原因和发生机制

学习目标

◆熟记呼吸功能不全、限制性通气不足、阻塞性通气不足、死腔样通气、肺性脑病的概念。

◆阐述呼吸功能不全的判断标准及发病机制。

◆列举呼吸功能不全的分型、主要功能代谢变化。

◆简述呼吸功能不全的常见原因、防治原则。

【说一说】

呼吸功能不全判断标准及分型。

呼吸功能不全又称呼吸衰竭（respiratory failure），是指由于外呼吸功能的严重障碍，以致动脉血氧分压（PaO2）低于正常范围，伴有或不伴有动脉血二氧化碳分压（PaCO2）增高的病理过程。正常人PaO2随年龄、运动及海拔高度而异，成年人在海平面静息时PaO2正常范围为（13．3－0．043×年龄）±0．66kPa；PaCO2的正常范围为（5．33±0．67）kPa，很少受年龄的影响。一般以PaO2低于8．0kPa（60mmHg），伴有或不伴有PaCO2高于6．7kPa（50mmHg）作为判断呼吸衰竭的标准。

呼吸衰竭必定有PaO2降低。根据PaCO2是否升高，可将呼吸衰竭分为低氧血症型（I型）和高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭；根据主要发病机制的不同，可分为通气性和换气性呼吸衰竭；根据原发病变部位不同，可分为中枢性呼吸衰竭和外周性呼吸衰竭；根据病程经过可分为急性呼吸衰竭和慢性呼吸衰竭。

外呼吸包括肺通气和肺换气两个基本过程，肺通气是通过呼吸运动使肺泡气与外界气体交换的过程；肺换气则是肺泡气与血液之间的气体交换过程。呼吸衰竭是肺通气障碍或（和）肺换气功能障碍所致。肺换气功能障碍又包括弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调。

肺泡与外界的气体交换依赖于正常的通气功能，正常成人在静息时有效通气量约为4L／min。当肺通气功能障碍使肺泡通气不足时可发生呼吸衰竭。肺通气障碍包括限制性和阻塞性通气不足。

（一）限制性通气不足

【议一议】

单纯性通气障碍引起何种类型的呼吸衰竭？如何发生的？

限制性通气不足是指吸气时肺泡的扩张受限制所引起的肺泡通气不足。通常吸气运动主要是吸气肌收缩引起的主动过程，呼气主要是肺泡弹性回缩和肋骨与胸骨借重力作用复位的被动过程。主动过程容易发生障碍，导致肺泡扩张受限。其主要原因如下。

1．呼吸肌活动障碍　中枢或周围神经的器质性病变如脑外伤、脑出血、脑水肿、颅内肿瘤、脑炎、多发性神经炎、脊髓高位损伤等；由过量的镇静剂、麻醉剂所引起的呼吸中枢拟制；呼吸肌受损、呼吸肌疲劳、低钾血症、酸中毒、有机磷农药中毒等所致呼吸肌无力等，均可累及呼吸肌收缩功能而引起限制性通气不足。

2．胸廓的顺应性降低　胸廓或胸膜疾患如严重胸廓畸形、多发性肋骨骨折、胸膜腔大量积液及胸膜纤维化等使胸廓的弹性阻力增加，顺应性降低，限制胸部的扩张。此外，胸膜腔大量积液或张力性气胸压迫肺，使肺扩张受限，而引起限制性通气不足。

3．肺的顺应性降低　肺泡弹性回缩力是由肺泡间隔中的弹性纤维和胶原纤维以及肺泡内层的表面张力所形成的。严重肺纤维化、肺不张，肺叶或肺段广泛切除或肺表面活性物质减少（如肺水肿、肺微循环障碍等）可降低肺顺应性，使肺泡扩张的弹性阻力增大而引起限制性通气不足。

