病理生理学-电子讲稿:呼吸衰竭

第十五章 呼吸功能不全
（Respiratory insufficiency)

机体通过呼吸不断地从外界环境中摄取氧并排出代谢所产生的二氧化碳。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。（图15-1)

第一节 概述（Introduction)

二、呼吸衰竭的定义
呼吸衰竭(respiratory failure)：是指由于外呼吸功能严重障碍，导致动脉血氧分压低于正常范围， 伴有或不伴有二氧化碳分压异常的一种病理过程。正常人与呼吸衰竭时的PaO_２与PaCO_２的差别见表15-1。

正常人在静息时，动脉血氧分压（PaO₂)为80～100mmHg（10.7～13.3kPa)，PaO₂随年龄及所处的海拔高度而异，成年人在海平面时的正常范围为：
PaO₂=（100－0.33×年龄)±5mmHg。
动脉血二氧化碳分压（PaCO₂)极少受年龄的影响，为36～44mmHg（4.8～5.9kPa)。

呼吸功能不全(respiratory insufficiency)与呼吸衰竭的区别：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。

三、 分类
1. 根据血气改变 ：分为I 型和II型呼吸衰竭。（表15-2)

2. 根据外呼吸不同环节： 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。
中枢性呼吸衰竭多由颅脑、脊髓病变或中枢抑制药物过量所引起，外周性呼吸衰竭常由呼吸器官或胸腔疾病所致。
4. 根据呼吸衰竭发生快慢和持续时间长短：分为急性和慢性。
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。

第二节 病因和发病机制

一、病因
呼吸衰竭是外呼吸功能障碍引起的临床综合征，故从呼吸中枢到外周气道和肺泡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。（图15-2、3)

　　常见的呼吸衰竭原因见表15-3。

表15-3 呼吸衰竭的常见病因

二、发病机制
肺通气和肺换气是外呼吸的两个基本环节。呼吸衰竭由肺通气功能障碍或（和)肺换气功能障碍所致。而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和解剖分流增加。下面分别讲述。
（一)肺通气功能障碍
肺通气是指通过呼吸运动使肺泡气与外界气体进行交换的过程。肺总通气量包括有效肺泡通气量和死腔通气量，其中死腔通气量约为30%，当肺总通气量下降或死腔通气量增加，使有效肺泡通气量不足时，就可致呼吸衰竭的发生。肺通气功能障碍包括由肺泡扩张受限所致的限制性通气不足和由呼吸道阻力增加而引起的阻塞性通气不足。
1．限制性通气不足（restrictivehypoventilation)
限制性通气不足指因吸气时肺泡扩张受限制而引起的肺泡通气不足。其原因有：
（1)呼吸肌活动障碍：中枢、外周神经的器质性病变与麻醉药、镇静药过量所致的呼吸中枢抑制和神经阻滞，以及呼吸肌本身收缩力的减弱，均可因呼吸肌活动障碍而致限制性通气不足。
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注意。如慢性阻塞性肺部疾患（chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者，由于长时间呼吸困难和呼吸运动增强而引起的呼吸肌（特别是膈肌)疲劳，收缩力和（或)收缩速度降低。
（2)胸部和肺的顺应性（compliance)降低  顺应性指单位压力变化所引起的容量变化，为弹性阻力的倒数，常用来表示胸廓和肺的可扩张性。如弹性阻力大，则顺应性小，就难以扩张，反之亦然。
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。多见于：①肺的弹性阻力增加，如严重的肺纤维化（石棉肺、矽肺、弥漫性肺间质纤维化等)、肺不张、肺水肿、肺实变或肺叶（肺段)的广泛切除；②肺泡表面活性物质的减少。
肺泡表面活性物质是由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成和分泌的一种脂蛋白，主要成分是二棕榈酰卵磷脂，具有降低肺泡液-气界面表面张力和防止肺水肿的作用。
肺泡表面张力的作用是使肺泡回缩,根据Laplace定律，肺泡的回缩力（P)与表面张力（T)成正比，与肺泡半径（r)成反比：

可见肺泡的半径愈小，表面张力愈大，其回缩力也就愈大。如果肺泡内缺乏肺泡表面活性物质时，小肺泡内的压力大，会越来越小，大肺泡则越来越大，以致于大小肺泡不会共存。(图15-4)

