外周空气与循环血液间的气体交换障碍，可发生在肺内气体交换或气体进出肺的过程中。
肺内气体交换，氧气被输送至动脉血(氧合)，而CO2从中清除。肺内气体交换障碍通常导致低氧血症，因为CO2的弥散能力远大于O2，并且局部低通气(肺泡通气不足)导致的CO2清除力降低能通过增加正常肺单位的通气而代偿。肺的气体进出不足(全部或总体通气不足)时，虽然可发生低氧血症，但主要造成高碳酸血症。许多病理改变可导致以上两种功能的同时衰竭，但选择一种或另一种或偏重某一种的功能障碍更常见。
低氧血症
下列机制可单独或共同引起动脉低氧血症：
吸入氧分压(PiO2)降低常发生在高处(大气压降低所致)，有毒气体吸入，和着火而致氧消耗。
通气不足导致肺泡气氧分压(PAO2)和动脉血氧分压(PaO2)降低。在通气不足或呼吸暂停初期，因为人体内O2储量少而CO2储量大得多，所以PaO2下降比PaCO2的升高险峻得多。然而，当PaCO2和PACO2上升(完全呼吸暂停病人PaCO2以3～6mmHg/min的速度上升)，PAO2一定下降，因为PAO2的稳态浓度和由肺泡气公式PAO2＝PiO2-PaCO2/R预测的PaCO2间关系恒定。R是呼吸交换率(稳态下，CO2产生和O2耗量之间的比值)。当肺内气体交换正常，PAO2/PaO2梯度保持不变，则PaO2下降接近PAO2的下降程度。
弥散障碍是由于气体和血液间物理性分隔(如弥漫性肺间质病)或由于红细胞通过毛细血管的转运时间缩短(如肺气肿形成毛细血管床的大量缺失)所致。
局部通气/血流(V/Q)失调几乎总是造成临床重要的低氧血症。通气较灌流差的肺单位引起的氧饱和度降低，这个作用部分受混合静脉血的氧含量影响，混合静脉血氧含量下降进一步加剧了低氧血症。最常见的原因是引起多个肺单位通气不良的疾病(如气道阻塞，肺不张，肺实变，心源性或非心源性水肿)。通气减少对低氧血症影响的程度取决于低氧肺血管收缩反应的强弱，它可使血从通气不足肺区分流。因为在通气良好的肺单位中毛细血管血已被氧饱和，过度通气增加PAO2不能完全补偿V/Q失调。然而，当V/Q失衡通气不足或弥散障碍时，补充氧可显著改善低氧血症，因为即使在通气很差的肺单位中PAO2仍上升到足以使血红蛋白完全饱和的程度。当患者呼吸纯氧时，只在有灌注而完全无通气的肺泡区(分流区)才会产生低氧血症。
分流(全身静脉血通过直接旁路进入动脉循环)可发生在心内，如发绀型右向左分流的先天性心脏病，也可由于肺内异常血流通道所致(如肺动静脉瘘)。最主要原因是可以产生局部V/Q失衡。局部通气将近或完全缺失的肺部疾病。
异常低饱和的静脉血与动脉血掺杂使得肺部疾病和肺内气体交换障碍患者的PAO2下降。氧消耗和氧输送间的不平衡直接影响混合静脉血氧饱和度(SvO2)。因此，即使在肺病理变化没有改变时，当心搏量的增加仍不能代偿的贫血，以及心搏量不能满足代谢需要，均能使SvO2和PaO2下降。
高碳酸血症
造成或引起高碳酸血症的主要机制是呼吸驱动不足，呼吸泵缺陷，工作负荷过高导致呼吸肌疲劳加剧，以及重度V/Q失衡的肺因有疾病，后两种机制常同时存在。
虽然吸入气CO2分压升高(如靠近室内火炉或有意吸入CO2 )有时可致高碳酸血症，但高碳酸血症几乎通常说明有通气不足或衰竭。
根据标准公式：
PaCO2＝kXVCO2/VA
