野外與登山醫學-肺泡內可供擴散氧分壓

2025-08-07 10:06AM

參考資料:  Partial pressure of oxygen

重點(下面計算並沒有使用死腔做校正)

1. 肺泡內的氧分壓公式 : 其中 PaCO2是動脈中的二氧化碳分壓

• PAO2 = (Patm - PH2O) FiO2 - PaCO2 / RQ

2. 聖母峰頂大氣壓力 260 mmHg。進入呼吸道經過加濕之後的空氣氧分壓44.7 mmHg

3. 海平面大氣壓 760mmHg. 肺泡氧分壓約為99.7 mmHg

mmHg 每毫米水銀汞柱 

海拔上升, 氣壓會降低. 海平面的氣壓定義為一個 atm (1atm= 760 mmHg )

海拔2500 公尺的氣壓大約是72.84 kPa，相當於546.3 mmHg。 這個高度的有效含氧量約為15.1%。(氧氣佔比21%不變)(大氣氧分壓114.7 mmHg)

氧氣運輸主要靠血色素(紅血球)
肺部的氣體交換, 氧氣需要先溶於水, 藉由擴散作用穿透肺泡的薄膜,經過組織間隙, 才能與血液接觸, 在血中的氧氣約 98% 與紅血球結合, 僅 2% 溶於血漿內, 藉由連續不斷的血流將富含氧氣的血運輸回左心房, 缺氧血由右心室進
入肺動脈流入兩側肺部, 才能進行正常氣體交換.

氧氣在人體內的供應受到很多因素影響, 例如
血色素不足, 即使血氧飽和度100%還是無法運輸足夠的氧氣
肺泡內積液, 導致氣體無法進入肺泡. 流向這個肺泡的血流無法進行氣體交換(shunt)
組織間隙變大(水腫), 氣體由肺泡表面進入血液的路徑變長, 降低擴散效率
無充足的血液流經肺泡(肺泡死腔), 很多因素都會造成流向肺泡的血液減少
肺泡內氧分壓下降, 例如在密閉的環境有大量的其他氣體造成氧分壓下降(造成侷限空間工人死亡原因之一), 或者在高海拔低壓低氧的環境. 外界大氣可供使用的氧氣分壓下降

** 死腔的概念可參考  維基百科: 死腔 dead space

大氣組成

溫度25度C時, 外界海平面大氣壓 760mmHg 的組成包括:
氧分壓 160 mmHg
飽和水蒸氣壓 (受到環境溫度影響) 23.76 mmHg
二氧化碳壓 0.3 mmHg
氮氣壓 760* 0.78=592.8
其他氣體壓力約 7-8 mmHg

肺泡內的氣壓約相等於體外大氣壓, 但肺泡內的氣體組成與大氣不同
當氣體進入鼻腔或口腔. 此時水蒸氣壓與外界相同, 經過鼻黏膜, 咽喉黏膜, 氣管, 支氣管, 細支氣管, 肺泡, 這個過程黏膜會將氣體加濕, 水蒸氣壓比例會逐漸上升, 氣體溫度也會朝體內溫度趨近. 但氣體在輸送過程不會進行氧氣交換. 這個通道被稱為死腔.(氣體交換主要發生在肺泡)

肺泡水蒸氣壓恆定
37度C的水蒸氣壓大約 47mmHg. 不會隨海拔上升而改變. 最大水蒸氣壓取決於環境溫度. 肺泡內氣體溫度約等同人的體溫, 肺泡內的水氣來自人體. 正常呼吸時水蒸氣壓可視為恆定. 
** 25°C 時，純水的蒸氣壓約為 23.76 mmHg (或3.17 kPa)

肺泡二氧化碳分壓
二氧化碳相對於氧氣更容易溶於水, 在肺泡中的擴散比氧氣容易.

大氣中二氧化碳的含量約為0.041%，換算成分壓大約是0.00041 大氣壓，或410 ppm 或 0.3mmHg, 大氣中的二氧化碳分壓相較於人體自己產生的二氧化碳分壓幾乎可忽略不計

肺泡二氧化碳分壓與人體呼吸吐出的的二氧化碳分壓差不多. 目前有儀器可直接測量 (例如氣管插管之後使用的潮氣末二氧化碳監測器)

剛吸入肺泡中氣體的二氧化碳分壓約 0.3mmHg, 經過氣體交換. 呼出的二氧化碳約 38mmHg, 在健康成人, 血中二氧化碳很容易由肺泡氣體交換排出. 主要取決於每分鐘吸入氣體量(MV每分鐘換氣量 minute ventilation), 當MV增加, 血中二氧化碳會隨著呼出的氣體被帶離體外, 血中二氧化碳濃度下降, 血液會偏鹼性. 這個稱為過度換氣. 或呼吸性鹼中毒

