家兔解剖无效腔实验模型有效性检测及其理论推导

徐九洋 王艺晓 郑则统 费旷宇滕雅群 李英姿 魏 香** 张贵友**

（1 清华大学生命科学学院实验教学中心 北京 100084 2 北京市第二十中学 北京 100085）

1 简介

哺乳动物的呼吸过程包括肺通气、肺换气、气体运输与组织换气4 个环节，在肺通气过程中，每次吸入的气体，一部分将留在鼻与终末细支气管之间的呼吸道内，不参与肺泡与血液之间的气体交换，这段呼吸道的容积被称为解剖无效腔，正常成人容量约为150 mL。进入肺泡的气体，也可因某些肺泡得不到足够的血液供应而不能都与血液进行气体交换，这部分容量称为肺泡无效腔。解剖无效腔和肺泡无效腔共同组成生理无效腔。当生理无效腔体积增大时,肺泡和血液之间的气体交换率降低，血液中二氧化碳分压升高，氧分压降低，从而刺激中枢和外周化学感受器，引起呼吸运动加深加快［1］。

目前常用的生理学实验教材中增大解剖无效腔的实验方法主要有以下3 种。1）呼吸流量换能器法1：呼吸流量换能器连于气管插管的一侧支管，橡皮管连接于气管插管的另一侧支管［2-3］；2）呼吸流量换能器法2： 橡皮管连接于气管插管上连有呼吸流量换能器的一侧支管，另一侧支管夹闭［4］；3）张力换能器法：张力换能器连接于胸骨剑突，橡皮管连接于气管插管的一侧支管，另一侧支管夹闭［5-6］。

在实验教学中，曾尝试采用第1 种方法和第3 种方法监测家兔的呼吸运动变化情况。结果发现，当橡皮管连接于气管插管的一侧支管，呼吸流量换能器连接另一侧支管时，虽能观察到动物呼吸曲线的变化，但同步测量的血压曲线无明显变化，且胸廓起伏等反映动物呼吸运动的直观体征变化不明显，因此推测该方式不能有效增加动物的解剖无效腔，实验中观察到的呼吸曲线的变化很可能是由于橡皮管的连接增加了该气管插管侧支管的气流阻力，进而影响到另一侧支管即呼吸流量换能器的气体流量。

本研究从以上假设出发，分别按照上述实验方法对家兔的呼吸和血压进行记录，以比较3 种模型的造模有效性，为了更好地从理论上分析判断这些模型的有效性，引入了气体流量比q 值的概念，通过对不同模型中q 值变化的分析，提出了可以有效增加解剖无效腔的模型。

2 材料与方法

家 兔（Oryctolagus cuniculus f. domesticus）以1 g/kg 体重的剂量经耳缘静脉注射氨基甲酸乙酯进行麻醉后，背位固定于恒温兔手术台上。倒“T”形切开气管，插入Y 形气管插管并固定，2 个呼吸流量换能器分别与气管插管的两侧支管相连。剪断胸骨剑突与胸骨之间的连接，使剑突随膈肌自由运动，将张力换能器通过金属小钩连接于剑突软骨。呼吸流量换能器和张力换能器的数据信号端与RM6240 生物信号采集系统相连（实验装置如图1 所示）。完成手术操作并连接实验装置后，依次通过连接橡皮管或夹闭等操作，模拟解剖无效腔的变化（气管插管侧支管连接长度为1.5 m的橡皮管或夹闭），观察记录气管插管两侧支管的呼吸流量曲线、膈肌运动曲线，并分析不同造模与记录方式的有效性。

