肺泡通气不足时的血气变化特征

第一节　病因和发病机制

外呼吸包括通气和换气两个基本环节。各种病因不外乎通过引起肺泡通气不足、弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调、肺内短路增加等机制，使通气和（或）换气过程发生严重障碍而导致呼吸衰竭。不同的病因常通过相似的机制引起呼吸衰竭，因而使不同病因引起的呼吸衰竭具有共性；但由于病变的部位、性质以及机体反应性不同，故其发病又往往存在特殊性。

一、肺通气功能障碍

肺泡气与外界气体交换依赖于正常的通气功能。反映肺通气功能的最好指标是肺泡通气量（4L／min）。肺通气的动力是由呼吸中枢调控呼吸肌所引起的呼吸运动。肺通气的阻力来自肺与胸廓的弹性回缩力和气道阻力增加。两者均可引起肺通气障碍，使肺泡通气量减少，最终导致呼吸衰竭。根据肺通气功能障碍发生机制的不同，分为限制性通气不足和阻塞性通气不足。

（一）限制性通气不足

吸气时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）。正常吸气运动是吸气肌收缩产生的主动过程。呼气则是肺泡弹性回缩和肋骨与胸骨借助重力作用复位的被动过程。引起限制性通气不足的原因，可以是肺以外的组织器官病变，也可以是肺本身的病变。由肺及肺外的组织器官病变所引起的限制性通气不足可分为以下两种情况。

1．呼吸肌活动障碍

①呼吸中枢或外周神经受损：如脑外伤、脑血管意外、脑炎、脊髓灰质炎、多发性脊神经炎等；过量镇静剂、安眠药、麻醉药引起的呼吸中枢抑制。②呼吸肌本身收缩功能障碍：如呼吸肌疲劳、呼吸肌萎缩、呼吸肌无力等因素均可造成呼吸肌运动降低，呼吸运动减弱，导致肺泡扩张受限而引起通气不足。

2．胸廓和肺的顺应性降低

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。胸廓的弹性在静息呼气末时是使胸廓扩大的力量，但当吸气至肺活量的75%以上时，胸廓对吸气也构成弹性阻力，故弹性阻力的大小直接影响肺与胸廓在吸气时是否易于扩张。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。严重的胸廓畸形、胸膜纤维化、过度肥胖、大量胸腔积液、张力性气胸等疾患可使胸廓的弹性阻力增加，顺应性降低，限制胸部的扩张。

肺顺应性除直接与肺容量有关（肺容量小，肺顺应性也低）外，主要取决于其弹性回缩力。肺泡的弹性回缩力是由肺组织本身的弹性结构和肺泡表面张力所决定。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，由肺泡Ⅱ型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。它与维持肺泡的干燥也有关。Ⅱ型肺泡上皮受损（如循环灌流不足、氧中毒、脂肪栓塞等）或发育不全（如婴儿呼吸窘迫综合征）以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（如急性胰腺炎、肺水肿、过度通气等）时，均可使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，从而使肺泡不易扩张而发生限制性通气不足。

（二）阻塞性通气不足

由于气道狭窄或阻塞，使气道阻力增加而引起的肺泡通气不足称为阻塞性通气不足（obstuctive hypoventilation）。成人气道阻力正常约为0．1～0．3（kPa·s）／L，呼气时略高于吸气，其中80%以上发生于直径大于2mm的支气管与气管，直径小于2 mm的外周小气道的阻力仅占总阻力的20%以下。

影响气道阻力的因素有气道内径、长度、形态、气流速度和形式（如层流、湍流等）、气体的密度和黏度等，其中最主要的是气道内径。气道内外压力的改变，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，使肺组织弹性降低，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。气道阻塞有中央性气道阻塞、外周性气道阻塞两类。

1．中央性气道阻塞

中央性气道阻塞是指环状软骨下缘至气管分叉以上的气道阻塞。若阻塞位于胸外，吸气时，气体流经病变（如声带麻痹、炎症等）部位时压力降低，结果使气道内压明显低于大气压而使气管受压，气道阻力增大，故患者表现为吸气性呼吸困难。如果阻塞位于中央气道的胸内部分，吸气时由于胸内压降低使气道内压大于胸内压，使气道有所扩张，阻塞减轻，而用力呼气时由于胸内压升高而压迫气道，使气道狭窄加重，故患者表现为呼气性呼吸困难（expiratory dyspnea）（见图13－1）。

