第六章呼吸（ Respiration ）与运动

第六章呼吸（Respiration）与运动 本章提要：呼吸系统是氧运输系统的重要组成部分，其主要机能是实现机体与外界环境的气体交换，以使血液的PO2、PCO2、H+浓度维持在正常生命活动所需的范围之内，协助机体维持酸碱平衡。本章主要就运动时外呼吸的变化规律、功能评定及其对运动产生的适应性变化等内容进行了分析和阐述，并讨论了在运动中如何合理呼吸的问题。学习目标： 1、了解肺通气原理，掌握运动时应采用的合理呼吸方法； 2、掌握肺通气的评定方法和肺通气功能对训练的适应规律； 3、掌握气体的交换过程，了解其影响因素； 4、掌握肺换气功能的评定方法和肺换气功能对训练的适应规律； 5、掌握运动时呼吸功能的变化规律，了解其调节机制。

呼吸系统概图

呼吸:机体与外界环境之间进行的气体交换过程。呼吸:机体与外界环境之间进行的气体交换过程。 1.外呼吸：外界环境与血液在肺部进行气体交换。 (1)肺通气:肺与外界环境的气体交换。 (2)肺换气：肺泡与肺毛细血管之间的气体交换。 2.内呼吸(组织换气)：血液通过组织液与组织细胞间进行的气体交换。 3.气体在血液中的运输：O2运到血液，CO2运出肺的过程。

肺静脉 左心动脉肺毛细血管毛细血管组织细胞 O2 O2 空气呼吸道肺泡 CO2 CO2 肺动脉右心静脉内呼吸外呼吸气体运输呼吸三个环节：

第一节肺通气 肺通气：肺与外界环境之间进行气体交换的过程。结构：血管网粘液腺加湿、加温、过滤、清洁纤毛迷走N→ACh+M受体→收缩→气道阻力↑ 平滑肌 (故哮喘病人夜间发作较多) 交感N→NE+β2受体→舒张→气道阻力↓ 呼吸肌（动力）：与肺通气的动力有关（膈肌、肋间外肌、肋间内肌、腹壁肌）。胸膜腔：其负压与肺扩张有关（胸膜脏层和壁层之间的腔隙）呼吸道（通道）

1、呼吸运动 （1）平静呼吸：膈肌收缩使膈顶下移，增大胸廓的上下径肋间外肌收缩使肋骨上提,扩大胸廓前后、左右径膈肌和肋间外肌舒张，肋骨和膈肌弹性回位，缩小胸廓上下、前后、左右径在胸膜腔负压作用下胸廓容积扩大，肺在胸膜被动扩张 (因肺无主动扩缩的组织结构) 胸廓容积缩小, 肺被动缩小肺内压＞大气压，气体经呼吸道出肺肺内压＜大气压，气体经呼吸道入肺吸气呼气

2. 用力呼吸： 用力吸气时，辅助吸气肌也参加，胸廓容积进一步扩大。用力呼气时，除吸气肌舒张外，呼气肌也参加（肋间内肌+腹壁肌收缩），胸廓容积进一步缩小。人工呼吸: 基本原理:使肺内与外界大气压间产生压力差 3.呼吸形式按呼吸深度分:平静呼吸和用力呼吸；按动作部位分:胸式呼吸、腹式呼吸和混合式呼吸。混合呼吸:正常成人。频率: 成人:12～18次/分婴儿:60～70次/分 4.特点： ①平静呼吸时，吸气是主动的，呼气是被动的。 ②用力呼吸时，吸气和呼气都是主动的。 ③平静呼吸时，肋间外肌所起的作用＜膈肌。

一、肺通气功能的评定 （一）肺容积肺容量：肺能容纳的最大气体量。包括潮气量、补吸气量、补呼气量和余气量，正常值约为3900～5200毫升。肺基本容积的定义和容量在呼吸过程中，肺容量随进出肺的气体量而发生变化，测定肺容量可对肺通气功能进行评定。

肺容积、肺容量

（二）深吸气量和功能余气量 深吸气量(IC)：平静呼气末尽最大力量吸气，所能吸入肺内的气体量。是衡量最大通气能力的一个重要指标。深吸气量=补吸气量＋潮气量男子为3000ml；女子为2000ml；功能余气量(FRC)：平静呼气末，肺内所余留的气体量。功能余气量=余气量＋补呼气量正常值：2500ml 意义：缓冲肺泡中PO2、PCO2的变化，避免其过高或过低，有利气体交换。平静吸气时进入肺泡的新鲜空气350ml，占功能余气量的1/7。

