呼吸系统（包括气管、支气管及肺）的生理功能，除保证机体氧气（O ₂）摄入和二氧化碳（CO ₂）排出的呼吸功能外，还有代谢和防御方面的非呼吸功能。

呼吸过程包括一系列的化学和物理的步骤，通过O ₂吸入，进行氧化代谢和排出在能量代谢中形成的CO ₂。呼吸系统包括通气道和具有大面积的肺泡。肺泡与肺毛细血管紧密相接，构成呼吸膜（由肺泡毛细血管壁构成），是O ₂和CO ₂交换的场所。此外，呼吸功能还与呼吸运动和调节有关。

每次呼吸时，外界空气经过气道吸入肺泡的空气量称为潮气量（tidal volume，VT）。并非所有通气都参与气体交换。有一部分气体停留在传导性气道（包括鼻腔、口腔、咽喉、气管、支气管和细支气管）中，而无气体交换作用，称为无效腔（dead space volume，VD），其量约占潮气量的30%；其余70%的潮气量进入肺泡，进行气体交换，称为肺泡通气（alveolar volume）。在某些肺部疾病时，由于肺泡壁毛细血管床破坏而减少、肺血管痉挛和栓塞等因素，部分肺泡空气不能进行气体交换，使无效腔增加，从而降低有效通气而致肺泡CO ₂分压增加。一般来讲，肺泡CO ₂分压每增加10mmHg可降低肺泡O ₂分压12.5mmHg；因此患儿若静息下CO ₂分压达到40mmHg，即使无肺疾患，也可出现缺氧窒息。

通气血流比例（V/Q）是指肺泡每分通气量与肺泡毛细血管中每分钟血液流量呈一定的比例。成年人每分钟肺泡通气量（V）为4L，每分钟毛细血管血流量（Q）为5L，故通气与血流的关系，即V/Q＝0.8。若某种原因引起呼吸道阻塞或肺水肿，则可导致通气不足（V/Q<0.8），结果使流经肺毛细血管血液的血红蛋白与O ₂结合减少，致静脉血液混杂在动脉中，引起低氧血症。反之，若某部肺泡通气过度，而血流不变；或通气变化不大，由于肺动脉某分支栓塞或肺气肿，使肺毛细血管灌流减少；或毛细血管床因肺组织破坏而明显减少时，则V/Q>0.8，肺泡无效腔增加而致肺泡壁的气体交换减少，也可引起低氧血症。

气体从肺泡进入毛细血管必须通过弥散过程，弥散层包括呼吸膜（肺泡上皮细胞层、基底膜、毛细血管内皮层）以及血浆和红细胞（图1-4）。按Fick气体弥散定律：Q/min＝KS（P ₁-P ₂）/d，气体弥散量（Q）大小与气体的溶解系数（K）、弥散面积（S）和呼吸膜两侧（肺泡和毛细血管间）的气体分压差（P ₁-P ₂）成正比，而与呼吸膜的厚度（d）成反比。当肺泡壁因炎症破坏，或早产儿、支气管肺发育不良的婴儿因肺泡发育不良，致弥散面积减少；或由于炎性浸润或水肿液积聚而致呼吸膜增厚；或肺泡通气不足致肺泡O ₂分压降低时，可使气体弥散量减少。CO ₂溶解系数较O ₂大20倍以上，因此CO ₂的弥散速度较O ₂大21倍左右，弥散障碍主要引起低氧血症，而对CO ₂的排出无明显影响。一氧化碳弥散量（D _LCO）测定可反映弥散功能。受试者吸入一定量的一氧化碳（CO），屏气10秒钟后呼气，对呼气末样本进行CO分析。这项测定依赖于血红蛋白（Hb）对CO的亲和力，因此在肺内血容量减少或严重贫血时，D _LCO亦可下降。

