新生兒肺部生理學Neonatal Pulmonary Physiology

肺容積與肺力學 Lung Volumes and Lung Mechanics

功能肺餘量與肺容積組成 Functional Residual Capacity

• 肺的物理與力學特性包括彈性回縮（elastic recoil）、氣道阻力（airway resistance）與慣性（inertance），三者都會抵抗肺充氣；其動態交互作用決定了平靜自發潮氣呼吸所需的費力程度。
• 一個呼吸週期中，需要驅動壓（driving pressure）才能推動氣體進出呼吸道，並產生可測得的氣流與容積變化。

• FRC 由兩股相反的力維持：肺的彈性回縮（向內）與胸壁向外回彈（outward recoil）。肺或胸壁任一方的彈性特性改變，都會改變 FRC。

順應性曲線的測法（Fig. 39.1B 圖說）

• 向肺內注入或抽出定量氣體，讓呼吸系統在關閉的氣道下靜止；此時只有彈性力作用，氣道壓等於肺泡壓。
• 胸膜腔內壓（intrapleural pressure）可用食道氣球測量。
• 三種擴張壓：
  • 肺：氣道壓 − 胸膜腔內壓
  • 胸壁：胸膜腔內壓 − 大氣壓
  • 呼吸系統：氣道壓 − 大氣壓
• 順應性 = 容積變化 ÷ 擴張壓變化。

呼吸系統順應性 Respiratory System Compliance

基本概念

• 肺內彈性組織會把肺拉回塌陷狀態，此特性即彈性回縮。
• 依虎克定律（Hooke's law），充氣所需壓力與充氣容積成比例。
• 肺順應性（lung compliance）= 容積變化 ÷ 壓力變化。慣例上容積畫在 y 軸、擴張壓畫在 x 軸，比例常數即為容積 ÷ 壓力。
• 潮氣呼吸範圍內，壓力–容積關係為線性；容積更高、接近彈性極限（即 TLC）時曲線趨於平坦，關係變成非線性。

肺與胸壁的串聯關係

• 呼吸系統總順應性（C_rs）由肺順應性（C_l）與胸壁順應性（C_cw）組成：1/C_rs = 1/C_l + 1/C_cw。
• 呼氣末肺有向內塌陷的傾向，與胸壁向外回彈所造成的負（低於大氣壓）胸膜腔內壓互相平衡；兩力達平衡時即維持 FRC。
• 充氣高於 FRC：需要正向擴張壓，克服肺（肺泡壓 − 胸膜腔內壓）與胸壁（胸膜腔內壓 − 大氣壓）兩者的彈性回縮。
• 排氣低於 FRC：需要主動呼氣動作。

新生兒的特殊性

• 嬰兒胸壁主要由軟骨構成，故 C_cw 較大，胸膜腔壓較不負或僅略低於大氣壓。
• 胸壁順應性高、向外擴張的力量很小，因此新生兒的肺在呼氣末較容易塌陷。
• 新生兒在自發呼吸時用以下方式維持 FRC：
  • 喉內收（laryngeal adduction，聲門變窄）：增加呼氣阻力。
  • 吸氣肌在整個呼氣期持續活動：使胸壁變硬。
  • 高呼吸頻率：限制呼氣時間，使肺保留氣體（氣體滯留，gas trapping）。

氣道阻力 Airway Resistance

定義與來源

• 要有氣流（V̇），必須有壓力梯度（ΔP）來克服肺的非彈性阻力：R = ΔP/V̇。
• 阻力來源有二：氣體分子與氣道壁的摩擦（氣道阻力），以及肺與胸壁組織間的摩擦（黏性組織阻力，viscous tissue resistance）。
• 阻力取決於氣道長度與直徑，以及氣體密度與黏度。
• 氣道阻力約占呼吸系統總阻力的 80%；組織阻力與慣性力占其餘 20%。
• 新生兒氣道細小，明顯較易出現高氣道阻力，其中鼻阻力幾乎占總氣道阻力的一半。
• 新生兒偏好經鼻呼吸，因此鼻腔內任何黏液或水腫都可能對氣流造成明顯阻力。

層流與亂流

• 雷諾數（Reynolds number）：超過 2000 時發生亂流。這個無因次數由流體力學導出，Re = [ρ × d × V̇]/[μ]；V̇ 為容積流速、ρ 為氣體密度、d 為管徑參數（原文稱半徑）、μ 為氣體黏度。
• 肺內兩種氣流並存，淨壓降為兩者相加：ΔP = (K₁ × V̇) + (K₂ × V̇²)（式 1）。

