病理生理學(xué):第二節(jié)　呼吸衰竭的發(fā)病機(jī)制

外呼吸包括通氣和換氣兩個(gè)基本環(huán)節(jié)。各種病因不外乎通過(guò)引起肺泡通氣不足、彌散障礙、肺泡通氣與血流比例失調(diào)、肺內(nèi)短路增加等機(jī)制，使通氣和/或換氣過(guò)程發(fā)生嚴(yán)重障礙而導(dǎo)致呼吸衰竭。不同的病因常通過(guò)相似的機(jī)制引起呼吸衰竭，因而使不同病因引起的呼吸衰竭具有共性；但由于病變的部位、性質(zhì)以及機(jī)體反應(yīng)性不同，故其發(fā)病又往往存在特殊性。

一、肺泡通氣不足

肺泡通氣量即有效通氣量，正常成人靜息時(shí)約為4L/min。除死腔通氣量增加可直接減少肺泡通氣量外，凡能減弱呼吸的動(dòng)力或增加胸壁與肺的彈性阻力或非彈性阻力的任何原因，都可引起肺泡通氣不足而導(dǎo)致呼吸衰竭。

（一)限制性通氣不足

肺泡擴(kuò)張受限制所引起的肺泡通氣不足稱為限制性通氣不足（restrictivehypoventilation)，其發(fā)生機(jī)制如下：

1.呼吸肌活動(dòng)障礙當(dāng)腦部病變或藥物使呼吸中樞受損或抑制，或神經(jīng)肌肉疾患累及呼吸肌時(shí)，均可因吸呼肌收縮減弱或膈肌活動(dòng)受限，以致肺泡不能正常擴(kuò)張而發(fā)生通氣不足。呼吸肌的病變往往需同時(shí)累及肋間肌和膈肌時(shí)才會(huì)引起明顯的血?dú)庾兓��?/p>

2.胸壁和肺的順應(yīng)性降低呼吸肌收縮使胸廓與肺擴(kuò)張時(shí)，需克服組織的彈性阻力，肺的彈性回縮力使肺趨向萎陷（collapse)。胸廓的彈性在靜息呼氣末時(shí)是使胸廓擴(kuò)大的力量，但當(dāng)吸氣至肺活量的75％以上時(shí)，胸廓對(duì)吸氣也構(gòu)成彈性阻力。故彈性阻力的大小直接影響肺與胸廓在吸氣時(shí)是否易于擴(kuò)張。肺與胸廓擴(kuò)張的難易程度通常以順應(yīng)性（Compliance)表示，它是彈性阻力的倒數(shù)。

胸廓順應(yīng)性降低見(jiàn)于胸廓骨骼病變或某些胸膜病變時(shí)。肺順應(yīng)性除直接與肺容量有關(guān)（肺容量小，肺順應(yīng)性也低)外，主要取決于其彈性回縮力。肺泡的彈性回縮力是由肺組織本身的彈性結(jié)構(gòu)和肺泡表面張力所決定。肺淤血、水腫、纖維化等均可降低肺的順應(yīng)性，增加吸氣時(shí)的彈性阻力。肺泡表面張力有使肺泡回縮的作用。生理情況下，由肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)覆蓋于肺泡、肺泡管和呼吸性細(xì)支氣管液層表面，它能降低肺泡表面張力。降低肺泡回縮力，提高肺順應(yīng)性，維持肺泡膨脹的穩(wěn)定性。它與維持肺泡的干燥也有關(guān)。Ⅱ型肺泡上皮受損（如循環(huán)灌流不足、氧中毒、脂肪栓塞)或發(fā)育不全（嬰兒呼吸窘迫綜合征)以致表面活性物質(zhì)的合成與分泌不足，或者表面活性物質(zhì)被大量破壞或消耗（如急性胰腺炎、肺水腫、過(guò)度通氣)時(shí)，均可使肺泡表面活性物質(zhì)減少，肺泡表面張力增加而降低肺順應(yīng)性，從而使肺泡不易擴(kuò)張而發(fā)生限制性通氣不足。

