Respiratory pathophysiology 呼 吸 病 理 生 理 Respiratory pathophysiology Department of Pathology Shanghai University of TCM

External Respiration Gas Transport Internal Respiration 机体通过呼吸不断地从外界环境中摄取氧并排出二氧化碳。呼吸包括三个基本过程：①外呼吸：指肺通气（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）；②气体在血液中的运输；③内呼吸：指血液与组织细胞间的气体交换，以及细胞内生物氧化的过程。 本章重点讲述呼吸衰竭，而呼吸衰竭是外呼吸功能的严重障碍导致的病理过程，因此我们在第一节中简单介绍一下有关肺外呼吸功能的评价指标。 Internal Respiration

第一节、 肺外呼吸功能的评价 肺通气（Pulmonary ventilation ）： 肺换气（Gas exchange）： 肺总容量(total lung capacity，TLC) 用力肺活量(forced vital capacity，FVC) 肺泡通气量(alveolar ventilation, VA) 残气量(residual volume，RV)： 死腔量(dead space volume, VD) 顺应性(compliance) 肺换气（Gas exchange）： 肺弥散量(diffusing capacity) 肺泡气－动脉血氧分压差[P(A-a)O2]， 本章重点讲述呼吸衰竭，而呼吸衰竭是外呼吸功能的严重障碍导致的病理过程，因此我们在第一节中简单介绍一下有关肺外呼吸功能的评价指标。

肺通气功能的评价指标 肺总容量(total lung capacity，TLC): 指肺所能容纳的最大气量。成年男性平均约5000ml，女性约3500ml。 用力肺活量(forced vital capacity, FVC)：指最大吸气后用力呼出的气量。正常成年男性平均约为3500ml，女性约2500ml。肺活量反映了肺一次通气的最大能力，一般来说肺活量越大，肺的通气功能越好。

肺通气功能的评价指标 残气量(residual volume，RV)：指最大呼气末气道内残留的气量。正常成人约为1000 ～1500ml。 功能残气量(functional residual capacity, FRC)：指平静呼气末存留于肺内的气量，正常成年人约为2500ml。功能残气量能缓冲呼吸过程中肺泡内氧和二氧化碳分压的急剧变化。 功能残气量的存在有重要的生理意义，它能缓冲呼吸过程中肺泡内氧和二氧化碳分压的急剧变化，从而保证肺泡内和血液中的氧和二氧化碳分压不会随呼吸运动而出现大幅度的波动。

肺通气功能的评价指标 肺泡通气量(alveolar ventilation, VA)：指的是参与气体交换的通气量，是真正有效的通气量，因此，也称为有效通气量。肺泡通气量与肺通气量不同，肺通气量中有一部分气体是不能进行气体交换的。 死腔量(dead space volume, VD)：进入气道但不参与气体交换的气量。 顺应性(compliance)：在外力作用下，弹性组织扩张的难易程度。容易扩张即顺应性大，不易扩张则顺应性小，它与弹性阻力呈反比关系。

肺换气功能的评价指标 肺弥散量(diffusing capacity)：指气体在1mmHg分压差下，每分钟经肺泡膜弥散的容量。反映了肺换气的效率。 肺泡气－动脉血氧分压差[P(A-a)O2]：指肺泡气氧分压与动脉血氧分压之差。可反映肺泡膜氧交换状态。

第二节、呼吸衰竭 呼吸衰竭(respiratory failure)：是指由于外呼吸功能严重障碍，导致动脉血氧分压降低，伴有或不伴有二氧化碳分压增高的病理过程。 诊断呼吸衰竭的主要血气标准是PaO２低于60mmHg和/或PaCO2高于50mmHg。 呼吸功能不全(respiratory insufficiency)   呼吸衰竭(respiratory failure)：是指由于外呼吸功能严重障碍，导致动脉血氧分压降低，伴有或不伴有二氧化碳分压增高的病理过程。诊断呼吸衰竭的主要血气标准是PaO２低于60mmHg和/或PaCO2高于50mmHg。 正常人PaO2随年龄、运动及所处海拔高度而异，成年人在海平面静息时，动脉血氧分压（PaO2）的正常范围为：PaO2=（100－0.32×年龄）±5mmHg。动脉血二氧化碳分压（PaCO2）极少受年龄的影响，其正常范围为40±0.5mmHg。     呼吸功能不全(respiratory insufficiency)与呼吸衰竭(respiratory failure)的区别： 呼吸功能不全涵盖了外呼吸功能障碍的全过程，而呼吸衰竭是呼吸功能不全的严重阶段。呼吸功能不全一般在剧烈运动时发生，但呼衰即使静息时也是存在的。

呼吸衰竭的分类 按动脉血气改变：低氧血症型（I型） 高碳酸血症型（II型） 按发病机制：通气障碍型和换气障碍型 按病变部位：中枢性和外周性 按发生快慢和持续时间的长短：急性和慢性 1. 根据血气改变分类 ：呼吸衰竭必定有PaO２降低，但PaCO2的增高未必一定存在，因此，根据PaCO2是否升高又将呼衰分为I 型和II型。仅有PaO２降低的称为低氧血症型（Ⅰ型）呼吸衰竭；PaO２降低伴有PaCO2增高称为高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭。 2. 根据主要发病机制的不同： 分为通气障碍型和换气障碍型呼吸衰竭。     通气障碍型呼吸衰竭不仅有PaO2降低，同时伴有PaCO2的升高，故又称高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭。换气障碍型呼吸衰竭仅有PaO2降低，PaCO2正常或偏低，故又称低氧血症型（Ⅰ型）呼吸衰竭。 3. 根据发病部位： 分为中枢性和外周性呼吸衰竭。 4. 根据呼吸衰竭发生快慢和持续时间的长短：分为急性和慢性呼吸衰竭。     急性呼吸衰竭发病急速，体内往往来不及进行代偿，如急性呼吸窘迫综合征（ARDS）；慢性呼吸衰竭发生缓慢，持续时间较长，在早期或轻症时机体一般可以代偿，只有当代偿失调时才发生严重的病理生理变化。

