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，V/Q<0.8，此時靜脈血流經(jīng)通氣不良的肺泡毛細(xì)血管未經(jīng)充分氧合返回左心，形成了動脈血內(nèi)靜脈血摻雜，稱之為功能性動-靜脈血分流，例如嚴(yán)重COPD病人存在功能性分流。肺不張時，肺內(nèi)氣體減少或無氣體，而血流繼續(xù)，V/Q=0。此時流經(jīng)肺臟的血液完全未進(jìn)行氣體交換而摻入動脈血，類似解剖分流，也稱為真性分流，或稱為病理性動-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PaCO2影響甚微。其原因為：①動、靜脈二氧化碳分壓差值僅為6mmHg，而動、靜脈血氧分壓差值約為60mmHg，當(dāng)V/Q<0.8時混合靜脈血加入動脈血后，對PaO2的影響明顯大于PaCO2。②V/Q>0.8或V/Q<0.8時，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)移動的過程。彌散是一被動移動的過程，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，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)同時存在。因為肺泡膜增厚或面積減少常導(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，因為肺泡氧分壓提高可以克服增加的彌散阻力。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別是彌散功能障礙所致低氧血癥抑或動-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，不只是決定于推動肺通氣的動力大小，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)大和縮小得以實現(xiàn)。在靜息呼吸空氣時，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，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)動是吸氣肌的收縮引起主動過程，呼氣則是肺泡彈性回縮和肋骨與胸骨借重力作用復(fù)位的被動過程。主動過程容易發(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)動力不足;呼吸運(yùn)動受限制，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。因為氧耗量增加可導(dǎo)致混合靜脈血氧分壓下降，從而加重動-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)時間。若缺氧和二氧化碳潴留同時存在時，對機(jī)體的損害更為明顯，其中缺氧對機(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、腎對缺氧最敏感。下面分別對缺氧和二氧化碳潴留加以闡述。
(1)缺氧的病理生理：
①對呼吸系統(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，有時兩者難以分辨出來。缺氧時，位于頸動脈體和主動脈弓的外周化學(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，具有代償意義，此反應(yīng)在PaO2低于60mmHg時才明顯。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，缺氧對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，長時間增強(qiáng)的呼吸運(yùn)動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對循環(huán)系統(tǒng)的影響：
缺氧對循環(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.對心血管中樞的直接抑制作用，直接抑制心臟活動和擴(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，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脈收縮，肺循環(huán)阻力增加，肺動脈高壓，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)定的慢性肺動脈高壓的解剖學(xué)基礎(chǔ)。此時，缺氧引起的肺小動脈收縮是加重肺動脈高壓的重要因素。長期的肺動脈高壓必導(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。
③對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響：
腦對缺氧非常敏感，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。
④對血液系統(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，這是對機(jī)體有利的一面。但長期的紅細(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)。
⑤對腎臟、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。如同時有心力衰竭、彌散性血管內(nèi)凝血和休克存在時，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)重時可出現(xiàn)少尿、氮質(zhì)血癥，但此時腎結(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：
二氧化碳潴留對機(jī)體的影響常與缺氧密切相關(guān)，因為臨床上所見的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機(jī)體損害往往難以分清。二者同時存在對機(jī)體的損害更為明顯。
①對呼吸系統(tǒng)的影響：
PaCO2升高主要通過對呼吸中樞化學(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，呼吸中樞反而受到抑制。此時呼吸運(yùn)動主要靠低氧血癥對頸動脈體和主動脈弓的外周化學(xué)感受器的刺激得以維持，特別是對慢性Ⅱ型呼吸衰竭病人，由于較長時間的高PaCO2，使呼吸中樞適應(yīng)了高PaCO2的內(nèi)環(huán)境，因而不再興奮，若高濃度吸氧會解除低氧血癥對呼吸的刺激，使通氣量減少。因此在臨床上對Ⅱ型呼吸衰竭病人的氧療，主張吸入氧濃度<33%。
②對循環(huán)系統(tǒng)的影響：
二氧化碳潴留對循環(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，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，可引起心肌收縮無力，心輸出量下降;外周血管對血管活性物質(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。
③對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響：
二氧化碳潴留對中樞神經(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，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。
④對酸堿平衡和電解質(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。