肺容積與呼吸相對阻力的影響

• 肺充氣時氣道變長，看似會增加阻力，但同時氣道直徑也增加。阻力隨半徑四至五次方變化，故直徑的影響占主導：阻力與肺容積成反比。
• 吸氣時阻力低於呼氣時：吸氣時胸膜腔壓更負，跨肺擴張壓更大，氣道與肺泡直徑都增加，氣流阻力下降。
• 呼氣時胸膜腔壓上升，氣道受壓。對抗氣道塌陷的是軟骨支撐與管腔內氣體壓力；被動呼氣時這些防線足以避免氣道閉合。
• 主動呼氣時胸膜腔內壓高，氣道可能塌陷，氣體滯留在肺內，造成動態過度充氣（dynamic hyperinflation）。中央氣道支撐差的小早產兒，此問題可能更明顯。

慣性 Inertance

• 呼吸系統內的氣體與組織也會抵抗氣流加速，程度取決於氣體密度及氣道長度與表面積之比。
• 慣性代表對這些加速力的對抗；一般假定在平靜呼吸時可忽略，只有在快速呼吸頻率與高流速時才有生理意義。

動態交互作用 Dynamic Interaction

順應性、阻力與慣性在自發呼吸時彼此互動，以呼吸系統的運動方程式（equation of motion）描述：

• 這組方程式與 Fig. 39.3 說明：在無氣流的時間點（呼氣末、吸氣末）只有彈性力作用；肺充氣或排氣過程中，彈性力與阻力都重要。

• 圖中的壓力拆解：總驅動壓（P_tot）= 克服彈性力的壓力（P_el）加上消耗於流動阻力的壓力（P_fr）。依運動方程式，氣流為零的兩端只剩彈性成分；氣流存在時才有阻力成分。

一次自發吸氣的順序（Fig. 39.3 圖說）

1. 呼氣末P_atm 等於 P_alv，氣體不進不出。
2. 吸氣開始橫膈收縮、胸壁擴張、胸腔內容積增加；胸膜腔壓（P_pl）相對 P_atm 下降。
3. 肺擴張P_pl 與 P_alv 間形成梯度，使肺擴張、肺泡容積增加、P_alv 下降；P_atm 與 P_alv 間也形成梯度，氣體流入肺泡。
4. 氣流變化流速快速上升、達尖峰流速，之後隨肺泡充氣、P_alv 趨近 P_atm 而下降。
5. 吸氣高峰P_alv 等於 P_atm，肺容積達最大。
6. 呼氣上述循環反向進行。

呼吸功 Work of Breathing

• 呼吸功（work of breathing, WOB）：自發呼吸時，克服呼吸系統彈性與阻力成分、使氣體進出肺所需的能量。
• 定義為吸氣或呼氣時擴張壓與所移動容積乘積的累積：WOB = ∫PdV；P 為高於靜息胸膜腔壓的胸膜腔壓（隨時間），V 為相對於靜息胸廓容積的容積（隨時間）。
• 健康嬰兒的 WOB 大多由橫膈在吸氣時完成；總吸氣 WOB 約三分之一用於克服氣道內的氣流阻力。
• 呼氣通常是被動的，靠的是吸氣末儲存於肺與胸壁的位能。
• 阻力增加、順應性下降，或肺容積低於 FRC 時的呼吸頻率增加，都會使 WOB 上升。

時間常數 Time Constants

為何常用「動態順應性」與阻斷法

• 測量呼吸系統肺容積與擴張壓的變化有其挑戰。靜態順應性難以達到穩定狀態，因此許多研究者改算「動態順應性」，利用吸氣末與呼氣末氣流暫時歸零的特性（見 Fig. 39.3）：以這兩個靜止點的容積變化除以同時的擴張壓變化。
• 阻斷法（occlusion technique）取得被動力學：
  1. 給一次正壓呼吸後阻斷氣道，誘發赫–布反射（Hering-Breuer reflex）與短暫呼吸暫停。
  2. 在解除阻斷時測量氣道壓。
  3. 以呼吸流速計（pneumotachometer）測呼出氣流並積分成容積，再把流量對容積作圖（Fig. 39.5A）。