如果肺内有肺泡表面活性物质时，则由于肺泡表面张力的降低，可使大、小肺泡共存（图15-5)。这对维持正常肺功能具有重要意义。

所以，肺泡表面活性物质的减少是使肺弹性阻力增加，肺顺应性降低，肺泡难以扩张的重要因素。这是造成ARDS时肺不张的重要机制之一。
肺泡表面活性物质减少的机制：①合成与分泌减少，如Ⅱ型肺泡上皮细胞的发育不全（早产儿、新生儿)；肺泡Ⅱ型上皮细胞合成与分泌表面活性物质是个需要能量的过程，任何造成肺组织缺血、缺氧的原因，都可损害Ⅱ型上皮细胞，从而使表面活性物质生成减少。②消耗与破坏过多，肺过度通气、肺水肿、肺部炎症等可使肺泡表面活性物质消耗、破坏过多或被过度稀释。
近年来，有关表面活性物质相关蛋白（surfactant protein，SP)在呼吸衰竭，特别是ARDS中的作用，受到了人们的重视。SP根据其结构分为SP-A、SP-B、SP-C与SP-D。SP的主要功能是促进肺泡表面活性物质吸附于气-液面，并扩展成单分子膜，从而有利于表面活性物质发挥作用。有关文献报道，ARDS高危患者SP-A降低。
（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，在回缩力的作用下，导致肺塌陷，从而发生肺限制性通气障碍。
2. 阻塞性通气不足（obstructivehypoventilation)
由于呼吸道狭窄或阻塞，使气道阻力增加引起的通气障碍，称为阻塞性通气不足（obstructivehypoventilation)。
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有：气道的内径和长度、气道壁表面光滑程度、平滑肌张力、气流性质（层流、湍流)、气体密度与粘度及肺容积水平。其中，以气道内径最为重要。当气流为层流时，根据泊肃叶定律可知，气道阻力（R)与气体粘滞度（η)、气道的长度（L)成正比，与气道的内半径（r)四次方成反比（参见如下公式)。

当气流为湍流时，（如气道口径或其方向突然发生改变、变形)，气流阻力比层流时明显增加，一般认为与气道内径的五次方成反比。管壁痉挛（如支气管哮喘)、肿胀或纤维化，管腔被粘液、渗出物、异物等阻塞，管壁外的肿瘤压迫等，都可使气道内径痉挛或不规则，发生湍流，而致气道阻力增加,与气道内半径（r)的五次方成反比（参见如下公式)。 图15-6显示了几种湍流形成的情况。

根据气道阻塞的部位不同，分为中央性气道阻塞和外周性气道阻塞。
（1)中央性气道阻塞：指从环状软骨下缘至气道分叉处的气道阻塞。按照阻塞的程度和性质不同，可分为可变型阻塞与固定型阻塞。前者又分为胸外与胸内阻塞。
可变型胸外阻塞：可变型指梗阻部位气管内腔大小可因气管内外压力的变化而改变。吸气时，由于文丘里效应（Venturi)（此效应使气体流过凸面时会造成压力降低)和湍流形成，可致阻塞下端的气道压显著降低，跨壁压明显增加，气道狭窄更为严重，吸气气流明显受阻。相反，呼气时，气道内压大于大气压，由于病变部位尚可活动，而使阻塞减轻。在动态流量-容积环上主要表现为吸气流速受限而呈现吸气平台；呼气流速受限程度较轻，可表现为正常图形。临床表现为吸气性呼吸困难(图15-7、8、9)。

可变型胸内阻塞：可变型胸内气道阻塞（如气管炎症、肿瘤)，用力呼气时，胸内压增加而压迫气道，使病变处气道口径更加狭窄，而吸气时胸内压相对于管腔内压力为负压，跨壁压趋向于使胸内气道扩张，阻塞减轻。在动态流量-容积环上表现为呼气流速受限而呈现呼气平台；吸气流速受限程度较轻，可无异常图形表现（图15-10)。临床表现为呼气性呼吸困难。

固定型上气道阻塞： 当病变部位僵硬固定，呼吸时的跨壁压变化不能引起阻塞区气道壁的收缩或扩张（如气道狭窄、甲状腺肿、疤痕形成等)时，可出现固定型上气道阻塞。这种阻塞无论发生在胸腔外或胸腔内的气道，吸气与呼气时气流均明显受限，且下降程度相似。在动态流量-容积环上表现为呼气、吸气流速均明显受限而呈现呼气、吸气平台（图15-11)。

