一、發病原因
慢性呼吸衰竭常為支氣管-肺疾患所引起，如COPD、重症肺結核、支氣管擴張症、彌漫性肺間質纖維化、塵肺等，其中COPD最常見。胸廓病變如胸部手術、外傷、廣泛胸膜增厚、胸廓畸形亦可引起慢性呼吸衰竭。
二、發病機製
肺的主要生理功能是進行氣體交換，此交換主要涉及機體通過肺組織從體外攝取氧和機體代謝後所產生的二氧化碳通過肺組織排出體外。氣體在機體內的運輸要依靠血液循環來完成，組織細胞則從血液或組織液內環境中攝取氧並排出二氧化碳。呼吸的全過程包括3個相互聯係著的環節：①外呼吸，指外界環境與血液在肺部實現的氣體交換。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氣體在血液中的運輸。③內呼吸，指血液或組織液與組織之間的氣體交換。呼吸衰竭所涉及機製主要是外呼吸，它包括肺換氣和肺通氣，下麵分別加以敘述。
1、肺換氣功能障礙
肺的氣體交換係指肺泡內氣體與肺泡毛細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於通氣/血流灌注比值(V/Q)與彌散功能。Ⅰ型呼吸衰竭的主要發病機製為換氣功能障礙，主要有通氣/血流比例失調和彌散功能障礙兩種。
(1)通氣/血流比例失調：
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。在靜息狀態下，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。當通氣量大於肺血流量，V/Q>0.8，此時進入肺泡的氣體不能完全充分與肺泡毛細血管內血液接觸，從而得不到充分氣體交換，即為肺泡內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。當肺血流量較肺通氣量增加時，V/Q<0.8，此時靜脈血流經通氣不良的肺泡毛細血管未經充分氧合返回左心，形成了動脈血內靜脈血摻雜，稱之為功能性動-靜脈血分流，例如嚴重COPD病人存在功能性分流。肺不張時，肺內氣體減少或無氣體，而血流繼續，V/Q=0。此時流經肺髒的血液完全未進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比例失調主要引起低氧血症，也是引起低氧血症最常見的機製，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V/Q<0.8時混合靜脈血加入動脈血後，對PaO2的影響明顯大於PaCO2。②V/Q>0.8或V/Q<0.8時，均可表現為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，隻要正常肺泡通氣量增加，即可排出更多二氧化碳。其結果表現為：PaO2下降而無PaCO2升高。
(2)彌散功能障礙：
氣體彌散係指氣體分子從高濃度區向低濃度區移動的過程。彌散是一被動移動的過程，因而不需要消耗能量。彌散的機製是氣體分子的隨意運動，彌散的結果使不同濃度的分子最終達到平衡。肺泡內氣體與肺泡壁毛細血管血液中氣體(主要是指氧與二氧化碳)交換是通過彌散進行的。肺彌散能力不僅受肺泡毛細血管膜影響，也受肺毛細血管血流的影響。健康成人肺彌散量(DL)約為35ml O2/(mmHg·min)。凡能影響肺泡毛細血管膜麵積、肺泡毛細血管床容積、彌散膜厚度以及氣體與血紅蛋白結合的因素，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/血流比例失調同時存在。因為肺泡膜增厚或麵積減少常導致通氣/血流比例失調。由於二氧化碳通過肺泡毛細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症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症，也可用吸氧是否能糾正低氧血症來識別是彌散功能障礙所致低氧血症抑或動-靜脈分流所致的低氧血症。
2.肺通氣功能障礙
肺通氣是指通過呼吸運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，不隻是決定於推動肺通氣的動力大小，還要決定於肺通氣的阻力。肺通氣是在呼吸中樞的調控下，通過呼吸肌的收縮與鬆弛，使胸廓和肺作節律性的擴大和縮小得以實現。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製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製性通氣不足;因氣道阻力增高引起者稱阻塞性通氣不足。下麵分別加以闡述。
(1)限製性通氣不足：
