Henry定律只表示氣體因?yàn)閴毫Χa(chǎn)生的物理溶解量，對于能與液體發(fā)生化

學(xué)反應(yīng)的氣體則不適用。

Fick彌散定律

氣體透過生物膜的彌散率，即單位時(shí)間通過膜的氣體容積，與膜的氣體交換

面積、膜兩側(cè)有關(guān)氣體的分壓差成正比，與膜的厚度成反比，計(jì)算公式如下：

式中：

為彌散率；

呼吸力學(xué)

D為彌散系數(shù)；

A為膜的氣體交換面積；

δ為膜的厚度；

，

為膜兩側(cè)有關(guān)氣體的分壓。氣道平滑肌的力學(xué)行為

人體氣道平滑肌（Airway Smooth Muscle，ASM）對周邊物理環(huán)境的改變非常敏感，異常的力學(xué)刺激因素可能會導(dǎo)致氣道平滑肌細(xì)胞在結(jié)構(gòu)或功能方面發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)氣道平滑肌過度收縮等癥狀。近年來，人們對氣道平滑肌的生物力學(xué)行為及其在哮喘的病理機(jī)制中的作用展開了大量研究，獲得了許多重要的發(fā)現(xiàn)，主要包括：氣道平滑肌收縮和骨架纖維的組織結(jié)構(gòu)、氣道平滑肌功能長度范圍以及適應(yīng)性、力學(xué)刺激引起的氣道平滑肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的變化、氣道平滑肌緊張度對應(yīng)變誘導(dǎo)的響應(yīng)的調(diào)控以及細(xì)胞骨架軟玻態(tài)動力學(xué)行為等。

呼吸力學(xué)

氣道重構(gòu)（Airway Remodeling，AR）

所謂重構(gòu)是一個(gè)基質(zhì)產(chǎn)生與降解的動態(tài)過程，主要功能在于對器官創(chuàng)傷的修復(fù)，屬炎癥入侵時(shí)的應(yīng)激反應(yīng)。氣道重構(gòu)正是由于肺循環(huán)損傷而引發(fā)的氣道內(nèi)皮細(xì)胞以及細(xì)胞外基質(zhì)改變而引起的，常表現(xiàn)為氣道平滑肌的過度肥大、基底膜的增厚、上皮細(xì)胞的損傷以及基質(zhì)蛋白的沉積等。氣道重構(gòu)是哮喘的典型特征。

呼吸力學(xué)

氣道高反應(yīng)性（Airway Hyperresponsiveness，AHR）

氣道在刺激因素的作用下，發(fā)生極為敏感的過度性收縮，從而導(dǎo)致氣道過度狹窄甚至關(guān)閉的行為稱為氣道高反應(yīng)性。造成氣道高反應(yīng)性的潛在因素很多，例如：氣道平滑肌的過度增生、氣道重構(gòu)、氣道炎癥以及氣道神經(jīng)控制系統(tǒng)紊亂等。目前，氣道平滑肌的過度增生被公認(rèn)為是主要的原因之一。哮喘或COPD的典型癥狀就是氣道高反應(yīng)性，它可以作為二者疾病發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。但氣道高反應(yīng)性并不止出現(xiàn)在哮喘或COPD中，流行病學(xué)的研究表明氣道高反應(yīng)性也會出現(xiàn)在一些無癥狀的人群中，尤其是遺傳性過敏癥人群。

呼吸力學(xué)

2. 常用測量參量

1.

