不同呼吸方式，生理学机制大不同

在临床工作中，很多医生都会观察到呼吸困难的患者，总是费力地张着嘴喘气，这是为什么呢?

作者：李医院危重医学科

来源：医学界急诊与重症频道

从小我就对撒欢回来的汪星人为何总是爱张着嘴呼呼直喘，口水流的遍地都是非常好奇，直到长大后才从书本里学到，狗狗的皮肤汗腺不发达，所以不得不通过呼吸系统对水分的大量蒸发来排出身体代谢产生的热量，从而维持体温的恒定[1]。而在临床工作中，很多医生都会观察到呼吸困难的患者，也是同样费力地张着嘴喘气，这又是为什么呢，难道也像汪星人一样是为了散发热量吗？

答案当然是否定的！要知道，对于汪星人来说，假如单纯使用鼻子或嘴来呼吸，那么其呼吸道中的饱和水汽会在一次又一次的吸呼周期中往复循环，而不能高效彻底的排到体外[2]。与之相类似，人类的通气主要是为了排出机体代谢过程中产生的二氧化碳（CO2）。在呼气末，气道的CO2达到其峰浓度（5-6%），氧气含量下降到15-16%。在每一次吸气启动后，首先进入肺泡的仍然是这部分富含CO2的气体，而非吸入的新鲜气流。正常情况下，成年人静息状态呼吸时约30-40%的新鲜气体是无法到达肺泡的，它们所占用的空间就是我们常说的解剖死腔（anatomicaldeadspace），肺泡死腔（alveolardeadspace）在正常肺组织中通常忽略不计。而到达肺泡的新鲜气流量（肺泡潮气量）与每次呼吸吸入的总气体量（总潮气量）之比又叫做呼吸效率（breathingefficiency），最高仅为60-70%。

呼吸功能受损的患者一般都表现为呼吸浅快。而小潮气量通气时死腔率可高达50%以上，相应进一步降低呼吸效率。此时患者会不自觉的像汪星人一样单向呼吸--用鼻子吸气，而张嘴呼气。这种呼吸方式又称为缩唇呼吸（pursed-lipbreathing），早在五十多年前就在慢性阻塞性肺疾病（COPD）或神经肌肉疾患患者中观察到这一现象，并被推荐用于这类患者的治疗。普遍认为缩唇产生的呼气阻力可增加呼气相气道内压力，从而支撑高顺应性的小气道管壁，防止气道塌陷及气体陷闭，并对抗内源性PEEP（PEEPi）以减少吸气做功。但为何强直性肌营养不良及呼吸窘迫的患者也会出现类似的现象还一直不得而知，对于这些肺顺应性基本正常的患者来说，理论上应该不存在增加呼气相气道压力以改善通气的问题。

为了回答这一问题，医院的学者们为此做了一个呼吸生理学实验[3]：给10名健康志愿者带上一个特殊构造的面罩，包含鼻罩和口罩两个部分，彼此互不联通，并分别装有一个单向呼吸阀。通过对单向阀门不同的组合方式，分别实现下列四种呼吸方式：鼻进鼻出（nose-innose-outbreathing,NNB）、口进口出（mouth-inmouth-outbreathing,MMB）、口进鼻出（mouth-innose-outbreathing,MNB）、鼻进口出（nose-inmouth-outbreathing,NMB）。面罩与脸部紧密贴合确保没有漏气。在呼气端放置流量传感器和红外线CO2分析仪来收集数据。

图1：面罩示意图：口鼻各自的单向阀门可控制气流方向（开放压力1cmH2O）以实现NMB和MNB。此图仅用来显示鼻进口出（NMB）时的气流方向。将一个罩完全封闭，去除另一个罩的单向阀，可以实现MMB或NNB。（摘自JApplPhysiol()(3):-.）

解剖死腔的计算公式为：Vdan=VTe×[(1－MCO2)/ETCO2]，其中Vdan（anatomicaldeadspace）为解剖死腔，VTe为呼气潮气量（exhaledtidalvolume），MCO2为平均呼气CO2浓度，ETCO2为呼气末CO2浓度。

鉴于潮气量大小会一定程度上影响到死腔量，作者总是在相对恒定的潮气量及呼气末CO2下比较四种呼吸方式下死腔量的差别。结果显示，相对于双向气流呼吸（NNB及MMB）来说，单向气流呼吸（NMB及MNB）的死腔明显减小，呼吸效率明显升高。例如，在潮气量为ml时，与MMB相比，NMB的死腔整整减少了74ml（±39vs±39ml），与人类的口咽腔容积（72ml）基本相当[4,5]。比NNB（±34ml）也要减少51ml，与人类鼻咽腔容积（45ml）类似。MNB（±43ml）也是同样规律。与此对应，NMB的呼吸效率（82±3%）显著高于MMB（69±5%）或NNB（73±4%）。

