影响因素 : 取决于 Hb 的 1 量 ;2 质 ( 与氧的亲和力 ) ( 三 ) 氧含量 (oxygen content, CO 2 ): 为 100ml 血液实际的携氧量 包括 Hb 实际结合的氧和极少量 溶解于血浆中的氧 ( 通常仅为 0.3ml/dl) 正常值 : 动脉血 CaO 2 =19

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1 第四篇呼吸系统 第五章呼吸系统功能障碍 人类生命活动依赖于 ATP,ATP 来自何方? 中医基础理论曾经告诉我们, 人类通过肺吸进空气中的氧气, 同时由消化道摄入水谷之气, 相结合形成真气 藏之于肾, 充沛于全身 在古医书中也称之为元气, 是温养全身组织, 推动脏腑功能活动和维持人体生命的原动力 一旦受伤害, 就出现俗话所谓的元气大伤 从现代医学角度来看, 即由消化道摄入的三大营养物质糖 脂肪 蛋白质与肺吸入的氧, 通过生物氧化, 生成 ATP, 以维持生命活动 氧就是作为生物氧化过程中递 H 递电子的最后受体, 通过氧化还原反应, 使贮存于食物中的化学能不断释放出来, 生成 ATP, 以供机体生命活动之所需 由此可见生命活动的维持, 除了需要供应三大营养物质外, 还需供氧不断 氧的供给和利用状况真是呼吸衰竭和缺氧所要关心的中心问题 所谓缺氧就是指机体组织细胞 ( 器官 ) 得不到足够的氧供或者不能充分利用氧来产生能量, 由此而引起组织细胞 ( 器官 ) 代谢机能, 甚至形态结构发生一系列异常变化, 此种病理过程称为缺氧 (hypoxia) 由于机体耗氧大 ( 成人静息状态下, 耗氧 250ml/min, 或 360L/d), 贮氧少 ( 仅 1.5L 左右, 即使全部被利用, 也只够维持生命活 6min, 这对生命伊始就客观存在着的矛盾, 就决定了缺氧是临床上常见的基本病理过程, 是多种疾病引起死亡的最重要的直接原因 呼吸衰竭指的是由于外呼吸功能障碍, 以致动脉血氧分压 PaO 2 <8kPa(60mmHg), 伴有或不伴有动脉血二氧化碳 PaCO 2 >6.67 kpa(50mmhg) 的病理过程 Ⅰ 型或换气型呼吸衰竭只有 PaO 2,Ⅱ 型或通气型呼吸衰竭, 除有 PaO 2 并伴 PaCO 2 无论 Ⅰ 型或 Ⅱ 型呼吸衰竭都有 PaO 2, 所以呼吸衰竭的关键问题仍然是组织细胞发生缺氧, 但它又不同于缺氧, 因为组织细胞氧的获得和利用是个复杂过程, 它包括四个环节 :(1) 通过肺呼吸, 吸入氧 ;(2) 由血液系统携带氧 ;(3) 借助循环系统运输氧 ;(4) 最后再由细胞利用氧 因此缺氧根据原因和机制不同, 可以分为 :(1) 低张性缺氧 ;(2) 血液性缺氧 ;(3) 循环性缺氧 ; (4) 组织性缺氧 呼吸衰竭所导致的缺氧仅仅是低张性缺氧中的一种, 即由外呼吸功能障碍所致的缺氧 第一节缺氧 一 缺氧时常用的血气指标及意义 : ( 一 ) 氧分压 (partial pressure of oxygen, PO 2 ): 为溶介于血液中的氧所产生的张力 正常值 : 动脉血 PaO 2 =13.3kPa(100mmHg) 静脉血 PvO 2 =5.33kPa(40mmHg) 影响因素 :(1) 吸入气 PO 2 及氧浓度 ;(2) 肺呼吸功能 ( 外呼吸功能 );(3) 分流情况 ( 静脉血掺杂情况 ) ( 二 ) 氧容量 (oxygen binding eapacity, CO 2 max): 为 100ml 血液中 Hb 为氧充分饱和时的最大带氧量 在 Hb 完全被氧饱和时, 每 g 血红蛋白约可结合的氧量为 1.34ml, 正常人如按每 100ml 血液含 15g Hb 计算, 则 : 正常值 :CaO 2 max = CvO 2 max =1.34ml 15g/dl=20ml/dl

2 影响因素 : 取决于 Hb 的 1 量 ;2 质 ( 与氧的亲和力 ) ( 三 ) 氧含量 (oxygen content, CO 2 ): 为 100ml 血液实际的携氧量 包括 Hb 实际结合的氧和极少量 溶解于血浆中的氧 ( 通常仅为 0.3ml/dl) 正常值 : 动脉血 CaO 2 =19ml/dl 影响因素 : (1) PO 2 (2) Hb 的量和质 静脉血 CvO 2 =14ml/dl PO 2 Hb 溶解的氧结合的氧 量 质 ( 结合 O 2能力 ) CO 2 ( 四 ) 血氧饱和度 (oxygen saturation, SO 2 ) 是指 Hb 为氧饱和程度 即 100ml 血液中 Hb 实际结合氧量与氧容量之比的百分数 血氧含量 溶介的氧量 SO 2 = 100% 氧容量 正常值 : 动脉血 SaO 2 = 95% 影响因素 : (1) PO 2 : 静脉血 SvO 2 = 70% Hb+O 2 PO2 PO2 HbO 2 (2) Hb 氧离曲线特点 : 在相同 PO 2 下, 左移 SO 2 ; 右移 SO 2 氧离曲线 : 反映血氧分压与血氧饱和度关系的曲线称氧离曲线 (oxyhemoglobin dissociation curve) 氧离曲线特征呈现 S 形 ( 图 4-5-1) 即当动脉血 PaO 2 为 8kPa(60mmHg),PaCO 2 = 5.3kPa(40mmHg) 时,SaO 2 仍能接近 90%, 所以随着 PaO 2 下降, 只要 PaO 2 >8kPa (60mmHg), 动脉血血氧饱和度 (SaO 2 ) 不会有明显影响 只有当 PaO 2 <8kPa(60mmHg) 时, 此时氧离曲线处于陡直下降部位, 因此在此段当 PaO 2 稍许下降, 即会引起 SaO 2 明显下降, 从而会导致临床上一系列缺氧表现

3 图 氧合血红蛋白解离曲线及其影响因素 影响氧离曲线的因素 : 红细胞内 2,3-DPG 红细胞内 2,3-DPG (2,3- 二磷酸甘油酸 ) H + (ph ) 氧离曲线左移 H + (ph ) 氧离曲线右移 CO 2 (O 2 与 Hb 亲和力 ) CO 2 (O 2 与 Hb 亲和力 ) 温度 温度 ph = 0.1 单位, 氧离曲线左移 3 mmhg 温度 = 1, 氧离曲线左移 1.5 mmhg ( 五 )P 50 为反映 Hb 与 O 2 的亲和力的指标, 是指血红蛋白氧饱和度为 ( 达 )50% 时的氧分压 (PO 2 ) 正常值 = kPa(26~27mmHg) 影响因素, 取决于 : (1) Hb 的性质, 即与 O 2 的亲和力 ; (2) 氧离曲线特征 : 氧离曲线右移时,P 50, 表明 O 2 与 Hb 的亲和力, 即需要用比正常更高的 PO 2 才能使血氧饱和 度达到 50%

4 50% 氧离曲线左移时,P 50, 表明 O 2 与 Hb 的亲和力, 则用比正常更低的 PO 2 就能使血氧饱和度达 ( 六 ) 动 - 静脉血氧含量差 (arteriovenous blood oxygen difference, CaO 2 -CvO 2 ) 即动脉血氧含量减去静脉血氧含量的差值, 即 CaO 2 -CvO 2 反映了组织细胞用氧情况 由于各 器官耗氧量不同, 静脉血氧含量变化很大, 因此各器官的动 - 静脉氧含量差不可能完全一致 故正 常值是使用动脉血氧含量减去混合静脉血氧含量 正常值 :CaO 2 -CvO 2 = 5 ml/dl 影响因素 : (1) 与细胞用 O 2 情况有关 ; (2) 与循环血流速度有关, 血流快, 组织细胞摄 O 2 少, 血流慢, 组织细胞摄 O 2 多 ; (3) 与静脉分流情况有关 ; (4) 取决于 Hb 的量和质 (Hb 和 O 2 亲和性高, 组织细胞摄 O 2 就少 ) 二 缺氧的类型 原因特点和发病机制 ( 一 ) 低张性缺氧 低张性缺氧 (hypotonic hypoxia) 的主要特点为动脉血氧分压降低, 使 CaO 2 减少, 组织供氧不足 1.PaO 2 降低的原因 : (1) 吸入气氧分压过低多发生于海拔 3000m 以上高原或高空, 也可发生于通风不良的矿井 坑道, 以及吸入被惰性气体或麻醉药过度稀释的空气时, 称为大气性缺氧 (atmospheric hypoxia) (2) 外呼吸功能障碍由肺的通气功能障碍或换气功能障碍所致, 称为呼吸性缺氧 (respiratory hpoxia) ( 参阅呼吸衰竭 ) (3) 静脉血分流入动脉多见于先天性心脏病, 如室间隔缺损伴有肺动脉狭窄或肺动脉高压时, 由于右心的压力高于左心, 出现右向左分流, 静脉血掺入左心的动脉血中, 导致 PaO 2 降低 2. 血氧变化的特点与组织缺氧的机制 低张性缺氧时, 动脉血的氧分压, 氧含量和血红蛋白的氧饱和度均降低 由于氧分压在 8kPa(60mmHg) 以上时氧合血红蛋白解离曲线近似水平线, 而在 8kPa 以下时曲线斜率较大, 所以 PaO 2 降至 8kPa 以下才会使 SaO 2 及 CaO 2 显著减少, 并引起组织缺氧 血液中的氧弥散入细胞被线粒体用 于生物氧化过程中, 弥散的速度取决于血液与细胞线粒体部位的氧分压差 细胞内氧分压正常为 0.8~5.33kPa(6~40mmHg) 若 PaO 2 与 CaO 2 过低使氧弥散速度减慢, 可引起细胞缺氧 通常 100ml 血液流经组织时约有 5ml 氧被利用, 即动 - 静脉血氧含量差约为 5ml/dl 低张性缺氧时, 由同量血液 弥散给组织利用的氧量减少, 故动 - 静脉血氧含量差一般是减少的 但若慢性缺氧使组织利用氧的能 力代偿性增强, 则动 - 静脉血氧含量差也可变化不显著 通常毛细胞血管中脱氧血红蛋白平均浓度 2.6g/dl 低张性缺氧时, 动脉血与静脉血的氧合血红 蛋白浓度均降低, 毛细血管中氧合血红蛋白必然减少, 脱氧血红蛋白浓度则增加 如毛细血管中脱 氧血红蛋白平均浓度增加到 5g/dl 以上可使皮肤与粘膜呈青紫色, 称为发绀 (cyanosis) 发绀是缺氧的 表现, 但缺氧的病人不一定都有发绀, 如血液性缺氧可无发绀 ; 有发绀的病人也可以无缺氧, 如红 细胞增多症患者 ( 二 ) 血液性缺氧 血液性缺氧 (hemic hypoxia) 是由于血红蛋白数量减少或性质改变, 以致血氧含量降低或血红蛋白 结合的氧不易释出所引起的组织缺氧 动脉血氧含量大多降低而氧分压正常, 所以也称等张性低氧 血症 (isotonic hypoxemia) 1. 原因 (1) 贫血各种原因引起的严重贫血, 使血红蛋白数量减少, 血液携氧因而减少而导致的缺氧, 称为贫血性缺氧 (anemic hypoxia) 一般当红细胞压积 <20% 时, 才会导致对组织 细胞供氧不足,