（二）阻塞性通气不足

阻塞性通气不足是由气道狭窄或阻塞所致的通气障碍。气道阻力是通气过程中气体内部和气体与呼吸道壁之间形成的非弹性阻力。生理情况下总气道阻力的80%以上在直径大于2mm的支气管与气管，仅20%的阻力发生在直径小于2mm的外周小气道。影响气道阻力的因素有气道内径、长度、形态、气流速度等，其中最主要的是气道内径。由于中央气道与外周气道在结构上不同，当发生狭窄和阻塞时，其表现各具特点。

1．中央性气道阻塞　指气管分叉以上的气道阻塞。阻塞若位于胸外（如声带麻痹、炎症、水肿等），吸气时气体流经病灶引起的压力降低，可使气道内压明显低于大气压，导致气道狭窄严重；呼气时则因气道内压大于大气压而使阻塞减轻，故患者表现为吸气行呼吸困难。如阻塞位于中央气道的胸内部位，吸气时由于胸内压降低使气道内压大于胸内压，使阻塞减轻；而用力呼气时由于胸内压升高而压迫气道，使气道狭窄加重，故患者表现为呼气性呼吸困难（图20－1）。

2．外周性气道阻塞　指内径在2mm以下的细支气管阻塞。由于细支气管无软骨支撑、管壁薄等结构特点，并与管周围肺泡结构紧密相连，随着呼吸时胸内压的改变，其内径也随之改变。吸气时随着肺泡的扩张，细支气管受周围弹性组织的牵拉，使口径变大而管道伸长；呼气时则相反，小气道缩短变窄。慢性阻塞性肺疾患主要侵犯小气道，病变管壁增厚或痉挛、管腔被分泌物阻塞等，呼气时小气道阻力增加，患者主要表现为呼气性呼吸困难。

无论限制性通气不足还是阻塞性通气不足，均使肺泡通气量减少，使肺泡内气体不能进行充分交换，导致PaO2降低和PaCO2升高。所以，通气障碍必然导致低氧血症伴有高碳酸血症型呼吸衰竭。

图20－1　不同类型气道阻塞吸气和呼气时气道阻力的变化

【议一议】

弥散障碍引起何种类型的呼吸衰竭？如何发生的？

肺换气功能是指肺泡气和肺泡壁毛细血管中血液间的气体交换，是一个物理弥散过程，气体弥散量取决于气体弥散速度、血液与肺泡接触的时间和恰当的肺泡通气／血流比值，而气体弥散速度则取决于肺泡毛细血管壁（简称肺泡膜或呼吸膜）两侧的气体分压差、肺泡膜面积、厚度以及气体弥散能力。

（一）弥散障碍

弥散障碍是指由于肺泡膜面积减少或肺泡膜异常增厚所引起的气体交换障碍。主要的原因有以下几个方面。

1．肺泡膜面积减少　正常成人肺泡膜的弥散面积约为80m2，静息时参与换气的面积约为35～40m2。由于储备量大，只有当肺泡膜面积减少一半以上时才会引起换气功能障碍。肺泡膜面积减少见于肺叶切除、肺实变、肺不张等。

2．肺泡膜增厚　肺泡膜由肺泡表面液体层、肺泡上皮及其基底膜、毛细血管内皮及其基底膜，以及基底膜之间的基质所构成，厚度仅1～5μm，且通透性极大，十分有利于气体的交换。当肺水肿、肺泡表面透明膜形成、肺纤维化、间质性肺炎等病理情况下，使肺泡膜增厚，使气体弥散距离增宽，弥散速度减慢，导致弥散障碍。

正常静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间约为0．7s，而血液与肺泡气体充分交换的时间只需约0．25s。因此，肺泡膜面积减少或增厚时，虽然弥散速度减慢，但在静息情况下气体交换仍可在正常的接触时间内达到血气与肺泡气的平衡，而不致发生血气的异常。只有在体力负荷增加，血流速度加快，使血液与肺泡接触的时间过短而导致气体交换不充分而发生低氧血症。

