二、病理生理基础

二、病理生理基础

（一）氧合和通气的改变

1.低氧血症　低氧血症的耐受性不仅依赖于血氧饱和度下降的情况，而且还与患者对于低氧的敏感性和代偿能力有关。如果心输出量无明显减少或无明显贫血的患者，短期内出现低氧血症，只有当PaO2低于50～60mmHg时，才会有明显的症状出现。通常首先出现不适、头痛、恶心、眩晕、判断力障碍和动作不协调的症状，提示脑组织对缺氧的反应最敏感。当PaO2下降至35～50mmHg时，会发生类似乙醇中毒的意识模糊的表现，对于患有缺血性脑血管疾病的老年患者尤为突出。当PaO2＜35mmHg时，则出现肾脏血流减少，尿量减少，阿托品无反应的难治性心动过缓和传导阻滞。此时，即使心功能正常，也出现乳酸酸中毒。患者呈现出昏睡状、反应性下降，低氧对于呼吸的刺激作用最强。当PaO2在约25mmHg时，患者意识丧失，并且因为呼吸中枢的抑制作用，分钟通气量开始下降。对于低氧代偿能力障碍的患者，即使在高于以上PaO2的情况下，也会发生相关症状。对于合并有心功能不全和冠脉供血不足的贫血患者，即使氧分压有轻度降低，机体也难以耐受。因为肺泡氧分压下降会引起肺血管收缩，所以低氧血症会导致原来患有肺动脉高压的患者发生右心功能障碍。

2.高氧血症　正常压力下，健康人当接触纯氧后，静脉和组织氧张力增加很少。所以，非肺组织所受到的影响很小。然而，高浓度氧气最终代替了肺内的氮气，甚至那些通气不足的区域。氮气被氧气代替最终导致通气不良区域的肺泡塌陷，因为静脉血吸收氧气的速度更快，导致肺不张和肺顺应性下降。不仅如此，更重要的是，高浓度的氧气加速氧自由基和其他有害氧化剂的发生，损害支气管和实质组织。虽然已经证实，在实验模型中，氧气可以诱导肺损伤的发生，但对于肺损伤患者是否存在氧毒性作用，还没有确定的答案。

3.高碳酸血症　除了在通气的调节中发挥重要作用，CO2的其他重要临床效应还包括影响脑血流、PH和肾上腺素能张力。高碳酸血症使脑血管扩张，而低碳酸血发挥收缩作用，这对于急性颅内压增高的患者有一定价值。CO2的急性增加对意识状态产生抑制作用，主要与神经元酸中毒、脑血流过速和颅内压增高有关。缓慢发生的高碳酸血症往往可以耐受，可能与缓冲系统的缓冲有关。急性高碳酸血症导致的肾上腺素能刺激可以引起心输出和外周血管阻力的增加。高碳酸血症可导致扑翼样震颤和癫痫发作，并且易于发生电解质异常和神经系统疾病。

对于机械通气患者，若PaCO2逐渐升高（＜10mmHg/h），多可耐受中度呼吸性酸中毒（PH=7.10～7.20）。允许性高碳酸血症已经被广泛接受。高碳酸血症减少组织代谢，改善表面活性物质功能。酸中毒也使肌浆钙的释放减少、线粒体呼吸衰竭和减少产生炎症代谢介质的酶的活性。这些改变有利于保证足够的细胞功能、控制炎症反应、改善心输出、维持或再使缺氧性肺血管收缩，最终结果可以改善通气/血流比值。

4.低碳酸血症　急性低碳酸血症所致碱血症的主要效应包括脑血管灌注的减少。PaCO2的突然减少引起全脑血流的减少、脑神经元细胞PH的增加以及离子钙的减少，导致皮质和外周神经的功能异常，会发生头痛、口角周围和足尖感觉异常以及手足抽搐。因突然发生的PaCO2减少引起碱血症，可以发生有生命危险的癫痫或心律失常。

（二）酸碱血症的病理生理改变

1.酸血症

（1）心血管系统改变：轻度的酸血症导致交感神经兴奋而发生心动过速。严重酸血症对心血管系统的直接作用是导致心动过缓。代谢性酸中毒降低心室纤颤阈值。呼吸因素导致酸血症的影响不十分清楚，但很可能也是降低室颤阈值。

