生理学——气流、压力、阻力

生理学——气流、压力、阻力

当我们呼吸时，空气在大气和肺部的肺泡之间流动。这种空气的流动是由两者之间的压力差驱动的，空气总是从高压区域流向低压区域。然而，空气在气道内的旅程并不轻松，因为存在气道阻力。

压力差和气道阻力共同决定了一定时间内通过气道的空气流量，这被称为空气流量（airflow）。空气流量可以用升/分钟（L/min）来测量。

空气流量与压力差之间呈正比关系，可以用公式表示为 Q ∝ ∆P，其中 Q 代表空气流量，∆P 代表压力差。这意味着，当两点之间的压力差增大时，空气流量也会随之增加。

另一方面，空气流量与气道阻力呈反比关系，可以表示为 Q ∝ 1/R，其中 R 代表气道阻力。这意味着，如果气道阻力增加，空气流量就会减少。

将这两个关系整合成一个方程式，就得到了欧姆定律（Ohm’s law），即 Q = ∆P / R。这表明空气流量等于压力差除以气道阻力。

压力差（∆P）是由肺在吸气和呼气过程中体积的变化所产生的。

在吸气过程中，膈肌和胸部肌肉的收缩会使肺部扩张，导致肺和肺泡的体积增加。如果我们观察单个肺泡，在其体积增大的情况下，内部空间变大，气体颗粒的密度降低，因此肺泡内的压力下降，变得低于大气压。结果是，空气从大气流入肺泡。

在吸气结束时，肺泡内充满了来自大气的富氧空气，内部压力升高，直到与大气压持平。此时，压力差消失，因此不会有更多空气进入肺泡。

在呼气过程中，膈肌和胸部肌肉放松，使肺部回弹到原来的大小，导致肺和肺泡的体积减小。当肺泡的体积减小时，内部压力升高，变得高于大气压。这再次产生了压力梯度，从而推动空气从肺泡排出到大气中。

虽然增加压力差可以提高空气流量，但气道阻力的增加却会降低空气流量。气道阻力受三个主要因素的影响。

第一个因素是空气的粘滞度（viscosity），用希腊字母 η（eta）表示。空气粘滞度指的是气体颗粒在空气中相互滑动的难易程度。气道阻力与空气粘滞度呈正比关系，即 R ∝ η。这意味着，当空气的粘滞度增加时，气道阻力也会增加。

第二个影响气道阻力的因素是气道的长度（length），用字母 l 表示。与粘滞度类似，气道长度与气道阻力的关系也是正比的，即 R ∝ l。较长的气道比较短的气道具有更高的阻力。然而，空气的粘滞度和气道长度在短时间内不会发生明显变化，因此在实际生活中对气道阻力的影响相对较小。

第三个影响气道阻力的因素是气道半径（radius），用小写字母 r 表示。气道阻力与气道半径呈反比关系，具体公式为 R ∝ 1/r⁴，其中 r⁴ 代表半径的四次方。这意味着气道半径的变化对气道阻力的影响是最大的。

从气管向下进入支气管树时，气道半径逐渐缩小，气道阻力随之增加。然而，当空气进入最小的气道时，气道阻力却反而下降，并且是整个支气管树中最低的。这是因为这些小气道分支众多，并且呈并联排列，导致总体的横截面积增加。因此，尽管每条末端细支气管本身的阻力较高，但如果考虑所有并行排列的末端细支气管及其增加的横截面积，整体气道阻力实际上是最低的。

与空气粘滞度和气道长度不同，气道半径可以在短时间内发生变化。例如，当你躺在家里的沙发上时，身体对氧气的需求较低，此时副交感神经系统占主导，使支气管发生支气管收缩（bronchoconstriction），从而减少空气流入。相反，当你在踢足球时，交感神经系统被激活，导致支气管扩张（bronchodilation），从而让更多氧气进入肺部，以满足运动时的需求。

如果我们将这些变量（气道长度、空气粘滞度和气道半径）纳入计算，就能得到泊肃叶定律（Poiseuille's law）：

R = (8ηl) / (πr⁴)

下面让我们将这一理论应用于现实生活中的情况。例如，在慢性支气管炎或哮喘患者中，气道的炎症和水肿会导致气道狭窄。假设在某位慢性支气管炎患者的支气管中，其气道半径缩小至原来的一半。那么该支气管中的空气流量会发生什么变化？

半径减半意味着现在的半径变为1/2r，而不是原来的 r。将1/2r代入泊肃叶定律 R = (8ηl) / (πr⁴)，可以得到 (1/2r)⁴，即 (1/16)r⁴。这表明气道阻力增加了16倍。

回到欧姆定律，Q=∆P/R，在假设压力差（∆P）未改变的情况下，将新增加的阻力（16R）代入方程，我们会发现空气流量减少了16倍。这意味着，仅仅是气道半径缩小一半，就导致了空气流量下降16倍，这是一个非常显著的变化。