肺换气功能障碍

二、肺换气功能障碍

肺换气功能障碍包括弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调以及解剖分流增加。

（一）弥散障碍

弥散障碍（diffusion impairment）是指由于肺泡膜面积减少、肺泡膜异常增厚和弥散时间缩短引起的气体交换障碍。氧和二氧化碳通过肺泡膜进行气体交换的过程是一个物理弥散过程，气体弥散速度取决于弥散系数（包括气体的相对分子质量和在血液中的溶解度）、肺泡膜两侧的气体分压差、肺泡膜面积与厚度等因素，气体弥散量还取决于血液与肺泡接触的时间。肺泡膜的病变引起弥散障碍的机制如下。

1.肺泡膜面积减少

正常成人肺泡膜总面积约为80 m2，平静呼吸时，只需35～40 m2的面积参与气体交换，运动时增加。因此，肺换气面积的储备量很大。只有当肺泡膜面积减少一半以上时，才可能因肺泡膜面积过少而发生弥散障碍。肺泡膜面积减少常见于肺叶切除、肺实变、肺不张、肺水肿等。

2.肺泡膜厚度增加

肺泡膜非常薄，其平均厚度小于1μm。肺泡膜由肺泡上皮、毛细血管内皮及两者共有的基底膜所构成，通透性非常大。当肺泡膜增厚时，可因弥散距离增加而使气体弥散速度减慢。临床常见于肺水肿、肺间质纤维化、肺透明膜形成等。

3.血液与肺泡的接触时间过短，弥散时间不足

正常机体在静息时血液流经肺泡毛细血管的时间约为0.75 s，在剧烈运动时，约为0.34 s。而完成气体交换的时间，O2只需0.25 s，CO2更短。肺泡膜面积减少或厚度增加的患者，虽然气体弥散速度减慢，但在静息时仍可在0.75 s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速度加快时，血液和肺泡接触时间明显缩短的情况下，才会出现气体交换不充分（图12-2）。

当弥散障碍时，氧由肺泡弥散至血液的过程发生障碍，使PaO2降低，一般无PaCO2增高。这主要是因为CO2的溶解度比O2的大，故弥散系数高，因此血液中的CO2能较快地弥散入肺泡，甚至可因PaO2降低刺激呼吸加深加快，发生代偿性过度通气而使CO2排出增多，导致PaCO2降低。故弥散障碍所致呼吸衰竭属于Ⅰ型（低氧血症型）呼吸衰竭。

（二）肺泡通气与血流比例失调

肺换气功能的正常，不仅需要足够的肺泡通气和有效的气体弥散，还需要肺泡通气量与肺血流量有适当的比例关系，即通气血流比值。

图12-2　血液通过肺泡毛细血管时的血气变化

注：实线为正常人；虚线为肺泡膜增厚患者。

正常成人平静呼吸时，一分钟平均肺泡通气量约为4 L，一分钟平均肺血流量（约为5 L，通气/血流值为0.8，此时，肺换气功能处于最佳状态。由于受重力因素影响，肺内气体和血流的分布并不均匀，直立体位时，肺通气量和肺血流量自上而下都是递增的，但以血流量的增幅更为明显，因而肺上部值可高达3.0，而肺底部仅为0.6，但是通过自身调节机制，使总的保持在最合适的值（0.8）。

当肺部病变时，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），可能是下降，也可能是增高，因而引起气体交换障碍，这是呼吸衰竭发生最常见的机制。

1.部分肺泡通气不足

部分肺泡因阻塞性或限制性通气障碍而引起严重通气不足，但血流量未相应减少，值下降，造成流经该部分肺泡的静脉血未经充分动脉化便掺入动脉血中，称为静脉血掺杂（venous admixture）。因为这种情况类似动-静脉短路，故又称功能性分流（functional shunt，图12-3）。正常成人也存在功能性分流，但仅约占肺血流量的3%。临床上支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿等引起阻塞性通气障碍；肺纤维化、肺水肿等引起限制性通气障碍往往导致肺泡通气严重不均，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(https://www.daowen.com)