分流是指肺中未经氧合的血液直接进入体循环，流量呈一定的比例。正常生理状态下存在轻度分流，如支气管动脉中未氧合血液可直接流入肺静脉，冠状静脉血可通过心脏最小静脉直接流入左心室。异常分流见于动静脉血管畸形、某些先天性心脏病（如室间隔缺损伴肺血管闭锁、房间隔缺损或卵圆孔未闭伴肺动脉高压）所致右向左分流。分流可引起低氧血症，但动脉CO ₂分压通常不升高。

正常静脉血氧分压为45mmHg，氧饱和度为75%。贫血、发热、心输出量下降时，机体需要更多的氧供而使静脉血氧浓度下降。通常可通过肺代偿作用纠正，但若同时存在通气血流比例失调、分流、弥散功能损害、运动等状况，则可使肺毛细血管血不能充分氧合。

O ₂是通过物理溶解和化学结合两种形式来完成输送的。小部分O ₂溶解在血浆中，即氧含量（oxygen content），当动脉血氧分压为100mmHg时，100ml血液中氧含量为0.3ml；绝大部分O ₂与Hb结合成氧合血红蛋白（HbO ₂）进行输送，即氧容量（oxygen capacity）。1克Hb可结合1.34ml O ₂，故Hb为14g的100ml血液的氧容量为19.5ml。氧饱和度是指HbO ₂占总Hb的比例。正常动脉血氧饱和度为98%，静脉血氧饱和度为75%。一般动脉血氧饱和度达到80%时，可出现发绀。Hb与氧结合力下降可引起O ₂的输送障碍。如Hb量减少（如贫血）或质改变（如Hb被某些氧化剂如亚硝酸钠或非那西丁等氧化为高铁血红蛋白，或CO中毒导致碳氧血红蛋白形成），可引起血液性低氧血症；O ₂摄入不足（包括通气和换气功能障碍）可引起乏氧性低氧血症；氰化物中毒可引起组织中毒性低氧血症等。

血CO ₂浓度与肺通气量有关。呼吸频率、潮气量和无效腔，任何一项的改变均可引起肺通气量变化。通气量增加1倍，则血CO ₂浓度降低一半；通气量减少一半，则CO ₂浓度可升高1倍。低通气量常见于某些药物反应（如阿片类、苯二氮 类、酒精等）、中枢神经系统感染、创伤、癫痫发作、败血症、早产儿呼吸暂停或窒息、先天性中枢性低通气综合征、睡眠呼吸暂停综合征、胸廓创伤或畸形、神经肌肉性疾病、急性呼吸窘迫综合征、脊柱侧凸、肺栓塞、全身麻醉等。引起肺通气量增加的常见疾病包括代谢性酸中毒、水杨酸盐摄入、焦虑、中枢神经系统疾病、疼痛等。

CO ₂的输送方式有3种：物理溶解、碳酸氢钠和氨基甲酰化合物；其中90%是以碳酸氢钠的形式通过红细胞输送。组织产生的CO ₂进入动脉血中的红细胞，在碳酸酐酶作用下与H ₂O结合成碳酸，并同时解离为H ⁺和HCO ₃ ^-；H ⁺与HbO ₂结合，可释放O ₂给组织利用，并形成还原型血红蛋白，当静脉血流经肺脏时，上述反应则趋向相反方向进行。

