家兔解剖無效腔實驗模型有效性檢測及其理論推導

徐九洋 王藝曉 鄭則統 費曠宇滕雅群 李英姿 魏 香** 張貴友**

（1 清華大學生命科學學院實驗教學中心 北京 100084 2 北京市第二十中學 北京 100085）

1 簡介

哺乳動物的呼吸過程包括肺通氣、肺換氣、氣體運輸與組織換氣4 個環節，在肺通氣過程中，每次吸入的氣體，一部分將留在鼻與終末細支氣管之間的呼吸道內，不參與肺泡與血液之間的氣體交換，這段呼吸道的容積被稱為解剖無效腔，正常成人容量約為150 mL。進入肺泡的氣體，也可因某些肺泡得不到足夠的血液供應而不能都與血液進行氣體交換，這部分容量稱為肺泡無效腔。解剖無效腔和肺泡無效腔共同組成生理無效腔。當生理無效腔體積增大時,肺泡和血液之間的氣體交換率降低，血液中二氧化碳分壓升高，氧分壓降低，從而刺激中樞和外周化學感受器，引起呼吸運動加深加快［1］。

目前常用的生理學實驗教材中增大解剖無效腔的實驗方法主要有以下3 種。1）呼吸流量換能器法1：呼吸流量換能器連于氣管插管的一側支管，橡皮管連接于氣管插管的另一側支管［2-3］；2）呼吸流量換能器法2： 橡皮管連接于氣管插管上連有呼吸流量換能器的一側支管，另一側支管夾閉［4］；3）張力換能器法：張力換能器連接于胸骨劍突，橡皮管連接于氣管插管的一側支管，另一側支管夾閉［5-6］。

在實驗教學中，曾嘗試采用第1 種方法和第3 種方法監測家兔的呼吸運動變化情況。結果發現，當橡皮管連接于氣管插管的一側支管，呼吸流量換能器連接另一側支管時，雖能觀察到動物呼吸曲線的變化，但同步測量的血壓曲線無明顯變化，且胸廓起伏等反映動物呼吸運動的直觀體征變化不明顯，因此推測該方式不能有效增加動物的解剖無效腔，實驗中觀察到的呼吸曲線的變化很可能是由于橡皮管的連接增加了該氣管插管側支管的氣流阻力，進而影響到另一側支管即呼吸流量換能器的氣體流量。

本研究從以上假設出發，分別按照上述實驗方法對家兔的呼吸和血壓進行記錄，以比較3 種模型的造模有效性，為了更好地從理論上分析判斷這些模型的有效性，引入了氣體流量比q 值的概念，通過對不同模型中q 值變化的分析，提出了可以有效增加解剖無效腔的模型。

2 材料與方法

家 兔（Oryctolagus cuniculus f. domesticus）以1 g/kg 體重的劑量經耳緣靜脈注射氨基甲酸乙酯進行麻醉后，背位固定于恒溫兔手術臺上。倒“T”形切開氣管，插入Y 形氣管插管并固定，2 個呼吸流量換能器分別與氣管插管的兩側支管相連。剪斷胸骨劍突與胸骨之間的連接，使劍突隨膈肌自由運動，將張力換能器通過金屬小鉤連接于劍突軟骨。呼吸流量換能器和張力換能器的數據信號端與RM6240 生物信號采集系統相連（實驗裝置如圖1 所示）。完成手術操作并連接實驗裝置后，依次通過連接橡皮管或夾閉等操作，模擬解剖無效腔的變化（氣管插管側支管連接長度為1.5 m的橡皮管或夾閉），觀察記錄氣管插管兩側支管的呼吸流量曲線、膈肌運動曲線，并分析不同造模與記錄方式的有效性。