（三）肺活量和时间肺活量 肺活量（VC）:最大吸气后，尽力所能呼出的最大气体量。肺活量=潮气量＋补吸气量＋补呼气量男3650ml ；女2751ml；优秀运动员7000ml；肺活量反映了一次通气的最大能力，但由于测定时不限制呼气的时间，所以不能充分的反映肺通气功能。时间肺活量（TVC）：最大吸气之后，尽力以最快的速度呼气，前3秒末的呼出气量占肺活量百分比。其中第一秒的时间肺活量意义最大。正常值：第1秒末为83%、第2秒末为96%、第3秒末为99%。意义：反映肺活量容量的大小、呼吸所遇阻力的变化，是评价肺通气功能较好指标，阻塞性肺疾患的时间肺活量↓。有训练运动员的t1较常人高。

(四)每分通气量和每分最大通气量 1、每分通气量（VE）：每分钟吸入或呼出的气体量每分通气量＝潮气量 X 呼吸频率安静时: 12－16次×500 ml＝6－8L 剧烈运动时：80-15OL或更多(180-200L) 2、最大通气量 =最大限度潮气量×最快呼吸频率(次/分) 是评定肺通气功能的三个常用指标之一。（肺活量、时间肺活量）男：100—120L/min 女：70—80L/min 运动员：180L/min 最大随意通气量（MVV）：在实验条件下，最大限度地做深而快的呼吸，每分钟吸入或呼出的最大气体量。一般成年男子的MVV为100～180L/min，女子的MVV为70～120L/min有训练的耐力运动员的MVV高于一般人。

（五）肺泡通气量（VA） VA：人体每分钟吸入肺泡真正参与气体交换的新鲜空气量。肺泡通气量＝(呼吸深度-生理无效腔)×呼吸频率（次/min） 500ml 150ml 12——16 解剖无效腔：无气体交换能力的腔室（从上呼吸道→呼吸性细支气管）。肺泡无效腔：因无血流通过而不能进行气体交换的肺泡腔。生理无效腔＝解剖无效腔＋肺泡无效腔呼吸深度=潮气量在运动过程中当呼吸频率过快时，气体将主要往返于解剖无效腔，而真正进入肺泡内的气体量却较少，因此，从提高肺泡气更新率的角度考虑，增加呼吸深度是运动时呼吸调节的重点，采取适当的呼吸深度既能节省呼吸肌工作的能量消耗，又能提高肺泡通气量和气体交换的效率。

深慢呼吸 8 1000 8000 6800 3200 浅快呼吸 32 250 8000 不同呼吸频率、潮气量对肺通气量及肺泡通气量的影响被测者呼吸频率 (次/分) 潮气量 (毫升) 肺通气量 (毫升/分) 肺泡通气量 (毫升/分) 500 8000 5600 正常安静 16 结论：在一定的呼吸频率范围内深而慢的呼吸比浅而快的呼吸更为有效。

二、肺通气功能对训练的反应和适应 （一）肺通气功能对训练的反应运动时机体代谢旺盛，呼吸系统将会发生一系列变化以适应机体代谢的需要。运动中肺通气量变化的规律：运动强度较低时，每分通气量的增加主要是呼吸深度（潮气量）的增加；而运动强度增加到一定程度时，主要是依靠呼吸频率的增加。在一定范围内每分通气量与运动强度呈线性相关，若超过这一范围，每分通气量的增加将明显大于运动强度的增加；运动过程中通气量的上升有一个过程，运动开始前通气量已稍有上升，运动开始后通气量先突然升高，进而再缓慢升高，随后达到一个平稳水平，运动停止时也是通气量先骤降，继之缓慢下降达运动前水平。