吸氣時肺泡的張縮受限製所引起的肺泡通氣不足稱為限製性通氣不足(restrictive hypoventilation)。通常吸氣運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複位的被動過程。主動過程容易發生障礙易導致肺泡擴張受限。其主要涉及呼吸肌、胸廓、呼吸中樞和肺的順應性，前三者的障礙可統稱為呼吸泵衰竭。①呼吸泵衰竭主要因呼吸驅動不足，如安眠藥中毒、中樞神經係統疾患均可影響呼吸驅動力不足;呼吸運動受限製，如多種疾病引起的呼吸肌功能受累例如吉蘭-巴雷綜合征、低鉀血症等和胸廓疾患例如胸廓畸形、脊柱後側凸、大量胸腔積液和氣胸等。晚近，已認識到在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肺的順應性降低也是COPD病人引起限製性通氣不足的原因之一。
(2)阻塞性通氣不足：
由於氣道狹窄或阻塞引起的氣道阻力增高而導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，管腔內分泌物增多瀦積、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，均可使氣道內徑變窄或不規則而增加氣道阻力，從而引起阻塞性通氣不足。 氧耗量增加是加重低氧血症的原因之一。發熱、寒戰、呼吸困難和抽搐均可增加氧耗量。因為氧耗量增加可導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症。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
呼吸衰竭時發生的缺氧和二氧化碳瀦留可影響全身各係統器官的代謝和功能，其對機體的損害程度取決於缺氧和二氧化碳瀦留發生的速度、程度和持續時間。若缺氧和二氧化碳瀦留同時存在時，對機體的損害更為明顯，其中缺氧對機體損害顯得更為重要。在所有缺氧引起的髒器損害中，心、腦、肺血管、肝、腎對缺氧最敏感。下麵分別對缺氧和二氧化碳瀦留加以闡述。
(1)缺氧的病理生理：
①對呼吸係統的影響：
慢性呼吸衰竭病人，因原有肺部疾病存在著呼吸係統症狀，但缺氧和二氧化碳瀦留又可進一步影響呼吸功能，有時兩者難以分辨出來。缺氧時，位於頸動脈體和主動脈弓的外周化學感受器可產生興奮，並刺激呼吸中樞，反射性增強呼吸運動，具有代償意義，此反應在PaO2低於60mmHg時才明顯。臨床上可表現為呼吸頻率增加和肺通氣量增加。但此種保護性反射作用是有一定限度，當PaO2低於30mmHg時，缺氧對呼吸中樞有直接的抑製作用，此作用可大於反射性興奮作用，而使呼吸抑製。表現為呼吸頻率和肺通氣量均明顯降低或減少，以至呼吸節律變慢、幅度變淺、最終呼吸完全停止。另外，長時間增強的呼吸運動可使呼吸肌耗氧量劇增，加上血氧供應不足，可導致呼吸肌疲勞，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對循環係統的影響：
缺氧對循環係統的影響包括心髒與血管。缺氧的早期，一定程度PaO2降低可興奮心血管運動中樞，使心率加快、心肌收縮力增強、外周血管收縮。外周血管收縮可使有效循環血容量增加，心輸出量增加。但是此時心、腦血管是擴張的，保證了心、腦的血液供應。嚴重缺氧或缺氧的晚期因A.對心血管中樞的直接抑製作用，直接抑製心髒活動和擴張血管;B.組織和細胞得不到充分的氧供或當發生嚴重代謝性酸中毒時，組織和細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，甚至很快出現心髒停止等嚴重後果。缺氧可引起廣泛的肺小動脈收縮，肺循環阻力增加，肺動脈高壓，特別是COPD引起的呼吸衰竭病人，由於本身已存在肺小動脈壁平滑肌細胞與成纖維細胞的肥大和增生，膠原蛋白與彈性蛋白合成增多，導致肺血管壁增厚和硬化、管腔變窄，這是形成持久的穩定的慢性肺動脈高壓的解剖學基礎。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致右心室肥大、擴張，右心室負荷加重，最後引起慢性肺源性心髒病。
③對中樞神經係統的影響：
腦對缺氧非常敏感，大腦皮質尤為敏感，缺氧最容易引起腦功能障礙。缺氧可使腦血管擴張和損傷血管內皮使其通透性增高，導致腦間質水腫。缺氧也可使細胞氧化過程障礙，細胞內ATP生成減少，Na -K 泵所需的能量不足，再加上乳酸生成增多，細胞內pH降低，均可引起細胞內Na 及水增多，引起腦細胞水腫。腦充血、水腫使顱內壓增高，壓迫腦血管，更加重腦缺氧，由此形成惡性循環。供氧停止4～5min可發生腦組織不可逆性損傷。早期輕、中度缺氧可表現為興奮性增高、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為抑製，表情淡漠、嗜睡、甚至昏迷、驚厥，最後可因呼吸、循環中樞抑製而死亡。