5 出现一系列缺氧表现 (2) 一氧化碳中毒 Hb 与 CO 结合形成碳氧血红蛋白 (carboxyhemoglobin, HbCO), 从而失去携氧功能 CO 与 Hb 结合的速率虽仅为 O 2 与 Hb 结合速率的 1/10, 但 HbCO 的解离速度却为 HbO 2 解离速度的 1/2100, 因此 CO 与 Hb 的亲和力比 O 2 大 210 倍 当吸入气中有 0.1% 的 CO 时, 血液中的血红蛋白可能有 50% 变为 HbCO 另一方面,CO 还能抑制红细胞内糖酵解, 使其 2, 3-DPG 生成减少, 氧离曲线左移,HbO 2 中的氧不易释出, 从而加重组织缺氧 (3) 高铁血红蛋白血症血红蛋白中的二价铁在氧化剂的作用下可氧化成三价铁, 形成高铁血红蛋白 (methemoglobin, HbFe 3+ OH), 也称变性血红蛋白 (denatured methemoglobin) 或羟化血红蛋白 高铁血红蛋白中的三价铁因与羟基牢固结合而丧失携带氧的能力, 加上血红蛋白分子的四个二价铁中有一部分氧化为三价铁后还能使剩余的 Fe 2+ 与氧的亲和力增高, 导致氧离曲线左移, 进入组织, 释氧障碍使组织缺氧 生理情况下, 血液中不断形成极少量高铁血红蛋白, 又不断被血液中的还原剂如 NADH 抗坏血酸 还原型谷胱甘肽等还原为二价铁的血红蛋白, 使正常血液中高铁血红蛋白含量只占血红蛋白总量的 1%~2% 亚硝酸盐 过氯酸盐等氧化剂中毒时, 如血中高铁血红蛋白含量增加至 20%~50%, 就可出现头疼 衰弱 昏迷 呼吸困难和心动过速等症状 较常见的是食用大量含硝酸盐的腌菜后, 经肠道细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐, 后者吸收导致高铁血红蛋白血症, 称为肠源性紫绀 (enterogenous cyanosis) (4) 血红蛋白与氧的亲和力异常增强如输入大量库存血液, 由于库存血中红细胞内 2,3-DPG 含量低, 可使氧合血红蛋白解离曲线左移 ; 输入大量碱性液体, 使血液 ph 升高, 在短时间内通过 Bohr 效应也可使 Hb 与 O 2 的亲和力强 ; 此外, 至今已发现 30 多种血红蛋白病, 由于 Hb 肽链中存在氨基酸替代, 例如 链第 92 位的精氨酸被亮氨酸取代, 以致 Hb 与 O 2 的亲和力比正常的 Hb 高几倍, 从而使组织缺氧, 并有代偿性的红细胞增多 2. 血氧变化的特点与组织缺氧的机制血液性缺氧时, 由于外呼吸功能正常, 故动脉血氧分压及血氧饱和度正常, 但因 Hb 数量减少或性质改变, 使血氧容量降低, 因而血氧含量也减少 ( 除外血红蛋白与氧的亲和力异常增强 ) 严重贫血是由于血红蛋白数量显著减少导致血氧容量和血氧含量下降的 一氧化碳中毒时, 将血取出在体外用氧充分饱和后, 测得的血氧容量虽正常, 这是因为 Hb 结合的 CO 已完全被 O 2 所取代,HbCO 已不复存在 但一氧化碳中毒病人血液中的 HbCO 必定不少, 能结合 O 2 的 Hb 自然减少, 因而体内的血氧容量应该是降低的 氧化剂中毒所致的高铁血红蛋白血症, 由于妨碍了 O 2 与 Hb 结合, 能与 O 2 结合的 Hb 显著减少, 所以体内的血氧容量和血氧含量也应该是下降的 毛细血管床中氧向组织 细胞弥散的动力是血液与组织 细胞之间的氧分压梯度, 在毛细血管动脉端血液 PO 2 高, 故 O 2 向血管外弥散速度快 血液由动脉端流向静脉端时, 血氧含量逐渐减少, PO 2 逐步下降, 氧向组织弥散的速度逐步减慢, 故组织获得的氧量取决于毛细血管中的平均氧分压与组织细胞的氧分压差 贫血的病人虽然 PaO 2 正常, 其毛细血管中平均血氧分压却低于正常, 故使组织缺氧 例如, 一贫血病人 Hb 为正常值的一半, 则其血氧容量为 10ml/dl,100ml 血液流入毛细血管床, 释出 1 ml 氧后,SO 2 由 95% 降至 85%,PO 2 由 13.3kPa(100mmHg) 降至 7.07kPa(53mmHg); 而正常人 100ml 血液释出 1ml O 2 后,SO 2 由 95% 仅降至 90%,PO 2 仅降至 8.40kPa(63mmHg) 可见, 贫血病人血液流经毛细血管时, 血氧分压降低较快, 氧向组织弥散的速度也很快减慢, 导致组织缺氧和动 - 静脉血氧含量差低于正常 一氧化碳中毒和高铁血红蛋白血症除了可以造成血氧容量和血氧含量降低外, 还可使氧离曲线左移, 血液进入组织后, 氧合血红蛋白释 O 2 障碍, 一方面导致组织缺氧, 另一方面也可导致动 - 静脉血氧含量差减少 Hb 与 O 2 亲和力增强引起的血液性缺氧较特殊, 其动脉血氧容量和氧含量可不低, 甚至有的还高于正常 这时的组织缺氧是由于 Hb 与氧的亲和力较大, 结合的氧不易释出所致, 其动 - 静脉血氧含量差小于正常

6 血液性缺氧的病人可无发绀 严重贫血的病人面色苍白, 即使再加上低张性缺氧, 毛细血管中脱氧血红蛋白仍然达不到 5g/dl, 故不会出现发绀 ; 一氧化碳中毒者血液中 HbCO 增多, 故皮肤 粘膜呈樱桃红色, 严重缺氧时由于皮肤血管收缩, 皮肤 粘膜呈苍白色 ; 高铁血红蛋白呈咖啡色或青石板色, 故使患者皮肤和粘膜呈咖啡色或类似于发绀的颜色 ; 单纯由 Hb 与 O 2 亲和力增高引起的缺氧, 毛细血管中脱氧血红蛋白量少于正常, 因此无发绀 ( 三 ) 循环性缺氧由于组织有效循环血流量减少使组织供氧量减少所引起的缺氧称循环性缺氧 (circulatory hypoxia) 或低动力性缺氧 (hypokinetic hypoxia) 循环性缺氧可分为缺血性缺氧 (ischemic hypoxia) 和淤血性缺氧 (congestive hypoxia) 前者是由于动脉压降低或动脉阻塞使毛细血管床血液灌注量减少 ; 后者则由于静脉压升高使血液回流受阻, 导致毛细血管床淤血所致 1. 原因 (1) 全身性循环性缺氧见于休克和心力衰竭 大多休克病人心输出量的减少比心力衰竭者更严重, 全身性缺氧也更严重, 病人可死于因心 脑 肾等重要器官严重缺氧而发生的功能衰竭 (2) 局部性循环性缺氧见于栓塞 血管病变如动脉粥样硬化或脉管炎与血栓形成等 局部血液循环障碍的后果主要取决于发生部位 心肌梗塞和脑血管意外是常见的致死原因 2. 血氧变化的特点与组织缺氧的机制单纯性循环性缺氧时, 动脉血的氧分压 氧饱和度和氧含量是正常的 由于血流缓慢, 血液流经毛细血管的时间延长, 从单位容量血液弥散给组织的氧量较多, 静脉血氧含量降低, 致使动 - 静脉氧含量差大于正常 ; 但是单位时间内流过毛细血管的血量减少, 故弥散到组织 细胞的氧量仍然减少, 从而导致组织缺氧 由于静脉血的氧含量和氧分压较低, 毛细血管中平均脱氧血红蛋白可超过 5g/dl, 因而可引起发绀 全身性循环障碍累及肺, 如左心衰竭引起肺水肿, 或休克引起急性呼吸窘迫综合征时, 则可合并有呼吸性缺氧, 使动脉血氧分压与氧含量低于正常 ( 四 ) 组织性缺氧由组织细胞利用氧障碍所引起的缺氧称为组织性缺氧 (histogenous hypoxia), 即氧利用障碍性缺氧 (dysoxidative hypoxia) 1. 原因 (1) 组织中毒如氰化物 硫化物 鱼藤酮等和有些药物使用过量可引起组织中毒性缺氧 (histotoxic hypoxia), 最典型的是氰化物中毒 各种氰化物如 HCN KCN NaCN NH 4 CN 等可由消化道 呼吸道或皮肤进入体内, 迅速与氧化型细胞色素氧化酶的三价铁结合为氰化高铁细胞色素氧化酶, 使之不能还原成还原型细胞色素氧化酶, 以致呼吸链中断, 组织不能利用氧 0.06g HCN 即可使人死亡 硫化氢 砷化物和甲醇等中毒也主要由于抑制细胞色素氧化酶等而影响细胞的氧化过程 鱼藤酮和巴比妥等可抑制电子从 NADH 向 CoQ 传递 ; 抗霉菌素 A 和苯乙双胍等可抑制电子从细胞色素 b 向细胞色素 c 的传递, 它们均可阻断呼吸链, 引起中毒性缺氧 (2) 细胞损伤如大量放射线照射 细菌毒素作用等可损伤线粒体, 引起氧的利用障碍 吸入高压氧 ( 氧分压超过半个大气压 ) 可能通过生成过多氧自由基而损伤线粒体 ; 组织供氧严重不足, 使细胞线粒体氧分压低于 0.133kPa(1mmHg) 时, 也可抑制线粒体呼吸功能, 甚至使其结构破坏, 从而导致氧的利用障碍 (3) 呼吸酶合成障碍如硫胺素为丙酮酸脱氢酶的辅酶成分, 尼克酰胺组成的 NAD + 及 NADP +, 和核黄素组成的黄素辅酶, 均为许多氧化还原酶的辅酶, 这些维生素的严重缺乏可以导致氧的利用障碍 2. 血氧变化的特点与组织缺氧的机制组织性缺氧时动脉血氧分压 氧饱和度和氧含量一般均正常 由于内呼吸障碍使组织不能充分

7 利用氧, 故静脉血氧含量和氧分压较高, 动 - 静脉血氧含量差小于正常 组织性缺氧机制, 无非是由 于内呼吸细胞器结构受损, 功能障碍所致 图 各型缺氧的血氧变化特点 A 动脉 ;V 静脉 表 各型缺氧的血氧变化 缺氧类型 动脉血氧分压 动脉血氧饱和度 血氧容量 动脉血氧含量 动 - 静脉氧含量差 低张性缺氧 N 或 N 血液性缺氧 N N 或 N 或 N 循环性缺氧 N N N N 组织性缺氧 N N N N 降低 升高 N 正常 临床所见缺氧的原因往往不是单一的, 常为混合性缺氧 例如感染性休克时主要是循环性缺氧, 内毒素还可引起组织利用氧的功能障碍而发生组织性缺氧, 并发休克肺时可有呼吸性 ( 低张性 ) 缺氧 现将各型缺氧的特点总结如图 4-5-2, 表 三 缺氧时机体的功能代谢变化

8 缺氧时机体的功能 代谢变化, 包括机体对缺氧的代偿性反应和由缺氧引起的代谢与功能障碍 轻度缺氧主要引起机体代偿性反应, 严重缺氧而机体代偿不全时, 出现的变化以代谢功能障碍为主 机体在急性缺氧与慢性缺氧时的代偿反应有区别 急性缺氧时由于机体来不及代偿而较易发生功能代谢障碍, 各种类型的缺氧所引起的变化既有相似之处, 又各具特点 以下主要以低张性缺氧为例说明缺氧对机体的影响 低张性缺氧时, 动脉血氧分压一般要降至 8kPa(60mmHg) 以下才引起机体的代偿反应 ;PaO 2 低于 4kPa(30mmHg) 可导致严重的代谢功能障碍 ( 一 ) 呼吸系统变化 1. 代偿性反应 PaO 2 降低 ( 低于 8kPa) 可刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器, 反射性地引起呼吸加深加快, 从而使肺泡通气量增加, 肺泡气氧分压升高,PaO 2 也随之升高 吸入 10% 的氧时, 通气量增加 50%; 吸入 5% 氧可使通气量增加 3 倍 胸廓呼吸运动的增强使胸内负压增大, 还可促进静脉回流, 增加心输出量和肺血流量, 有利于氧的摄取和运输 低张性缺氧所引起的肺通气变化与缺氧持续的时间有关 例如人到达 4000m 高原后, 肺通气量立即增加, 但仅比在海平面高 65%; 数日后, 肺通气量可高达在海平面的 5~7 倍 ; 但久居高原后, 肺通气量逐渐回降, 至仅比海平面者高 15% 左右 在急性缺氧早期肺通气增加较少, 可能因过度通气而形成的低碳酸血症和呼吸性碱中毒对呼吸中枢的抑制作用, 使肺通气的增加受阻 2~3 日后, 通过肾代偿性排出 HCO - - 3, 脑脊液内的 HCO 3 也逐渐通过血脑屏障进入血液, 使脑组织中 ph 逐渐恢复正常, 此时方能充分显示缺氧兴奋呼吸的作用 久居高原使肺通气量回降, 可能与外周化学感受器对缺氧的敏感性降低有关 据观察, 世代居住高原者之颈动脉体的体积平均比世代居住海平面者大 6.7 倍, 患慢性阻塞性肺疾患的病人的颈动脉体比正常人大 1 倍以上 电镜观察表明, 在慢性低张性缺氧的早期, 颈动脉体增大, 其中 Ⅰ 型细胞增多, 因 Ⅰ 型细胞中嗜锇体含儿茶酚胺类神经递质, 其增多可能具代偿意义 但在缺氧晚期, 在增大的颈动脉体中嗜锇体的中心 (core) 缩小, 晕轮 (halo) 加宽, 有时整个嗜锇体为空泡所取代, 这可能是颈动脉体化学感受器敏感性降低的原因 长期缺氧使肺通气反应减弱, 这也是一种慢性适应过程, 因为肺通气每增加 1L, 呼吸肌耗氧增加 0.5ml, 从而可加剧机体氧的供求矛盾, 故长期呼吸运动增强显然是对机体不利的 肺通气量增加是对急性缺氧最重要的代偿性反应 此反应的强弱存在显著的个体差异, 代偿良好者肺通气增加较多,PaO 2 比代偿不良高,PaCO 2 也较低 血液性缺氧和组织性缺氧因 PaO 2 不低, 故呼吸一般不增强 ; 循环性缺氧如累及肺循环 ( 如心力衰竭引起肺淤血和肺水肿时 ), 可使呼吸加快 2. 呼吸功能障碍急性低张性缺氧, 如快速登上 4000m 以上的高原时, 可在 1~4 天内发生肺水肿, 表现为呼吸困难 咳嗽 血性泡沫痰 肺部有湿性啰音 皮肤粘膜发绀等 因高原肺水肿的动物模型难以复制成功, 故其发病机制至今尚不清楚 因为肺水肿与肺动脉高压呈正相关, 故有人强调肺毛细血管压力增高的作用 但也有人强调肺微血管通透性增高所致, 因为患者支气管肺泡洗出液中蛋白质含量较高, 并有大量肺泡巨噬细胞, 可测得补体 C 3a LTB 4 TXB 2 等血管活性物质 肺内血压高和流速快对微血管的切应力 ( 流动的血液作用于血管壁的力与管壁平行方向的分力 ) 可能是导致微血管内皮损伤和血管通透性增高加重的因素 一旦肺水肿形成, 就会严重影响肺的换气功能, 使 PaO 2 进一步下降 PaO 2 过低可直接抑制呼吸中枢, 使呼吸缓慢, 肺通气量减少, 导致中枢性呼吸衰竭 ( 二 ) 循环系统变化 1. 代偿性反应低张性缺氧引起的代偿性心血管反应主要表现为心输出量增加 血流分布改变 肺血管收缩与毛细血管增生 (1) 心输出血量增加有报道进入高原 (6100m)30 天的人的心输出量比平原居民高 2~3 倍 在