（2)外周性气道阻塞：又称为小气道阻塞，常发生于内径小于2mm的细支气管，包括从终末细支气管到呼吸性细支管。小气道阻塞常见于COPD患者，表现为明显的呼气性呼吸困难，其发生机制有二：
1)小气道狭窄在呼气时加重：由于小气道无软骨支撑、管壁薄，与管周围的肺泡结构紧密相连，胸内压及周围弹性组织的牵引力均可影响其内径。吸气时，胸内压下降，肺泡扩张，管周弹性组织被拉紧，管壁受牵拉而使管径增大；呼气时，胸内压增高，肺泡回缩，管周弹性组织松弛，对小气道的牵拉力减小，管径变小。故外周小气道阻塞患者出现明显的呼气性呼吸困难。
2)呼气时等压点（isobaric point, IP)移向小气道：用力呼气时，肺泡内压、气道内压大于大气压，推动肺泡气沿气道呼出，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，这一点就称气道内压与胸内压的等压点。用力呼气时，正常人的等压点位于有软骨支撑的较大气道，其下游端不致被压缩。而慢性支气管炎、肺气肿时，由于细支气管狭窄，气道阻力异常增加，气体流过狭窄的气道耗能增加，使气道内压迅速下降；或由于肺泡壁弹性回缩力减弱，使胸内压增高，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，导致小气道的动力性压缩而闭合。（图15-12)

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有效通气不足时，吸入的O₂就不够，而CO₂的排出也受阻。所以动脉气分压下降，而动脉血二气化碳分压升高（图15-13)。

4．通气障碍时的肺容量变化
  限制性通气障碍与阻塞性通气障碍时肺容量改变的所有不同（表15-4)。

二、弥散障碍 （diffusion impairment)
1．概念  由肺泡膜面积减少、肺泡膜异常增厚和弥散或时间缩短引起的气体交换障碍。

2．病因
（1)弥散膜面积减少
正常成人肺泡膜约为60～100m²，平静呼吸时，只需35～40m²的面积参与气体交换。因此，肺换气面积的储备量很大。只有当弥散面积减少一半以上时，才可能因弥散膜面积过少而发生弥散障碍型呼吸衰竭。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)弥散膜厚度增加
肺泡膜非常薄，平均厚度少于1μm，由肺泡上皮、毛细血管内皮及两者共有的基底膜所构成。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。（图15-14)

（3)血液与肺泡的接触时间过短，弥散时间不足
正常情况下，血液流经肺泡毛细血管的时间，在静息时，大致为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。肺泡膜面积减少或厚度增加的病人，虽然弥散速度减慢，一般在静息时仍可在正常的接触时间（0.75秒)内完成气体交换，而不出现血气的异常，但是在体力负荷增加、情绪激动等使心输出量增加和肺血流速度加快时，血液和肺泡气接触时间则明显缩短，就易出现气体交换不充分。（图15-15)

3．血气变化
I型呼衰：PaO₂ ↓，PaCO₂ 正常。
为什么弥散障碍时的血气改变是I型呼吸衰竭呢？其原因有四个方面：
（1)代偿性通气增强 以弥散障碍为主的呼吸衰竭，呼吸代偿性通气增强时，由于通气功能受损较轻，肺通气基本正常，所以O₂的吸入和CO₂的排出也基本正常。
（2)O₂和CO₂解离曲线的差异  在解离曲线变化方面，随着通气增强，PaCO₂的下降，CO₂从血红蛋白解离。其解离量比较大，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，而且如果PaCO₂进一步下降，CO₂能继续释出。而O₂的代偿由于受到血氧饱和度的影响，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3ml 左右，而且受血氧饱和度的影响，再也不能增加了（图15-16)。

（3)O₂和CO₂弥散速度的差异 CO₂虽然分子量比O₂大，但在水中的溶解度却比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。（参见如下公式及表15-5)

（4)O₂和CO₂代偿绝对值的差异
呼吸衰竭时，PaO₂<60mmH，PaCO₂>50mmHg，所以，需代偿的值分别为：
  PO₂ 100 – 60 = 40 （mmHg)
  PCO₂ 50 – 40 = 10 （mmHg)
综上所述，以弥散障碍为主发生呼吸衰竭时，CO₂易于代偿，而O₂难于代偿，常出现I型呼吸衰竭。有时因血液中的CO₂能较快地弥散入肺泡，甚至可因低氧血症、肺水肿、肺实变等导致代偿性过度通气，而使PaCO₂低于正常。

（三)肺泡通气与血流比例失调（ventilation-perfusionimbalance)
肺泡与血液之间的气体交换，不仅取决于足够的肺泡通气和有效的气体弥散，还取决于肺泡通气量与肺血流量的比例配合，即通气血流比值。
正常人平静呼吸时，平均肺泡通气量（V_A)为4L/min，平均肺血流量（Q)为5L/min，通气血流（V_A/Q)比值为0.8。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，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V_A/Q比值于肺上部可高达3.0，而肺底部仅为0.6，但是通过自身调节机制，使总的V_A/Q保持在最合适的生理比值（0.8，图15-17)。

