第一节 病因与发病机制

■学习目标

掌握：呼吸衰竭的概念、病因、发病机制及呼吸衰竭时的血气变化特点。Www.Pinwenba.Com 吧

熟悉：呼吸衰竭时机体的主要功能和代谢的变化。

了解：呼吸衰竭的防治及护理原则。

呼吸是摄取氧并排出二氧化碳的过程，其全过程包括三个相互联系的环节：①外呼吸包括肺通气（肺与外界的气体交换）和肺换气（肺泡与血液之间的气体交换）两个过程；②气体在血液中运输；③内呼吸指血液或组织液与组织细胞之间的气体交换。

呼吸衰竭是指在海平面静息呼吸空气的条件下，由于外呼吸功能障碍导致动脉血氧分压（PaO2）低于60 mmHg（8.0 kPa），伴有或不伴有动脉血二氧化碳分压（PaCO2）高于50 mmHg（6.67 kPa），并有明显的临床症状者，称为呼吸衰竭（respiratory failure）。从轻到重不同程度的呼吸功能障碍称为呼吸功能不全，呼吸衰竭是呼吸功能不全的严重阶段。正常人在静息时的PaO2随年龄及所处海拔高度而异，在海平面上成年人静息时的PaO2正常范围为（100-0.32×年龄）±4.97 mmHg；PaCO2的正常范围为极少受年龄影响。

呼吸衰竭的分类：①按血气变化特点分为Ⅰ型（仅有低氧血症）和Ⅱ型（低氧血症伴高碳酸血症）呼吸衰竭；②按原发病变部位不同分为中枢性和外周性呼吸衰竭；③按病程经过不同分为急性和慢性呼吸衰竭。

外呼吸包括肺通气和肺换气两个过程。因此，凡能引起肺通气和（或）肺换气功能障碍的任何疾病均可导致呼吸衰竭。

1.肺通气功能障碍 肺通气是在呼吸中枢的调控下，通过呼吸肌的收缩和松弛，使胸廓和肺做节律性的扩大和缩小，以完成肺与外界之间气体交换的过程。正常成人安静时肺通气量为6～8 L/min，其中解剖无效腔约占30%，肺泡通气量约为4 L/min，判断肺通气效率最好的指标是肺泡通气量。因为，在肺通气过程中，进入肺泡的气体才参与气体交换，而存在于解剖无效腔的气体不参与气体交换。

正常人每分肺泡通气量=（潮气量-无效腔气量）×呼吸频率（次/分）。

若肺通气动力减弱或弹性阻力增加使肺泡扩张受限制（限制性通气不足），或由于呼吸道阻塞使肺通气阻力增大（阻塞性通气不足），都可引起肺通气障碍，肺泡通气量减少，最后导致呼吸衰竭。

（1）限制性通气不足 指吸气时肺泡扩张受限所引起的肺泡通气不足称为限制性通气不足（re-strictive hypoventilation）。常见原因有：①呼吸肌活动障碍，呼吸中枢抑制或中枢（或周围神经）的器质性病变，如脑外伤、脑血管意外、脑炎、脊髓灰质炎、多发性脊神经炎等；由过量镇静药、安眠药、麻醉药所引起的呼吸中枢抑制；由长时间呼吸困难和呼吸运动增强所引起的呼吸肌疲劳或严重营养不良所致呼吸肌萎缩等引起吸气肌本身的收缩功能障碍；由严重低钾血症、缺氧、酸中毒等所致呼吸肌无力等，均可使吸气肌收缩功能降低引起限制性通气不足。②胸廓的顺应性降低，在呼吸运动中，肺随着胸廓的运动而运动，严重的胸廓畸形、胸膜纤维化、多发性肋骨骨折等可限制胸廓的扩张，胸廓的顺应性降低，从而限制肺的扩张；胸腔大量积液或张力性气胸压迫肺，严重的腹水、肝脾大等使胸部扩张受限。③肺的顺应性降低，如严重的肺纤维化或肺泡表面活性物质减少可降低肺的顺应性，肺泡表面活性物质减少的原因有Ⅱ型肺泡上皮细胞的发育不全（新生儿呼吸窘迫综合征）或急性损伤所致表面活性物质合成不足和组成的变化，肺过度通气或肺水肿等所致表面活性物质的过度消耗、稀释和破坏，使肺泡扩张的弹性阻力增大而导致限制性通气不足。

（2）阻塞性通气不足 即呼吸道狭窄或阻塞使气道阻力增加所致的肺泡通气不足称为阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation）。气道阻力是气体进出气道时，气体分子之间及气体与气道之间发生摩擦而产生的。很多因素可直接影响气道阻力，如气道内径、长度和形态、气流速度和类别（层流、涡流）等，其中最主要的是气道内径。管壁痉挛、肿胀或纤维化；管腔被黏液、渗出物、异物等阻塞；肺组织弹性降低以致对气道管壁的牵引力减弱等，均可使气道内径变小或不规则而增加气流阻力，从而引起阻塞性通气不足。根据呼吸道狭窄或阻塞的部位分为以下两种。