9 高原久居后, 心输出量逐渐减少 心输出量增加可提高全身组织的供氧量, 故对急性缺氧有一定的 代偿意义 心输出量增加主要是由于 : 1 心率加快 : 过去认为心率加快是颈动脉体和主动脉体化学感受器受刺激反射性地引起 但实 验证明, 在控制呼吸不变的情况下, 缺氧刺激血管化学感受器却使心率变慢 因此缺氧时心率加快 很可能是通气增加 肺膨胀对肺牵张感受器的刺激, 反射性地通过交感神经引起的 然而呼吸运动过深反而通过反射使心率减慢, 外周血管扩张和血压下降 2 心肌收缩性增强 : 缺氧作为一种应激原, 可引起交感神经兴奋, 作用于心脏 - 肾上腺素能受 体, 使心肌收缩性增强 3 静脉回流量增加 : 胸廓呼吸运动及心脏活动增强, 可导致静脉回流量增加和心输出量增多 (2) 血流分布改变器官血流量取决于血液灌注的压力 ( 即动静脉压差 ) 和器官血流的阻力 后者 主要取决于开放的血管数量与内径大小 缺氧时, 一方面交感神经兴奋引起血管收缩 ; 另一方面组 织因缺氧产生的乳酸 腺苷 PGI 2 等代谢产物使缺氧组织的血管扩张 这两种作用的平衡关系决定 该器官的血管是收缩或扩张, 以及血流量是减少或增多 急性缺氧时, 皮肤 腹腔器官内血管平滑 肌以 受体为主, 因此交感神经兴奋, 缩血管作用占优势, 使血管收缩 ; 而心 脑血管因受局部组织 代谢产物的扩血管作用使血流增加 这种血流分布的改变显然对于保证生命重要器官氧的供应是有 利的 (3) 肺血管收缩肺泡缺氧及混合静脉血的氧分压降低都可引起肺小动脉收缩, 从而使缺氧的肺 泡的血流量减少 由肺泡通气量减少引起的局部肺血管收缩反应有利于维持肺泡通气与血流的适当 比例, 使流经这部分肺泡的血液仍能获得较充分的氧, 从而可维持较高的 PaO 2 此外, 正常情况下 由于重力作用, 肺尖部的肺泡通气量与血流量的比值过大 肺泡气中氧不能充分被血液运走 当缺 氧引起较广泛的肺血管收缩导致肺动脉压升高时, 肺上部的血流增加, 肺上部的肺泡通气能得到更 充分的利用 缺氧引起肺血管收缩的机制较复杂, 尚未完全阐明, 研究结果也有矛盾 当前倾向性的观点是 : 1 交感神经作用 : 缺氧所致交感神经兴奋可作用于肺血管的 受体引起血管收缩反应 2 体液因素作 用 : 缺氧可促使肺组织内肥大细胞 肺泡巨噬细胞 血管内皮细胞甚至血管平滑肌细胞等产生血管 活性物质, 其中有的能收缩肺血管, 如白三烯 (leukotriene, LTs) 血栓素 A 2 (thromboxane A 2, TXA 2 ) 内皮素 (endothelin, ET) 血管紧张素 Ⅱ(ATⅡ) 等, 有的能舒张血管, 如前列环素 (prostacyclin, PGI 2 ) 一氧化氮 (NO) 及组胺等 在肺血管收缩反应中, 缩血管物质生成与释放增加, 介导血管收缩反应增 强 ; 舒管物质的生成释放也可增加, 起调节作用, 即通过舒血管作用以调节血管收缩反应的强度 两者力量对比决定肺血管收缩反应的强度 3 缺氧直接对血管平滑肌作用 : 缺氧使平滑肌细胞钾通道关闭, 外向性 K + 电流减少, 膜电位下降, 膜去极化, 同时因电压依赖性钙通道开放,Ca 2+ 内流增 加引起肺血管收缩 缺氧性肺血管收缩反应是多因素综合作用的结果 血管对缺氧反应的异质性, 近年认为, 除了受体不同外, 不同的血管对缺氧的反应不相同, 还 与血管平滑肌细胞的钾通道分布有关 血管平滑肌细胞上有电压依赖性钾通道 (Kv),Ca 2+ 激活性钾 通道 (K Ca ) 和 ATP 敏感性钾通道 (K ATP ) 缺氧使 Kv 关闭引起平滑肌收缩 ; 胞浆游离钙增加 K Ca 开放 ; ATP 减少使 K ATP 开放, 后两者均可增加外向钾电流, 引起细胞膜超极化, 致平滑肌松弛和血管舒张 肺小动脉平滑肌细胞以含 Kv 为主的多, 故对缺氧呈收缩反应 ; 心 脑血管平滑肌细胞以含 K Ca 和 K ATP 为主的多, 故对缺氧呈舒张反应 (4) 毛细血管增生长期缺氧可促使血管内皮生长因子 (VEGF) 等基因表达增加, 使毛细血管增 生, 尤其是脑 心和骨骼肌的毛细血管增生更显著 毛细血管的密度增加可缩短血氧弥散至细胞的 距离, 增加对细胞的供氧量 2. 循环功能障碍 严重的全身性缺氧时, 心脏可受累, 如高原性心脏病 肺源性心脏病 贫血性心脏病等, 甚而 发生心力衰竭 今以高原性心脏病为例说明缺氧引起循环障碍的机制

10 (1) 肺动脉高压肺泡缺氧所致肺血管收缩反应可增加肺循环阻力, 导致严重的肺动脉高压 慢 性缺氧使肺小动脉长期处于收缩状态, 可引起肺血管壁平滑肌细胞和成纤维细胞的肥大和增生, 使 血管硬化, 形成持续的肺动脉高压 另外, 缺氧所致红细胞增多, 使血液粘度增高也可增加肺血流 阻力 肺动脉压增高可增加右室射血的阻力, 可导致右心室肥大, 甚至心力衰竭 (2) 心肌的收缩与舒张功能降低心肌缺氧可降低心肌的舒缩功能, 甚而使心肌发生变性 坏死 ( 参阅心力衰竭 ) (3) 心律失常严重缺氧可引起窦性心动过缓 期前收缩, 甚至发生心室纤颤致死 心动过缓可 能为严重的 PaO 2 降低对颈动脉体化学感受器的刺激, 反射性地兴奋迷走神经所致 期前收缩与室颤的发生与心肌细胞内 K + 减少 Na + 增加, 使静息膜电位降低 心肌兴奋性及自律性增高和传导性降 低有关 缺氧部位的心肌静息电位降低, 使其与相邻的较完好的心肌之间形成电位差, 而产生 损伤 电流, 也可成为异位激动的起源 严重的心肌受损可导致完全的传导阻滞 (4) 静脉回流减少脑严重缺氧时, 呼吸中枢的抑制, 使胸廓运动减弱, 导致静脉回流减少 全 身性极严重而持久的缺氧使体内产生大量乳酸 腺苷等代谢产物, 后者可直接舒张外周血管, 使外 周血管床扩大, 大量血液淤积在外周, 回心血量减少, 使心输出量减少 ( 三 ) 血液系统变化 1. 代偿性反应 缺氧可使骨髓造血增强及氧合血红蛋白解离曲线右移, 而增加氧的运输和 Hb 释放氧 (1) 红细胞增多移居到 3600m 高原的男性居民红细胞计数通常约为 /L ( /mm 3 ),Hb 为 210g/L(21g/dl) 左右, 慢性缺氧所致红细胞增多主要是骨髓造血增强所致 当低氧血流经肾时, 能 刺激肾小管旁间质细胞, 使生成并释放促红细胞生成素 (erythropoietin), 后者促使造血干细胞分化为 原红细胞, 并促进其分化 增殖和成熟, 加速 Hb 的合成, 使骨髓内的网织红细胞和红细胞释放入 血液 当血浆中促红细胞生成素增高到一定水平时, 因红细胞增多使缺氧缓解, 肾促红细胞生成素 的产生因而减少, 通过这种反馈机制控制着血浆促红细胞生成素的含量 红细胞增多可增加血液的 氧容量和氧含量, 从而增加组织的供氧量 (2) 氧合血红蛋白解离曲线右移缺氧时, 红细胞内 2, 3-DPG 增加, 导致氧离曲线右移, 即血 红蛋白与氧的亲和力降低, 当血液流过组织细胞时易于将结合的氧释出供组织细胞利用 2, 3-DPG 是红细胞内糖酵解过程的中间产物 缺氧时红细胞中生成的 2, 3-DPG 增多是因为 :1 低张性缺氧时氧合血红蛋白 (HbO 2 ) 减少, 脱氧血红蛋白 (HHb) 增多, 前者中央孔穴小不能结合 2, 3-DPG; 后者中央孔穴较大, 可结合 2, 3-DPG 故当脱氧血红蛋白增多, 红细胞内游离的 2, 3-DPG 减少, 使 2, 3-DPG 对磷酸果糖激酶及二磷酸甘油酸变位酶 (diphosphoglycerate mutase, DPGM) 的抑制 作用减弱, 从而使糖酵解增强及 2, 3-DPG 的生成增多 ;2 低张性缺氧时出现的代偿性肺过度通气所 致呼吸性碱中毒, 以及由于脱氧血红蛋白稍偏碱性, 致使 ph 增高,pH 增高能激活磷酸果糖激酶使 糖酵解增强,2, 3-DPG 合成增加 另一方面,pH 增高还能抑制 2, 3-DPG 磷酸酶 (2, 3-DPG phosphatase, 2, 3-DPGP) 的活性, 使 2, 3-DPG 的分解减少 ( 图 4-5-3)

11 图 , 3-DPG 结合于 HHb 分子的中央孔穴示意图 2, 3-DPG 增多可使氧解离曲线右移, 其原因是 :12, 3-DPG 与脱氧血红蛋白结合, 可稳定后者的空间构型, 使之不易与氧结合 ;22, 3-DPG 是一种不能透出红细胞的有机酸, 增多时可降低红细胞内 ph, 而 ph 下降通过 Bohr 效应可使血红蛋白与氧的亲和力降低 2. 不利影响 : (1) 慢性缺氧所致的红细胞生成增多, 虽能提高血液携氧量, 然后同时又会使血液粘滞度增加, 进而造成阻力负荷增加, 微循环易发生障碍 (2) 缺氧时, 引起氧离曲线右移, 虽有利于氧合血红蛋白向组织细胞供 O 2, 但当 PaO 2 <8 kpa, 则将使血液通过肺泡时结合的氧量减少, 从而失去代偿意义 (3) 当毛细血管中平均脱氧血红蛋白超过 5g/dl 时, 可使病人出现发绀 ( 四 ) 中枢神经系统变化脑重仅为体重的 2% 左右, 而脑血流量约占心输出量之 15%, 脑耗氧量约为总耗氧量的 23%, 所以脑对缺氧十分敏感, 往往以损害性表现为主 脑灰质比白质的耗氧量多 5 倍, 对缺氧的耐受性更差 急性缺氧可引起头痛 情绪激动 思维力 记忆力 判断力降低或丧失以及运动不协调等 慢性缺氧者则有易疲劳 嗜睡 注意力不集中及精神抑郁等症状 严重缺氧可导致烦躁不安 惊厥 昏迷, 甚而死亡 正常人脑静脉血氧分压约为 4.52kPa(34mmHg), 当降至 3.73kPa(28mmHg) 以下可出现精神错乱等, 降至 2.53kPa (19mmHg) 以下时可出现意识丧失, 低达 1.6kPa(12mmHg) 时将危及生命 缺氧引起脑组织的形态学变化主要是脑细胞肿胀 变性 坏死及脑间质水肿 缺氧引起中枢神经系统功能障碍的机制较为复杂 神经细胞膜电位的降低 神经递质的合成减少 ATP 的生成不足 酸中毒 细胞内游离 Ca 2+ 增多 溶酶体酶的释放以及细胞水肿等, 均可导致神经系统的功能障碍, 甚至神经细胞结构的破坏 PaO 2 低于 6.6kPa (50mmHg) 可使脑血管扩张 缺氧与酸中毒还可使脑微血管通透性增高, 从而导致脑间质发生水肿 脑血管扩张 脑细胞及脑间质水肿可使颅内压增高, 由此引起头痛 呕吐等症状 ( 五 ) 组织细胞变化 1. 代偿性反应

12 在供氧不足的情况下, 组织细胞可通过增强利用氧的能力和增强无氧酵解过程以获取维持生命活动所必需的能量 (1) 细胞利用氧的能力增强慢性缺氧时, 细胞内线粒体的数目和膜的表面积均增加, 呼吸链中的酶如琥珀酸脱氢酶 细胞色素氧化酶可增加, 使细胞的内呼吸功能增强 如胎儿在母体内处于相对缺氧的环境, 其细胞线粒体的内呼吸功能为成年动物的 3 倍, 于出生后 10~14 天, 线粒体内呼吸功能才降至成年动物水平 (2) 无氧酵解增强缺氧时,ATP 生成减少,ATP/ADP 比值下降, 以致磷酸果糖激酶活性增强 该酶是控制糖酵解过程最主要的限速酶, 其活性增强可促使糖酵解过程加强, 在一定的程度上可补偿能量的不足 (3) 肌红蛋白增加慢性缺氧可使肌肉中肌红蛋白含量增多 肌红蛋白和氧的亲和力较大 当氧分压为 1.33kPa(10mmHg) 时, 血红蛋白的氧饱和度约为 10%, 而肌红蛋白的氧饱和度可达 70%, 当氧分压进一步降低时, 肌红蛋白可释出大量的氧供细胞利用 肌红蛋白的增加可能具有储存氧的作用 ( 图 4-5-4) 图 血红蛋白 (Hb) 和肌红蛋白 (Mb)d 38 和 ph 7.40 时的氧离曲线 (4) 低代谢状态缺氧可使细胞的耗能过程减弱, 如蛋白质合成 葡萄糖合成 尿素合成 离子泵功能等均降低, 使细胞处于低代谢状态, 有利于在缺氧下生存 细胞缺氧时不仅有能量代谢改变, 使细胞适应在缺氧环境中生存, 有些组织细胞还对缺氧发生特有的反应, 有利于整体的生存, 例如颈动脉体化学感受器在缺氧时分泌神经递质, 引起反射性呼吸运动增强 ; 血管平滑肌细胞对缺氧发生的舒 缩反应, 可改变血流分布 ; 肾小管间质细胞缺氧时产生促红细胞生成素, 使骨髓红细胞生成增多 ; 细胞缺氧时血管内皮生长因子等基因表达增强, 促进血管增生等, 这些细胞反应可提高机体对缺氧的适应能力 至于细胞如何感受缺氧的刺激? 又如何对缺氧产生这些反应? 近年不少研究提示 : 缺氧通过改变细胞的氧化还原状态, 活性氧生成的减少 NAD(P)H/NAD(P) 和 GSH/GSSH 比值增高, 使胞浆内缺氧诱导因子 -1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1) 活性增高, 进入核内与促红细胞生成素基因的 3 端增强子结合, 从而增强促红细胞生成素基

