第一节 概述
呼吸是指机体与外界环境之间的气体交换。机体通过呼吸不断地从外界环境中摄取氧气并排出二氧化碳。呼吸的全过程包括三个相互联系的环节：①外呼吸：包括肺通气（肺与外界的气体交换）和肺换气（肺泡与血液之间的气体交换）两个过程；②气体在血液中的运输；③内呼吸：指血液与组织细胞之间的气体交换，以及细胞内生物氧化的过程。
正常人在静息时，动脉血氧分压（PaO2）为10．7～13．3kPa（80～100mmHg），PaO2随年龄及海拔高度而异，成年人在海平面时的正常范围为：PaO2＝（13．3－0．043×年龄）±0．66kPa；动脉血二氧化碳分压（PaCO2）为4．8～5．9kPa（36～44mmHg），极少受年龄的影响。
当外呼吸功能发生严重障碍，以致在海平面静息呼吸空气的条件下，PaO2低于或伴有PaCO2高于正常范围的病理过程，称为呼吸衰竭（respiratory failure）。当吸入气的氧浓度（FiO2）不足20%时，可采用呼吸衰竭指数（respiratory failure index，RFI）作为呼吸衰竭的诊断指标。RFI＝PaO2／FiO2，如RFI≤300可诊断呼吸衰竭。
呼吸衰竭在临床上有各种分类法：①根据其发生的速度不同，分为急性和慢性。急性呼吸衰竭时，机体的适应代偿功能往往不能充分发挥，因而出现严重的病理变化。慢性呼吸衰竭，在早期或轻症时，机体一般可以代偿，只有当代偿失调时才发生严重的病理变化。②根据引起呼吸衰竭的原发病变部位不同。分为中枢性及外周性呼吸衰竭。中枢性者多由颅脑或脊髓病变所引起，外周性者多由呼吸器官或胸腔病变所引起。③根据血气变化的特点，又分为低氧血症型（Ⅰ型）和高碳酸血症型（Ⅱ型）呼吸衰竭。前者仅有PaO2降低，而PaCO2不增高；后者除了PaO2降低外，同时还伴有PaCO2增高。④根据发病机制的不同，分为通气性和换气性呼吸衰竭。
第二节 呼吸衰竭的病因和发病机制
外呼吸包括肺通气和肺换气两个环节。前者指外界气体与肺泡气交换的过程，后者指肺泡气与血液间的气体交换过程。
一、肺通气功能障碍
正常成人肺总通气量约为6L／min，包括有效肺泡通气量和死腔通气量，其中后者约占30%，因此当肺总通气量下降或死腔通气量增加，导致有效肺泡通气量不足可发生呼吸衰竭。
1．限制性通气不足
吸气时肺泡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）。其原因如下：
（1）呼吸肌功能障碍 呼吸肌舒缩有赖于呼吸中枢的调节，吸气运动是个主动过程，由于膈肌的收缩，使胸廓上下径增大；肋间外肌的收缩，使胸廓前后径和左右径增大。此时，肺内压降低，肺脏扩张，空气进入肺内。呼气时由于胸廓及肺泡的弹性回缩力，使肺容积变小，肺内压高于大气压，肺内气体便被排出体外。因此，吸气过程更易发生障碍。
在病理情况下，如脑部的炎症、肿瘤、肋间神经和呼吸肌的麻痹，以及重症肌无力、低血钾等，均可使呼吸动力减弱，减小呼吸运动，从而引起通气障碍。近年来，呼吸肌疲劳在呼吸衰竭发病中的作用越来越受到人们的重视。呼吸肌（特别是膈肌）疲劳是指长时间呼吸困难和呼吸运动增强，而引起收缩力和（或）收缩速度降低，可见于慢性阻塞性肺疾患（COPD）患者。
（2）顺应性下降 顺应性是指胸廓和肺的可扩张性，通常用单位压力变化所引起的容量变化来表示，为弹性阻力的倒数。如弹性阻力小，顺应性就大，就容易扩张；反之，顺应性下降，扩张受限。①胸廓的顺应性降低：多见于严重的胸腔积液、气胸、胸廓畸形、胸膜黏连与纤维化等。②肺的顺应性降低：肺的顺应性取决于肺的容量、肺的弹性和肺泡表面活性物质。当这些因素发生异常或障碍时，可使肺的扩张性减小，而导致肺的顺应性降低。
肺容量减小：肺容量减小时，肺的顺应性降低。因为在同样增加一升气体时，总容量小的肺，其扩张的比例要大于总容量大的肺，故所遇到的阻力也相应增大，为克服加大的这部分阻力，就需要施加较大的压力才能使肺容量扩张，因而顺应性降低。见于肺叶切除、肺实变、肺不张等。
