一、發(fā)病原因
慢性呼吸衰竭常為支氣管-肺疾患所引起，如COPD、重癥肺結(jié)核、支氣管擴(kuò)張癥、彌漫性肺間質(zhì)纖維化、塵肺等，其中COPD最常見。胸廓病變?nèi)缧夭渴中g(shù)、外傷、廣泛胸膜增厚、胸廓畸形亦可引起慢性呼吸衰竭。
二、發(fā)病機(jī)制
肺的主要生理功能是進(jìn)行氣體交換，此交換主要涉及機(jī)體通過肺組織從體外攝取氧和機(jī)體代謝后所產(chǎn)生的二氧化碳通過肺組織排出體外。氣體在機(jī)體內(nèi)的運(yùn)輸要依靠血液循環(huán)來完成，組織細(xì)胞則從血液或組織液內(nèi)環(huán)境中攝取氧并排出二氧化碳。呼吸的全過程包括3個(gè)相互聯(lián)系著的環(huán)節(jié)：①外呼吸，指外界環(huán)境與血液在肺部實(shí)現(xiàn)的氣體交換。它包括肺通氣(肺與外界的氣體交換)和肺換氣(肺泡與血液之間的氣體交換)兩個(gè)過程。②氣體在血液中的運(yùn)輸。③內(nèi)呼吸，指血液或組織液與組織之間的氣體交換。呼吸衰竭所涉及機(jī)制主要是外呼吸，它包括肺換氣和肺通氣，下面分別加以敘述。
1、肺換氣功能障礙
肺的氣體交換系指肺泡內(nèi)氣體與肺泡毛細(xì)血管血液中氣體的交換，主要是氧與二氧化碳的交換。肺氣體交換主要決定于通氣/血流灌注比值(V/Q)與彌散功能。Ⅰ型呼吸衰竭的主要發(fā)病機(jī)制為換氣功能障礙，主要有通氣/血流比例失調(diào)和彌散功能障礙兩種。
(1)通氣/血流比例失調(diào)：
肺有效的氣體交換不僅要求有足夠的通氣量與血流量，而且要求二者的比例適當(dāng)。在靜息狀態(tài)下，健康人肺泡通氣量約為4L/min，肺血流量約為5L/min，全肺平均V/Q大約為0.8。當(dāng)通氣量大于肺血流量，V/Q>0.8，此時(shí)進(jìn)入肺泡的氣體不能完全充分與肺泡毛細(xì)血管內(nèi)血液接觸，從而得不到充分氣體交換，即為肺泡內(nèi)過多的氣體交換沒有足夠的血流交換，造成無效腔通氣。例如臨床上常見的肺氣腫、肺大皰和肺栓塞。當(dāng)肺血流量較肺通氣量增加時(shí)，V/Q<0.8，此時(shí)靜脈血流經(jīng)通氣不良的肺泡毛細(xì)血管未經(jīng)充分氧合返回左心，形成了動(dòng)脈血內(nèi)靜脈血摻雜，稱之為功能性動(dòng)-靜脈血分流，例如嚴(yán)重COPD病人存在功能性分流。肺不張時(shí)，肺內(nèi)氣體減少或無氣體，而血流繼續(xù)，V/Q=0。此時(shí)流經(jīng)肺臟的血液完全未進(jìn)行氣體交換而摻入動(dòng)脈血，類似解剖分流，也稱為真性分流，或稱為病理性動(dòng)-靜脈血分流。 V/Q比例失調(diào)主要引起低氧血癥，也是引起低氧血癥最常見的機(jī)制，對(duì)PaCO2影響甚微。其原因?yàn)椋孩賱?dòng)、靜脈二氧化碳分壓差值僅為6mmHg，而動(dòng)、靜脈血氧分壓差值約為60mmHg，當(dāng)V/Q<0.8時(shí)混合靜脈血加入動(dòng)脈血后，對(duì)PaO2的影響明顯大于PaCO2。②V/Q>0.8或V/Q<0.8時(shí)，均可表現(xiàn)為V/Q正常的肺泡通氣量代償性增加，而二氧化碳的彌散速率約為氧的21倍，而且二氧化碳的解離曲線呈線性，只要正常肺泡通氣量增加，即可排出更多二氧化碳。其結(jié)果表現(xiàn)為：PaO2下降而無PaCO2升高。
(2)彌散功能障礙：
