呼吸生理学习:全身氧输送与利用机制示意图 | 推荐

文摘   2024-10-24 06:25   河北  


个人学习体会:

这张图详细描述了人体在氧气运输和使用过程中所涉及的各个环节,包括外呼吸(external respiration)、内呼吸(internal respiration)、动静脉氧含量的计算、氧输送(DO₂)、氧消耗(VO₂)、以及与心脏血液泵(blood pump)和肺部气体交换(air pump)的关联。通过这张图,我们可以更清楚地理解氧气如何从大气环境进入肺部,再通过血液循环输送到全身组织,最后在细胞层面被利用。下面从多个角度对这张图进行详细分析,包括其各个要素的生理机制及其在临床中的意义。

一、外呼吸(External Respiration)

外呼吸指的是肺部与外界环境之间的气体交换过程,具体包括氧气的吸入和二氧化碳的排出。在这张图中,外呼吸过程被示意为一个“空气泵”(Air pump)的作用,它涉及肺泡通气、气体弥散、肺部灌注等多个方面。外呼吸的四个关键环节包括:

1. 通气(Ventilation):这是指空气通过呼吸道进入肺泡的过程,肺泡是气体交换的主要场所。

2. 分布(Distribution):氧气在肺泡中分布,并与肺部血液的灌注进行匹配,确保氧气能够有效地进入血液。

3. 弥散(Diffusion):在肺泡和毛细血管之间,氧气通过弥散进入血液,而二氧化碳则从血液进入肺泡并被呼出。

4. 灌注(Perfusion):肺部的血液流动,与气体交换的效率密切相关。良好的肺部灌注确保氧气能够迅速与血液中的血红蛋白结合,参与全身循环。

图中显示,氧气从外界进入肺部,动脉血氧分压(PaO₂)为100 mmHg,氧饱和度(SaO₂)为98%。这意味着在肺泡进行气体交换后,血液中的绝大部分血红蛋白与氧气结合,成为富氧血液。这一过程的效率决定了全身氧供的基础能力。

临床意义:外呼吸过程中的任一环节受到损害都会导致血氧水平下降。例如,在肺炎、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)或慢性阻塞性肺疾病(COPD)等疾病中,肺的通气和弥散能力下降,导致PaO₂和SaO₂降低,患者出现低氧血症。这时,通过氧疗、机械通气、体位管理等干预措施,可以改善氧合状态,恢复外呼吸功能。

二、动脉氧含量(CaO₂)

动脉氧含量(CaO₂)反映了每升动脉血液中携带的氧气总量。它是临床评估氧运输能力的重要参数,计算公式为:

CaO=(0.003×PaO)+(1.34×Hb×SaO)

  - PaO₂是动脉血的氧分压,图中为100 mmHg。

  - SaO₂是氧饱和度,表示血红蛋白与氧结合的百分比,图中为98%。

  - Hb为血红蛋白的浓度,图中为15 g/dl。

  - 0.003是每mmHg PaO₂所溶解在血浆中的氧气量。

根据这些数据,动脉血的氧含量约为19.9容量百分比(volume %),即每升血液中有约20%的体积是氧气。

临床意义:CaO₂直接反映了血液的携氧能力。低氧含量可能由多种原因引起,包括低氧血症(PaO₂下降)、贫血(Hb下降)或氧饱和度下降。在临床上,改善CaO₂的常用方法有:

1. 提高吸入氧浓度:增加PaO₂,从而提高CaO₂。

2. 增加血红蛋白浓度:通过输血等方式增加Hb,从而提高CaO₂。

3. 改善氧饱和度:通过机械通气或氧疗,改善SaO₂。

三、静脉氧含量(CvO₂)

静脉氧含量(CvO₂)表示在静脉血中的氧气总量,计算公式与CaO₂类似:

CvO=(0.003×PvO)+(1.34×Hb×SvO)

  - PvO₂是静脉血氧分压,图中为40 mmHg。

  - SvO₂是静脉血氧饱和度,图中为75%。

根据这些数据,静脉血的氧含量约为15容量百分比(volume %),即每升静脉血液中有约15%的体积是氧气。这说明经过组织后,血液中的部分氧气已被消耗用于代谢。

临床意义:CvO₂反映了全身组织对氧气的使用情况,通常与SvO₂结合用于监测病人的氧供需平衡。SvO₂下降往往提示组织的氧需求增加,或氧供减少。SvO₂<65%通常被认为是临床危险信号,提示可能存在低心输出量、贫血、低氧血症等问题。监测SvO₂有助于早期识别组织灌注不足,并指导氧供的优化。