呼吸商 RQ=每消耗單位氧氣而製造出的二氧化碳, 會隨著人的飲食改變, 呼吸商通常在 0.7 到 1.0 之間，一般約 0.8, 是組織代謝燃料或底物利用的指標；必須在靜止或穩態運動條件下計算。 0.7 的比值表示混合利用脂肪，而 1.0 的比值表示完全利用碳水化合物。

公式 

氣體交換進入微血管的氧氣= 動脈血中二氧化碳分壓/RQ

 

動脈血中的二氧化碳分壓通常是 40mmHg. 每40mmHg 的二氧化碳從血中排出到肺泡. 肺泡內會有 50mmHg的氧氣進入微血管, 達成動態平衡. 經過呼吸道黏膜加濕的空氣, 在進行氣體交換前的氧分壓=(外界氣壓 -水蒸氣壓)*0.21

在海平面=150mmHg. 這些氣體經過肺泡氣體交換. 原本幾乎沒有二氧化碳的外界氣體. 會多出 40 mmHg 二氧化碳, 經過平衡之後肺泡內的氧分壓為 150-50= 100mmHg, 

註: 過度換氣會導致體內二氧化碳快速排出體外. 肺泡內的二氧化碳甚至可降低到 8 以下(正常約50)

 
The Respiratory Quotient (RQ) is the ratio of carbon dioxide (CO2) produced to oxygen (O2) consumed during respiration. It's a dimensionless number used to understand what kind of fuel the body is primarily using for energy.

Here's a more detailed explanation:
What it measures:
RQ = CO2 produced / O2 consumed .
It indicates the body's substrate utilization (which type of fuel) for energy production.
Indirect calorimetry: is a common method for measuring RQ.

典型的 RQ 值及其意義：
1.0： 表示身體主要燃燒碳水化合物作為能量來源。
0.7： 顯示身體主要利用脂肪來獲取能量。
0.8： 代表混合燃料源，通常是碳水化合物和脂肪的組合。

影響RQ的因素：
飲食： 所消耗的食物類型會影響 RQ，因為不同的常量營養素（碳水化合物、脂肪和蛋白質）有不同的 RQ。

營養支持： 餵食過多或餵食不足都會影響 RQ。

代謝過程： 某些代謝狀態（例如脂肪生成、酮生成）也會影響 RQ。

臨床意義：
監測營養支持：
RQ 可以幫助評估營養攝取是否適當且耐受性良好，尤其是在加護病房等臨床環境中。

移除呼吸器：
RQ 高於 1.0 可能表示碳水化合物攝取過多，可能會妨礙患者脫離呼吸器的能力。

評估代謝狀態：
RQ 可以成為了解患者代謝狀況和整體健康狀況的寶貴工具。

當我們吸氣時, 37度C的人體肺泡內氣壓組成
1. 飽和水蒸汽
2. 二氧化碳

3. 再來是吸入的外界空氣

空氣流動受壓力影響. 當吸入的外界空氣. 加上肺泡內水蒸氣壓, 兩者相加等於外界的氣壓時, 空氣停止進入肺部. 肺泡內的水蒸氣壓理論上會接近飽和蒸汽壓. 外界吸入的空氣分壓為 760-47-38/0.8 約等於 666 mmHg

肺泡內的氧分壓公式  

• PAO2 = (Patm - PH2O) FiO2 - PACO2 / RQ
• 海平面一大氣壓  760mmHg.  PAO2 = (760-47)*0.21 - 40/0.8= 99.7
• 海拔2500公尺=(546-47)*.21 - 40/0.8= 54.79
• 海拔3000公尺.氣壓約0.7atm=532. 肺泡氧分壓=(532-47) - 50=51.85
• 海拔4000公尺.氣壓約 0.61atm=463.6 肺泡氧分壓=(463-47) - 50=37.486
• 海拔5000公尺. 氣壓約 0.53atm=  肺泡氧分壓=(532-47) - 50=34.588

註: 過度換氣可將肺泡二氧化碳濃度降到極低. 此時氧氣分壓會上升

下面內容的參考資料來自: Partial pressure of oxygen

環境空氣(大氣)

環境空氣的成分約為78%的氮氣、21%的氧氣、1%的氬氣，以及微量的其他氣體，如二氧化碳、氖氣、甲烷、氦氣、氪氣、氫氣、氙氣、臭氧、二氧化氮、碘、一氧化碳和氨氣。因此，在海平面（大氣壓力為760毫米汞柱）下，可以估算出各種氣體的分壓：氮氣分壓約為593毫米汞柱，氧氣分壓約為160毫米汞柱，氬氣分壓約為7.6毫米汞柱。

氮氣 78%=593 mmHg

氧氣 21%=160mmHg

氬氣 1%=7.6mmHg

二氧化碳 0.041%=0.3mmHg(因為人體肺泡濃度差很多.特別寫上來)