氣體彌散系指氣體分子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動(dòng)的過程。彌散是一被動(dòng)移動(dòng)的過程，因而不需要消耗能量。彌散的機(jī)制是氣體分子的隨意運(yùn)動(dòng)，彌散的結(jié)果使不同濃度的分子最終達(dá)到平衡。肺泡內(nèi)氣體與肺泡壁毛細(xì)血管血液中氣體(主要是指氧與二氧化碳)交換是通過彌散進(jìn)行的。肺彌散能力不僅受肺泡毛細(xì)血管膜影響，也受肺毛細(xì)血管血流的影響。健康成人肺彌散量(DL)約為35ml O2/(mmHg·min)。凡能影響肺泡毛細(xì)血管膜面積、肺泡毛細(xì)血管床容積、彌散膜厚度以及氣體與血紅蛋白結(jié)合的因素，均能影響彌散功能。在臨床實(shí)踐中，彌散功能障礙極少是惟一病理因素，疾病過程中彌散功能障礙往往總是與通氣/血流比例失調(diào)同時(shí)存在。因?yàn)榉闻菽ぴ龊窕蛎娣e減少常導(dǎo)致通氣/血流比例失調(diào)。由于二氧化碳通過肺泡毛細(xì)血管膜的彌散速率約為氧的21倍，所以彌散功能障礙主要是影響氧的交換。彌散功能障礙所致低氧血癥可用吸入高濃度氧加以糾正，因?yàn)榉闻菅醴謮禾岣呖梢钥朔黾拥膹浬⒆枇?。臨床上常可用吸氧糾正低氧血癥，也可用吸氧是否能糾正低氧血癥來識(shí)別是彌散功能障礙所致低氧血癥抑或動(dòng)-靜脈分流所致的低氧血癥。
2.肺通氣功能障礙
肺通氣是指通過呼吸運(yùn)動(dòng)使肺泡氣與外界氣體交換的過程。凡能影響肺通氣與阻力的因素均可影響肺通氣功能，肺通氣功能的正常與通氣量大小，不只是決定于推動(dòng)肺通氣的動(dòng)力大小，還要決定于肺通氣的阻力。肺通氣是在呼吸中樞的調(diào)控下，通過呼吸肌的收縮與松弛，使胸廓和肺作節(jié)律性的擴(kuò)大和縮小得以實(shí)現(xiàn)。在靜息呼吸空氣時(shí)，總肺泡通氣量約為4L/min，才能維持正常氧和二氧化碳分壓。當(dāng)肺通氣功能障礙時(shí)，肺泡通氣量不足，肺泡氧分壓下降，二氧化碳分壓上升，可發(fā)生Ⅱ型呼吸衰竭，即PaO2下降和PaCO2升高同時(shí)存在。肺通氣功能障礙可分限制性通氣不足與阻塞性通氣不足兩種類型。由肺泡張縮受限引起者稱限制性通氣不足;因氣道阻力增高引起者稱阻塞性通氣不足。下面分別加以闡述。
(1)限制性通氣不足：
吸氣時(shí)肺泡的張縮受限制所引起的肺泡通氣不足稱為限制性通氣不足(restrictive hypoventilation)。通常吸氣運(yùn)動(dòng)是吸氣肌的收縮引起主動(dòng)過程，呼氣則是肺泡彈性回縮和肋骨與胸骨借重力作用復(fù)位的被動(dòng)過程。主動(dòng)過程容易發(fā)生障礙易導(dǎo)致肺泡擴(kuò)張受限。其主要涉及呼吸肌、胸廓、呼吸中樞和肺的順應(yīng)性，前三者的障礙可統(tǒng)稱為呼吸泵衰竭。①呼吸泵衰竭主要因呼吸驅(qū)動(dòng)不足，如安眠藥中毒、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾患均可影響呼吸驅(qū)動(dòng)力不足;呼吸運(yùn)動(dòng)受限制，如多種疾病引起的呼吸肌功能受累例如吉蘭-巴雷綜合征、低鉀血癥等和胸廓疾患例如胸廓畸形、脊柱后側(cè)凸、大量胸腔積液和氣胸等。晚近，已認(rèn)識(shí)到在COPD病人中呼吸肌疲勞是引起呼吸泵衰竭的重要原因之一。②肺的順應(yīng)性降低也是COPD病人引起限制性通氣不足的原因之一。
(2)阻塞性通氣不足：
由于氣道狹窄或阻塞引起的氣道阻力增高而導(dǎo)致通氣障礙稱為阻塞性通氣不足(obstructive hypoventilation)。支氣管壁充血、腫脹、增生，管壁平滑肌痙攣，管腔內(nèi)分泌物增多潴積、異物等阻塞，肺泡壁破壞和肺泡間隔缺失所致的肺組織彈性降低，以致對(duì)氣道壁的牽引力減弱等，均可使氣道內(nèi)徑變窄或不規(guī)則而增加氣道阻力，從而引起阻塞性通氣不足。 氧耗量增加是加重低氧血癥的原因之一。發(fā)熱、寒戰(zhàn)、呼吸困難和抽搐均可增加氧耗量。因?yàn)檠鹾牧吭黾涌蓪?dǎo)致混合靜脈血氧分壓下降，從而加重動(dòng)-靜脈分流所引起的低氧血癥。氧耗量增加肺泡氧分壓下降，正常人可借助增加通氣量以防止缺氧，而氧耗量增加的通氣功能障礙患者，肺泡氧分壓不斷提高，缺氧亦難緩解。
3.病理生理
