呼吸衰竭的原因和发病机制

外呼吸包括通气和换气两个基本环节。各种病因都是通过通气功能障碍或换气功能障碍而引起呼吸衰竭（图3-6）。

1.通气功能障碍　通气是肺泡与外界环境进行气体交换的过程。吸气时呼吸肌收缩使胸廓和肺扩张，克服阻力造成负压，使空气从体外进入肺泡腔。正常人在静息状态下每分钟肺泡通气量为4～6L，运动时可高达70L/min以上。通气功能障碍时肺泡通气不足，可引起呼吸衰竭。通气功能障碍可分两类。

（1）限制性通气不足（restrictive hypoventilation）:胸廓和肺的扩张和回缩受限制所引起的通气不足，称为限制性通气不足，其特征为肺容量和肺活量都减少。正常肺的扩张和回缩有赖于呼吸中枢的兴奋性、呼吸肌的收缩力、胸廓的完整性以及胸廓和肺的弹性阻力。这些环节之一受损即引起限制性通气不足。

①呼吸中枢受损或抑制的常见原因:侵犯呼吸中枢的颅内感染，如化脓性脑膜炎、流行性乙型脑炎等;脑外伤、脑出血、脑水肿引起的颅内压升高或颅内肿瘤压迫脑干呼吸中枢;镇静药、安眠药或麻醉药过量。

表3-7　呼吸衰竭的分类

图3-6　呼吸衰竭的原因

②呼吸肌功能障碍:重症肌无力、脊髓灰质炎、严重低钾血症和有机磷中毒等可引起呼吸肌收缩力减弱。颈部或高位胸部脊髓损伤可因呼吸肌麻痹而立即引起呼吸衰竭。

③胸廓和胸膜疾病:肋骨骨折、胸腔积液、气胸和胸膜增厚及脊柱严重畸形等，引起胸廓运动受限制或胸膜腔负压消失，使肺的扩张受限制。

④肺实质病变:肺炎（肺炎、非典型肺炎）、肺水肿、肺淤血、肺纤维化（硅沉着病、肺结核）等肺实质病变使肺组织变硬，弹性阻力增加，肺顺应性降低，影响肺泡舒张和回缩。上述情况是否发生呼吸衰竭决定于其范围和严重程度。

肺泡表面活性物质产生减少或破坏增多都使肺泡的表面张力增加而降低肺顺应性，使肺泡不易扩张甚至萎陷，也可发生限制性通气不足。

由呼吸中枢抑制或呼吸肌麻痹引起的通气不足是全肺性均匀一致的，是单纯性的通气不足。由肺病变引起的常是局部性不均匀的，除有通气不足外，还有通气血流分布不均和气体扩散障碍。

（2）阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation）:气道狭窄或阻塞所引起的肺泡通气不足称为阻塞性通气不足。气道阻力是气体流动时，气体分子之间、气流与呼吸道内壁之间发生摩擦而形成的阻力。气道阻力是通气过程中主要的非弹性阻力，呼气时略高于吸气时。其中80%以上发生于直径在2mm以上的气道，直径＜2mm的外周小气道的阻力仅占总阻力的20%以下。

影响气道阻力最主要的是气道内径。气道外的压迫和气道内的堵塞（黏液、渗出物、异物或肿瘤）以及气道本身痉挛、肿胀或纤维化等都可使气道内径狭窄或不规则而增加气流阻力，引起阻塞性通气不足。气道阻塞分为两类。

①上呼吸道阻塞:指声门到气管隆凸间的气道阻塞。多见于气管异物、喉头水肿、声带麻痹、肿瘤或白喉假膜堵塞，常发生吸气困难。严重的阻塞可引起窒息。

②下呼吸道阻塞:多见于慢性支气管炎、支气管哮喘和慢性阻塞性肺气肿等疾病。管径＜2mm的小气道管壁薄，无软骨支撑，吸气时受周围弹性组织牵拉，使管径变大，管道伸长;呼气时管道缩短变窄。上述疾病时，小气道常因炎症痉挛、管壁肿胀增厚、分泌物堵塞以及肺泡壁弹性纤维破坏对小气道的弹性牵引力减弱等影响，致管腔狭窄，气道阻力增加。尤其是在呼气时，胸膜腔内压升高大于气道内压，使小气道受压而闭合阻塞，常发生呼气困难。

上呼吸道阻塞引起的是全肺通气不足。下呼吸道阻塞因病变部位和程度不均匀，其通气不足不是全肺性的，常同时存在肺泡通气与血流比值失调而伴有换气功能障碍。

2.换气功能障碍　肺换气是肺泡气和肺毛细血管内血液之间的气体交换过程。肺泡通气和血流的比值、气体经肺泡-毛细血管膜扩散速度以及肺内动静脉分流和血流速度都影响肺的换气功能。