（二）肺通气功能对训练的适应 1、每分通气量的适应训练对肺通气量的影响不大；亚极量运动时的每分通气量增加的幅度减少，而最大通气量明显较无训练者大。有训练的耐力运动员在进行递增负荷时，肺通气量发生非线性变化的时间延迟，通气阈增大。 2、肺通气效率提高训练可使安静时呼吸深度增加、呼吸频率下降，运动时呼吸深度和频率的匹配更加合理。运动时，在相同肺通气量的情况下，运动员的呼吸频率比无训练者要低，即运动员肺通气量的增长主要是依靠呼吸深度来增加的。运动中较深的呼吸，将使肺泡通气量和气体交换效率提高，呼吸肌的能耗量和耗氧量也随之下降，肺通气变得更为有效，这对进行长时间的运动是有利的。而新手在运动中往往呼吸节律不规律，在长时间剧烈运动中还可能因呼吸紊乱则导致呼吸肌疲劳及耗氧量增多而降低运动能力。

3、氧通气当量下降 氧通气当量：每分通气量和每分吸氧量的比值（VE/VO2）。氧通气当量小表明氧的摄取效率高，是一个评价呼吸效率的一项重要指标。人体在安静时氧通气量当量为20（5L/0.25L），在最大强度运动中VEmax可达190L/min最大摄氧量达5L/min，氧通气当量可达35。说明在运动时肺通气能力的增加，相对高于氧化代谢能力的增加。在相同强度运动时，优秀耐力运动员的VE/VO2较一般人低，提示在相同吸氧量情况下，运动员的通气量比无训练者要少；在相同肺通气量情况下，运动员的吸氧量较无训练者要大，即呼吸效率高，能完成的运动强度也大。

三、运动与呼吸 （一）呼吸方法：正常人安静时的呼吸是经过鼻呼吸的方法进行的，鼻对空气具有净化、湿润和温暖的作用。但在运动时，为提高呼吸的效率，增加散热途径，常采取嘴鼻并用的呼吸方法。研究指出，运动时增加嘴的通气，肺通气量由仅用鼻呼吸的80L/min可增至173L/min。当人体进行慢跑时，对氧需求量不是太大时，采用以鼻吸气、嘴吐气的方式为佳，随着速度的加快，可增加嘴吐气的深度和频率。对于健身锻炼者来说，主观感觉必须使用嘴帮忙吸气时，说明跑步速度太快，宜适当放慢运动速度。

（二）呼吸型式 腹式呼吸：以膈肌收缩为主的呼吸形式。胸式呼吸：以肋间外肌收缩为主的呼吸形式。混合式呼吸：腹式呼吸和胸式呼吸共同参与而形成的呼吸形式。在运动中，能否采用合理的呼吸形式，对于完成技术动作是非常重要的。完成需要固定胸廓而便于发力的动作（支撑悬垂、倒立）的以腹式呼吸为主。完成需要腹肌紧张的动作（仰卧起坐、直角支撑）的以胸式呼吸为主。呼吸形式较为复杂的项目，应于相关的动作相适宜的呼吸形式进行配合。

（三）憋气 胸内压：胸膜腔内的压力(负压)。（常低于大气压）负压的成因：肺的弹性回缩力胸内压=大气压(肺内压)-肺的弹性回缩力意义：①可保持肺的扩张状态，维持正常呼吸。 ②可使胸腔内壁薄且扩张性大的静脉和胸导管扩张，促进血液和淋巴回流。憋气能反射性地引起肌张力增加，使胸廓固定，为上肢发力的运动获得稳定的支撑。但憋气时，胸内压呈正压，会导致静脉血回流困难，心输出量减少，血压下降，造成心肌、脑细胞、视网膜供血不足，产生头晕、恶心、耳鸣、眼冒金星等感觉。憋气结束时，出现的反射性深吸气，使胸内压骤减，潴留于静脉的血液迅速回心，血压骤升。这对于儿童少年的心脏发育和缺乏心力储备者或老年人心血管功能会产生极为不利的影响。

胸内压 （intrapleural pressure）

（四）过度通气（自学） （五）哮喘和运动诱发的支气管痉挛（自学）

第二节气体的交换 气体交换肺换气：肺泡与血液之间的气体交换（呼吸膜）。组织换气：血液与组织之间的气体交换（毛细血管壁和组织细胞膜）

呼吸膜示意图

一、气体交换的原理 分压：混合气体中各组成气体所具有的压力。常用P来表示。可用混合气体的总压力乘以各组成气体在混合气体中所占的容积百分比来求得。人体肺泡内、血液中和组织中PO2和PCO2是不同的，彼此之间存在着分压差，使气体从分压高的地方向分压低的地方扩散。分压差是实现气体交换的动力，分压差的大小决定着气体的扩散方向和扩散速率。气体交换分压差越大，预示气体扩散越多。气体扩散的最终结果是压力平衡，分压差消失。安静时肺泡气、血液和组织内PO2和PCO2 （单位：千帕，括号内为毫米汞柱）

