一、发病原因
慢性呼吸衰竭常为支气管-肺疾患所引起，如COPD、重症肺结核、支气管扩张症、弥漫性肺间质纤维化、尘肺等，其中COPD最常见。胸廓病变如胸部手术、外伤、广泛胸膜增厚、胸廓畸形亦可引起慢性呼吸衰竭。
二、发病机制
肺的主要生理功能是进行气体交换，此交换主要涉及机体通过肺组织从体外摄取氧和机体代谢后所产生的二氧化碳通过肺组织排出体外。气体在机体内的运输要依靠血液循环来完成，组织细胞则从血液或组织液内环境中摄取氧并排出二氧化碳。呼吸的全过程包括3个相互联系着的环节：①外呼吸，指外界环境与血液在肺部实现的气体交换。它包括肺通气(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，指血液或组织液与组织之间的气体交换。呼吸衰竭所涉及机制主要是外呼吸，它包括肺换气和肺通气，下面分别加以叙述。
1、肺换气功能障碍
肺的气体交换系指肺泡内气体与肺泡毛细血管血液中气体的交换，主要是氧与二氧化碳的交换。肺气体交换主要决定于通气/血流灌注比值(V/Q)与弥散功能。Ⅰ型呼吸衰竭的主要发病机制为换气功能障碍，主要有通气/血流比例失调和弥散功能障碍两种。
(1)通气/血流比例失调：
肺有效的气体交换不仅要求有足够的通气量与血流量，而且要求二者的比例适当。在静息状态下，健康人肺泡通气量约为4L/min，肺血流量约为5L/min，全肺平均V/Q大约为0.8。当通气量大于肺血流量，V/Q>0.8，此时进入肺泡的气体不能完全充分与肺泡毛细血管内血液接触，从而得不到充分气体交换，即为肺泡内过多的气体交换没有足够的血流交换，造成无效腔通气。例如临床上常见的肺气肿、肺大疱和肺栓塞。当肺血流量较肺通气量增加时，V/Q<0.8，此时静脉血流经通气不良的肺泡毛细血管未经充分氧合返回左心，形成了动脉血内静脉血掺杂，称之为功能性动-静脉血分流，例如严重COPD病人存在功能性分流。肺不张时，肺内气体减少或无气体，而血流继续，V/Q=0。此时流经肺脏的血液完全未进行气体交换而掺入动脉血，类似解剖分流，也称为真性分流，或称为病理性动-静脉血分流。 V/Q比例失调主要引起低氧血症，也是引起低氧血症最常见的机制，对PaCO2影响甚微。其原因为：①动、静脉二氧化碳分压差值仅为6mmHg，而动、静脉血氧分压差值约为60mmHg，当V/Q<0.8时混合静脉血加入动脉血后，对PaO2的影响明显大于PaCO2。②V/Q>0.8或V/Q<0.8时，均可表现为V/Q正常的肺泡通气量代偿性增加，而二氧化碳的弥散速率约为氧的21倍，而且二氧化碳的解离曲线呈线性，只要正常肺泡通气量增加，即可排出更多二氧化碳。其结果表现为：PaO2下降而无PaCO2升高。
(2)弥散功能障碍：
气体弥散系指气体分子从高浓度区向低浓度区移动的过程。弥散是一被动移动的过程，因而不需要消耗能量。弥散的机制是气体分子的随意运动，弥散的结果使不同浓度的分子最终达到平衡。肺泡内气体与肺泡壁毛细血管血液中气体(主要是指氧与二氧化碳)交换是通过弥散进行的。肺弥散能力不仅受肺泡毛细血管膜影响，也受肺毛细血管血流的影响。健康成人肺弥散量(DL)约为35ml O2/(mmHg·min)。凡能影响肺泡毛细血管膜面积、肺泡毛细血管床容积、弥散膜厚度以及气体与血红蛋白结合的因素，均能影响弥散功能。在临床实践中，弥散功能障碍极少是惟一病理因素，疾病过程中弥散功能障碍往往总是与通气/血流比例失调同时存在。因为肺泡膜增厚或面积减少常导致通气/血流比例失调。由于二氧化碳通过肺泡毛细血管膜的弥散速率约为氧的21倍，所以弥散功能障碍主要是影响氧的交换。弥散功能障碍所致低氧血症可用吸入高浓度氧加以纠正，因为肺泡氧分压提高可以克服增加的弥散阻力。临床上常可用吸氧纠正低氧血症，也可用吸氧是否能纠正低氧血症来识别是弥散功能障碍所致低氧血症抑或动-静脉分流所致的低氧血症。