（1）扩散障碍（impaired diffusion）:扩散是指O2和CO2经肺泡-毛细血管膜在肺泡和血液之间进行交换的过程。影响气体扩散的因素可用下式表示。

肺泡-毛细血管膜的厚度仅1～4μm。血液与肺泡的总接触时间约0.75s，而完成气体扩散过程只需0.25s，因此静息时有足够的时间使气体在血液和肺泡之间达到平衡，虽有扩散障碍但不致引起低氧血症，除非极度严重。而运动时，心排血量增加，通过肺毛细血管的血流速度加快，血液与肺泡的接触时间缩短，未能充分完成扩散过程而引起动脉血氧分压降低。不过即使在运动时，单独的扩散障碍也很少引起呼吸衰竭，扩散能力要降低至正常的20%以下才会影响动脉血的氧合。扩散障碍主要是使其他机制引起的低氧血症加重。扩散障碍见于下列情况。

①扩散面积减少:是影响扩散能力最主要的因素。常见于肺叶切除、肺实变、肺不张和肺气肿等肺部病变。

②肺泡膜厚度增加:肺泡-毛细血管膜由肺泡表面液层、肺泡上皮、基底膜、间质和毛细血管内皮组成，厚1～4μm，易为气体透过。当发生肺泡和间质的炎症、水肿、纤维化以及肺泡内面形成透明膜时，都可使肺泡膜厚度增加，扩散距离加大，扩散速度延缓。由于CO2的扩散速率比O2大20倍，单纯的扩散障碍不致引起PaCO2升高。

（2）肺泡通气和血流比例失调（ventilationperfusion mismatching）:有效地进行换气不仅要求有正常的通气量和肺血流量，而且两者在量上应保持一定的比例。肺内通气和血流分布不均匀造成通气-血流比例失调，严重影响气体交换，是肺部疾病引起呼吸衰竭最常见的原因（图3-7）。如果通气和血流任何一方增加或减少，就会引起比例失调，发生功能性分流增加。

图3-7　正常人直立时从肺尖到肺底部同期和血液的变化

①比值降低:肺泡通气明显减少而血流无相应下降甚至还增多，使比值＜0.8。静脉血流经通气不足的肺泡时，未经充分氧合便进入动脉血。这种情况类似肺内动-静脉分流，称为功能性分流（shunt-like effect）。功能分流占肺血流量达15%时出现明显的低氧血症表现。在肺炎、肺水肿、急性呼吸窘迫综合征和慢性支气管炎、支气管哮喘引起的小气道狭窄阻塞时，部分肺泡通气不足，使比值降低，出现低氧血症。

②比值增高:肺动脉栓塞、单纯肺气肿肺泡毛细血管床减少、肺血管强烈收缩和循环血量减少等情况，相应部位的肺泡有通气而血流减少，使通气浪费，成为无效腔（死腔）。因此比值增大的情况又称死腔样通气（dead space-like ventilation）。若死腔样通气范围较大，虽流经此处的血液可完全氧合，但因病变部分血流太少，致使其他部分的肺泡血流量增加而通气相对不足，也发生功能性分流增加而出现低氧血症。死腔样通气范围很大时除低氧血症外还可合并高碳酸血症。

3.肺内动-静脉分流增加　正常有一部分静脉血不经肺泡而由支气管静脉和肺内动-静脉交通支汇入肺静脉，称为右-左分流或肺内动-静脉分流（shunt）。此外还有心最小静脉（thebesian veins）直接流入左心室。这些都属解剖分流，仅占心排血量的2%～3%，不致引起血气的明显改变。肺内分流增加见于肺小动脉收缩和微循环栓塞，此时肺血管阻力增加和肺动脉压升高，使肺动静脉吻合支开放。支气管扩张时，支气管周围的炎性肉芽组织内、支气管静脉和肺静脉之间有许多吻合支形成。

静脉血掺杂的程度用分流率表示:

分流率（%)

为分流量，Qt为心排血量。正常为2%～3%，不超过7%;全身麻醉时可达9%～10%;10%～20%为轻到中度增加;严重时高达30%～50%，PaO2可降至50mmHg以下。

吸入纯氧15～20min，功能性分流（比值减小）引起的低氧血症可消除或减轻，PaO2＞66.5kPa（500mmHg），但肺内解剖性分流引起的低氧血症得不到改善，PaO2＜66.5kPa（500mmHg），因为大量静脉血不能接触含高浓度氧的肺泡而径直进入动脉血（图3-8）。

呼吸衰竭的发生中，上述各因素单独起作用的很少，往往是综合起作用。但各个具体疾病各有其主要的发病机制，需作具体分析。

图3-8　解剖分流和功能性分流吸入纯氧后PaO2的变化