第1️⃣8️⃣9️⃣问：清醒的动物是如何实现呼吸功能的？

答✅：从麻醉师的角度，我们可以将动物呼吸功能的实现分成以下几个组成部分：神经控制、机械作用（胸壁和膈）、上气道和肺实质（Figure 27.2）。

呼吸控制

呼吸功能是由中枢呼吸控制系统（脑干）、中枢（延髓）&外周（主动脉窦、颈动脉体）化学感受器、肺脏反射和非呼吸传入神经控制。这是一个集成反馈控制系统。

• 中枢神经“控制者”包括位于大脑、脑干和脊髓的特殊神经元群，通过调节呼吸肌的活动控制自主通气，呼吸肌收缩使肺泡通气。

• 肺泡通气的变化影响血-气张力和H+浓度影响。可由中枢和外周化学感受器监测，这些感受器将信号返回给中枢控制区，以提供必要的通气调整。

• 肺部的机械感受器和呼吸肌伸展感受器分别监测肺部的扩张或伸展程度和呼吸的“力度”，并将信息反馈给中枢控制区改变呼吸模式。

• 通过以上调节，产生最适合动物最优的呼吸频率和呼吸深度，以最小的做功，调整吸氧和二氧化碳的清除，维持体内在各种环境和代谢中的平衡（可通过动脉血气检测气体水平）。但麻醉相关药品和机械通气设备可打破动物维持这种细胞内稳态的能力。

机械因素

气体进出肺脏取决于空气和肺泡之间形成的压力梯度、气流阻力以及肺脏和胸壁弹性。当动物自主呼吸时，通过胸壁的扩张和膈肌的收缩扩大胸膜腔完成吸气，此时胸膜腔内压力＜大气压，形成口腔/鼻孔-肺泡压力梯度；与吸气时相反，呼气通常是被动的，这是使胸壁和肺脏恢复到静息位置，即FRC（功能剩余量）。随胸膜腔的缩小，胸膜内压力升，因此肺泡内压力升高，压力梯度逆转，空气从肺泡流向大气，完成呼气。在这个过程中，大气和肺泡之间的压力梯度变化使气体在肺部进行交换，而造成这些压力梯度的因素及其大小的测量称为肺脏力学。这其中肺脏和胸壁的顺应性以及气道阻力（形成压力梯度）是重要组成部分，也是麻醉和疾病状态下呼吸力学受影响的部分。

肺通气

肺通气是肺与外界环境之间的气体交换过程，其重要因素是肺泡空气与大气空气交换的速率。由于大部分吸入的空气都被用来填充呼吸道（气道中没有发生显著的气体交换），而不是肺泡，所以这并不等于分钟通气量。呼吸频率（f）和潮气量（VT），决定分钟通气量（VEmin）。 

在通气中，由于解剖死腔（存在于终末细支气管以上气道内的气体容量，VDanat）的存在，缓慢的深呼吸比快速的浅呼吸更有效。而“有效”容积，是促进气体交换的那部分VT，即肺泡容积（VA），以及分钟肺泡通气量（VAmin）。但受心脏跳动产生的运动影响，解剖死腔中的气体和肺泡气体之间会有一些混合，这可能解释了为什么小型犬或猫会出现非常浅的快速呼吸模式，这样的呼吸中PaCO2通常不会很高，此时的潮气量更接近死腔容量。

无灌注的肺泡不存在气体交换，称为肺泡死腔（VDalv）。健康清醒的动物的肺泡死腔很小，而在全身麻醉中，由于心输出量和/或肺动脉血压的下降，可能会增加肺泡死腔。解剖死腔+肺泡死腔=生理性死腔（VD），未麻醉镇静状态下的健康犬VD为5.9 mL/kg, VD/VT约35%。在没有体重因素影响的情况下，一般VD增大提示VDanat增大。

