一、肺泡氣體交換的基本原理 Principles of Gas Exchange in the Lungs
1️⃣ 氣體交換的定義Gas Exchange
氣體交換指的是氧氣（Oxygen, O₂）與二氧化碳（Carbon dioxide, CO₂）在肺泡（Alveoli）與肺毛細血管（Pulmonary capillaries）之間的擴散過程。
- 將氧氣輸送至血液（oxygenation of blood）
- 將二氧化碳排出體外（removal of CO₂）
此過程主要透過擴散（Diffusion）完成。
2️⃣ 氣體擴散的基本動力 Driving Force of Diffusion
- 氣體擴散的主要驅動力是分壓差（Partial pressure gradient）
- 氣體分壓（Partial pressure）：指某氣體在混合氣體中所產生的壓力。
- 例如：
- 氧氣分壓：PO₂
- 二氧化碳分壓：PCO₂
當兩個區域之間存在分壓差時，氣體會由高分壓 → 低分壓進行擴散。
3️⃣ 肺泡氣體交換的方向
在正常生理狀態：
氧氣（O₂）
- 肺泡 PO₂ 高
- 血液 PO₂ 低
結果：
O₂：肺泡 → 血液
二氧化碳（CO₂）
- 血液 PCO₂ 高
- 肺泡 PCO₂ 低
結果：
CO₂：血液 → 肺泡
4️⃣ 擴散速率的影響因素
根據氣體擴散定律，擴散速率受以下因素影響：
(1) 分壓差（Pressure difference）
分壓差越大→ 擴散速率越快
(2) 膜的表面積（Surface area）
表面積越大→氣體交換效率越高→肺泡總表面積極大，因此可有效進行氣體交換。
(3) 膜厚度（Thickness）
- 膜越薄→擴散速度越快
- 肺泡膜極薄，通常只有約 0.2–0.6 µm
(4) 氣體溶解度（Solubility）
氣體在膜中的溶解度越高→ 擴散越快
(5) 分子量（Molecular weight）
分子量越小→ 擴散越快
5️⃣ 不同氣體擴散能力比較
在相同壓力差下，CO₂擴散速度約為O₂的20倍
原因：
- CO₂ 溶解度較高
因此只需要非常小的壓差即可完成擴散。
二、肺泡空氣（Alveolar Air）
1️⃣ 肺泡空氣的特性
肺泡空氣：
- 與血液持續進行氣體交換
- 空氣更新速度緩慢
- 含有水蒸氣
2️⃣ 肺泡空氣更新速度
每次正常呼吸：
- 約 350 ml 新空氣 進入肺泡
- 肺泡總氣體量約 2300 ml
因此：
- 每次呼吸只更新約 1/7 的肺泡氣體
- 因此肺泡氣體更新速度非常緩慢。
3️⃣ 肺泡氣體更新緩慢的生理意義
生理功能：
- 防止血液氣體濃度劇烈變化
- 穩定呼吸調節系統
- 維持組織氧氣供應穩定
4️⃣ 肺泡氣體組成
海平面情況下：
氣體 肺泡分壓
氧氣 PO₂約 104 mmHg
二氧化碳 PCO₂約 40 mmHg
水蒸氣 PH₂O約 47 mmHg
此組成與大氣空氣和呼出氣體皆存在明顯差異。
三、呼吸單位（Respiratory Unit）
1️⃣ 呼吸單位的定義
- 呼吸單位（Respiratory unit）又稱呼吸小葉（Respiratory lobule）
- 肺部進行氣體交換的最小功能單位
2️⃣ 呼吸單位的組成
呼吸單位：
- 呼吸性細支氣管Respiratory bronchiole
- 肺泡管Alveolar duct
- 肺泡囊 Alveolar sac
- 肺泡Alveoli
3️⃣ 肺泡數量
- 人體兩肺大約具有3億個肺泡
- 每個肺泡平均直徑約0.2mm
4️⃣ 肺泡壁結構
肺泡壁特徵：
- 極薄
- 與毛細血管緊密接觸
- 形成氣體交換介面
- 毛細血管網絡非常密集。
- 血液流動如同一層血液薄片（sheet of flowing blood）
