呼吸衰竭時機體的主要機能代謝變化
外呼吸功能障礙引起的直接效應是血液氣體的變化，即PaO 2 降低或同時伴有PaCO 2 增高或降低。呼吸衰竭時機體各系統的機能變化的最重要的原因就是低氧血癥，高碳酸血癥和酸堿平衡紊亂。低氧血癥和高碳酸血癥對機體的影響取決于其發生的急緩、程度、持續的時間以及機體原有的機能代謝狀況等。在發病過程中，尤其是在病程遷延的慢性呼吸衰竭病人，常出現一系列代償適應反應，可改善組織的供氧，并調節酸堿平衡，或改變組織器官的機能代謝以適應新的環境。嚴重時，呼吸系統以外的器官也可發生功能紊亂，甚至成為死亡的直接原因。
一、氣體代謝變化
呼吸衰竭時必定有血液氣體的變化，有時因原發疾病的掩蓋，呼吸衰竭本身引起的臨床表現可不明顯，但根據血液氣體的變化可判斷是否發生了呼吸衰竭。由于病變部位、性質與程度以及機體反應性和代償功能的不同，呼吸衰竭時的血液氣體變化也可不全相同，大致有下列四種類型：
（一）PaO 2 下降PaCO 2 上升，二者成一定比例關系
各種原因只要引起總肺泡通氣量不足，就會使肺泡氣氧分壓（P Ao2 ）下降和肺泡氣二者氧化碳分壓（P Aco2 ））增高，流經肺泡毛細血管的血液不能充分動脈化，因而必然導致（Pao 2 ）降低和P A co 2 增高。P Aco2 取決于每分肺泡通氣量（V A ）與體內每分鐘產生的二氧化碳量（Vco 2 ）,可以下式表示之，P Aco2 ＝0.86×Vco 2 /V A 。如Vco 2 不變，只要通氣減少，P Aco2 必增，而肺泡毛細血管末端血液的二氧化碳分壓幾乎和P Aco2 相等，故Paco 2 增高是全肺通氣不足的特征。根據肺泡氣體公式(Pao 2 =Pio 2 -P A co 2 /R,如吸入氣氧分壓(Pio 2 ）為150mmHg，當通氣減少一半時，P A co 2 即由正常的5.33kPa（40mmHg）增至10.7kPa（80mmHg）。在R（即RQ，呼吸商）為0.8時，P A o 2 就由15.3kPa（100mmHg）降至6.67kPa（50mmHg）。這種變化反映在動脈血液氣體分壓也有相似的變化，即Pao 2 下降和Paco 2 上升，二者呈一定比例地加重（圖13－4A）。通常見于呼吸中樞抑制與中央氣道狹窄阻塞等所引起的通氣不足時。
（二）PaO 2 下降而Paco 2 變動不大
這種血液氣體的變化可見于下列情況：
1.肺泡通氣血流比例失調肺功能分流增加時，流經此處的靜脈血不能充分動脈化，因此氧分壓降低二氧化碳分壓增高。由于Paco 2 升高剌激中樞化學感受器以及PaO 2 降低剌激主動脈體，頸動脈體化學感受器，故呼吸快速，每分通氣量增加，代償性過度通氣的肺泡的P A o 2 增高而P A co 2 降低，血液流經這些肺泡，其氧分壓也會有所增高，二氧化碳分壓也必然降低。混合的肺靜脈血最終往往是氧分壓低于正常，而二氧化碳分壓正常或略有降低。死腔樣通氣增多時，病變區域的血液固然可以充分氧合，但浪費了通氣，其余肺泡就會相對通氣不足，因而也出現功能分流增加，其血液氣體變化也是PaO 2 降低而PaCO 2 變動較小（圖13－4C）。
圖13－4 呼吸衰竭時不同類型的血氣變化
A. PaO 2 ↓PaCO 2 ↑，二者變動值呈一定比例
B. PaO 2 ↓PaCO 2 ↑，二者變動值不呈一定比例