呼吸衰竭的病因与发病机制 由于呼吸衰竭是外呼吸功能障碍引起的临床综合征，故从呼吸中枢、周围神经到胸廓、气道、肺的病变凡可严重阻碍呼吸运动和肺内气体交换者，皆可引起呼吸衰竭。肺通气和肺换气是外呼吸的两个基本环节。下面分别以这2个基本环节障碍为线索讲述。

一、肺通气功能障碍 限制性通气不足(restrictive hypoventilation) 因吸气时肺泡扩张受限制而引起的肺泡通气不足。 阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation) 由于呼吸道狭窄或阻塞，使气道阻力增加所致的通气障碍 肺通气是肺泡气与外界气体进行交换的过程。肺通气量包括肺泡通气量和死腔量，正常成人静息时总的肺通气量约为6.0L/min，肺泡通气量即有效通气量约4.2L/min，其中死腔通气量约为30%。当肺通气量下降或死腔量增加，使有效通气量不足时，就可致呼吸衰竭的发生。肺通气功能障碍包括限制性通气不足和阻塞性通气不足。

1. 限制性通气不足常见原因 呼吸肌活动障碍 中枢神经系统或周围神经系统器质性病变 麻醉药、镇静药过量所致的呼吸中枢抑制和神经阻滞； 呼吸肌收缩功能障碍：呼吸肌疲劳；呼吸肌营养不良性萎缩；低钾血症、酸中毒引起的呼吸肌无力等。 中枢神经系统或周围神经系统器质性病变：脑外伤、脑炎、脊髓灰质炎等。 呼吸肌疲劳是指由于呼吸肌的负荷增加所导致的收缩力和/或收缩速度减低。近年来，呼吸肌疲劳在呼吸衰竭发病中的作用引起了人们的广泛关注。如慢性阻塞性肺部疾患（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者， COPD这类疾病的共同特征是管径小于2mm的小气道阻塞和阻力增高，由于长时间呼吸困难和呼吸运动增强而引起的呼吸肌疲劳。

1. 限制性通气不足常见原因 胸廓或肺的顺应性降低 胸腔积液和气胸 严重的胸部畸形、胸膜粘连增厚或纤维化 严重的肺纤维化（石棉肺、矽肺、弥漫性肺间质纤维化） 表面活性物质（alveolar surfactant）生成不足和（或）消耗、破坏增多 胸腔积液和气胸 肺扩张受限 胸廓的顺应性降低常因严重的胸部畸形、胸膜粘连增厚或纤维化所致。 肺的顺应性降低常因：①严重的肺纤维化（石棉肺、矽肺、弥漫性肺间质纤维化等）；②肺泡表面活性物质的减少。 肺泡的内表面覆盖着一薄层液体，与肺泡内气体形成液-气界面，所以有表面张力存在，表面张力是使肺泡趋向于缩小的力。根据Laplace定律，肺泡内压（P）与表面张力（T）成正比，而与肺泡半径（r）成反比，即P=2T/r。依此公式，如果大小肺泡表面张力一样，则大肺泡因半径大，肺泡内压就小；小肺泡因半径小，肺泡内压就大。而正常人肺内的大小肺泡又是彼此连通的，若按此公式推导，气体将从小肺泡不断流入大肺泡，结果使大肺泡膨胀，小肺泡萎缩，肺泡将失去稳定性。但是，这种情况在正常人是不会出现的。因为肺泡内存在一种可降低肺泡表面张力的物质，即肺泡表面活性物质（alveolar surfactant）。肺泡表面活性物质由肺泡Ⅱ型细胞（分泌细胞）合成并释放，能够降低肺泡表面张力，稳定大小肺泡容积。表面活性物质的分子密度可随肺泡表面积的变化而变化。当肺泡变大时，表面活性物质密度减小，其降低表面张力的作用减弱，表面张力增加，回缩力增加，从而防止肺泡过度扩张而破裂；而肺泡变小时，表面活性物质的密度增大，其降低表面张力的作用增强，表面张力减小，从而防止了肺泡塌陷。肺泡表面活性物质减少的原因有Ⅱ型肺泡上皮细胞发育不全（婴儿呼吸窘迫综合症），或急性受损（急性呼吸窘迫综合症）。当肺泡表面活性物质减少时，肺泡顺应性降低，致使吸气阻力增大，导致呼吸困难。 （3）胸腔积液或气胸：胸腔大量积液时，肺严重受压，而造成肺扩张受限；开放性气胸时，胸内负压消失，导致肺塌陷，从而发生限制性通气障碍。

肺泡表面活性物质 P=2T/r Laplace定律 肺的顺应性降低常因：①严重的肺纤维化（石棉肺、矽肺、弥漫性肺间质纤维化等）；②肺泡表面活性物质的减少。 肺泡的内表面覆盖着一薄层液体，与肺泡内气体形成液-气界面，所以有表面张力存在，表面张力是使肺泡趋向于缩小的力。根据Laplace定律，肺泡内压（P）与表面张力（T）成正比，而与肺泡半径（r）成反比，即P=2T/r。依此公式，如果大小肺泡表面张力一样，则大肺泡因半径大，肺泡内压就小；小肺泡因半径小，肺泡内压就大。而正常人肺内的大小肺泡又是彼此连通的，若按此公式推导，气体将从小肺泡不断流入大肺泡，结果使大肺泡膨胀以致破裂，而小肺泡萎缩塌陷。但是，这种情况在正常人是不会出现的。因为肺泡内存在一种可降低肺泡表面张力的物质，即肺泡表面活性物质（alveolar surfactant）。肺泡表面活性物质由肺泡Ⅱ型细胞合成并释放，能够降低肺泡表面张力。表面活性物质的分子密度可随肺泡表面积变化。当肺泡变大时，表面活性物质密度减小，其降低表面张力的作用减弱，表面张力增加，回缩力增加，从而防止肺泡过度扩张而破裂；而肺泡变小时，表面活性物质的密度增大，其降低表面张力的作用增强，表面张力减小，从而防止了肺泡塌陷。当肺泡表面活性物质减少时，肺泡顺应性降低，致使吸气阻力增大，导致呼吸困难。

