高碳酸血症的机制、病因及影响
高碳酸血症，定义为动脉二氧化碳分压升高，常见于评估呼吸困难和/或意识改变的患者。了解高碳酸血症的机制、原因和影响是其治疗的关键。本章节就高碳酸血症的相关通气控制生理学、机制、原因及影响进行综述。对急性高碳酸血症患者的评估和治疗分别作了介绍。(参见“成人急性高碳酸血症呼吸衰竭的评估、诊断和治疗”。)
动脉血中二氧化碳分压(PaCO2)与氧化代谢产生二氧化碳(CO2)的速率(VCO2)成正比，与肺排出CO2的速率(肺泡通气量；VA)成反比。肺泡通气量是到达灌注肺泡的微小容量的组成部分，它又由每分钟通气量(VE)和死腔(Vd)与潮气量(VT)或Vd/VT的比率决定。
以下公式计算用于确定PaCO2：
式中k为比例常数，VA=VE(1-Vd/VT)，即肺泡通气量等于总通气量减去死腔通气量。
根据动脉二氧化碳分压(PaCO2)的公式(见上文“动脉二氧化碳分压公式”)，增加二氧化碳(CO2)产生(如发热)、减少分钟通气量(如镇静剂引起的通气不足)和/或增加死腔(如慢性阻塞性肺疾病加重)的因素可能会增加PaCO2。据估计，增加死腔的内源性肺疾病是大多数高碳酸血症呼吸衰竭的原因，而一小部分是由于肺外条件(如镇静剂、神经肌肉或胸腔疾病)[1]。除非患者的肺储备有限，否则增加二氧化碳的产生不会导致临床上重要的高碳酸血症。表中列出了与高碳酸血症相关的病因。
机制
分钟通气量(VE)由呼吸频率(RR)和潮气量(VT)决定(VE=RR×VT)。RR和VT依次由中枢和外周因素决定。
延髓的呼吸中枢由呼吸起搏细胞组成，接受来自中枢和外周化学感受器的刺激信号(对氢离子浓度、PaCO2(图1)和动脉氧分压[PaO2](图2)的变化作出反应)，以及上呼吸道和肺部的机械感受器和热感受器(对机械刺激如拉伸或与流动相关的温度变化作出反应)。呼吸驱动对来自大脑皮层的行为和认知输入(如焦虑和疼痛)也有独特的反应。这些信号集成到呼吸肌肉的组合输出中，最终影响VE。
呼吸的外周肌肉(如膈肌、肋间肌、胸锁乳突肌、斜角肌、斜方肌)可以通过改变RR以及吸气深度和持续时间来影响VE(影响VT)。当出现肌肉无力时，患者通常采用快速浅呼吸模式。这会导致Vd/VT增加，虽然总通气量可能与正常相同，甚至增加，但肺泡通气量减少。
每分钟通气量也受胸腔顺应性的影响，因此，尽管有足够的中枢呼吸驱动和外周肌肉功能，胸腔功能障碍(如胸廓成形术)患者仍可能出现肺扩张受限(降低VT)。虽然最初RR会增加以补偿VT的减少(以维持静息肺泡通气)，但最终RR会随着呼吸机械功或疾病进展引起的疲劳(例如，在应激或运动期间)而下降；肌肉疲劳的类似后果可能发生在具有严重气道阻力(例如哮喘、慢性阻塞性肺疾病[COPD])的患者中，这些患者在气道阻力急性变化的情况下无法充分增加通气，以维持正常的动脉二氧化碳分压(PaCO2)。与神经肌肉疾病一样，快速-浅呼吸模式会增加VD/VT，并减少任何给定的总通气量下的肺泡通气量。如果患者不能增加足够的总通气量来补偿增加的VD/VT比率，就会接踵而至的高碳酸血症。