3 結果與討論

3.1 課堂教學實驗結果與q 值的提出 在之前的課堂教學中，按照圖2A 裝置在氣管插管的通氣端側支管連接1.5 m 長橡皮管增大解剖無效腔，得到如圖2B 所示的實驗結果：連接長橡皮管后呼吸曲線幅度變大，“呼吸加深”。但是，同步檢測的血壓曲線與家兔胸廓起伏程度并未出現明顯變化。當長橡皮管被移至氣管插管的檢測端后，呼吸曲線幅度變小，出現“呼吸變淺”的現象。從理論上推測，橡皮管的連接方向應該不會影響家兔的呼吸運動，而實驗中卻記錄到不同的結果。分析出現這一現象的原因，可能是橡皮管的連接改變了通過氣管插管兩側支管的氣體流量比例： 當通氣端側支管連接橡皮管后氣道阻力增大，使更多氣體流向檢測端，進而呼吸流量換能器所測得的氣體流量增大，表現出“呼吸加深”的現象；相反，在檢測端連接橡皮管時，檢測到“呼吸變淺”。

圖2 實驗課中使用的模型及實驗結果

為了量化流經氣管插管兩側支管的氣體流量，用參數q 表示氣管插管通氣端與檢測端的氣體流量比值，在動物正常呼吸，且不接長橡皮管的情況下，q≈1。根據q 值的定義，前面所述的各種解剖無效腔實驗模型可以歸納為以下2 類：1）q值改變：即僅氣管插管單側支管連接長橡皮管，另一側支管連通大氣；2）q 值恒為0：氣管插管一側支管連接長橡皮管，另一側支管（通氣端）夾閉。根據課上所得到的實驗結果和q 值定義，提出一種新的實驗模型和方法：q 值恒為1，即在氣管插管的兩側支管連接等長的橡皮管，以保證通過兩側支管的氣體流量變化相等。

為了驗證提出的q 值這一參數的有效性，分別對以上3 種模型進行了檢測，并將實驗結果進行了比較分析。

3.2 q 值改變的模型 為了定量檢測q 值的變化，在氣管插管的兩側均連接呼吸流量換能器，并在胸骨劍突軟骨上連接張力換能器作為參考（圖3A）。用此模型描記的家兔正常呼吸曲線（圖3D）顯示，兩側記錄到的氣體流量相近，且呼吸流量與張力換能器可同步反映呼吸周期的變化。如果此時將長橡皮管通過一側呼吸流量換能器連接到氣管插管一側支管，便可以通過呼吸流量換能器分別記錄流經氣管插管兩側支管的氣體流量，進而可以推斷流經兩側支管的氣體流量比q 是否發生變化。為了驗證這一推測，在雙側連接呼吸流量換能器的條件下重復了3.1 中的實驗，實驗裝置和結果如圖3B、E 所示。結果顯示，當氣管插管的1 端連接橡皮管后，該側氣體流量瞬間減少，而2 端的氣體流量瞬間增加，所以流經兩側支管的氣體流量比q 值（Q1/Q2）減小（Q 為該側支管氣體流量）；同理，當氣管插管的2 端連接橡皮管后，該側氣體流量瞬間減少，而1 端的氣體流量瞬間增加，所以流經兩側支管的氣體流量比q 值（Q1/Q2）增大。而實驗過程中張力換能器同步記錄到的呼吸曲線并沒有出現明顯變化，也未觀察到肉眼可分辨的家兔胸廓起伏出現明顯變化，從而說明家兔呼吸運動并未發生明顯變化。

圖3 q 值改變的無效腔模型及其實驗結果

為了更直觀地表現氣體流量比q 值對檢測呼吸流量曲線的影響，在不影響家兔呼吸的前提下分別夾閉氣管插管的通氣端和檢測端（圖3C），觀察到呼吸曲線瞬間出現變化（圖3F）。比較圖3E 與3F 發現，兩者曲線的變化程度很相似，曲線幅度均在夾閉氣管插管側支管瞬間發生變化，且之后振幅一直保持不變，這與家兔實際呼吸運動發生變化時呼吸運動曲線振幅逐漸發生改變的趨勢（見3.3/3.4）不同，從而驗證了之前的推測，即此時家兔呼吸運動并未發生明顯變化。此時，呼吸流量換能器記錄到的曲線變化是由于兩側支管氣體流量比q 發生變化而引起的。由于q 值變化對于呼吸流量換能器的測量結果有較大影響，所以該實驗裝置不能有效地模擬解剖無效腔增大的實驗條件。