13 因的表达, 致使促红细胞生成素增多 已测得 HIF-1 不仅存在于肾间质细胞, 几乎存在于所有被测的各种器官的细胞, 不仅与促红细 胞生成素的生成有关, 也可诱导其他与细胞缺氧反应有关的基因, 如 VEGF 血红素氧合酶 -1 一氧 化氮合酶 糖酵解酶 醛缩酶 A 烯醇化酶 乳酸脱氢酶 A 磷酸果糖激酶 磷酸葡萄糖酸激酶 -1 环加氧酶 血栓素酶等基因表达 除 HIF-1 外, 细胞缺氧时还可能有其他转录因子被激活, 与基因 增强子或启动子结合, 对基因表达起促进作用, 基因表达导致蛋白质合成的改变, 从而影响细胞的 代谢功能, 引起细胞的缺氧反应 此外, 缺氧时细胞氧化还原状态改变也可能直接影响离子通道的 开关, 导致细胞膜电位及功能变化 综上所述, 肺通气及心脏活动的增强可在缺氧时立即发生, 但这些代偿功能活动本身消耗能量 和氧 红细胞的增生和组织利用氧能力的增强需较长的时间, 但是一种较经济的代偿方式 急性缺 氧时以呼吸系统和循环系统的代偿反应为主 慢性缺氧者, 如世居高原的居民, 主要靠提高组织利 用氧的能力和血液运送氧的能力以适应缺氧环境, 其肺通气量 心率及心输出量并不多于世居海平 面者 2. 细胞损伤 缺氧性细胞损伤 (hypoxic cell damage) 主要为细胞膜 线粒体及溶酶体的变化 (1) 细胞膜的变化在细胞内 ATP 含量减少以前, 细胞膜电位已开始下降, 其原因为细胞膜对 离子的通透性增高, 导致离子顺浓度差通过细胞膜 1 钠离子内流 :Na + 内流使细胞内 Na + 浓度增加, 可激活 Na + -K + 泵以泵出 Na +, 从而消耗 ATP, ATP 消耗增多可促使线粒体氧化磷酸化过程增强 严重缺氧时,ATP 生成减少, 以致 Na + -K + 泵不能充分运转, 进一步使细胞内 Na + 增多 细胞内 Na + 的增多促使水进入细胞, 导致细胞水肿 血管内皮 细胞水肿可堵塞微血管, 加重组织缺氧 2 钾离子外流 :K + 外流使细胞内缺 K +, 而 K + 为蛋白质包括酶等合成代谢所必需 细胞内缺钾 将导致合成代谢障碍, 酶的生成减少, 将进一步影响 ATP 的生成和离子泵的功能 3 钙离子内流 : 细胞外钙浓度比胞浆中钙约高 倍, 细胞内 Ca 2+ 逆浓度差外流, 和肌浆网及线粒体逆浓度差摄 Ca 2+ 均为耗能过程 当严重缺氧使细胞膜对 Ca 2+ 的通透性增高时,Ca 2+ 内流将增加 ATP 减少将影响 Ca 2+ 的外流和被摄取, 使胞浆 Ca 2+ 浓度增高 Ca 2+ 增多可抑制线粒体的呼吸 功能 ; 可激活磷脂酶, 使膜磷脂分解, 引起溶酶体的损伤及其水解酶的释出, 使黄嘌呤脱氢酶转变 为黄嘌呤氧化酶, 从而增加自由基的形成, 加重细胞的损伤 (2) 线粒体的变化细胞内的氧约有 80%~90% 在线粒体内用于氧化磷酸化生成 ATP, 仅 10%~ 20% 在线粒体外用于生物合成 降解及生物转化 ( 解毒 ) 作用等 轻度缺氧或缺氧早期线粒体呼吸功能 是增强的 严重缺氧首先影响线粒体外的氧利用, 使神经递质的生成和生物转化过程等降低, 当线 粒体部位氧分压降到临界点 0.1kPa(<0.75mmHg 时, 可降低线粒体内呼吸功能, 使 ATP 生成更减少 内呼吸功能降低主要因脱氢酶活性下降, 严重时线粒体可出现肿胀 嵴崩解 外膜破碎和基质外溢 等病变 (3) 溶酶体的变化缺氧时因糖酵解增强使乳酸生成增多和脂肪氧化不全使其中间代谢产物酮 体增多, 导致酸中毒 ph 降低和胞浆游离钙增加可引起磷脂酶活性增高, 使溶酶体膜磷脂被分解, 膜通透性增高, 结果使溶酶体肿胀 破裂和大量溶酶体酶释出, 进而导致细胞及其周围组织的溶解 坏死 除以上所述的神经 呼吸与循环系统功能障碍外, 肝 肾 消化 内分泌等的功能均可因严重 缺氧而受损害 四 影响机体对缺氧耐受性的因素 影响机体对缺氧耐受性的因素虽很多, 但可概括为两点, 即代谢耗氧率与机体的代偿能力 ( 一 ) 代谢耗氧率

14 基础代谢高者, 如发热 机体过热或甲状腺功能亢进的病人, 由于耗氧多, 对缺氧的耐受性较低 体力活动 情绪激动等可增加机体耗氧量, 也使对缺氧的耐受性降低 体温降低 神经系统的抑制则因能降低机体耗氧率使对缺氧的耐受性升高, 故低温麻醉可用于心脏外科手术, 以延长手术所必需的阻断血流的时间 ( 二 ) 机体的代偿能力机体通过呼吸 循环和血液系统的代偿性反应能增加组织的供氧 通过组织 细胞的代偿性反应能提高利用氧的能力 这些代偿性反应存在着显著的个体差异, 因而各人对缺氧的耐受性很不相同 有心 肺疾病及血液病者对缺氧耐受性低, 老年人因为肺和心的功能储备降低 骨髓的造血干细胞减少 外周血液红细胞数减少, 以及细胞某些呼吸酶活性降低等原因, 均可导致对缺氧的适应能力下降 另外, 代偿能力是可以通过锻炼提高的 轻度的缺氧刺激可调动机体的代偿能力, 如登高山者若采取缓慢的阶梯式的登高要比快速登高者能更好的适应 ; 慢性贫血的病人血红蛋白即使很低仍能维持正常生命活动, 而急性失血使血红蛋白减少至同等程度就可能引起严重的代谢功能障碍 五 氧疗与氧中毒 ( 一 ) 氧疗各类缺氧的治疗, 除了消除引起缺氧的原因以外, 均可给病人吸氧 但氧疗的效果因缺氧的类型而异 氧疗对低张性缺氧的效果最好 由于病人的 PaO 2 及 SaO 2 明显低于正常, 吸氧可增高肺泡气氧分压, 使 PaO 2 及 SaO 2 增高, 血氧含量增多, 因而对组织的供氧增加 但由静脉血分流入动脉引起的低张性缺氧, 因分流的血液未经过肺泡而直接掺入动脉血, 故吸氧对其改善缺氧的作用较小 血液性缺氧 循环性缺氧和组织性缺氧者 PaO 2 和 SaO 2 正常, 因为可结合氧的血红蛋白已达 95% 左右的饱和度, 故吸氧虽然可明显提高 PaO 2, 而 SaO 2 的增加却很有限, 但吸氧可增加血浆内溶解的氧 通常在海平面吸入空气时,100ml 血液中血浆内溶解的氧仅 0.3ml; 吸入纯氧时, 可达 1.7ml/dl; 吸入 3 个大气压的纯氧时, 溶解的氧可增至 6ml/dl 而通常组织从 100ml 血液中摄氧量平均约为 5ml, 故吸入高浓度氧或高压氧使血浆中溶解氧量增加能改善组织的供氧 一氧化碳中毒者吸入纯氧, 能提高血液中的氧分压, 促进氧取代 CO 与血红蛋白结合, 加速 HbCO 的解离, 有利 CO 的排出, 故氧疗效果较好 组织性缺氧时, 供氧一般虽无障碍, 但是组织利用氧的能力降低, 通过氧疗提高血浆与组织之间的氧分压梯度以促进氧的弥散, 也可能有一定治疗作用 ( 二 ) 氧中毒 O 2 虽为生命活动所必需, 但 0.5 个大气压以上的氧却对任何细胞都有毒性作用, 可引起氧中毒 (oxygen intoxication) 一般认为氧中毒时细胞受损的机制与活动氧的毒性作用有关 ( 参阅缺血 - 再灌注损伤 ) 氧中毒的发生取决于氧分压而不是氧浓度 吸入气的氧分压 (PiO 2 ) 与氧浓度 (FiO 2 ) 的关系如公式 :PiO 2 = (PB -6.27) FiO 2, 式中 PB 为吸入气压力 (kpa),6.27 为水蒸气压 (6.27kPa 即 47mmHg) 潜水员在深 50m 海水下作业 (PB 约为 608kPa, 即 4560mmHg) 时, 虽然吸入气的氧浓度正常 (FiO 2 = 0.21), 氧分压 (PiO 2 ) 却高达 126.4kPa (948mmHg), 因而可导致氧中毒 ; 相反, 宇航员在 1/3 大气压环境中工作, 即使吸入纯氧 (FiO 2 = 1),PiO 2 也仅 27.5kPa(206mmHg), 不会出现氧中毒 当吸入气的氧分压过高时, 因肺泡气和动脉血的氧分压随着增高, 使血液与组织细胞之间的氧分压差增大, 氧的弥散加速, 组织细胞因获得过多氧, 而不能充分获得电子, 通过单价还原, 生成大量氧自由基, 从而引起中毒 人类氧中毒有两型 : 肺型与脑型 肺型氧中毒发生于吸入一个大气压左右的氧 8 小时以后, 出现胸骨后疼痛 咳嗽 呼吸困难 肺活量减少 PaO 2 下降 肺部呈炎性病变, 有炎性细胞浸润 充血 水肿 出血和肺不张 氧疗的病人如发生氧中毒, 因换气障碍, 可使 PaO 2 下降, 加重缺氧, 造成难以调和的治疗矛盾, 故氧疗时应控制氧的压力和时间, 严防氧中毒的发生

15 脑型氧中毒 (cerebral oxygen intoxication) 吸入 2~3 个大气压以上的氧, 可在短时内引起脑型氧中毒 (6 个大气压的氧数分钟 ;4 个大气压氧数十分钟 ), 病人主要出现视觉和听觉障碍 恶心 抽搐 晕厥等神经症状, 严重者可昏迷 死亡 高压氧疗时, 病人出现神经症状, 应区分脑型氧中毒与由缺氧引起的缺氧性脑病 前者病人先抽搐以后才昏迷, 抽搐时病人是清醒的, 后者则先昏迷后抽搐 对氧中毒者应控制吸氧, 但对缺氧性脑病者则应加强氧疗 第二节呼吸衰竭 呼吸衰竭 (respiratory failure) 是指由外呼吸功能严重障碍, 所致动脉血氧分压低于正常范围, 伴有或不伴有二氧化碳分压增高的病理过程 正常人在静息时的 PaO 2 随年龄及所处海拔高度而异 成年人在海平面的正常范围为 :PaO 2 = ( 年龄 )±0.66kPa PaCO 2 的正常范围为 5.33±0.67kPa, 极少受年龄的影响 一般以 PaO 2 低于 8kPa (60mmHg),PaCO 2 高于 6.67kPa(50mmHg) 作为判断呼吸衰竭的标准 当吸入气的氧浓度 (FiO 2 ) 不是 20% 时, 可将呼吸衰竭指数 (respiratory failure index, RFI) 作为诊断呼吸衰竭指标 RFI = PaO 2 /FiO 2, 如 RFI 300 可诊断为呼吸衰竭 呼吸衰竭必定有 PaO 2 降低 根据 PaCO 2 是否升高, 可将呼吸衰竭分为低氧血症型 (Ⅰ 型 ) 和高碳酸血症型 (Ⅱ 型 ) 根据主要发病机制的不同, 可分为通气性和换气性呼吸衰竭 根据原发病变部位不同可分为中枢性和外周性呼吸衰竭 外呼吸包括肺通气和肺换气两个基本过程 肺通气是通过呼吸运动实现肺泡气与外界气体交换的过程 ; 肺换气则是肺泡气与血液之间的气体交换过程 所以, 呼吸衰竭无非是由肺通气障碍或 ( 和 ) 肺换气功能障碍所致 它的发病机制可以简要概括如下 肺通气障碍 限制性通气不足 阻塞性通气不足 呼吸衰竭 弥散障碍 肺换气障碍 肺泡通气与血流比例失调 解剖分流增加 一 呼吸衰竭的原因的发病机制 ( 一 ) 肺通气功能障碍正常成人在静息时肺通气量为 6L/min, 其中死腔通气约占 30%, 肺泡通气量约 4L/min 肺泡通气量为有效通气量, 当肺通气功能障碍使肺泡通气不足时可发生呼吸衰竭 1. 肺通气障碍的类型与原因 (1) 限制性通气不足 : 吸气时肺泡的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) 通常吸气运动是吸气肌收缩引起的主动过程, 呼气则是肺泡弹性回缩和肋骨与胸骨借重力作用复位的被动过程 主动过程容易发生障碍, 导致肺泡扩张受限 其原因有 : 1 呼吸肌活动障碍 : 中枢或周围神经的器质性病变如脑外伤 脑血管意外 脑炎 脊髓灰质炎 多发性脊神经炎等 ; 由过量镇静药 安眠药 麻醉药所引起的呼吸中枢抑制 ; 呼吸肌本身的收缩功能障碍, 如由长时间呼吸困难和呼吸运动增强所引起的呼吸肌疲劳 (respiratory muscle fatigue) 由营养不良所致呼吸肌萎缩 ; 由低钾血症 缺氧 酸中毒等所致呼吸肌无力等, 均可累及吸气肌收缩功能而引起限制性通气不足