因此，中枢呼吸驱动(不能呼吸)或外周肌肉、神经、气道和胸腔功能(不能呼吸)的减少都会影响VE，并导致整体通气不足或正常通气伴VD/VT增加，从而导致肺泡通气减少和高碳酸血症。在呼吸泵有潜在问题的患者中，叠加的气体交换问题或增加的二氧化碳产生可能会导致高碳酸血症。(请参阅下面的“通气控制”和“病因”和“神经肌肉疾病引起的呼吸肌无力：临床表现和评估”。)
与呼吸频率相反，潮气量和总通气量不容易估计。当患者呼吸不足时，PaO2下降与PaCO2上升大致成正比，如肺泡气体方程所示：
PaO2 = FiO2 (Patm-Pwater vapor) – PaCO2/R
PaO2是氧气的肺泡分压，FiO2是吸入气体中氧气的分数，Patm是气压，P水蒸气反映到达肺泡的气体被气道完全湿化的事实，R是呼吸商(即新陈代谢消耗的每个氧气分子产生的CO2的比率)。方程式的第一部分反映了吸入气体中氧气的分压。例如，在海拔高度，气压降低，PaO2降低，这将导致低氧血症。方程的第二部分表示肺泡通气量，给定上述PaCO2和肺泡通气量之间的关系。如果肺泡通气量减少，从肺泡扩散到血液中的氧气不会迅速补充(从血液中扩散到肺泡的二氧化碳也不会被正常排出)；因此，肺泡中的氧气更少(二氧化碳更多)，血液中的氧气更少。
因此，当患者出现低氧血症时，在开始补充氧气之前，重要的是临床医生要考虑到低通气的可能性是引起低氧血症的原因之一。因此，对全面性低通气的高度临床怀疑是必要的，以促使动脉血气监测，以便早期发现、预防和治疗高碳酸血症。对高碳酸血症的临床评价和治疗分别进行了详细讨论。(参见“成人急性高碳酸血症呼吸衰竭的评估、诊断和治疗”。)
病因
总VE的减少与持续的二氧化碳产生和死腔总是会导致高碳酸血症(参见上面的“动脉二氧化碳压力公式”)。低通气的原因可发生在自延髓呼吸控制中心、上运动神经元、脊髓(前角细胞)、下运动神经元(即膈神经)、神经肌肉接头或呼吸肌(横隔肌、肋间肌、斜角肌、胸锁乳突肌、斜方肌)沿轴线的任何地方(表1)。(请参阅上面的“分钟通气量减少/总通气量不足”。)
例如：
呼吸动力减弱(不会呼吸)--任何对延髓呼吸控制中心的重大生理、解剖或药理学侮辱都会抑制呼吸动力，并可能导致高碳酸血症。这包括镇静剂过量(如麻醉剂或苯二氮卓类)、脑炎、严重中风、中枢性和阻塞性睡眠呼吸暂停、原发性和中枢性肺泡低通气综合征、脑干疾病、代谢性碱中毒、甲状腺功能减退、体温过低，以及表中列出的其他原因(表1)。(请参阅\“通风控制\”。)
呼吸神经和肌肉功能下降和/或胸廓功能下降(不能呼吸)-许多神经肌肉疾病与整体通气不足有关，特别是在应激条件下(如感染、脱水)，通常会导致每分钟通气量的代偿性增加。例如，颈椎损伤(C3以上)合并膈肌瘫痪/瘫痪，肌萎缩侧索硬化症，脊髓灰质炎，格林-巴利综合征，膈神经损伤或神经病变，甲状腺功能减退和甲亢引起的肌病，重症肌无力，危重病多肌神经病，肌营养不良症和多发性肌炎。表中列出了包括药物、毒素和毒物在内的其他罕见原因(表1)。参见“成人慢性脊髓损伤患者的呼吸系统并发症”、“双侧膈神经麻痹的原因和诊断”、“肌萎缩侧索硬化症和其他形式运动神经元病的诊断”、“成人格林-巴利综合征：临床特征和诊断”、“重症肌无力的临床表现”、“与危重疾病相关的神经肌肉无力”和\“Duchenne和Becker肌营养不良：临床特征”(见“成人慢性脊髓损伤患者的呼吸系统并发症”、“双膈肌麻痹的原因和诊断”、“肌萎缩侧索硬化症和其他形式运动神经元病的诊断”、“成人格林-巴利综合征的临床特征和诊断”和“Duchenne和Becker肌营养不良症的临床特征”)。