由于CO2在水中的溶解度比O2大，故弥散速度比O2快，CO2的弥散系数比O2大20倍，所以，单纯的弥散障碍引起的血气异常是低氧血症型呼吸衰竭，即PaO2降低，不伴有PaCO2升高。值得指出，单纯的气体弥散障碍极少发生，往往伴有通气血流比例失调。

（二）肺泡通气与血流比例失调

血液流经肺泡时气体充分交换不仅取决于肺泡膜面积和厚度，还取决于肺泡通气量（V）和流经肺泡毛细血管血流量（Q）的比例。正常成人在静息状态下，肺泡每分通气量约为4L，每分钟肺血流量约为5L，两者比值（V／Q）约为0．8。肺疾患时，由于病变轻重程度与分布的不均匀，使各部分肺泡的通气与血流比例不一，可造成严重的肺泡通气与血流比值失调，导致换气功能障碍，引起呼吸衰竭。这是肺部疾病引起呼吸衰竭最常见最重要的机制之一。

1．部分肺泡通气不足　慢性阻塞性肺疾病引起的气道阻塞，以及肺水肿、肺实变、肺纤维化等引起限制性通气障碍，均可导致肺泡通气严重不足。病变重的部位肺泡通气明显减少，但其血流量没有相应减少，使V／Q比值显著降低，造成流经这部分肺泡的静脉血未经充分动脉化便掺入动脉血（图20－2），导致PaO2下降。这种情况类似于动－静脉短路故称功能性分流，又称静脉血掺杂。

图20－2　肺泡通气与血流比例失调模式

2．部分肺泡血流不足　肺动脉栓塞、肺血管痉挛收缩、弥散性血管内凝血、肺动脉炎等病变，均可造成部分肺泡血流量明显减少，由于其肺泡通气量并未发生相应降低，因而肺泡V／Q比值增高，这种患部肺泡血流少而通气多，肺泡通气不能充分被利用的现象称为死腔样通气（图20－2）。正常人生理死腔约占潮气量的30%。疾病时死腔样通气可显著增加，可高达潮气量的60%～70%，从而导致呼吸衰竭。

无论是部分肺泡通气不足引起的功能性分流增加，还是部分肺泡血流不足引起的功能性死腔增加，均可导致PaO2降低。由于PaO2降低反射地引起肺组织代偿性通气加强，CO2排出增加，使PaCO2可正常或降低，极严重时也可升高。

（三）解剖分流增加

在生理情况下，肺内有少量的静脉血可以不经过肺泡而通过肺动－静脉吻合支、支气管静脉与肺静脉之间的交通支直接流入肺静脉（图20－2），称为解剖分流。这些解剖分流的血流量正常约占心输出量的2%～3%，不至于对PaO2产生影响。在严重创伤、休克、烧伤等病理情况下，可因肺动－静脉短路大量开放，引起解剖分流增加，静脉血掺杂异常增多，PaO2明显降低，导致呼吸衰竭。解剖分流的血液完全未经气体交换过程，故称为真性分流。在肺实变和肺不张时，病变肺泡完全失去通气功能，流经肺泡的血液完全未进行气体交换而掺入动脉血，类似解剖分流。这种真性分流，吸入纯O2并不能显著提高PaO2，但可有效地提高功能性分流的PaO2。

临床上，引起呼吸衰竭的机制常常是几个因素同时存在或相继发生作用，单纯通气不足、单纯弥散障碍或单纯V／Q比值失调引起的呼吸衰竭较少见。例如休克肺，既有由支气管痉挛、肺顺应性降低引起的通气不足，又有肺不张、微血栓和肺血管收缩引起的通气血流比例失调，还有由肺水肿引起的气体弥散功能障碍等。

呼吸衰竭时，低氧血症、高碳酸血症和酸碱平衡紊乱可影响全身各系统的代谢和功能。首先是引起一系列代偿适应性反应，以改善组织的供氧，调节酸碱平衡，改变组织器官的功能、代谢以适应内环境的变化。呼吸衰竭严重时则出现严重的代谢功能紊乱。