潮氣量（Tidal Volume

）、肺活量（Vital Capacity

）、

機(jī)能余氣量

（Functional residual capacity FRC）、

余氣量

（Residual Capacity RV）

平靜呼吸時(shí)每次吸入或呼出的氣量稱為潮氣量；最大吸入后盡其所能呼出的

氣量稱為肺活量；在平靜呼吸過程中的呼吸終點(diǎn)處，仍然存留在呼吸系統(tǒng)中（包括上、下呼吸道和呼吸區(qū)）的氣量，稱為機(jī)能余氣量；而當(dāng)呼氣達(dá)到最大呼氣量的終點(diǎn)仍然殘留在呼吸系統(tǒng)中的氣量，則稱為余氣量。

一般來說，健康成年人的潮氣量在400～700ml之間，男性一般高于女性；肺活量

大致與受試人的身高成正比，年齡成反比，且各種族的

值有明顯的差異，我國男人的

值約在4000ml左右，女人的

值約在2700ml左右。

2.

用力肺活量（Forced Vital Capacity, FVC）、

1秒用力呼氣量

（Forced Expiratory Volume in One Second, FEV1)

用力肺活量是指盡力最大吸氣后，盡力盡快呼氣所能呼出的最大氣量，數(shù)值上略小于沒有時(shí)間限制條件下測得的肺活量；其中，開始呼氣第一秒內(nèi)呼出的氣量稱為一秒鐘用力呼氣量。

3.呼吸系統(tǒng)總阻抗

（Respiratory System Impedance, Zrs）

呼吸系統(tǒng)總阻抗Zrs是一個(gè)復(fù)數(shù)量，包含實(shí)部和虛部，公式表達(dá)如下：

呼吸力學(xué)

式中，

的實(shí)部

為呼吸系統(tǒng)阻力（Respiratory System Resistance），代表了

的同相部分，描述了氣道和肺組織的粘性阻力，主要分布在大、小氣道之中。其中，高頻阻抗主要反映中心氣道粘性阻力的大小，低頻阻抗則反映了所有氣道粘性阻力的大小；虛部

是呼吸系統(tǒng)電抗（Respiratory System Reactance），代表了Zrs的異相部分，描述了氣道和肺組織的彈性阻力E（Elastance）和慣性阻力I（Inertance）。彈性阻力主要分布在肺組織和細(xì)小支氣管，而慣性阻力則主要存在于大氣道和胸廓。

臨床中最常用的參數(shù)就是呼吸系統(tǒng)阻力Rrs，它代表了呼吸道的中央阻抗。強(qiáng)制振蕩檢測技術(shù)正是以此為依據(jù)對人體呼吸系統(tǒng)的力學(xué)性能進(jìn)行無創(chuàng)測量，研究結(jié)果能夠?yàn)橄?、COPD等呼吸類疾病的診斷提供定量的科學(xué)依據(jù)。

4.跨肺壓

（Transpulmonary Pressure

）

、肺的

順應(yīng)性（Lung Compliance）

、比順應(yīng)性（

Specific Compliance）

作用在肺表面與肺內(nèi)壓力的差值稱為跨肺壓，該值直接影響到肺容積（V）的大?。环伪倔w在跨肺壓的作用下，其變形的難易通常用順應(yīng)性（C）來表示，即肺容積的改變量（

）與跨肺壓的變化值（

）之比：

單位為L/KPa。不難看出，順應(yīng)性的值越高，肺的變形越容易。一般說來，正常生理活動范圍內(nèi)順應(yīng)性值約等于；同時(shí)為了更為準(zhǔn)確、合理的判斷肺的靜力學(xué)性質(zhì)，引入了比順應(yīng)性的概念，即單位肺絕對容積的順應(yīng)性值。

5.肺泡表面張力

（Alveolar Surface Tension）、肺表面活性物質(zhì)（Pulmonary surfactant）

肺泡表面張力是指在肺泡上皮內(nèi)表面分布的極薄的液體層與肺泡內(nèi)氣體形成的氣-液兩相界面上，由于液體界面的分子密度較大，導(dǎo)致液體分子間的吸引力大于液-氣分子間的吸引力，因而產(chǎn)生的使液體表面具有收縮傾向的力。肺泡表面張力使肺泡趨向回縮，是肺回縮的主要動力。為了使肺泡處于平衡狀態(tài)，需要輸入一定的氣壓（P），以平衡肺泡的表面張力（T）與肺泡內(nèi)的氣壓（

