外呼吸包括肺通气和肺换气，前者指肺泡气与外界气体交换的过程，后者是肺泡气与血液之间的气体交换过程。

呼吸衰竭则是肺通气或(和)肺换气功能严重障碍的结果。

• 一、肺通气功能障碍

正常成人在静息时有效通气量约为4L/min。

当肺通气功能障碍使肺泡通气不足时可发生呼吸衰竭。

肺通气障碍包括限制性通气不足和阻塞性通气不足。

1. 限制性通气不足

限制性通气不足( restrictive hypoventilation )指由于吸气时肺泡的扩张受限所引起的肺泡通气不足。

通常吸气运动是呼吸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。主动过程更易发生障碍。

限制性通气不足主要原因包括:

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、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，均可累及呼吸肌收缩功能而引起限制性通气不足。

②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。

③肺的顺应性降低：

如严重的肺纤维化或肺泡表面活性物质减少可降低肺的顺应性，使肺泡扩张的弹性阻力增大而导致限制性通气不足。

④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。

2. 阻塞性通气不足

阻塞性通气不足( obstructive hypoventilation)指气道狭窄或阻塞所致的通气障碍。

成人气道阻力正常约为0.75 ~2.25mmHg·s/L， 呼气时略高于吸气时。

影响气道阻力的因素有：气道内径、长度和形态、气流速度和形式等，其中最主要的是气道内径。

气管痉挛、管壁肿胀或纤维化，管腔被黏液、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。

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，不足20%位于直径小于2mm的外周小气道。

气道阻塞可分为中央性与外周性：

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、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；呼气时由于胸内压升高而压迫气道，使气道狭窄加重，患者表现为呼气性呼吸困难(expiratory dyspnea)。

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片，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，因此随着吸气与呼气而伸缩，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，不仅可使管壁增厚或痉挛和顺应性降低，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。

外周性气道阻塞的患者用力呼气时可引起小气道闭合，从而导致严重的呼气性呼吸困难。

其机制为：用力呼气时胸内压和气道内压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”(equal pressure point)。 等压点下游端(通向鼻均高于大气压，在呼出气道上，压力腔的一端)的气道内压低于胸内压，气道可能被压缩。

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。肺气肿者由于肺泡弹性降低引|起肺泡内压降低从而导致等压点上移至无软骨小气道，用力呼气可使小气道闭合，而出现呼气性呼吸困难。

3. 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 PO₂，P_AO₂)下降和肺泡气二氧化碳分压( alveolar PCO₂,P_ACO₂)升高，因而流经肺泡毛细血管的血液不能被充分动脉化，导致PaO₂降低和PaCO₂升高，最终出现I型呼吸衰竭。

PaCO₂是反映总肺泡通气量变化的最佳指标。

• 二、肺换气功能障碍

肺换气功能障碍包括弥散障碍、肺泡通气与血流比例失调以及解剖分流增加。

1. 弥散障碍( diffusion impairment)

指由肺泡膜面积减少或肺泡膜异常增厚和弥散时间缩短引起的气体交换障碍。

肺泡气与肺泡毛细血管中血液之间的气体交换是一个物理弥散过程。

气体弥散速度取决于肺泡膜两侧的气体分压差、气体的分子量和溶解度、肺泡膜的面积和厚度。气体弥散量还取决于血液与肺泡接触的时间。

（1）弥散障碍的常见原因

①肺泡膜面积减少：

正常成人肺泡总面积约为80m²。静息时参与换气的面积约为35 ~ 40m² ,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。

肺泡膜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：

肺泡膜的薄区，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1μm，是气体交换的部位。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,但总厚度不到5μm，故正常气体交换很快。

当肺水肿、肺泡透明膜形成(主要成分是血浆蛋白和坏死的肺泡上皮碎片)、肺纤维化及肺泡毛细血管扩张等导致血浆层变厚时，可因弥散距离增宽使弥散速度减慢。

③弥撒时间缩短：

正常静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间约为0.75秒，而血液氧分压只需0.25秒就可升至肺泡气氧分压水平。

肺泡膜病变和肺泡膜面积减少时，虽然弥散速度减慢，但在静息时气体交换在0.75秒内仍可达到血气与肺泡气的平衡，因而不发生血气的异常。但是在体力负荷增加等使心输出量增加和肺血流加快时，血液和肺泡接触时间过于缩短，导致低氧血症。

（2）弥散障碍时的血气变化

Ⅰ型呼衰： PaO₂↓ ，PaCO₂正常或降低。

2. 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CO₂，使血液动脉化，还取决于肺泡通气量与血流量的比例。

如肺的总通气量和总血流量正常，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 ，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和最重要的机制。

正常成人在静息状态下，肺泡每分通气量(V_A)约为4L，每分钟肺血流量(Q)约为5L，两者的比率(V_A/Q)约为0.8。

健康人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,故肺尖部的肺泡扩张的程度较大，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，上肺与下肺血流量的差别比通气量的差别更明显，故使肺部的V_A/Q自上而下递减。正常青年人肺尖部V_A/Q可高达3.0，而肺底部仅有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的比例不均衡是造成正常 PaO₂比P_AO₂稍低的主要原因。