被動呼氣的數學

• 被動呼氣時沒有外力作用於呼吸系統（氣道壓或 P(t) = 0），運動方程式簡化為一階微分方程式：(V[t] × 1/C) + (V̇[t] × R) = 0。
• 重排成線性式：V̇(t) = −(1/RC) × V[t]。斜率 −1/RC 可由 V̇(t) 對 V(t) 的線性迴歸求得。
• 依 Fig. 39.5A 圖說的算法：靜態順應性 = 呼出容積 ÷ 被動呼氣開始時的氣道壓；阻力則由流量–容積圖的斜率（−1/RC）與順應性算出。
• 這個做法的優點是不需測量胸膜腔壓，且相對不受胸壁變形影響。
• 也就是被動呼氣時，流量對容積作圖是斜率 −1/RC 的直線。容積可由流量–容積曲線算出，再以吸氣閉鎖（inspiratory hold）時測得的壓力計算順應性，以斜率計算阻力。

呼吸系統力學的測量 Measurements of Respiratory System Mechanics

用途與基本測量條件 Purpose and Basic Conditions

• 呼吸系統力學是客觀測量，用於判定肺病嚴重度、病理生理變化、對治療的反應，以及肺生長發育的進展。
• 嬰兒的肺力學通常在三種情況下測量：自發呼吸中、輔助通氣中，或利用赫–布反射誘發的短暫呼吸暫停期。
• 做法如前述：短暫阻斷氣道、無氣流時全氣道壓力平衡，測得驅動力；解除阻斷後，測被動呼氣時的流量與容積。

• 讀表重點：順應性方面，RDS 為 0.3–0.6、BPD 為 0.2–1.0 mL/cmH₂O，均低於健康嬰兒的 1–2；阻力方面，RDS 上限達 160、BPD 上限達 170 cmH₂O/L/s，但 BPD 下限 30 與健康嬰兒範圍重疊；呼吸功以 BPD 的 1800–6500 g cm/min/kg 最高。FRC 各組範圍相近。

順應性的校正與解讀 Interpreting Compliance

• 比順應性（specific compliance）：順應性受肺大小影響，要比較時須以靜息肺容積或 FRC 校正（順應性 ÷ 靜息肺容積或 FRC）。正常新生兒靜息肺容積約 100 mL。
• 容積史（volume history）：固定潮氣容積下順應性下降；週期性嘆息（sigh）可徵召通氣不良或塌陷的氣腔，使順應性與氧合改善。
• 靜態順應性的變異與氣體重新分布導致難達穩定狀態有關，因此許多研究者建議計算動態順應性：它考慮氣體進出肺的移動，取吸氣末與呼氣末氣流暫時為零的時間點（見 Fig. 39.3）。
• 正常新生兒的動態順應性一般假定等於靜態順應性。
• 但許多呼吸疾病造成肺內不均質區域，各區順應性與氣道阻力不一（見 Table 39.1），此時動態測量可能低估整個呼吸系統的順應性。

阻塞性肺病與多重時間常數

• 數位研究者指出，阻塞性肺病的呼氣流量–容積圖可能呈凹形、不成直線，較適合以雙指數函數（biexponential function）擬合：一個指數描述通氣良好的肺單位（快區，fast compartment），另一個描述通氣不良的肺單位（慢區，slow compartment）。
• 這種分區也影響充氣：時間常數短的快區很快充滿，時間常數長的慢區充氣慢得多，使整個呼吸系統的吸氣時間常數高度不定。
• 此現象典型見於嚴重 BPD：同一肺內時間常數差異極大。

阻力的測量 Measuring Resistance

• 呼吸系統總阻力由驅動壓與氣體流速算出，只能在肺運動時測得。
• 驅動壓的選擇決定測量部位：
  • 氣道壓 − 大氣壓 → 呼吸系統阻力
  • 氣道壓 − 胸膜腔內壓 → 總肺阻力（total lung resistance）
• 氣體流速由置於嬰兒氣道的裝置取得：面罩、鼻導管（nasal prongs）或氣管內管。
• 自發呼吸嬰兒：驅動壓由呼吸肌產生負的胸膜腔內壓，可用食道內導管、氣球或傳感器測量。
• 使用呼吸器且已麻痺的嬰兒：驅動力是氣道開口的正壓，在呼吸器管路內盡量靠近氣道開口處測量。
• 流量與容積和驅動力同時連續測量。若無漏氣，所有進出氣流都會通過下列裝置之一：
  • 呼吸流速計（pneumotachometer）：以通過固定阻力的壓降計算流量。
  • 熱線風速計（hot wire anemometer）：在緊鄰嬰兒近端的管路內，以熱線的熱傳導計算流量。
• 動態與被動技術都以流量、容積與驅動力解運動方程式，得出順應性與阻力。