其他微量氣體 (含二氧化碳等等) < 1%

然而，這些分壓並不能準確反映肺泡內可供擴散的分壓。當空氣通過上呼吸道吸入時，它會被肺道加熱和加濕。這個過程會引入水蒸氣，從而調節所有氣體（包括氧氣）的分壓。因此，上呼吸道內的氧氣分壓稱為吸入氧分壓 (PiO)。體溫下，水蒸氣壓為 47 毫米汞柱 (mmHg)，且顯著依賴體溫。[6]

無法直接從肺泡收集氣體。然而，肺泡氣體方程式對於計算和精確估算肺泡內的氧分壓非常有幫助。

肺泡氣體方程式用於計算肺泡氧分壓：PAO2 =（P atm - PH2O）FiO2 - PaCO2(動脈二氧化碳分壓) / RQ

PAO2是肺泡中的氧分壓，而 Patm 是海平面的大氣壓力，相當於 760 mm Hg。 PH2O 是水蒸氣分壓，約等於 47 mmHg。 FiO 2是吸入氧氣的濃度。 PaCO2是動脈中的二氧化碳分壓，在正常生理條件下約 40 mmHg， FiO 2與吸入空氣中的氧氣百分比成分直接相關。在海平面無支撐的情況下，該百分比為 21% 或 0.21。但是，吸入空氣中每增加一公升補充氧氣(例如飛行員使用氧氣面罩)，數值就會增加約 4% 或 0.04。因此，2 公升補充氧氣會使海平面的 FiO 2增加8% 或 0.08 到 29% 或 0.29。 RQ 的數值會因人的飲食類型和代謝狀態而有所不同。典型人類飲食的標準值為0.82。在海平面，無補充吸入氧氣的情況下，肺泡氧分壓（PAO2 ）為：

PAO 2 = (760 - 47) 0.21 - 40 / 0.8 = 99.7 毫米汞柱

肺泡氧分壓是氧氣擴散穿過肺泡膜、肺微血管壁、進入小動脈血流和紅血球，最終輸送至全身外周組織的驅動力。從肺泡腔到微血管的擴散梯度可以透過Aa梯度來量化，其計算公式如下：Aa氧梯度= PAO2 - PaO2

PaO2是透過動脈血氣測量的，而肺泡氧分壓 PAO 2則透過上述方法計算得出。較大的梯度表示存在阻礙氧氣進入毛細血管的潛在病理，這會影響全身可用的氧分壓。整個組織所需的氧分壓會根據組織的代謝需求而改變。此擴散梯度稱為組織氧分壓 (PtO)，它會隨著毛細血管密度、耗氧量、代謝率和血流量而變化。[7]研究發現，大腦所需的氧分壓在 30 至 48 mmHg 之間。[7] [3]

由於葡萄糖的有氧代謝無法有效產生能量，腦部功能會受到影響。皮膚的氧分壓光譜通常是基於皮膚層距表面的深度。 5 至 10 微米深度的皮膚淺層氧分壓約為 5.0 至 11 毫米汞柱 (mmHg)。 45 至 65 微米深度的真皮乳頭通常氧分壓為 18 至 30 毫米汞柱 (mmHg)。 100 至 120 微米深度的乳頭下叢氧分壓約為 27 至 43 毫米汞柱 (mmHg)。

腸道的氧分壓也不穩定，小腸漿膜部分的氧分壓為 53.0 至 71.0 mmHg。對肝臟的氧分壓進行了研究，結果略有不同，發現兩組的中位數分別為 42.04 mmHg 和 34.53 mmHg。腎臟是另一個需氧量較高的器官系統，因為腎單位重吸收系統的主動運輸過程涉及高能量和隨後的代謝需求。因此，髓質氧分壓為 10 至 20 mmHg，皮質需要 52 至 92 mmHg。肌肉對氧的需求差異很大，取決於肌肉的活動強度和持續時間。在基線，肌肉氧分壓在 27 mmHg 和 31 mmHg 之間。[8]在各組織消耗氧氣的過程中，血液中氧含量下降，動脈血中的 100 毫米汞柱 (mmHg) 下降到靜脈血中的 40 毫米汞柱 (mmHg)。

臨床意義
評估氧分壓的主要測量方法是動脈血氣分析。此分析可以直接測量動脈血液中的氧分壓、二氧化碳分壓、酸度 (pH)、氧合血紅素飽和度和碳酸氫鹽濃度。所有這些指標都有助於評估和治療各種疾病。

多種疾病過程會導致氧分壓降低。主要過程包括吸入氧減少、通氣不足、擴散受限以及通氣/血流灌注不匹配（V/Q 不匹配）。

環境壓力的改變會影響可供擴散進入體內的氧氣量。在海平面，大氣壓力為760毫米汞柱。然而，隨著海拔升高，大氣壓力會下降。例如，珠穆朗瑪峰頂峰的大氣壓力低至260毫米汞柱。當以此壓力計算環境中的肺泡氧分壓時，可供擴散的氧氣量約為54.6毫米汞柱。這幾乎是海平面可用氧氣量的一半。