115年:心肺基礎(2)

下列何項肺泡的特性,可以Laplace's law 來解釋?

A小肺泡將空氣排向大肺泡,導致肺泡群的穩定
B小肺泡將空氣排向大肺泡,導致肺泡群的不穩定
C大肺泡將空氣排向小肺泡,導致肺泡群的穩定
D大肺泡將空氣排向小肺泡,導致肺泡群的不穩定

詳細解析

本題觀念

Laplace 定律(P = 2T/r)描述球形結構中表面張力(T)、半徑(r)與內壓(P)之間的關係。在肺泡力學的應用中,此定律預測在表面張力恆定的條件下,半徑較小的肺泡會產生較高的內壓。這個壓力差異會驅動氣體從高壓的小肺泡流向低壓的大肺泡,形成正回饋循環,造成肺泡群的不穩定。人體依靠第二型肺泡細胞分泌的肺表面活性劑(surfactant)來抵消此不穩定性。

選項分析

(A) 小肺泡將空氣排向大肺泡,導致肺泡群的穩定:錯誤。氣流方向正確(小肺泡排向大肺泡),但結果敘述有誤。根據 Laplace 定律,小肺泡(高壓)排氣至大肺泡(低壓)會導致小肺泡越縮越小,大肺泡越脹越大,這是一個正回饋(positive feedback)機制,結果是不穩定而非穩定。

(B) 小肺泡將空氣排向大肺泡,導致肺泡群的不穩定:正確。完全符合 Laplace 定律的物理預測。P = 2T/r 表示在表面張力恆定時,半徑越小的肺泡內壓越高。氣體從高壓小肺泡流向低壓大肺泡,小肺泡持續縮小、大肺泡持續膨脹,形成正回饋循環,最終導致小肺泡塌陷、大肺泡過度擴張,整體肺泡群處於不穩定狀態。

(C) 大肺泡將空氣排向小肺泡,導致肺泡群的穩定:錯誤。氣流方向與 Laplace 定律預測相反。根據定律,小肺泡內壓較高,氣體應從高壓(小肺泡)流向低壓(大肺泡),而非從大肺泡流向小肺泡。

(D) 大肺泡將空氣排向小肺泡,導致肺泡群的不穩定:錯誤。雖然結果描述(不穩定)部分正確,但氣流方向仍然錯誤。Laplace 定律明確指出壓力差驅使氣體從小肺泡流向大肺泡,而非由大肺泡流向小肺泡。

答案解析

本題直接考核 Laplace 定律在肺泡力學中的應用。解題關鍵有二:一是判斷氣流方向——根據 P = 2T/r,半徑小則壓力大,氣體從高壓(小肺泡)流向低壓(大肺泡);二是判斷穩定性——此氣流使小肺泡更小(壓力更高)、大肺泡更大(壓力更低),為正回饋循環,導致不穩定。只有選項 B 同時正確描述了方向與結果。在正常生理狀態下,肺表面活性劑會隨肺泡縮小而濃度增高,更大幅降低小肺泡的表面張力,使不同大小肺泡的壓力趨於平衡,抵消 Laplace 定律造成的不穩定。答案為 (B)

核心知識點

  • Laplace 定律 P = 2T/r:半徑越小、表面張力不變時,球體內壓越高
  • 在無 surfactant 條件下,小肺泡(高壓)排氣至大肺泡(低壓),導致肺泡群不穩定
  • Surfactant 在小肺泡中濃度增高,更大幅降低表面張力,使壓力趨於平衡,穩定肺泡群
  • 經典類比:兩個相連氣球實驗——小氣球的氣會流向大氣球,小氣球反而縮小

參考資料

  1. Law of Laplace in Lung Mechanics - Bohrium
  2. Laplace Law Explained - Brainbound
  3. Pulmonary surfactant - Wikipedia
  4. Properties, Production and Regulation of Lung Surfactant - Deranged Physiology
  5. Alveolar Surface Tension - StatPearls