潮气量降低会使得死腔率升高，这时降低死腔量显得尤为重要。由于绕过了很大一部分的解剖死腔，与大潮气量相比，小潮气量下单向气流对于改善呼吸效率显得更为高效。实验测得，在潮气量约ml的情况下，NMB及MNB的死腔分别为81±31ml和±20ml，均显著低于MMB的±15ml和NNB的±13ml；NMB的呼吸效率为78±9%,MNB为73±6%，均显著高于MMB的61±6%和NNB的66±3%。当潮气量进一步降至约ml时，MMB的呼吸效率仅为50%，而NMB仍可维持在70%。

根据实验结果，发现呼吸效率与潮气量之间的关系遵循以下数学方程：

MMB:呼吸效率=0.23×VT0.17

NNB:呼吸效率=0.31×VT0.13

NBM:呼吸效率=0.49×VT0.08

MNB:呼吸效率=0.42×VT0.09

尽管从理论上说NMB和MNB的死腔应该是一致的，但是试验结果却是ml的潮气量下，NMB还是要比MNB小不少（vsml）。作者推测两者产生不同的气体湍流，而前者在清除死腔上更为高效。另外，人类平时都是很自然地用鼻子来吸气的，相对于口腔而言，鼻腔不但可以有效的加温加湿，还可以过滤空气的有害颗粒。此研究中多个志愿者均抱怨很难做自我调整去适应MNB的呼吸方式，或者在MNB时口咽干燥，而NMB时这些问题均不存在。

图2：CO2呼气图（CO2expirogram）。横坐标为呼气量，纵坐标为呼出气体中CO2比例。黑色左斜线和灰色右斜线面积分别代表NMB和MNB比NNB及MMB额外多排出的富含CO2的气体容积。（摘自JApplPhysiol()(3):-.）

减少50-70ml的死腔看似并不起眼，但要知道死腔率是与潮气量成反比的，对于呼吸浅快，潮气量本身就很小的重症患者来说，死腔率经常高达50%以上。因此哪怕减少一点死腔也会对患者的呼吸效率产生极大的帮助。例如机械通气患者在分钟通气量不变的情况下去除40ml的死腔，可以使动脉血气二氧化氮分压（PaCO2）从46降至40mmHg[6]，而动物实验显示气管内吹气技术，减少仅仅31ml的死腔更是使得PaCO2从77急剧下降到55mmHg[7]。由此可见，对于呼吸浅快的患者来说，单向气流通过绕过解剖死腔，可以很大程度上改善呼吸效率，是机体的一种本能的自我保护措施。虽然没有证据，但本人猜测对于健美爱好者，之所以在大负荷力量训练过程中强调慢吸气及喷吐式快速呼气（必须通过嘴才能实现），以及我们平时剧烈运动时不自觉张口呼气，可能也是同样的道理，以帮助快速清除机体在锻炼过程中大量代谢出来的CO2。

图3：上呼吸道解剖死腔气流流向示意图。A:鼻进鼻出方式（NNB）时，呼气末气道内CO2浓度饱和（灰色区域），在下一次吸气时，这些气体再次被吸入到肺泡中。B:鼻进口出方式（NMB）呼吸时，呼气末鼻腔及部分咽腔（白色区域）充满了新鲜气体，再吸气时新鲜气体通过鼻腔进入气道，而口腔内（黑色区域）富含CO2的气体则不会被重复吸入，而是在下一次呼气时直接排出体外。经过对比很容易看出，单向气流可以避免双向气流下大量饱含CO2的气体重复吸入这一问题。（摘自JApplPhysiol()(3):-.）

我们熟悉的另外一种减少解剖死腔的方法就是气管切开，大约可以减少70ml，相应降低30%以上的呼吸做功[8]。与有创性的气管切开相比，只要改变呼吸方式（鼻进口出）就可达到减少几乎同样死腔的效果。由此可以看出，呼吸困难的患者不自觉的张口呼吸，其实背后是有逻辑严密的生理学机制做为基础的，对于临床医生来说，我们不但要对一些司空见惯的临床现象知其然，还要知其所以然，唯有如此，才能更好得认识人体结构和功能，从而不断推进医学研究的不断进步。

参考文献：

[1]BlattCM,TaylorCR,HabalMB:Thermalpantingindogs:thelateralnasalgland,asourceofwaterforevaporativecooling.Science,():-.

[2]Schmidt-NielsenK,BretzWL,TaylorCR:Pantingindogs:unidirectionalairflowoverevaporativesurfaces.Science,():-.

[3]JiangY,LiangY,KacmarekRM:Theprincipleofupperairwayunidirectionalflowfacilitatesbreathinginhumans.Journalofappliedphysiology(Bethesda,Md:),(3):-.

[4]NunnJF,CampbellEJ,PeckettBW:Anatomicalsubdivisionsofthevolumeofrespiratorydeadspaceandeffectofpositionofthejaw.JApplPhysiol,14(2):-.

[5]CampbellEJ,NunnJF,PeckettBW:A







































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