第五节 呼吸衰竭
第五节 呼吸衰竭
呼吸是机体摄取氧并排出二氧化碳的过程，其全过程包括3个相互联系着的环节：①外呼吸，指外界环境与血液在肺部实现的气体交换，它包括肺通气（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（respiratory failure）是指外呼吸功能严重障碍，导致机体在静息状态下呼吸海平面空气时动脉血氧分压（PaO2）低于60mmHg（8kPa），或伴有二氧化碳分压（PaCO2）高于50mmHg（6.67kPa）的病理过程。
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按发病缓急不同分为急性和慢性呼吸衰竭。④按发病机制不同分为通气性和换气性呼吸衰竭。
一、病因与发病机制
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。
（一）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。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制所引起的肺泡通气不足称为限制性通气不足。常见原因有：
（1）呼吸肌运动障碍：中枢神经受损（脑外伤、脑血管意外、脑炎）和周围神经病变（多发性神经炎）及重症肌无力、低钾血症等均可引起呼吸肌收缩功能障碍而引起限制性通气不足。
（2）胸廓或肺顺应性降低：胸廓或肺的顺应性是指胸廓与肺扩张的难易程度，是弹性阻力的倒数，如肺弹性阻力大，肺不容易扩张，即肺顺应性降低；相反，肺弹性阻力小，肺容易扩张，即顺应性增高。胸腔积液、胸膜粘连、胸廓畸形等疾病可致胸廓扩张困难，胸廓顺应性降低；肺实变、肺水肿、呼吸窘迫综合征使肺泡表面活性物质缺乏及肺纤维化，导致肺组织扩张受阻，肺顺应性降低。
2.阻塞性通气不足 是呼吸道狭窄或阻塞使呼吸道阻力增加所致的通气障碍。根据呼吸道阻力产生的部位可分为：
（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气道变化特征是不同的。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；呼气时则刚好相反，因气道内压大于大气压而使阻塞减轻，表现为吸气性呼吸困难（图8-25A）；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（胸内压为负压）、气道扩张、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（图8-25B）。
图8-25 不同部位中央性气道阻塞时呼气与吸气的气道阻力变化
（2）外周气道阻塞：又称小气道阻塞。常发生于内径＜2mm的细小支气管，如慢性支气管炎、支气管哮喘等。引起呼吸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而使管壁增厚、管腔狭窄所致。
肺通气功能障碍时，肺泡通气量减少，肺泡气氧分压下降、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，均属Ⅱ型呼吸衰竭。
（二）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，以及解剖分流增加三种情况。
1.弥散障碍 气体弥散是肺泡气与肺泡毛细血管中血液之间通过血气屏障进行气体交换的过程。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分子量和溶解度有关。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80m2，静息时参与换气的面积仅为35～40m2。因储备量较大，只有当肺实变、肺不张、肺叶切除、肺气肿等病变使肺泡膜面积减少一半以上时，才会发生换气功能障碍。
（2）肺泡膜厚度增加：肺泡与毛细血管进行气体交换是通过肺泡膜完成的。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，肺泡膜厚度增加，气体弥散距离增宽使弥散速度减慢。