Neonatal respiratory distress syndrome (NRDS): lack of surfactant retraction of soft tissue on inspiration

2. 阻塞性通气不足 阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation)：由于呼吸道狭窄或阻塞，使气道阻力增加所致的通气障碍。 气道阻力（airway resistance）：气体流动时，气体分子之间和气体与呼吸道内壁之间产生摩擦而形成的阻力。影响气道阻力的因素是多方面的，其中以气道内径最为重要。R  1/r4 实现肺通气取决于两方面因素的相互作用：一是推动气体流动的动力；另一个是阻碍气体流动的阻力。只有前者克服后者，才能实现肺通气。当通气动力不足或通气阻力增大，都能引起通气障碍，临床上阻力增大是肺通气障碍的最常见原因。 气道阻力是气体流动时，气体分子之间和气体与呼吸道内壁产生摩擦而形成的阻力。影响气道阻力的因素是多方面的，其中以气道内径最为重要。

2. 阻塞性通气不足 气道阻塞: 中央性：指气管分叉处以上的气道阻塞。又分为胸外与胸内阻塞2种。 外周性：内径小于2mm的小支气管狭窄或阻塞。常见于慢性阻塞性肺疾病 （COPD） （2）外周性气道阻塞： 是指内径小于2mm的小支气管狭窄或阻塞。常见于：慢性阻塞性肺疾患（简称慢阻肺），是慢性支气管炎、支气管哮喘、与阻塞性肺气肿的总称。病变主要侵犯小气道，因此又称为小气道阻塞。患者主要表现为呼气性呼吸困难。

中央性气道阻塞 阻塞位于胸外（ extrathoracic obstruction ）： 吸气性呼吸困难（Inspiratory dyspnea ） 阻塞位于胸内（ intrathoracic obstrucdtion ）： 呼气性呼吸困难（ Expiratory dyspnia ）

中央性气道阻塞－位于胸外－吸气性呼吸困难 阻塞若位于胸外（如声带麻痹、炎症等），吸气时由于气道内压明显小于大气压，故可使气道狭窄加重；用力呼气时则因气道内压力大于大气压而可使阻塞减轻，故此类患者表现出明显的吸气性呼吸困难。 Inspiratory Expiratory

中央性气道阻塞－位于胸内－呼气性呼吸困难 阻塞如位于中央气道的胸内部分，是由于吸气时气道内压大于胸内压，故可使阻塞减轻，用力呼气时则可因胸内压大于气道内压而加重阻塞，病人表现为呼气性呼吸困难。 Inspiratory Expiratory

外周性气道阻塞 主要表现为呼气性呼吸困难 发生机制： 小气道的解剖结构 等压点（isobaric point, IP） 上移 等压点：在气道上，气道内压与胸内压相等的部位。 外周性气道阻塞 呼气性呼吸困难的发生机制涉及2个方面： 小气道的解剖结构：由于小气道(细支气管)是无软骨支撑的、管壁薄，与管周围的肺泡结构紧密相连，因此随着吸气和呼气，小气道的内径也随着扩大和缩小。吸气时随着肺泡的扩张，细支气管受周围弹性组织牵拉而使管径增大；呼气时由于肺泡回缩，弹性组织对小气道的牵拉力降低，管径变小。外周性气道阻塞的病人管径增厚，管腔被分泌物堵塞，小气道阻力大大增加，所以出现明显的呼气性呼吸困难。 等压点（isobaric point, IP）移向小气道：用力呼气时，胸内压、气道内压大于大气压，推动肺泡内气体沿气道呼出，在此过程中，气道内压从肺泡到鼻进行性下降。因此，在呼出的气道上必定有一点气道内压与胸内压相等，这一点被称为等压点。用力呼气时，正常人的等压点位于有软骨支撑的较大气道，而慢性支气管炎、肺气肿时，由于气道内阻力异常增加，从而使等压点上移（移向肺泡端）。当等压点移至无软骨支撑的膜性气道时，导致小气道压缩而闭合。

等压点上移时用力呼气引起气道压缩而闭合 等压点上移 正常人用力呼气 肺气肿者用力呼气 +10 +5 +20 +30 +35 +25 +10 +20 +30 +35 +25 +5 等压点上移 等压点（isobaric point, IP）移向小气道：用力呼气时，胸内压、气道内压大于大气压，推动肺泡内气体沿气道呼出，在此过程中，气道内压从肺泡到鼻、口腔进行性下降。因此，在呼出的气道上必定有一点气道内压与胸内压相等，这一点被称为等压点。用力呼气时，正常人的等压点位于有软骨支撑的较大气道，而慢性支气管炎、肺气肿时，由于气道内阻力异常增加，从而使等压点上移（移向肺泡端）。当等压点移至无软骨支撑的膜性气道时，导致小气道压缩而闭合。 正常人用力呼气 肺气肿者用力呼气 等压点上移时用力呼气引起气道压缩而闭合