3.3 q 值恒定為0 的模型 由3.2 可知（圖3E、F）,夾閉氣管插管一側支管（非檢測端）并不能改變家兔的呼吸運動。在此基礎上，進一步探討此時在氣管插管的非夾閉側支管連接長橡皮管時家兔的呼吸運動情況。將氣管插管一側支管夾閉（圖4A），使q 值恒定為0，記錄到的家兔呼吸運動曲線如圖4C 所示，夾閉側的氣流量減小至幾乎為零（仍有微弱氣流擾動），另一側支管的氣流量瞬間增大至2 倍左右，頻率不變，張力換能器所記錄的曲線無明顯變化。當在非夾閉側支管連接長橡皮管后，q值保持不變仍為0，同時觀察到該側氣流量逐漸增大、頻率變高；在取下長橡皮管后氣體流量和呼吸頻率均逐漸減小至連接前水平； 張力換能器記錄到的呼吸曲線變化規律與呼吸流量換能器類似。連接長橡皮管后，觀察到家兔胸廓起伏幅度變大、頻率變高，且家兔嘴唇發紺，甚至出現呼吸急促現象。綜合呼吸流量換能器、張力換能器所記錄到的實驗結果及觀察到的家兔體征變化表現，充分說明這種實驗裝置和方法（夾閉一側支管的同時另一側支管連接長橡皮管，使q 值恒定為0）可以實現有效增大家兔解剖無效腔的目的。這個模型可作為實驗教學中的無效腔模型使用。

3.4 q 值恒定為1 的模型 據上述討論，氣管插管兩側支管的氣體流量比q 對于呼吸流量曲線的檢測有較大影響，故在實驗中需保持q 值恒定才能通過連接長橡皮管的方法來增大解剖無效腔。在探究了目前已有的實驗裝置造模有效性之后，提出一種新的造模方式： 在氣管插管的兩側支管同時連接等長的橡皮管，使得q 值恒定為1。

圖4 q 值恒定的無效腔模型及其實驗結果

為了驗證氣管插管兩側支管連接長橡皮管裝置的造模有效性，按照圖4B 中的裝置示意圖進行實驗，得到如圖4D 中所示的結果：兩側支管同時連接長橡皮管后，兩側的呼吸流量換能器和張力換能器記錄的呼吸曲線都出現幅度增大、頻率變高的現象；在變化過程中，兩側氣體流量曲線變化情況始終保持一致（即q 值恒為1）；同時，觀察到家兔胸廓起伏發生變化、嘴唇發紺等與解剖無效腔增大相一致的體征變化。

該實驗模型和方法所測得的實驗結果與3.3中得到的結果一致，因此認為這種新的裝置和實驗方法也可有效地增大家兔的解剖無效腔，可以在課堂教學實驗中使用；同時，實驗中還觀察到，氣管插管兩側支管同時連接長橡皮管后，呼吸流量換能器所記錄到的呼吸運動曲線幅度較單側連接長橡皮管時變化更大，可以更加明顯地反映呼吸運動的變化情況。

3.5 解剖無效腔實驗模型有效性理論推導 根據以上對家兔解剖無效腔實驗的觀察與分析，將家兔呼吸道氣體流量變化情況用完全理想化的不可壓縮氣體模型描述，并將實驗模型簡化為圖5A所示，方形代表肺泡與呼吸道，Y 形管為氣管插管。P0，P1與P2分別代表大氣壓、肺內壓和Y 形管分叉處氣壓，Q 為氣體流量。

在肺通氣過程中，每次吸入的氣體流量Q 總由2 個部分組成：參與氣體交換的部分Q 有效和未參與氣體交換的部分Q無效。即，Q 總＝Q 有效＋Q 無效。實驗中的橡皮管起到增加Q無效的作用，從而使得Q 降低、通氣效率下降，刺激家兔呼吸中樞及外周化學感受器對呼吸運動進行反饋性地調節。