二、气体交换的过程 换气动力：分压差换气方向：分压高→分压低换气结果：肺静脉血→动脉血组织动脉→静脉血三、影响气体交换的因素（一）气体的扩散速度扩散速度快，气体交换也快，反之则慢。气体分子的扩散速度与溶解度及分压差成正比，与相对分子质量的平方根成反比。综合考虑气体的分子量、溶解度以及分压差， CO2实际的扩散速度约为O2的2倍。（二）呼吸膜的通透性和面积正常呼吸膜非常薄，平均厚度不到1μm，通透性与面积极大 (70-100m2)。安静状态时仅有40m2参与气体交换。故呼吸膜有相当大的贮备面积。

（三）通气/血流比值 通气/血流比值：每分钟肺泡通气量(VA)和每分钟肺毛细血管血流量(Qc)之比值，简写为VA/Qc。安静时：VA/Qc比值(4200/5000)=0.84。此时肺通气量与血流量处于最佳匹配，气体交换效率最高。小于0.84，意味着通气不足；大于0.84，意味着通气过剩，血流不足。研究认为，运动时肺通气量不量限制有氧能力的主要原因，而心脏功能占主要因素。因此，增强心脏功能，使剧烈运动时单位时间内流经肺泡的血流量增多，有利于使通气/血流比值保持在较合理水平，以提高肺换气效率。

四、肺换气功能的评定 肺换气功能可用氧扩散容量进行评定。定义：指呼吸膜（肺泡膜）两侧的氧分压为0.13kPa(1mmHg）时每分钟可扩散的氧量。氧扩散容量与肺换气效率之间呈正相关。意义：它可作为肺换气功能的指标。此值大说明肺换气效率高。肺的高扩散能力保证加快氧从肺泡中扩散到毛细血管，并使它在负荷强度很大时迅速地饱和。静息时：男子（青年）：20—33ml/min·mmHg 运动时：男子（青年）：60ml/min·mmHg 成年人>老年人、儿童；男性>女性；平卧>直立；运动>安静运动员>非运动员；划船运动员>游泳运动员>速度滑冰运动员运动时氧扩散容量的增大与运动强度成正比。

氧扩散容量大的原因：①心输出量大； ②参与气体交换的肺泡表面积增大； ③呼吸膜弥散阻力下降。

第三节呼吸运动的调节 呼吸运动是一种节律性活动,其变化是通过神经和体液的共同调节实现. 一、呼吸中枢及其呼吸的反射性调节呼吸的节律性活动是由呼吸中枢节律性活动所支配。（一）呼吸中枢：中枢神经系统内产生和调节呼吸运动的神经细胞群。基本呼吸中枢：延髓（吸气中枢、呼气中枢）呼吸调整中枢：脑桥其主要功能是限制吸气,控制吸气深度。基本呼吸中枢能够自动地产生节律性的兴奋，但正常的呼吸还必须有脑桥中的呼吸调整中枢的参与才能实现。若只有基本呼吸中枢，则只能产生一种呼气时间长而吸气时间缩短的喘式呼吸。呼吸节律的形成

A平面（中脑与脑桥间）切断： 呼吸节律无明显变化 B平面（脑桥上、中部之间）切断：长吸呼吸（呼吸调整中枢） C平面（脑桥和延髓间）切断：喘息样呼吸 D平面（延髓与脊髓间）切断：呼吸停止

呼吸节律的形成 神经元网络学说

二、呼吸的反射性调节 1、肺牵张反射由肺扩张或缩小所引起的反射性呼吸变化。当人体吸气时，肺扩张到一定程度便能反射性地引起呼气，呼气时则相反。此反射与脑桥呼吸调整中枢共同调节呼吸的频率和深度。（负反馈）感受器分布：在支气管及细支气管的平滑肌内。运动时发生的肺牵张反射，对呼吸频率和深度的调节更具有重要意义。吸气时：肺扩张，肺牵张感受器兴奋并通过迷走神经使延髓吸气中枢抑制,使吸气转为呼气。呼气时：肺缩小，肺牵张感受器刺激减弱，解除对吸气中枢的抑制，产生吸气。作用：使吸气不至于过长过深，防止肺通气过度。

