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驅動空氣的那些壓力

肺為什麼不會塌成一個小球?胸壁一旦被刺穿,那一側的肺為什麼就罷工了?答案藏在兩個壓力——胸膜腔內壓與跨肺壓——以及那層把肺「黏」在胸壁上的薄薄液膜裡。

兩層膜,一層薄液

每一側的肺都被一層光滑的雙層膜包裹,稱為胸膜:一層緊貼著肺,另一層襯在胸壁內側,兩層之間是一層極薄的液膜。這層液體的作用,就像兩片濕玻璃片相貼時——可以自由滑動,卻很難被拉開。於是肺在呼吸時能自由滑行,又牢牢地與胸壁「耦合」在一起。胸壁動到哪兒,肺就被帶到哪兒。

兩根方向相反的「彈簧」在這層液膜處相遇。肺裡滿是被拉伸的彈性組織,時刻想往裡縮;胸壁則像一張拉滿的弓,想往外彈。兩者都在拉扯中間的液體。由於液體無法被拉伸,這場拔河便把胸膜腔裡的壓力拉到略低於大氣壓。我們稱之為胸膜腔內壓,靜息時約為 −5 釐米水柱。

跨肺壓:讓肺保持張開的力量

判斷肺是張開還是塌陷,最關鍵的一個數值是跨肺壓:肺泡內的壓力減去肺外側(胸膜腔)的壓力。只要這個差值為正——向外撐的力比胸膜往裡拉的力略大——肺就保持充氣。在靜息點FRC處,這個溫和的正向跨肺壓恰好抵消肺的彈性回縮,於是什麼都不動,你便在兩次呼吸之間安然停住。

吸氣,本質上只是把這個數值變大。當橫膈膜下降、胸腔擴張時,胸膜腔內壓變得更負(比如從 −5 變到 −8)。此時肺泡被更用力地向外拉開,跨肺壓上升,肺被拉伸,空氣流入。呼氣則相反:胸膜腔內壓回升向 −5,跨肺壓下降,富有彈性的肺再次縮小。

Transpulmonary pressure  =  Alveolar pressure  −  Intrapleural pressure

Resting (FRC), no airflow:
    P_alveolar = 0   (open to atmosphere, nothing flowing)
    P_pleural  = -5
    P_transpulmonary = 0 - (-5) = +5  cmH2O   -> lung held open

Mid-inspiration, chest expanding:
    P_alveolar = -1  (briefly below atmosphere, air rushing in)
    P_pleural  = -7
    P_transpulmonary = -1 - (-7) = +6  cmH2O  -> lung stretched larger
正向跨肺壓讓肺保持充氣;吸氣使其升高,呼氣使其降低。

當密封被打破

整套系統都依賴胸膜腔保持密封。一旦空氣進入——經由胸壁的破口或肺的裂口——胸膜腔內壓就會跳升至大氣壓,原本把肺撐開的那股負壓消失,跨肺壓隨之塌向零。於是肺憑自身的彈性回縮把自己皺縮起來。這就是氣胸:一側肺失去了對胸壁的「抓握」。