图13－1　呼气性与吸气性呼吸困难（中央气道阻塞）

2．外周气道阻塞

外周气道阻塞是指内径小于2mm的小支气管和细支气管阻塞。由于小支气管软骨为不规则的块状，细支气管无软骨支撑，管壁薄，又与管周围的肺泡结构紧密相连，因此，其内径可随呼吸运动而发生变化。吸气时随着肺泡的扩张，细支气管受周围弹性组织的牵拉，使口径变大而管道伸长；呼气时则相反，气道缩短变窄。慢性阻塞性肺疾患主要侵犯小气道，由于病变管壁增厚或痉挛、分泌物阻塞，加之肺泡壁的损坏还可降低对细支气管的牵引力。因此，呼气的小气道阻力大大增加，患者主要表现为呼气性呼吸困难。外周小气道阻塞时，除有肺泡通气不足外，还可有换气功能障碍。

外周性气道阻塞的患者用力呼气时可引起小气道闭合，导致严重的呼气性呼吸困难的机制为：用力呼气时，胸内压和气道内压均高于大气压；在呼出气道上，压力由小气道至中央气道逐渐下降，通常将气道内压与胸内压相等的气道部位称为“等压点”。等压点下游端（通向鼻腔的一端）的气道内压低于胸内压，气道可能被压缩，但正常人气道的等压点位于有软骨环支撑的大气道，即使气道外压力大于气道内压力，也不会使大气道闭合。肺气肿患者胸内压力（气道外的压力）增高，用力呼吸时使等压点上移至小气道，引起小气道闭合而出现呼气性呼吸困难（见图13－2）。

图13－2　呼气性呼吸困难（外周气道阻塞）

注：压力单位为cm　H₂O，1cm　H₂O＝0．098kPa。

无论是限制性通气不足还是阻塞性通气不足，肺泡通气量均减少。由于肺泡内气体不能进行充分交换，导致PaO₂降低和PaCO₂升高，所以通气功能障碍必然导致低氧血症伴高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭。

二、肺换气功能障碍

各种病因引起的肺换气障碍的主要机制是气体弥散障碍和肺泡通气血流比例失调。

（一）弥散障碍

O₂与CO₂通过肺泡膜的过程发生障碍，称为弥散障碍（diffusion impairment）。肺部气体的弥散与肺泡膜两侧气体分压差、肺泡膜的面积和厚度、血液与肺泡接触时间及气体的弥散能力等因素有关。气体的弥散能力还与气体的分子量和溶解度有关。肺部病变导致弥散障碍的主要原因有以下几个方面。

1．肺泡膜面积减少

单位时间内气体弥散的量与弥散面积成正比。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，因此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

肺泡膜由肺泡上皮及其表面液体层和表面活性物质、毛细血管基底膜、毛细血管内皮细胞、肺泡上皮与毛细血管之间的基质组成，其厚度仅1μm，十分有利于气体的弥散。在肺水肿、间质性肺炎、肺纤维化、肺泡表面透明膜形成等病理情况下，由于水肿液、炎性渗出物及增生的纤维组织使肺泡膜厚度增加，弥散距离加大，导致弥散障碍。

3．血液与肺泡的接触时间过短

正常静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间为0．7s，而血液氧分压和肺泡气氧分压达到平衡的时间则只需0．25s。肺泡膜面积减少或增厚时，虽然弥散速度减慢，但在静息状态下气体交换仍可在正常的接触时间（0．75s）内达到血气与肺泡气的平衡，而不至于发生血气的异常。只有在体力负荷增加等使心输出量增加、肺血流加快、血液和肺泡接触时间过短的情况下，才会出现明显的气体弥散障碍而发生低氧血症。

由于CO₂扩散速率比O₂的大20倍，所以，单纯的弥散障碍引起的后果是低氧血症型呼吸衰竭，只有PaO₂降低，不伴有PaCO₂升高。有时可因PaO₂降低而引起代偿性通气增强，CO₂排出增多而使PaCO₂反而降低。值得指出的是，单纯的气体弥散障碍极少发生，往往伴有通气血流比例失调。