随PH值的降低心肌收缩力下降，增加细胞内的钙离子浓度能够阻止这种作用。代谢性和呼吸性酸血症对于心肌细胞的作用相似，但呼吸性酸血症的作用更迅速，这是因为CO2能够很快进入心肌细胞。

（2）神经肌肉改变：呼吸性酸血症能够明显增加大脑的血流，PaCO2迅速上升超过60mmHg时，会发生头痛。PaCO2增加超过70mmHg时，会发生意识丧失和抽搐。这主要是因为细胞内PH值降低而不是高CO2的结果。事实上，慢性CO2升高，如COPD患者能耐受的PaCO2可高达150mmHg。慢性呼吸衰竭急性发作时发生的肺性脑病的原理不十分清楚，但可能和细胞内酸中毒、低氧和神经内分泌等因素有关。因此认为CO2麻醉是CO2的直接作用的结果是不恰当的。

急性高碳酸血症导致膈肌收缩力和收缩持续时间降低。慢性呼吸性酸中毒降低膈肌功能的作用还不明确。代谢性酸血症对呼吸肌的影响尚不清楚。

（3）电解质：快速输注盐酸可导致血浆钾升高。然而，在组织酸中毒如乳酸和酮症酸中毒，血钾水平不但不高反而可能降低。在乳酸酸中毒和酮症酸中毒时低钾血症是普遍现象，较其他因素引起的低钾改变更明显。急性呼吸性酸血症时血钾不变或仅轻度变化。呼吸性和代谢性酸中毒都会引起细胞外磷酸盐浓度升高。

2.碱血症

（1）心血管系统改变：碱血症至少要在PH值达7.7时才表现出心肌收缩力增加。对室颤的阈值几乎没有影响。碱中毒患者发生房性或室性心律失常，往往碱血症纠正后才易纠正。

体外试验中碱血症使外周血管扩张，PH值7.65时作用最强。临床上，过度通气可使血压和外周血管阻力降低。碱血症对血管的主要作用是血管扩张，但一些血管表现为收缩，特别是脑血管。碱血症也使冠状动脉痉挛并在心电图上出现明显变化。

（2）神经肌肉：急性呼吸性碱血症降低脑部血流，当PaCO2降低到30mmHg时，脑血流下降到70%。PaCO2在20mmHg时，脑血流下降最多，达基本血流的50%，但这种作用仅仅持续6小时。急性过度通气可以导致肌红蛋白、肌力紊乱和意识改变。碱血症可以轻度增加呼吸肌收缩力。

（3）电解质：代谢性酸中毒导致钾离子下降和磷酸盐轻度下降。文献对呼吸性碱中毒对钾离子和磷酸盐的影响的报道是相互矛盾的。因为氢离子调节磷酸果糖功能和随之发生糖酵解增加碱血症，使乳酸轻度升高（1～2mmol/L）。PH值每下降0.1，钙离子下降0.03～0.09mmol/L。过渡通气时常发生局部麻醉、腕痉挛、手足抽搐等，实际上是氢离子对神经系统直接作用的结果。

（4）肺脏影响：碱血症导致呼吸衰竭患者的肺部分血流增加，PaCO2降低。这是由于通气/血流比例失调造成的。

（5）氧输送：碱血症增加血红蛋白与氧的结合力。临床上碱血症对氧输送的影响较小，但对存在组织缺氧的患者来说血红蛋白与氧的亲和力增加是有害的。

（三）缓冲体系的作用(https://www.daowen.com)

1.碳酸氢缓冲体系　化学和蛋白缓冲系统对游离氢离子的改变进行调控，（碳酸盐）和血红蛋白系统尤其重要。临床上通常关注碳酸盐系统，因为其相关因素容易测定，并且有利于判定原发性呼吸或代谢性的方向。根据Henderson-Hasselbalch公式：PH=6.1+log，为了维持PH在7.40，与（0.03×PaCO2）的比值必须保持20∶1。

2.非碳酸氢盐（蛋白）缓冲　非碳酸盐缓冲系统可以是在细胞内或细胞外，包括蛋白（白蛋白和血红蛋白）、磷酸和骨碳酸盐。大约55%～60%的酸负荷将最终被细胞和骨缓冲系调节，并且当细胞外明显减少引起严重酸血症时，这种形式的代偿比例更高。非碳酸盐缓冲体系结合或释放氢离子，减少PH值的改变，使得以下反应可以持续向任何一个方向进行：