肺的弹性度降低：当肺的弹性度降低时，扩大肺容量就需要施加较大的压力，因而顺应性降低。肺纤维化、肺水肿病变都可使肺的弹性度降低。
肺泡表面活性物质：肺泡表面活性物质是一种脂蛋白，主要成分是二软脂酰卵磷脂，约占其重量50%以上，其由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成并主动分泌，具有降低肺泡表面张力的作用，因而可防止肺泡萎缩。正常情况下，吸气末时，肺泡表面积增大，表面活性物质的分布密度下降，表面张力增大，易使肺泡回缩；呼气末时，肺泡表面积减小，表面活性物质的分布密度增加，表面张力下降，有利于肺泡扩张。如果肺泡表面活性物质减少，肺泡张力增加，可导致肺泡萎陷、融合，形成很多微型肺不张。
引起肺泡表面活性物质减少的原因：①合成与分泌减少：Ⅱ型肺泡上皮细胞发育不全或急性肺损伤，如婴儿呼吸窘迫综合征、休克、创伤等；②消耗、稀释和破坏过度：肺过度通气、长期高浓度给氧和肺水肿时的水肿液冲刷等。总之，肺泡表面活性物质缺乏是发生呼吸衰竭的一个重要环节。
（3）胸腔积液或气胸 胸腔大量积液或张力性气胸，可使胸腔负压减小，限制肺的扩张，甚至造成压迫性肺萎陷。
2．阻塞性通气不足
由于气道狭窄或阻塞而造成呼吸道阻力异常增高所引起的通气障碍，称为阻塞性通气不足（obstructive hypoventilation）。气体在气道内流动必须克服阻力。气道阻力是气体分子间及气体和呼吸道内壁之间摩擦所产生的阻力，生理情况下，成人气道呼气时阻力略高于吸气时，安静状态下80%以上的阻力产生于直径大于2mm 的支气管和气管，不到20%的阻力来源于外周小气道。小气道的病变早期难以在气道总阻力上反映出来，常被称为肺的“沉默区”，所以，能否早期检测出小气道阻力的改变是诊断疾病的关键所在。
影响气道阻力的因素很多，包括气道内径、长度、形态及气流速度和形式，根据公式P ＝8ηL／π r4（式中：η 为气体黏滞度，L 为气道的长度，r 为气道的半径），可见气道内径是最主要的影响因素。气道管壁痉挛、肿胀、纤维化，管腔被黏液、渗出物、异物等阻塞，管壁外的肿瘤压迫，以及肺组织弹性降低使之对气道壁的牵引力减弱等，均可使气道狭窄或变形，引起阻塞性通气不足。根据气道阻塞的部位不同，以支气管分叉为界，分为中央性气道阻塞和外周性气道阻塞。
（1）中央性气道阻塞 阻塞部位在胸内和胸外时，呼气和吸气的阻力变化特征不相同。
当阻塞位于胸外气道时，吸气时因气流经过狭窄处，使气道内压下降，且明显低于大气压，气道也因受压而狭窄加重；呼气时气道内压大于大气压，使阻塞减轻，气道阻力变小，故此类病人表现为吸气性呼吸困难。当阻塞位于胸内中央气道时，其跨壁压取决于气道内压与胸内压之差。吸气时，胸内负压增加，气道内压大于胸内压，气道有所扩张，使阻塞减轻；用力呼气时，由于胸内压增高而压迫气道使之狭窄加重，故此类病人表现为呼气性呼吸困难。
（2）外周性气道阻塞 外周气道阻塞又称小气道阻塞，内径小于2mm 的细支气管无软骨组织支撑，胸内压及周围弹性组织的牵引力影响其口径。吸气时，胸内压下降，肺泡扩张，管周弹性组织被拉紧，管壁受牵拉而管径增大；呼气时，胸内压增高，肺泡缩小，管周弹性组织松弛，管径变小。故外周小气道阻塞表现为呼气性呼吸困难。临床常见的引起小气道阻塞的疾病有慢性支气管炎、支气管哮喘、慢性阻塞性肺气肿等。慢性阻塞性肺部疾病往往是在慢性支气管炎、肺气肿和哮喘的基础上产生的，呼气性呼吸困难的特点正符合等压点（isobaricpoint）理论。
所谓“等压点”理论是指：用力呼气时胸内压和气道内压均高于大气压，在呼出气道上，压力由小气道至中央气道逐渐下降，通常将气道内压和胸内压相等的气道部位称为等压点。
一般把肺泡到等压点这段气道称为上游段，由于呼气时气道内压大于胸内压，气道不易被压缩；而等压点到鼻子、口腔这段气道称为下游段，气道内压小于胸内压，气道易被压缩。正常人的等压点位于软骨性气道，因而不会闭合，而慢性支气管炎病人由于小气道阻力异常增大，用力呼气过程小气道压降更大，导致等压点上移（移向小气道）；肺气肿病人由于肺弹性回缩力下降，使胸内压升高，引起等压点上移，等压点移至无软骨支撑的膜性气道，出现小气道受压而闭合。