計算方法的演進

兩種做法都使用同一組同步測得的訊號（擴張壓、氣流、容積），差別在於取吸、呼氣等容積的點計算，或以多元線性迴歸求係數。

• 傳統法：由擴張壓、容積、流量計算（見 Fig. 39.3）。在吸氣與呼氣各取容積相等的點，測該點氣流與擴張壓。克服彈性力所需壓力在吸、呼氣應相同，可互相抵消。總阻力 =（吸氣點擴張壓 − 呼氣點擴張壓）÷（吸氣點與呼氣點氣流之和）。
• 簡化法：測擴張壓、氣流與容積後，以多元線性迴歸擬合運動方程式（式 3），解出係數 1/C 與 R。現代呼吸器計算肺功能大致採用同樣流程。

呼吸器圖形 Ventilator Graphics

• 在床邊提供逐次呼吸、即時連續的病人–呼吸器互動顯示。
• 壓力、流量與容積變化可用時間軸波形（scalar）或流量–容積、壓力–容積環呈現，幫助依潛在肺力學與病理生理調整呼吸器設定，例如小氣道阻塞、過度充氣、不同步、壓力或氣體滯留。
• 限制：
  • 無法準確測量並區分病人觸發與呼吸器驅動呼吸所送出的潮氣容積。
  • 軟體的單腔室、單次呼吸分析，可能大幅低估新生兒肺部不同區域的力學變異。
• 儘管有限制，理解圖形仍可能提供關於呼吸生理及呼吸器–新生兒互動的額外床邊資訊。

容積二氧化碳圖 Volumetric Capnography

• 形式為連續二氧化碳分壓（pCO₂）監測合併連續流量–容積圖形，可估計解剖與生理死腔、肺微血管血流及通氣效率。
• 波形辨識可判別病理生理狀況，如氣道阻塞、過度通氣或中樞性換氣不足。
• 自發呼吸嬰兒的潮氣末二氧化碳（EtCO₂）可提供肺功能改變的資訊，例如 BPD 嬰兒。

胸壁測量技術 Chest Wall Measurement Techniques

• 這類技術評估潮氣呼吸的方式，是估計胸壁處的胸腔容積變化，而非氣道開口的氣流。
• 呼吸電感體積描記（respiratory inductance plethysmography, RIP）：以環繞胸部與腹部、帶微弱電流的線圈，由電感變化測胸部截面積變化。
• RIP 可精確測量胸腹不同步（thoraco-abdominal asynchrony）。除了提供整體潮氣容積變化，胸腹不同步也用於偵測氣道阻塞、監測睡眠呼吸中止，以及間接測量 WOB。

電阻抗斷層造影 Electrical Impedance Tomography

• 電阻抗斷層造影（electrical impedance tomography, EIT）是無輻射的動態影像技術，可偵測肺容積的區域變化。
• 原理：由環繞胸壁、帶狀排列的電極發射與接收器，讓極小的交流電通過肺部；以產生的電壓建構胸腔內電阻抗分布的二維影像。
• 重複掃描可畫出潮氣呼吸時肺內空氣的相對分布，得到全肺與區域通氣的量度。
• 臨床與實驗研究顯示其在多種肺部疾病有用，包括 BPD 與嬰兒慢性肺病的通氣不均質。

用力呼氣技術 Forced Expiratory Techniques

• 使用此技術，近期辨識出前早產兒嚴重 BPD 的三種表現型（phenotype）：阻塞型、混合型、侷限型。

振盪法 Oscillometry

• 又稱強迫振盪技術（forced oscillation technique, FOT），是另一種測量呼吸系統力學的方法。
• 把特定頻率（ω）的壓力正弦波 [P(ω)] 疊加在嬰兒的潮氣呼吸上（自發或呼吸器驅動皆可），測量產生的流量 [V̇(ω)]。
• 以訊號處理把高頻的流量、容積變化與潮氣流量、容積變化分開，再計算該頻率下的呼吸系統機械阻抗（Z_rs = 阻力 + 順應性 + 慣性）。
• 所用振盪頻率決定 FOT 測到哪些力學參數。
• 美國與歐洲胸腔學會最近更新了技術標準，涵蓋硬體、軟體、檢測流程與品質管制。
• 兒童有參考值，嬰兒則無；在新生兒與嬰兒的應用仍屬實驗性。