(k＝常数)，PaCO2与CO2产生量(VCO2)成正比，与肺泡通气量(VA)成反比。发热，惊厥，激惹或其他原因导致的VCO2升高，通常可由VA的急剧上升而补偿。只有在VA 增加很少时，才会产生高碳酸血症。
通气不足是高碳酸血症的最常见原因。除了PaCO2上升外，呼吸性酸中毒的存在与组织，肾脏缓冲程度相关。
每分钟通气量(VE)下降，通常称总体通气不足，或每分钟死腔通气量上升，都可导致VA减少(VE等于每次呼吸时呼出气容量［潮气量］X每分钟呼吸频率)。
VA＝VE-VD
药物过量引起脑干呼吸中枢抑制是总体通气不足的一个原因。
死腔(VD)，或无效通气，发生在通气良好但低灌流区或相反的是灌流良好但通气含高浓度CO2的肺泡区。这些区域的CO2清除少于其正常应清除量。潮气量中，不参与CO2交换的部分(VD/VT)，称为生理死腔量部分，可通过下列加以计算：
VD/VT＝(PaCO2-PECO2)/PaCO2
(PECO2＝混和呼出气中CO2浓度)。另一公式表明了死腔量增加导致高碳酸血症的关系，假定VCO2，VE和VT保持恒定。
PaCO2＝kXVCO2/VE(1-VD/VT)
病因学
呼吸衰竭(导致低氧血症和/或高碳酸血症)可由以下疾病所致：气道阻塞；肺实质功能障碍而非气道所致；通气泵衰竭。
有效通气中，呼吸肌协调作用于完整的胸廓而产生胸内负压。通气泵衰竭可因原发性呼吸中枢障碍，通气相关的神经肌肉系统功能障碍，胸壁结构异常妨碍呼吸肌力有效传递所致。气道和肺实质在解剖上可正常。例如，一些可改变胸廓结构的疾病(如连枷胸，脊柱后侧凸)，可引起肌肉收缩与胸膜腔压力产生间协同作用下降。在横膈吸气肌群与胸廓不同步收缩(如膈肌麻痹，四肢瘫痪或急性脑卒中)时，也可发生通气不足。
在许多情况下，泵功能障碍主要原因是肌力下降。肌纤维的耐力由营养供给和需求间的平衡所决定。因而，在低血压或低氧血症时，呼吸肌营养不足，则功能无效，产生疲劳。
急性过度充气可显著降低通气泵的有效性，甚至在单个肌纤维强度仍保持正常情况下。这不仅是因为吸气肌已处于缩短状态，能产生的力减少，而且由于在高肺容量时呼气末肺泡残存的弹性张力和肺结缔组织顺应性降低，肌肉需做的功增加。此外，几何形状的改变(如横膈变平，胸廓增大)使用力收缩时产生的胸膜腔压力改变受限。在正压通气时，急性肺过度充气与肺泡和中央气道的呼气末正压差有关(内源性PEEP)。
症状和体征
由于呼吸衰竭的临床症状和体征在诊断上无特异性，而且甚至当存在严重低氧血症，高碳酸血症和酸血症时，症状体征可能十分轻微。通气疲劳的主要症状为强力动用辅助呼吸肌，呼吸急促，心动过速，潮气量下降，不规则或喘息样呼吸和矛盾腹式运动。
急性低氧血症可造成许多症状，包括心律不齐和昏迷。典型的是发生神志的改变，意识模糊常见。有足够心血管贮备的患者对慢性PaO2 下降耐受性较好。然而，肺泡低氧(PAO2＜60mmHg)可引起肺小动脉血管收缩及肺血管阻力上升，经过数周或数月后可导致肺动脉高压，右心室肥大(肺心病)，最终发生右心室衰竭。
高碳酸血症可造成酸血症。PaCO2的突然升高的出现明显快于细胞外碱基的代偿性升高。大脑pH急性下降，使呼吸驱动增加，而以后随着中枢神经系统的缓冲能力增强最终将减轻大脑pH值下降的作用，减少呼吸驱动。
患者对急性高碳酸血症的耐受性远远低于慢性高碳酸血症。急性高碳酸血症可造成感觉中枢的变化，轻者为轻微的人格改变和头痛，重者可发生明显的精神错乱和麻醉。高碳酸血症可使脑血管扩张并使脑脊液压力上升，这在急性脑部损伤中是一重要问题。急性CO2潴留导致酸血症，当严重酸血症(pH＜7.3)时，可导致肺小动脉血管收缩。体循环血管扩张，心肌收缩力下降，高钾血症，低血压以及心脏应激性增加，使得有发生危及生命的心律不齐的可能。