当肺组织发生病变时，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的比例不平衡，可以造成严重的肺泡通气与血流比例失调，导致换气功能障碍。

（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，但流经病变肺泡的血液未相应减少，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(与氧结合不充分)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)。

功能性分流时 肺动脉血的血气变化：

（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，患部肺泡血流量减少但通气未相应减少甚至增多，导致V_A/Q显著大于正常，使患部肺泡通气不能充分被利用，称为死腔样通气( dead space like ventilation)。

 正常人肺的生理死腔( deadspace , VD)约占潮气量( tidal volume , VT)的30%，疾病时功能性死腔( functional dead space, VDf)可显著增多，使VD/VT高达60% ~70%，从而导致呼吸衰竭。

死腔样通气时肺动脉血的血气变化：

总之，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PaO₂降低，而PaCO₂可正常或降低；

严重的肺内分流(功能性分流和死腔通气)可引起PaCO₂升高，出现高碳血症型呼吸衰竭(Ⅱ型呼吸功能衰竭)。

3. 解剖分流增加

解剖分流(anatomic shunt)是指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。

生理情况下，肺内也存在少量的解剖分流。这些解剖分流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，故又称为真性分流(true shunt）。

吸人纯氧可有效地提高功能性分流的PaO₂，而对真性分流的PaO₂则无明显作用，用这种方法可对两者进行鉴别。

• 三、常见呼吸系统疾病导致呼吸功能衰竭的机制

在呼吸衰竭的发病机制中，单纯通气不足或单纯换气功能障碍，如单纯弥散障碍，单纯肺内分流增加或单纯死腔增加的情况较少见，往往是几个因素同时存在或相继发生作用。

例如，在急性呼吸窘迫综合征时，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等。

1.急性呼吸窘迫综合征( acute respiratory distress syndrome, ARDS)与呼吸衰竭

ARDS是由急性肺损伤(acute lung injury,ALI)引起的一种急性呼吸衰竭。

急性肺损伤的原因很多，可以是全身性病理过程，如休克、大面积烧伤、败血症等；化学性因素，如吸入毒气、烟雾、胃内容物等；物理性因素，如放射性损伤等；生物因素，如肺部冠状病毒感染引起的严重急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome , SARS)等；或由某些治疗措施，如作体外循环、血液透析等所致。

由此可见，ARDS是由不同病因引起的具有明显特征性的急性肺损伤，其损伤特点为弥散性肺泡损伤(difuse alveolar damage)，特征性病理改变包括肺泡上皮、血管内皮损伤、肺泡膜通透性增加、大量中性粒细胞浸润，肺泡内透明膜形成，以低氧血症和呼吸窘迫为主要临床表现的临床综合征。

肺泡通气血流比例失调是ARDS患者呼吸衰竭的主要发病机制。

患者由于PaO₂降低对血管化学感受器的刺激和肺充血、水肿对肺泡毛细血管旁J感受器的刺激，使呼吸运动加深加快，导致呼吸窘迫和PaCO₂降低。故ARDS患者通常发生I型呼吸衰竭；极端严重病人，由于肺部病变广泛，肺总通气量减少，引起PaCO₂升高，从而导致ARDS患者从I型呼吸衰竭加重为Ⅱ型呼吸衰竭。

2.慢性阻塞性肺疾病( chronic obstructive pulmonary disease, COPD)与呼吸衰竭

COPD指由慢性支气管炎和肺气肿引起的慢性气道阻塞，简称“慢阻肺”，其共同特征是管径小于2mm的小气道阻塞和阻力增高。

COPD 是引起慢性呼吸衰竭( chronic respiratory failure) 的最常见的原因。

• 四、临床常用肺通气功能评价指标

肺通气功能检测是临床诊断呼吸系统疾病和评价呼吸功能的重要辅助检测指标 ，临床常用的指标包括:

1. 每分通气量(minute ventilation, VE )

指在安静状态下 ,测定的每分通气量。

该指标可以反映肺通气储备功能，VE降低说明肺通气功能损伤严重。

2. 每分钟肺泡通气量( minute alveolar ventilation, VA )

指每分钟肺泡交换气体的体积。

VA= (潮气容积-无效腔容积) x呼吸频率, VA可以直接反映有效通气量。

3. 用力肺活量(forced vital capacity, FVC )和一秒钟用力呼气容积(forced expiratory volume in one second, FEV1) 

FVC 指深吸气后，用力以最快速度所呼出的气体容积，正常在3秒钟内全部呼出。

FEV1指深吸气后，用力以最快速度在第一秒呼出的气体容积。

FEV1% = FEV1/FVCx100%临床上常用其反映气道阻力。

4. 最大通气量( maximal voluntary ventilation, MVV )

指每分钟最大和最快深呼吸所测定的通气总量。MVV可以反映气道的动态功能。

5. 最大呼气中段流量( maximal mid-expiratory flow curve, MMEF)

指将 用力呼出的气体容积分成四等份，其中间呼出气体(即MMEF25%~75%)的容积除以呼气所需的时间。

MMEF可以比较准确地反映气道的阻塞程度，是小气道功能评价的最佳指标。