C.PaO 2 ↓PaCO 2 ，不變E. D用氧后
D.PaO 2 ↓PaCO 2 明顯降低 F. B用氧后
部分肺泡通氣血流比例失調時，往往只引起低氧血癥而無高碳酸血癥，主要是由血液二氧化碳解離曲線和氧離曲線的特性所決定。在PaCO 2 相當于5.00-8.00kPa(40-60mmHg)時，血液二氧化碳分壓改變與二氧化碳的含量改變幾乎呈直線關系（圖13－5），在代償性過度通氣的肺泡，只要P A co 2 降低，血液中二氧化碳就可得到更多的排除，因此可以代償那些通氣不足的肺泡所造成的二氧化碳潴留。而氧離曲線的特點則與此不同。當氧分壓為13.3kPa(100mmHg)時，血氧飽和度已達95～98％，過度通氣的肺泡即使提高了氧分壓，流經的血液氧飽和度和氧含量的增加也是極微少的，因此不能代償通氣不足的肺泡所造成的低氧血癥（圖13－6）。
圖13－5 血液二氧化碳解離曲線
圖中kPa相當于mmHg的數值
kPa mmHg
| 2.67 | 20 |
| 5.33 | 40 |
| 8.00 | 60 |
| 10.7 | 80 |
| 13.3 | 100 |
| 16.0 | 120 |
| 18.67 | 140 |
肺順應性降低引起的限制性通氣障礙的患者，呼吸常加快，總通氣量可增加。同時因其病變常不是均勻一致的，還有肺泡通氣血流比例失調，故體內二氧化碳可化償性地排出增多，其血液氣體變化亦常為Pao 2 下降，而Paco 2 不變或略低。
功能性分流增加和死腔樣通氣增多引起的缺氧，都可用吸入高濃度氧治療得到緩解。肺內短路也可引起類似功能分流的血氣變化，唯吸入高濃度氧不能改變缺氧。
2.彌散障礙肺泡膜面積減少、厚度增加或通透性降低時，除因同時存在的肺泡通氣血流比例失調可引起低氧血癥外，嚴重時本身也可因氧從肺泡彌散到血液的過程受阻而使PaO 2 下降。但因二氧化碳的彌散能力很強（約比氧大20倍）其排出受影響較小，故PaCO 2 多正常，甚至因為代償性通氣過度而有所下降。這類病人吸入高濃度氧也可解除低氧血壓。
彌散障礙與肺泡通氣血流比例失調都使換氣不能有效地進行，因此Pao 2 低于P A o 2 ，P A o 2 和Pao 2 的差值增大是它們的共同特征。
（三）PaO 2 下降，Paco 2 升高，二者變化不成一定比例關系
這種血液氣體變化可見于下列情況：
1.胸廓順應性降低引起的限制性通氣不足 由于胸廓的病變常不對稱均勻，故此時呼吸衰竭的發病機制，不僅是肺泡通氣不足，還有肺泡通氣血流比例失調。此時，胸廓的的病變又限制了通氣反應，使之不能充分加強，二氧化碳雖可代償性排出一部分，但又排出不足，故血液氣體變化為Pao 2 降低，PaCO 2 上升，但二者的變化不是一致的比例關系，其中以Pao 2 下降程度較為嚴重（圖13－4B）。
圖13－6 肺泡通氣與肺泡PO 2 、肺泡Pco 2 、
動脈血氧飽和度和動脈血pH的關系