限制性通氣不足時(shí)，由于病變往往并不均勻?qū)ΨQ，故不僅有肺泡通氣不足，而且往往伴有肺泡通氣與血流比例失調(diào)，故換氣功能也遭到損害（詳后文)。

（二)阻塞性通氣不足

氣道狹窄或阻塞引起的肺泡通氣不足稱為阻塞性通氣不足（obstructivehypoventilation)。氣道阻力是通氣過(guò)程中主要的非彈性阻力，正常約為0.1～0.3kPa（1～3cmH₂O)/L·sec^-1呼氣時(shí)略高于吸氣時(shí)。其中80％以上發(fā)生于直徑大于2mm的支氣管與氣管，直徑小于2mm的外周小氣道的阻力僅占總阻力的20％以下。

影響氣道阻力的因素有氣道內(nèi)徑、長(zhǎng)度和形態(tài)、氣流速度和形式（層流、湍流)、氣體的密度和粘度，其中最主要的是氣道內(nèi)徑。氣道內(nèi)外壓力的改變，管壁痙攣、腫脹或纖維化，管腔被粘液、滲出物、異物或腫瘤等阻塞，肺組織彈性降低以致對(duì)氣道管壁的牽引力減弱等，均可使氣道內(nèi)徑變窄或不規(guī)則而增加氣流阻力，引起阻塞性通氣不足。氣道阻塞有中央性外周性兩類：

1.中央氣道阻塞指聲門(mén)至氣管隆凸間的氣道阻塞。急性阻塞較慢性的多見(jiàn)，可立即威脅生命。氣道阻塞有的是固定不變的，有的是可變的。固定阻塞見(jiàn)于疤痕形成。可變阻塞若位于胸外（如聲帶麻痹、炎癥等)，則吸氣時(shí)氣流經(jīng)病灶引起的壓力下降，可使氣道內(nèi)壓明顯小于大氣壓，故可使氣道狹窄加重；呼氣時(shí)則因氣道內(nèi)壓力大于大氣壓而可使阻塞減輕，故此類患者吸氣更為困難，表現(xiàn)出明顯的吸氣性呼吸困難�？勺冏枞�如位于中央氣道的胸內(nèi)部分，則由于吸氣時(shí)氣道內(nèi)壓大于胸內(nèi)壓，故可使阻塞減輕，用力呼氣時(shí)則可因胸內(nèi)壓大于氣道內(nèi)壓而加重阻塞（圖13－1)。

圖13－1　不同類型中央氣道阻塞呼氣與吸氣時(shí)氣道阻力變化

Ptr氣管內(nèi)壓；Patm大氣壓；Ppl胸膜腔壓

2.外周氣道阻塞 內(nèi)徑小于2mm的細(xì)支氣管無(wú)軟骨支撐，管壁薄，與管周的肺泡結(jié)構(gòu)又緊密相連，因此隨著吸氣與呼氣，由于跨壁壓的改變，其內(nèi)徑也發(fā)生動(dòng)力學(xué)變化。吸氣時(shí)胸內(nèi)壓降低，而且隨著肺泡的擴(kuò)張，細(xì)支氣管受到周圍彈性組織的牽拉，故其口徑可變大，管道伸長(zhǎng)。呼氣時(shí)則相反，小氣道縮短變窄。慢性阻塞性肺疾患主要侵犯這些小氣道，不僅可使管壁增厚或平滑肌緊張性升高和管壁順應(yīng)性降低，而且管腔還可因分泌物潴留而發(fā)生狹窄阻塞；此外，由于肺泡壁損傷，對(duì)細(xì)支氣管周圍的彈性牽引力也大大減弱。因此，管腔也變得狹窄而不規(guī)則，氣道阻力大大增加。尤其是在用力呼氣時(shí)，由于胸內(nèi)壓增高，而小氣道內(nèi)壓力卻因肺泡彈性回縮力減弱而降低，當(dāng)氣流通過(guò)狹窄部位時(shí)，氣道內(nèi)壓降低更加明顯，甚至低于胸內(nèi)壓，因而小氣道被壓而易于閉合阻塞，故患者常發(fā)生呼氣性呼吸困難。