FRC 與肺容積的測量 Measuring FRC and Lung Volumes

• FRC 屬靜態肺容積，通常以惰性氣體方法在潮氣呼吸期（自發或呼吸器）測量，故稱多次呼吸洗出（multiple breath washout, MBW）：
  • 氦氣（He）或 SF₆ 稀釋：先把氣體加入吸入氣中洗入肺內。
  • 氮氣（N₂）洗出：在呼氣期把呼吸氣體切換為 100% 氧氣，持續到呼氣末氮濃度低於 2%。
• 以質譜儀或超音波流量感測器連續測呼出氣中惰性氣體濃度；以呼吸流速計或超音波流量計測呼氣流量及／或容積。
• FRC 的計算：呼出的淨示蹤氣體容積，與起始、結束潮氣末示蹤氣體濃度差的比值。
• 肺清除指數（lung clearance index, LCI）：清除肺內惰性氣體所需的肺換氣次數。LCI 高提示通氣均質性差，可能是小氣道疾病的敏感指標。
• 胸腔氣體容積（thoracic gas volume）：呼氣末胸腔內氣體總量，可用全身體積描記法（body plethysmography）配合波以耳定律（Boyle's law）測量。
• 滯留氣體：測得的胸腔氣體容積大於惰性氣體稀釋法的 FRC，兩者之差代表滯留氣體的容積。
• 閉合容量（closing capacity, CC）：FRC 與最大吸氣或呼氣後留在肺內的氣體量之間有關鍵關係。在最大吸、呼氣動作時用 N₂ 洗出，可找出傳導氣道開始塌陷的點；此時出現不參與氣體交換的塌陷肺區。

肺部氣體交換 Pulmonary Gas Exchange

概述 Overview

• 肺部氣體交換一旦停止或大幅減慢，生命很快終止。氧氣由環境空氣到肺泡、血液、組織，及二氧化碳的反向移動，停止或嚴重受損超過數分鐘就會死亡。
• 前述肺容積、肺力學與 WOB 的知識著重於空氣移動。當複雜肺部疾病推翻「肺是單一運作黑盒子」的假設時，這些知識的用處常常有限。
• 實際上，即使健康嬰兒的肺也是由多個分離的氣體交換單位運作；再加上早產的不良影響，肺區分隔的問題更突出。

從胎盤到肺的轉換

• 胎盤氣體交換持續到胎盤循環與母體分離（臍帶結紮、第一口呼吸）的那一刻；血–血逆流系統結束時沒有「過渡期」。
• 胎盤的氣體交換與養分傳遞足以使胎兒體重在 28 至 32 週間加倍，到 37 週達三倍。
• 但母體子宮動脈到胎兒臍靜脈的梯度約 40 至 50 mmHg，使胎兒處於相對低血氧狀態。
• 除呼吸系統外，沒有其他器官系統在出生後數分鐘內經歷如此劇烈且無可取代的生理變化。
• 肺是肺泡通氣與肺灌流交會之處，必須從經胎盤血–血介面交換氣體（胎盤是為維持低氧環境而設計的器官），轉為立即提高效率，以滿足增加氧氣輸送的需求。

本章前後兩半的銜接

• 前半（肺容積、力學、WOB）回答「空氣如何移動」，把肺當成單一單位；後半回答「各氣體交換單位的通氣與灌流如何配對」。
• 健康嬰兒的肺已是多個分離單位，早產的不良影響使這種分區更成問題，所以單一數值的力學測量常不足以說明複雜肺部疾病。

有效氣體交換的條件

• 氣體進出氣道及呼吸週期中氣體容積的維持，促進有效的氣體交換。
• 肺泡氣與肺微血管血液緊鄰，建立並維持氧與二氧化碳的最大擴散梯度。
• 肺部氣體交換失敗的原因很多（Box 39.1）。

• 吸入氣極度低氧（extreme inspiratory gas hypoxia）
• 換氣不足（hypoventilation）
• 肺內及／或肺外（心臟）分流（shunt）
• 嚴重通氣灌流不匹配（在已存在的分流之外）
• 呼吸氣體擴散失衡（respiratory gas diffusion disequilibrium）