正常人能量代谢每天产生15～30mmol碳酸（挥发酸）和80～90mmol固定酸。前者经肺呼出CO ₂以维持体内一定量的碳酸；后者经肾脏排出，同时保留一定量的碳酸氢钠，使血液中NaHCO ₃/H ₂CO ₃的比值维持在20/1，血液pH得以维持在7.4左右。因此动脉血CO ₂分压（PCO ₂）对于维持机体的酸碱平衡具有重要的作用。当PCO ₂增加，可使血液pH下降，即呼吸性酸中毒；肾脏随之代偿性地调节碳酸氢钠水平而引起代谢性碱中毒，此过程一般需要3～5天。当PCO ₂降低，血pH升高，即出现呼吸性碱中毒，肾脏可随之代偿性地增加碳酸氢钠排出，而引起代谢性酸中毒。一般来讲，急性呼吸性酸中毒时，PCO ₂每升高10mmHg可使血液pH下降0.08，碳酸氢钠增加1mEq/L；慢性呼吸性酸中毒时，经过肾脏代偿，PCO ₂每升高10mmHg可使血碳酸氢钠升高4mEq/L；急慢性呼吸性碱中毒则正相反。原发性代谢性酸中毒是由于HCO ₃ ^-降低所致，通过呼吸代偿，增加肺通气，使CO ₂排出增多，而PCO ₂下降；反之，代谢性碱中毒系细胞外液丢失大量的酸或吸收大量的碱，以致使HCO ₃ ^-增多所致，则可引起呼吸抑制，通气减弱呼吸，使CO ₂排出减少。因此了解PCO ₂、pH和碳酸氢钠的变化，有助于辨别机体代偿、失代偿和部分代偿的状态。

肺通气需依靠呼吸运动来完成，即外界空气（O ₂）进入肺内，同时体内产生的CO ₂被排出体外，表现为胸腔节律性的扩大和缩小，与以下几种因素有关。

平静呼吸时主要通过膈肌和肋间外肌的节律性收缩和舒张，使空气吸入、呼出。当运动、咳嗽、唱歌、下气道阻塞时，腹肌和肋间内肌可参与呼气运动；神经肌肉病变、腹肌无力或术后腹痛可影响咳嗽和呼吸道排痰功能。呼吸窘迫时，胸锁乳突肌、斜角肌参与呼吸运功，以增强呼吸功能；肋骨下、肋间、胸骨上等肌肉和胸廓软组织间隙可出现吸气性凹陷，病情越重凹陷越明显。

肺泡就像气球，需要一定压力使之膨胀。顺应性是指肺和胸廓的弹性膨胀力，是肺内和/或胸腔内单位压力变化时的肺内容量的变化。肺和胸廓顺应性降低可使肺通气量减少。肺顺应性随年龄增长而增加；在每厘米水柱压力下，小儿肺容量变化为4～6ml，成年人则为105～190ml。当有广泛肺纤维化、肺水肿、急性呼吸窘迫综合征时，肺顺应性下降，肺通气量减少。肺泡表面活性物质可通过减少肺泡表面张力而使肺顺应性增加。正常情况下肺泡表面张力具有吸引肺泡毛细血管中液体趋向肺泡间隙的拉力作用（-3mmHg）。当肺泡表面活性物质减少时，肺泡表面张力增加，其拉力可增加至（-20～-10）mmHg，从而可使毛细血管中液体漏出血管外，进入肺泡内或间隙中而形成肺水肿；水肿液中含有蛋白质成分，凝固后即成为一层透明膜，覆盖在肺泡壁上，影响肺通气和肺换气的过程，从而造成严重缺氧。早产儿常缺乏足够的肺泡表面活性物质，可引起肺顺应性降低，易发生新生儿呼吸窘迫综合征。胸廓顺应性可对抗肺萎缩的倾向。静息肺容积，即功能残气量（FRC），可反映这两种对抗力的结果。

上呼吸道（包括鼻和口咽部）阻力占总气道阻力的25%～40%。婴儿主要依靠鼻腔呼吸，平均鼻腔阻力为13cmH ₂O，接近总阻力的1/2，这种比例至5岁时才接近成人的水平，故当鼻腔有炎性水肿或异物堵塞、喉头或支气管水肿时，气道阻力明显增加，而出现呼吸困难。婴儿鼻翼扇动可使鼻腔阻力降低，从而减轻气道阻力。