无论上述哪种类型通气障碍，氧的吸入和二氧化碳的排出均受到阻碍，使肺泡氧分压降低，二氧化碳分压增高，从而导致动脉血氧分压降低，二氧化碳分压增高，因而属于低氧血症伴高碳酸血症型呼吸衰竭。
二、肺换气功能障碍
换气是指肺泡与毛细血管间进行的气体交换。要完成正常的换气必须有相应的气体弥散与协调的肺血流量。当上述两者发生异常时，皆可导致换气障碍。
1．弥散障碍（diffusion impairment）
弥散障碍是指氧和二氧化碳通过肺泡膜进行气体交换的过程发生障碍。气体的弥散过程受肺泡与血流间的气体分压差、气体在液体中的溶解度、肺泡膜面积与厚度等因素的影响。肺泡膜的病变引起弥散障碍的发生机制为：
（1）弥散膜面积减少 成人肺泡总面积约80m2左右，平静呼吸时，只有1／2的肺泡参与气体交换，因此，肺泡膜面积的储备量是很大的。只有当弥散面积减少一半以上时，才会使气体弥散发生障碍，导致呼吸衰竭。临床多见于肺叶切除、肺实变、肺不张、肺气肿等疾患。
（2）弥散膜厚度增加 肺泡膜即肺泡-毛细血管膜（包括肺泡表面液层、肺泡上皮、基底膜、间质、血管内皮等），厚度平均约1μm，通透性非常大。当弥散膜增厚时，使弥散距离加大，可导致气体弥散障碍。弥散膜增厚，临床见于肺水肿、肺间质纤维化、肺泡透明膜形成及血浆层变厚时，由于弥散距离加大，造成气体弥散速度减慢。
（3）血液与肺泡接触时间过短 正常机体在静息时，血液流经肺泡毛细血管的时间大约为0．75s，而完成气体交换的时间氧气只需0．25s，二氧化碳更短。肺泡膜病变时虽然弥散速度减慢，但在静息时气体交换在0．75s 内仍可达到血气与肺泡气的平衡，而不出现血气的异常。但是在体力负荷增加等使心输出量增加和肺血流速度加快时，血液与肺泡接触时间明显缩短，导致气体不能充分交换。
当弥散障碍时，氧由肺泡弥散到血液的过程发生障碍，使动脉血氧分压降低，肺泡气氧分压与动脉血氧分压差增大。但动脉血二氧化碳分压可正常，这是由于二氧化碳的溶解度比较大，其弥散能力比氧约大20倍，因此能较快地弥散入肺泡使PaCO2与PACO2取得平衡，保持二氧化碳的排出，甚至可因缺氧所引起的代偿性呼吸加深加快而使二氧化碳排出增多，致使动脉血二氧化碳分压降低。因此，单纯弥散障碍所引起的呼吸衰竭是属于低氧血症型呼吸衰竭。
2．肺泡通气与血流比例失调（ventilation‐perfusion imbalance）
有效的换气不仅需要肺泡有足够的通气量和充分的血流量，而且二者要有一个适当的比例关系。正常人一分钟肺泡通气量（VA ）约为4L，一分钟肺血流量（Q）约为5L，故通气／血流比值（VA ／Q）为0．8，此时流经肺的静脉血能最充分地动脉化。由于重力关系，肺内的气体与血流分布是不均匀的，直立体位时，肺通气量与血流量自上而下递增，尤其是血流量的变化更为显着，因此，造成各肺区的VA ／Q 比值不同，在肺上部为3．0，而肺底部为0．6，但是通过自身调节机制，整个肺脏的气体交换仍可保持动脉血氧分压于100mmHg，动脉血氧饱和度达95%～98%。
在病理情况下，由于部分肺泡的通气或血流减少，都可使肺泡通气量与血流量的比例失常而引起气体交换障碍。主要原因是：
（1）部分肺泡通气不足，即部分肺泡VA ／Q 比值减低，是指部分肺泡因阻塞性或限制性通气障碍而引起通气不足，但流经这部分肺泡的血流未相应减少，使VA ／Q 比值降低，造成流经这部分肺泡的静脉血未经充分氧合便掺入动脉血内，称为静脉血掺杂（venous admixture），这种情况类似动-静脉短路，亦称为功能性分流（functional shunt）。在正常人中就有一部分静脉血可由支气管静脉流入肺静脉，最后进入体循环，但其血流量仅占肺血流的2%～3%。严重的慢性阻塞性肺疾患时，功能性分流增加到占肺血流的30%～50%，从而严重影响换气功能。