通气障碍的血气变化 * Ⅱ型呼衰： PaO2<60 mmHg，PaCO2>50 mmHg。 PAO2↓、PACO2↑ PaO2↓、PaCO2↑ PaCO2取决于：每分CO2产量/每分肺泡通气量。 PaCO2是反映肺泡通气量变化的最佳指标。 3．通气障碍时的血气变化 Ⅱ型呼衰： PaO2<60 mmHg，PaCO2>50 mmHg。 当肺泡通气障碍导致肺泡通气不足时，就会使肺泡气氧分压（PAO2）下降、二氧化碳分压（PACO2）增高，流经肺泡毛细血管的血液不能充分动脉化，必然导致PaO2降低和PaCO2增高。PACO2取决于每分肺泡通气量（VA）与体内每分钟产生的二氧化碳量（Vco2）, PACO2＝0.86×Vco2/VA。如Vco2不变，只要通气减少，PACO2必增，而肺泡毛细血管末端血液二氧化碳分压几乎和PACO2相等，故PaCO2增高是反映肺通气功能不足的最佳指标。 PaCO2 ＝ PACO2＝0.86×Vco2/VA

二、肺换气功能障碍 肺换气功能障碍： 弥散障碍 diffusion impairment 肺泡通气与血流比例失调 ventilation-perfusion imbalance 解剖分流增加 increase of anatomical shunt

（一）弥散障碍 弥散障碍（diffusion impairment）是由肺泡膜面积 减少或肺泡膜异常增厚和弥散时间缩短引起的气 体交换障碍。 气体弥散速度： 肺泡膜两侧的气体分压差；气体的分子量和溶解 度；肺泡膜面积与厚度 气体弥散量： 血液与气体接触的时间 概念 ： 由肺泡膜面积减少或肺泡膜异常增厚和弥散时间缩短引起的气体交换障碍。 肺泡气与肺泡毛细血管血液之间的气体交换是一个物理弥散过程，气体弥散速度取决于肺泡膜两侧的气体分压差、气体的分子量和溶解度、肺泡膜的面积与厚度。气体的弥散量还取决与血液与气体接触的时间。

弥散障碍的原因 肺泡膜面积减少 肺泡膜厚度增加 弥散时间缩短 肺泡 红细胞 毛细血管 血浆

弥散障碍的原因 肺泡膜面积减少 正常成人肺泡膜总面积80m2，平静呼吸时，35～40m2面积 肺实变、肺不张、肺叶切除等 肺泡膜厚度增加 肺泡膜薄部<1um，肺泡腔到红细胞膜<5um 肺水肿、肺纤维化、肺泡透明膜形成时使弥散距离增宽，减慢弥散速度 弥散时间缩短 （1）肺泡膜面积减少 正常成人肺泡膜总面积约为80m2，平静呼吸时，只需35～40m2的面积参与气体交换。因此，肺泡膜在换气时储备量很大。只有当弥散面积减少一半以上时，才可能发生换气功能障碍。肺泡膜面积减少常见于肺实变、肺不张、肺叶切除等情况。 （2）肺泡膜厚度增加 肺泡膜非常薄，参与气体交换的膜厚度不到1μm。当肺水肿、肺间质纤维化、肺透明膜形成时，因弥散距离增加而使弥散速度减慢。

正常与肺泡膜增厚时Hb氧合所需时间示意图 PO2（KPa） 13.3 10.7 8.00 5.33 2.67 正常 肺泡膜面积减少或厚度增加 （2） （1） 肺动脉 肺毛细血管 肺静脉 （3）血液与肺泡的接触时间过短，弥散时间不足 正常静息情况下，血液流经肺泡毛细血管的时间约为0.75秒，在剧烈运动时约为0.34秒。而完成气体交换的时间，O2只需0.25秒，CO2更短，仅需0.13秒。因此在静息时，即使肺泡膜面积减少或厚度增加，一般仍可在0.75秒范围内完成气体交换，而不出现血气的异常，只有在体力负荷增加、情绪激动等使心输出量增加和肺血流加快时，血液和肺泡气接触时间明显缩短，才会出现血气的改变。 0 0.25 0.50 0.75 时间（S） 正常与肺泡膜增厚时Hb氧合所需时间示意图 （1）静息时血液流经肺泡的时间 （2）运动时血液流经肺泡的时间

弥散障碍时的血气变化* I型呼衰：PaO2 ↓，PaCO2 正常。 原因： O2和CO2解离曲线的差异 O2和CO2弥散速度的差异 弥散障碍的血气变化表现为I型呼衰：PaO2 ↓，PaCO2 正常。 弥散障碍时的血气改变是I型呼吸衰竭的原因： O2和CO2解离曲线的差异： 在肺内由静脉血变成动脉血时，每100ml血中的Hb释放出8ml 左右的CO2，而在肺内由静脉血变成动脉血时，每100ml血中的Hb能结合的O2，仅仅只有3－5ml 左右，而且受血氧饱和度的影响，再也不能增加了。 O2和CO2弥散速度的差异： CO2在水中的溶解度比O2大24倍，故CO2的弥散系数是O2的21倍，而CO2的弥散速度（弥散系数与分压差的乘积）通常比O2约大一倍。由于CO2的弥散速度比O2快，能够较快的弥散入肺泡，因此只要肺泡通气量是正常的，单纯弥散障碍时PaCO2 多是正常的。

O2和CO2解离曲线的差异： 在肺内由静脉血变成动脉血时，每100ml血中的Hb释放出8ml 左右的CO2，而在肺内由静脉血变成动脉血时，每100ml血中的Hb能结合的O2，仅仅只有3－5ml 左右，而且受血氧饱和度的影响，再也不能增加了。 血液O2与CO2解离曲线

弥散障碍时的血气变化* O2和CO2弥散速度的差异： CO2在水中的溶解度比O2大24倍，故CO2的弥散系数是O2的21倍，而CO2的弥散速度（弥散系数与分压差的乘积）通常比O2约大一倍。由于CO2的弥散速度比O2快，能够较快的弥散入肺泡，因此只要肺泡通气量是正常的，单纯弥散障碍时PaCO2 多是正常的。 由于CO2的弥散速度比O2快，能够较快的弥散入肺泡，因此只要肺泡通气量是正常的，单纯弥散障碍时PaCO2 多是正常的。