3 结果与讨论

3.1 课堂教学实验结果与q 值的提出 在之前的课堂教学中，按照图2A 装置在气管插管的通气端侧支管连接1.5 m 长橡皮管增大解剖无效腔，得到如图2B 所示的实验结果：连接长橡皮管后呼吸曲线幅度变大，“呼吸加深”。但是，同步检测的血压曲线与家兔胸廓起伏程度并未出现明显变化。当长橡皮管被移至气管插管的检测端后，呼吸曲线幅度变小，出现“呼吸变浅”的现象。从理论上推测，橡皮管的连接方向应该不会影响家兔的呼吸运动，而实验中却记录到不同的结果。分析出现这一现象的原因，可能是橡皮管的连接改变了通过气管插管两侧支管的气体流量比例： 当通气端侧支管连接橡皮管后气道阻力增大，使更多气体流向检测端，进而呼吸流量换能器所测得的气体流量增大，表现出“呼吸加深”的现象；相反，在检测端连接橡皮管时，检测到“呼吸变浅”。

图2 实验课中使用的模型及实验结果

为了量化流经气管插管两侧支管的气体流量，用参数q 表示气管插管通气端与检测端的气体流量比值，在动物正常呼吸，且不接长橡皮管的情况下，q≈1。根据q 值的定义，前面所述的各种解剖无效腔实验模型可以归纳为以下2 类：1）q值改变：即仅气管插管单侧支管连接长橡皮管，另一侧支管连通大气；2）q 值恒为0：气管插管一侧支管连接长橡皮管，另一侧支管（通气端）夹闭。根据课上所得到的实验结果和q 值定义，提出一种新的实验模型和方法：q 值恒为1，即在气管插管的两侧支管连接等长的橡皮管，以保证通过两侧支管的气体流量变化相等。

为了验证提出的q 值这一参数的有效性，分别对以上3 种模型进行了检测，并将实验结果进行了比较分析。

3.2 q 值改变的模型 为了定量检测q 值的变化，在气管插管的两侧均连接呼吸流量换能器，并在胸骨剑突软骨上连接张力换能器作为参考（图3A）。用此模型描记的家兔正常呼吸曲线（图3D）显示，两侧记录到的气体流量相近，且呼吸流量与张力换能器可同步反映呼吸周期的变化。如果此时将长橡皮管通过一侧呼吸流量换能器连接到气管插管一侧支管，便可以通过呼吸流量换能器分别记录流经气管插管两侧支管的气体流量，进而可以推断流经两侧支管的气体流量比q 是否发生变化。为了验证这一推测，在双侧连接呼吸流量换能器的条件下重复了3.1 中的实验，实验装置和结果如图3B、E 所示。结果显示，当气管插管的1 端连接橡皮管后，该侧气体流量瞬间减少，而2 端的气体流量瞬间增加，所以流经两侧支管的气体流量比q 值（Q1/Q2）减小（Q 为该侧支管气体流量）；同理，当气管插管的2 端连接橡皮管后，该侧气体流量瞬间减少，而1 端的气体流量瞬间增加，所以流经两侧支管的气体流量比q 值（Q1/Q2）增大。而实验过程中张力换能器同步记录到的呼吸曲线并没有出现明显变化，也未观察到肉眼可分辨的家兔胸廓起伏出现明显变化，从而说明家兔呼吸运动并未发生明显变化。

图3 q 值改变的无效腔模型及其实验结果

为了更直观地表现气体流量比q 值对检测呼吸流量曲线的影响，在不影响家兔呼吸的前提下分别夹闭气管插管的通气端和检测端（图3C），观察到呼吸曲线瞬间出现变化（图3F）。比较图3E 与3F 发现，两者曲线的变化程度很相似，曲线幅度均在夹闭气管插管侧支管瞬间发生变化，且之后振幅一直保持不变，这与家兔实际呼吸运动发生变化时呼吸运动曲线振幅逐渐发生改变的趋势（见3.3/3.4）不同，从而验证了之前的推测，即此时家兔呼吸运动并未发生明显变化。此时，呼吸流量换能器记录到的曲线变化是由于两侧支管气体流量比q 发生变化而引起的。由于q 值变化对于呼吸流量换能器的测量结果有较大影响，所以该实验装置不能有效地模拟解剖无效腔增大的实验条件。