呼吸衰竭時(shí)發(fā)生的缺氧和二氧化碳潴留可影響全身各系統(tǒng)器官的代謝和功能，其對(duì)機(jī)體的損害程度取決于缺氧和二氧化碳潴留發(fā)生的速度、程度和持續(xù)時(shí)間。若缺氧和二氧化碳潴留同時(shí)存在時(shí)，對(duì)機(jī)體的損害更為明顯，其中缺氧對(duì)機(jī)體損害顯得更為重要。在所有缺氧引起的臟器損害中，心、腦、肺血管、肝、腎對(duì)缺氧最敏感。下面分別對(duì)缺氧和二氧化碳潴留加以闡述。
(1)缺氧的病理生理：
?、賹?duì)呼吸系統(tǒng)的影響：
慢性呼吸衰竭病人，因原有肺部疾病存在著呼吸系統(tǒng)癥狀，但缺氧和二氧化碳潴留又可進(jìn)一步影響呼吸功能，有時(shí)兩者難以分辨出來。缺氧時(shí)，位于頸動(dòng)脈體和主動(dòng)脈弓的外周化學(xué)感受器可產(chǎn)生興奮，并刺激呼吸中樞，反射性增強(qiáng)呼吸運(yùn)動(dòng)，具有代償意義，此反應(yīng)在PaO2低于60mmHg時(shí)才明顯。臨床上可表現(xiàn)為呼吸頻率增加和肺通氣量增加。但此種保護(hù)性反射作用是有一定限度，當(dāng)PaO2低于30mmHg時(shí)，缺氧對(duì)呼吸中樞有直接的抑制作用，此作用可大于反射性興奮作用，而使呼吸抑制。表現(xiàn)為呼吸頻率和肺通氣量均明顯降低或減少，以至呼吸節(jié)律變慢、幅度變淺、最終呼吸完全停止。另外，長(zhǎng)時(shí)間增強(qiáng)的呼吸運(yùn)動(dòng)可使呼吸肌耗氧量劇增，加上血氧供應(yīng)不足，可導(dǎo)致呼吸肌疲勞，使呼吸肌收縮減弱，呼吸變淺而快，肺泡通氣量減少，可加重呼吸衰竭。
②對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的影響：
缺氧對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的影響包括心臟與血管。缺氧的早期，一定程度PaO2降低可興奮心血管運(yùn)動(dòng)中樞，使心率加快、心肌收縮力增強(qiáng)、外周血管收縮。外周血管收縮可使有效循環(huán)血容量增加，心輸出量增加。但是此時(shí)心、腦血管是擴(kuò)張的，保證了心、腦的血液供應(yīng)。嚴(yán)重缺氧或缺氧的晚期因A.對(duì)心血管中樞的直接抑制作用，直接抑制心臟活動(dòng)和擴(kuò)張血管;B.組織和細(xì)胞得不到充分的氧供或當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重代謝性酸中毒時(shí)，組織和細(xì)胞攝取氧和利用氧的能力也隨之下降;C.缺氧引起的心肌不可逆性損傷。上述3種因素均可引起心率變慢、心肌收縮力下降、心輸出量減少、心律失常，甚至很快出現(xiàn)心臟停止等嚴(yán)重后果。缺氧可引起廣泛的肺小動(dòng)脈收縮，肺循環(huán)阻力增加，肺動(dòng)脈高壓，特別是COPD引起的呼吸衰竭病人，由于本身已存在肺小動(dòng)脈壁平滑肌細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的肥大和增生，膠原蛋白與彈性蛋白合成增多，導(dǎo)致肺血管壁增厚和硬化、管腔變窄，這是形成持久的穩(wěn)定的慢性肺動(dòng)脈高壓的解剖學(xué)基礎(chǔ)。此時(shí)，缺氧引起的肺小動(dòng)脈收縮是加重肺動(dòng)脈高壓的重要因素。長(zhǎng)期的肺動(dòng)脈高壓必導(dǎo)致右心室肥大、擴(kuò)張，右心室負(fù)荷加重，最后引起慢性肺源性心臟病。
?、蹖?duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響：