評估肺部氣體交換的工具 Tools Available for Assessing Pulmonary Gas Exchange

計算氧梯度 Calculated Oxygen Gradient

• 海平面呼吸室內空氣時測動脈 PO₂ 與 PCO₂，可透露許多氣體交換資訊；但這仍把肺當成單一黑盒子，而非由許多腺泡（acinar）或更近端層級的 V_A/Q 配對區組成。
• AaPO₂ 梯度的計算假設：動脈與肺泡 PCO₂ 非常接近（PaCO₂ ≅ PACO₂）、處於穩定狀態、吸入氣到達腺泡前已加熱加濕至 BTPS（body temperature pressure saturated）狀態。
• 公式中 PAO₂ 由 PIO₂、PACO₂、FIO₂ 與 R 求得；PIO₂ 由 FIO₂、P_B、PH₂O 求得。R 為呼吸交換比，健康嬰兒通常假定接近 1.0。

計算 PIO₂ 對 SpO₂ 作圖 Calculated PIO₂ Plotted Against SpO₂

• 靜脈摻雜（venous admixture）總結了分流（有灌流但零通氣）、低 V_A/Q 區與擴散失衡對整體氣體交換的貢獻。
• 其公式（Q̇_va/Q̇_t）使用三處氧含量：體動脈（CaO₂）、肺靜脈（CcO₂）與混合靜脈（CvO₂）。在生病新生兒同時測量三者很困難，除心導管室外很少施行。
• 低血氧的可能治療，取決於區分肺內分流（零通氣區）與低 V_A/Q 區各自對靜脈摻雜的貢獻（Fig. 39.6）。
• 氧血紅素解離曲線的形狀改變，或不同 PIO₂ 下曲線位置的改變，可用來推論動脈低血氧來自分流或「低 V_A/Q」（Fig. 39.7）。
• 在嬰兒的複雜肺部疾病，分流與低 V_A/Q 區很可能同時參與靜脈摻雜。
• 針對低 PaO₂ 的某一成因加以改善（例如提高呼氣末壓力以改善低 V_A/Q 區），可能反而使呼吸問題惡化。
• 掌握氣體交換異常不穩定、快速變動的特性，有可能讓醫師以優於嘗試錯誤的方式，最佳化並個別化治療。

氮氣梯度 Nitrogen Gradient

• 氮氣不直接參與氣體交換，因此在有低 V_A/Q 區時可形成動脈–肺泡氮梯度（aADN₂）。
• 假設理想肺泡氣組成，這些區域的肺泡氮升高並被吸收到肺微血管血液中。
• 此梯度可測量，是觀察 V_A/Q 不匹配的另一扇窗，但無法說明這些區域的範圍或位置。
• 氮梯度曾用於測量 RDS 的低 V_A/Q 區，顯示氣體交換不良的主因是分流；但在嚴重 BPD 等複雜疾病，尚無計算 aADN₂ 的報告。
• Krauss 等人測量健康足月、早產及 RDS 嬰兒的氮梯度，顯示低 V_A/Q 區似乎不是氣體交換低效率的主要原因。
• 原文對 RDS 的結論是主因為分流；嚴重 BPD 因尚無 aADN₂ 報告，無從比較。

微量惰性氣體技術 Trace Inert Gas Technique

• 新生兒氧血紅素解離曲線位置會移動且呈 S 形，用 O₂ 與 CO₂ 當 V_A/Q 不均的示蹤劑需要許多假設。
• Wagner 等人的方法：輸注六種溶解度差異很大的惰性氣體（微量），測各氣體在血中的滯留與呼出氣中的排出。
• 由測量值可估計分流、死腔，以及一系列低與高 V_A/Q 肺區（Fig. 39.8）。
• 此技術可細緻理解複雜肺部疾病及各種治療對 V_A/Q 配對的影響（Fig. 39.9）。
• Fig. 39.9 的做法是比較實測與均質假設下的滯留（R）、排出（E）曲線：差異來自 V̇_A/Q̇ 不均，再把差值轉成 (a–A)D 曲線下面積；橫軸上數值等於平均 V̇_A/Q̇ 的溶解度由箭頭標示。
• 限制：需要多項假設，包括穩定狀態與須估計或測量心輸出量；屬侵入性，不易在重症嬰兒床邊施行。

量化 V_A/Q 配對的影像技術 Imaging Techniques for Quantifying V_A/Q Matching

• 上述技術都無法呈現空間解析度，包括頭尾向、近端–遠端，甚至肺段間的氣體交換差異。
• 單光子放射電腦斷層（SPECT）曾用於測量大於 36 週經後年齡、中重度 BPD 嬰兒的 V_A/Q：與相對正常 V_A/Q（0.6 至 1.4 之間）相關的肺通氣百分比，和輔助通氣天數呈負相關。
• 磁振造影（MRI）近期進展（包括超短［ultra-short］性能特性）可能提供與電腦斷層（CT）相當或更佳的解析度，同時準確估計 V_A/Q 異常的位置與嚴重度。