（二）肺泡通气与血流比例失调 通气血流比值 (Ventilation/perfusion ratio, VA/Q) 通气血流比值范围： = 4.2 / 5 = 0.84 通气血流比值范围： 0.6~3.0 正常人平静呼吸时，平均肺泡通气量（VA）为4.2L/min，平均肺血流量（Q）为5L/min，通气血流（VA/Q）比值为0.84。由于受重力影响，气体和血流的分布在肺内各部分并不均匀，直立体位时，由于重力的作用，肺通气量和肺血流量自上而下都是递增的，但以肺血流量的增幅更为明显，因而VA/Q比值在肺上部可高达3.0，而至肺底部仅为0.6，但是通过自身调节机制，总的VA/Q保持在最合适的生理比值（0.8）。

（二）肺泡通气与血流比例失调 肺泡通气血流比例失调（ventilation-perfusion imbalance）引起的气体交换障碍，是呼吸衰竭发生的最常见机制。 VA/Q : Venous Admixture （静脉血掺杂） VA/Q : Alveolar Dead Space （死腔样通气） 当肺部病变时，由于部分肺泡的通气量不足或血流量减少，使肺泡的通气血流比例失调（ventilation-perfusion imbalance）而引起气体交换障碍，是呼吸衰竭发生的最常见机制。

1. 部分肺泡通气不足（VA/Q ） 因阻塞性或限制性通气障碍引起部分肺泡通气严重不足，但血流量未相应减少，VA/Q显著降低，以致流经该部分肺泡的静脉血未经充分氧合便掺入动脉血中，称为静脉血掺杂(venous admixtrue)，因如同动－静脉短路，故又称功能性分流(functional shunt)。

1. 部分肺泡通气不足（VA/Q ） 功能性分流见于：慢性阻塞性肺疾病、肺纤维化、肺水肿 等 正常成人：功能性分流约占肺血流量3% 慢性阻塞性肺疾病：占30%-50% ，→肺换气(-) 正常成人由于肺内通气血流分布不均匀也存在功能性分流，但仅占肺血流量的3%，严重的慢性阻塞性肺病时，功能性分流可以增至肺血流量的30%~50%，从而严重地影响换气功能。

2. 部分肺泡血流不足（VA/Q ） 肺动脉栓塞、肺动脉炎症，肺毛细血管床大量破坏等可使流经该部分肺泡的血液量减少，而通气相对良好，VA/Q比可显著大于正常，患部肺泡血流少而通气多，肺泡通气不能充分被利用，称为死腔样通气(dead space like ventilation)。 生理：占潮气量30% 病理：高达60%-70% 肺动脉栓塞、肺动脉炎症，肺毛细血管床大量破坏等可使流经该部分肺泡的血液量减少，而通气相对良好，VA/Q比可显著大于正常，患部肺泡血流少而通气多，肺泡通气不能充分被利用，称为死腔样通气(dead space like ventilation)。正常人生理性死腔约占潮气量的30%，严重肺疾患时可高达60%~70%，从而导致呼吸衰竭。

VA/Q失调的血气变化 I型呼衰：PaO2 ↓，PaCO2 正常。 原因： O2和CO2解离曲线的差异 O2和CO2弥散速度的差异

部分肺泡通气不足时血气的变化 病肺 健肺 全肺 VA / Q PaO2 PaCO2 肺泡通气量 VA 动脉血氧含量 CaO2 病肺 健肺 全肺 肺泡通气量 VA VA / Q PaO2 动脉血氧含量 CaO2 PaCO2 动脉血CO2含量 CaCO2      N  部分肺泡通气不足时，病变肺泡VA / Q降低，流经病变肺泡的静脉血不能充分动脉化，导致该部分血液氧分压及氧含量降低，而CO2分压与CO2含量增高。这种血气变化可引起代偿性呼吸运动增强和总通气量增加，主要是使没有通气障碍的肺泡通气量增加，流经健康肺泡的动脉血氧分压异常增高，但氧含量却增加很少（氧离曲线决定），而CO2分压与CO2含量均明显降低（ CO2解离曲线决定）。最后的结果是来自病变肺泡及健康肺泡的血液混合而成的动脉血氧含量及氧分压都是降低的，而CO2分压与CO2含量确是正常的。如果存在代偿性通气过度，则可使CO2分压低于正常。

部分肺泡血流不足时血气的变化 病肺 健肺 全肺 VA / Q PaO2 PaCO2 肺泡血流量 Q 动脉血氧含量 CaO2 病肺 健肺 全肺 肺泡血流量 Q VA / Q PaO2 动脉血氧含量 CaO2 PaCO2 动脉血CO2含量 CaCO2      N  部分肺泡血流不足时，流经的血液氧分压显著升高，氧含量却增加很少；而健康肺泡却因血流量增加导致该部分血液不能充分的动脉化，其氧分压及氧含量均显著降低， CO2分压与CO2含量显著增高。最终混合而成的动脉血氧分压降低，而CO2分压却是正常的。

3. 解剖分流增加 生理情况下，肺内存在解剖分流(anatomic shunt)，即一部分静脉血经支气管静脉和肺内动-静脉吻合支直接流入肺静脉，其分流量约占心输出量的2~3%。这部分血液未经氧合即流入动脉血中，称之为真性分流（ture venous admixture）。 支气管扩张、肺实变、肺不张时增加 生理情况下，肺内存在解剖分流(anatomic shunt)，即一部分静脉血经支气管静脉和肺内动-静脉吻合支直接流入肺静脉，其分流量约占心输出量的2~3%。这部分血液未经氧合即流入动脉血中，称之为真性分流（真性静脉血掺杂，ture venous admixture）。使解剖分流增加的原因可见于：支气管扩张时伴有支气管血管扩张，和肺小血管栓塞时肺动脉压增高导致的肺内动-静脉短路开放；另外，肺不张或肺实变时，病变肺泡完全无通气功能，但仍有血流，流经该处的血液完全未进行气体交换而掺入动脉血中，类似解剖分流。 解剖分流增加的结果与功能性分流的后果相同，均为PaO2下降和PaCO2正常或降低。吸入纯氧可有效的提高功能性分流的PaO2，而对真性分流的PaO2则无明显作用，用这种方法可鉴别功能性分流与真性分流。