2.慢性阻塞性肺疾患由于此時外周小氣道阻塞等病變也不均勻一致，故肺泡通氣血流比例明顯失調。這是導致血液氣體異常的重要機制。血液氣體變化除可表現為Pao 2 降低Paco 2 不變外，在有些患者可能因中樞神經系統反應性不同而使增強通氣的反應有所減弱，故不僅有Pao 2 降低，而且早期就有Paco 2 升高，只是Paco 2 變動程度小于Pao 2 變動的程度，二者不呈固定的比例關系。這些慢性呼吸衰竭患者因肺泡通氣血流比例失調而CO 2 增強呼吸的作用又減弱，故Paco 2 升高，直到每分鐘產生的CO 2 全由通氣良好的肺泡排出，則又可使二氧化碳的生成和排出在高Paco 2 水平上達到新的平衡，因此Paco 2 可較長期維持于較高水平，患者尚能繼續生存。
（四）Pao 2 下降，Paco 2 也明顯下降
在肺泡通氣血流比例失調引起呼吸衰竭的患者中，有些在Pao 2 下降的同時Paco 2 也明顯降低（圖13－4D）。這種情況可見于成人呼吸窘迫綜合征和肺廣泛纖維性變等。血液氣體的這種變化，可能是由于此時肺間質中感受器受到強烈刺激而反射性引起通氣極度加強所致，故即使糾正缺氧，通氣過度仍可持續存在。
二、酸堿平衡及電解質紊亂
呼吸衰竭時，不僅因外呼吸障礙可引起酸堿平衡紊亂，而且還可因并發腎功能障礙、感染、休克以及某些治療措施不當等因素而出現不同類型的酸堿平衡紊亂。因此患者的表現可能是多樣的。由于外呼吸功能嚴重障礙本身引起的有呼吸性酸中毒、呼吸性堿中毒、代謝性酸中毒或呼吸性酸中毒合并代謝性酸中毒。
（一）呼吸性酸中毒 Ⅱ型呼吸衰竭時，大量二氧化碳潴留，可造成原發性血漿碳酸過多。發病急驟者，往往代償不全而出現失代償性呼吸性酸中毒，如發病較緩慢，則可出現代償性呼吸性酸中毒。此時血液電解質主要有如下的變化。①血清鉀濃度增高：急性呼吸性酸中毒時，主要是由于細胞內外離子分布改變，細胞內鉀外移而引起血清鉀濃度增高；慢性呼吸性酸中毒時，則是由于腎小管上皮細胞泌氫和重吸收碳酸氫鈉增多而排鉀減少，故也可導致血清鉀濃度增高。②血清氯濃度降低，碳酸氫根增多；當血液中二氧化碳潴留時，在碳酸酐酶及緩沖系統作用下，紅細胞中生成碳酸氫根增多，因而進入血漿的碳酸氫根也增多，同時發生氯轉移，血漿中氯離子進入紅細胞增多，因此血清氯離子減少而碳酸氫根增加。另一方面，由于腎小管泌氫增加，碳酸氫鈉重吸收和再生增多，而較多氯離子則以氯化鈉和氯化銨的形式隨尿排出，因而也可引起血清氯離子減少和碳酸氫根增多。
（二）代謝性酸中毒或呼吸性酸中毒合并代謝性酸中毒 由于嚴重缺氧，無氧代謝加強，酸性代謝產物增多，可引起代謝性酸中毒，或呼吸性酸中毒合并代謝性酸中毒。如患者合并腎功能不全或感染、休克等、則因腎臟排酸保堿功能障礙或體內固定酸產生增多，將更加重代謝性酸中毒。此時血清鉀濃度增高可更明顯。
（三）呼吸性堿中毒 Paco 2 明顯下降的患者，可因原發性碳酸過低而發生呼吸性堿中毒，由于發病急驟，故多為失代償性呼吸性堿中毒。此時因細胞外鉀離子進入細胞內，可發生血清鉀濃度降低。由于二氧化碳排出過多，血漿中碳酸氫根移入紅細胞增多，氯離子則轉移至紅細胞外，加之腎排出氯也減少，故血清氯濃度增高。血漿碳酸氫根則因移入紅細胞以及腎小管重吸收和再生碳酸氫鈉減少而濃度降低。
此外，某些呼吸衰竭患者可以發生代謝性堿中毒，多屬醫源性，發生于治療過程中或治療后。如使用人工呼吸機，過快排出大量二氧化碳，而原來代償性增加的碳酸氫根又不能迅速排出，因此發生代謝性堿中毒；由于鉀攝入不足、應用排鉀利尿劑和腎上腺皮質激素等可導致低鉀癥性堿中毒等。
三、呼吸系統變化