1）中央气道阻塞：指气管分叉处以上的气道阻塞。胸外和胸内的中央气道阻塞在吸气与呼气时变化特征是不同的。若阻塞位于胸外（如喉头水肿、炎症、异物、肿瘤压迫等）时，吸气时气道内压小于大气压，故可使气道阻塞加重；呼气时则因气道内压大于大气压而使阻塞减轻，故中央气道胸外阻塞的患者，表现为吸气性呼吸困难。若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；呼气时由于胸内压上升而压迫气管，使气道阻塞加重，患者表现为呼气性呼吸困难。

2）外周气道阻塞：又称小气道阻塞，常见原因有慢性支气管炎、支气管哮喘等。引起气道阻力增加的主要机制是由于小气道炎性充血、水肿、分泌物增加以及支气管平滑肌痉挛使管壁增厚、管腔狭窄所致。外周气道阻塞的患者用力呼气时可引起小气道闭合，等压点上移，从而导致严重的呼气性呼吸困难。所谓“等压点（isobaric point）”是指在用力呼气过程中气道内压与胸内压相等的气道部位。在生理情况下，在吸气时不可能出现等压点，因为此时气道内压力必定大于肺泡内压，肺泡内压也大于胸腔内压；在平静呼气时，胸腔内压最大时是负值，不可能存在等压点，肺泡内气体随压力降低而呼出；但当用力呼气时，胸内压大于大气压，此时气道压也是正压，压力由小气道至中央气道逐渐下降，在呼出的气道上必然有一部位气道内压与胸内压相等，即等压点。等压点下游端（通向鼻腔的一端）的气道内压低于胸内压，气道可能被压缩，但正常人的等压点位于软骨性气道，气道不会被压缩。

慢性支气管炎时，大支气管内黏液腺增生，小气道壁炎性充血、水肿、炎性细胞浸润、上皮细胞增生、细胞间质增多，导致气道管壁增厚狭窄；气道高反应性和炎症介质可引起支气管痉挛；炎症累及小气道及周围组织，可压迫小气道，使小气道缩小而加重阻塞。由于小气道的堵塞，患者在用力呼气时小气道压降的更大，等压点因而上移（移向小气道）。肺气肿时，由于炎症使肺血管内膜增厚，肺泡壁血供减少，肺泡弹性减弱，助长膨胀的肺泡破裂形成肺大疱。由于肺弹性回缩力降低，使胸内压增高，致等压点上移（见图15-1），移至无软骨支撑的膜性气道，导致小气道受压，甚至闭合，肺泡气难以呼出，故患者表现出呼气性呼吸困难。外周气道阻塞导致“等压点”上移也是引起呼气性呼吸困难的重要机制。

无论是限制性或是阻塞性通气不足，肺泡通气量均减少，使肺泡气氧分压下降和肺泡气二氧化碳分压升高，因而流经肺泡毛细血管的血液不能充分动脉化，导致PaO2降低和PaCO2升高。所以，通气功能障碍必然导致低氧血症和高碳酸血症即型呼吸衰竭。

2.肺换气功能障碍 肺换气是指肺泡与血液之间的气体交换过程，换气功能障碍主要包括弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调以及解剖分流增加。

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（1）弥散障碍（diffusion impairment）肺泡气与肺泡毛细血管中血液之间进行气体交换是一个物理弥散过程。气体弥散速度与肺泡膜两侧气体分压差、肺泡膜的面积与厚度以及气体的相对分子质量和溶解度有关。弥散障碍主要是由于肺泡膜弥散面积减少或肺泡膜厚度增加而引起的气体（主要是氧）交换障碍。

1）肺泡膜面积减少：正常成人肺泡膜总面积约80 m2，静息时参与换气的面积仅为35～40 m2，运动时参与换气的面积增大。因此，只有当肺泡膜面积减少一半以上时，才会发生换气功能障碍。常见于肺实变、肺不张、肺叶切除、肺气肿等。

2）肺泡膜厚度增加：肺泡与毛细血管之间的气体交换是通过肺泡膜来实现的。肺泡膜由6层结构组成，即毛细血管内皮层、基膜层、胶原纤维和弹力纤维交织成网的间隙、肺泡上皮层、液体分子层和表面活性物质层，但其平均厚度不到1μm，故正常时气体交换很快。当肺水肿、肺纤维化、肺透明膜形成时，弥散距离增宽使弥散速度减慢。