（二）肺泡通气与血流比例失调

肺换气功能的效率，除了与影响肺部气体弥散的诸多因素有关外，还与肺泡通气量、肺血流量以及两者之间的比例有关。正常成人平静呼吸时，平均肺泡通气量（VA）为4L／min，平均肺血流量（Q）约为5L／min，两者比率（VA／Q）约为0．8。在某些肺部疾病时，肺泡通气与血流分布极不均匀，使各部分的VA严重偏离正常范围，发生换气功能障碍，引起呼吸衰竭。这是肺部疾患引起呼吸衰竭的主要机制。肺泡通气血流比例失调，可以是VA／Q下降，也可以是VA／Q升高（见图13－3）。

图13－3　肺泡通气与血流比例失调

1．部分肺泡VA／Q比率降低

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，以及掺与胸廓顺应性降低在肺的各个部分所造成的影响，往往都不是均匀一致的，而是轻重不一的，因此都可导致肺泡通气分布的严重不均。如肺泡通气明显降低而血流无相应减少甚至还可因炎症充血使血流量增多（如大叶性肺炎早期），即VA／Q比率降低，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，故称为功能性分流（functional shunt），又称为静脉血掺杂（venous admixture）。正常成人由于肺内通气分布不均形成的功能性分流约仅占肺血流量的3%。

2．部分肺泡VA／Q比率增高

部分肺泡VA／Q比率增高因部分肺泡血流不足所致。肺动脉压降低、肺微血管阻塞、肺动脉栓塞、肺动脉炎、肺血管收缩等均可使部分肺泡血流减少，VA／Q显著大于正常，由于病变部位的肺泡内血流少而通气多，肺泡通气不能充分利用，故称为死腔样通气（dead space like ventilation）。正常人的生理死腔（dead space，VD）约占潮气量（tidal volume，VT）的30%，疾病时功能性死腔可显著增多，使VD／VT高达60%～70%。在死腔样通气的情况下，流经病变肺泡的血液气体交换效率显著下降，导致PaO₂降低。

肺泡通气与血流比例失调所引起的血气变化特点为PaO₂降低，而PaCO₂可正常、降低或升高，这取决于PaO₂降低时反射性地引起肺组织代偿通气的程度。如果代偿性通气很强，CO₂排出过多，PaCO₂可低于正常；如果肺组织病变广泛，代偿不足，则会因气体交换严重障碍而致PaO₂下降和PaCO₂升高。

（三）解剖分流增加

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，称为“短路”（shunt）或右－左分流；此外，心内最小静脉的静脉血也直接流入左心；这些都属解剖分流，其血流量占心输出量的2%～3%。因为静脉血未经动脉化即掺入动脉血中，故又称为静脉血掺杂。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，解剖分流增加，导致PaO₂显著下降（图13－3）。

肺严重病变（如肺不张、肺实变等）时，部分肺泡的通气完全停止，但仍有血液流经病变肺泡，而又未经氧合便掺入动脉血，类似解剖分流。有人把这种分流和解剖分流称为真性分流（anatomic shunt）。真性分流时，吸入纯O₂并不能显著提高PaO₂，而功能性分流时，吸入纯O₂可使低氧血症得到显著改善，用这种方法可鉴别功能性分流与真性分流。

患者在呼吸衰竭发病过程中，单纯的通气不足、单纯的弥散障碍、单纯的肺内血液分流增加或死腔样通气增加的情况较少，往往是多种机制同时或先后参与。急性呼吸窘迫综合征就是一个比较典型的例子。它是因肺泡－毛细血管膜广泛受损引起的急性呼吸衰竭，主要临床表现是进行性呼吸困难和渐进性低氧血症，其发生机制既涉及换气功能障碍，也有通气功能障碍。由于急性肺泡膜受损，引起肺泡水肿，导致肺泡表面活性物质减少而形成肺不张，使得部分肺泡严重通气不足，以致功能性分流增加；因肺血管内血栓形成、血管活性物质的作用，引起肺小血管不均匀收缩及肺间质水肿压迫肺血管，使部分肺泡血流显著减少，VA／Q比值增大；由于肺间质和肺泡水肿、肺泡内透明膜形成造成肺泡膜增厚及肺不张，使弥散面积减少，导致气体弥散障碍；肺水肿和肺不张使肺容量减少和顺应性降低，支气管痉挛使小气道狭窄及水肿液使气道阻塞，引起限制性和阻塞性通气不足。可见，急性呼吸窘迫综合征的发生是多种机制参与的结果（详见本章第三节）。