呼吸衰竭病人的呼吸功能變化，很多是由原發疾病引起的。如阻塞性通氣障礙時，由于氣流受阻，呼吸可減慢。隨著阻塞部位的不同，以及阻塞是可變還是固定，呼氣與吸氣困難的程度亦可不一。在肺順應性降低的疾病，則因牽張感受器或肺-毛細血管旁感受器（juxtapulmonary-capillary receptor, J感受器）興奮而反射地引起呼吸淺快。中樞性呼吸衰竭可出現呼吸淺慢，或出現潮式呼吸、間歇呼吸、抽泣樣呼吸、吸氣樣呼吸、下頜呼吸等呼吸節律紊亂。
外呼吸功能障礙造成的低氧或高碳酸血癥可進一步影響呼吸功能。Pao 2 降低作用于頸動脈體與主動脈體化學感受器（其中主要是頸動脈體化學感受器），反射性增加通氣，但此反應要Pao 2 低于8.0kPa(60mmHg)時才明顯。二氧化碳潴留主要作用于中樞化學感受器，使呼吸中樞興奮，從而引起呼吸加深加快，增加肺泡通氣量。但Pao 2 低于4.0kPa(30mmHg)時或Paco 2 超過12.0kPa(90mmHg)時，將損害或抑制呼吸中樞。
在慢性Ⅱ型呼吸衰竭病人，隨著低氧血癥和高碳酸血癥發展的逐漸嚴重，其呼吸調節也將發生變化：此類病人的中樞化學感受器常被抑制而對二氧化碳的敏感性降低，此時引起通氣的沖動大部來自缺氧對外周化學感受器的剌激。如果給予高濃度的氧吸入，則雖可緩解低氧血癥，但卻因此解除了缺氧反射性興奮呼吸中樞的作用，故易招致呼吸進一步的抑制，使通氣更減弱而二氧化碳的潴留更加重。此外，吸入高濃度氧使血氧飽和度回升后，由于霍爾登（Haldane）效應使二氧化碳解離曲線向右下移動（圖13－5），也可引起Paco 2 進一步增高。
四、中樞神經系統變化
呼吸衰竭時，由于低氧血癥與高碳酸血癥的作用，中樞神經系統的功能可發生明顯變化，輕度時可使興奮性升高，嚴重時將發生一系列中樞神經系統的功能障礙，直接威脅生命。低氧血癥和高碳酸血癥的作用很難截然分開。
中樞神經對缺氧很敏感，故最易受損。Pao 2 為8.0kPa(60mmHg)時可出現智力和視力輕度減退。如Pao 2 迅速降至5.33～6.66kPa(40～50mmHg)以下時，就會引起一系列神經精神癥狀，如頭痛、不安、定向與記憶障礙、精神錯亂、嗜睡，以致驚厥和昏迷，Pao 2 低于2.67kPa(20mmHg)時,只需幾分鐘就可造成神經細胞的不可逆性損害。
二氧化碳潴留發生迅速而嚴重時，也能引起嚴重的中樞神經系統功能障礙，稱為二氧化碳麻醉。一般認為，當Paco 2 超過10.7kPa(80mmHg)時，可引起頭痛，頭暈、煩躁不安、言語不清、撲翼樣震顫、精神錯亂、嗜睡、昏迷、抽搐等。其可能的作用機制如下：
（一）二氧化碳直接作用于腦血管，使之擴張。一般認為Paco 2 升高1.33kPa(10mmHg)，腦血流量約可增50％；由此可以影響腦循環，并引起毛細血管通透性增高，其結果是腦血管充血、間質水腫、顱內壓升高和視神經乳頭水腫。嚴重時還可導致腦疝形成。
（二）正常腦脊液的緩沖作用較血液為弱，其pH也較低（7.33～7.40），而Pco 2 卻比動脈血的高，血液中的碳酸氫離子及氫離子又不易進出腦脊液，故后者的酸堿調節需時較長。Ⅱ型呼吸衰竭病人的腦脊液中二氧化碳也增多，但因腦脊液緩沖能力差，故氫離子濃度增高的程度大于血液，繼而又可加重細胞內酸中毒，使神經細胞的功能發生障礙，細胞膜結構受損，通透性增高。這些變化一方面改變神經細胞內外離子分布，另一方面使溶酶體膜穩定性降低，釋出的各種水解酶，能促使蛋白分解與細胞死亡。細胞內外離子分布的改變和細胞內蛋白分解又可使細胞內滲透壓升高，促使腦細胞腫脹，顱內壓升高。