诊断
血气测定(PaO2，PaCO2和pH)是诊断和判断呼吸衰竭严重程度的主要手段(参见第64节)。在许多情况下，必须经常重复测定以判断其恶化或改善程度。
评估神经肌肉功能可通过观察通气类型和测定肺活量，潮气量，呼吸频率和最大吸气压。呼吸频率与潮气量的比值特别有助于判断，＞100次呼吸/min/L表明严重肌衰弱或疲劳。实际应用最多的评定通气驱动力强度的方法为观察病人呼吸窘迫体征(呼吸频率＞30/min，辅助呼吸肌强力使用，矛盾的腹式运动)以及PaCO2和呼出气分钟通气量需要间的关系。例如，如果PaCO2高(＞45mmHg)，VE和呼吸频率不增或低时，呼吸驱动可能受抑制或动力机制受损；但如存在激惹或呼吸窘迫，则对后者表现即会有争议。
如果呼吸衰竭的病因不明显，某些床边测定方法有助于明确其致病机制。呼吸功负荷可通过呼吸肌活力在VE中反映；也可在被动机械通气时通过平均吸气压，平台压和最大吸气压这些呼吸功负荷指标反映。死腔量(VD/VT)计算和CO2产生量测定也有助于明确通气需求的相关因素。急性呼吸衰竭时，胸廓扩张阻抗很难精确评定，除了在机械通气时，可通过胸部动力学(如气道阻力和呼吸系统顺应性)的单纯测定得到最佳评估。
治疗
主要的治疗目的是为了维持足够的O2输送，减轻过度的呼吸做功负荷，建立离子和pH平衡，并防止O2中毒，气压伤，感染或其他原发性并发症造成更多的伤害。肺不张，液体过多，支气管痉挛，气道分泌物增多以及感染均有特殊治疗措施，但对其他问题如成人呼吸窘迫综合征(ARDS)，呼吸肌疲劳以及肺和胸壁结构异常主要为支持疗法。
氧疗 当真正分流不是低氧血症产生的主要原因时，增加吸入氧浓度(FiO2)可增加PaO2。在通常情况下，其目的是至少增加血红蛋白氧饱和度到85%～90%，而不产生氧中毒。许多有慢性低氧血症者能耐受PaO2＜55mmHg；然而，无论通气衰竭的原因如何，希望PaO2在60～80mmHg之间，以使组织获得足够的氧供，缓解低氧血症引起的肺动脉高压。由于氧血红蛋白解离曲线的S状特点，PaO2＞80mmHg不会再显著增加血氧含量。应选择能产生合适PaO2的最低PiO2。对于V/Q失衡和弥散障碍引起的肺功能不全(如阻塞性肺病)，FiO2浓度＜40%即可满足要求，大多数患者在25%～35%已能达到适当的氧合。氧毒性与浓度和时间相关。FiO2浓度＞60%的持续高浓度氧吸入将导致炎性改变，肺泡浸润，最终导致肺纤维化。FiO2＞60%应避免，除非为了患者的生存需要外。吸入氧浓度＜60%可较长时期耐受而不产生临床明显的氧中毒。
FiO2＜40%可通过鼻导管或面罩来达到。面罩吸氧时，O2流量取决于所希望达到的FiO2以及面罩的设置。鼻导管吸氧时，2～4L/min的氧流量通常可升高PaO2至治疗水平。然而，输送给病人的FiO2仅能估计。这种估计需要了解病人呼吸室内空气时的每分钟通气量(VE)以及吸气和呼气的时间。如果通气的两个时相相等时，仅氧气瓶中，100%的氧流进入患者。因此，通过鼻导管，当每分钟通气量为10L/min，100%O2的流量为4L/min时，输送给患者的FiO2估计为(2X100%)+(8X21%)/10L＝37%O2。如果每分钟通气量上升，氧流量不变，FiO2降低。由于这些估算中的一些不确定因素(如氧与室内空气掺杂，张口呼吸，呼吸速率不定)，因而必须规律地通过无创性脉氧仪测定PaO2或动脉O2饱和度。医学全在线www.med126.com