平静呼吸时，空气在气道内呈层流状态，呼吸道阻力与气流压力（ΔP）和空气流速（V）有关，即：阻力（R）＝ΔP/V。气体流速按Poiseuille定律：V＝πr ⁴ΔP/8Lη，代入上述公式，R＝8Lη/πr ⁴，即气道阻力与气道长度（L）和气体的黏滞度（η）成正比，而与气道口径（r）的4次方成反比；故气道口径的变化对气道阻力的影响更大。当细支气管炎时分泌液过多或黏膜水肿，可造成气道口径缩小，气道阻力明显增加，肺通气功能可明显减弱。但此公式不适于呈涡流状态的气流。凡气道分叉处或在病理情况下如炎症渗出、管道扭曲变形而呈不规则状态时，气流为涡流，气道阻力则与气体密度相关。呼吸道阻力可通过肺功能检查进行测定。

神经系统调节呼吸深度、节律和呼吸肌的协同作用，其中延髓的呼吸中枢最为重要，它经常发放自动节律性的冲动到达呼吸肌，使之出现节律性的呼吸运动，若延髓中枢直接受损（如小脑-延髓池穿刺或重力损伤延髓），呼吸可立即停止。脑桥上部有呼吸调整中枢，能间歇地抑制吸气中枢的活动，同时兴奋呼气中枢，以阻止延髓吸气中枢的活动过于强烈和延长。此外，肺牵张反射对呼吸运动也有一定的调节作用；肺炎时由于肺牵张反射敏感性提高，常出现呼吸急促的症状。

呼吸中枢的兴奋需依靠化学或神经体液的调节作用，中枢化学感受器或外周化学感受器可感受血液中O ₂和CO ₂浓度的变化，使呼吸中枢兴奋或抑制，以调节呼吸肌运动。

呼吸膜是人体与外环境接触最广的组织，每天约有大于10 000 L外界空气（O ₂）与大约500m ²的肺表面积相互接触。外界空气中有许多有害物质，包括污染空气中的有机和无机颗粒，以及浮游于尘埃中的花粉、细菌、病毒和真菌等。由于呼吸系统有强大的生物屏障功能，故能将吸入的有害物质阻挡在上呼吸道，或通过清除和/或消灭异物的机制而使机体免受其害。这些功能就是呼吸道的防御功能，包括非免疫性防御和免疫性防御两种机制。

主要通过物理、体液和细胞的作用，将吸入外界空气中的有害物质阻挡、清除或消灭。

肺毛细血管直径为8μm，当大于8μm的颗粒流经时可延迟输送，被肺中活性物质分解、消灭或永久扣留在肺内。肺内皮细胞中富含血浆素原激活物，有活跃的纤溶功能，对栓子的清除较快，并能控制全身血液凝固性过高的影响。

当鼻腔、咽喉部或气管受到机械激惹或吸入某些刺激物质时，可使支气管收缩或引起咳嗽反射，阻止刺激物向下影响深部肺组织。

吸入呼吸道的颗粒可通过各种不同方式被阻挡在各段呼吸道，然后通过纤毛运动和/或吞噬细胞的作用被清除掉。直径大于10μm的颗粒主要阻挡在鼻咽部；2～5μm的颗粒可沉积于细支气管和终末肺单位，故雾化疗法治疗时，要求药物最适宜的雾化颗粒直径应在1～5μm；1～2μm大小的颗粒多数沉积在肺泡壁上，被肺泡巨噬细胞吞噬后向终末细支气管移动，最后被纤毛调节作用清除掉；凡小于0.1μm的颗粒，可通过肺泡壁弥散进入毛细血管中。

鼻腔后2/3至鼻咽部之间，从喉头直达终末细支气管的支气管壁上有黏液遮盖的纤毛上皮，通过黏液纤毛的推动作用，可将呼吸道中的黏液向上输送，然后通过咳痰或吞咽清除掉。黏液由气道壁上杯状细胞和黏液细胞分泌；在病理情况下（如慢性支气管炎），黏液腺和杯状细胞肥大增生，其数量可超过纤毛细胞，分泌的黏液量大为增加，结果导致黏液纤毛输送障碍，造成细支气管阻塞。