16 2 肺的顺应性降低 : 如严重的肺纤维化或肺泡表面活动物质减少而降低肺的顺应性, 使肺泡扩张的弹性阻力增大而导致限制性通气不足 肺泡表面活性物质减少的原因有 Ⅱ 型肺泡上皮细胞的发育不全 ( 婴儿呼吸窘迫综合征 ) 或急性损伤 ( 急性呼吸衰竭综合征 ) 所致表面活性物质合成不足和组成的变化, 肺过度通气或肺水肿等所致表面活性物质的过度消耗 稀释和破坏 3 胸腔积液和气胸 : 胸腔大量积液或张力性气胸压迫肺, 使肺扩张受限 4 胸廓的顺应性降低 : 严重的胸廓畸形 胸膜纤维化等可限制胸部的扩张 (2) 阻塞性通气不足 : 由气道狭窄或阻塞所致的通气障碍称为阻塞性通气不足 (obstructive hypoventilation) 成人气道阻力正常约为 0.1~0.3kPa s/l, 呼气时略高于吸气时 生理情况下气道阻力 80% 以上在直径大于 2mm 的支气管与气管, 直径小于 2mm 的外周小气道阻力仅占总阻力的 20% 以下 影响气道阻力的因素有气道内径 长度和形态 气流速度和形式 ( 层流 湍流 ) 等, 其中最主要的是气道内径 管壁痉挛 肿胀或纤维化, 管腔被粘液 渗出物 异物等阻塞, 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, 从而引起阻塞性通气不足 气道阻塞可分中央性与外周性 : 1 中央性气道阻塞 : 指气管分叉处以上的气道阻塞 阻塞若位于胸外 ( 如声带麻痹 异物吸入 炎症 水肿等 ), 吸气时气体流经病灶引起的压力降低, 可使气道内压明显低于大气压, 导致气道狭窄加重 ; 呼气时则因气道内压大于大气压而使阻塞减轻, 故患者表现为吸气性呼吸困难 (inspiratory dyspnea) 如阻塞位于中央气道的胸内部位, 吸气时由于胸内压降低使气道内压大于胸内压, 故使阻塞减轻 ; 用力呼气时由于胸内压升高而压迫气道, 使气道狭窄加重, 病人表现为呼气性呼吸困难 (expiratory dyspnea)( 图 4-5-5) 图 不同部位气道阻塞所致呼气与吸气时气道阻力的变化 2 外周性气道阻塞 : 内径小于 2mm 的小支气管, 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, 因此吸气与呼气时, 由于胸内压的改变, 其内径也随之扩大和缩小 吸气时随着肺泡的扩张, 细支气管受周围弹性组织牵拉, 其口径变大和管道伸长 ; 呼气时则小气道缩短变窄 慢性阻塞性肺疾患主要侵犯小气道, 不仅可使管壁增厚 痉挛和顺应性降低, 而且管腔也可被分泌物堵塞, 肺泡壁的损坏还可降低对细支气管的牵引力, 因此小气道阻力大大增加, 患者主要表现为呼气性呼吸困难 病人用力呼气时, 小气道甚至闭合, 使肺泡气难以呼出 这是因为用力呼气时胸内压大于大气压, 肺泡内压因肺泡弹性回缩力作用更高, 此时气道内压也是正压, 压力由小气道至中央气道因克服阻力而逐渐下降, 在呼出的气道上必然有一部位气道内压降至与胸内压相等 此点称为等压点 (isobaric point) 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

17 人的等压点位于有软骨支撑的气道, 气道不会被压缩, 而慢性支气管炎病人就不同, 由于小气道阻力异常增大, 用力呼气时小气道内压迅速下降, 等压点因而内移 ( 移向小气道 ); 或肺气肿病人由于肺弹性回缩力降低, 使肺泡内压在呼气开始时就低于正常, 以至造成等压点内移, 当等压点移至无软骨支撑的膜性气道, 等压点下游端即产生动力性压缩, 导致小气道受压而闭合 ( 图 4-5-6) 图 气道等压点上移使用力呼气引起气道闭合正常人等压点位于有软骨支撑的气道, 故用力呼气不易引起气道闭合 ; 肺气肿者由于肺泡弹性降低使等压点上移至小气道, 用力呼气可使小气道闭合 ( 压力单位为 cm H2O,1 cm H2O = kpa) 2. 肺泡通气不足时的血气变化总肺泡通气量不足会使肺泡气氧分压 (alveolar PO 2,P A O 2 ) 下降 和肺泡气二氧化碳分压 (alveolar PCO 2,PACO 2 ) 升高, 因而流经肺泡毛细血管的血液不能充分动脉化, 必然导致 PaO 2 降低和 PaCO 2 升高, 而且 PaCO 2 的增值与 PaO 2 降值成一定比例关系, 其比值相当于 呼吸商 (respiratory quotient, R) 因为 : PACO 2 VA R= (PiO P O ) V 2 A PiO 2 为吸入气氧分压 (PO 2 of inspired gas), 在海平面为 20kPa(150mmHg),V A 为肺泡通气量 (alveolar ventilation) 由上式可得 : P A O 2 = PiO 2-2 A PACO 2 R 当 V A 减少一半时,P A CO 2 由正常的 5.33kPa(40mmHg) 增加至 10.7kPa(80mmHg), 在 R 为 0.8 时, P A O 2 就由正常的 13.3kPa(100mmHg) 降低至 6.67kPa(50mmHg) 相应地, PaCO 2 也升至 10.7kPa(80mmHg), 比正常升高 5.33kPa(40mmHg),PaO 2 也比正常降低 6.67kPa (50mmHg), 两变化 值之商为 0.8, 相当于呼吸商, 这是单纯性肺低通气时血气变化的特点 ( 图 4-5-7)

18 图 肺泡通气与肺泡 PO 2 肺泡 PCO 2 动脉血氧饱和度和动脉血 ph 的关系 PaCO 2 是反映总肺泡通气量变化的最佳指标 PaCO 2 取决于每分肺泡通气量 (V A, L/min) 与体内每分钟产生的二氧化碳量 (carbon dioxide production, VCO 2, ml/min), 可以下式表示 : 当 PaCO 2 及大气压的单位为 mmhg 时 PaCO 2 = P A CO 2 = VCO VCO 2 为体内每分钟产生的 CO 2 量 (ml/min),vco 2 =F A CO 2 V A,F A CO 2 为肺泡气中 CO 2 的浓度 F A CO 2 = P (P A B CO 2 V 47) P B 为大气压,47 为肺泡气饱和水蒸气压 47mmHg(6.27kPa) V A 为在体温 37 和水蒸气饱和状态 (BTPS) 的肺泡通气量, 换算成标准状态 (STPD) 即 :0, 101.3kPa(760mmHg) 和干燥的气体容量, 273 当乘以 ( P B 47) P 则 VCO 2 =F A CO 2 V A = (P A B CO V A ( P B 47) 47) A 2

19 P A CO 2 = VCO V A 310 VCO 760 = 2 (L / min) V (L / min) A 863 由于 VCO 2 常用单位为 ml/min, 故换算为 L/min 当除以 1000 由式中可见, 如 VCO 2 不变,V A 减少必然引起 P A CO 2 相应地增高 3. 肺通气功能的检测 常用的最简便的方法为用肺量计测时间肺活量 ( 图 4-5-8), 即深吸气后用最大力量快速呼气所得 的肺活量 有通气障碍者时间肺活量 ( 用力呼气肺活量 FEV) 均减少, 第 1 秒呼出气量 (FEV 1 ) 也减少 FEV 1 /FEV%( 简称一秒率 ) 可用于鉴别阻塞性通气障碍与限制性通气障碍 一秒率正常值大于 60%, 阻塞性通气障碍者由于呼气速度减慢,FEV 1 之减少甚于 FEV 的减少, 故其比值下降 ; 而限制 性通气障碍者此比值可正常或超过正常 最大呼气中段流速 (maximum midexpiratory flow rate, MMFR) 将时间肺活量分为 4 等份, 取中间 2 等份呼气流速为 MMFR MMFR = 中段流量 / 中段呼气时间 MMFR 能反映小气道阻力变化 FEV 1 受呼气力量的影响, 呼气力量大时 FEV 1 也较大 ; 而 MMFR 是在低肺容量时的呼气流速, 呼气力量 大对小气道的压迫力量也大, 可抵消由呼气力大直接使气流加速的作用, 故 MMFR 不受有用力大小 的影响 ( 图 4-5-8) 不同通气功能障碍的鉴别 ( 表 4-5-2) 表 通气功能障碍判断指标 V T VC RV TLC MVV MMF FEV 1 FEV 1 /FEV 阻塞性通气功能障碍 N 或 限制性通气功能障碍 N 或 N 或 N 或 N 或 N 或 混合性通气功能障碍 不定 不定 不定 不定 V T (tidal volume): 潮气容积 MVV(maximal voluntary ventilation): 最大通气量 VC(vital capacity): 肺活量 MMF(maximal mid-expiratory flow): 最大呼气中段流量 RV(residual volume): 残气容积 FEV 1 (forced expiratory volume in one second): 一秒钟用力呼吸容积 TLC(total lung capacity): 肺总量 FEV 1 /FEV: 一秒率

20 图 时间肺活量曲线 ( 引自 Rudolf Ferliuz 1986) 图 限制性通气障碍和阻塞性通气障碍时时间肺活量曲线的变化 ( 二 ) 弥散障碍肺泡气与肺泡毛细血管中血液之间进行气体交换是一个物理弥散过程 气体弥散的速度取决于肺泡毛细血管膜 ( 简称肺泡膜 ) 两侧的气体分压差 肺泡膜的面积与厚度以及气体的弥散能力 弥散能力又与气体的分子量和溶解度相关 此外, 气体弥散量还取决于血液与肺泡接触的时间 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

21 1. 弥散障碍的原因 (1) 肺泡膜面积减少 : 正常成人肺泡总面积约为 80m 2 静息时参与换气的面积约为 35~40m 2, 运动时增大 由于储备量大, 只有当肺泡膜面积减少一半以上时, 才会发生换气功能障碍 肺泡面积减少见于肺实变 肺不张 肺叶切除等 (2) 肺泡膜厚度增加 : 肺泡膜的薄部为气体交换的部位, 它是由肺泡上皮 毛细血管内皮及两者共有的基底膜所构成, 其厚度不到 1 m 虽然气体从肺泡腔到达红细胞内还需经过肺泡表面的液体层 血管内血浆和红细胞膜, 总厚度也不到 5 m, 故正常气体交换很快 当肺水肿 肺泡透明膜形成 肺纤维化及肺泡毛细血管扩张或稀血症导致血浆层变厚时, 可因弥散距离增宽使弥散速度减慢 (3) 弥散时间缩短 : 正常静息时, 血液流经肺泡毛细血管的时间约为 0.7s, 由于弥散距离很短, 只需 0.25s 血液氧分压就可升至肺泡气氧分压水平 ( 图 ) 肺泡膜面积减少和膜增厚的病人, 虽然弥散速度减慢, 一般在静息时气体交换仍可在正常的接触时间 (0.75 s) 内达到血气与肺泡气的平衡, 而不致发生血气的异常 只有在体力负荷增加等使心输出量增加和肺血流加快, 血液和肺泡接触时间过于缩短的情况下, 才会由于气体交换不充分而发生低氧血症 图 血液通过肺泡毛细血管时的血气变化 实线为正常人虚线为肺泡膜增厚患者 2. 弥散障碍时的血气变化肺泡膜的病变加上肺血流增快只会引起 PaO 2 降低, 不会使 PaCO 2 增高 因为 CO 2 虽然分子量比 O 2 大, 但在水中的溶解度却比 O 2 大 24 倍, 故 CO 2 的弥散系数比 O 2 大 20 倍, 因而血液中的 CO 2 能较快地弥散入肺泡, 使 PaCO 2 与 P A CO 2 取得平衡 如果病人肺泡通 气量正常, 则 PaCO 2 与 P A CO 2 正常 如果存在代偿性通气过度, 则可使 P A CO 2 与 PaCO 2 低于正常 3. 弥散功能的检测弥散功能的检测常用 CO 弥散测定法, 有吸一口含 CO 气体的方法和连续 吸 CO 数分钟的稳态 CO 弥散测定法, 本文仅介绍后者 受试者在自然呼吸中吸入含 0.3%( 或 0.1%)CO 的气体数分钟, 待肺泡气 CO 浓度恒定后 ( 约 1min 后 ), 开始收集呼出气体, 并测定呼出气的 CO 浓 度 (F E CO) 和 CO 2 浓度 (F E CO 2 ) 及每分钟呼出气量 (V E ) 肺弥散功能的指标为气体跨肺泡膜压差一个单 位所致每分钟气体弥散量, 即气体在每 0.133kPa(1mmHg) 分压下每分钟通过弥散膜的毫升数 DCO[ml/(min kpa)]=vco(ml/min)/p (A -c)co(kpa)

22 CO 弥散入血的量 VCO=V E (FiCO-F E CO) 肺毛细血管中血浆 PCO 极低, 可忽略不计, 因为 CO 进入血液立即与血红蛋白结合 肺泡气 CO 分压 (P A CO)=F A CO(P B -47) FA CO 故肺泡气 CO 浓度 (F A CO)=F 1 CO F CO E 2 2 (F i CO-F B CO) 因为用 CO 2 或 CO 浓度测死腔通气 (V D ) 与肺总通气量 (V E ) 之比值相等 V V D E = F A CO F 2 A F CO E 2 CO 2 = F CO F CO A F CO F CO DCO 正常值约为 203 ml/(kpa min) 氧的弥散量 DO 2 为 DCO 的 1.23 倍 ( 三 ) 肺泡通气与血流比例失调血液流经肺泡时能否获得足够的氧和充分地排出二氧化碳, 使血液动脉化, 还取决于肺泡通气量与血流量的比例 如肺的总通气量正常, 但肺通气或 ( 和 ) 血流不均匀, 造成部分肺泡通气与血流比例失调 (ventilation-perfusion imbalance), 也可引起气体交换障碍, 导致呼吸衰竭 这是肺部疾患引起呼吸衰竭最常见最重要的机制 正常成人在静息状态下, 肺泡每分钟通气量 ( V A) 约为 4L, 每分钟肺血流量 ( Q ) 约为 5L, 两者 A E i 的比率 ( V A / O ) 约为 0.8 健康人的肺各部分通气与血流的分布也是不均匀的 直立位时, 由于重力 的作用, 胸腔内负压上部比下部大, 故肺尖部的肺部扩张的程度较大, 肺泡顺应性较低, 因而吸气时流向上肺肺泡的气量较少, 使肺泡通气量自上而下递增 重力对血流的影响更大, 上肺与下肺的 血流量差别更大, 故使肺部的 / Q 自上而下递减 正常青年人肺尖部 / Q 可高达 3.0, 而肺底部 V A 仅有 0.6, 且随年龄的增长, 这种差别更大 这种生理性的肺泡通气与血流比例不协调是造成正常 PaO 2 比 P A O 2 稍低的主要原因 肺疾患时, 由于肺病变轻重程度与分布的不均匀, 使各部分肺的通气与血流比例不一, 可能造成严重的肺泡通气与血流比例失调, 导致换气功能障碍 ( 图 ) V A