2.肺通气功能障碍
肺通气是指通过呼吸运动使肺泡气与外界气体交换的过程。凡能影响肺通气与阻力的因素均可影响肺通气功能，肺通气功能的正常与通气量大小，不只是决定于推动肺通气的动力大小，还要决定于肺通气的阻力。肺通气是在呼吸中枢的调控下，通过呼吸肌的收缩与松弛，使胸廓和肺作节律性的扩大和缩小得以实现。在静息呼吸空气时，总肺泡通气量约为4L/min，才能维持正常氧和二氧化碳分压。当肺通气功能障碍时，肺泡通气量不足，肺泡氧分压下降，二氧化碳分压上升，可发生Ⅱ型呼吸衰竭，即PaO2下降和PaCO2升高同时存在。肺通气功能障碍可分限制性通气不足与阻塞性通气不足两种类型。由肺泡张缩受限引起者称限制性通气不足;因气道阻力增高引起者称阻塞性通气不足。下面分别加以阐述。
(1)限制性通气不足：
吸气时肺泡的张缩受限制所引起的肺泡通气不足称为限制性通气不足(restrictive hypoventilation)。通常吸气运动是吸气肌的收缩引起主动过程，呼气则是肺泡弹性回缩和肋骨与胸骨借重力作用复位的被动过程。主动过程容易发生障碍易导致肺泡扩张受限。其主要涉及呼吸肌、胸廓、呼吸中枢和肺的顺应性，前三者的障碍可统称为呼吸泵衰竭。①呼吸泵衰竭主要因呼吸驱动不足，如安眠药中毒、中枢神经系统疾患均可影响呼吸驱动力不足;呼吸运动受限制，如多种疾病引起的呼吸肌功能受累例如吉兰-巴雷综合征、低钾血症等和胸廓疾患例如胸廓畸形、脊柱后侧凸、大量胸腔积液和气胸等。晚近，已认识到在COPD病人中呼吸肌疲劳是引起呼吸泵衰竭的重要原因之一。②肺的顺应性降低也是COPD病人引起限制性通气不足的原因之一。
(2)阻塞性通气不足：
由于气道狭窄或阻塞引起的气道阻力增高而导致通气障碍称为阻塞性通气不足(obstructive hypoventilation)。支气管壁充血、肿胀、增生，管壁平滑肌痉挛，管腔内分泌物增多潴积、异物等阻塞，肺泡壁破坏和肺泡间隔缺失所致的肺组织弹性降低，以致对气道壁的牵引力减弱等，均可使气道内径变窄或不规则而增加气道阻力，从而引起阻塞性通气不足。 氧耗量增加是加重低氧血症的原因之一。发热、寒战、呼吸困难和抽搐均可增加氧耗量。因为氧耗量增加可导致混合静脉血氧分压下降，从而加重动-静脉分流所引起的低氧血症。氧耗量增加肺泡氧分压下降，正常人可借助增加通气量以防止缺氧，而氧耗量增加的通气功能障碍患者，肺泡氧分压不断提高，缺氧亦难缓解。
3.病理生理
呼吸衰竭时发生的缺氧和二氧化碳潴留可影响全身各系统器官的代谢和功能，其对机体的损害程度取决于缺氧和二氧化碳潴留发生的速度、程度和持续时间。若缺氧和二氧化碳潴留同时存在时，对机体的损害更为明显，其中缺氧对机体损害显得更为重要。在所有缺氧引起的脏器损害中，心、脑、肺血管、肝、肾对缺氧最敏感。下面分别对缺氧和二氧化碳潴留加以阐述。
(1)缺氧的病理生理：
①对呼吸系统的影响：
