呼吸衰竭 Respiratory Failure 病理生理学系高远生 2013.10.14
呼吸全过程 Respiration 外呼吸 external respiration 气体血液运输 gas transport in the blood 内呼吸 internal respiration 肺通气 pulmonary ventilation 肺换气 gas exchange in the lungs 组织换气 gas exchange in the tissues 细胞氧化代谢 cellular respiration
mmhg PA PV
Symbols P Pressure Partial pressure A Alveolar a v arterial venous. V Volume of gas / unit time. Q Volume of blood/ unit time
呼吸衰竭 (Respiratory Failure) 外呼吸功能严重障碍 PaO 2 伴有, 或不伴有 PaCO 2 的病理过程 判断标准 :PaO 2 < 60mmHg ( 正常 :100 mmhg) PaCO 2 > 50mmHg ( 正常 :40 mmhg) 呼吸功能不全 (Respiratory Insufficiency)
呼衰的类型 Classification of Respiratory failure 1. 按 PaCO 2 是否升高 : 低氧血症型 (I 型 ) 低氧血症伴高碳酸血症 (II 型 ) 2. 按主要发病机制 : 通气障碍型换气障碍型 3. 按病变部位 : 中枢性和外周性
一 呼衰的原因和发病机制 Respiratory Failure: The Causes and the Mechanisms.. 肺通气功能障碍 Disorders in Pulmonary Ventilation 肺换气功能障碍 Disorders in Gas Exchange of the Lungs
( 一 ) 肺通气功能障碍 : Disorders in Pulmonary Ventilation 1. 限制性通气不足 : 肺泡扩张受限 2. 阻塞性通气不足 : 呼吸道阻塞或 狭窄 气道阻力增加
1. 限制性通气不足 (Restrictive Hypoventilation): 肺泡扩张受限 呼吸肌活动障碍中枢神经受损, 周围神经受损 ( 脊髓灰质炎 多发性脊神经炎 ), 呼吸肌本身收缩功能障碍 ( 缺氧时 ATP 生成不足 ; 低钾血症时出现超极化阻滞, 使呼吸肌无力甚至麻痹 ; 重症肌无力 ) 肺顺应性降低肺纤维化 ( 肺泡逐渐被纤维性物质取代, 导致肺组织变硬变厚 ), 肺泡表面活性物质减少 胸廓顺应性降低严重的胸廓畸形, 肋骨骨折, 胸膜纤维化 胸腔积液和气胸
2. 阻塞性通气不足 (Obstructive Hypoventilation): 呼吸道阻塞或狭窄气道阻力增加 气道阻力 ( 正常人平静呼吸 ): 80%: 直径 >2mm 气管 20%: 直径 <2mm 气管 病因 : 气管痉挛 ` 物 ` 肿瘤 ` 肿胀纤维化 ` ` 气道内外压力改变 渗出物 ` 异
Generation Bronchi Generation number 0 1 1 2 10 1024 16 65,536 19 524,288 23 8,388,608
阻塞位于肺外, 表现为吸气性呼吸困难 (Inspiratory Dyspnea) -1 1 0-3 0 0 15 0 mmhg 25-5 35 吸气 呼气
阻塞位于肺内, 表现为呼气性呼吸困难 (Exspiratory Dyspnea) -1 5 等压点 (isobaric point) -3 10-10 -10 20 20 25-10 -5-10 20 35 20 20 mmhg 吸气 呼气
用力呼气时等压点移向小气道 0 0 0 mmhg 20 25 30 20 20 15 20 25 20 15 20 20 20 +35 20 20 +35 20 20 +35 25 20 正常人 慢性支气管炎 : 小气道阻力异常增大, 小气道内压降低快, 致使等压点移向无软骨支撑的膜性小气道 肺气肿 : 肺弹性回缩力降低, 肺泡内压力降低, 致使等压点向小气道移
问题 : 呼吸衰竭? 限制性通气不足的定义及其发生原因? 阻塞性通气不足的定义?