23 图 直立体位时胸内压对肺泡通气分布的影响 1. 肺通气与血流比例失调的类型和原因 (1) 部分肺泡通气不足 : 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, 以及肺纤维化 肺水肿等引起的限制性通气障碍的分布往往是不均匀的, 可导致肺泡通气的严重不均 病变重的部分肺泡通气明显减少, 而血流未相应减少, 甚至还可因炎性充血等使血流增多 ( 如大叶性肺 炎早期 ), 使 V A / Q 显著降低, 以致流经这部分肺泡的静脉血未经充分动脉化便掺入动脉血内 这种 情况类似动 - 静脉短路故称功能性分流 (functional shunt), 又称静脉血掺杂 (venous admixture) 正常成人由于肺内通气分布不均匀形成的功能性分流约占肺血流量的 3%, 慢性阻塞性肺疾患严重时, 功能性分流可增加到占肺血流量的 30%~50%, 从而严重地影响换气功能 (2) 部分肺泡血流不足 : 肺动脉栓塞 弥散性血管内凝血 肺动脉炎 肺血管收缩等, 都可使部 分肺泡血流减少, V A / Q 可显著大于正常, 患部肺泡血流少而通气多, 肺泡通气不能充分被利用, 称 为死腔样通气 (dead space like ventilation) 正常人的生理死腔(dead space, V D ) 约占潮气量 (tidal volume, V T ) 的 30%, 疾病时功能性死腔 (functional dead space, V Df ) 可显著增多, 使 V D /V T 高达 60%~70%, 从而导致呼吸衰竭 ( 图 )

24 图 肺泡通气与血流比例失调模式图 2. 肺泡通气与血流比例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功能性死腔增加, 均可导致 PaO 2 降低, 而 PaCO 2 可正常或降低, 极严重时也可升高 部分肺泡通气不足时, 病变部位肺的 / Q 可低达 0.1 以下, 流经此处的静脉血不能充分动脉化, V A 其氧分压与氧含量降低而二氧化碳分压与含量则增高 这种血气变化可引起代偿性呼吸运动增强和 总通气量增加, 主要是使无通气障碍或通气障碍较轻的肺泡通气量增加, 以致该部分肺泡的 V A / Q 显 著大于 0.8 流经这部分肺泡的血液 PO 2 异常升高, 但氧含量则增加很少 ( 氧离曲线特性决定 ), 而二 氧化碳分压与含量均明显降低 ( 二氧化碳解离曲线决定, 图 ) 来自 / Q 降低区与 / Q 增高 区的血液混合而成的动脉血的氧含量和氧分压都是降低的, 二氧化碳分压和含量则可正常 如代偿性通气增强过度, 尚可使 PaCO 2 低于正常 如肺通气障碍的范围较大, 加上代偿性通气增强不足, 使总的肺泡通气量低于正常, 则 PaCO 2 高于正常 ( 图 ) V A V A

25 图 血液氧和二氧化碳解离曲线 图 功能性分流时病肺 健肺和全肺的动脉血血气变化

26 部分肺泡血液不足时, 病变区肺泡 V A 量却增加很少 ; 而健肺却因血流量增加而使其 / Q 可高达 10 以上, 流经的血液 PaO 2 显著升高, 但其氧含 V A / Q 低于正常, 这部分血液不能充分动脉化, 其氧分 压与氧含量均显著降低, 二氧化碳分压与含量均明显增高 最终混合而成的动脉血 PaO 2 降低,PaCO 2 的变化则取决于代偿性呼吸增高的程度, 可以降低 正常或升高 ( 图 ) 图 死腔样通气时病肺 健肺和全肺动脉血血气变化 3. 分流量的检测肺分流是指部分血液未经通气的肺区面进入动脉系统 常用肺分流量与心输出量之比的百分率 ( Q s/ Q t) 表示, 正常值为 2%~7% Q s/ Q t 增高的病理生理意义和吸纯 O 2 时测 P (A-a) O 2 ( 肺泡气与动脉血之间的氧分压差 ) 相同, 它有助于了解由于分流量增加所致低氧血症的严重程度 具体测定和计算方法如下 : 在受试者呼吸空气时, 用心导管抽取混合静脉血, 同时采取动脉血进行测定 得到混合静脉血氧含量 (C v O 2 ) 动脉血氧含量(CaO 2 ), 然后用氧离曲线求得肺毛细血管血氧饱和度, 计算肺毛细血管血氧含量 (C C O 2 ) 因 Q t= Q s+ Q c ( Q c 为肺毛细血管血流量 )

27 Q t C a O 2 = Q s C v O 2 + Q c C C O 2 = Q s C v O 2 +( Q t- Q s) C C O 2 = Q s C v O 2 + Q t C C O 2 - Q s C C O 2 移项得 Q t (C C O 2 -C a O 2 ) = Q s (C C O 2 -C v O 2 ) 故 Q s/ Q t = C C c' c' O O 2 2 C C a v O O 2 2 因 C C O 2 不能直接测定, 故让受试者吸 100% 的氧 20min 后测血氧, 此时 P a O 2 >20 kpa,s C O 2 = S a O 2 = 100%,P C O 2 相当于 P A O 2 C C O 2 -C a O 2 =(P C O Hb 1.34 S C O 2 )-(P a O Hb 1.34 S a O 2 ) = (P A O 2 -P a O 2 ) ( 为氧的溶解系数 ) 而 C C O 2 -C v O 2 = (C a O 2 -C v O 2 )+(C C O 2 -C a O 2 ) =5+C C O 2 -C a O 2 = (P A O 2 -P a O 2 ) Q 故 Q s t P(A = P( a) A O 2 a )O 2 PACO 2 P (A-a) O 2 =P A O 2 -P a O 2 P A O 2 =P i O 2 - R Pa CO 2 因为 P a CO 2 P A CO 2, 故 P A O 2 =P i O 2 - R, 因为 P i O 2 =F i O 2 (P B -PH 2 O), 吸空气时,F i O 2 =0.21, 吸纯氧时,F i O 2 =1 所以肺泡氧分压 P A O 2 =F i O 2 (P B -PH 2 O) P a CO 2 -P a O 2 Pa CO 2 R P 2 aco =0.21 (760-47) = P a CO 2, 因此 P (A-a) O 2 =150- 由于 PaO 2 和 PaCO 2 可从血气分析仪上直接测得, 代入公式即可求知分流量的大小 ( 四 ) 解剖分流增加 生理情况下, 肺内也存在解剖分流, 即一部分静脉血经支气管静脉和极少的肺内动 - 静脉交通支 直接流入肺静脉 这些解剖分流 (anatomic shunt) 的血流量正常约占心输出量的 2%~3% 支气管扩张 症可伴有支气管血管扩张和肺内动 - 静脉短路开放, 使解剖分流量增加, 静脉血掺杂异常增多, 而导 致呼吸衰竭 解剖分流的血液完全未经气体交换过程, 故称为真性分流 (true shunt) 肺的严重病变, 如肺实变 和肺不张等, 使该部分肺泡完全失去通气功能, 但仍有血流, 流经的血液完全未进行气体交换而掺 入动脉血, 类似解剖分流, 也称为真性分流 吸入纯氧可有效地提高功能性分流的 PaO 2, 而对真性 分流的 PaO 2 则无明显作用, 用这种方法可鉴别功能性分流与真性分流 在病人呼吸衰竭的发病机制中, 单纯的通气不足, 单纯的弥散障碍, 单纯的肺内分流增加或单 纯的死腔增加的情况较少, 往往是几个因素同时存在或相继发生作用 例如休克肺 ( 急性呼吸窘迫综 合征 ), 既有由肺不张引起的肺内分流, 有微血栓形成和肺血管收缩引起的死腔样通气, 还有由肺水 肿引起的气体弥散功能障碍 二 呼吸衰竭类型的鉴别

28 呼吸衰竭类型的鉴别有助于病因诊断及治疗 呼吸衰竭的诊断主要依据血气变化, 凡是呼吸衰竭必然有 P a O 2 降低 ; 如伴有 P a CO 2 增高必然存在通气功能障碍 ; 若由单纯通气障碍所致, 必须符合 P a CO 2 / P a O 2 =R=0.8; 根据一秒率, 还可区分通气障碍的类型, 若 FEV 1 /FEV <60%, 则为阻塞性通气障碍所致 ; 若 FEV 1 /FEV 60% 则为限制性通气障碍所致 ; 如 P a CO 2 不高则为换气功能障碍, 表现为肺泡气与动脉血之间的氧分压差 P (A-a) O 2 增大 P (A-a) O 2 为反映肺换气功能的主要指标 P (A-a) O 2 不能直接测得, 但可通过氧电极及二氧化碳电极直接测得 P a O 2 和 P a CO 2 后, 代入公式求得 ( 如前述 ) 由于 P a CO 2 是反映肺通气功能的最佳指标, 若通气功能正常,P a CO 2 不高,P A O 2 应正常, 若换气功能障碍, 导致 P a O 2 明显下降则 P (A-a) O 2 增大, 所以 P (A-a) O 2 是反映肺换气功能的最佳指标 在吸入空气时, 其正常值在 30 岁以下的人小于 2kPa(15mmHg),30 岁以上每年约增加 0.4kPa(3mmHg), 大于正常者有换气功能障碍 再按吸入 100% 的氧对 P a O 2 的影响可鉴别换气功能障碍的类型, 吸氧能大幅度提高 P a O 2 者可能为死腔样通气或弥散障碍 ; 而 P a O 2 难以升高者为分流, 特别是真性分流吸氧的效果最差 图 呼吸衰竭类型的鉴别 肺弥散性功能障碍 死腔样通气及分流还可通过上述方法进行定量测定 肺分流的测定较复杂, 临床可由吸纯氧时的 P a O 2 大致估计分流量 : 吸纯氧时 P a O 2 kpa(mmhg) Q s /Q t (%) 73.3(550) (460) (350) (230) 20 无论是 Ⅰ 型呼吸衰竭还是 Ⅱ 型呼吸衰竭, 都存在 P a O 2 低于正常造成的低氧血症, 低氧血症的发 病机理及其鉴别见表 4-5-3

29 表 低氧血症的发病机理及其鉴别 PaO 2 P(A-a)O 2 机理常见原因 PaCO 2 呼吸空气休息运动 呼吸 28% O 2 呼吸 100% O 2 呼吸空气 呼吸 100%O 2 吸入气氧分压降低 减低 ( 可从高原 无明显变化 增加约 6.67kPa 增加至大气压 高 原 减 低 高度预计 ) (50mmHg) 33.3kPa(50 mmhg) 之内 正常 正 常 肺泡通气不足 呼吸中枢抑制, 严 减低 ( 可从 不定 ( 取决于对 增加量约为 6.67 >53.3kPa 重慢性阻塞性肺 PaCO 2 增加数来 PaCO 2 的反应 kpa(50mmhg) 减 (400mmHg) 增加病, 肌肉神经疾预计 ) 性 ) 去 PaCO 2 增加数 正常 正 常 患, 肥胖综合症 弥散功能障碍 ( 肺泡毛细血管阻塞 ) 通气血流比率失调右至左解剖分流解剖样分流 弥漫性肺实质疾正常或减低稍减 ( 终末期除显著减低增加 6.67kPa ( 50 >53.3kPa 增加正常病外 ) mmhg) 以上 (400mmHg) 所有各类肺部疾病先天性心脏病, 肺动静脉瘘肺不张, 各种肺部严重疾病 正常或减低 ( 除非合并有通气不足 ) 减低量不定 常减低 增加 6.67kPa ( 50 mmhg) 以下 正常或减低 减低量不定 常减低 增加 6.67kPa ( 50 mmhg) 以下 正常或增高 ( 除非合 减低量不定 常减低 增加 6.67kPa ( 50 并有通气不足 ) mmhg) 以下 >53.3kPa 正常或轻度增增加 (400mmHg) 加 <53.3kPa(400 mmhg)( 若呼吸室内空气 PaO 2 低于 7.33kPa 即增加显著增加 55mmHg 时, 则 <28.0kPa 即 210mmHg <53.3kPa (400mmHg) 增加 显著增加