肺动脉栓塞、肺动脉炎、肺动脉收缩、肺毛细血管床大量破坏等可使部分肺泡的血液灌流量减少，而该部分肺泡的通气正常，则值明显升高。这种通气良好的肺泡因血流量减少，导致肺泡内的气体得不到充分的利用，称为死腔样通气（dead space like ventilation，图12-3）。正常人的生理性死腔气量与潮气量之比低于30%，严重肺疾病时可高达60%～70%。

肺泡通气与血流比例失调时的血气变化，无论是部分肺泡通气不足引起的功能性分流，还是部分肺泡血流不足引起的死腔样通气，都是肺换气功能障碍，主要引起PaO2降低，至于PaCO2则可正常、降低或升高，这取决于PaO2降低反射性引起肺代偿通气的程度，如代偿充分，PaCO2可正常；代偿过度，CO2排出过多导致PaCO2降低；如果肺组织病变广泛，代偿不足，则PaCO2会增高。

图12-3　肺泡通气与血流关系的示意图

（三）解剖分流增加

生理情况下，肺内也存在解剖分流（anatomic shunt），即有一小部分静脉血经支气管静脉和肺内少量开放的动-静脉吻合支直接流入肺静脉，以及经心内最小静脉直接流至左心，这些解剖分流的血流量占心输出量的2%～3%。这部分静脉血未经动脉化即流入体循环动脉血中，故称为真性分流（真性静脉血掺杂，true venous admixture）。

临床上解剖分流增加多见于：支气管扩张时伴有支气管血管扩张，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；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；肺严重病变（如肺实变和肺不张），病变肺泡完全不能通气，但仍有血流，这些血液流经病变肺泡完全未进行气体交换而掺入动脉血，类似解剖分流。

解剖分流增加引起的换气障碍，其血气变化也仅有PaO2降低。鉴别功能性分流与真性分流的一个有效的方法是吸入纯氧：如吸入纯氧能提高PaO2，则为功能性分流；而对真性分流，吸入纯氧并不能提高PaO2。

肺泡通气与血流比例失调的情况见图12-3。

临床呼吸衰竭的发病机制中，单纯的肺通气不足、弥散障碍或通气血流比例失调的情况较少见，通常是几个因素共同存在或相继发生作用。例如急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）就是一个典型的例子。

急性呼吸窘迫综合征是因急性肺损伤（acute lung injury，ALI）引起的一种急性呼吸衰竭。它以弥漫性呼吸膜损伤为主要病理特征，临床上主要表现为进行性呼吸困难和顽固性低氧血症。急性肺损伤引起呼吸衰竭的机制如下。

1.弥散障碍

由于肺泡-微血管膜受损，微血管内皮与肺泡上皮的通透性增高，引起肺间质和肺泡水肿（非心源性肺水肿）及肺透明膜形成，导致气体弥散障碍。

2.通气血流比例失调

（1）通气障碍：主要为限制性通气障碍，由肺顺应性降低所致。机制如下。①肺间质与肺泡水肿，使肺泡壁增厚，肺的扩张受限；②肺泡Ⅱ型上皮细胞损伤使肺泡表面活性物质减少，肺泡萎陷；③后期的肺泡上皮增生和纤维化。此外，炎性分泌物和水肿液堵塞小气道，以及炎性介质（如白三烯）使支气管痉挛也可引起阻塞性通气障碍。

（2）功能性分流：由于部分肺泡通气不足，流经这些肺泡的静脉血未能充分动脉化，功能性分流增加。

（3）死腔样通气：肺微血管的栓塞或DIC、肺微血管的收缩使部分肺泡通气正常而血流减少。

在上述机制中，肺泡通气血流比例失调是ARDS患者的主要发病机制，加上弥散障碍，导致PaO2降低，由于PaO2降低对血管外周化学感受器的刺激，以及肺充血水肿对肺泡毛细血管旁J感受器的刺激，呼吸加深加快，呼吸窘迫，PaCO2降低。患者常表现为Ⅰ型（低氧血症型）呼吸衰竭。极其严重者，可因肺部广泛病变，肺总通气量减少，发生Ⅱ型（高碳酸血症型）呼吸衰竭（图12-4）。

图12-4　ARDS患者呼吸衰竭发病机制示意图