因此，若PaCO2急性改变，也将以同样的变化方向而改变（约1mmol/L每0.1PH单位）。这样的自发性改变并非代谢紊乱，此时碱剩余为零。贫血者缺乏对氢离子浓度的缓冲调节。

3.代偿机制　通常肾脏调控代谢性酸碱平衡紊乱的速度较肺脏慢，然而最终可以发挥更加完全的代偿作用。虽然，呼吸系统的反应较快，但不能完全清除过多的CO2。而且，呼吸的代偿反应在24～48小时才充分发挥作用。代偿性低碳酸血症患者CO2分压低限为10～15mmHg。一旦达到低限值，甚至很少氢离子额外增加就可以对PH值有很大影响。

合并COPD或神经肌肉疾病等肺部疾病患者，常常不能通过增加通气发挥代偿功能，易发生代谢性酸中毒。碱中毒所致的代偿性CO2潴留非常有限，一般不超过60mmHg。另外，低通气所致的低氧血症最终通过触发通气的增加，从而限制CO2的升高。虽然肾脏不能对急性呼吸性酸或碱中毒产生有效的代偿反应，肾脏3～7天可能完全代偿中等度的呼吸性碱中毒。肾脏也可以代偿慢性呼吸性酸中毒，但是当PaCO2超过65mmHg时不能完全代偿，除非有其他刺激因素存在。

4.酸碱平衡中电解质的作用　根据维持电神经稳定的原则，体液中的阴和阳电荷必须是相等的。因此，血清阳离子（钠+钾+钙+镁）与阴离子（氯化物+碳酸氢盐+蛋白+硫酸+磷酸+有机酸阴离子）相等。主要的阳离子包括钠、钾、钙、镁以及主要的阴离子碳酸氢盐、氯离子、蛋白（白蛋白）和磷酸。电解质平衡的改变影响了酸碱状态。事实上，不考虑临床和电解质情况，单纯评价酸碱状态是不全面的。

（四）酸碱紊乱的命名和评价

酸血症和碱血症是相对于血PH而言的。当PH低于7.35时为酸血症，PH高于7.45时为碱血症。酸中毒和碱中毒不是根据PH划分的，而是基于基本的病理生理过程或可能发展成酸血症和碱血症的发展趋势。例如，糖尿病酮症酸中毒的患者（一种原发性代谢性碱中毒）和因肺炎所致的低碳酸血症（一种原发性呼吸性碱中毒）可以表现为酸血症、碱血症，或者正常PH，这些取决于PaCO2和含量的相对改变。简单的代谢性酸中毒以减少为特点，而增加指代谢性碱中毒；呼吸性酸中毒定义为PaCO2增加，而呼吸性碱中毒时PaCO2下降。评价酸碱状态的方法：

1.Henderson-Hasselbalch法　动脉血气的分析必须结合伴随的血电解质水平和临床表现，才能得出正确的酸碱紊乱情况的判断。PH、PaCO2、PaCO2与比值是判断酸碱平衡状态的三个关键性参数。多数情况下，分析PH和PaCO2，就可对酸碱平衡的状态做出判断。通过比较PaCO2实际值与基于碳酸盐水平的PaCO2预期值的关系，可以区分其他类型的酸碱紊乱。碱剩余值也是有意义的信息。

首先分析PH值。数值低于正常范围提示酸中毒（H+浓度增高），高于正常值范围提示碱中毒（H+浓度减少）。PH值在正常范围内包括三种可能的情况：①不存在酸碱异常。②两类或更多酸碱平衡紊乱，相互抵消使得PH在正常范围。③.对于一个或更多种酸碱紊乱几乎完全代偿。当PH值偏离正常范围，通常很快就会通过代偿机制使PH值恢复正常。若最初紊乱是呼吸性的，肾脏发挥代偿作用；若代谢性缓冲碱耗竭是首发问题，肺脏代偿使PH回到正常范围内。

