缺氧是怎么发生的？一文读懂低氧血症的五种机制

低氧血症（Hypoxaemia）指血液中氧含量低，而hypoxia（缺氧）指身体组织中氧供应不足。由于这两者相互关联，在本书及临床实践中，我们会互换使用这些术语。低氧血症的定义为氧分压（PaO₂）＜60 mmHg 或 8 kPa（正常范围为 75 - 100 mmHg，10-13.3 kPa）。其机制可视为气体交换生理过程的紊乱。鉴于处理低氧是ICU处理危重疾病的特征，我们会更详细地探讨它们。

氧在线粒体基质中充当电子受体，其中电子传递链驱动三磷酸腺苷（ATP）合成。为从大气到达此处，氧气总是遵循扩散梯度。让我们按氧气扩散级联逐步了解低氧的基本机制（更多细节见-图 12.1）。此过程如下：

1.大气

海平面时大气压760 mmHg =100 kPa，含 21% 氧气，其氧分压（pO₂）= 760×0.21 =159 mmHg= 21 kPa。

高海拔会降低大气压，进而降低进入气道气体中的氧分压（pO₂）；吸入氧浓度（FiO₂）过低的麻醉混合气，也会产生同样效果。这是导致低氧的首要原因。

2.空气

当空气在气道中被加湿时，氧分压（pO₂）首次降低，此时需要减去47 mmHg（6.2 kPa）的水蒸气压（Pₕ₂ₒ），这样一来，氧分压（p₁O₂）= 0.21×(760 - 47) =149 mmHg，即20 kPa。

3.肺泡气

在肺泡气中，肺泡氧分压（PₐO₂）由肺泡通气（补充氧气）和肺血流（带走氧气）之间的平衡决定。 肺泡气公式描述该平衡为 PₐO₂ = p₁O₂ - pCO₂/R，其中 R 是气体交换比（呼吸商），通常为 0.8 。这意味着正常情况下，PₐO₂= 149 - 40/0.8，即 99 mmHg（13.2 kPa）。

4.肺泡-毛细血管屏障扩散

氧气通过肺泡-毛细血管屏障的扩散，是氧传递过程的下一步。正常情况下，肺泡与毛细血管血液间的氧分压（pO₂）达到平衡需要0.25秒，而红细胞流经肺毛细血管的时间，静息时为0.75秒，剧烈运动时为0.3秒。

注意：在间质性肺疾病（如肺纤维化）中，肺泡 - 毛细血管屏障增厚会限制氧气扩散，这是低氧的第三个原因。通常，这会因运动时红细胞通过时间缩短而加重，因增加吸入氧浓度（FiO₂）而增大扩散梯度，改善氧合。该情况不影响二氧化碳排出（已知二氧化碳的扩散能力是氧气的 20 倍 ） 。

5.动脉血氧分压

动脉血中氧气分压（92 mmHg = 12.2 kPa ）通常略低于与充气肺泡相邻的毛细血管末端的氧分压。这是因为来自支气管静脉和心脏Thebesian静脉的脱氧血液发生了混合。在健康人中，这种分流约占心输出量的2%。

注意：分流导致静脉血混合增加是低氧的第四个可能原因。分流有两种类型：

(a)心内分流：血液通过心脏内的解剖通道流动，不经过肺部

(b) 肺内分流：血液流经肺毛细血管，但不参与气体交换（见方框中的原因）

分流是难治性低氧的唯一病因，即使吸入氧浓度（FiO₂） = 1.0 进行通气，低氧仍持续存在。同理，若增加FiO₂后动脉血氧饱和度未相应提升，则意味着存在明显分流。可让患者吸入 FiO₂ = 1.0 的气体，运用Berggren公式（该公式利用动脉血和混合静脉血中的氧含量（而非分压））来计算分流百分比。

注意事项

在思考低氧血症时，也要考虑血流动力学：特定肺内分流对动脉低氧血症的影响程度，还取决于混合静脉血的氧饱和度。实际上，静脉混合血的氧饱和度越低，动脉血的氧饱和度也就越低。在处理低氧血症时，不仅要考虑气体交换，还要考虑血流动力学。

例如：对于急性呼吸窘迫综合征（ARDS）且存在30%分流的患者，进一步增加呼气末正压（PEEP），或许能在一定程度上改善气体交换，但也可能会降低心输出量。而心输出量降低会使混合静脉血的氧饱和度下降，总体效果可能是动脉血氧饱和度恶化（此外，心输出量降低还会使氧气输送受限 ）。

6. 通气血流比（V/Q 比）

处于直立位自主呼吸时，通气与血流灌注匹配良好。然而，通气和血流灌注在整个肺部的分布并不均匀，肺底部的通气和血流灌注量明显多于肺尖部。肺尖部与肺底部之间的差异在血流灌注方面更为显著，因此，通气血流比（V/Q）在肺尖部最高，在肺底部最低。血流灌注在肺部的分布部分归因于重力作用，部分归因于解剖结构，使得肺底部血流更丰富。俯卧位的大部分作用在于改善肺部通气区域的血流灌注 。

实用要点

肺泡 - 毛细血管反射指的是在通气不良区域出现的肺血管收缩，这会使血流重新导向通气较好的区域。该过程需要一定时间，所以如果您改变患者体位或呼吸机设置，效果通常不会立即显现。需等待肺循环适应新的设置 。

注意，通气血流比例失调（V/Q mismatch）是导致低氧血症的第五大且最重要的原因。 与分流不同，它对吸入氧浓度（FiO₂）的升高有反应。通过观察其极端形式（图12.2），可理解其影响。

图左侧为无通气肺泡（V/Q = 0）。实际上，离开相邻毛细血管的血液与混合静脉血几乎一致，因为未发生气体交换（氧分压（pO₂）= 二氧化碳分压（pCO₂）= 45 mmHg = 6 kPa ）。这就是前文提到的肺内分流，提高FiO₂对氧合的影响极小。重要的是，只要存在一定肺泡通气，提高FiO₂可改善低氧血症。另一种极端情况是有通气但无血流灌注的肺泡。此处，吸入气的气体分压（二氧化碳分压（pCO₂）= 0，氧分压（pO₂）= 149 mmHg ）未因气体的加入或移除而改变。这被称为肺泡死腔。肺泡死腔与大气道中的解剖死腔相加，构成生理死腔。 为实现相同的二氧化碳排出量，死腔增加的患者需提高分钟通气量。自主呼吸超过一定阈值后难以为继，因为呼吸功增加产生的二氧化碳量超过肺部的排出能力。此外，过度通气不仅会增加呼吸功，还会导致肺实质损伤（称为自伤性肺损伤（SILT) ） 。

在实际情况中，对于重症监护病房（ICU）内严重低氧血症的患者，通气血流比例失调（V/Q 失调）会与一定程度的肺内分流同时存在，我们会看到以下两者共同作用的影响：

①分流，即静脉血混合，导致对氧疗无反应的低氧血症

②死腔增加，这意味着需要提高分钟通气量（MV）以排出二氧化碳（CO₂）。

总结

低氧血症的五种病理生理机制

1. 吸入氧浓度FiO2降低

2. 肺泡通气不足

3. 弥散功能障碍

4. 分流

5. 通气血流（V/Q）比例失调