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，这是呼吸衰竭发生的最常见机制。
1．V_A/Q比例失调　可表现为如下两种基本形式：
（1)部分肺泡通气不足—V_A/Q比值降低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，VA/Q比值下降，造成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 admixtrure)，因为如同动-静脉短路，故又称功能性分流(functional shunt，图15-18)。正常成人也存在功能性分流，但仅约占肺血流量的3%，严重的慢性阻塞性肺病时，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—V_A/Q比值升高
肺动脉分支栓塞、炎症，肺动脉收缩，肺毛细血管床大量破坏可使流经该部分肺泡的血液灌流量减少，而该部分肺泡的通气相对良好，使V_A/Q比值明显升高。这使该部分肺泡内的气体未能与血液进行有效的气体交换，则使死腔气量增加。死腔气量包括解剖死腔（指不参与气体交换的气管及支气管管腔容积)和肺泡死腔（指有通气而无血流灌注的肺泡容量)。所谓的死腔样通气(dead space like ventilation，图15-19)指的就是有通气的肺泡血流相对地减少，以致于这些肺泡内的气体，得不到充分的利用。正常人死腔气量与潮气量之比低于30%，严重肺疾患时可高达60%~70%。

2. V_A/Q比例失调的血气变化
　　I型呼吸衰竭（低氧血症型呼吸衰竭)。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增加，还是部分肺泡血流不足引起的死腔样通气，均为换气障碍，主要引起PaO₂降低，而PaCO₂可正常，甚至因代偿过度而降低。其机制与弥散障碍相同（换气障碍为主，通气过程基本正常)。
（四)解剖分流增加
生理情况下，肺内也存在解剖分流(anatomic shunt，图15-20)，即有一小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，以及心内最小静脉直接流至左心，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体循环动脉血中，称之为真性分流（真性静脉血掺杂，ture venousadmixture)。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；以及慢性阻塞性肺病时，支气管静脉与肺静脉之间形成的吻合支等，都使相当多的静脉血掺入动脉血中。

　　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。

三、慢性阻塞性肺部疾患（chronic obstructivepulmonary disease，COPD)
1．概念 慢性阻塞性肺部疾患是多种肺部疾患的总称。常见的是慢性支气管炎和肺气肿。有时还伴有慢性哮喘。慢性阻塞性肺部疾患常由于肺部病变加重而逐渐恶化。
　　2．病死率 呈逐年上升趋势（图15-21)。

3．病理变化与临床检查
长期慢性炎症，肺组织严重受损。支气管炎症增生、痉挛，管壁增厚，管腔狭窄；分泌物增多，阻塞管腔；肺泡增大，形成肺气肿（图15-22、23、24、25)。

4．COPD导致呼吸衰竭的机制
（1)阻塞性通气障碍：
  炎性增生、肉芽组织增生；
  水肿液、粘液堵塞；
  炎症介质→支气管痉挛；
  肺组织弹性下降→小气道阻塞。
（2)限制性通气障碍：
  肺组织增生、纤维化及Ⅱ型上皮细胞受损；
  缺氧、酸中毒、营养不良→呼吸肌衰竭。
（3)弥散功能障碍：
吸吸膜炎性增生、增厚、密度增加。
（4)肺泡通气血流比例失调：
  气道阻塞→肺泡低通气→功能性分流；
  微血栓形成→死腔样通气。

四、急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress sydrome, ARDS)
1．概念　是指在多种原发病过程中，因急性肺损伤（acute lunginjury，ALI)引起的急性呼吸衰竭。以弥漫性呼吸膜损伤为主要病理特征（图15-26)。临床上主要表现为进行性呼吸困难和顽固性低氧血症。临床X-ray胸片显示“白肺”（图15-27)。