肺容量

在上图中，我们将肺容量进行细分，这其中大部分（除VT和FRC外）无法在清醒的动物身上测量。麻醉机造成的机械死腔增加动物解剖死腔，影响肺泡容积和血气，比如对于猫来说，15 mL的死腔就约占潮气量的50%（见下表），可能会改变肺泡通气和PaCO2水平。而在小型哺乳动物中，几乎所有的面罩系统在麻醉期间都将导致CO2复吸，除非使用的是带有流动系统的宽松面罩。在正常呼气结束时，肺内的气体量（FRC）会随着膈肌的变化而发生显著变化。任何来源的腹部膨胀（如近产期妊娠子宫、肠扩张、肥胖或肿瘤）都倾向于使膈肌向前移动，膈肌收缩降低FRC。

通气灌注匹配：

肺泡气体和肺毛细血管血流量的匹配受重力因素和肺动脉循环影响。所以由于肺脏重力的作用，胸膜内压在胸腔最上面的部分比最下面的部分更低于大气压；肺泡的大小在肺的最上面的区域最大，而在腹侧区域最小，但由于较大的肺泡的顺应性较低（膨胀性较弱），它们在吸气时扩张较少，空气优先进入顺应性较强的肺泡（腹侧），这也可能与局部胸壁和膈肌运动有关。但在麻醉过程中，通气的分布变得更加不均匀，甚至可能逆转。

多年来，人们认为重力是肺血流的主要决定因素，受垂直灌注梯度的血流的影响，下肺区域灌注更多，这种情况在有意识和麻醉的动物以及两足和四足动物中都存在。但现在的研究认为，其他因素如肺动脉的分支形态和区域间的阻力差异，最终结果（至少在四足动物中）是肺内的垂直血流非常均匀，甚至背部灌注更好。全身麻醉除了体位改变外，还会引起心输出量的改变，药物引起的肺阻力和肺血管对缺氧反应性的改变，以及肺容量和局部胸膜压力的改变。这些因素可能导致重力成为肺血流分布的重要因素，特别是在大型动物的侧、背卧时。因此，基于重力的历史血流模型是值得考虑的。

肺泡通气与肺泡灌注(V/Q)的关系的简化图示如下图所示。

一种极端情况是肺泡或肺区有灌注但不通气，使血液在流经该区域时不能充氧。另一种极端情况是肺泡通气但不灌注，或者肺泡或肺泡区域既不通气也不灌注。肺内V/Q的变化通常介于这两个极端之间，以肺泡为特征，肺泡仅处于相对通气或灌注不足状态，导致肺泡-动脉氧梯度升高。由于CO2在肺泡毛细血管膜上更容易扩散，扩散和V/Q问题通常会导致PaO2在PaCO2水平变化之前就下降。

虽然可通过增加肺其余部分CO2的清除率改善通气，但不能完全弥补吸氧不足的区域。血红蛋白氧饱和度曲线呈S形，PaO2为90-100 mmHg时血红蛋白几乎完全饱和，也就是说即使肺泡氧气分压（PaO2）增加，在向肺脏“良好”区域进行通气时，血液中的氧气含量也不能增加很多。这也就说明为什么临床上许多肺脏疾病问题表现为低氧血症而不是高碳酸血症。

肺泡通气改变的影响

对于任何给定的代谢输出量，PaCO2和VA都是直接呈负相关的：如果VA下降50%，PaCO2翻倍；然而，如果VA增加100%（比如IPPV），一旦平衡建立，PaCO2水平将下降50%。当VA相对于代谢率过高时，就会通气不足（PaCO2降低，低碳酸血症），可能伴有呼吸急促；当VA相对于代谢率较低时，就会通气不足（（PaCO2升高，高碳酸血症），低通气可能伴有呼吸缓慢、正常或快速。常见的哺乳动物的正常静息PaCO2水平接近40 mmHg。高碳酸血症和低碳酸血症分别因呼吸性酸中毒和碱中毒而产生。在全身麻醉中，通气不足和高碳酸血症更有可能发生在自主呼吸的动物身上，而在IPPV中，当小动物潮气量过大时，最常发生通气过度和低碳酸血症。 