），三者的計(jì)算關(guān)系如下：

理論情況下，表面張力相同的同一液體，只要所形成的液泡大小不同，小泡內(nèi)的壓強(qiáng)就會超過大泡；且液泡越小，其中的壓強(qiáng)將越高。當(dāng)大、小不同的兩個(gè)液泡由一個(gè)管腔連通時(shí)，小泡內(nèi)的氣體將向壓強(qiáng)較低的大泡流動，于是小泡越來越小，以至完全萎縮，最后將只剩一個(gè)脹得更大的大泡。但實(shí)際情況下，正常的呼吸運(yùn)動過程中不會發(fā)生上述現(xiàn)象，這與肺泡表面分布的活性物質(zhì)有關(guān)。肺表面活性物質(zhì)是一種由II型肺泡細(xì)胞形成的表面活性脂蛋白復(fù)合物（磷脂蛋白）。組成表面活性劑的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)均具有親水性和疏水性區(qū)域，肺泡表面活性劑棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)的主要脂質(zhì)成分通過其親水頭部基團(tuán)吸附到氣-液界面的液相而疏水性尾部則朝向氣相，從而減少了肺泡的表面張力（降至原來的

）。更為重要的是，肺泡表面的活性物質(zhì)在小肺泡內(nèi)的分布較為密集，在大肺泡內(nèi)的分布較為稀疏，因此使得大、小肺泡內(nèi)的回縮壓力相對平衡，都能維持在一定的充氣狀態(tài)。因此肺表面活性物質(zhì)能夠維持大、小肺泡內(nèi)壓與容積的相對穩(wěn)定、提高肺的順應(yīng)性、預(yù)防呼吸末端的肺不張。

3. 常用的檢測方法

1. 阻塞性肺功能檢測法

臨床上常以1秒用力肺活量與用力肺活量的比值，即（FEV

）作為阻塞性肺功能（哮喘或慢性阻塞性肺病COPD）的檢測標(biāo)準(zhǔn)：

具體分級情況如下：

阻塞性肺功能級別

治療方案

正常

無
I

按需使用短效支氣管舒張劑
II

規(guī)律應(yīng)用一種或多種長效支氣管舒張劑
III

反復(fù)急性發(fā)作，可吸入糖皮質(zhì)激素
IV

如有呼吸衰竭，長期氧療，可考慮外科治療
2.強(qiáng)迫振蕩呼吸檢測技術(shù)（Forced Oscillation Technique，F(xiàn)OT）

呼吸力學(xué)

強(qiáng)迫振蕩呼吸檢測技術(shù)主要通過測量受試者呼吸系統(tǒng)的阻抗來進(jìn)行呼吸道疾病的檢測，如慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)、哮喘(Asthma)等。該技術(shù)首先是通過振蕩發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)特定頻率和振幅的壓力波，壓力波施加于受試者的口腔并疊加在呼吸氣流之上，隨氣流進(jìn)入人體的氣道和肺組織，通過測量經(jīng)氣道和肺組織吸收并折射的壓強(qiáng)和流速，計(jì)算振蕩波壓力和流量傅立葉變換的商即可獲得呼吸系統(tǒng)的總阻抗。

由于FOT提供了一種無創(chuàng)的技術(shù)，且無需被測試者的主動配合，因此FOT不僅適用于健康的成年人，而且特別適合于兒童、年老體弱者以及植物人等行動不便人群。

3. 光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)

（Optical Coherence Tomography，OCT）

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)是利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維的結(jié)構(gòu)圖像。利用該技術(shù)可進(jìn)行活體組織顯微鏡結(jié)構(gòu)的非接觸式、非侵入性斷層成像。

隨著近年來呼吸道疾病頻發(fā)，傳統(tǒng)檢測手段已滿足不了快速、實(shí)時(shí)檢測的需求。OCT利用“相干門檢測”的原理可對生物組織進(jìn)行快速成像，同時(shí)結(jié)合硬質(zhì)氣管鏡，可以為哮喘、COPD、肺癌等疾病的檢測提供實(shí)時(shí)、無損、高分辨率的檢方法。

呼吸力學(xué)

4. 病理與疾病的關(guān)系

1.