通氣灌流配對的原則 Principles of Ventilation Perfusion Matching

• 健康成人肺的整體 V_A/Q_p 約 0.8；約 90% 至 95% 的兩種氣體流向 V_A/Q_p 比在 0.7 至 1.2 之間的區域，使 O₂ 與 CO₂ 交換有效率（見 Fig. 39.8）。
• 在複雜肺部疾病，這種協調的整體比值可被許多因素破壞。

肺泡通氣 Alveolar Ventilation

• 氣體須走迂迴路徑才能抵達發育完成肺的腺泡空間，供氣體交換使用。
• 吸入氣會與解剖死腔、生理死腔內的氣體混合而被稀釋：
  • 解剖死腔（anatomical dead space）：不參與氣體交換的傳導氣道。
  • 生理死腔（physiologic dead space）：接受部分分鐘通氣量、但幾乎不參與氣體交換的肺區；因此「生理」一詞可能並不恰當。
• 氣體交換發生於腺泡單位，其累積容積即 FRC。這部分氣體有助緩衝肺泡氣（及肺微血管血液）CO₂ 與 O₂ 的呼吸間波動。任何限制 FRC 容積或分布的情況，都可能嚴重妨礙有效氣體交換。
• 原文以三條式子簡要整理死腔（V_DS）、死腔通氣（V̇_DS）、肺泡通氣（V̇_A）、總分鐘通氣（V̇）與潮氣容積（V_T）的關係，其中也包含呼吸速率（RR）、V̇CO₂、P_B 與 PACO₂。

側支通氣 Collateral Ventilation

• 嬰兒期的相關因素之一，是側支通氣管道相對稀少；其存在與否（Fig. 39.10）可影響通氣灌流配對。
• 側支管道稀少的不良影響，會放大形成零通氣區的風險。
• 側支通氣豐富可減輕 FRC 下降，但可能導致氣腔「串聯排空（series emptying）」；肺氣流模型通常假設並聯排空（parallel emptying）。
• 許多疾病中出現的極緩慢排空腔室，會加重串聯通氣傾向：CO₂ 含量極低的吸入氣與仍在呼出的部分氣體混合，可能妨礙 CO₂ 排除。

肺灌流 Pulmonary Perfusion

• 右心室的前向血流是連續的，但流速隨心動週期變化；通氣則是不連續的。
• 健康新生兒提升心輸出量的主要機制是變時性（chronotropy）；舒張鬆弛（lusitropy）與增加射出分率對新生兒心臟增加輸出量較無幫助。
• 組織 O₂ 擷取不變時，增加肺血流是提高 PaO₂ 的機制之一：混合靜脈血 PvO₂ 較高，肺微血管血紅素氧合不完全的機會較低。
• 部分腺泡血管床的通過時間縮短，可能限制這種心肺交互作用的效果。

擴散梯度 Diffusion Gradient

• O₂ 與 CO₂ 同時擴散，正是 V_A/Q 配對的全部目的；建立並維持盡可能薄的擴散屏障至關重要。
• 氣體交換表面可因肺泡水腫，或表面張力素缺乏造成的腺泡容積流失而受損。
• 終末氣腔的氣道側覆蓋第一型與第二型肺泡細胞；第一型細胞覆蓋大部分表面積，其獨特結構使之極薄。近期證據顯示肺微血管內皮細胞也有同樣極薄的能力。
• 擴散能力（diffusing capacity）的測量與解讀都困難。作為肺功能指標，它取決於肺容積、微血管通過時間與肺內血容量；目標則是測量構成屏障之膜的內在特性。
• 以 CO 為標記氣體：DLCO = V̇_Aco/P_Aco。
• 此公式的應用及所謂穩定態擴散能力的技術挑戰，限制了它在辨識嬰兒期可標靶治療疾病上的用處；例如 DLCO 會受左心房壓與肺血流變化影響。