目前國內已普遍地將呼吸衰竭時由于中樞神經功能障礙而出現一系列神經精神癥狀的病理過程稱為肺性腦病。
五、循環系統變化
一定程度的缺氧可反射性興奮心血管運動中樞，從而使心率加快，心輸出量增加，皮膚及腹腔內臟血管收縮，因而發生血液重分布和血壓輕度升高。此外，缺氧時也可間接地因通氣加強，胸腔負壓增大，回心血量增加而影響循環功能。這種變化在急性呼吸衰竭時較為明顯，且有代償意義。嚴重低氧血癥時，因循環中樞與心血管受損，可發生低血壓，心收縮力降低，心律失常等后果。缺氧尤其是肺泡氣氧分壓降低可使肺小動脈收縮，這是呼吸衰竭時引起肺動脈高壓與右心衰竭的主要原因。
一定程度的二氧化碳潴留可與缺氧協同作用，反射性地引起循環功能的代償性變化。二氧化碳可反射性地引起外周血管收縮，但其直接作用，則除肺動脈外多為引起血管擴張，故二氧化碳潴留的最終效應通常為：
①皮膚血管擴張，因而肢體皮膚溫暖紅潤，常伴大量出汗；
②瞼結膜血管擴張充血；
③腦血管擴張，腦血流量增加；
④廣泛的外周血管擴張，可引起低血壓；
⑤腎與肺小動脈收縮。
呼吸衰竭可伴發心力衰竭，尤其是右心衰竭，其發生原因為肺動脈高壓和心肌受損。目前認為，不論是急性或慢性呼吸衰竭，肺血管功能性改變在肺動脈高壓的發病中都具有極重要意義。缺氧（主要是肺泡氣氧分壓降低）可引起肺血管收縮，若合并二氧化碳潴留，血液氫離子濃度增高，就更可增加肺血管對缺氧的敏感性，使肺血管收縮進一步加重，從而大大增加肺循環的阻力。如原發肺部疾病引起肺小動脈壁增厚、管腔狹窄或纖維化、肺毛細血管網受壓破壞與減少、毛細血管內皮細胞腫脹或微血栓阻塞等變化，則亦可增加肺循環阻力而導致肺動脈高壓。有的慢性呼吸衰竭患者血液中的紅細胞增多，因而血液粘滯性增高，而后者又可因合并酸中毒而加重，這也是肺動脈高壓發病的一個因素。某些患者可因血量增多，或因呼吸深快以致胸腔負壓增大，或因體循環外周血管擴張，阻力降低，以致靜脈回流增加而加重右心負荷。呼吸衰竭引起右心衰竭的另一發病因素是心肌受損。缺氧，高碳酸血癥、酸中毒和電解質代謝紊亂均可損害心肌。長期持續缺氧還可引起心肌變性、壞死、纖維化等病變。心肌受損加上負荷過重，就可導致右心衰竭。
六、腎功能變化
呼吸衰竭時腎功能也可遭到損害，輕者尿中出現蛋白、紅細胞、白細胞及管型等。嚴重時可發生急性腎功能衰竭，出現少尿、氮質血癥和代謝性酸中毒等變化。此時腎臟結構往往無明顯變化，故常為功能性腎功能衰竭。只要外呼吸功能好轉，腎功能就可較快恢復。腎功能衰竭的基本發病機制在于缺氧與高碳酸血癥反射性引起腎血管收縮，從而使腎血流量嚴重減少。若患者并發心力衰竭、播散性血管內凝血或休克，則腎臟的血液循環障礙將更嚴重而腎功能障礙也將加重。
七、胃腸道變化
嚴重缺氧可使胃壁血管收縮，因而能降低胃粘膜的屏障作用。二氧化碳潴留可增強胃壁細胞碳酸酐酶活性，使胃酸分泌增多，而且有的患者還可合并播散性血管內凝血、休克等，故呼吸衰竭時可出現胃腸道粘膜糜爛、壞死、出血與潰瘍形成等變化。
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