30 三 主要代谢功能变化 呼吸衰竭时发生的低氧血症和高碳酸血症可影响全身各系统的代谢和功能, 首先是引起 一系列代偿适应性反应, 以改善组织的供氧, 调节酸碱平衡, 和改变组织器官的功能 代谢 以适应新的内环境 呼吸衰竭严重时, 如机体代偿不全, 则可出现严重的代谢功能紊乱 ( 一 ) 酸碱平衡及电解质紊乱 外呼吸功能障碍可引起呼吸性酸中毒 代谢性酸中毒 呼吸性碱中毒, 也可合并代谢性 碱中毒, 常见的多为混合性酸碱平衡紊乱 1. 呼吸性酸中毒 Ⅱ 型呼吸衰竭时, 大量二氧化碳潴留可引起呼吸性酸中毒 此时血 液电解质主要有以下变化 :1 血清钾浓度增高 : 由于酸中毒可使细胞内 K + 外移及肾小管排 K + 减少, 导致血清钾增高 ;2 血清氯浓度降低 : 高碳酸血症使红细胞中 HCO 3 - 生成增多, 后者与细胞外 Cl - 交换使 Cl - 转移入细胞 ; 以及酸中毒时肾小管上皮细胞产生 NH 3 增多及 NaHCO 3 重吸收增多, 使尿中 NH 4 Cl 和 NaCl 的排出增加, 均使血清 Cl - 降低 2. 代谢性酸中毒严重缺氧时无氧代谢加强, 乳酸等酸性产物增多, 可引起代谢性酸 中毒 此外, 呼吸衰竭时可能出现功能性肾功能不全, 肾小管排酸保碱功能降低, 以及引起 呼吸衰竭的原发病或病理过程, 如感染 休克等均可导致代谢性酸中毒 存在代谢性酸中毒 - 时, 由于 HCO 3 降低可使肾排 Cl - 减少, 故当呼吸性酸中毒合并代谢性酸中毒时血 Cl - 可正常 3. 呼吸性碱中毒 Ⅰ 型呼吸衰竭的病人缺氧引起肺过度通气, 可发生呼吸性碱中毒 此时血钾浓度可降低, 血氯浓度则可增高 ( 二 ) 呼吸系统变化 外呼吸功能障碍造成的低氧血症和高碳酸血症必然影响呼吸功能 PaO 2 降低作用于颈 动脉体与主动脉体化学感受器, 反射性增强呼吸运动, 此反应要在 PaO 2 低于 8 kpa (60 mmhg) 才明显,PaO 2 为 30 mmhg 时肺通气最大 缺氧对呼吸中枢有直接的抑制作用, 当 PaO 2 低 于 4 kpa (30 mmhg) 时, 此作用可大于反射性兴奋作用而使呼吸抑制 PaCO 2 升高主要作用 于中枢化学感受器, 使呼吸中枢兴奋, 引起呼吸加深加快 当 PaCO 2 超过 10.7 kpa (80 mmhg) 时, 反而抑制呼吸中枢 此时呼吸运动主要靠动脉血低氧分压对血管化学感受器的刺激得以 维持 在这种情况下, 氧疗只能吸入 24%~30% 的氧, 以免缺氧完全纠正后反而抑制呼吸, 使高碳酸血症更加重, 病情更恶化 引起呼吸衰竭的呼吸系统疾病本身也会导致呼吸运动的变化 如中枢性呼吸衰竭时呼吸 浅而慢, 可出现潮式呼吸 间歇呼吸 抽泣样呼吸 叹气样呼吸等呼吸节律紊乱 其中最常 见者为潮式呼吸, 可能由于呼吸中枢兴奋性过低而引起呼吸暂停, 从而使血中 CO 2 逐渐增 多,PaCO 2 升高到一定程度使呼吸中枢兴奋, 出现呼吸运动, 由呼吸排出 CO 2, 使 PaCO 2 降低到一定程度又可导致呼吸暂停, 如此形成周期性呼吸运动 ( 图 ) 在肺顺应性降低 所致的限制性通气障碍性疾病中, 因牵张感受器或肺毛细血管旁感受器 (juxtapulmonary-capillary receptor, J 感受器 ) 受刺激而反射性地引起呼吸运动变浅而快 阻 塞性通气障碍时, 由于气流受阻, 呼吸运动加深, 由于阻塞的部位不同, 表现为吸气性呼吸 困难或呼气性呼吸困难 图 陈施氏呼吸

31 在生理情况下, 肺通气 1L, 呼吸肌耗氧约 0.5ml 在静息时呼吸运动的耗氧量约占全身耗氧量的 1%~3% 呼吸衰竭时, 如存在长时间增强的呼吸运动, 使呼吸肌耗氧增加, 加上血氧供应不足, 可能导致呼吸肌疲劳, 使呼吸肌收缩力减弱, 呼吸变浅而快 呼吸浅则肺泡通气量减少, 可加重呼吸衰竭 ( 三 ) 循环系统变化低氧血症与高碳酸血症对心血管的作用相似, 两者具协同作用 一定程度的 PaO 2 降低和 PaCO 2 升高可兴奋心血管运动中枢, 使心率加快 心缩力增强 外周血管收缩, 加上呼吸运动增强使静脉回流增加, 导致心输出量增加 但缺氧和二氧化碳潴留, 直接对心 血管的作用却是抑制心脏活动和使血管扩张 ( 肺血管例外 ) 一般器官的血管运动通常主要受神经调节, 但脑血管与冠状血管则主要受呼吸衰竭时局部代谢产物如腺苷等调节, 从而导致血液分布的改变, 这有利于保证心 脑的血液供应 严重的缺氧和二氧化碳潴留可直接抑制心血管中枢, 直接抑制心脏活动和扩张血管, 导致血压下降 心力缩力下降 心律失常等严重后果 呼吸衰竭可累及心脏, 主要引起右心肥大与衰竭, 即肺原性心脏病 肺原性心脏病的发病机制较复杂 :1 肺泡缺氧和二氧化碳潴留所致血液氢离子浓度过高, 均可引起肺小动脉收缩 ( 二氧化碳本身对肺血管有直接扩张作用 ), 使肺动脉压升高, 从而增加右心后负荷 ;2 肺小动脉长期收缩, 和缺氧的直接作用, 可引起无肌型肺微动脉肌化, 和肺血管平滑肌细胞和成纤维细胞的肥大和增生, 胶原蛋白与弹性蛋白合成增加, 导致肺血管壁增厚和硬化, 管腔变窄, 由此形成持久而稳定的慢性肺动脉高压 ;3 长期缺氧引起的代偿性红细胞增多症可使血液的粘度增高, 也会增加肺血流阻力和加重右心的负荷 ;4 有些肺部病变如肺小动脉炎 肺毛细血管床的大量破坏 肺栓塞等也能成为肺动脉高压的原因 ;5 缺氧和酸中毒降低心肌舒缩功能 ;6 呼吸困难时, 用力呼气则使胸内压异常增高, 心脏受压, 影响心脏的舒张功能, 用力吸气则胸内压异常降低, 即心脏外面的负压增大, 可增加右心收缩的负荷, 促使右心衰竭 呼吸衰竭是否可累及左心尚有争论, 目前倾向于可累及左心 肺原性心脏病病人心功能失代偿时有半数肺动脉楔压增高, 说明有左心功能不全, 其中也可能有部分病例合并有冠心病 ; 急性呼吸窘迫综合征的死亡病例中也有半数发生左心衰竭, 这些都支持肺部疾病可累及左心的观点 其机制为 :1 低氧血症和酸中毒同样能使左室肌收缩性降低 ;2 胸内压的高低同样也影响左心的舒缩功能 ;3 右心扩大和右心室增厚将室间隔推向左心侧, 可降低左心室的顺应性, 导致左室舒张功能障碍 ( 四 ) 中枢神经系统变化中枢神经系统对缺氧最敏感, 当 PaO 2 降至 8kPa(60mmHg) 时, 可出现智力和视力轻度减退 如 PaO 2 迅速降至 5.33~6.67kPa(40~50mmHg) 以下, 就会引起一系列神经精神症状, 头痛 不安 定向与记忆障碍 精神错乱 嗜睡, 以致惊厥和昏迷 PaO 2 低于 2.67kPa (20mmHg) 时, 几分钟就可造成神经细胞的不可逆性损害 慢性呼吸衰竭病人 PaO 2 低达 2.6kPa(20mmHg) 神志仍可清醒, 而急性呼吸衰竭病人 PaO 2 达 3.53kPa(27mmHg) 即可昏迷 二氧化碳潴留使 PaCO 2 超过 10.7kPa(80mmHg) 时, 可引起头痛 头晕 烦躁不安 言语不清 扑翼样震颤 精神错乱 嗜睡 抽搐 呼吸抑制等, 即出现所谓二氧化碳麻醉 由呼吸衰竭引起的脑功能障碍称为肺性脑病 (pulmonary encephalopathy) Ⅱ 型呼吸衰竭患者肺性脑病的发病机制为 : 1. 酸中毒和缺氧对脑血管的作用酸中毒使脑血管扩张 PaCO 2 升高 1.33 kpa (10 mmhg) 即可使脑血流量增加 50% 缺氧也使脑血管扩张 缺氧和酸中毒还能损伤血管内皮使其通透性增高, 导致脑间质水肿 缺氧使红细胞 ATP 生成减少, 影响 Na + -K + 泵功能, 可引起

32 细胞内 Na + 及水增多, 形成脑细胞水肿 脑充血 水肿使颅内压增高, 压迫脑血管, 更加重 脑缺氧, 由此形成恶性循环, 严重时可导致脑疝形成 此外, 脑血管内皮损伤尚可引起血管 内凝血, 这也是肺性脑病的发病因素之一 2. 酸中毒和缺氧对脑细胞的作用正常脑脊液的缓冲作用较血液弱, 其 ph 也较低 - (7.33~7.40),PCO 2 比动脉血高 因血液中的 HCO 3 及 H + 不易通过血脑屏障进入脑脊液, 故后者的酸碱调节需时较长 呼吸衰竭时脑脊液的 ph 变化比血液更为明显 当脑脊液 ph 低于 7.25 时, 脑电波变慢,pH 低于 6.8 时脑电活动完全停止 神经细胞内酸中毒一方面可 增加脑谷氨酸脱羧酶活性, 使 - 氨基丁酸生成增多, 导致中枢抑制 ; 另一方面增强磷脂酶活 性, 使溶酶体酶释放, 引起神经细胞和组织的损伤 ( 缺氧对脑细胞作用见缺氧章 ) 部分肺性脑病患者表现为神经兴奋 躁动, 可能因发生代谢性碱中毒所致 然而酸中毒 的病人也有 1/3 表现为神经兴奋, 其机制尚不清楚 ( 五 ) 肾功能变化 呼吸衰竭时肾可受损, 轻者尿中出现蛋白 红细胞 白细胞及管型等, 严重时可发生急 性肾功能衰竭, 出现少尿 氮质血症和代谢性酸中毒 此时肾结构往往并无明显改变, 为功 能性肾功能衰竭 只要外呼吸功能好转, 肾功能就可较快地恢复正常 肾功能衰竭的发生是 由于缺氧与高碳酸血症反射性地通过交感神经使肾血管收缩, 肾血流量严重减少所致 若患 者合并有心力衰竭 弥散性血管内凝血或休克, 则肾的血液循环和肾功能障碍更严重 ( 六 ) 胃肠变化 严重缺氧可使胃壁血管收缩, 因而能降低胃粘膜的屏障作用, 二氧化碳潴留可增强胃壁 细胞碳酸酐酶活性, 使胃酸分泌增多, 加之有的患者还可合并弥散性血管内凝血 休克等, 故呼吸衰竭时可出现胃肠粘膜糜烂 坏死 出血与溃疡形成等病变 四 防治的病理生理基础 ( 一 ) 防止与去除呼吸衰竭的原因 作部分肺切除手术前, 应检查病人心脏与肺的功能储备 功能储备不足者切除部分肺后 可发生呼吸衰竭 肺动脉高压与肺原性心脏病 慢性阻塞性肺疾患的病人如发生感冒与急性 支气管炎, 可诱发呼吸衰竭与右心衰竭, 故应注意预防, 一旦发生呼吸道感染应积极进行抗 感染治疗 ( 二 ) 提高 PaO 2 凡是呼吸衰竭必定存在低张性缺氧, 应争取尽快将 PaO 2 提高到 8kPa(60mmHg) 以上 Ⅰ 型呼吸衰竭只有缺氧而无二氧化碳潴留, 可吸入较高浓度的氧 ( 一般不超过 50%) Ⅱ 型呼吸衰竭患者宜吸较低浓度的氧 (30% 左右 O 2 ), 如由鼻管给氧, 流速为 1~2L/min, 使 PaO 2 上升到 8kPa 即可 ( 三 ) 降低 PaCO 2 PaCO 2 增高是由肺总通气量减少所致, 应通过增加肺泡通气量以降低 PaCO 2 增加肺通 气的方法包括 : 1. 解除呼吸道阻塞如用抗生素治疗气道炎症, 用平喘药扩张支气管, 用体位引流 必要时行气管插管以清除分泌物 2. 增强呼吸动力如用呼吸中枢兴奋剂尼可刹米等, 对原发于呼吸中枢抑制所致限制 性通气障碍是适用的, 但对一般慢性呼吸衰竭病人用中枢兴奋剂, 在增加肺通气的同时也增 加呼吸肌耗氧量和加重呼吸肌疲劳, 反而得不偿失 3. 人工辅助通气用人工呼吸维持必需的肺通气量, 同时也使呼吸肌得以休息, 有利 于呼吸肌功能的恢复, 这也是治疗呼吸肌疲劳的主要方法 呼吸肌疲劳是由呼吸肌过度负荷引起的呼吸肌 ( 主要是膈肌 ) 衰竭, 表现为收缩力减弱和