3.3 q 值恒定为0 的模型 由3.2 可知（图3E、F）,夹闭气管插管一侧支管（非检测端）并不能改变家兔的呼吸运动。在此基础上，进一步探讨此时在气管插管的非夹闭侧支管连接长橡皮管时家兔的呼吸运动情况。将气管插管一侧支管夹闭（图4A），使q 值恒定为0，记录到的家兔呼吸运动曲线如图4C 所示，夹闭侧的气流量减小至几乎为零（仍有微弱气流扰动），另一侧支管的气流量瞬间增大至2 倍左右，频率不变，张力换能器所记录的曲线无明显变化。当在非夹闭侧支管连接长橡皮管后，q值保持不变仍为0，同时观察到该侧气流量逐渐增大、频率变高；在取下长橡皮管后气体流量和呼吸频率均逐渐减小至连接前水平； 张力换能器记录到的呼吸曲线变化规律与呼吸流量换能器类似。连接长橡皮管后，观察到家兔胸廓起伏幅度变大、频率变高，且家兔嘴唇发绀，甚至出现呼吸急促现象。综合呼吸流量换能器、张力换能器所记录到的实验结果及观察到的家兔体征变化表现，充分说明这种实验装置和方法（夹闭一侧支管的同时另一侧支管连接长橡皮管，使q 值恒定为0）可以实现有效增大家兔解剖无效腔的目的。这个模型可作为实验教学中的无效腔模型使用。

3.4 q 值恒定为1 的模型 据上述讨论，气管插管两侧支管的气体流量比q 对于呼吸流量曲线的检测有较大影响，故在实验中需保持q 值恒定才能通过连接长橡皮管的方法来增大解剖无效腔。在探究了目前已有的实验装置造模有效性之后，提出一种新的造模方式： 在气管插管的两侧支管同时连接等长的橡皮管，使得q 值恒定为1。

图4 q 值恒定的无效腔模型及其实验结果

为了验证气管插管两侧支管连接长橡皮管装置的造模有效性，按照图4B 中的装置示意图进行实验，得到如图4D 中所示的结果：两侧支管同时连接长橡皮管后，两侧的呼吸流量换能器和张力换能器记录的呼吸曲线都出现幅度增大、频率变高的现象；在变化过程中，两侧气体流量曲线变化情况始终保持一致（即q 值恒为1）；同时，观察到家兔胸廓起伏发生变化、嘴唇发绀等与解剖无效腔增大相一致的体征变化。

该实验模型和方法所测得的实验结果与3.3中得到的结果一致，因此认为这种新的装置和实验方法也可有效地增大家兔的解剖无效腔，可以在课堂教学实验中使用；同时，实验中还观察到，气管插管两侧支管同时连接长橡皮管后，呼吸流量换能器所记录到的呼吸运动曲线幅度较单侧连接长橡皮管时变化更大，可以更加明显地反映呼吸运动的变化情况。

3.5 解剖无效腔实验模型有效性理论推导 根据以上对家兔解剖无效腔实验的观察与分析，将家兔呼吸道气体流量变化情况用完全理想化的不可压缩气体模型描述，并将实验模型简化为图5A所示，方形代表肺泡与呼吸道，Y 形管为气管插管。P0，P1与P2分别代表大气压、肺内压和Y 形管分叉处气压，Q 为气体流量。

在肺通气过程中，每次吸入的气体流量Q 总由2 个部分组成：参与气体交换的部分Q 有效和未参与气体交换的部分Q无效。即，Q 总＝Q 有效＋Q 无效。实验中的橡皮管起到增加Q无效的作用，从而使得Q 降低、通气效率下降，刺激家兔呼吸中枢及外周化学感受器对呼吸运动进行反馈性地调节。