哮喘

哮喘作為一種慢性的呼吸道疾病正日益成為危害人類健康的重大問題。在西方發(fā)達(dá)國家，哮喘病的發(fā)病率已高達(dá)總?cè)丝诘?p style="text-align: center;">

。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國有超過2千萬人患有哮喘病，每年有超過5千名兒童死于哮喘病。其他西方國家的情況也基本相同。更令人擔(dān)憂的是哮喘病的發(fā)病率以每10年增長

的勢頭不斷上升，尤其是包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家上升的勢頭更猛。中國哮喘病人目前估計(jì)已達(dá)3000萬人左右。盡管如此，哮喘病的病因和發(fā)展機(jī)理至今仍沒有被解釋清楚。已知的重要病理原因涉及個(gè)體體質(zhì)和環(huán)境因素等諸多方面。其中，氣道高反應(yīng)性（Airway Hyperresponsiveness，AHR）與氣道炎癥因素可能沒有必然的因果關(guān)系，從這個(gè)意義上可以說哮喘病是一種生物力學(xué)病。事實(shí)上，如果氣道平滑?。ˋSM）的力學(xué)生物學(xué)特性不發(fā)生病理變化，一切其他的病理因素都不是致命的。而肺在實(shí)現(xiàn)氣體交換這一基本生命功能的所有環(huán)節(jié)中都有作用力與應(yīng)力的參與。因此，氣道平滑肌的生物力學(xué)行為在哮喘病的病理機(jī)制中扮演著重要的角色。哮喘病發(fā)病率的增高趨勢也與患者的過敏性體質(zhì)導(dǎo)致的易感性和環(huán)境因素有關(guān)。環(huán)境因素主要通過刺激和侵害氣道壁細(xì)胞和組織，引發(fā)氣道炎癥（Airway Inflammation）和組織重構(gòu)（Airway Remodeling）等哮喘病的病理特。具體來說主要包括各種變應(yīng)源、刺激性氣體、病毒感染、居住的地區(qū)、居室的條件、職業(yè)因素、氣候、藥物、運(yùn)動（過度通氣）、食物以及食物添加劑、飲食習(xí)慣、社會因素甚至經(jīng)濟(jì)條件等均可能是導(dǎo)致哮喘病發(fā)生、發(fā)展的重要原因。

2.慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD）

慢性阻塞性肺疾病是以氣流受限為特征的，臨床上，患者氣道內(nèi)的氣流受限不完全可逆且呈進(jìn)行性發(fā)展。氣道重構(gòu)是慢性阻塞性肺疾病的重要病理特點(diǎn)之一。

3.鼾癥力學(xué)（Mechanics of

Sleep

Apnea Syndrome）及阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）

鼾癥，學(xué)名阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）。上氣道組織增生塌陷形成的咽腔狹窄是造成咽腔呼吸氣流阻塞的一個(gè)重要原因，研究鼾癥發(fā)生、發(fā)展過程中的力學(xué)機(jī)制及采用力學(xué)手段防治鼾癥具有重要的意義。鼾癥力學(xué)正是應(yīng)用力學(xué)的原理和方法研究在鼾癥發(fā)生中人體上氣道結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的變化及其防治的方法。具體主要研究：上氣道的解剖結(jié)構(gòu)、氣流動力學(xué)、通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到上呼吸道中氣流分布形式的定量描述、鼾癥的治療、醫(yī)療器械的優(yōu)化以及個(gè)體化設(shè)計(jì)等。