2、呼吸肌本体感受性反射 概念：呼吸肌本体感受器传入冲动所引起的反射性呼吸变化。当呼吸肌被动拉长或呼吸道阻力加大时，肌梭受牵拉发动反射使呼吸肌收缩力量增强，克服气道阻力实现呼吸运动。同样，其他骨骼肌受牵拉后，其本体感受器的传入冲动也能引起呼吸加快加强。 3、防御性呼吸反射如咳嗽反射、喷嚏反射等。

三、化学因素对呼吸的调节 化学因素：指血液或脑脊液中的CO2、O2、H+。 (一)化学感受器化学感受器是指其能接受化学物质刺激的感受器。 1.外周化学感受器位于颈内外动脉分叉处的颈动脉体和主动脉弓血管壁外的主动脉体。适宜刺激：对PO2↓、PCO2↑、[H+]↑高度敏感(对PO2↓敏感，对O2含量↓不敏感)，且三者对化学感受器的刺激有相互增强的现象。 2.中枢化学感受器位置：延髓腹外侧的浅表部位适宜刺激：对H+高度敏感，不感受缺O2的刺激。因H+不易透过血-脑屏障，但CO2易透过血-脑屏障进入脑脊液: CO2＋H2O→H2CO3→H+＋HCO3-发挥刺激作用。

化学感受器 呼吸中枢效应器（呼吸肌）动脉血 PCO2 PO2 H+ 潮气量呼吸频率呼吸的化学感受性调节（Reflexive Regulation of Respiration by Chemical Factors）化学感受性呼吸反射

化学感受器 Chemoreceptor 外周化学感受器 Peripheral Chemoreceptor 中枢化学感受器 central Chemoreceptor 主动脉体 Aortic bodies 颈动脉体 Carotid bodies 窦神经迷走神经呼吸中枢

中枢化学感受器 + H

（二）CO2、O2和H+对呼吸的调节 1、CO2对呼吸的调节 CO2对呼吸有很强的刺激作用，主要刺激中枢化学感受器，它是维持正常呼吸的最重要生理性刺激。ＰCO2 上升时： ↑1％时→呼吸开始加深； ↑4％时→呼吸加深加快,肺通气量↑1倍以上; ↑6％时→肺通气量可增大6-7倍; ↑7％以上→呼吸减弱= CO2麻醉。ＰCO2 ↓→呼吸减慢（过度通气后可发生呼吸暂停）。 2.H+对呼吸的调节 [H+]↑→呼吸加强 [H+]↓→呼吸抑制机制:类似CO2 特点：血液[H+]增加时，是以刺激外周化学感受器为主。

ＰCO2↑ CO2透过血脑屏障进入脑脊液: CO2＋H2O→H2CO3→H+＋HCO3- 中枢化学感受器+ 外周化学感受器+ 延髓呼吸中枢+ 呼吸加深加快 CO2对呼吸的调节

CO2 对呼吸的调节 7% CO2 4% CO2 PCO2 1% 呼吸明显增强 CO2

3.低氧对呼吸的调节 缺氧对呼吸中枢的直接作用是抑制,并与缺氧程度呈正相关: 轻度缺氧时:通过外周化学感受器的传入冲动兴奋呼吸中枢的作用,能对抗缺氧对中枢的直接抑制作用，表现为呼吸增强。严重缺氧时:来自外周化学感受器的传入冲动，对抗不了缺氧对呼吸中枢的抑制作用，因而可使呼吸减弱，甚至停止。

PCO2升高时，[H+]也随之升高，两者的作用总和起来，使肺通气较单独PCO2升高时大. [H+]增加时，因肺通气增大排出更多CO2,PCO2下降，抵消了一部分H+的刺激作用。另外CO2含量的下降，也使[H+]有所降低。这两者均使肺通气的增加较单独[H+]升高时小； PCO2下降时，也因肺通气量增加，呼出较多的CO2，使PCO2和 [H+]下降，而减弱了低氧的刺激作用。 4. PCO2、 [H+]和PO2因素在调节呼吸中的相互作用当只改变一个因素时，三者引起的肺通气反应的程度基本接近

第六章呼吸（ Respiration ）与运动