在处理CO2潴留时，呼吸抑制的常见原因为过量的O2吸入。慢性高碳酸血症患者，呼吸中枢对PaCO2的改变不敏感，主要对低氧刺激作出反应。如果PaO2过度升高，低氧通气驱动消失，CO2进一步潴留，可使呼吸性酸中毒加剧。谨慎给氧可防止这种并发症；在早期，最有效的发现方法是通过动脉血气分析。如在自主呼吸时给予高浓度，导致PaCO2持续升高和酸血症时，机械辅助通气就成为必要(见下文)。
正压的应用 持续气道正压(CPAP)，双水平气道正压(BiPAP)，呼气末正压(PEEP)，以及可增加平均肺泡压的特殊技术(如反比通气---见下文)，通常可使已关闭的肺泡单位再次开放，降低右到左分流并减少对氧疗的需求。
CPAP，是一种不使用呼吸机的方法，使用面罩，可使肺容量恢复并能改善PaO2/FiO2比值，对于中等度通气需求的患者以及急性肺不张或肺水肿的患者最有帮助。BiPAP可双水平改变气道压力，可达到通气辅助和呼气末高肺容量的疗效。
几乎所有插管，机械通气的呼吸衰竭患者，均可从低水平PEEP(3～5cmH2O)中得到好处。它可帮助补偿由于仰卧体位和经喉插管造成的容量下降。最佳使用的PEEP和潮气量呈函数关系，高水平的PEEP通常要求小潮气量(＜7ml/kg)。在可耐受的FiO2下，PEEP需要＞15cmH2O以达到有效的动脉血氧合。如果呼气肌剧烈收缩导致肺容量低于松弛呼吸末位(平衡位)时，PEEP恢复肺容量的效应和改善PaO2的能力，即被取消。当此种呼吸类型明显时，使用镇静剂或肌松剂有帮助。当明显是单侧肺浸润时，给双肺以同一水平的PEEP可能无效，因为在此种情况下，PEEP的作用会将血液从健康肺脏转移至病变肺。分侧肺通气将调节每侧肺的充气类型，FiO2和PEEP。
特殊措施 一些措施可代偿受损的氧交换。虽然红细胞浓度太高，血液粘稠度增加会使氧输送受损，但适当血红蛋白浓度可改善携氧能力。尽管仍有争议，对大多数严重缺氧患者，最适宜的血红蛋白浓度范围为10～12g/dl。纠正急性碱血症可以改善血红蛋白性能。
减少组织需氧量可与增加O2输送同样重要。发热，激动，饮食过量，剧烈呼吸运动，颤抖，败血症，烧伤，组织损伤，抽搐和其他临床常见情况均可增加氧耗量，必须采取强有力的步骤去除这些因素。对持续躁动或与呼吸机抵抗的患者，给予镇静剂或药物性麻痹以降低氧耗量。然而必须避免长期麻痹，因为可抑制咳嗽机制，产生单调呼吸类型，使分泌物潴留在低垂部分，并可加重肌肉衰弱和萎缩。
应用合理液体补给，心肌收缩剂以维持心输出量，在低氧血症治疗中至关重要。因为在许多肺疾病状态下，血管外液体易于积聚，因此应谨慎补充液体量，但应维持平衡，因严格限制补液量，虽然可减少肺水，并改善氧交换能力，但也可减少胃，肾脏和其他重要器官的灌流量。
无论心源性或非心源性循环衰竭，给予动力支持有助于纠正低的PaO2水平；方法包括液体量控制，加压药，心肌收缩剂和减少O2消耗。对于肺水肿患者，利尿剂和其他方法可促进血管外肺水流动，由此增加肺顺应性，减轻心源性哮喘，并降低呼吸肌的工作负荷。解除心脏缺血，降低左心室后负荷，或使用钙离子通道阻滞剂可减轻舒张期心功能障碍患者的肺血管充血和低氧血症。