外周氣道阻塞時(shí)除有肺泡通氣不足外，還因?yàn)樽枞�的部位與程度幾乎都是不均勻的，所以往往同時(shí)有肺泡通氣與血流比例失調(diào)而引起換氣功能障礙。

二、彌散障礙

肺泡與血流經(jīng)肺泡-毛細(xì)血管膜（下簡(jiǎn)稱肺泡膜)進(jìn)行氣體交換的過(guò)程是一個(gè)物理性彌散過(guò)程。單位時(shí)間內(nèi)氣體的彌散量取決于肺泡膜兩側(cè)的氣體分壓差、肺泡的面積與厚度和氣體的彌散常數(shù)。彌散常數(shù)又與氣體的分子量和溶解度相關(guān)。此外，氣體總彌散量還決定于血液與肺泡接觸的時(shí)間。肺的病變引起彌散障礙（diffusion impairment)可發(fā)生于下列情況：

（一)肺泡膜面積減少 正常成人肺泡總面積約為80m²，靜息呼吸時(shí)參與換氣的肺泡表面積約僅35～40m²，運(yùn)動(dòng)時(shí)增加。由于儲(chǔ)備量大，因此只有當(dāng)肺泡膜面積極度減少時(shí)，才會(huì)引起換氣功能障礙，肺泡膜面積減少可見(jiàn)于肺實(shí)變、肺不脹、肺葉切除等時(shí)。

（二)肺泡膜厚度增加肺泡膜的薄部為氣體交換的部位，它是由肺泡上皮、毛細(xì)血管內(nèi)皮及二者共有的基底膜所構(gòu)成，其厚度小于1μm。雖然氣體從肺泡腔到達(dá)紅細(xì)胞內(nèi)還需經(jīng)過(guò)肺泡表面的液體層、管內(nèi)血漿層和紅細(xì)胞膜，但總厚度也不到5μm。故正常氣體交換是很快的。當(dāng)肺水腫、肺泡透明膜形成、肺纖維化、肺泡毛細(xì)血管擴(kuò)張或稀血癥導(dǎo)致血漿層變厚等時(shí)，都可因肺泡膜通透性降低或彌散距離增寬而影響氣體彌散。

（三)血液與肺泡接觸時(shí)間過(guò)短　正常靜息時(shí)，血液流經(jīng)肺泡毛細(xì)血管的時(shí)間約為0.75sec，由于肺泡膜很薄，與血液的接觸面又廣，故只需0.25sec血紅蛋白即可完全氧合。當(dāng)血液流經(jīng)肺泡毛細(xì)血管的時(shí)間過(guò)短時(shí)，氣體彌散量將下降。上述肺泡膜面積減少和厚度增加的病人，雖然肺毛細(xì)血管血液中氧分壓上升較慢，但一般在靜息時(shí)肺內(nèi)氣體交換仍可達(dá)到平衡，因而不致產(chǎn)生低氧血癥，往往只是在體力負(fù)荷增大時(shí)，才會(huì)因?yàn)檠�流加快，血液和肺泡接觸時(shí)間縮短而發(fā)生明顯的彌散障礙，從而引起低氧血癥（圖13－2)。目前認(rèn)為肺泡膜病變時(shí)發(fā)生呼吸衰竭，主要還是因?yàn)榇嬖谥�肺泡通氣血流比例失調(diào)的緣故。

三、肺泡通氣與血流比例失調(diào)

