病理生理学/呼吸功能不全的病因与发生机制

病因

• 呼吸衰竭是外呼吸功能障碍引起的临床综合征。
• 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。
• 常见的呼吸衰竭病因：
  • 神经肌肉系统疾病
  • 胸部和胸膜病变
  • 呼吸道阻塞性疾病
  • 肺部疾病
  • 肺血管性疾病

发生机制

肺通气障碍

肺通气障碍的类型

限制性通气不足

呼吸肌活动障碍

• 中枢或周围神经的器质性病变
• 呼吸中枢抑制
• 呼吸肌本身的收缩功能下降

胸部和肺的顺应性降低

• 胸部和肺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：
  • 肺的弹性阻力增加，如严重的肺纤维化（石棉沉着病、硅沉着病或弥漫性肺间质纤维化等）、肺不张、肺水肿、肺实变或肺叶的广泛切除;
  • 肺泡表面活性物质的减少。

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。

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、气道平滑肌张力、气流性质、气体密度与黏度以及肺容积水平，其中以气道内径最为重要。
• 根据气道阻塞的部位不同，可分为中央性气道阻塞和外周性气道阻塞。

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，又称上气道阻塞。上气道阻塞往往为急性发作，情况十分危急。按照阻塞的位置不同，可分为胸外和胸内气道阻塞。

• 胸外气道阻塞：是指梗阻部位位于环软骨下缘至胸骨柄以上的气管阻塞。
• 胸内气道阻塞：指梗阻部位位于胸骨柄以下至气管分叉处的气道阻塞。
• 另外，也有一些中央气道的病变部位僵硬固定，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。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。

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，其发生机制可用小气道狭窄在呼气时加重和呼气时等压点（isobaric point,IP）移向小气道来解释。

• 小气道狭窄在呼气时加重
• 呼气时等压点移向小气道：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）。当等压点移至无软骨支撑的膜性气道时，就可导致小气道的动力性压缩而闭合。

肺通气障碍时的血气变化

无论是哪种类型的通气障碍，O2的吸入和CO2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。

弥散障碍

弥散是指肺泡气通过肺泡-毛细血管膜（呼吸膜）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：

• 呼吸膜两侧的气体压力差，
• 呼吸膜的面积与厚度，
• 气体的弥散能力（气体的相对分子质量和在液体中的溶解度），
• 血液和肺泡接触的时间。

弥散障碍(diffusion impairment)是指由于肺泡膜面积减少或肺泡膜异常增厚和弥散时间缩短所引起的气体交换障碍。

弥散障碍的主要机制

呼吸膜面积减少

常见于肺实变、肺不张、肺叶切除和肺水肿等。

呼吸膜厚度增加

常见于肺水肿、肺透明膜形成、肺间质纤维化、肺泡毛细血管扩张稀血症。

弥散障碍时的血气变化

单纯的弥散障碍主要影响O₂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虽然相对分子质量比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，CO₂的弥散速度（弥散系数与分压差的乘积）通常比O₂约大1倍。

肺泡通气血流比值失调

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（V_A）为4L/min，平均肺血流量（Q）为5L/min，通气与血流的比值（V_A/Q）为0.8。
部分肺泡通气不足或血流量减少，可造成部分肺泡通气与血流比例失调。这是引起呼吸衰竭最常见最重要的机制。

V_A/Q比值失调的基本形式

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。因为如同动静脉短路，故又称功能性分流。

部分肺泡血流不足——V_A/Q比值升高

肺动脉分支栓塞或炎症、肺动脉收缩和肺毛细血管床的大量破坏，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，而增加了生理无效腔。无效腔样通气（dead space like ventilation）指的就是有通气的肺泡血流相对减少，以至于这些肺泡内的气体得不到充分利用。

V_A/Q比值失调的血气变化

• 肺泡通气血流比值失调时的血气变化，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无效腔样通气增大，均主要引起PaO₂降低，而PaCO₂可正常、降低或升高。这主要与健全肺泡的代偿功能，以及氧与二氧化碳解离曲线的特性有关。
  • 当部分肺泡通气不足时，流经该处的血液得不到充分的气体交换，使血液PaO2降低，PaCO2升高。
  • 当部分肺泡血流不足时，流经此处的血液虽能得到充分的氧合，但PaO2与血氧含量的增加很少;而其他部分肺泡因血流量增加，使该部分的VA/Q比值明显低于正常，流经该处的血流量虽多却不能充分氧合。

肺内解剖分流增加

部分支气管静脉血和极少的肺内动-静脉交通支直接流入肺静脉。
临床呼吸衰竭的发病机制中，单纯的通气不足、单纯的弥散障碍及单纯的肺内分流或无效腔气量增加的情况较少，常常是几个因素共同或相继发生作用。