呼吸衰竭的病因及发病机制
一、呼吸衰竭的病因及发病机制
外呼吸包括肺通气和肺换气两个基本过程。肺通气是通过呼吸运动使肺泡气与外界气体交换的过程；肺换气是肺泡气与血液之间的气体交换过程。肺换气功能障碍又包括弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调。
（一）肺泡通气不足
正常人在静息状态下的肺通气量为6～8L／min，肺泡通气量约为4L／min。呼吸运动增强时，肺通气量可增至70L／min，故只有在肺通气明显障碍时才会发生呼吸衰竭。肺通气障碍的发生机制可分为限制性通气不足和阻塞性通气不足。
1.限制性通气不足 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（restrictive hypoventilation）。其发生机制如下。
（1）呼吸肌活动障碍：当脑部病变或药物使呼吸中枢受损或抑制，或神经肌肉疾患累及呼吸肌时，均可因呼吸肌收缩减弱或膈肌活动受限，以致肺泡不能正常扩张而发生通气不足。
（2）胸壁和肺的顺应性降低：呼吸肌收缩使胸廓与肺扩张时，需克服组织的弹性阻力，肺的弹性回缩力使肺趋向萎陷。肺与胸廓扩张的难易程度通常以顺应性（compliance）表示，它是弹性阻力的倒数。
胸廓顺应性降低见于胸廓骨骼病变或某些胸膜病变时。肺顺应性除直接与肺容量有关外，主要取决于其弹性回缩力。肺淤血、水肿、纤维化等均可降低肺的顺应性，增加吸气时的弹性阻力。肺泡表面张力有使肺泡回缩的作用。生理情况下，由Ⅱ型肺泡上皮细胞产生的表面活性物质覆盖于肺泡、肺泡管和呼吸性细支气管液层表面，它能降低肺泡表面张力，降低肺泡回缩力，提高肺顺应性，维持肺泡膨胀的稳定性。Ⅱ型肺泡上皮细胞受损或发育不全导致表面活性物质的合成与分泌不足，或者表面活性物质被大量破坏或消耗时，均可导致肺泡表面活性物质减少、肺泡表面张力增加而降低肺顺应性，使肺泡不易扩张而发生限制性通气不足。
（3）胸腔积液和气胸：胸腔大量积液或张力性气胸压迫肺，使肺扩张受限。
2.阻塞性通气不足 气道狭窄或阻塞引起的肺泡通气不足称为阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation）。影响气道阻力的因素有气道内径、长度和形态、气流速度和形式（层流、湍流）、气体的密度和黏度，其中最主要的是气道内径。影响气道内外压力改变的因素包括管壁痉挛、肿胀或纤维化，管腔被黏液、渗出物、异物或肿瘤等阻塞，肺组织弹性降低以致对气道管壁的牵引力减弱等，均可使气道内径变窄或不规则而增加气流阻力，引起阻塞性通气不足。气道阻塞有中央性和外周性两类。
（1）中央气道阻塞：指声门至气管隆凸间的气道阻塞。气道阻塞有的是固定不变的，有的是可变的。固定阻塞见于瘢痕形成。可变阻塞若位于胸外（如声带麻痹、炎症等），则吸气时气流经病灶引起的压力下降，可使气道内压明显小于大气压，故可使气道狭窄加重；呼气时则因气道内压力大于大气压而使阻塞减轻，故此类患者吸气更为困难，表现出明显的吸气性呼吸困难。可变阻塞如位于中央气道的胸内部分，则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（图10-9）。
图10-9 不同类型中央气道阻塞呼气与吸气时气道阻力的变化
注：Ptr为气管内压；Patm为大气压；Pp1为胸膜腔压。
（2）外周气道阻塞：内径小于2mm的细支气管无软骨支撑，管壁薄，吸气时胸膜腔内压降低，而且随着肺泡的扩张，细支气管受到周围弹性组织的牵拉，故其口径可变大，管道伸长。呼气时则相反，小气道缩短变窄。慢性阻塞性肺疾病主要侵犯这些小气道，不仅可使管壁增厚或平滑肌紧张性升高和管壁顺应性降低，而且管腔还可因分泌物潴留而发生狭窄阻塞；此外，由于肺泡壁损伤，对细支气管周围的弹性牵引力也大大减弱，因此管腔也变得狭窄而不规则，气道阻力大大增加。尤其是在用力呼气时，由于胸膜腔内压增高，而小气道内压力却因肺泡弹性回缩力减弱而降低，当气流通过狭窄部位时，气道内压降低更加明显，甚至低于胸膜腔内压，因而小气道被压而易于闭合阻塞，故患者常发生呼气性呼吸困难。
外周气道阻塞时除有肺泡通气不足外，还因为阻塞的部位与程度几乎都是不均匀的，所以往往同时有肺泡通气与血流比例失调而引起换气功能障碍。
（二）弥散障碍(https://www.daowen.com)