嬰兒肺部氣體交換的障礙 Impairments to Infant Pulmonary Gas Exchange

• 極高海拔：不論通氣灌流配對多有效率，因無可避免的肺泡低氧，都無法完成組織氣體交換。
• 換氣不足：CO₂ 移除不足、肺泡 O₂ 補充不足時，氣體交換失敗的原因與通氣灌流配對無關。
• 重度貧血：不論配對多有效率，組織氧輸送仍可能不足。
• 上述各因素都可加重與 V_A/Q 不匹配相關的氣體交換不足。以下列出與複雜肺部疾病嬰兒相關的部分因素（非全部）。

影響 V_A/Q 配對的特定情況 Some Specific Conditions Impacting V_A/Q Matching

高海拔 High Altitude

• 一篇里程碑論文比較健康嬰兒的出生後適應：世代居住高海拔的藏族母親所生嬰兒，與新近抵達極高海拔的漢族母親所生嬰兒，轉換過程有明顯差異。
• 此發現提示順利的胎兒–新生兒轉換受基因體因素影響，也許還有表觀遺傳改變；這些族群差異如何影響確切機轉，仍不清楚。

高 FIO₂ 吸入與氣體交換 High FIO₂ Inhalation and Gas Exchange

• 高 FIO₂ 的影響在成人與嬰兒間有差異。吸入 FIO₂ 1.0 或接近此值，早已被認為會傷害肺，尤其是微血管內皮與肺泡上皮。
• 成人：健康成人吸入 FIO₂ 1.0，至少短時間內，以惰性氣體技術判斷不會干擾 V_A/Q 配對。
• 幼豬：先前經高氧暴露的動物，與室內空氣對照組相比，肺缺氧性血管收縮變鈍、分流形成增加。
• 對氣體交換的影響取決於高氧暴露時間，以及肺與微血管床的成熟狀態。
• 微血管傷害表現為微血管滲漏，可能引起水腫、表面張力素失活，以及多層面的氣體交換受損。

肺血管壓升高與氣體交換 Elevated Pulmonary Vascular Pressure and Gas Exchange

• 新生兒肺動脈壓在出生時高於嬰兒後期，且對多種刺激反應過度。
• 肺動脈壓上升可引起肺內分流，及肺外分流（動脈導管與卵圓孔、心房間分流）的大幅增加。
• 羊的資料：小羊對肺泡低氧的肺壓上升反應比成羊強烈，且在較高的 PAO₂ 就開始。
• 用於提升體循環血壓的升壓藥，若劑量高到足以提高肺動脈壓與血管阻力，在小羊可損害 V_A/Q 配對。

心臟功能異常與氣體交換 Cardiac Dysfunction and Gas Exchange

• 除了出生後持續開放、作為右向左分流部位的解剖位置之外，大量左向右分流也會影響 V_A/Q 配對。
• 經開放性動脈導管（persistent ductus arteriosus, PDA）或心室中隔缺損（ventricular septal defect, VSD）的過多肺血流，可不利於配對，表現為動脈 PO₂ 較低。
• 雙心室衰竭對肺代謝功能的影響超出本章範圍，但這些功能受損可能加重氣體交換障礙。
• 肺微血管內皮富含血管收縮素轉化酶（angiotensin converting enzyme）與內生性一氧化氮合成酶等酶；這些酶的改變很可能不利於 V_A/Q 配對。

正壓通氣與氣體交換 Positive Pressure Ventilation and Gas Exchange

正壓通氣時，肺充氣對靜脈回流的影響程度，與肺及胸壁的相對順應性有關：

肺水腫與氣體交換 Pulmonary Edema and Gas Exchange

• 肺水腫（pulmonary edema）：水分與溶質異常積聚於肺間質及肺泡腔。
• 液體由肺泡隔的微血管濾出至肺泡間質，再到壓力較低的肺泡外間質。肺泡外間質含肺淋巴管，對維持無水腫的微環境至關重要；目標是避免間質液淨蓄積。
• 只有在液體濾出速率超過淋巴移除速率時才會發生肺水腫。
• 液體移動路徑可整理為：肺泡隔微血管 → 肺泡間質 → 壓力較低的肺泡外間質 → 肺淋巴管移除。任何一段的濾出與移除失衡，才會造成淨蓄積。
• 僅有三種機轉：
  1. 液體濾出的驅動壓（濾過壓，filtration pressure）上升。
  2. 血管床通透性上升（因而濾過係數 K_f 上升）。
  3. 淋巴引流減少，或出生時發育不足。
• 三種機轉都可參與複雜肺部疾病，尤其 BPD，並對氣體交換造成區域差異的影響。

臨床反思：NICU 視角 Clinical Reflection—NICU Perspective

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