2．发病率与病死率
全世界ARDS发病率不高，可是一旦发生后，其病死率却相当高。据统计，全世界每年ARDS患者约150，000人，病死率达40-60%。主要病因有经呼吸道损伤，如：烟雾、酸、毒气的吸入等，以及经血管内皮细胞损伤，如：严重感染、败血症等。
3．急性肺损伤的机制
（1)单核-巨噬细胞系统
在各种病因作用下（如G^-菌的内毒素进入血循环)，单核细胞、巨噬细胞受刺激后迅速被激活，生成大量的肿瘤坏死因子（TNFα)、白介素1（IL-1)等促炎因子，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
正常情况下，肺内中性粒细胞很少，但ALI/ARDS早期，在趋化因子的作用下，大量的中性粒细胞聚集并陷落于肺血管床。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，从而造成肺泡上皮、肺微血管内皮与基质的损伤，血管通透性增加。目前认为中性粒细胞的聚集和激活引起的系列炎症（瀑布式)反应，在ALI/ARDS的发病中具有重要的作用。
（3)血小板
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，造成机械堵塞肺微血管，使肺循环阻力增加，微血栓部位的血流相对不足；而未栓塞区的血液灌流增多，导致通气/血流比例失调；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
ARDS实际上一种复杂的灾难性（强而持久)的应激反应。在应激过程的早期，内皮细胞及微循环首先接受强的神经冲动和大量激素及炎症介质的刺激，遭受缺血（缺氧)-再灌注损伤。血管内皮细胞能通过自分泌和旁分泌产生多种血管活性物质与炎症介质。内皮细胞既是炎性介质炎性细胞的作用场所，又是炎性介质产生的部位。可以认为ARDS时失控的炎症反应是炎症介质相互反应并与血管内皮细胞相互作用的结果，使应激、内皮细胞（微循环)、失控的炎症反应这三个环节，互为因果，导致恶性循环。
（5)肺泡上皮细胞
肺泡上皮细胞分为Ⅰ型与Ⅱ型，这两型细胞连接于同一基底膜上共同构成肺泡上皮屏障，其屏障作用是邻近毛细血管内皮屏障致密度的十余倍，并且具有清除肺泡内过多液体的功能，从而保持肺泡的相对干燥。在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。（图15-28)

小结：参与反应的促炎与抗炎介质很多，主要有氧自由基、补体、花生四烯酸代谢产物、血管活性物质、细胞因子等。这些介质具有多种生物活性，可作用于多种细胞。一种细胞可产生多种介质，而某种介质又可由多种细胞分泌，从而构成了复杂的“炎性瀑布”效应。
4．ARDS导致呼吸衰竭的机制
（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)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有通气而无血流灌注或少灌注。
  2)功能性分流：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，通气阻力增加。肺泡Ⅱ型上皮的损伤，水肿液的稀释，以及肺泡过度通气消耗过多，使肺泡表面活性物质减少，造成肺萎陷、肺不张，从而导致肺泡通气量减少。由于部分肺泡通气不足，流经这些肺泡的静脉血未能充分氧合，功能性分流增加。
（3)通气障碍
主要为限制性通气障碍，由肺顺应性降低所致。机制为：①肺间质与肺泡水肿，使肺泡壁增厚，肺的扩张受限；②肺泡表面活性物质减少，使表面张力增加，肺泡萎陷；③后期的肺泡上皮增生和纤维化。值得注意的是SARS的早期就可能出现明显的肺纤维化。（图15-29)

5．ARDS时的血气变化
早期因过度通气，主要表现为PaO₂的降低与PaCO₂的下降，甚至出现呼吸性碱中毒；重度ARDS的晚期，因广泛的肺部病变，导致限制性和阻塞性通气障碍时，肺总通气量降低，可出现PaCO₂的升高。
6．ARDS诊断要点
(1) 具有引起ARDS的原发疾病和病因
(2) 突发性进行性呼吸衰竭，R大于30次/分
(3) 胸片：“白肺”
(4) PaO₂ 低于60mmHg，一般氧疗难以改善
(5) 排除心源性肺水肿引起的呼吸衰竭

最近，由冠状病毒家族的新成员(世界卫生组织命名为SARS病毒)引起的严重急性呼吸综合征(severeacute respiratory syndrome, SARS)，国内又称非典型肺炎，是21世纪出现的凶险的呼吸系统传染病，其病理过程就是ARDS。其病因是冠状病毒(图15-30)。

第三节 主要代谢与功能变化

无论是通气障碍还是换气障碍引起的呼吸衰竭，其直接效应必然是血液气体的变化，即低氧血症和伴或不伴高碳酸血症。低氧血症和高碳酸血症是机体发生功能和代谢变化的基础，它们对机体的影响主要取决于发生速度、严重程度、持续时间和机体本身的功能状态。

一、酸碱平衡紊乱
呼吸衰竭可引起单纯性的酸碱平衡紊乱，但更多的是混合性酸碱平衡紊乱,二重或三重酸碱失衡。
1．呼吸性酸中毒
由于限制性通气不足、阻塞性通气不足，以及严重的通气血流比例失调，二氧化碳排出受阻，血浆中H₂CO₃原发性增加，产生高碳酸血症。
2．代谢性酸中毒
严重的低氧血症使组织细胞缺氧，无氧代谢加强，乳酸等酸性代谢产物增多，引起pH下降。如呼吸衰竭合并肾功能不全，可引起代谢性酸中毒。此外，导致呼吸衰竭的原发病或病理过程，如感染、休克也均可导致代谢性酸中毒。
3．代谢性碱中毒
常见于慢性高碳酸血症型呼吸衰竭病人，往往在治疗过程中，因过多过快排出二氧化碳（如人工呼吸机使用不当)，使血浆中碳酸浓度迅速纠正，而体内代偿性增加的HCO₃^-来不及排出，从而发生代谢性碱中毒。也可因补充NaHCO₃过量而发生。
4．呼吸性碱中毒
常见于低氧血症型呼吸衰竭患者（如ARDS)，因严重缺氧造成肺过度通气，二氧化碳排出过多，动脉血二氧化碳分压明显下降，发生呼吸性碱中毒。