正常静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间约为0.75秒，气体只要在此时间内完成弥散即可完成气体交换。而通常氧气只需0.25秒就可完成弥散，因此，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。只有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，只要病人肺泡通气量正常，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只有PaO2降低，无PaCO2升高，属I型呼吸衰竭；若机体代偿性通气过度，CO2排出过多，PaCO2反而降低。
2.肺泡通气与血流比值失调 要实现气体交换，除了与肺泡膜的面积、通透性有关外，还必须有足够的肺泡通气和充足的肺毛细血管血流，且两者要有一个恰当的比值。正常成人在静息状态下，肺泡通气量（VA）约为4L/min，肺血流量（Q）约为5L/min，两者比值（VA/Q）约为0.8（图8-26A）。当肺发生病变时，由于病变轻重不等及分布不均，使肺内VA/Q失调，不利于血气之间进行气体交换，造成肺换气功能障碍。
图8-26 肺泡通气与血流比例失调模式图
（1）部分肺泡通气不足：慢性阻塞性肺疾病的呼吸道阻塞，肺实变、肺水肿、肺纤维化等肺组织的病变，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，甚至还可能因炎性充血使血流增多（如大叶性肺炎早期），VA减少，Q不变甚至增加，VAQ/降低。此时流经通气不足肺泡的静脉血未能充分氧合而流入动脉血，导致PaO2降低（图8-26B）。这种情况类似动-静脉短路，故称功能性分流，又称静脉血掺杂。
（2）部分肺泡血流不足：如肺动脉分支栓塞、炎症、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VAQ/增高。此时肺泡通气不能被充分利用，形成死腔样通气，结果PaO2降低（图8-26D）。
总之，无论是功能性分流，还是死腔样通气，均可导致PaO2降低，而PaCO2的高低则取决于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，则PaCO2可低于正常，属I型呼吸衰竭；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，属Ⅱ型呼吸衰竭。
3.解剖分流增加 生理情况下，肺内存在解剖分流，即有一小部分静脉血不经过肺泡进行气体交换而直接通过肺动-静脉吻合支、支气管静脉与肺静脉之间的交通支流入肺静脉，称为真性分流。真性分流的血流往往只占心排血量的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显著下降（图8-26C）。
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，不能氧合便流入动脉血，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。真性分流时，吸入纯O2并不能显著提高PaO2，而功能性分流时，吸入纯O2可提高PaO2，使低氧血症得到显著改善，用这种方法可鉴定功能性分流和真性分流。
必须指出，在呼吸衰竭发病过程中，单纯由通气障碍或换气障碍导致者很少见，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。
二、机体的功能、代谢变化
呼吸衰竭所致的低氧血症和高碳酸血症，可导致全身各系统代谢和功能改变。首先是引起一系列代偿适应性反应，如呼吸加深加快，以增强通气和换气功能；心率加快，心肌收缩力加强，以增加心排血量；血流重新分布，以保证重要器官供血；红细胞生成增多，以提高血液运输氧的能力等。若代偿失调，则引起各系统代谢和功能紊乱。
（一）酸碱平衡失调及电解质紊乱
1.酸碱平衡失调 通气障碍所致的呼吸衰竭，因大量CO2潴留可引起呼吸性酸中毒，同时因严重缺氧可引起代谢性酸中毒。换气障碍引起的呼吸衰竭，因缺氧可出现代偿性通气过度，使CO2排出过多，可在发生代谢性酸中毒的同时并发呼吸性碱中毒。
