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。
(一)肺通气障碍
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 正常吸气时肺泡扩张是吸气肌收缩的主动过程，而呼气则是肺泡弹性回缩和胸廓复位的被动过程，前者较后者易发生障碍。限制性通气不足(restrictive hypoventilation)指的是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 呼吸肌舒缩的正常活动有赖于呼吸中枢、神经冲动的传导及呼吸肌自身性能的完整。因此，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。呼吸肌(特别是膈肌)疲劳是指由于长时间呼吸困难和呼吸运动增强而引起的呼吸肌收缩力和(或)收缩速度降低，常见于COPD患者。
(2)胸部和肺的顺应性降低 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。
肺的顺应性降低多见于：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磷脂酰胆碱，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，则P=2T／r；可见肺泡的半径越小，表面张力越大，其回缩力也就越大。正常情况下，吸气末时肺泡表面积增大，表面活性物质的分布密度下降则使其降低表面张力的作用减弱，肺泡易于回缩；呼气末时，肺泡表面积减小，表面活性物质的分布密度增加,则其降低表面张力的能力增强，有利于肺泡的再次扩张。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。这星造成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，特别是在ARDS中的作用，受www.med126.com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。据有关文献报道，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 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(obstructive hypoventilation)。
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R=8ηL/πr4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。当气流为湍流时(如气道口径或其方向突然发生改变、变形，图15-2)，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，管腔被黏液、渗出物、异物等阻塞，管壁外
的肿瘤压迫等，都可使气道痉挛或内径不规则，发生湍流，而致气道阻力增加。
生理情况下，成人的气道阻力呼气时略高于吸气时，平静呼吸时气道总阻力的80％以上来自大气道，而外周小气道阻力(直径小于2 mm)仅占总阻力的20％以下。小气道的病变早期难以在气道总阻力上反映出来，小气道病变常悄悄发展而不被觉察，待症状明显时，往往已成为不可逆的病理变化，故有人称之
为肺的“沉默区”(silent zone)。所以，准确检测小气道阻力的改变，是能否早期诊断肺部疾病的关键因素之一。
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)中央性气遭阻塞 指从环状软骨下缘至气道分叉处的气道阻塞。上气道阻塞往往为急性发作，情况十分危急。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道内腔大小可因气道内外压力的变化而改变。正常情况下(图15—3)，围绕胸腔外土气道的压力在整个呼吸周期均为大气压，吸气时气道内压下降，跨壁压增加，趋向于缩窄胸腔外气道。当存在可变型胸外阻塞(如气道软化、声带麻痹)，吸气时，由于文丘里(Venturi)效应(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(图15-4)。临床表现为吸气性呼吸困难。
可变型胸内阻塞：围绕胸腔内上气道的压力为胸内压。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；呼气时，胸内压相对于气道内压为正压，跨壁压趋向于使胸内气道缩窄。当存在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，便病变处气道口径更加狭窄。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15-5)。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]5—6)。
(2)外周性气道阻塞 又称为小气道阻塞，常发于内径小于2 mm的细支气管，包括从终末细支气管到呼吸性细支气管。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 呼气时，胸内压升高，均匀地作用于肺泡和胸内气道，构成压迫气道的力量；而气道内压、管壁硬度和周围弹性组织的牵张力，是抵抗胸内压对气道压缩的力量。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。从等压点到肺泡的上游端，气道内压大于胸内压，气道不被压缩，从等压点到鼻、口腔的下游端，气道内压小于胸内压，气道受压。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)：当等压点移至尤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—7)。
近年来，睡眠过程中出现的低通气与呼吸障碍和睡眠时的低氧血症日益引起了人们的重视。睡眠呼吸疾病一般指睡眠状态下上气道阻塞性呼吸疾病(如鼾症、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征和低通气综合征等)，广义上还包括呼吸疾病在睡眠状态下的特殊或特定的表现。因为频发睡眠呼吸暂停与低通气，引起血氧饱和度下降，患者常夜间频繁觉醒，白天嗜睡，睡
眠不解乏，注意力难以集中。常见于有重度鼾症的患者。睡眠时的低氧血症与高血压、心源性猝死、COPD、糖尿病等的发生发展有着密切的关系。