图5 解剖无效腔理论推导简化模型

其中，K 为常数，与流体粘滞度η 相关；L 为管道长度；r 为管道半径；P 与P′为管道两端的气体压强。对于一段给定气道，将系数合并定义为气道阻力R 的倒数。则

即，气体流量（单位时间）＝（管前气压P－管后气压P′）／阻力R

令两侧支管单位时间的气体流量分别为Q1和Q2，总气体流量为Q，则根据公式②可得到如下关系：

（式中Q1/Q2＝R2/R1即为前文所定义的q 值。）

图5-B 中所示为计算无效腔体积所需参数：方框内的V 表示家兔原有的解剖无效腔体积（呼吸道体积）；Y 形气管插管的两臂体积均为V0，气道阻力为R0； 用于增大无效腔的橡皮管体积为VL，阻力为RL。

1）当两侧支管未经过任何操作时，无效腔体积即为气道体积，Q 无效1=V+2V0；

2）当仅一侧连接橡皮管时，每次呼吸过程的气体通过呼吸道后，分别从插管开放侧和橡皮管侧以RL/R0的比例通过，故无效腔体积由3 个部分组成：家兔呼吸道体积V、插管开放侧体积V0和插管橡皮管侧参与肺通气过程的气体体积（橡皮管体积VL中有部分未参与肺通气的气体体积，不能计算入无效腔体积内）。由③可知，橡皮管侧参与肺通气的气体体积为故Q 无效 2=考虑到R0≪RL，且V0≪V，可得Q 无效2≈Q 无效1；

3）当一侧夹闭，另一侧连接橡皮管时，每次呼吸过程的气体全部从呼吸道和橡皮管通过，故无效腔体积为气道体积与橡皮管体积的总和，

4）当两侧均连接橡皮管时，同理，Q 无效 4=V+2V0+2VL；

由此可知，Q无效4＞Q无效3＞Q无效1≈Q无效2。

根据以上公式推导可知，仅气管插管的单侧支管连接长橡皮管时，由于该侧气道阻力增加，流经橡皮管侧的气体体积减小（q 值改变）。代入实际实验参数估算可知，流经该侧的气体体积远小于橡皮管体积，故橡皮管中大部分气体实际并未参与肺通气过程，根据呼吸无效腔的定义，不能算入无效腔体积。因此，该模型中虽然增加了体积为VL的橡皮管，但无效腔体积有很小的增加故不能明显改变呼吸运动。当气管插管的一侧支管连接橡皮管另一侧支管夹闭，或者两侧支管均连接橡皮管时，由于q 值不变（恒为0 或1），增加的橡皮管体积完全贡献入无效腔体积，故能明显改变呼吸运动，而且两侧均连接橡皮管的模型对于解剖无效腔体积的改变更明显，从而可以更显著地改变呼吸运动，与实验中实际观察到的现象相符。

4 结论与展望

本研究从课堂教学实验现象出发，比较了目前常用生理学实验指导中增大家兔解剖无效腔实验模型和方法的有效性，并且利用“气体流量比q”的理论提出了一种新的实验模型和方法并对其有效性进行验证。结果表明，仅在气管插管的一侧支管连接长橡皮管（q 值改变）时，实验装置不能有效增大家兔的解剖无效腔，而且q 值改变引起的曲线变化会干扰实验结果的判断。夹闭气管插管一侧支管而另一侧连接长橡皮管（q 值恒为0）或者两侧支管均连接等长橡皮管（q 值恒为1）时，可有效地增大家兔的解剖无效腔。即，连接长橡皮管前后q 值保持不变的实验装置都可以作为实验动物模型用于“家兔呼吸运动的调节——增大无效腔实验”的教学。以上研究结果为动物生理学实验课的规范化教学提供了直接的理论依据和实践支持。在3.4 的实验过程中发现，q 值恒为1 时的实验模型观察到的因家兔无效腔增大而引起的呼吸运动的变化，较q 值恒为0 时的模型更为明显，对于这2 种模型和方法的异同点及优缺点的比较还有待于进一步的深入研究和探讨。