圖5 解剖無效腔理論推導簡化模型

其中，K 為常數，與流體粘滯度η 相關；L 為管道長度；r 為管道半徑；P 與P′為管道兩端的氣體壓強。對于一段給定氣道，將系數合并定義為氣道阻力R 的倒數。則

即，氣體流量（單位時間）＝（管前氣壓P－管后氣壓P′）／阻力R

令兩側支管單位時間的氣體流量分別為Q1和Q2，總氣體流量為Q，則根據公式②可得到如下關系：

（式中Q1/Q2＝R2/R1即為前文所定義的q 值。）

圖5-B 中所示為計算無效腔體積所需參數：方框內的V 表示家兔原有的解剖無效腔體積（呼吸道體積）；Y 形氣管插管的兩臂體積均為V0，氣道阻力為R0； 用于增大無效腔的橡皮管體積為VL，阻力為RL。

1）當兩側支管未經過任何操作時，無效腔體積即為氣道體積，Q 無效1=V+2V0；

2）當僅一側連接橡皮管時，每次呼吸過程的氣體通過呼吸道后，分別從插管開放側和橡皮管側以RL/R0的比例通過，故無效腔體積由3 個部分組成：家兔呼吸道體積V、插管開放側體積V0和插管橡皮管側參與肺通氣過程的氣體體積（橡皮管體積VL中有部分未參與肺通氣的氣體體積，不能計算入無效腔體積內）。由③可知，橡皮管側參與肺通氣的氣體體積為故Q 無效 2=考慮到R0?RL，且V0?V，可得Q 無效2≈Q 無效1；

3）當一側夾閉，另一側連接橡皮管時，每次呼吸過程的氣體全部從呼吸道和橡皮管通過，故無效腔體積為氣道體積與橡皮管體積的總和，

4）當兩側均連接橡皮管時，同理，Q 無效 4=V+2V0+2VL；

由此可知，Q無效4＞Q無效3＞Q無效1≈Q無效2。

根據以上公式推導可知，僅氣管插管的單側支管連接長橡皮管時，由于該側氣道阻力增加，流經橡皮管側的氣體體積減小（q 值改變）。代入實際實驗參數估算可知，流經該側的氣體體積遠小于橡皮管體積，故橡皮管中大部分氣體實際并未參與肺通氣過程，根據呼吸無效腔的定義，不能算入無效腔體積。因此，該模型中雖然增加了體積為VL的橡皮管，但無效腔體積有很小的增加故不能明顯改變呼吸運動。當氣管插管的一側支管連接橡皮管另一側支管夾閉，或者兩側支管均連接橡皮管時，由于q 值不變（恒為0 或1），增加的橡皮管體積完全貢獻入無效腔體積，故能明顯改變呼吸運動，而且兩側均連接橡皮管的模型對于解剖無效腔體積的改變更明顯，從而可以更顯著地改變呼吸運動，與實驗中實際觀察到的現象相符。

4 結論與展望

本研究從課堂教學實驗現象出發，比較了目前常用生理學實驗指導中增大家兔解剖無效腔實驗模型和方法的有效性，并且利用“氣體流量比q”的理論提出了一種新的實驗模型和方法并對其有效性進行驗證。結果表明，僅在氣管插管的一側支管連接長橡皮管（q 值改變）時，實驗裝置不能有效增大家兔的解剖無效腔，而且q 值改變引起的曲線變化會干擾實驗結果的判斷。夾閉氣管插管一側支管而另一側連接長橡皮管（q 值恒為0）或者兩側支管均連接等長橡皮管（q 值恒為1）時，可有效地增大家兔的解剖無效腔。即，連接長橡皮管前后q 值保持不變的實驗裝置都可以作為實驗動物模型用于“家兔呼吸運動的調節——增大無效腔實驗”的教學。以上研究結果為動物生理學實驗課的規范化教學提供了直接的理論依據和實踐支持。在3.4 的實驗過程中發現，q 值恒為1 時的實驗模型觀察到的因家兔無效腔增大而引起的呼吸運動的變化，較q 值恒為0 時的模型更為明顯，對于這2 種模型和方法的異同點及優缺點的比較還有待于進一步的深入研究和探討。