肺泡膜面积减少或增厚的患者在静息状态下一般不出现血气异常，虽然弥散速度减慢，但仍可在正常的接触时间（0.75秒）内达到血液氧分压与肺泡气氧分压的平衡，而不至于发生血气的异常。只在体力负荷增加等使心排血量增加和肺血流加快、血液和肺泡接触时间过短的情况下，才会出现明显的气体弥散障碍而发生低氧血症。由于CO2弥散速度比O2快，因而血液中的CO2能较快地弥散入肺泡，只要患者肺泡通气量正常，就可保持PaCO2与肺泡气二氧化碳分压正常。所以，单纯的弥散障碍引起的血气变化特点是PaO2降低，即只有低氧血症而无高碳酸血症。如果存在代偿性通气过度，CO2排出过多反而降低。

（2）肺泡通气与血流比值失调（ventilation-perfusion imbalance）要实现气体交换，除了与肺泡膜的面积、通透性有关外，还必须有足量的肺泡通气和充足的肺毛细血管血流，且二者要有恰当的比值。正常成人在静息状态下，肺泡通气量（V A）约为4 L/min，肺血流量（Q）约为5 L/min，二者比值（V A/Q）约为0.8（见图15-2A）。某些肺疾病导致肺病变程度与分布不均匀，使肺内各部分V A/Q严重失调，有以下两种类型。

1）部分肺泡通气不足：如气道阻塞、肺实变、肺水肿、肺纤维化等，使部分肺泡通气减少甚至失去通气功能，而血流未相应减少，有时还可因炎性充血使血流增多（如大叶性肺炎早期），V A/Q降低。此时，流经通气不足肺泡的静脉血未能充分氧合而掺杂到动脉血内，这种情况类似动—静脉短路，故称功能性分流（functional shunt），又称静脉血掺杂（venous admixture），结果PaO2降低（见图15-2C）。

2）部分肺泡血流不足：如肺动脉栓塞、肺血管收缩、肺气肿、DIC等使部分肺泡血流减少而通气基本正常，引起V A/Q增高。此时该部分肺泡通气不能被充分利用，形成无效腔样通气（dead space like ventilation），结果PaO2降低（见图15-2D）。

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A.正常；B.解剖分流；C.功能分流；D.无效腔样通气

无论是功能性分流，还是无效腔样通气，均可导致PaO2降低，而PaCO2可正常、降低或升高，这取决于PaO2降低时反射性地引起肺组织代偿通气的程度。如果代偿性通气很强，CO2排出过多，PaCO2可低于正常；如果肺组织病变广泛，代偿不足，则会因气体交换障碍而致PaCO2升高。

（3）解剖分流增加 生理情况下，肺内存在解剖分流，即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。正常情况下，这部分解剖分流的血液仅占心排血量的2%～3%，不会对PaO2产生影响。严重创伤、休克时，可因肺微循环栓塞和肺小动脉收缩，使肺循环阻力升高，引起肺内动—静脉短路开放，解剖分流增加，导致PaO2明显下降（图15-2B）。

肺严重病变（如肺不张和肺实变等）时，部分肺泡的通气完全停止，但仍有血液流经病变肺泡，而又未经氧合便掺入动脉血，类似解剖分流。有人把这种完全未经气体交换的血液分流和解剖分流称为真性分流（true shunt）。真性分流时，吸入纯O2并不能明显提高PaO2。而功能性分流时，吸入纯O2可提高PaO2，使低氧血症得到明显改善，用这种方法可鉴定功能性分流和真性分流。

必须指出，单纯通气障碍或换气障碍所致呼吸衰竭较少见，往往是多种因素同时存在或相继发生作用。如慢性阻塞性肺气肿所致的呼吸衰竭，虽然阻塞性通气功能障碍是重要因素，但肺泡弥散面积减少，肺泡壁毛细血管床减少等亦使换气功能障碍。因此，对不同疾病引起呼吸衰竭的机制必须进行具体分析。

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是由急性肺损伤（肺泡毛细血管膜损伤）引起的一种急性呼吸衰竭。

引起急性肺损伤的常见原因有休克、大面积烧伤、败血症、吸入毒气、输液过量、体外循环以及氧中毒等。不同病因引起肺损伤的机制不尽相同，有些致病因子可直接作用于肺泡膜引起肺损伤；有的则主要通过激活中性粒细胞和血小板间接引起肺损伤。大量中性粒细胞在趋化因子（TNF-α、IL-8、C5a、LTB4、TXA2、PAF、FDP等）作用下聚集于肺、黏附于肺泡毛细血管内皮，释放氧自由基、蛋白酶和炎症介质等，导致肺泡—毛细血管膜损伤，通透性增高及微血栓形成。急性肺损伤进一步发展，可导致呼吸衰竭，其机制见下图（见图15-3）。

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慢性阻塞性肺疾病是指由慢性支气管炎和肺气肿引起的慢性气道阻塞，简称“慢阻肺”，其共同特征是管径小于2 mm的小气道阻塞和阻力增高。COPD是引起慢性呼吸衰竭的最常见原因，其引起呼吸衰竭机制见下图（图15-4）。

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