另外，由于血红蛋白-氧饱和曲线呈S形，VA和氧饱和度（以及动脉血氧含量）之间的关系不是线性的。缺氧是指肺部、血液和/或组织中的氧含量异常低，导致器官功能异常和/或细胞损伤的状态。在健康、清醒的动物体内，静息PaO2水平一般在80-100 mmHg之间，虽然受某些因素影响（比如低体温、年龄、健康状态、代谢速度等），但一些临床医生认为PaO2低于70 mmHg（SpO2~ 94%）提示动物血氧不足或位于参考值下限。

氧输送

在正常情况下，氧气被吸入肺泡，并在肺泡气体组成成分保持相对恒定的速率下清除CO2。在肺脏中，气体通过肺泡和毛细血管膜进行交换，交换发生的总距离小于1μm，故非常迅速。除了在高运动水平下，肺部的血液和肺泡中的空气几乎达到了平衡，血液中的氧气分压（PO2）几乎等于肺泡里的PO2。虽然氧气在肺泡毛细血管间的扩散在理论上存在氧合障碍，但在兽医麻醉中，除非出现严重的肺水肿，否则不会引起实际的变化。

从室内空气到身体各组织的氧浓度或氧分压梯度相对较陡：鼻空气160，肺泡空气100，动脉血90-95，组织间液30，细胞内液10，静脉血40 mmHg。大血管中很少有氧气流失，通常从肺泡到组织细胞之间存在连续的压力梯度。在正常大气压下，当动物在38℃的温度下呼吸空气时，肺中的氧分压约为100 mmHg，在100 mL的血液中携带0.3 mL的氧气。如果给予纯氧，肺泡中的PO2从100上升到将近650 mmHg，血浆中的氧含量几乎增加了六倍，即从每100 mL血液中的0.3 mL增加到1.8 mL，使血液中氧含量增加了约10%，这可能对严重贫血的动物具有临床意义。但注意的是吸入气体中PO2的升高而不是单纯的压力的升高，肺泡正压超过40 mmHg时，肺部毛细血管循环会受到抑制，所以在超过这个压力下管理氧气是不实际的。

二氧化碳输送

评估动脉CO2水平包括CO2的产生和清除，正常情况下PaCO2会维持在比较窄的范围。过度运动时CO2产生增加，麻醉时产生会减少，而CO2的清除取决于肺动脉血流（心输出量）和VA，正常情况下，CO2的产生等于O2的消耗。CO2在组织中的压力梯度与O2相反，组织50mmHg（运动时可能更高），静脉血46 mmHg，肺泡气体40 mmHg，呼出气体32 mmHg，大气空气 0.3 mmHg，动脉血40 mmHg（与肺泡内气体平衡

在血浆中，有些CO2在溶液（5%）中运输，有的与水结合形成碳酸，碳酸又分解成碳酸氢盐和氢离子（5%），大部分（约90%）的CO2扩散到红细胞中，通过碳酸酐酶的作用，要么与血红蛋白结合，要么转化为碳酸氢盐和氢离子（可逆）。当血红蛋白和氧气分离时，血红蛋白携带二氧化碳的能力会增加。

CO2和O2在血液中的转运至少有三种方式：①组织中产生的酸性碳酸有利于在不改变氧张力的情况下释放O2，而肺中CO2的释放有利于氧气的吸收（波尔效应）；②O2的释放有利于CO2的吸收，反之亦然，O2释放后，血红蛋白变成较弱的酸，更能接受氢离子，从而促进其缓冲作用（霍尔丹效应）；③血红蛋白分子的两种酸性形式有利于从一种形式转移到另一种形式，O2的吸收有利于二氧化碳的消除，反之亦然。

就像O2在血液中的输送取决于血压中的PO2一样，CO2输送同样受影响，但CO2的解离曲线类似线性，因此，过度通气和低通气可能对血液中和组织中CO2有显著影响。