无论是上述哪种类型的通气障碍，氧的吸人和二氧化碳的排出均受阻，肺泡气氧分压降低，肺泡气二氧化碳分压增高，使流经肺泡毛细血管的血液得不到充分的交换。同时，限制性通气不足时为克服弹性阻力，阻塞性通气不足时为克服气道阻力，皆使呼吸肌做功明显增强，氧耗量和二氧化碳生成量也随之增多：诸因素都导致PaO2降低和PaCwww.med126.comO2升高。因此，肺通气功能障碍引起的呼吸衰竭为低氧血症伴高碳酸血症型。而且，如为单纯性通气不足，PaCO2的升 （图15—7 呼气时等压点理论示意图)高与PaO2的降低成一定比例关系，常见于脊髓灰质炎引起的神经肌肉疾患，或麻醉药过量所致的呼吸衰竭。
(二)弥散障碍
弥散是指肺泡气通过肺泡膜与肺泡毛细血管血液之间进行气体交换的物理过程。气体的弥散速率取决于下列因素：①呼吸膜两侧的气体压力差；②肺泡膜的面积与厚度；③气体的弥散能力(气体的分子量和在液体中的溶解度)：④血液和肺泡接触的时间。
弥散障碍(diffusionimpairment)指的是由于肺泡膜面积减少、肺泡膜异常增厚或弥散时间明显缩短所引起的气体交换障碍。弥散障碍的主要机制为：
1.弥散膜面积减少 正常成人肺泡膜约为60—100 m2．平静呼吸时，只需35~40 m2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，固弥散距离增加而使弥散速率减慢。
3．血液与肺泡的接触时间过短 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0.75s，在剧烈运动时，约为0.34s。而完成气体交换的时间，O2只需0.25s，CO2更短，仅需0.13s。肺泡膜面积减少或厚度增加的患者，虽然弥散速率减慢，一般在静息时仍可在正常的接触时间(0.75s)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。
单纯的弥散障碍主要影响氧由肺泡弥散到血液的过程，导致低氧血症，一般无PaCO2的升高。这是由于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的弥散速率(弥散系数与分压差的乘积)通常比O2约大一倍。因而血液中的CO2能较快地弥散入肺泡，甚至可因低氧血症，发生代偿性过度通气，而使PaCO2低于正常。
(三)肺泡通气与血流比例失调
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(VA)为4 L／min，平均肺血流量(Q)为5 L／min，通气血流(VA／Q)比值为0.8。由于受重力影响，气体和血流的分布在肺内务部分并不均匀，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VA／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VA／Q保持在最合适的生理比值(0.8)。
1. VA/Q比例失调的基本形式 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。VA／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--VA／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 admixtrue)；因为如同动—静脉短路，故又称功能性分流(functional shunt)。 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--VA／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量减少，而该部分肺泡的通气相对良好，使VA／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)指的就是有通气的肺泡血流相对地减少，以至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．VA／Q比例失调的血气变化 肺泡通气与血流比例失调时的血气变化，无沦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，均主要引起PaO2降低，而PaCO2可正常、降低或升高，这主要由健全肺泡的代偿功能，以及氧与二氧化碳解离曲线的特性所决定。
(1)当部分肺泡通气不足，流经该处的血液得不到充分的气体交换，使血液氧分压降低，二氧化碳分压升高。健全肺泡代偿性的增加通气量，使流经健全肺泡的血液氧分压升高。但由于氧解离曲线S型的特点，即氧分压达100mmHg(13.3kPa)时，血氧饱和度已高达95％以上，已处于S型曲线上端的平坦段，此时，即使健全肺泡因通气加强进一步提高了氧分压，但血氧含量的增加也极少，因此无法代偿通气不足肺泡所造成的低氧血症。
(2)当部分肺泡血流不足时，流经该处的血液氧分压虽显著增高，同理血氧含量的增加也很少。而健全肺泡因血流量增加，使VA／Q比值小于正常，流经此处的血流量虽多却不能充分氧合，所以造成VA／Q比例失调时PaO2和氧含量都明显降低。
由于二氧化碳解离曲线的特性，当PaCO2在37.5-60 mmHg(5~8kPa)范围内，血液二氧化碳含量与PaCO2几乎呈直线关系，因此代偿性通气增强的肺泡，血中的二氧化碳可得以大量排出，使PaCO2保持在正常水平，甚至可因代偿过度，而致PaCO2低于正常，只有在严重障碍和代偿不足时，PaCO2才会高于正常。
(四)解剖分流增加
生理情况下，肺内也存在解剖分流(anatomic shunt)，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 venous admixture)。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人动脉血中。
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。
由解剖分流增加所引起的换气障碍，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方法是吸入纯氧，若吸入纯氧30min能提高PaO2，则为功能性分流；而对真性分流，则吸入纯氧无明显提高PaO2的作用。肺泡通气与血流比例失调的各种情况见图15-8。
临床呼吸衰竭的发病机制中，单纯的通气不足，单纯的弥散障碍，单纯的肺内分流或死腔通气增加的情况较少，常常是几个因素共同或相继发生作用。如慢性阻塞性肺病发生呼吸衰竭的机制为：①支气管炎症、分泌物堵塞等引起气道狭窄或阻塞，而有明显的阻塞性肺通气障碍；②呼吸肌疲劳所致的呼吸动力减弱，肺组织的炎症、间质和肺的纤维化以及累及胸膜，引起肺和胸廓顺应性的降低，导致限制性肺通气障碍；③肺泡的纤维化、炎症等引起肺泡膜损伤，弥散面积减少和弥散距离增加，导致弥散障碍；④由于部分肺泡的通气减少或丧失，造成功能性分流增加。由于毛细血管床的破坏，血管的重建使部分肺泡的肺血流明显减少，造成死腔样通气增加，从而导致VA／Q失调；⑤由于动—静脉吻合支的开放等引起真性分流显著增多。