呼衰时主要代谢与功能变化 酸碱平衡及电解质紊乱 呼吸系统变化 循环系统变化 中枢神经系统变化 肾功能变化 胃肠变化 呼吸衰竭时主要代谢与功能变化 呼吸衰竭时发生的低氧血症和高碳酸血症可影响全身各系统的代谢与功能，首先是引起一系列代偿适应性反映，呼衰严重时，如机体代偿不全，则可出现严重的代谢功能紊乱。

1. 酸碱平衡及电解质紊乱 呼吸性酸中毒 Ⅱ型呼吸衰竭（CO2潴留） 血清K+浓度升高 血清氯浓度降低 呼吸衰竭可引起单纯性的酸碱平衡紊乱，但更多的是混合性。 1．呼吸性酸中毒 Ⅱ型呼吸衰竭时，大量二氧化碳潴留，造成原发性血浆碳酸过多，出现呼吸性酸中毒。此时血液电解质主要有以下变化。①血清钾浓度增高：呼吸性酸中毒时，由于细胞内外离子分布的改变，细胞内钾外移引起血清钾浓度增高；同时，由于肾小管上皮细胞分泌氢离子增多导致排钾减少，也可造成血清钾浓度增高。②血清氯浓度降低：当血液中二氧化碳潴留时，在碳酸酐酶及缓冲系统作用下，红细胞生成碳酸氢根增多，后者与细胞外氯离子交换，因此血清氯离子减少；另一方面，由于肾小管上皮细胞产生NH3增多，较多氯离子以氯化钠和氯化铵的形式随尿排出，因而引起血清氯离子减少。

CO2 H2O H2CO3 Cl- K ＋ RBC Hb(O2)- HHb(O2) ＋ H＋ HCO3- 1．呼吸性酸中毒 Ⅱ型呼吸衰竭时，大量二氧化碳潴留，造成原发性血浆碳酸过多，出现呼吸性酸中毒。此时血液电解质主要有以下变化。①血清钾浓度增高：呼吸性酸中毒时，由于细胞内外离子分布的改变，细胞内钾外移引起血清钾浓度增高；同时，由于肾小管上皮细胞分泌氢离子增多导致排钾减少，也可造成血清钾浓度增高。②血清氯浓度降低：当血液中二氧化碳潴留时，在碳酸酐酶及缓冲系统作用下，红细胞生成碳酸氢根增多，后者与细胞外氯离子交换，因此血清氯离子减少；另一方面，由于肾小管上皮细胞产生NH3增多，较多氯离子以氯化钠和氯化铵的形式随尿排出，因而引起血清氯离子减少。

1. 酸碱平衡及电解质紊乱 代谢性酸中毒 缺氧时，无氧代谢加强，乳酸等酸性代谢产物增多。 呼吸性碱中毒 代谢性酸中毒 缺氧时，无氧代谢加强，乳酸等酸性代谢产物增多。 呼吸性碱中毒 Ⅰ型呼衰的病人伴肺过度通气。血钾降低，血氯增高。 代谢性碱中毒 人工呼吸机过快排出大量二氧化碳 2．代谢性酸中毒 缺氧时，无氧代谢加强，乳酸等酸性代谢产物增多，可导致代谢性酸中毒。 3．呼吸性碱中毒 Ⅰ型呼衰的病人如有肺过度通气，可发生呼吸性碱中毒，此时，血钾降低，血氯增高。 4．代谢性碱中毒 此外，某些呼吸衰竭患者可以发生代谢性碱中毒，多属医源性，如使用人工呼吸机，过快排出大量二氧化碳，而原来代偿性增加的碳酸氢根又不能迅速排出，因此发生代谢性碱中毒。

2. 呼吸系统变化 低氧血症和高碳酸血症对呼吸中枢的影响 PaO2 ↓ < 60mmHg 反射性兴奋呼吸中枢 PaO2 ↓ < 30mmHg 直接抑制呼吸中枢 PaCO2↑ > 50mmHg 直接兴奋呼吸中枢 PaCO2↑ > 80mmHg 直接抑制呼吸中枢（此时呼吸运动主要依靠PaO2对外周化学感受器的刺激得以维持）。 缺氧时， PaO2降低可兴奋颈A体与主A弓的外周化学感受器，并刺激呼吸中枢，反射性增强呼吸运动，具有代偿意义，此反应在  PaO2低于60mmHg才明显，临床上表现为呼吸频率增加，肺通气量增加，但这种保护性反射作用是有一定限度的，当PaO2低于30mmHg 缺氧对呼吸中枢有直接的抑制作用，此作用可大于反射性兴奋作用而使呼吸抑制。 PaCO2升高主要作用于中枢化学感受器，使呼吸中枢兴奋，引起呼吸加深加快；PaCO2↑ ，超过 80mmHg 可直接抑制呼吸中枢。此时呼吸运动主要依靠动脉血低氧分压对外周化学感受器的刺激得以维持。此时如果给予高浓度的氧吸入，虽然可以缓解低氧血症，但却因此解除了缺氧反射性兴奋呼吸中枢的作用，容易导致呼吸进一步的抑制，加重二氧化碳的潴留。