有效的換氣不僅取決于肺泡膜面積與厚度、肺泡總通氣量與血流量，gydjdsj.org.cn/rencai/還要求肺泡的通氣與血流配合協(xié)調(diào)。肺部疾病時(shí)肺的總通氣量與總血流量有時(shí)可以正常，但通氣與血流的分布不均勻以及比例的嚴(yán)重失調(diào)（ventilation-perfusion imbalance)卻可使患者不能進(jìn)行有效的換氣。這是肺部疾病引起呼吸衰竭最常見(jiàn)的機(jī)制。

圖13－2 正常人與肺泡膜增厚時(shí)肺循環(huán)中血紅蛋白氧合的時(shí)間過(guò)程

①休息時(shí)紅細(xì)胞經(jīng)過(guò)肺毛細(xì)血管的時(shí)間；

②運(yùn)動(dòng)時(shí)紅細(xì)胞經(jīng)過(guò)肺毛細(xì)血管的時(shí)間

正常人在靜息狀態(tài)下，肺泡每分通氣量（V_A)每分約為4L，肺血流量（Q)約為每分5L，二者的比率（V_A/Q)約為0.8左右。但是即使在健康人，肺的各部分通氣與血流的分布也都不是均勻的。直位時(shí)，肺泡的通氣量和血流量都是自上而下遞增的，而血流量的上下差別更大，其結(jié)果是各部肺泡的V/Q比率自上而下遞減。在正常青年人V_A/Q比率的變動(dòng)范圍自上而下約為0.6～3；隨著年齡增大，變動(dòng)范圍擴(kuò)大。盡管如此，PaO₂和PaCO₂最終仍可維持在正常范圍。肺部疾病時(shí)，若肺泡通氣不足與血流量減少發(fā)生于同一部位（如肺葉切除、大葉性肺炎灰色肝變期)，其功能可由其余的健肺以適當(dāng)?shù)谋壤�加�?qiáng)通氣與血流來(lái)代償，因而對(duì)換氣功能影響可以不大。但大多數(shù)呼吸系統(tǒng)疾病時(shí)肺泡通氣和血流量的改變多不相平行配合，使部分肺泡V/Q比率降低或增高，而且V_A/Q比率的變動(dòng)范圍也擴(kuò)大，因而使肺泡通氣血流比例嚴(yán)重失調(diào)，不能保證有效的換氣而導(dǎo)致呼吸衰竭。肺泡通氣血流比例失調(diào)有兩種基本形式：

（一)部分肺泡V/Q比率降低支氣管哮喘、慢性支氣管炎、阻塞性肺氣腫等引起的氣道阻塞或狹窄性病變，以及肺與胸廓順應(yīng)性降低在肺的各個(gè)部分所造成的影響，往往都不是均勻一致，而是輕重不一的。因此都可導(dǎo)致肺泡通氣分布的嚴(yán)重不均。如肺泡通氣明顯降低而血流無(wú)相應(yīng)減少甚至還增多，即V_A/Q比率降低，則流經(jīng)這部分肺泡的靜脈血未經(jīng)充分氧合便摻入動(dòng)脈血內(nèi)。這種情況類似肺動(dòng)-靜脈短路，故稱功能性分流增加。正常成人由于肺內(nèi)通氣分布不均形成的功能性分流約僅占肺血流量的3％。慢性阻塞性肺疾患嚴(yán)重時(shí)，功能性分流明顯增加，可相當(dāng)于肺血流量的30～50％，因此可以嚴(yán)重地影響換氣功能而導(dǎo)致呼吸衰竭（圖13－3（3))。

（二)部分肺泡V/Q比率增高某些肺部疾患，如肺動(dòng)脈壓降低、肺動(dòng)脈栓塞、肺血管受壓扭曲和肺壁毛細(xì)血管床減少等時(shí)，V_A/Q比率增高�；疾糠闻菅�流少而通氣多，吸入的空氣沒(méi)有或很少參與氣體交換，因而與氣道的情況類似，即猶如增加了肺泡死腔量，故這種情況又稱死腔樣通氣。此時(shí)肺臟總的有效通氣量必然減少，因而也會(huì)引起血?dú)猱惓！Ｕ�常人的生理死腔量（V_D)約占潮氣量（V_T)的30％，上述疾病時(shí)可使死腔氣量明顯增多，V_D/Q_T可高達(dá)60～70％（圖13－3（4))。