弥散障碍 (Diffusion Impairment) 弥散面积减少 弥散膜厚度增 弥散时间缩短 Netter s Atlas of Human Physiology (Hansen JT & Koeppen BM; 朱大年译 )
肺泡 - 毛细血管膜 Alveolar-Capillary Membrane ( 弥散膜, diffusion membrane) 肺泡 I 型细胞 基膜 毛细血管内皮细胞 红细胞 0.5 µm
1. 弥散面积减少 (Decrease in the Surface Area of the Membrane) 正常成人肺泡面积 :70 m 2 静息时换气面积 : 40 m 2 弥散面积减少 : 肺不张, 肺实变, 肺叶切除等
正常成人肺泡约 4.8 亿, 肺泡数量与肺体积是密切相关, 单个肺泡的平均体积为 4.2x10 6 μm 3, 不论肺大小相当恒定的, 一立方毫米肺实质含约 170 个肺泡 Ochs M, et al. The number of alveoli in the human lung. Am J Respir Crit Care Med,169: 120-4, 2004.
2. 弥散膜厚度增加 (Increase in the Thickness of the Membrane) 肺泡膜厚度 : 1 µm 弥散距离 : 5 µm 弥散膜厚度增加 : 肺水肿, 肺泡 透明膜形成, 肺纤维化, 肺泡毛细 血管扩张等
Solubility Coefficient (vol/vol, 760 mmhg): O 2 : 0.024 CO 2 : 0.57
3. 弥散时间缩短 (Shortening in the Diffusion Time) 正常静息状态 : 血流通过毛细血管时间 : 0.75 s 弥散时间 : 0.25 s 弥散时间缩短 : 心输出量增加, 肺血流加快 O 2 CO 2
( 三 ) 肺泡通气与血流比例失调 Ventilation-Perfusion Imbalance 正常静息状态下每分钟肺泡通气量 (V A ): ~ 4L; 每分钟肺血流量 (Q): ~ 5L, V A /Q: 4/5 = 0.8 O 2 =150, CO 2 =0 mmhg O 2, CO 2 O 2 =100 CO 2 =40 O 2, CO 2.. V A /Q<0.8 O 2 =40 CO 2 =45.. V A /Q=0.8.. V A /Q>0.8 肺泡通气不足 肺泡血流量不足
1. 部分肺泡通气不足 (Alveolar Ventilation Insufficiency) 功能性分流 (functional shunt). 静脉血掺杂 (venous admixture) V A 病肺健肺全肺.. V A /Q <0.8 >0.8 =0.8 >0.8 <0.8 PaO 2 PaCO 2 N
血液氧和二氧化碳解离曲线 Oxygen and Carbon Dioxide Dissociation Curves 20 97.6% 53 血氧含量, ml/100ml 15 10 5 75.8% 90.7% 血氧饱和度 血二氧化碳含量, ml/100ml 51 49 47 45 4 PO 2, 40 mmhg PO 2, 100 mmhg 物理形式溶于血的 CO 2 0 物理形式溶于血的 O 2 2 0 20 40 60 80 100 120 氧分压, mmhg 35 40 45 50 二氧化碳分压, mmhg
氧和二氧化碳血液中的运输 Transport of O 2 and CO 2 in the Blood O 2 transported as: O 2 : 1.5% Hb. O 2 : 98.5% CO 2 transported as: CO 2 : 7% Hb. CO 2 : 23% HCO 3- : 70%
2. 解剖分流增加 (Increase in Anatomic Shunt) 解剖分流 (anatomic shunt) 又称真性分流 (true shunt): 生理条件下一部分静脉血经支气管静脉和极少的肺内 A-V 吻合支直接流入肺静脉 (~ 2%-3% 心输出量 ). 支气管扩张症 支气管血管扩张, 肺内 A-V 短路开放解剖分流 P a O 2.
支气管循环 (Bronchial Circulation) Netter s Atlas of Human Physiology (Hansen JT & Koeppen BM; 朱大年译 ) 由支气管动脉 毛细血管网和支气管静脉组成, 属体循环, 是气道和胸膜等的营养血管 支气管动脉 : 起源于胸主动脉, 进入肺门后与支气管伴行, 形成毛细血管网营养各级支气管 胸膜脏层等 支气管静脉及静脉丛 : 1, 在呼吸性细支气管水平静脉丛的较大部分与肺小动脉的网状相连结, 进入肺静脉 ;2, 一些以支气管壁和邻近一些组织形成的静脉丛, 联合成为支气管肺静脉, 流向肺静脉 ;3, 静脉丛自气管隆突, 叶 段等支气管壁, 成为真正的支气管静脉, 经奇静脉 半奇静脉或肋间静脉到达右心房
Q... V A /Q 3. 部分肺泡血流不足 (Alveolar Perfusion Insufficiency) 死腔样通气 (dead space like ventilation) 病肺健肺全肺 >0.8 <0.8 =0.8 >0.8 <0.8 PaO 2 PaCO 2 N
血液氧和二氧化碳解离曲线 Oxygen and Carbon Dioxide Dissociation Curves 20 97.6% 53 血氧含量, ml/100ml 15 10 5 75.8% 90.7% 血氧饱和度 血二氧化碳含量, ml/100ml 51 49 47 45 4 PO 2, 40 mmhg PO 2, 100 mmhg 物理形式溶于血的 CO 2 0 物理形式溶于血的 O 2 2 0 20 40 60 80 100 120 氧分压, mmhg 35 40 45 50 二氧化碳分压, mmhg
问题 : 弥散障碍的发生机制? 功能性分流, 静脉血掺杂? 解剖分流, 真性分流? 死腔样通气?