2. 呼吸系统变化 II型呼吸衰竭的给氧原则：低浓度(30%)、低流量(1～2L/min)、持续给氧。使PaO2 上升不超过 50～60mmHg。

3. 循环系统变化 低氧血症和高碳酸血症对心血管系统的影响： 轻、中度→心血管中枢兴奋：心率↑、心收缩力↑ 、外周血管收缩、全身血液重新分配。（循环系统的代偿反应） 重度→心血管中枢抑制：心率失常、心收缩力↓、外周血管扩张（肺血管收缩）、血压 ↓。 一定程度的PaO2 降低和PaCO2升高可兴奋心血管运动中枢，使心率加快，心收缩力加强，。。。但严重的缺氧和CO2潴留对心血管的作用是抑制作用，导致。。。

3. 循环系统变化 肺源性心脏病：肺的慢性器质性病变在引起呼吸衰竭的同时，可引起右心负荷增加，进而引起右心肥大和心力衰竭。 肺源性心脏病的发生机制： 肺动脉压升高 缺氧、酸中毒→肺小血管收缩→肺A压升高→增加右心后负荷 概念：肺的慢性器质性病变在引起呼吸衰竭的同时，可引起右心负荷增加，进而引起右心肥大和心力衰竭。

3. 循环系统变化 持久稳定的慢性肺动脉高压 肺小血管长期收缩、缺氧→肺血管平滑肌细胞、成纤维细胞增生；胶原蛋白、弹性蛋白合成增多→持久稳定的慢性肺A高压 代偿性红细胞增多症→血液粘度增高 肺血管床的大量破坏→肺动脉高压 缺氧、酸中毒降低心肌舒缩功能 胸内压升高使心脏舒张受限；胸内压降低使心脏收缩负荷增加 呼吸衰竭可累计心脏，引起肺源性心脏病，肺心病的发生机制如下： ①缺氧可引起肺血管收缩，若合并二氧化碳潴留，血液氢离子浓度增高，就可增加肺血管对缺氧的敏感性，使肺血管收缩进一步加重，引起肺动脉高压。 ②肺小血管长期收缩、缺氧→肺血管平滑肌细胞、成纤维细胞增生；胶原蛋白、弹性蛋白合成增多→血管壁增厚和硬化，管腔变窄→持久稳定的慢性肺A高压 ③长期缺氧引起的代偿性红细胞增多症，因而血液粘滞性增高，增加肺血流阻力，加重右心负荷。 ④有些肺部病变，如肺小动脉炎，肺cap床的大量破坏，肺栓塞等也能成为肺A高压的原因。 ⑤缺氧、酸中毒降低心肌舒缩功能 。 ⑥呼吸困难时，用力呼气使胸内压异常增高，心脏受压，影响心脏的舒张功能；用力吸气则胸内压异常降低，即心脏外面的负压增大，可增加右心收缩的负荷，促使右心衰竭。

4. 中枢神经系统变化 PaO2≤60mmHg 智力和视力轻度减退 PaO2≤40~50mmHg 神经精神症状 PaCO2≥80mmHg 定向障碍、肌肉震颤、嗜睡、木僵、昏迷等（CO2麻醉） 中枢神经系统对缺氧最敏感，当PaO2 <60mmHg时，可出现智力和视力轻度减退 ，如PaO2迅速降至40~50mmHg以下，就会引起一系列神经精神症状，如头痛、不安、定向和记忆障碍、精神 错乱、 嗜睡、惊厥、昏迷等。PaO2<20mmHg：神经细胞出现不可逆损伤。 2．CO2潴留对中枢神经系统的影响 轻度(＞50mmHg)：脑血管扩张 ，头痛、头晕、烦躁。 重度  (80mmHg)：定向障碍、肌肉震颤、嗜睡、木僵、昏迷等。被称为CO2麻醉。

肺性脑病(pulmonary encephalopathy) 肺性脑病：由呼吸衰竭引起的脑功能障碍。 发病机制： 酸中毒和缺氧对脑血管的作用 脑血管扩张 脑细胞水肿：ATP生成↓ →Na+-K+泵功能障碍 脑间质水肿：血管内皮损伤→通透性增高 酸中毒和缺氧对脑细胞的作用 γ-氨基丁酸生成增多→中枢抑制 脑内磷酯酶活性增强→溶酶体水解酶释放→神经细胞损伤 (1)概念：由呼吸衰竭引起的脑功能障碍称为肺性脑病(pulmonary encephalopathy) (2)机制： 1）对脑血管的作用： 脑血管扩张： PaCO2 升高10mmHg约可使脑血流量增加50％左右，缺氧也可使脑血管扩张。 脑细胞水肿 ： ATP生成↓ →Na+-K+泵功能障碍→细胞内水钠潴留→脑细胞水肿 脑间质水肿：缺氧和酸中毒还能损伤血管内皮使其通透性增高，导致脑间质水肿 2）对脑细胞的作用：r-GABA ↑ 、磷脂酶激活、溶酶体水解酶释放导致脑细胞水肿、脑细胞坏死。

5. 肾或胃肠功能变化 缺氧、酸中毒→交感神经兴奋→肾血管收缩→GFR↓→功能性急性肾功能衰竭。 缺氧、 酸中毒 →交感神经兴奋→腹腔内脏血管收缩→胃肠黏膜缺血→糜烂、坏死、出血、溃疡形成。