腦對(duì)缺氧非常敏感，大腦皮質(zhì)尤為敏感，缺氧最容易引起腦功能障礙。缺氧可使腦血管擴(kuò)張和損傷血管內(nèi)皮使其通透性增高，導(dǎo)致腦間質(zhì)水腫。缺氧也可使細(xì)胞氧化過程障礙，細(xì)胞內(nèi)ATP生成減少，Na -K 泵所需的能量不足，再加上乳酸生成增多，細(xì)胞內(nèi)pH降低，均可引起細(xì)胞內(nèi)Na 及水增多，引起腦細(xì)胞水腫。腦充血、水腫使顱內(nèi)壓增高，壓迫腦血管，更加重腦缺氧，由此形成惡性循環(huán)。供氧停止4～5min可發(fā)生腦組織不可逆性損傷。早期輕、中度缺氧可表現(xiàn)為興奮性增高、判斷力降低、不安及精神錯(cuò)亂等;重度缺氧或缺氧晚期可由興奮轉(zhuǎn)為抑制，表情淡漠、嗜睡、甚至昏迷、驚厥，最后可因呼吸、循環(huán)中樞抑制而死亡。
?、軐?duì)血液系統(tǒng)的影響：
慢性缺氧刺激骨髓造血功能增強(qiáng)，可引起紅細(xì)胞和血紅蛋白增多。增多的紅細(xì)胞可以增加血液攜氧能力，也增加了組織的氧供，這是對(duì)機(jī)體有利的一面。但長(zhǎng)期的紅細(xì)胞過多必然增加血液黏滯度，從而加重心臟負(fù)擔(dān)，這是不利的一面。另外，長(zhǎng)期缺氧可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞損害，導(dǎo)致血小板黏附、凝集、溶解，并釋放血小板因子，促進(jìn)凝血活酶形成，使血液進(jìn)入高凝狀態(tài)，易形成凝血和血栓，誘發(fā)彌散性血管內(nèi)凝血(DIC)。
?、輰?duì)腎臟、肝臟、消化系統(tǒng)的影響：
缺氧可反射性通過交感神經(jīng)使腎血管收縮，腎血流量嚴(yán)重減少，可引起腎功能不全。如同時(shí)有心力衰竭、彌散性血管內(nèi)凝血和休克存在時(shí)，則腎的血液循環(huán)和腎功能障礙更嚴(yán)重。通常，輕者尿中出現(xiàn)蛋白、紅細(xì)胞、白細(xì)胞等，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)少尿、氮質(zhì)血癥，但此時(shí)腎結(jié)構(gòu)并無明顯改變，為功能性腎功能不全，只要缺氧糾正，腎功能就可較快地恢復(fù)正常。缺氧也可引起肝血管收縮，可致肝小葉中心區(qū)細(xì)胞變性壞死，肝功能受損，但多見為功能性改變，隨著缺氧的改善可恢復(fù)正常。只有缺氧嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生肝細(xì)胞壞死。如COPD并發(fā)肺心病慢性右心功能不全者可致肝淤血、腫大，久之可導(dǎo)致肝硬化，但較少見。嚴(yán)重缺氧可使胃壁血管收縮，因而降低胃黏膜的屏障作用，加上二氧化碳潴留，可增強(qiáng)胃壁細(xì)胞碳酸酐酶活性，使胃酸分泌增多，故可出現(xiàn)胃黏膜糜爛、壞死、出血與潰瘍形成。
(2)二氧化碳潴留的病理生理：
二氧化碳潴留對(duì)機(jī)體的影響常與缺氧密切相關(guān)，因?yàn)榕R床上所見的Ⅱ型呼吸衰竭往往是二氧化碳潴留伴有缺氧，單純二氧化碳潴留而無缺氧只見于吸氧條件下的Ⅱ型呼吸衰竭，因此二氧化碳潴留和缺氧對(duì)機(jī)體損害往往難以分清。二者同時(shí)存在對(duì)機(jī)體的損害更為明顯。
①對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響：
PaCO2升高主要通過對(duì)呼吸中樞化學(xué)感受器的刺激使呼吸中樞興奮，引起呼吸加深加快，使通氣量增加。當(dāng)PaCO2超過80mmHg時(shí)，呼吸中樞反而受到抑制。此時(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)主要靠低氧血癥對(duì)頸動(dòng)脈體和主動(dòng)脈弓的外周化學(xué)感受器的刺激得以維持，特別是對(duì)慢性Ⅱ型呼吸衰竭病人，由于較長(zhǎng)時(shí)間的高PaCO2，使呼吸中樞適應(yīng)了高PaCO2的內(nèi)環(huán)境，因而不再興奮，若高濃度吸氧會(huì)解除低氧血癥對(duì)呼吸的刺激，使通氣量減少。因此在臨床上對(duì)Ⅱ型呼吸衰竭病人的氧療，主張吸入氧濃度<33%。