皮质类固醇激素不应常规使用以治疗弥漫性肺实质疾病，肺水肿或ARDS(参见第67节)；在呼吸衰竭早期，激素的分解代谢和蛋白质消耗的增加以及感染机会的增多远远大于其治疗的潜在益处。不过，某些特定患者(如已证实的血管炎，脂肪栓塞，急性嗜酸细胞性肺炎或过敏反应导致低氧血症患者)可能从中受益。在ARDS的后期纤维增生阶段，使用激素较有帮助。激素也对急性哮喘或COPD急性加重期患者有效。
改变体位可能有益。根据不同的胸腔顺应性，仰卧位到直立位的变化增加的肺容量相当于5～12cmH2O的PEEP。只要环境允许，卧床患者应经常翻身(特别在昏迷或瘫痪时)。交替侧卧位可使肺的各个区域得到最大舒展，并促进分泌物引流。当一侧肺脏病变时，将正常肺处于低垂部位时将明显改善氧合。然而，必须注意保证病变肺脏的分泌物不会被吸入另侧的气道中。此外，一些ARDS患者在改变体位时，可产生明显的O2饱和度下降(原因无法解释)。俯卧位通常是ARDS早期的有效体位。虽然仍不能完全解释这种现象，背侧肺泡区域的扩展引致静息肺容量的重新分布可能是主要原因。
清除上，下呼吸道的分泌物对治疗至关重要。静脉补液有助于分泌物的液化。偶尔，尽管已适当补充液体和吸入气湿化，分泌物仍十分粘稠，可使用粘液溶解剂(如碘化钾制剂和乙酰半胱氨酸等)。抗生素和激素对部分病人能帮助减少分泌量。
如果患者自身咳嗽努力无效，胸部物理治疗技术(体位，胸部叩击)可能有用。经这些措施后，滞留的分泌物需吸引移去。下呼吸道产生的分泌物可通过鼻导管经声带吸引。如果此方法不成功或分泌物太多，就需要建立人工气道。短期可使用经鼻或经口插管；如需长期吸引，气管切开可能是必要的(参见第65节)。
所有进入气管的气体必须充分湿化，以保证降低分泌物的粘稠性。加热湿化器可使吸入气流高度湿化；另外，一次性湿化器(人工鼻)可置于通气环路中回收呼出气水分并使其返回吸入气中。
如果支气管痉挛和水肿是致病因素，则可用支气管扩张剂，雾化给予β-肾上腺素能或抗胆碱药物，和静脉给予或口服茶碱类制剂或皮质激素，可降低气道阻力和改善气体交换(参见第68节哮喘)。雾化器可通过连接在呼吸机上或通过压力气源驱动进行雾化吸入。定量吸入器不管有无呼吸机皆可使用。
抗生素用来控制感染。
减少并发症的措施 急性肺损伤患者中，气道正压，氧和血管加压剂和血管扩张剂均有潜在危险性。因此，必须经常对PEEP的需要，呼吸机支持水平和FiO2 的水平重新评定。患者在感到舒适的情况下，适当运用自身的呼吸能力，如通过间歇指令呼吸，可降低胸内平均压。
大多数情况下，进行机械通气的半昏迷，躁动，神经错乱或定向障碍患者应限制活动以及使用镇静剂，因为呼吸机突然断开和导管拔出可很快产生致命的心率过缓，缺氧，窒息和胃内容物吸入。在肺水肿患者中，即使停止PEEP极短时间(如吸引或换管)，都可因肺容量降低及水肿液进入气道造成难以纠正的氧饱和度下降。瘫痪病人必须特别护理，因为他们的通气完全依赖于机器。由于气体吞咽以及肠梗阻经常发生，大多数新近插管的患者应胃肠减压。医生应随时准备处理张力性囊肿或气胸。
机械通气
当前临床实践中，正压通气(PPV)是急性呼吸衰竭呼吸支持的唯一形式。在胸廓应用负压的呼吸机(箱，胸甲，卷毯)需要对真空室有一个坚硬的结构支持，这就大大妨碍了加强护理。