气道含有一些非特异性的体液成分，可保护支气管黏膜表面，使它免受外界有害因子的侵袭，包括乳铁蛋白、α ₁-抗胰蛋白酶、溶菌酶、干扰素和补体等。

呼吸道具有防御作用的细胞主要有两种：

在人肺中约有6×10 ⁸个巨噬细胞，能吞噬外来的微小尘埃颗粒、病原微生物、过敏原或渗出的红细胞等，是呼吸膜的主要保护成分。巨噬细胞中富含蛋白水解酶，其吞噬消化功能远超过中性粒细胞和单核细胞。吞噬需通过很强的氧化磷酸化过程，其耗氧量是中性多核细胞的10倍、单核细胞的3倍，故在缺氧情况下，其吞噬功能显著减弱。肺泡巨噬细胞既参与肺部重要的防御机制，又可促使肺部广泛性炎症反应的发生，可导致破坏性和纤维化病变（如硅肺）。

可摄取和吞噬细菌、支原体、白色念珠菌和其他颗粒等，但较中性粒细胞的作用弱。嗜酸性细胞是速发型过敏反应中的调节细胞，参与哮喘或其他过敏性反应的发病。

可分为非特异性免疫防御和特异性免疫防御两种。

是无需依赖任何一种特殊微生物的刺激或接触所引起的一种免疫反应，包括天然抗体、补体等。天然抗体是在无特异性抗原的接触或刺激下存在于血清中的一些抗细菌抗体，可对各种不同细菌的多糖细胞壁抗原产生交叉反应，其产生与遗传基因有关。补体系统为机体非特异性防御的体液因素之一，在中和病毒、杀灭细菌和促进吞噬等方面起着重要的作用。补体成分缺乏可导致呼吸道的反复感染。

包括体液免疫（特异性免疫球蛋白）和细胞免疫反应。

整个呼吸道从鼻咽部到呼吸性细支气管和肺泡，均有淋巴组织存在，包括淋巴结、淋巴小结和淋巴样集合体，可产生3种主要的免疫球蛋白IgA、IgG和IgM。其中分泌型IgA（SIgA）是呼吸道黏膜表面的原始防御机制，存在于鼻腔和上、中呼吸道的分泌物中。当用某些病毒疫苗如鼻病毒、副流感病毒、腺病毒和流感病毒等疫苗作鼻内局部免疫，可以激发SIgA的产生。SIgA抗体对抗感染的作用较任何种血清抗体更佳。初生的新生儿血清中IgA量极低，生后1～3个月稍有增加，从儿童到青春期，仅为成人的1/2～2/3。IgA缺乏者易患呼吸道和胃肠道感染，或对饮食抗原有较高的血清抗体，并伴有过敏反应，如哮喘、过敏性鼻炎或湿疹等（婴儿湿疹可能与摄入的牛奶抗原有关）。IgE主要参与速发型过敏反应。特异性IgE抗体通过Fc段结合在肥大细胞和嗜碱性粒细胞的表面，其Fab段结合过敏原，然后激活细胞内的代谢过程，导致脱颗粒变化，释放出组织胺等介质，从而促发过敏性鼻炎、结膜炎和哮喘的发生。IgE在正常血清中的含量甚微，但特应性个体的血清中IgE浓度可增加3～10倍。

当肺与外界感染因子、毒素、化学品或过敏原接触后，可促使产生致敏T细胞。当致敏T细胞再次遇到相应的抗原刺激后即可释放多种淋巴因子，增强巨噬细胞的吞噬功能，或直接杀伤靶细胞。细胞免疫还可对抗肺普通细菌（如葡萄球菌和革兰氏阴性杆菌）的感染。当某些疾病应用免疫抑制剂或细胞毒化疗时，T细胞的免疫功能被抑制，则往往出现各种常见细菌所引起的肺部感染，也易诱发真菌感染。

总之，肺部反复感染虽可由多种因素引起，但常与肺防御功能的减弱有关。