②對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的影響：
二氧化碳潴留對(duì)循環(huán)系統(tǒng)最突出的影響是血管擴(kuò)張，如周圍皮膚血管、腦血管、冠狀動(dòng)脈血管等。因此臨床上COPD引起的Ⅱ型呼吸衰竭病人經(jīng)常出現(xiàn)球結(jié)膜水腫、面部潮紅、四肢皮膚溫暖，病人常主訴頭痛、頭昏，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)血壓下降，這些均可能是血管擴(kuò)張的結(jié)果。 一定程度PaCO2升高，也可刺激心血管運(yùn)動(dòng)中樞和交感神經(jīng)，使心率加快，心收縮力增強(qiáng)，心輸出量增高，內(nèi)臟血管收縮，血壓升高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，二氧化碳潴留與心輸出量增加成正比，即PaCO2越高，心輸出量越大。然而PaCO2升高至一定水平時(shí)，心輸出量反而下降，并可出現(xiàn)心律失常。其原因：A.嚴(yán)重二氧化碳潴留可直接抑制心血管運(yùn)動(dòng)中樞;B.嚴(yán)重二氧化碳潴留可引起嚴(yán)重呼吸性酸中毒，當(dāng)pH<7.20時(shí)，可引起心肌收縮無力，心輸出量下降;外周血管對(duì)血管活性物質(zhì)敏感性下降，引起血壓下降;心肌室顫閾下降易引起心室纖顫。
?、蹖?duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響：
二氧化碳潴留對(duì)中樞神經(jīng)起抑制作用。臨床上所見的慢性胸肺疾患引起的Ⅱ型呼吸衰竭病人，一旦出現(xiàn)神經(jīng)精神癥狀，即可診斷為肺性腦病(pulmonary encephalopathy)。其原因就是與二氧化碳潴留和缺氧有關(guān)。二氧化碳潴留可使腦血管擴(kuò)張，腦血流量增加，顱內(nèi)壓升高。早期可出現(xiàn)頭痛、頭昏、嗜睡，晚期還可出現(xiàn)昏迷、譫妄、精神錯(cuò)亂、撲翼樣震顫、抽搐等顱內(nèi)高壓的癥狀與體征。然而，大量臨床資料表明，二氧化碳潴留引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)改變，不僅與二氧化碳潴留程度有關(guān)，而且與二氧化碳潴留發(fā)生速度有關(guān)。同時(shí)，不容忽視，二氧化碳潴留引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)改變還與伴隨著缺氧程度、酸中毒，特別是腦細(xì)胞內(nèi)酸中毒有關(guān)，嚴(yán)重缺氧與酸中毒可加重腦水腫、顱內(nèi)壓增高與神經(jīng)細(xì)胞的損傷。
?、軐?duì)酸堿平衡和電解質(zhì)的影響：
二氧化碳潴留可引起呼吸性酸中毒，此時(shí)機(jī)體通過血液緩沖、細(xì)胞內(nèi)外離子交換、腎臟代償?shù)却鷥敊C(jī)制，可使血HCO3-代償性升高，而血Cl-相應(yīng)降低。其結(jié)果為維持HCO3-/PCO2相對(duì)正常范圍。pH=PK log(HCO3-/PCO2)在較小范圍內(nèi)變化。但機(jī)體代償有一定范圍，即慢性呼吸性酸中毒預(yù)計(jì)代償公式為△HCO3-=0.35 x △PCO2 ± 5.58。呼吸性酸中毒由于PH下降，可引起細(xì)胞內(nèi)外離子交換，即細(xì)胞外Na 、1H 與細(xì)胞內(nèi)3K 相交換，同時(shí)腎小管Na -H 交換加強(qiáng)，Na -K 交換減少。上述兩種因素均可導(dǎo)致細(xì)胞外液K 濃度增高，即酸中毒高鉀。