呼吸衰竭时，缺氧及CO2潴留可引起酸碱平衡紊乱和电解质代谢紊乱。

（一）酸碱平衡紊乱

由于外呼吸功能障碍可引起呼吸性酸中毒、代谢性酸中毒、呼吸性碱中毒，也可合并代谢性碱中毒，常见的多为混合性酸碱平衡紊乱。

1．呼吸性酸中毒　Ⅱ型呼吸衰竭时，由于通气障碍，大量CO2潴留，血浆H2CO3原发性增高，可引起呼吸性酸中毒。同时，因低氧血症，酸性代谢产物增加，常合并代谢性酸中毒。

2．代谢性酸中毒　呼吸衰竭时，由于严重缺氧，无氧代谢增强，乳酸等酸性产物增多，可发生代谢性酸中毒。

3．呼吸性碱中毒　Ⅰ型呼吸衰竭时，因缺氧可出现代偿性通气过度，CO2排出过多，血浆H2CO3原发性减少，可引起呼吸性碱中毒。

4．代谢性碱中毒　在纠正酸中毒时，使用过量的NaHCO3或使用人工呼吸机纠正呼吸衰竭病人的高碳酸血症时，若通气过度使CO2排出过快，原代偿增加的未能及时排出，则可导致代谢性碱中毒。

（二）电解质代谢紊乱

呼吸衰竭时，电解质代谢紊乱主要表现为血钾升高和血氯降低。血钾升高主要原因是酸中毒可使细胞内K＋外移或合并肾功能障碍使肾小管排K＋减少，导致血清钾升高。血氯降低主要是由于高碳酸血症时，红细胞内生成增多与血清Cl－交换；酸中毒时肾小管泌H＋增加，NaHCO3重吸收增多，使尿中氯化物排出增加，均使血清Cl－降低。

呼吸衰竭时，低氧血症、高碳酸血症和酸中毒必然影响呼吸功能。当PaO2低于8 kPa时，可通过刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器，反射性地兴奋呼吸中枢，使呼吸加深加快；但是，严重的缺氧（PaO2低于4kPa）对呼吸中枢有直接的抑制作用。CO2对呼吸活动的影响比O2更明显。PaCO2升高主要作用于呼吸中枢化学感受器，使呼吸中枢兴奋，引起呼吸加深加快，以增加肺泡通气量；但严重的高碳酸血症（PaCO2＞10．7kPa）则可引起呼吸中枢的抑制。此时，呼吸中枢的兴奋主要依靠缺氧对外周化学感受器的刺激来维持，在此情况下只能采取控制性氧疗，吸入30%的氧气，以免缺氧完全纠正后反而呼吸抑制，加重高碳酸血症，使病情进一步恶化。

呼吸衰竭早期患者呼吸幅度、频率及节律形式主要与原发疾病的特性有密切关系。中枢性疾病引起的呼吸衰竭往往出现呼吸浅而慢，节律不整，可出现潮式呼吸、间歇呼吸、抽泣样呼吸、叹气样呼吸等异常呼吸节律，其中以潮式呼吸最为多见。限制性通气障碍患者常表现为浅快呼吸；阻塞性通气障碍时，气道阻力增加，使呼吸运动加深，由于阻塞部位不同，患者可表现为吸气性呼吸困难或呼气性呼吸困难。

轻度的缺氧和CO2潴留可使心血管运动中枢和交感神经兴奋，引起心率加快，心肌收缩力加强，心输出量增加，外周血管收缩、脑血管扩张。急性呼吸衰竭时上述反应明显，有一定代偿意义。严重的缺氧和CO2潴留可直接抑制和损害心血管运动中枢和心脏活动，扩张周围血管，引起心率减慢，心肌收缩力降低，心输出量减少，加之CO2对血管的直接扩张作用，出现血压下降、心律失常等严重后果。

呼吸衰竭可累及心脏，主要引起右心肥大和衰竭。这是由于慢性肺部疾患或呼吸衰竭引起的以肺动脉高压为特征的右心衰竭，即肺源性心脏病。其发病机制主要与肺动脉高压和心肌受损有关（详见第六章）。