二、呼吸系统变化
　　1．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
  < 30mmHg 直接抑制呼吸中枢
PaCO₂↑ > 50mmHg 直接兴奋呼吸中枢
  > 80mmHg 直接抑制呼吸中枢

  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 60mmHg，达55mmHg。
2．不同原因所致呼衰对呼吸运动的影响
 中枢性呼衰：
  浅、慢呼吸、潮式呼吸（图15-31)、间歇呼吸、抽泣样呼吸、叹气样呼吸等。

  外周性呼衰：
限制性通气不足—浅快呼吸
阻塞性通气不足—深快呼吸
吸气性呼吸困难和呼气性呼吸困难

三、循环系统
　　1．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。
   重度→心血管中枢抑制：心率失常、心收缩力↓、外周血管扩张、血压 ↓。
2．肺源性心脏病（pulmonary heart disease)
  (1) 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。
  (2) 机制：
   1) 肺动脉高压 →右心后负荷 ↑。
 酸中毒→肺小动脉收缩
 肺血管壁增厚、硬化、狭窄→肺小A重塑
 肺小动脉炎症、栓塞、DIC →肺血管床↓
   2) 缺氧、酸中毒→直接抑制心肌舒缩功能。
   3) 呼吸困难住院医师时用力呼气→胸内压↑ →心脏舒张受限。
  呼吸困难时用力吸气→胸内压↓ →心脏收缩受限。
   4) 长期缺氧→RBC代偿性↑、血黏度↑ →右心后负荷 ↑。


四、中枢神经系统
1．缺氧对中枢神经系统的影响
  PaO₂↓： <60mmHg：智力和视力减退
  40_~50mmHg：头痛、不安、定向和记忆障碍、精神 错乱、 嗜睡、惊厥、昏迷
 <20mmHg：神经细胞不可逆损伤
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。
3．肺性脑病(pulmonary encephalopathy)
  (1)概念：由呼吸衰竭引起的 脑功能障碍
  (2)机制：
  1)缺氧、高碳酸血症、酸中毒对脑血管的作用：扩张、通透性↑、VEC损伤、ATP生成↓ 导致脑血管性水肿、脑间质水肿。
  2)缺氧、高碳酸血症、酸中毒对脑细胞的作用：脑脊液pH ↓、 r-GABA ↑ 、磷脂酶激活、溶酶体酶释放、 ATP生成↓ 导致脑细胞水肿、脑细胞坏死。

五、肾功能变化
  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。

六、胃肠变化
  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。
  CO₂潴留→碳酸酐酶活性↑ → 胃酸分泌↑。
　

第四节 防治原则

一、防治原发病
积极治疗原发病是防治呼吸衰竭的关键。

二、保持呼吸道通畅，提高肺通气
祛痰、解挛、抗炎，保证呼吸道通畅。必要时使用呼吸中枢兴奋剂、作气管插管及使用机械辅助通气。对于ARDS患者，主张早期应用呼气末正压通气（positive end-expiratorypressure, PEEP)。

三、氧疗
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)，SaO₂上升到85%以上。
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。
此外，对COPD患者采用长期（程)氧疗（每天吸氧15个小时以上)，能降低肺动脉压，减轻右心负荷，并改善生活质量，提高生存率。

四、改善内环境紊乱和支持重要器官功能
注意纠正水、电解质及酸碱平衡紊乱，保护心、脑、肾等其它重要器官的功能，防止常见的严重并发症的发生。

本章小结：

呼吸功能不全是指由于外呼吸功能的障碍，致使动脉血氧分压降低，或伴有动脉血二氧化碳升高的病理过程。呼吸衰竭是呼吸功能不全的严重阶段。
呼吸衰竭的基本发病机制包括限制性和阻塞性通气不足所致的通气障碍；弥散膜面积减少与厚度增加所致的弥散障碍；因部分肺泡通气不足和/或部分肺泡血流不足而发生的肺泡通气与血流比例失调；以及解剖分流增加等四个方面。
　　呼吸衰竭常导致严重酸碱失衡、缺氧和肺性脑病。慢性呼吸衰竭还可导致肺源性心脏病。
　　急性呼吸窘迫综合征（ARDS)是临床上危重的病理过程，以进行性呼吸困难和顽固性低氧血症为特征，其基本病理改变为肺泡-毛细血管膜的急性损伤而导致的急性非心源性肺水肿及透明膜形成。
　　呼吸衰竭的防治要点是在积极防治原发病的基础上、保持呼吸道通畅，提高肺通气，针对不同原因以及是否伴有动脉血二氧化碳分压的升高，采取低浓度或较高浓度的吸氧治疗。