呼吸衰竭的防治原则 防治原发病 吸氧以提高PaO2 对Ⅱ型呼吸衰竭，改善肺通气以降低PaCO2 改善内环境及重要脏器的功能 解除气道阻塞 增强通气动力 人工辅助通气 补充营养 改善内环境及重要脏器的功能 一、防治原发病 积极治疗原发病是防治呼吸衰竭的关键。 二、吸氧以提高PaO2 无论是何种类型的呼吸衰竭，均会出现低氧血症，根据呼吸衰竭血气变化的不同特点，分别予以不同的氧疗方案。 针对只有缺氧而不伴有二氧化碳升高的Ⅰ型呼吸衰竭，宜吸入较高浓度的氧（FiO2为40%~50%），尽快提高PaO2大于60mmHg（8kPa）。 对于既有缺氧，又有二氧化碳潴留的Ⅱ型呼吸衰竭，当PaCO2超过80mmHg（10.7kPa）时，会直接抑制呼吸中枢，因而此时呼吸的兴奋主要依靠低氧血症对外周化学感受器的刺激，来维护机体的通气，提高肺泡通气量。因此应持续性给予低浓度、低流量的氧（FiO2为25~29%，鼻导管给氧，流量为1~2L/min），使PaO2上升到55mmHg（7.33kPa）即可，此时SaO2已达80%以上。如缺氧完全纠正则反而抑制呼吸，使PaCO2更高。 三、保持呼吸道通畅，提高肺通气 解除气道阻塞: 抗炎，解挛、祛痰、保证呼吸道通畅。 增强通气动力:必要时使用呼吸中枢兴奋剂,对原发性呼吸中枢抑制所致限制性通气障碍是适用的，但对一般慢性呼衰病人，如果用呼吸中枢兴奋剂可能会增加呼吸肌耗氧量、加重呼吸肌疲劳，反而得不偿失。 人工辅助通气：用人工呼吸维持必须的肺通气量，同时也使呼吸肌得以休息，有利于呼吸肌功能的恢复，这也是治疗呼吸肌疲劳的主要方法。 补充营养：慢性呼衰病人常因呼吸困难影响进食、消化系统功能差，常有营养不良，亦发生呼吸肌疲劳，故应补充营养以改善呼吸肌功能。 四、改善内环境紊乱及重要器官的功能 注意纠正水、电解质及酸碱平衡紊乱，保护心、脑、肾等重要器官的功能，防止严重并发症的发生。

第三节、急性呼吸窘迫综合征与呼衰 急性呼吸窘迫综合征： (acute respiratory distress syndrome，ARDS) 是指在多种原发病过程中，因急性肺损伤(acute lung injury，ALI)引起的急性呼吸衰竭。以弥漫性肺泡－毛细血管膜损伤为主要病理特征。临床主要表现为进行性呼吸困难和顽固性低氧血症。

急性肺损伤的发病原因 直接损伤肺泡－毛细血管膜 化学性因素：吸入毒气、烟雾、胃内容物等 物理性因素：微生物感染(肺部) 全身性病理过程 败血症、休克、大面积创伤和烧伤 (面积大于40%) 医源性原因 血液透析和体外循环等

ALI的发生机制 单核-巨噬细胞系统激活，生成大量促炎因子（TNFα、IL-1等） 中性粒细胞激活，产生与释放大量的氧自由基、多种蛋白酶和血管活性物质造成肺泡上皮、肺微血管内皮与基质的损伤，血管通透性增加。 血小板黏附、聚集，形成微血栓[5-羟色胺（5-HT）、血栓素A2（TXA2）、白三烯（LTS）和纤维蛋白降解产物（FDP）等使肺小动脉痉挛] 血管内皮细胞产生多种血管活性物质与炎症介质 肺泡上皮细胞受损 急性肺损伤的机制 （1）单核-巨噬细胞系统激活 在各种病因作用下（如G- 菌的内毒素进入血循环），激活单核－巨噬S生成大量促炎因子（TNFα、IL-1等），因TNF、IL-1具有进一步激发炎症反应的作用，故被称之为“早期反应细胞因子”，属肺损伤的“启动”因子。 （2）中性粒细胞激活 激活的中性粒细胞产生与释放大量的氧自由基、多种蛋白酶（弹性蛋白酶、胶原酶、明胶酶、组织蛋白酶等）和血管活性物质（5-羟色胺、组织胺）等，造成肺泡上皮、肺微血管内皮与基质的损伤，血管通透性增加。 （3）血小板黏附、聚集，形成微血栓 肺微血管内膜的损伤，使血小板发生黏附、聚集和释放反应，启动凝血系统，形成微血栓，使肺循环阻力增加；血小板和微血栓释放出的物质如5-羟色胺（5-HT）、血栓素A2（TXA2）、白三烯（LTS）和纤维蛋白降解产物（FDP）等使肺小动脉痉挛，是诱导肺动脉高压的重要因子，并使肺微血管的通透性进一步增高。 （4）血管内皮细胞产生多种血管活性物质与炎症介质 （5）肺泡上皮细胞受损 ARDS时，各种损伤因子直接或间接地损害了肺泡上皮细胞，使其屏障作用减弱；以及肺泡Ⅱ型细胞的损害，使肺泡表面活性物质减少，从而引发了肺水肿。

ALI引起呼吸衰竭的机制 ①通气障碍：肺顺应性降低引起限制性通气障碍；支气管痉挛、气道内液体增加导致阻塞性通气障碍 ②弥散障碍：因肺泡膜增厚而引起。 ③肺泡通气血流比例失调：肺小动脉内微血栓使部分肺泡血流不足，形成死腔样通气；肺顺应性降低或气道受阻等使部分肺泡通气减少而血流未相应减少，可造成功能性分流增加。

慢性阻塞性肺病与呼衰 慢性阻塞性肺病： （Chronic obstructive pulmonary disease，COPD） 慢性阻塞性肺病是多种肺部疾患的总称，其共同特征是管径小于2mm的小气道阻塞和阻力增高。常见的有慢性支气管炎和肺气肿。有时还伴有慢性哮喘。

COPD引起呼吸衰竭的机制 阻塞性通气障碍： 支气管壁肿胀、痉挛、堵塞，气道等压点上移 限制性通气障碍： 肺泡活性物质减少、呼吸肌衰竭 弥散功能障碍： 肺泡弥散面积减少 通气血流比例失调: 部分肺泡低通气、部分肺泡低血流