④對血液係統的影響：
慢性缺氧刺激骨髓造血功能增強，可引起紅細胞和血紅蛋白增多。增多的紅細胞可以增加血液攜氧能力，也增加了組織的氧供，這是對機體有利的一麵。但長期的紅細胞過多必然增加血液黏滯度，從而加重心髒負擔，這是不利的一麵。另外，長期缺氧可引起血管內皮細胞損害，導致血小板黏附、凝集、溶解，並釋放血小板因子，促進凝血活酶形成，使血液進入高凝狀態，易形成凝血和血栓，誘發彌散性血管內凝血(DIC)。
⑤對腎髒、肝髒、消化係統的影響：
缺氧可反射性通過交感神經使腎血管收縮，腎血流量嚴重減少，可引起腎功能不全。如同時有心力衰竭、彌散性血管內凝血和休克存在時，則腎的血液循環和腎功能障礙更嚴重。通常，輕者尿中出現蛋白、紅細胞、白細胞等，嚴重時可出現少尿、氮質血症，但此時腎結構並無明顯改變，為功能性腎功能不全，隻要缺氧糾正，腎功能就可較快地恢複正常。缺氧也可引起肝血管收縮，可致肝小葉中心區細胞變性壞死，肝功能受損，但多見為功能性改變，隨著缺氧的改善可恢複正常。隻有缺氧嚴重時可發生肝細胞壞死。如COPD並發肺心病慢性右心功能不全者可致肝淤血、腫大，久之可導致肝硬化，但較少見。嚴重缺氧可使胃壁血管收縮，因而降低胃黏膜的屏障作用，加上二氧化碳瀦留，可增強胃壁細胞碳酸酐酶活性，使胃酸分泌增多，故可出現胃黏膜糜爛、壞死、出血與潰瘍形成。
(2)二氧化碳瀦留的病理生理：
二氧化碳瀦留對機體的影響常與缺氧密切相關，因為臨床上所見的Ⅱ型呼吸衰竭往往是二氧化碳瀦留伴有缺氧，單純二氧化碳瀦留而無缺氧隻見於吸氧條件下的Ⅱ型呼吸衰竭，因此二氧化碳瀦留和缺氧對機體損害往往難以分清。二者同時存在對機體的損害更為明顯。
①對呼吸係統的影響：
PaCO2升高主要通過對呼吸中樞化學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PaCO2超過80mmHg時，呼吸中樞反而受到抑製。此時呼吸運動主要靠低氧血症對頸動脈體和主動脈弓的外周化學感受器的刺激得以維持，特別是對慢性Ⅱ型呼吸衰竭病人，由於較長時間的高PaCO2，使呼吸中樞適應了高PaCO2的內環境，因而不再興奮，若高濃度吸氧會解除低氧血症對呼吸的刺激，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對循環係統的影響：
二氧化碳瀦留對循環係統最突出的影響是血管擴張，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型呼吸衰竭病人經常出現球結膜水腫、麵部潮紅、四肢皮膚溫暖，病人常主訴頭痛、頭昏，嚴重時還可能出現血壓下降，這些均可能是血管擴張的結果。 一定程度PaCO2升高，也可刺激心血管運動中樞和交感神經，使心率加快，心收縮力增強，心輸出量增高，內髒血管收縮，血壓升高。據文獻報道，二氧化碳瀦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，並可出現心律失常。其原因：A.嚴重二氧化碳瀦留可直接抑製心血管運動中樞;B.嚴重二氧化碳瀦留可引起嚴重呼吸性酸中毒，當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對中樞神經係統的影響：
二氧化碳瀦留對中樞神經起抑製作用。臨床上所見的慢性胸肺疾患引起的Ⅱ型呼吸衰竭病人，一旦出現神經精神症狀，即可診斷為肺性腦病(pulmonary encephalopathy)。其原因就是與二氧化碳瀦留和缺氧有關。二氧化碳瀦留可使腦血管擴張，腦血流量增加，顱內壓升高。早期可出現頭痛、頭昏、嗜睡，晚期還可出現昏迷、譫妄、精神錯亂、撲翼樣震顫、抽搐等顱內高壓的症狀與體征。然而，大量臨床資料表明，二氧化碳瀦留引起的中樞神經係統改變，不僅與二氧化碳瀦留程度有關，而且與二氧化碳瀦留發生速度有關。同時，不容忽視，二氧化碳瀦留引起的中樞神經係統改變還與伴隨著缺氧程度、酸中毒，特別是腦細胞內酸中毒有關，嚴重缺氧與酸中毒可加重腦水腫、顱內壓增高與神經細胞的損傷。
④對酸堿平衡和電解質的影響：
二氧化碳瀦留可引起呼吸性酸中毒，此時機體通過血液緩衝、細胞內外離子交換、腎髒代償等代償機製，可使血HCO3-代償性升高，而血Cl-相應降低。其結果為維持HCO3-/PCO2相對正常範圍。pH=PK log(HCO3-/PCO2)在較小範圍內變化。但機體代償有一定範圍，即慢性呼吸性酸中毒預計代償公式為△HCO3-=0.35 x △PCO2 ± 5.58。呼吸性酸中毒由於PH下降，可引起細胞內外離子交換，即細胞外Na 、1H 與細胞內3K 相交換，同時腎小管Na -H 交換加強，Na -K 交換減少。上述兩種因素均可導致細胞外液K 濃度增高，即酸中毒高鉀。