四、氧输送(DO₂)与氧消耗(VO₂)

1. 氧输送(DO₂)

氧输送(DO₂)是血液向组织输送氧气的能力,计算公式为:

DO=CO×CaO×10

  - CO(心输出量)是心脏每分钟泵出的血液量,图中为5 L/min。

  - CaO₂是动脉氧含量,图中为19.9 volume %。

通过该公式可以得出,图中的氧输送量为1000 ml/min,表示每分钟有1000毫升氧气通过血液输送到全身各个组织。

临床意义:DO₂是临床中用来评估患者氧供能力的重要指标。心输出量、血红蛋白浓度和氧饱和度都是影响DO₂的重要因素。当DO₂不足时,组织可能会发生缺氧,导致器官功能不全。DO₂的常见改善措施包括:

  - 增加心输出量:通过使用正性肌力药物(如多巴酚丁胺)来增强心脏的泵功能。

  - 提高氧含量:通过增加吸氧浓度或输血提高动脉氧含量。

  - 优化血流动力学:通过补液、血管扩张药物等改善血液灌注。

2. 氧消耗(VO₂)

氧消耗(VO₂)反映了组织的氧气利用情况,计算公式为:

VO=CO×(CaO−CvO)×10

  - CO(心输出量)为5 L/min。

  - CaO₂与CvO₂分别为动脉和静脉的氧含量。

根据这些数据,图中的氧消耗量为250 ml/min,表示组织每分钟使用250 ml的氧气进行代谢。这一数值反映了全身组织的代谢状态。

临床意义:VO₂是评估组织氧代谢和能量需求的重要指标。在重症患者中,VO₂的监测对于判断组织灌注是否充足非常关键。低VO₂提示组织缺血缺氧,可能需要调整血流动力学治疗方案。

五、内呼吸(Internal Respiration)