2.电解质紊乱 酸中毒时K+向细胞外转移可引起血清K+增高；呼吸性碱中毒或使用某些利尿剂时血清K+降低。呼吸性酸中毒时，红细胞内
-生成增多，
3与细胞外Cl-交换使Cl-转移到细胞内。另外酸中毒时肾泌NH3、泌H+增加，使尿中NH4Cl排出增加，均使血Cl-降低。但呼吸性酸中毒合并代谢性酸中毒时，由于
3降低可使肾排Cl-减少，血Cl-可正常。呼吸性碱中毒时血Cl-可增高。
（二）呼吸系统变化(https://www.daowen.com)
外呼吸功能障碍引起的低氧血症和高碳酸血症可进一步影响呼吸功能。当PaO2＜60mmHg（8kPa）时，可通过刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器，反射性增强肺通气，但当重度缺氧（PaO2＜30mmHg）时，则对呼吸中枢却起直接抑制作用。PaCO2升高主要通过作用于中枢化学感受器，使呼吸中枢兴奋，呼吸加深加快。但当PaCO2＞80mmHg（10.7kPa）时，反而抑制呼吸中枢。此时呼吸中枢兴奋性的维持主要依赖低氧对主动脉体和颈动脉体化学感受器的刺激，如果此时给予高浓度氧吸入，反而使呼吸抑制。
呼吸衰竭病人呼吸运动的变化，还与原发病有关。不同病因所致的呼吸衰竭，呼吸运动的变化不尽一致。如中枢性呼吸衰竭时呼吸浅慢、节律紊乱；阻塞性通气障碍时，可表现为吸气性呼吸困难（中央气道胸外段阻塞）或呼气性呼吸困难（中央气道胸内阻塞、外周气道阻塞）。
当呼吸功能转为失代偿时，呼吸的深度、频率和节律也发生变化，一般由深快变为浅慢，并出现节律紊乱如潮式呼吸、间歇呼吸、抽泣样呼吸、叹气样呼吸等。潮式呼吸的特点是呼吸逐渐加强，又逐渐减弱，直至暂停，周而复始。其发生机制可能是呼吸中枢兴奋性过低时，血中正常浓度的CO2刺激呼吸中枢兴奋，呼吸逐渐减弱乃至暂停。在呼吸停止期间，PaCO2高，PaO2降低，直接和反射地刺激呼吸中枢使之兴奋，唤起呼吸的再现并逐渐加强。随着CO2呼出和缺氧得到改善，呼吸再度减弱并停止，周而复始，形成潮式呼吸的特殊形式。
（三）循环系统变化
低氧血症与高碳酸血症对心血管的影响相似，两者具有协同作用。其直接作用是抑制心肌活动并使血管扩张，但轻度的PaO2降低和PaCO2升高可通过反射机制兴奋心血管运动中枢，使心率加快，心肌收缩力加强，外周血管收缩，血压升高，加之呼吸运动增强使静脉回流增加，心排血量增加。严重缺氧和CO2潴留会抑制心血管中枢，导致血压下降、心肌收缩力减弱和心律失常等。
慢性阻塞性肺气肿患者常因呼吸衰竭并发肺源性心脏病，发生右心衰竭。其主要发病机制是：①肺动脉高压：缺氧和CO2潴留所致血中H+含量升高使肺小动脉收缩，肺动脉压升高；加之缺氧时红细胞增多、血液黏度增加，均使右心后负荷增加。肺小动脉长期收缩可引起肺血管壁平滑肌细胞和成纤维细胞的肥大和增生，胶原蛋白和弹性蛋白合成增加，导致肺动脉管壁增厚和硬化、管腔变窄，形成肺动脉高压。②心肌受损：缺氧、CO2潴留、酸中毒及电解质紊乱可直接损伤心肌，导致右心衰竭。
（四）中枢神经系统变化
中枢神经系统对缺氧及CO2留是非常敏感的。轻度缺氧表现为注意力不集中；中度缺氧表现为疲劳、淡漠、嗜睡等皮质抑制症状及欣快、多语等皮质下中枢兴奋症状；重度缺氧者出现谵妄、昏迷等临床表现。CO2留对中枢神经系统有明显的危害，当PaCO2＞80mmHg（10.7kPa）时，可引起头痛、头昏、烦躁不安、言语不清、精神错乱、扑翼样震颤、嗜睡、昏迷等，临床上称为“二氧化碳麻醉”。
呼吸衰竭引起的脑功能障碍称为肺性脑病。其发生机制尚未完全阐明，认为与下列因素有关：
1.CO2潴留与酸中毒 CO2留不仅抑制中枢神经系统功能，而且还可直接扩张脑血管，使毛细血管壁通透性增高，导致脑间质水肿，甚至脑疝形成。同时CO2留使脑脊液内碳酸含量增加，可降低脑组织和脑脊液的酸碱度，酸中毒使脑细胞的损害进一步加重。
2.缺氧 缺氧也可使脑血管扩张，毛细血管壁通透性增高、脑间质水肿。缺氧时酸性物质生成增多引起代谢性酸中毒，能量生成障碍使细胞膜泵功能降低，引起脑细胞水肿。此外，由于缺氧、酸中毒导致脑血管内皮细胞损伤引起血管内凝血，均是肺性脑病的发病因素。
（五）肾功能变化
呼吸衰竭时，由于缺氧和CO2潴留可引起肾小动脉收缩、肾血流量减少、肾小球滤过率降低。轻者尿中出现蛋白、红细胞、白细胞及管型等，严重者可出现少尿、氮质血症、代谢性酸中毒等急性肾衰竭的表现。