總之，在通氣分布不均或血流分布不均以及通氣和血流配合不當(dāng)時(shí)，有的肺泡通氣與血流比率明顯降低，可低至0.01；有的肺泡通氣血流比率明顯增高，可高達(dá)10以上，也有的仍接近0.83，各部分肺泡的V/Q比率的變動(dòng)范圍明顯擴(kuò)大，嚴(yán)重偏離正常的范圍。這樣就可引起換氣障礙并從而導(dǎo)致呼吸衰竭。

圖13－3 肺泡通氣與血流比例失調(diào)模式圖

四、肺循環(huán)短路增加

生理情況下肺內(nèi)有一部分靜脈血經(jīng)支氣管靜脈和極少數(shù)的肺內(nèi)動(dòng)-靜脈交通支直接流入肺靜脈，稱“短路”（shunt)或右-左分流。此外，心內(nèi)最小靜脈的靜脈血也直接流入左心。這些都屬解剖分流，其血流量約占心輸出量的2～3％。因?yàn)殪o脈血未經(jīng)動(dòng)脈化即摻入動(dòng)脈血中，故又稱靜脈血摻雜。支氣管擴(kuò)張（伴支氣管血管擴(kuò)張)、先天性肺動(dòng)脈瘺、肺內(nèi)動(dòng)靜脈短路開(kāi)放等病變，可增加解剖分流，使靜脈血摻雜顯著增多而引起血液氣體異常（圖13－3（2))。有人將肺內(nèi)病變所引起的肺泡完全不通氣但仍有血流者也視為短路，見(jiàn)于肺實(shí)變、肺不張等。

呼吸衰竭的發(fā)病機(jī)制中，單純的通氣不足、單純的彌散障礙、單純的肺內(nèi)短路增加或單純的肺泡通氣與血流比例失調(diào)是較少的，這些因素往往同時(shí)存在或相繼發(fā)生作用�，F(xiàn)以成人呼吸窘迫綜合征（adult respiratogydjdsj.org.cn/shiti/ry distress syndrome, ARDS)為例概要說(shuō)明之。

成人呼吸窘迫綜合征是在原無(wú)心肺疾患的病人因急性彌漫性肺泡-毛細(xì)血管膜損傷，以致外呼吸功能嚴(yán)重障礙而發(fā)生的急性呼吸衰竭，常見(jiàn)于休克、創(chuàng)傷、敗血癥、過(guò)量輸液、體外循環(huán)術(shù)和氧中毒等時(shí)。其早期病變主要為肺嚴(yán)重水腫、出血、透明膜形成、肺不脹、微血栓形成、肺血管內(nèi)皮細(xì)胞及肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞腫脹變性與壞死等。此時(shí)呼吸衰竭的發(fā)生可有下述多種機(jī)制參與：①由于肺水腫、肺不脹等使肺順應(yīng)性降低而引起限制性通氣障礙，也可因支氣管痙攣和氣道內(nèi)液體增加而導(dǎo)致阻塞性通氣障礙，但因患者多有呼吸加速，故肺泡總通氣量可無(wú)明顯減少，但其分布則不均勻。②肺泡膜增厚引起彌散障礙。③肺小動(dòng)脈內(nèi)微血栓或脂肪栓塞，使部分肺泡血流不足，形成死腔樣通氣。另一方面，因肺順應(yīng)性降低、肺不脹、肺泡內(nèi)充滿水腫液或氣道受阻等原因，使部分肺泡通氣減少而血流未相應(yīng)減少，故可造成大量肺內(nèi)短路或功能性分流增加，這些因素均導(dǎo)致肺泡的通氣與血流比例失調(diào)。