Summary

The main functions of respiratory system are tosupply the cells of the body with adequate oxygen to continue metabolicprocesses and to remove carbon dioxide. Respiratory were divided to threeprocesses that include external respiration, carrying oxygen and carbon dioxide between the tissue and lungfor gas exchange, andinternal respiration. Respiratory failure is a disorder of function orclinic syndrome in which the respiratory system fails to adequately oxygenatethe blood with/without retention of carbon dioxide. It is generally defined asPaO₂ of 8kPa (60mmHg) with/without PaCO₂ of 6.7kPa(50mmHg) or more. Respiratory failurecan result from many kinds of etiological factors, which can beclassified with the component of the respiratory system involved.

Theabnormalities include disorders of the nerves and muscles, diseases of thechest wall and pleura and diseases causing airway obstruction. According toduration, respiratory failure can beclassified to acute respiratory failure which develops so rapidly in terms ofhours to days that it can not allow complete compensation and acid-baseimbalance with hypoxia and chronic respiratory failure which develops overmonths and years, allowing compensations to improve oxygen transport.According to pathogenesis, respiratoryfailure can be divided to hypoxaemic (Group I)and hypercapnia (Group II).According to primary site respiratory failure is divided to central respiratory failure andperipheral respiratory failure.

The respiratory failure can result from the followingmechanisms: hypoventilation, diffusion abnormality, ventilation-perfusionmismatching, and right-to-left sh医学考研网unting of blood. Hypoventilation includesrestrictive hypoventilation and obstructive hypoventilation. Restrictivehypoventilation is characterized by the restricted alveolar expand duringinspiration. It is caused by disorders of insufficient respiratory dynamia ,exaggerated elastic resistance and increased thoracic pressure. Insufficientrespiratory dynamia presented of respiratory muscles’disability resulted from many diseases of nervous system to respiratory musclessuch as cerebrovascular accident, anesthetic drugoverdose and hypokalemia. Exaggerated elasticresistance resulted from decreased complication of chest wall such as flail chestand decreased complication of lung such as acuterespiratory distress syndrome（ARDS) and severe pulmonaryfibrosis. Increased thoracic pressure were caused bypleural effusion or pneumothorax. Any disorderresulting in airway obstruction will lead to obstructive hypoventilation. Accordingto the obstructive sites, obstructive hypoventilation is classified as centralairway obstruction and peripheral airway obstruction. Extrathoracicobstruction of central airway obstruction can produce inspiratorydyspnea and  intrathoracicobstruction can lead to expiratory dyspnea. Theperipheral airway obstruction referred to the smaller airways obstruction lessthan 2mm usually caused bychronic obstructive pulmonary disease (COPD) and characterized by expiratorydyspnea. All the diseases of hypoventilationall can lead to Group II respiratory failure characterized by hypoxia with hypercapnia. Diffusion abnormality is a disruption in thepassive diffusion of oxygen and/or carbon dioxide across the alveolar-capillarymembrane, which typical diseases are pneumonia, pulmonary edema and pulmonaryfibrosis. Simple diffusion abnormality can lead to Group I respiratory failurecharacterized by hypoxia without hypercapnia.Ventilation-perfusion mismatching is the most important and most frequentmechanism for respiratory failure resulted from pulmonary diseases. Obstructiveor restrictive hypoventilation can lead to decreased V_A/Q followedby an overall reduction of oxygen uptake and carbon dioxide excretion. Thiscondition is in effect like arteriovenous shunt, andis therefore termed functional shunt or venous admixture. Conversely, lungunits with high V_A/Q can develop in disorders such as pulmonaryembolism. The condition is similar to dead space ventilation, so it is termeddead space-like ventilation. All the mid V_A/Q diamatchingcan  leadto Group I respiratory failure and severe V_A/Q diamatchingcan lead to Group II respiratory failure. Examples of right-to-left shuntinclude atrial and ventricular septaldefects which can be considered as an extreme case of venous admixture.Breathing 100 percent O₂ is effective to V_A/Qmismatching, not to right-to-left shunt.