( 四 ) 急性呼吸窘迫综合征 Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) 急性呼吸窘迫综合征为肺泡膜血管内皮细胞 - 上皮细胞损伤引起, 表现为弥漫性中性粒细胞聚积和富含蛋白液体充盈, 进行性低动脉血氧的急性呼吸衰竭症候群
Histologic & Ultrastructural Analysis Of The Injured Lung Has Been Integral To ALI/ARDS A low-power light micrograph of a lung biopsy specimen collected two days after the onset of ALI/ARDS demonstrates key features of diffuse alveolar damage, including hyaline membranes, inflammation, intra-alveolar red cells and neutrophils, and thickening of the alveolar-capillary membrane. A higher-power view of a different field illustrates a dense hyaline membrane and diffuse alveolar inflammation. Polymorphonuclear leukocytes are imbedded in the proteinaceous hyaline membrane structure. The blue arrow points to the edge of an adjacent alveolus, which contains myeloid leukocytes. Matthay & Zemans. Annu Rev Pathol Mech Dis, 6:147 63, 2011.
ARDS 病因 (The etiology) 致肺损伤的直接因素 :1, 严重肺部感染, 包括细菌 真菌 病毒及肺囊虫感染等 ;2, 误吸, 包括胃内容物 烟雾及毒气等误吸 ;3, 肺挫伤 ;3, 淹溺 ;5, 肺栓塞, 包括脂肪 羊水 血栓栓塞等 ;6, 放射性肺损伤 :7, 氧中毒等 致肺损伤的间接因素 :1, 严重感染及感染性休克 ; 2, 严重非肺部创伤 ;3, 急性重症胰腺炎 ;4, 体外循环 ;5, 大量输血 ;6, 大面积烧伤 ;7, 弥散性血管内凝血 ; 8, 神经源性因素, 见于脑干或下丘脑损伤等 ; 9, 一些药物如阿片类镇痛药 三环类抗抑郁药和部分抗癌药等 宋振举, 白春学. 内科理论与实践, 5: 496-9, 2010. Phua J et al.crit Care Med, 36:2912-21, 2008.
ARDS: 诊断 诊断 : 有发病的高危因素 急性起病, 呼吸频数和 ( 或 ) 呼吸窘迫 低氧血症 :PaO 2 /FIO 2 : 200 mm Hg (>200 but 300 mm Hg: acute lung injury) 胸部 x 线检两肺浸润 无左房高压临床证据或肺毛细血管楔压 (pulmonary capillary wedge pressure) 18 mmhg ( 正常 : 6-12 mmhg; 一种左房压力间接测量指标 ) 中华医学会重症医学分会. 急性肺损伤, 急性呼吸窘迫综合征诊断与治疗指南 (2006). 中华内科杂志, 46(5): 430-5, 2007
Frontal Portal Chest Radiograph Showing Diffuse Bilateral Infiltrates Consistent With Acute Lung Injury Wheeler AP, Bernard GR. Lancet. 369:1553-64, 2007.