内呼吸(Internal Respiration)是指组织层面发生的气体交换过程,具体是指血液中携带的氧气在组织细胞中释放,供细胞进行代谢,产生能量的过程。与此同时,细胞代谢过程中产生的二氧化碳(CO₂)进入血液,并通过静脉系统排出体外。内呼吸是氧气从血液进入细胞、参与代谢的过程,它发生在全身的每一个组织中,是维持细胞正常功能和能量代谢的基础。
内呼吸的具体过程
1. 氧气从血液进入组织:
   - 当血液中的动脉血流经过毛细血管时,携带的氧气通过扩散作用进入组织细胞。动脉血的氧含量(CaO₂)较高,是主要的氧供来源。氧气的弥散能力取决于氧气的分压梯度,即血液中的氧分压(PaO₂)与组织中的氧分压之间的差异。
   - 在图中,动脉氧分压(PaO₂)为100 mmHg,静脉氧分压(PvO₂)为40 mmHg,这一较大的压力差确保了氧气能够从血液顺利进入组织中。
2. 细胞氧利用:
   - 进入细胞的氧气参与细胞代谢,主要用于线粒体中的有氧代谢。通过氧化磷酸化过程,生成能量(ATP),并释放二氧化碳和水。
   - 细胞的氧需求根据代谢活动的高低而有所不同。代谢活跃的组织(如脑、心肌、肝脏)消耗的氧气较多,而代谢较慢的组织则相对耗氧量较少。
3. 二氧化碳的产生和排出:
   - 细胞代谢过程中产生的二氧化碳通过毛细血管进入静脉血液,经过血液循环最终到达肺部,并通过呼吸被排出体外。静脉中的二氧化碳含量取决于细胞的代谢活动和心输出量。
内呼吸的影响因素
1. 氧供(Oxygen Supply):
   - 内呼吸的关键是组织是否能够从血液中获得足够的氧气。氧供受动脉氧含量(CaO₂)、血流量(灌注)以及血氧传递效率的影响。CaO₂的降低(如低氧血症或贫血)会限制组织获得足够氧气,影响内呼吸。 
   - 血流灌注也是内呼吸的重要因素。良好的组织灌注能确保充足的氧气运输至细胞。如果血流灌注不足(如休克、低血压),即使动脉血含有充足氧气,细胞也无法获得足够的氧供,导致组织缺氧。
2. 氧需(Oxygen Demand):
   - 细胞的氧需求取决于其代谢水平。代谢活动越高,耗氧量就越大。例如,在剧烈运动时,肌肉的氧需求显著增加;而在休息状态下,组织对氧的需求则相对较低。
3. 组织对氧的提取能力:
   - 组织的氧提取率(Oxygen Extraction Ratio, OER)代表了组织从血液中提取氧气的效率。OER的提高通常意味着组织对氧的需求增加或者氧供减少。正常情况下,静脉血的氧饱和度(SvO₂)约为75%,说明组织提取了大约25%的氧气。 
   - 在氧供不足的情况下(如休克或心衰),组织提取更多氧气,导致SvO₂下降。如果SvO₂下降至65%以下,则提示组织存在供氧不充分的情况,可能导致细胞功能障碍和代谢紊乱。
4. 氧输送和血液灌注:
   - 内呼吸的效率与全身氧输送(DO₂)密切相关。氧输送量(DO₂)越高,组织获得的氧气越多,代谢活动也能够更加充分。当DO₂下降时(如心输出量降低、贫血或低氧血症),内呼吸的效率会受到影响,导致组织缺氧。 
   - 血液灌注是影响内呼吸的一个重要因素。通过心脏泵送的血液流速以及局部组织的微循环状况都会影响氧气的传递和利用。如果组织灌注不足(如外周血管阻力增加、血容量不足等),即便动脉氧含量较高,也无法充分供给细胞。
临床意义:内呼吸在临床上具有极大的重要性,尤其是在评估患者氧供与氧需平衡时。以下是几个常见的与内呼吸相关的临床情况:
1. 休克:
   - 休克是一种常见的危及生命的急性病理状态,通常伴随组织灌注不足,导致内呼吸功能受损。在休克状态下,尽管外部氧输送可能正常,内呼吸仍可能受损,导致组织发生缺氧,进一步导致细胞代谢从有氧代谢转为无氧代谢。无氧代谢会产生乳酸,导致乳酸酸中毒,进而影响细胞功能。缺氧的临床表现包括皮肤苍白、发绀、意识模糊等。严重缺氧可能导致器官功能衰竭,如心、脑、肝、肾等器官损伤。
   - 监测SvO₂等参数可以帮助评估组织氧供是否充足。在低血容量性休克、心源性休克或感染性休克中,内呼吸的障碍是导致组织器官缺血的重要原因。
2. 心力衰竭:
   - 在心力衰竭患者中,心脏的泵功能不足,导致组织血流减少,影响内呼吸。尽管动脉氧含量可能正常,但由于心输出量不足,组织无法获得足够的氧气,导致缺氧。
   - 对于心力衰竭患者,监测氧输送和氧消耗参数(如SvO₂、乳酸水平)有助于评估病情进展和治疗效果。
3. 重症监护中的氧平衡评估:
   - 在ICU中,内呼吸的监测尤为重要。SvO₂、氧输送(DO₂)和氧消耗(VO₂)的监测可以帮助医生了解病人的氧供需平衡状态,并进行及时干预。   
   - SvO₂的下降通常意味着氧供不足或氧需增加,是一个重要的临床警报信号。例如,在感染性休克中,患者的SvO₂下降可能提示心输出量不足或组织灌注不良,需要增加液体复苏、使用升压药或调整机械通气参数。
4. 器官功能评估:
   - 不同器官对氧的需求和利用效率不同,内呼吸功能的紊乱可能首先影响到代谢活跃的器官(如心脏、肝脏、脑部等)。通过监测氧供需平衡的参数,临床医生可以识别特定器官的缺氧情况,及时进行治疗。  
   - 例如,脑部缺氧会导致意识障碍或昏迷,心肌缺氧可能导致心律失常或心力衰竭,而肾缺氧可能引起急性肾功能衰竭。
内呼吸是人体维持细胞代谢、生成能量的重要过程,它在细胞层面决定了氧气的有效利用。内呼吸的效率取决于多个因素,包括氧供、血液灌注、细胞代谢活性等。临床上,内呼吸功能障碍与多种疾病密切相关,尤其是在重症监护和急救中,监测内呼吸的相关参数(如SvO₂、DO₂、VO₂)可以帮助评估组织缺氧情况,并及时干预,以避免器官损伤和功能衰竭。
总结:
这张图详细解释了外呼吸、内呼吸以及氧气在血液中的运输和利用过程。其临床意义在于,它可以帮助医护人员评估氧输送、氧消耗及其供需平衡。图中的参数和公式如DO₂、VO₂、CaO₂和SvO₂等,常用于重症监护、麻醉和心肺疾病的管理中。通过监测这些指标,临床医生可以及时识别氧供不足或代谢失调,并做出相应的干预措施,如调整机械通气、使用血管活性药物或进行输血治疗等。

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