【想一想】

何谓肺性脑病，其发生机制有哪些？

中枢神经系统对缺氧最敏感。呼吸衰竭时，低氧血症和高碳酸血症可导致中枢神经系统出现多种功能紊乱的表现。早期表现为兴奋、烦躁不安、精神恍惚、记忆力下降、失眠、头痛等，随着疾病加重病人可出现头痛、头晕、精神错乱、表情淡漠、意识不清、定向力障碍、嗜睡以及抽搐、昏迷。这种由呼吸衰竭引起的脑功能障碍称为肺性脑病。其发病机制如下。

1．缺氧　缺氧可使脑血管扩张及神经细胞能量代谢障碍，后者使神经细胞ATP生成减少，影响钠泵功能，引起细胞内Na＋及水增多，形成脑细胞水肿。脑充血、水肿使颅内压升高甚至形成脑疝。严重缺氧可导致代谢性酸中毒，引起神经细胞变性、坏死，加重中枢神经系统功能障碍。

2．CO2潴留　CO2潴留在肺性脑病的发生过程中起主要作用。其机制可能是：①CO2潴留引起脑血管扩张，毛细血管壁通透性增加，导致或加重脑水中；②CO2为脂溶性，易透过血脑屏障，因此可明显影响脑脊液pH，又因脑脊液缓冲能力较低，易发生酸中毒，导致细胞膜损伤，溶酶体破裂，脑细胞变性坏死。

此外，缺氧、酸中毒使毛细血管内皮细胞受损，引起血管内凝血，也是肺性脑病的发病因素之一。

呼吸衰竭时缺氧和高碳酸血症可通过交感神经兴奋引起肾血管收缩，肾血流量减少，肾小球滤过率降低，导致肾功能不同程度的受损，轻者尿中可出现蛋白、管型、红细胞和白细胞，严重时可出现少尿，氮质血症，甚至发生肾功能衰竭。

严重缺氧使胃壁血管收缩，降低胃黏膜的屏障功能，以及CO2潴留可使胃酸分泌增多，故呼吸衰竭时可发生胃黏膜糜烂、坏死、出血和溃疡形成等病变，患者可表现为恶心、食欲不振、消化不良等。

【说一说】

呼吸衰竭患者如何给氧？为什么？

1．防治原发疾病　寻找病因，并针对不同病因采取防治措施，尤其要及时控制感染、清除气管异物、解除气道痉挛、改善肺泡弥散功能等。

2．纠正缺氧　呼吸衰竭患者必有缺氧，应尽快纠正缺氧。低氧血症型（I型）呼吸衰竭可吸入高浓度氧（一般不超过50%）；高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭患者应吸入低浓度（30%）、低流量（1～2L／min）氧，以防止因吸入高浓度氧，停止了低氧对呼吸中枢的刺激作用而导致呼吸停止。

3．改善肺通气　改善通气是治疗通气性呼吸衰竭最重要的措施之一。注意保持呼吸道通畅，清除呼吸道分泌物；解除气道痉挛，给予呼吸中枢兴奋剂；必要时考虑行气管切开术；正确而恰当地使用机械辅助通气。

4．密切监护　观察神志和唇、指（趾）发绀等变化，防止发生严重的并发症，更重要的是血气监测，以此指导临床呼吸机参数的调整和酸碱紊乱的处理。

5．改善内环境及保护重要器官功能 及时纠正酸碱平衡紊乱和电解质代谢异常，对严重呼吸衰竭且病程较长者，要预防发生弥散性血管内凝血，且要重视营养支持和心、脑、肾等各器官功能的保护。

小　结

当外呼吸功能障碍导致PaO2低于8．0kPa（60mmHg），伴有或不伴有PaCO2高于6．7kPa（50mmHg）时称为呼吸功能不全又称呼吸衰竭。根据PaCO2是否升高，可将呼吸衰竭分为低氧血症型（I型）和高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭。