（六）胃肠变化
严重缺氧可使胃壁血管收缩，降低胃黏膜的屏障作用；CO2留可增强胃壁细胞碳酸酐酶的活性，使胃酸分泌增多，故呼吸衰竭时常出现胃黏膜糜烂、溃疡，导致消化道出血。
三、成人呼吸窘迫综合征
成人呼吸窘迫综合征（adult respiratory distress syndrome，ARDS）是一种以进行性呼吸窘迫和低氧血症为特征的急性呼吸衰竭综合征。目前认为这是一种急性肺损伤的严重阶段，并常和全身多器官功能衰竭同时出现。因多发生于创伤和休克之后，故也称休克肺或创伤后湿肺；又因可由弥漫性肺泡毛细血管损伤引起，故又称弥漫性肺泡损伤。呼吸窘迫起病急、症状重且难以控制，预后极差，病死率高。
（一）病因和发病机制
本病多继发于严重的全身感染、创伤、休克和肺的直接损伤，如败血症、大面积烧伤、溺水、药物中毒、大量输血或输液、体外循环、透析及弥漫性肺感染、肺挫伤、吸入性肺炎、吸入有毒气体等，它们均能引起肺毛细血管和肺泡上皮的严重损伤。肺毛细血管的损伤使管壁通透性升高，导致肺泡内及间质水肿和纤维素大量渗出。肺泡上皮，特别是Ⅱ型上皮损伤后，使肺泡表面性活性物质缺失，导致肺泡表面透明膜形成及肺萎陷。上述改变都能造成肺内氧弥散障碍，VA/Q比例失调而发生低氧血症，引起呼吸窘迫。
（二）形态学变化
双肺肿胀，重量增加，暗红色，湿润，可有散在出血点或出血斑。切面膨隆，含血量多，可有实变区或萎陷灶。镜下：主要表现为肺间质毛细血管扩张、充血，肺泡腔和肺间质内有大量含蛋白质的浆液（肺水肿）。在呼吸性细支气管、肺泡管及肺泡的内表面可见薄层红染的膜状物，即透明膜形成。透明膜的成分为血浆蛋白及坏死的肺泡上皮碎屑。间质内可有点状出血和灶状坏死，微血管内常见透明血栓和白细胞栓塞，肺泡上皮弥漫性损伤。发病数天后即可见肺间质内成纤维细胞及Ⅱ型肺泡上皮大量增生，透明膜机化和胶原沉着，导致肺泡和肺间质弥漫性纤维化。患者常在上述病变的基础上并发支气管肺炎而死亡。
四、呼吸衰竭的防治原则
（一）去除病因，防止诱因
呼吸衰竭的病因很多，应针对原发病进行治疗。呼吸系统感染引起分泌物增多，阻塞呼吸道，是呼吸衰竭的常见诱因，应积极抗感染。
（二）保持气道通畅，改善肺通气
1.清除呼吸道分泌物，解除支气管痉挛，控制呼吸道感染。
2.必要时使用呼吸兴奋剂、建立人工气道和给予机械通气等。
（三）尽快给氧，合理提高PaO2
Ⅰ型呼吸衰竭只有缺氧而无CO2留，可吸入较高浓度氧，但浓度一般不超过50%；Ⅱ型呼吸衰竭应低流量（1～2L/min）、低浓度（30%）持续给氧，使PaO2上升到60mmHg（8kPa）即可。给氧过程中如呼吸困难缓解、心率减慢，表示给氧有效。若呼吸过缓或意识障碍加深，须警惕CO2潴留加重，应给予呼吸兴奋剂或辅助呼吸。
（四）改善内环境，保护重要脏器的功能
注意及时纠正水、电解质和酸碱失衡，防治并发症，保护重要器官的功能。注意加强身心护理，尤其是对气管切开和机械通气的患者更应加强心理支持，减轻患者心理负担，配合治疗，促使呼吸功能的恢复。
思考题
1.名词解释：呼吸衰竭 肺肉质变 肺气肿 弥散障碍 功能性分流
2.简述慢性支气管炎形态学变化特点。
3.为什么弥散障碍只有PaO2降低而无PaCO2升高？
4.比较大叶性肺炎、小叶性肺炎在形态学变化上各有何特点？
5.病案分析：
患者，男，4岁。发热、咳嗽、咳痰10天，加重憋气2天急症入院。患者于10天前受凉后出现发热、咳嗽、咳黏液脓性痰，近2天加重，呼吸困难。体格检查：T39℃，P156次/分，R24次/分。患儿急性病容，呼吸急促，面色苍白，口唇发绀，精神萎靡，鼻翼扇动，颈软。双肺散在中、小水泡音。心音低钝，心律齐。实验室检查：白细胞20×109/L，其中N0.78（78%），L0.17（17%）。X线检查：双肺下叶均可见散在分布的灶状阴影。入院后经治疗病情未见好转，并逐渐加重，抢救无效死亡。临床诊断：支气管炎，急性心力衰竭。尸检所见：双肺下叶背部的肺表面和切面均可见散在分布的实变病灶，灰黄色，粟粒至蚕豆大小，形状不规则，部分区域有融合成片现象。光镜下：实变病灶中可见细支气管壁充血、水肿、中性粒细胞浸润，管腔内有大量脓性渗出物，其周围肺泡腔中可见浆液和中性粒细胞渗出。
问：（1）患者曾患有哪些疾病？其诊断依据是什么？
（2）分析疾病的发生、发展及演进过程。
（3）解释其临床表现。