肺毛细血管楔压 : 漂浮导管 Pulmonary Capillary Wedge Pressure: Swan-ganz Catheter Chatterjee K Circulation 2009;119:147-152
Pulmonary Artery Catheterization
ARDS 临床表现 大多数 ARDS 患者起病急剧. 进展快, 多数在原发病发病 2~3 天内发生 除原发病的表现外, 典型 ARDS 表现为呼吸困难 窘迫, 以一般氧疗方法难以纠正 早期检查可无明显异常. 多见呼吸频数 唇指紫绀 心率增加, 肺部听诊可闻及少量干哕音或哮鸣音 后期出现湿哕音并呈肺实变体征 往往以双下肺为著
ALI/ARDS: 疗效 (The Outcome) 在大多数情况下约一半的 ALI/ARDS 患者在入院 7-10 天死亡或无需治疗, 也有相当大比例的患者缓慢复苏, 高达 10% 的患者需要 1 个多机械协助通气一个月, 数据表明, 目前的治疗效果可能比以前想象的要好得多, 有近 70% 的存活率, 幸存者肺部功能恢复正常 6-12 个月, 心肺功能的恢复可能不是最重要的问题 精神障碍和神经肌肉无力可能频繁发生, 往往延误返回学校或数个月的工作, 偶尔可以是永久性的 Wheeler AP, Bernard GR. Lancet. 369:1553-64,2007.
ARDS: Common Precipitating Conditions with Effect on Incidence and Outcome Condition Incidence of acute respiratory distress syndrome (%) Mortality (%) Sepsis syndrome (SIRS) 29 32 Pneumonia 38 36 Extra pulmonary source 15 29 Septic shock 37 55 Pulmonary source 48 56 Extra pulmonary source 25 54 Trauma* 12-18 10 Blood transfusion (>8 units 29 57 within 24 hours) Gastrointestinal aspiration 22-38 52 *, Defined as multiple fractures with or without pulmonary contusion. SIRS: systemic inflammatory response syndrome ( 全身炎症反应综合症 ). Leaver SK, BMJ 335: 389-94, 2007.
ARDS 发生机制 (Pathogenesis) 致病因子 肺泡膜损伤通透性 释放细胞因子 (IL-1,TNF 等 ) 肺血管内皮细胞损伤释放炎性介质 中性粒细胞激活释放炎性介质 ( 缓激肽,PAF, 血栓素, 活性氧等 ) 肺泡上皮细胞损伤表面活性物质 肺水肿 微血栓 血管收缩 支气管痉挛 肺不张 死腔样通气 功能性分流 PaO 2, PaCO 2
临床案例 (Clinical Case) 一名 23 岁健康男性身体在飞机着陆事故受到多处创伤 烧伤 吸入浓烟 入院时的血压 80/50 毫米汞柱, 立即予以快速大剂量输液, 气管插管, 呼吸机辅助呼吸 (O 2 :40%), 呼吸率 :15 次 / 分 ( 正常 :12-18 次 / 分 ), 潮气量 :600 ml( 正常 :500 ml) 患者动脉血气 :ph:7.43( 正常 :7.35-7.45),P a O 2 :65 mmhg,p a CO 2 :39 mmhg 患者无气胸, 对其创伤 烧伤等给予了治疗 入院 24 小时后, 患者变得焦虑不安, 呼吸率增至 32 次 / 分, 每分钟通气量从 9L 升至 20L, 血气 :ph:7.32,p a O 2 :40 mmhg,p a CO 2 :50 mmhg, 肺动脉导管氧饱和度测算肺动静脉分流为 40%, 后前位胸片示双肺弥漫性浸润 患者经 40% 氧气呼气末正压呼吸机通气及其他支持疗法, 低血氧逐步改善,6 星期后恢复出院
严重急性呼吸道综合征 ( 传染性非典型肺炎, Severe acute respiratory syndrome,sars) 是一个感染性肺炎常发展成 ALI / ARDS 的例子, 由于弥散性肺泡膜损伤 严重低血氧致死, 由冠状病毒可通过呼吸道分泌物传播与发展, 经过 2-11 天发热后发作, 平均病死率 9.6%,45-64 岁患者病死率为 15%,65 岁以上患者为 > 50% 与之相比, 流感平均病死率仅为 0.6%
2003 年 6 月的一个星期六上午 10 点左右花园北路 - 北大医学部南门附近
问题 : 急性呼吸窘迫综 合征的概念及发生机制?
二 呼衰时机体功能和代谢变化 Functional and Metabolic Change in Respiratory Failure ( 一 ) 酸碱平衡紊乱和电解质变化 呼酸 : Ⅱ 型呼衰 CO 2 潴留 血 K +, 血 Cl - 血中 H + 与细胞内的 K + 交换使血 K + 升高 同时肾排 H + 增多, 而排 K + 减少, 可以导致细胞外钾浓度增高 血浆内 CO 2 弥散入红细胞, 在细胞内在碳酸酐酶作用下生成的 HCO 3 - ( 碳酸氢根 ) 与 Cl - 进行交换进入血浆, 使血清 CI - 浓度降低.