慢性呼吸衰竭病人，因原有肺部疾病存在着呼吸系统症状，但缺氧和二氧化碳潴留又可进一步影响呼吸功能，有时两者难以分辨出来。缺氧时，位于颈动脉体和主动脉弓的外周化学感受器可产生兴奋，并刺激呼吸中枢，反射性增强呼吸运动，具有代偿意义，此反应在PaO2低于60mmHg时才明显。临床上可表现为呼吸频率增加和肺通气量增加。但此种保护性反射作用是有一定限度，当PaO2低于30mmHg时，缺氧对呼吸中枢有直接的抑制作用，此作用可大于反射性兴奋作用，而使呼吸抑制。表现为呼吸频率和肺通气量均明显降低或减少，以至呼吸节律变慢、幅度变浅、最终呼吸完全停止。另外，长时间增强的呼吸运动可使呼吸肌耗氧量剧增，加上血氧供应不足，可导致呼吸肌疲劳，使呼吸肌收缩减弱，呼吸变浅而快，肺泡通气量减少，可加重呼吸衰竭。
②对循环系统的影响：
缺氧对循环系统的影响包括心脏与血管。缺氧的早期，一定程度PaO2降低可兴奋心血管运动中枢，使心率加快、心肌收缩力增强、外周血管收缩。外周血管收缩可使有效循环血容量增加，心输出量增加。但是此时心、脑血管是扩张的，保证了心、脑的血液供应。严重缺氧或缺氧的晚期因A.对心血管中枢的直接抑制作用，直接抑制心脏活动和扩张血管;B.组织和细胞得不到充分的氧供或当发生严重代谢性酸中毒时，组织和细胞摄取氧和利用氧的能力也随之下降;C.缺氧引起的心肌不可逆性损伤。上述3种因素均可引起心率变慢、心肌收缩力下降、心输出量减少、心律失常，甚至很快出现心脏停止等严重后果。缺氧可引起广泛的肺小动脉收缩，肺循环阻力增加，肺动脉高压，特别是COPD引起的呼吸衰竭病人，由于本身已存在肺小动脉壁平滑肌细胞与成纤维细胞的肥大和增生，胶原蛋白与弹性蛋白合成增多，导致肺血管壁增厚和硬化、管腔变窄，这是形成持久的稳定的慢性肺动脉高压的解剖学基础。此时，缺氧引起的肺小动脉收缩是加重肺动脉高压的重要因素。长期的肺动脉高压必导致右心室肥大、扩张，右心室负荷加重，最后引起慢性肺源性心脏病。
③对中枢神经系统的影响：
脑对缺氧非常敏感，大脑皮质尤为敏感，缺氧最容易引起脑功能障碍。缺氧可使脑血管扩张和损伤血管内皮使其通透性增高，导致脑间质水肿。缺氧也可使细胞氧化过程障碍，细胞内ATP生成减少，Na -K 泵所需的能量不足，再加上乳酸生成增多，细胞内pH降低，均可引起细胞内Na 及水增多，引起脑细胞水肿。脑充血、水肿使颅内压增高，压迫脑血管，更加重脑缺氧，由此形成恶性循环。供氧停止4～5min可发生脑组织不可逆性损伤。早期轻、中度缺氧可表现为兴奋性增高、判断力降低、不安及精神错乱等;重度缺氧或缺氧晚期可由兴奋转为抑制，表情淡漠、嗜睡、甚至昏迷、惊厥，最后可因呼吸、循环中枢抑制而死亡。
④对血液系统的影响：
慢性缺氧刺激骨髓造血功能增强，可引起红细胞和血红蛋白增多。增多的红细胞可以增加血液携氧能力，也增加了组织的氧供，这是对机体有利的一面。但长期的红细胞过多必然增加血液黏滞度，从而加重心脏负担，这是不利的一面。另外，长期缺氧可引起血管内皮细胞损害，导致血小板黏附、凝集、溶解，并释放血小板因子，促进凝血活酶形成，使血液进入高凝状态，易形成凝血和血栓，诱发弥散性血管内凝血(DIC)。
⑤对肾脏、肝脏、消化系统的影响：
缺氧可反射性通过交感神经使肾血管收缩，肾血流量严重减少，可引起肾功能不全。如同时有心力衰竭、弥散性血管内凝血和休克存在时，则肾的血液循环和肾功能障碍更严重。通常，轻者尿中出现蛋白、红细胞、白细胞等，严重时可出现少尿、氮质血症，但此时肾结构并无明显改变，为功能性肾功能不全，只要缺氧纠正，肾功能就可较快地恢复正常。缺氧也可引起肝血管收缩，可致肝小叶中心区细胞变性坏死，肝功能受损，但多见为功能性改变，随着缺氧的改善可恢复正常。只有缺氧严重时可发生肝细胞坏死。如COPD并发肺心病慢性右心功能不全者可致肝淤血、肿大，久之可导致肝硬化，但较少见。严重缺氧可使胃壁血管收缩，因而降低胃黏膜的屏障作用，加上二氧化碳潴留，可增强胃壁细胞碳酸酐酶活性，使胃酸分泌增多，故可出现胃黏膜糜烂、坏死、出血与溃疡形成。