对于酸血症的患者，升高的PaCO2说明存在呼吸性酸中毒。此时，根据碳酸盐浓度可以判定是否存在代谢性代偿或是否存在代谢性紊乱。根据PaCO2每升高1mmHg，浓度上升0.1～0.35mmol/L（急性期约增加0.07mmol/L；慢性阶段约增加0.3～0.4mmol/L），若所测浓度高于基础值，提示发生了对于呼吸性酸中毒的代谢性代偿。若所测浓度低于基础值，提示合并复杂代谢性碱中毒或肾脏尚未对快速的CO2改变发生充分的代偿。若浓度很高，说明合并了代谢性碱中毒。

相反，酸血症合并PaCO2减少提示存在代谢性酸中毒。对于代酸，得出最终诊断需要比较PaCO2实际值与根据所得PaCO2预性计算的关系。对于一定的值，PaCO2预望值。这个公式结果表示碳酸盐含量改变1mmol，PaCO2大约变化1.0～1.3mmHg。肺脏代偿对于代谢酸中毒的反应较肾脏更快，但不够充分。若PaCO2的实际值与预期值相等，说明单纯性代酸合并恰当的呼吸性代偿；若PaCO2的实际值超过预期值，提示呼吸性合并代谢性酸中毒；若PaCO2值低于预期值，提示具有代谢性酸中毒和呼吸性碱中毒。

患者为碱血症时，低PaCO2表明存在呼吸性碱中毒。此时根据的浓度可以判断为单纯性还是复合型酸碱紊乱。相对于PaCO2的改变为0.2～0.5倍时，提示发生了代偿；的下降低于PaCO2变化量的0.2倍时，说明同时存在代谢性碱中毒（或代偿时间不够）；而当的下降量对于PaCO2变化量的0.5倍时，提示合并代谢性酸中毒。

通过比较实际PaCO2值与基于血清浓度的期望值，可以对碱血症合并PaCO2升高的酸碱紊乱状况作出最终评判。当为单纯性代偿性代碱时，预期PaCO2值=+（20±1.5）。若实际值高，提示同时存在呼吸性酸中毒；若实际PaCO2低，说明合并呼吸性碱中毒。

2.Stewart法（strong ion difference）1983年，Peter Stewart发表了酸碱化学的现代定量方法，认为关于酸碱平衡相关机制的传统概念存在疑问。机体中体液平衡符合电离和质量守恒原则。其中包括三个因素：①水：只能被轻度电离为H+和OH-；②强酸根离子：可被完全电离，比如Na+、K+、Cl-和某些其他分子和化合物（如乳酸）；③弱酸：不能被完全电离的化合物。Stewart认为碳酸氢盐，PH值和氢离子浓度是三个依赖性因素，只能随着PaCO2、弱酸总量（ATOT）以及strong ion difference（SID）等三个非依赖性因素变化而变化。

ATOT可以根据白蛋白（Alb）和磷酸（Pi）的浓度计算而得：ATOT=［Alb（0.123xPH-0.631］+［Pi（0.309xPH-0.469］。

可根据所测离子浓度计算SID：SID=（Na+K+Ca+Mg）-（Cl+lactate）。简化公式为SIDa=［Na+K］-［Cl］。

健康成人的SID值为40～42mEq/L。根据Stewart关于酸碱化学的代谢性紊乱的理论，PH、H+和随着SID或ATOT［A-］的改变而改变。比如，当SID减少（如高氯血症）时，这个非依赖性负电荷的增加引起依赖性负电荷的减少，从而导致酸中毒。也就是说，SID少于40mEq/L，提示存在代谢性酸中毒。根据Stewart的理论，高氯性酸中毒时SID减少的原因是血清氯离子浓度的增加，这是发生酸中毒的一个原因。有比如，［A-］减少（如低蛋白血症）时，引起浓度的增加，SID随之增加，从而发生碱中毒。SID高于42mEq/L，提示存在代谢性碱中毒。通过应用Stewart的方法，提出了诸如“高氯性酸中毒”和“低白蛋白性碱中毒”（也可以同时合并存在）的酸碱紊乱新类型。因此，Stewart的分析理论使得对于酸碱平衡相关机制的理解更加深入。

可以用以上任何一种方法（根据与PaCO2的比值或SID，结合血气结果和临床表现，从而判断酸碱平衡状态。