肺通气障碍或（和）肺换气功能障碍是呼吸衰竭的基本机制。肺通气障碍主要是肺泡限制性通气不足和阻塞性通气不足，前者包括呼吸肌活动障碍、胸廓的顺应性降低，后者又可分为中央气道阻塞和外周气道阻塞；肺换气功能障碍又包括弥散障碍、肺泡通气与血液比例失调。

呼吸衰竭时，低氧血症、高碳酸血症和酸碱平衡紊乱可影响全身各系统的代谢和功能，肺性脑病是由于缺氧和CO2潴留导致中枢神经系统损伤的结果。

病案讨论

病例摘要　患者，男，25岁，在一次飞机着陆事故中骨盆、胫骨等多处骨折，烧伤及烟雾吸入致呼吸道损伤。事故前身体健康。

体检：血压80／50mmHg，呼吸12次／min；给与输液及气管插管。肺部可听到很少量的细微啰音，未见气胸症状。胸部X射线片无明显异常。因脾破裂行脾切除术，对烧伤等进行对症处理，给予40%的氧气吸入。

血气分析：pH值7．47，PaO265mmHg，PaCO233mmHg。

入院24小时后患者呼吸急促，30次／min；发绀，肺部可听到大量罗音，胸部X光片显示弥散性雾状浸润。PaO235mmHg，组织学检查发现肺泡内充满渗出物，含有透明膜，巨噬细胞及其他炎症细胞。肺泡膜间织变厚，水肿，肺泡损伤广泛存在。

讨论：

1．简述患者在入院后疾病的演变，其特点是什么？

2．解释患者入院24小时后PaO2下降的病理生理机制？

同步练习

一、选择题

1．阻塞性通气不足，主要是由于（ ）

A．肺顺应性降低

B．肺泡通气血流比例失调

C．非弹性阻力增加

D．肺泡扩张受限制

2．限制性通气不足主要是由于（ ）

A．中央气道阻塞

B．外周气道阻塞

C．肺泡膜面积减小、膜厚度增加

D．肺泡扩张受限制

3．下列哪项属于阻塞性通气功能障碍（ ）

A．呼吸中枢受损

B．呼吸肌功能障碍

C．多发性肋骨骨折

D．气道萎陷

4．肺淤血，水肿产生呼吸困难主要机制是（ ）

A．肺血管感受器受刺激

B．中央气道阻塞

C．呼吸功能和耗能增加

D．肺顺应性降低

5．肺的弹性阻力增大时（ ）

A．肺的顺应性增大

B．肺的顺应性不变

C．肺的顺应性降低

D．肺的顺应性可增大、可变小

6．重度慢性Ⅱ型呼吸衰竭患者通气冲动主要来自（ ）

A．肺牵张感受器

B．中枢化学感受器

C．肺－毛细血管旁J感受器

D．颈动脉体化学感受器

7．慢性阻塞性肺疾患发生呼吸衰竭的中心环节是（ ）

A．肺顺应性下降

B．支气管黏膜水肿

C．有效肺泡通气量减少

D．小气道阻塞

8．肺分流一般不易引起动脉血中二氧化碳含量增加，这是由于（ ）

A．气道阻力降低

B．CO弥散量大于氧气弥散量

C．分流血液中二氧化碳通过肺泡排出

D．通气增加

9．弥散障碍与下列哪项无关（ ）

A．氧与血红蛋白接触时间小于0．75s

B．严重贫血

C．肺泡壁透明膜形成

D．肺叶切除

10．呼吸衰竭最常见病因是（ ）

A．上呼吸道急性感染

B．炎症使中央气道狭窄、阻塞

C．过量麻醉药、镇静药应用

D．慢性阻塞性肺疾患

二、名词解释

1．弥散障碍　2．Ⅱ型呼吸衰竭　3．肺性脑病

三、简答题

肺泡通气不足和弥散障碍引起的呼吸衰竭原因及机制是什么？两者引起的血气变化主要异同点是什么？为什么？