四、呼吸膜（Respiratory Membrane）
1️⃣ 呼吸膜定義
- 呼吸膜（Respiratory membrane）又稱肺膜（Pulmonary membrane）
- 肺泡空氣與肺毛細血管血液之間進行氣體交換的膜結構
2️⃣ 呼吸膜的層次
呼吸膜由多層結構組成：
① 表面液體與表面活性劑層Fluid layer containing surfactant
作用：
- 降低肺泡表面張力
- 防止肺泡塌陷
② 肺泡上皮（Alveolar epithelium）
由扁平上皮細胞（Type I alveolar cells）構成。
特徵：
- 極薄
- 有利氣體擴散
③ 上皮基底膜（Epithelial basement membrane）
作用：
- 提供結構支撐
- 維持細胞附著
④ 間質空間（Interstitial space）
位於肺泡上皮與毛細血管之間
包含：
- 結締組織
- 組織液
⑤ 毛細血管基底膜（Capillary basement membrane）
很多地方會與肺泡上皮基底膜融合，使擴散距離更短。
⑥ 毛細血管內皮（Capillary endothelium）
- 構成血管壁。
- 氧氣與二氧化碳最終需通過此層。
3️⃣ 呼吸膜厚度
- 正常厚度約0.6µm
- 極薄的結構使氣體能迅速擴散
五、呼吸膜的擴散能力Diffusing Capacity of the Respiratory Membrane
1️⃣ 擴散能力定義
- 擴散能力（Diffusing capacity）定義為每分鐘在 1 mmHg 分壓差下，能通過呼吸膜的氣體體積。
- 單位：ml/min/mmHg
2️⃣ 影響擴散能力的因素
- 呼吸膜表面積
- 呼吸膜厚度
- 氣體溶解度
- 血流量
3️⃣ 氧氣擴散能力
靜止時約21 ml/min/mmHg
4️⃣ 運動時的變化
劇烈運動時，氧氣擴散能力可增加至約3倍
原因：
① 更多肺毛細血管開啟
② 毛細血管擴張
③通氣與灌流匹配改善
5️⃣ 二氧化碳擴散能力
- CO₂ 的擴散能力非常高，約400–450ml/min/mmHg
- 原因：CO₂ 溶解度高
六、運動對氣體交換的影響
1️⃣ 運動時肺血流增加
運動時：
- 心輸出量增加
- 肺血流增加
2️⃣ 毛細血管招募（Capillary recruitment）
- 許多平時未開放的肺毛細血管會打開（recruitment）
- 增加交換表面積
3️⃣ 通氣灌流匹配改善
- 運動時肺泡通氣（Ventilation）與血流灌流（Perfusion）之間的比例更佳。
- 此比例稱為通氣灌流比（Ventilation-Perfusion ratio）
七、肺部疾病對氣體交換的影響
1️⃣ 肺氣腫（Emphysema）
- 病理變化：
- 肺泡壁破壞
- 多個肺泡融合
- 結果：
- 表面積大幅下降
- 有時可下降至正常的 1/5
2️⃣ 肺切除（Lung removal）
若切除一側肺，呼吸膜表面積減少50%
3️⃣ 氣體交換受損
當呼吸膜表面積降低至正常的1/3或1/4，即使在休息時，氣體交換也可能受阻。
八、氣體擴散的臨床測量
1️⃣ 氧氣擴散測量困難
因為肺毛細血管中的PO₂很難直接測量
2️⃣ 一氧化碳測試法Carbon Monoxide Method
臨床上常使用CO 擴散測試測量DLCO（Diffusing capacity of lung for carbon monoxide）
3️⃣ 測量原理
- 一氧化碳具有以下特性：
- 與血紅素結合力強
- 血液中幾乎沒有 CO
- 因此：
- 肺泡 CO → 血液 CO幾乎完全由擴散決定
4️⃣ 臨床用途
DLCO 用於評估：
- 肺纖維化
- 肺氣腫
- 間質性肺病
