呼吸衰竭的發病機制
外呼吸包括通氣和換氣兩個基本環節。各種病因不外乎通過引起肺泡通氣不足、彌散障礙、肺泡通氣與血流比例失調、肺內短路增加等機制，使通氣和/或換氣過程發生嚴重障礙而導致呼吸衰竭。不同的病因常通過相似的機制引起呼吸衰竭，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、性質以及機體反應性不同，故其發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致呼吸衰竭。
（一）限制性通氣不足
肺泡擴張受限制所引起的肺泡通氣不足稱為限制性通氣不足（restrictive hypoventilation），其發生機制如下：
1.呼吸肌活動障礙當腦部病變或藥物使呼吸中樞受損或抑制，或神經肌肉疾患累及呼吸肌時，均可因吸呼肌收縮減弱或膈肌活動受限，以致肺泡不能正常擴張而發生通氣不足。呼吸肌的病變往往需同時累及肋間肌和膈肌時才會引起明顯的血氣變化。
2.胸壁和肺的順應性降低呼吸肌收縮使胸廓與肺擴張時，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是使胸廓擴大的力量，但當吸氣至肺活量的75％以上時，胸廓對吸氣也構成彈性阻力。故彈性阻力的大小直接影響肺與胸廓在吸氣時是否易于擴張。肺與胸廓擴張的難易程度通常以順應性（Compliance）表示，它是彈性阻力的倒數。
胸廓順應性降低見于胸廓骨骼病變或某些胸膜病變時。肺順應性除直接與肺容量有關（肺容量小，肺順應性也低）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構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性，增加吸氣時的彈性阻力。肺泡表面張力有使肺泡回縮的作用。生理情況下，由肺泡Ⅱ型上皮細胞產生的表面活性物質覆蓋于肺泡、肺泡管和呼吸性細支氣管液層表面，它能降低肺泡表面張力。降低肺泡回縮力，提高肺順應性，維持肺泡膨脹的穩定性。它與維持肺泡的干燥也有關。Ⅱ型肺泡上皮受損（如循環灌流不足、氧中毒、脂肪栓塞）或發育不全（嬰兒呼吸窘迫綜合征）以致表面活性物質的合成與分泌不足，或者表面活性物質被大量破壞或消耗（如急性胰腺炎、肺水腫、過度通氣）時，均可使肺泡表面活性物質減少，肺泡表面張力增加而降低肺順應性，從而使肺泡不易擴張而發生限制性通氣不足。
限制性通氣不足時，由于病變往往并不均勻對稱，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，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（obstructive hypoventilation）。氣道阻力是通氣過程中主要的非彈性阻力，正常約為0.1～0.3kPa（1～3cmH 2 O）/L?sec -1 呼氣時略高于吸氣時。其中80％以上發生于直徑大于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徑、長度和形態、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徑。氣道內外壓力的改變，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氣道管壁的牽引力減弱等，均可使氣道內徑變窄或不規則而增加氣流阻力，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至氣管隆凸間的氣道阻塞。急性阻塞較慢性的多見，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），則吸氣時氣流經病灶引起的壓力下降，可使氣道內壓明顯小于大氣壓，故可使氣道狹窄加重；呼氣時則因氣道內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，表現出明顯的吸氣性呼吸困難。可變阻塞如位于中央氣道的胸內部分，則由于吸氣時氣道內壓大于胸內壓，故可使阻塞減輕，用力呼氣時則可因胸內壓大于氣道內壓而加重阻塞（圖13－1）。
圖13－1 不同類型中央氣道阻塞呼氣與吸氣時氣道阻力變化
Ptr氣管內壓；Patm大氣壓；Ppl胸膜腔壓
2.外周氣道阻塞 內徑小于2mm的細支氣管無軟骨支撐，管壁薄，與管周的肺泡結構又緊密相連，因此隨著吸氣與呼氣，由于跨壁壓的改變，其內徑也發生動力學變化。吸氣時胸內壓降低，而且隨著肺泡的擴張，細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。呼氣時則相反，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性降低，而且管腔還可因分泌物潴留而發生狹窄阻塞；此外，由于肺泡壁損傷，對細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則，氣道阻力大大增加。尤其是在用力呼氣時，由于胸內壓增高，而小氣道內壓力卻因肺泡彈性回縮力減弱而降低，當氣流通過狹窄部位時，氣道內壓降低更加明顯，甚至低于胸內壓，因而小氣道被壓而易于閉合阻塞，故患者常發生呼氣性呼吸困難。
外周氣道阻塞時除有肺泡通氣不足外，還因為阻塞的部位與程度幾乎都是不均勻的，所以往往同時有肺泡通氣與血流比例失調而引起換氣功能障礙。
二、彌散障礙
肺泡與血流經肺泡-毛細血管膜（下簡稱肺泡膜）進行氣體交換的過程是一個物理性彌散過程。單位時間內氣體的彌散量取決于肺泡膜兩側的氣體分壓差、肺泡的面積與厚度和氣體的彌散常數。彌散常數又與氣體的分子量和溶解度相關。此外，氣體總彌散量還決定于血液與肺泡接觸的時間。肺的病變引起彌散障礙（diffusion impairment）可發生于下列情況：
（一）肺泡膜面積減少 正常成人肺泡總面積約為80m 2 ，靜息呼吸時參與換氣的肺泡表面積約僅35～40m 2 ，運動時增加。由于儲備量大，因此只有當肺泡膜面積極度減少時，才會引起換氣功能障礙，肺泡膜面積減少可見于肺實變、肺不脹、肺葉切除等時。