Hypoxemia and hypercapniaare the basic pathological process of metabolic and functional changes duringrespiratory failure. The changes are as below: Acid-basedisturbances: During respiratory failure, simple acid-base disturbanceincluding metabolic acidosis, respiratory acidosis and respiratory alkalosis iscommon. Many patients with respiratory failure have mixed acid-basedisturbances. Respiratory changes :Arterial hypoxemia stimulates the carotid body andaortic body, which causes an increase in ventilation by nervous reflection.However, when hypoxia is severe (PO₂<4kPa), the ventilation willbe depressed by the direct inhibition of hypoxia to the central nervous system.The direct effect of higher PCO₂ is to stimulate ventilation bycentral chemoreceptor, but severe hypercapnia hasnervous system effects similar to anesthesia to inhibit ventilation. Cardiovascular changes: Hypoxiaand hypercapnia in some degree have similarstimulating effects on the cardiovascular system. However, severe hypoxia and hypercapnia result in pulmonary heart disease. following pulmonary hypertension after severe hypoxia and hypercapnia, which result in right ventricular failure. Nervous system: When PaO₂is below 40-50mmHg serious, but reversible deterioration in cerebral corticalfunction occurs, but when PaO₂ falls below20mmHg for just a fewminutes, irreversible neural damage occurs. Severe hypercapniahas nervous system effects similar to anesthesia to inhibit ventilation, whichis termed carbon dioxide narcosis.

Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a severerespiratory failure caused by acute lung injury (ALI), which is characterizedby increased permeability of alveolar-capillary membranes and development ofprotein-rich pulmonary edema. Many etiological factors may lead to ARDSincluding major insults such as shock, overwhelming infection. Thecharacterized mechanism of ARDS is V_A/Q dismatchingincluding other mechanisms such as diffusion abnormality and hypoventilation.The characterized clinical signs of ARDS include dyspnea,hypoxia and the absence of left ventricular failure.

复习思考题

　　1．阻塞性通气不足中，不同阻塞部位出现的呼吸困难形成有何不同，为什么？
　　2．肺泡通气与血流比例失调时血气如何变化？为什么？
　　3．什么是肺性脑病？试述其发病机制。
　　4．呼气末正压通气（PEEP)治疗急性呼吸窘迫综合征（ARDS)的病理生理学基础是什么？
　　5．试述急性呼吸窘迫综合征时的血气变化的特点及其发生机制。

主要参考文献

1. 吕广能,呼吸.姚泰主编,生理学,人民卫生出版社 2002: 180-216

2. 钱桂生,呼吸衰竭.王吉耀主编,内科学, 人民卫生出版社 2005:154-169

3. 王建枝 王迪浔,肺病理生理.陈主初主编,病理生理学, 人民卫生出版社 2004:296-311

4. 王建枝,肺功能不全.金惠铭 王建枝主编 病理生理学, 人民卫生出版社 2006:234-247

5. 郑煜,呼吸. 姚泰主编,生理学, 人民卫生出版社 2003:137-166

6. 郑煜,呼吸. 姚泰主编,生理学, 人民卫生出版社 2005:221-268

7. 王迪浔,缺氧和呼吸衰竭.吴其夏 余应年 卢建主编, 病理生理学, 人民卫生出版社 2003:369-401

8. Arthurc CuytonMD respiration Textbook of medical physiology 10^th edition HealthScience Asia ,Elsevier Science 2002:432-495

9. Thomas J,PrendergastMD,Stephen J,Riwss MD.Pulmonary Disease. Stephen J,VishwanathR,William F,Jack D,Pathophysiology of Disease McGRAW-HILL2001:184-222

临床病例讨论

病史:男性患者,25岁,在一次飞机着陆事故中骨盆、胫骨等多处骨折，烧伤及烟雾吸入致呼吸道损伤。事故前身体健康。

体检:BP  80/50 mmHg, 呼吸12次/分；给与输液及气管插管。肺部可听到很少量的细微罗音，未见气胸症状。胸部X光片无明显异常。

血气分析： pH = 7.47, PaO2: 0.87 65mmHg, PaCO2：33 mmHg

因脾破裂行脾切除术，对烧伤等进行对症处理,给予40%的氧气吸入。入院24小时后患者呼吸急促，30次/分；发绀，肺部可听到大量罗音，胸部X光片显示弥散性雾状浸润。PaO₂：35 mmHg，组织学检查发现肺泡内充满渗出物，含有透明膜，巨噬细胞及其他炎症细胞。肺泡膜间织变厚，水肿，肺泡损伤广泛存在。