33 收缩与舒张速度减慢, 往往出现在 PaCO 2 升高之前, 是 Ⅱ 型呼衰的重要发病因素 4. 补充营养慢性呼吸衰竭病人由于呼吸困难影响进食量 和胃肠消化及吸收功能差, 常有营养不良, 导致体重和膈肌重量减轻, 膈肌萎缩也可使其收缩无力, 更易发生呼吸肌疲劳, 故除呼吸肌休息外, 还应补充营养以改善呼吸肌功能 ( 四 ) 改善内环境及重要器官的功能如纠正酸碱平衡及电解质紊乱, 预防与治疗肺源性心脏病与肺性脑病等 第三节急性呼吸窘迫综合征一 概述 1967 年 Aahbough 从 272 例监护治疗的呼吸衰竭病例中发现 12 例有如下特点的一组急进型呼吸衰竭病例 这组病例 : 1. 无肺部疾病的既往病史, 却在创伤 休克 感染后发生了严重的呼吸衰竭 2. 经一般吸氧治疗都不能纠正其低氧血症及发绀 ( 一 ) 临床特点 1. 急剧的呼吸困难, 呼吸频率快 (>35 次 /min), 多无 PaCO 2 增加 ; 2.P (A-a) O 2 增大, 可达 200~500mmHg( 正常 FIO 2 = 1 时,P (A-a) O 2 <50mmHg ; 3. 肺顺应性降低 ; 4. 肺分流大量增加 ( 50%); 5. 严重低 O 2 血症 (PaO 2 <50mmHg ; 6. 肺部听诊时可闻及干 湿性啰音, 肺血管阻力增大, 肺 A 第二音增强或出现分裂 ; 7. 肺 X 线显示弥漫性肺部浸润性阴影, 或磨砂玻璃样弥漫性透明度不良现象 ( 二 ) 病理生理学表现 1. 肺顺应性下降 ; 2. 通气 / 血流比例失调 ; 3. 肺内分流增加 ; 4. 大量静脉血掺杂 ; 5. 进行性呼吸困难 ; 6. 严重低 O 2 血症, 导致急性呼吸衰竭, 高浓度氧的吸入也难逆转进行性低氧血症 ( 三 ) 病理形态学表现 1. 肺充血 ; 2. 肺间质和肺泡水肿 ; 3. 肺出血 ; 4. 透明膜形成 ; 5. 局灶性肺不张 ; 6. 微血栓形成 ; 7. 肺血管内皮细胞及肺泡 Ⅱ 型上皮细胞肿胀变性与坏死 ; 8. 肺血管改建和肺纤维化 ; 9. 肺重量异常增加 ( 也称湿肺 ) 上述变化与新生儿的特发性呼吸窘迫综合征极为相似, 因此, 将此组综合表现命名为成人呼吸窘迫综合征 由于此综合征的病因多种多样, 所以名称多达二十余种 例如强调病因为休克时, 称之为休克肺 ; 强调肺泡有透明膜形成时, 则称为透明膜肺等 随着近年来对该

34 综合征共同发病基础的研究, 认识到此综合征是由多种病因, 造成急性肺损伤 ( 肺泡 - 毛细血管膜损伤 ) 后, 所引起的急性呼吸衰竭, 故现改称为急性呼吸窘迫综合征 (acute respiratory distress syndrome, ARDS) 二 ARDS 导致急性肺损伤的发生机制急性肺损伤的发生机制很复杂, 尚未完全阐明 ( 一 ) 肺泡 - 毛细血管膜损伤与肺水肿的发生机制 1. 肺泡 - 毛细血管膜损伤肺泡 - 毛细血管膜是 ARDS 发病的基础 它可以是病因直接作用的结果, 也可以是炎症级联反应启动后的继发性损伤 如 : (1) 中性粒细胞的作用中性粒细胞在肺内聚集粘附激活或破坏, 释出大量活性氧 蛋白酶 及炎性介质, 是引起肺泡 - 毛细血管膜损伤, 通透性增高的主要发病机制 1 肺内中性粒细胞聚集的机制 :a 肺组织自身特点决定, 血流量大, 动脉压低, 毛细血管床面积大, 是全身静脉血的滤器, 血液中的许多成份易滞留于此 b 各种趋化因子如 C5a PAF PGs LTs IL-1 IL-8 TNF 的作用 c 缺血后再灌注损伤所致 2 中性粒细胞粘附于血管的机制 : 中性粒细胞表面粘附蛋白如 CD 18 表达增加 内皮细胞表面粘附分子如细胞间粘附分子和内皮白细胞粘附分子 -1 大量表达 3 损伤肺泡 - 毛细血管膜的机制 : 中性粒细胞等在肺内聚集 粘附, 激活可通过中性粒细胞的呼吸爆发, 内皮细胞内的黄嘌呤氧化酶作用, 以及自由基消除不足, 导致活性氧增加 ; 以及中性粒细胞激活后溶酶体酶释放和炎症介质的分泌, 都可导致肺泡 - 毛细血管受损 如活性氧的作用 :a 直接损伤;b 启动炎症反应爆布, 蛋白水解酶的作用 a 胶原酶参与基质降解 ;b 弹性蛋白酶可降解弹性蛋白 纤维连接素 Ⅲ 型胶原 Ⅳ 胶原, 使内皮细胞分离溶解 炎症介质 TNF 可直接损伤肺泡毛细血管膜 此外激活的凝血系统和补体系统起着始动和扩大损伤作用 (2) 凝血系统和血小板的作用 1 凝血系统的损伤作用很多因素可激活凝血系统, 如受伤组织释放的组织因子可启动外源性凝血 ; 内皮细胞受损, 通过激活 Ⅻ 因子, 可启动内源性凝血 ; 血小板的激活和释放反应, 可促进凝血瀑布 ( 级联反应 ) 的发展 ; 补体系统的激活, 激肽系统的激活, 及白细胞激活后的释放反应, 可始动凝血和加重出凝血障碍 临床发现 ARDS 病人的严重程度和有否合并 DIC 密切相关 目前认为凝血系统激活后损伤肺及肺泡 - 毛细血管膜的主要因素为纤维蛋白降解产物, 尤其是碎片 D(FgD), 可直接损伤血管内皮细胞, 也可能通过抑制激肽酶 Ⅱ 而加强缓激肽的作用, 增加肺血管通透性, 引起肺间质和肺泡水肿, 肺顺应性降低, 肺分流增加, 换气功能障碍 2 血小板的损伤作用血小板损伤后释放的活性物质 5- 羟色胺 (5-HT) 和 TXA 2 等虽可引起肺动脉高压和支气管痉挛, 影响肺功能, 但对肺水肿的形成仅有轻微的或短暂的作用 更重要的是释放的一系列活性物质与炎细胞相互作用, 放大了损害作用 (3) 炎性介质的作用炎细胞激活释放出一系列炎性介质, 如生物胺类 - 组胺 5-HT 等 ; 肽类 -C5a 激肽 纤维蛋白肽 ; 多肽或蛋白类 - 细胞因子 (TNF IL-1 等 ), 磷酯酶 A 2 (PLA 2 ), 蛋白水解酶 ; 及其酶类代谢产物, 均可增加血管通透性 损伤肺泡 - 毛细血管膜, 促使肺水肿的形成 2. 肺水肿机制 (1) 肺泡 - 毛细血管膜损伤 通透性肺水肿

35 (2) 部分肺血管收缩和阻塞导致肺动脉高压, 加上肺泡表面张力增高 压力性水肿 ARDS 就是以严重的弥漫性肺间质和肺泡水肿为其病理变化特征 其肺顺性, 肺分流, 从而导致通气换气障碍 ( 二 ) 肺顺应性降低 肺不张的形成机制肺不张虽然与多种炎症介质引起支气管痉挛等有关, 但最主要的原因是肺泡表面活性物质生成不足, 消耗过多, 结构异常, 从而导致肺泡顺应性降低所致 肺泡表面活性物质 (Pulmonary surfactant, PS) 减少或其组成改变原因 : 1.Ⅱ 型肺泡上皮细胞受损 2. 激活的凝血系统, 生成的纤维蛋白可与高度疏水的 PS 载体蛋白相互作用, 干扰 PS 的生物物理功能 3. 肺泡巨噬细胞被激活, 清除 PS 加快 4.PS 中磷脂组分表达的改变 5. 过度通气使 PS 消耗增加 6. 胆固醇 花生四烯酸和脂质过氧化物抑制 PS 功能 广泛的局灶性肺不张, 导致的肺内短路明显增加, 从而成为 ARDS 引起呼吸衰竭的重要原因,PaO 2 进行性降低, 而氧疗效果不佳, 吸入纯氧 15min 后 PaO 2 仍低于 46.7kPa (350mmHg) ( 三 ) 肺血管改建与肺纤维化机制肺血管改建和肺纤化只出现于存活时间较长的患者体内 1. 肺血管改建机制为生长因子作用结果 (1) 血小板的活化及释放反应, 在血管改建中可能起重要作用 特别是从 颗粒中释放的 PDGF 可刺激平滑肌肥大增生, 从致密体释放的 5-HT 可增强 PDGF 的作用 (2) 中性粒细胞释放的生长因子, 对肺血管改建也有作用 从而导致微血管肌化, 使肺阻力血管延长 ; 中膜增厚, 可缩小血管内径, 造成狭窄, 所以肺血管改建是 ARDS 病人肺血管阻力和肺动脉压增高的重要原因 2. 肺纤维化的机制 (1) 胶原 弹性蛋白, 纤维连接蛋白等及肺泡上皮脂质过氧化产物引起的成纤维细胞浸润 (2) 肺泡巨噬细胞和淋巴细胞产物 内毒素 纤维连接蛋白可促进成纤维细胞的增殖 (3) 血小板释放的 PDGF 与表皮生长因子, 促进成纤维细胞在损伤部位聚集增殖 (4) 肺泡巨噬细胞表达特异性内源性纤溶酶原激活物的抑制物 (PAI) 可促进纤维蛋白机化, 结缔组织聚集 (5) 胶原酶抑制, 胶原合成加快或降解受阻, 肺泡及间质胶原过度沉积 ARDS 发病 2 周就可出现早期纤维化, 当发生间质与肺泡纤维化后, 必然导致肺顺应性下降, 气体弥散障碍, 通气 / 血流比例失调, 从而造成 PaO 2 进行性下降 三 急性肺损伤引起呼吸衰竭机制 1. 由于肺间质水肿, 肺泡水肿, 肺不张等所致的肺顺应性下降, 从而引起限制性通气障碍 2. 由于炎症介质作用, 引起支气管痉挛和气道内液体渗出增加, 从而导致阻塞性通气障碍 3. 由于肺泡毛细血管膜的损伤及炎症介质的作用使肺泡上皮和毛细血管内皮通透的增高, 引起渗透性肺水肿, 以及肺动脉高压和肺泡表面张力增高, 引起压力性肺水肿, 致使肺弥散功能障碍

36 4. 肺泡 Ⅱ 型上皮细胞损伤使表面活性物质的生成减少, 加上水肿液的稀释和肺泡过度 通气消耗表面活性物质, 使肺泡表面张力增高, 肺的顺应性降低, 形成肺不张 肺不张及肺 水肿液引起的气道阻塞, 以及炎症介质引起的支气管痉挛可导致肺内分流大量增加 气 5. 凝血系统激活导致肺内微血栓形成及炎症介质引起的肺血管收缩, 可导致死腔样通 在 ARDS 中, 尽管引起呼吸衰竭的所有机制都可参与, 但是根本机制是弥漫性肺泡 - 毛 细血管膜损伤引起气体弥散障碍, 通气 / 血流比例失调所致的肺内分流和死腔样通气增加, 因此主要是换气功能障碍, 从而出现大量静脉血掺杂, 使 PaO 2 进行降低, 导致 Ⅰ 型呼吸衰 竭 其中以肺通气血流比例失调为 ARDS 病人呼吸衰竭的最主要发病机制 病人由于 PaO 2 降低对外周血管化学感受器的刺激以及肺充血, 水肿使肺泡毛细血管旁 J 感受器的刺激, 促使呼吸运动加深加快, 导致呼吸窘迫 由于肺分流大量增加, 从而使 PaO 2 进行性降低 故 ARDS 病人通常发生 Ⅰ 型呼吸衰竭 ; 极端严重者, 由于肺部病变广泛使肺 总通气量减少, 才可发生 Ⅱ 型呼吸衰竭 ( 图 ) 四 ARDS 的临床诊断标准及分期 图 ARDS 发病机制示意图

37 ( 一 ) 诊断标准 1. 急性 (7d 内 ) 广泛双侧肺浸润 ; 2. 呼吸急促,R>20 次 /min; 3. 总肺顺应性 <50 ml/cm H 2 O, 即 <5100 ml/kpa; 4. 严重低氧血症 :PaO 2 /F 1 O 2 150, 如 P a O 2 单位为 kpa 则比值 <20, 呼吸末正压呼吸 (PEEP) 时 P a O 2 /F 1 O 2 200, 如 P a O 2 单位为 kpa 则比值 <26.6; 5. 肺动脉楔压 (Pw) 1.76kPa ( 二 ) 临床分期 静脉血掺杂 进行性低氧血症是急性呼吸窘迫综合征主要的病理生理改变 因而在临床 上主要表现为急性发作的呼吸急迫, 过度通气, 呼吸性碱中毒, 纯氧吸入不能纠正的顽固性 紫绀 一般将此综合征分为四期 虽然临床上难以见到如此典型的过程, 但它有助于对综合 征的认识和判断 第一期 : 患者从创伤后的低血流状态开始复苏, 血液动力学开始恢复, 但有的患者却在 此时感到呼吸窘迫, 呼吸频率加快, 呈现轻度呼吸性碱中毒,PaCO 2 <5 kpa (35mmHg), 此与患者的持续性过度通气有关 PaO 2 降低到 8~9kPa(60~70mmHg) 此期无缺氧症状和 肺部体征,X 线胸片也无异常, 但病变却正在进行之中 第二期 : 呼吸困难加重, 表现为持续过度换气和低碳酸血症,PaCO 2 降到 4kPa (30mmHg) 以下, 动脉血氧分压降低 [PaO2 降到 7~8kPa(50~60mmHg)] 肺泡通气 / 血流比例分布不 均, 肺分流增加 病理形态学上出现肺微循环明显充血, 微血栓形成, 肺间质水肿, 血管周 围有灶性出血, 肺下叶和中叶底部有散在的微型肺不张 此期如对患者处理适当, 仍可恢复 第三期 : 除呼吸困难的症状加剧外,PaO 2 进一步下降至 5~7kPa (40~50 mhg),paco 2 由低而逐渐上升 由于肺分流量增高, 虽长时间吸入高浓度氧亦不能提高动脉血氧分压, 此 期患者很易死亡 病理形态学上表现为肺间质和肺泡水肿 出血 微型肺不张和透明膜形成 更显著 两肺可听到散在的湿性啰音,X 线胸片可见斑点状或网状阴影 第四期 : 缺氧症状更加明显和恶化, 尽管其潮气量高于正常, 仍不能纠正低血氧症, PaO 2 进行性继续下降 [PaO 2 可降到 5kPa(40mmHg) 以下 ],PaCO 2 >6kPa(45mmHg), 产生代 谢性酸中毒合并呼吸性酸中毒,pH 值下降, 心动缓慢, 常处于昏迷状态 病理形态学上肺 水肿和出血更加严重, 有的肺组织实变如肝 两肺可闻及弥散性啰音,X 线胸片显示有斑块 状阴影 ( 蔡朱男 )