二 呼衰时机体功能和代谢变化 ( 一 ) 酸碱平衡紊乱和电解质变化 呼碱 :I 型呼衰 肺过度通气 血 K +, 血 Cl - 代酸 : 严重缺氧无氧代谢, 乳酸
( 二 ) 呼吸调节变化 (Change in Regulation of Respiration) PaO 2 <60 mmhg PaCO 2 外周化学感受器 中枢化学感受器 呼吸加深加快 PaO 2 <30 mmhg PaCO 2 >80 mmhg 抑制呼吸中枢
( 三 ) 循环系统变化 (Changes in Circulation System) 轻度 PaO 2 和 PaCO 2 血管运动中枢 可兴奋心 严重 PaO 2 和 PaCO 2 抑制心血 管运动中枢
肺源性心脏病 (cor pulmonale): 简称肺心病, 急性肺心病可由肺栓塞引起, 慢性肺心病可由慢性缺氧性肺血管收缩引起 肺动脉高压导致右心室肥大 心力衰竭 缺氧肺小动脉收缩肺动脉压 右心后负荷 长期缺氧肺血管平滑肌增殖管壁增厚 长期缺氧 促红细胞生成素 红细胞增多 血液粘度 心负荷 缺氧 酸中毒心肌舒缩功能
( 四 ) 中枢神经系统变化 Changes in Central Nervous System PaO 2 : 60 mmhg 智力, 视力轻度减退 40-50 mmhg 神经精神症状 20 mmhg 神经细胞不可逆损坏 PaCO 2 >80 mmhg: CO 2 麻醉 ( 头痛, 头昏, 嗜睡, 精神错乱, 扑翼样震颤, 抽搐, 及昏迷等中枢神经系统症状 ) 肺性脑病 (pulmonary encephalopathy): 呼衰引起的脑功能障碍
肺性脑病发生机制 Pathogenesis of pulmonary encephalopathy PO 2 PaCO 2 脑血管扩张 血管内皮损伤 血管通透性 脑充血 脑水肿 颅内压 脑脊液 ph γ- 氨基丁酸 磷脂酶活性 溶酶体酶释放 中枢抑制 神经损伤
问题 : 呼吸衰竭时呼吸调节的变化? 肺源性心脏病发生机制? 肺性脑病的定义及发生机制?
五 呼衰的防治原则 Principals of the Prevention and Treatment of Respiratory Failure ( 一 ) 一般原则 (General Principals) 1. 防治原发病及诱发因素 2. 改善通气 氧疗 3. 纠正水 电解质及酸碱平衡紊乱 4. 保护重要器官功能
( 二 ) 吸氧 (Oxygen Inhalation) I 型呼衰只有缺 O 2 而无 CO 2 潴留, 可吸入较高浓度 O 2, 一般不超过 50% II 型呼衰有 CO 2 潴留, 应持续低浓度低流量吸氧, 如 30%,1~2L/min, 使 P a O 2 上升到 60 mmhg 慢性 Ⅱ 型呼吸衰竭病人, 中枢化学感受器对增高的 PaCO2 敏感性降低, 只能通过 PaO 2 低于 60 mmhg 剌激外周化学感受器来兴奋呼吸中枢, 所以应持续低浓度低流量 ( 一般不超过 33%) 吸氧, 通过保持一定程度的缺氧状态, 维持呼吸中枢的兴奋性 如果慢性 Ⅱ 型呼吸衰竭病人吸入高浓度氧, 可能进一步抑制呼吸中枢, 加重 CO 2 潴留, 诱发肺性脑病
问题 :II 型呼吸衰竭吸氧 的原则?
Vocabulary respiratory failure ( 呼吸衰竭 ) respiratory insufficiency ( 呼吸功能不全 ) restrictive hypoventilation ( 限制性通气不足 ) obstructive hypoventilation ( 阻塞性通气不足 ) diffusion impairment ( 弥散障碍 ) functional shunt ( 功能性分流 ) venous admixture ( 静脉血掺杂 ) anatomic shunt ( 解剖分流 ); true shunt( 真性分流 ) dead space like ventilation ( 死腔样通气 ).. ventilation-perfusion ratio ( V ( 肺泡通气与血流比例 ) A /Q ) acute respiratory distress syndrome (ARDS) ( 急性呼吸窘迫综合征 ) cor pulmonale ( 肺源性心脏病 ) pulmonary encephalopathy ( 肺性脑病 )
Thanks! 谢谢!