插管和机械通气的标准包括进行性酸血症，低氧血症和循环功能障碍。当开始准备机械通气时，医生必须首先选择通气模式(机械支持周期的类型和频率)，吸入氧浓度FiO2 ，机器对患者吸气用力的敏感度和呼气末正压呼吸的应用水平。机械周期可以是定压或是定速以及容量切换，流量切换，时间切换或是压力切换。
压力-切换呼吸机设计简单，价格低廉。但由于每呼吸周期中输出的潮气量取决于吸气相时间和胸部的阻抗(阻力，顺应性)，这类呼吸机不能可靠地给予特定的潮气量或每分钟通气量。它们的应用仅限于治疗需使用支气管扩张剂吸入或需大潮气量纠正肺不张时的非插管患者。
容积切换通气长期以来是各种形式的急性呼吸衰竭患者通气支持的标准类型。所有现代呼吸机都可提供此种通气和一些其他模式，它们的通气波形，周期，提供支持的比率以及终止机械辅助周期的方法可有变化。对许多中度呼吸衰竭患者，如能耐受加压鼻罩或口面罩时，可在无气管插管下行通气治疗。
完全性通气支持模式设计用于完全承担呼吸做功，在特定的频率下提供适当的潮气量。定速容量切换，呼吸是标准方式。医生选择所需的潮气量，吸气流速波形(如恒速的或减速的)和最大流速。一旦选定这些参数时，最大气道切换压应根据充气阻抗和呼气末肺泡压而变动。当采用定压时间切换类型时(压力控制通气)，选择压力和吸气时间，潮气量则随吸气阻抗而变。每一周期的类型可在固定不变的频率(控制通气)或根据患者的触发努力(辅助/控制通气)条件下，进行安置。如果患者不能触发机器时，则需确定一基本频率。
部分通气支持用于病人能舒适地提供一部分呼吸做功负荷，如在呼吸机撤离过程中(脱机)。对每次自主呼吸，可提供压力支持辅助，这是一种流量-切换技术，它可在每次呼吸时使气道快速达到固定的压力水平。根据选择的压力可提供高或低水平的辅助。在新型设备中，可调整压力波的形状和流量切换标准。压力支持可帮助克服气管插管阻力，在呼吸衰竭时该阻力可令人惊奇地升高。当给予适当水平的压力时，压力支持比较舒适，患者部分控制流量形式和呼吸周期的切换时间。同步间歇指令呼吸应用定流容量切换呼吸方式或定压时间切换呼吸方式，由医生决定频率，提供机器支持。支持水平通过调整机器辅助周期的数量决定，而不是通过调节切换特性决定。在呼吸机撤离时，此种通气模式常联合压力支持达到优化患者的舒适程度。
其他形式的机械通气很少应用。高频通气(喷射或振荡)是一种替补的技术，其每周期的气脉冲量非常小，非常快，用很小的潮气量就可达到气体交换。这种技术主要在成人呼吸衰竭患者的支持治疗中应用，部分是因为达到适当的气体交换，在很大程度上是经验式的，需要术者的相当技巧。反比通气使吸气相延长，占整个呼吸周期50%或更多，由此提高平均肺泡区，降低吸气末流量。反比通气常同时应用镇静剂和麻醉剂作为氧合衰竭的支持治疗。一些最新模式可调节部分通气支持的水平，以在最低压力需求下达到满意的潮气量和/或每分钟通气量的标准。PEEP(见上文)可附加在提供高频或反比通气的系统上，也可加在所有常用通气模式上。
机械通气的并发症 任何机械呼吸机，特别是进入肺内的驱动压高时，都可使静脉回流减少，心排量下降和全身血压降低。当吸气压高，血容量低，药物所致的血管运动控制不当，外周神经病变或肌无力时均易产生上述现象。
气压伤，切换压高引起的肺损害，可形成组织破裂(如纵隔气肿，气胸，皮下气肿，全身气体栓塞)，肺实质损伤(支气管肺结核异常)，或肺水肿。当扩张肺泡的压力过大(＞35cmH2O)，或潮气量过大(＞12ml/kg)PEEP不足以防止不稳定肺单位塌陷时，均易发生以上变化。