（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、毛細血管內皮及二者共有的基底膜所構成，其厚度小于1μm。雖然氣體從肺泡腔到達紅細胞內還需經過肺泡表面的液體層、管內血漿層和紅細胞膜，但總厚度也不到5μm。故正常氣體交換是很快的。當肺水腫、肺泡透明膜形成、肺纖維化、肺泡毛細血管擴張或稀血癥導致血漿層變厚等時，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）血液與肺泡接觸時間過短 正常靜息時，血液流經肺泡毛細血管的時間約為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。當血液流經肺泡毛細血管的時間過短時，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，雖然肺毛細血管血液中氧分壓上升較慢，但一般在靜息時肺內氣體交換仍可達到平衡，因而不致產生低氧血癥，往往只是在體力負荷增大時，才會因為血流加快，血液和肺泡接觸時間縮短而發生明顯的彌散障礙，從而引起低氧血癥（圖13－2）。目前認為肺泡膜病變時發生呼吸衰竭，主要還是因為存在著肺泡通氣血流比例失調的緣故。
三、肺泡通氣與血流比例失調
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，還要求肺泡的通氣與血流配合協調。肺部疾病時肺的總通氣量與總血流量有時可以正常，但通氣與血流的分布不均勻以及比例的嚴重失調（ventilation-perfusion imbalance）卻可使患者不能進行有效的換氣。這是肺部疾病引起呼吸衰竭最常見的機制。
圖13－2 正常人與肺泡膜增厚時肺循環中血
紅蛋白氧合的時間過程
①休息時紅細胞經過肺毛細血管的時間；
②運動時紅細胞經過肺毛細血管的時間
正常人在靜息狀態下，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，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比率的變動范圍自上而下約為0.6～3；隨著年齡增大，變動范圍擴大。盡管如此，PaO 2 和PaCO 2 最終仍可維持在正常范圍。肺部疾病時，若肺泡通氣不足與血流量減少發生于同一部位（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的比例加強通氣與血流來代償，因而對換氣功能影響可以不大。但大多數呼吸系統疾病時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比率的變動范圍也擴大，因而使肺泡通氣血流比例嚴重失調，不能保證有效的換氣而導致呼吸衰竭。肺泡通氣血流比例失調有兩種基本形式：
（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，以及肺與胸廓順應性降低在肺的各個部分所造成的影響，往往都不是均勻一致，而是輕重不一的。因此都可導致肺泡通氣分布的嚴重不均。如肺泡通氣明顯降低而血流無相應減少甚至還增多，即V A /Q比率降低，則流經這部分肺泡的靜脈血未經充分氧合便摻入動脈血內。這種情況類似肺動-靜脈短路，故稱功能性分流增加。正常成人由于肺內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重時，功能性分流明顯增加，可相當于肺血流量的30～50％，因此可以嚴重地影響換氣功能而導致呼吸衰竭（圖13－3（3））。
（二）部分肺泡V/Q比率增高某些肺部疾患，如肺動脈壓降低、肺動脈栓塞、肺血管受壓扭曲和肺壁毛細血管床減少等時，V A /Q比率增高。患部肺泡血流少而通氣多，吸入的空氣沒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。此時肺臟總的有效通氣量必然減少，因而也會引起血氣異常。正常人的生理死腔量（V D ）約占潮氣量（V T ）的30％，上述疾病時可使死腔氣量明顯增多，V D /Q T 可高達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時，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10以上，也有的仍接近0.83，各部分肺泡的V/Q比率的變動范圍明顯擴大，嚴重偏離正常的范圍。這樣就可引起換氣障礙并從而導致呼吸衰竭。
圖13－3 肺泡通氣與血流比例失調模式圖
四、肺循環短路增加
生理情況下肺內有一部分靜脈血經支氣管靜脈和極少數的肺內動-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％。因為靜脈血未經動脈化即摻入動脈血中，故又稱靜脈血摻雜。支氣管擴張（伴支氣管血管擴張）、先天性肺動脈瘺、肺內動靜脈短路開放等病變，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，見于肺實變、肺不張等。
呼吸衰竭的發病機制中，單純的通氣不足、單純的彌散障礙、單純的肺內短路增加或單純的肺泡通氣與血流比例失調是較少的，這些因素往往同時存在或相繼發生作用。現以成人呼吸窘迫綜合征（adult respiratory distress syndrome, ARDS）為例概要說明之。
成人呼吸窘迫綜合征是在原無心肺疾患的病人因急性彌漫性肺泡-毛細血管膜損傷，以致外呼吸功能嚴重障礙而發生的急性呼吸衰竭，常見于休克、創傷、敗血癥、過量輸液、體外循環術和氧中毒等時。其早期病變主要為肺嚴重水腫、出血、透明膜形成、肺不脹、微血栓形成、肺血管內皮細胞及肺泡Ⅰ型上皮細胞腫脹變性與壞死等。此時呼吸衰竭的發生可有下述多種機制參與：
①由于肺水腫、肺不脹等使肺順應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液體增加而導致阻塞性通氣障礙，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肺小動脈內微血栓或脂肪栓塞，使部分肺泡血流不足，形成死腔樣通氣。另一方面，因肺順應性降低、肺不脹、肺泡內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減少，故可造成大量肺內短路或功能性分流增加，這些因素均導致肺泡的通氣與血流比例失調。
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