(2)二氧化碳潴留的病理生理：
二氧化碳潴留对机体的影响常与缺氧密切相关，因为临床上所见的Ⅱ型呼吸衰竭往往是二氧化碳潴留伴有缺氧，单纯二氧化碳潴留而无缺氧只见于吸氧条件下的Ⅱ型呼吸衰竭，因此二氧化碳潴留和缺氧对机体损害往往难以分清。二者同时存在对机体的损害更为明显。
①对呼吸系统的影响：
PaCO2升高主要通过对呼吸中枢化学感受器的刺激使呼吸中枢兴奋，引起呼吸加深加快，使通气量增加。当PaCO2超过80mmHg时，呼吸中枢反而受到抑制。此时呼吸运动主要靠低氧血症对颈动脉体和主动脉弓的外周化学感受器的刺激得以维持，特别是对慢性Ⅱ型呼吸衰竭病人，由于较长时间的高PaCO2，使呼吸中枢适应了高PaCO2的内环境，因而不再兴奋，若高浓度吸氧会解除低氧血症对呼吸的刺激，使通气量减少。因此在临床上对Ⅱ型呼吸衰竭病人的氧疗，主张吸入氧浓度<33%。
②对循环系统的影响：
二氧化碳潴留对循环系统最突出的影响是血管扩张，如周围皮肤血管、脑血管、冠状动脉血管等。因此临床上COPD引起的Ⅱ型呼吸衰竭病人经常出现球结膜水肿、面部潮红、四肢皮肤温暖，病人常主诉头痛、头昏，严重时还可能出现血压下降，这些均可能是血管扩张的结果。 一定程度PaCO2升高，也可刺激心血管运动中枢和交感神经，使心率加快，心收缩力增强，心输出量增高，内脏血管收缩，血压升高。据文献报道，二氧化碳潴留与心输出量增加成正比，即PaCO2越高，心输出量越大。然而PaCO2升高至一定水平时，心输出量反而下降，并可出现心律失常。其原因：A.严重二氧化碳潴留可直接抑制心血管运动中枢;B.严重二氧化碳潴留可引起严重呼吸性酸中毒，当pH<7.20时，可引起心肌收缩无力，心输出量下降;外周血管对血管活性物质敏感性下降，引起血压下降;心肌室颤阈下降易引起心室纤颤。
③对中枢神经系统的影响：
二氧化碳潴留对中枢神经起抑制作用。临床上所见的慢性胸肺疾患引起的Ⅱ型呼吸衰竭病人，一旦出现神经精神症状，即可诊断为肺性脑病(pulmonary encephalopathy)。其原因就是与二氧化碳潴留和缺氧有关。二氧化碳潴留可使脑血管扩张，脑血流量增加，颅内压升高。早期可出现头痛、头昏、嗜睡，晚期还可出现昏迷、谵妄、精神错乱、扑翼样震颤、抽搐等颅内高压的症状与体征。然而，大量临床资料表明，二氧化碳潴留引起的中枢神经系统改变，不仅与二氧化碳潴留程度有关，而且与二氧化碳潴留发生速度有关。同时，不容忽视，二氧化碳潴留引起的中枢神经系统改变还与伴随着缺氧程度、酸中毒，特别是脑细胞内酸中毒有关，严重缺氧与酸中毒可加重脑水肿、颅内压增高与神经细胞的损伤。
④对酸碱平衡和电解质的影响：
二氧化碳潴留可引起呼吸性酸中毒，此时机体通过血液缓冲、细胞内外离子交换、肾脏代偿等代偿机制，可使血HCO3-代偿性升高，而血Cl-相应降低。其结果为维持HCO3-/PCO2相对正常范围。pH=PK log(HCO3-/PCO2)在较小范围内变化。但机体代偿有一定范围，即慢性呼吸性酸中毒预计代偿公式为△HCO3-=0.35 x △PCO2 ± 5.58。呼吸性酸中毒由于PH下降，可引起细胞内外离子交换，即细胞外Na 、1H 与细胞内3K 相交换，同时肾小管Na -H 交换加强，Na -K 交换减少。上述两种因素均可导致细胞外液K 浓度增高，即酸中毒高钾。