肺泡与血流经肺泡-毛细血管膜（以下简称“肺泡膜”）进行气体交换的过程是一个物理性弥散过程。单位时间内气体的弥散量取决于肺泡膜两侧的气体分压差、肺泡的面积与厚度和气体的弥散常数。弥散常数又与气体的相对分子质量和溶解度相关。此外，气体总弥散量还决定于血液与肺泡接触的时间。弥散障碍（diffusion impairment）发生于下列情况。
1.肺泡膜面积减少 正常成人肺泡总面积约为80m2，静息呼吸时参与换气的肺泡表面积仅35～40m2，运动时增加。由于储备量大，只有当肺泡膜面积极度减少时，才会引起换气功能障碍。肺泡膜面积减少可见于肺实变、肺不胀、肺叶切除等。
2.肺泡膜厚度增加 肺泡膜由肺泡上皮、毛细血管内皮及两者共有的基膜所构成，其厚度小于1μm。当肺水肿、肺泡透明膜形成、肺纤维化或肺泡毛细血管扩张等时，都可因肺泡膜通透性降低或弥散距离增宽而影响气体弥散。
3.血液与肺泡接触时间过短 正常静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间约为0.75秒。由于肺泡膜很薄，与血液的接触面又广，故只需0.25秒血红蛋白即可完全氧合。当血液流经肺泡毛细血管的时间过短时，气体弥散量将下降。
（三）肺泡通气与血流比例失调
有效的换气不仅取决于肺泡膜面积与厚度、肺泡总通气量与血流量，还要求肺泡的通气与血流配合协调。肺部疾病时肺总通气量与总血流量有时可以正常，但通气与血流的分布不均匀以及比例的严重失调可使患者不能进行有效的换气。这是肺部疾病引起呼吸衰竭最常见、最重要的机制。
正常人在静息状态下，肺泡每分通气量（VA）约为4L，肺血流量（Q）约为每分5L，两者的比例（VA／Q）约为0.8。肺泡通气与血流比例失调有以下两种基本形式。
1.部分肺泡VA／Q比例降低 支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿等引起的气道阻塞或狭窄性病变，如肺泡通气明显降低而血流无相应减少甚至还增多，即VA／Q比例降低，则流经这部分肺泡的静脉血未经充分氧合便掺入动脉血内。这种情况类似肺动-静脉短路，故称功能性分流增加。正常成人功能性分流约仅占肺血流量的3%，慢性阻塞性肺疾病严重时，功能性分流明显增加，达30%～50%，因此可以严重地影响换气功能而导致呼吸衰竭［图10-10（3）］。
图10-10 肺泡通气与血流比例失调模式图
2.部分肺泡VA／Q比例增高 某些肺部疾患，如肺动脉压降低、肺动脉栓塞和肺血管受压等时，VA／Q比率增高。患部肺泡血流少而通气多，吸入的空气没有或很少参与气体交换，犹如增加了肺泡无效腔量，故这种情况又称无效腔样通气。正常人的生理无效腔量约占潮气量的30%，上述疾病时可使无效腔气量明显增多，高达60%～70%［图10-10（4）］。
总之，在通气分布不均或血流分布不均以及通气和血流配合不当时，可引起换气障碍，并导致呼吸衰竭。
（四）解剖性分流增加
生理情况下肺内有一部分静脉血经支气管静脉和极少数的肺内动-静脉交通支直接流入肺静脉，这些解剖性分流的血流量占心排血量的2%～3%。因为解剖性分流的血液完全未经气体交换过程即掺入动脉血中，故又称真性分流。先天性肺动脉瘘、肺内动-静脉短路开放等病变，可增加解剖性分流，使静脉血掺杂显著增多而引起血液气体异常［图10-10（2）］。有人将肺内病变所引起的肺泡完全不通气但仍有血流者也视为短路，见于肺实变、肺不张等。吸入纯氧可有效地提高功能性分流的PaO2，而对解剖性分流的PaO2无明显作用。
呼吸衰竭的发病机制中，单纯的通气不足、单纯的弥散障碍、单纯的肺内短路增加或单纯的肺泡通气与血流比例失调是较少见的，这些因素往往同时存在或相继发生作用。现以成人呼吸窘迫综合征（adult respiratory distress syndrome，ARDS）为例概简说明。
成人呼吸窘迫综合征是在原无心肺疾患的患者因急性弥漫性肺泡-毛细血管膜损伤，以致外呼吸功能严重障碍而发生的急性呼吸衰竭，常见于休克、创伤、败血症、过量输液、体外循环术和氧中毒等。其早期病变主要为肺严重水肿、出血、透明膜形成、肺不胀、微血栓形成、肺血管内皮细胞及Ⅰ型肺泡上皮细胞肿胀变性与坏死等。此时呼吸衰竭的发生可有下述多种机制参与：①由于肺水肿、肺不胀等使肺顺应性降低而引起限制性通气障碍，也可因支气管痉挛和气道内液体增加而导致阻塞性通气障碍，但因患者多有呼吸加速，故肺泡总通气量可无明显减少，但其分布不均匀。②肺泡膜增厚引起弥散障碍。③肺小动脉内微血栓或脂肪栓塞，使部分肺泡血流不足，形成无效腔样通气。另一方面，因肺顺应性降低、肺不胀、肺泡内充满水肿液或气道受阻等原因，使部分肺泡通气减少而血流未相应减少，故可造成大量肺内短路或功能性分流增加，这些因素均导致肺泡的通气与血流比例失调。