极少数情况下， 严重的低磷血症或低镁血症可能会引起吸气性肌病 ，从而导致高碳酸血症。(见\“低磷血症：磷酸盐耗竭的临床表现”和\“低镁血症：镁耗竭的临床表现\”。)
胸廓疾病也是经常被遗忘的高碳酸血症的原因，包括脊柱后凸和胸廓成形术、连枷胸、强直性脊柱炎和漏斗胸。虽然低通气是胸廓疾病患者发生高碳酸血症的一种机制，但病因可能是多因素的，可能涉及呼吸的中枢控制以及通气/灌注(V/Q)不匹配。(请参阅\“胸壁疾病和限制性生理\”和\“成人轴性脊柱炎的临床表现(强直性脊柱炎和非放射学轴性脊柱炎)\”。)
包括：
解剖死腔--解剖死腔由上呼吸道和终末细支气管之间的间隙组成，O2和CO2不能通过该间隙进行物理交换。一般来说， 解剖学上的死腔(以毫升为单位)大致等于患者的体重(以磅为单位) 。个体的呼吸模式，主要是吸气的大小，决定了分配给解剖死腔的呼吸的比例，即它改变了Vd/VT。 如果解剖死腔是150mL，呼吸450mL，Vd/VT是0.33(假设肺泡死腔最小) ； 如果改变呼吸模式，使潮气量为300mL，Vd/VT现在是0.5 。如果 总通气量不变，就会导致高碳酸血症 。
肺泡死腔-肺泡死腔反映通气的肺泡灌注减少。因此，死腔(正通气但无灌注)与分流(无通气但正灌注)的V/Q失配相反。肺泡死腔增加是慢性阻塞性肺疾病(COPD、肺炎、间质纤维化)和肺血管病患者高碳酸血症的主要机制。 下面讨论增加死腔以导致高碳酸血症的条件 。(请参阅下面的“病因”和下面的“慢性阻塞性肺疾病”。)
生理死腔~解剖死腔和肺泡死腔的结合称为生理死腔。
病因-快速浅呼吸可通过增加死腔与潮气量的比率而导致高碳酸血症，因为中央气道的解剖死腔占较小潮气呼吸的较大比例。肺泡死腔增加主要见于影响肺部气体交换成分的固有肺部疾病患者(表1)。
肺泡死腔的增加可能是由于过度膨胀的肺(例如，机械通气正压过大) 或肺毛细血管破坏(肺气肿、间质纤维化、肺血管炎)造成的肺毛细血管压缩(外源性阻塞) 。在大多数情况下，最初死腔的增加刺激了每分钟的通气，试图使PaCO2正常化，因此许多患有这些疾病的患者最初的二氧化碳浓度是正常的。只有当这种代偿机制受损时( 通常是因为呼吸泵的问题，如肌肉无力或气道阻力增加 )，死腔增加才会导致临床相关的高碳酸血症(例如，患有严重或终末期肺部疾病的患者)。(参见上面的“增加死角”。)
VD增加(即高V/Q区) 被认为是COPD患者发生高碳酸血症的主要机制 ，其细节将另行讨论[2]。值得注意的是，血中二氧化碳分压和二氧化碳含量之间的相对线性关系通常允许正常肺单位过度通气，以补偿高V/Q的病变单位；因此，轻到中度V/Q异常的患者可能是低氧而不是高碳酸血症。(参见下面的“慢性阻塞性肺疾病”。)
二氧化碳产量的增加是氧化新陈代谢的产物。二氧化碳产量的增加很少是高碳酸血症的主要原因，因为对二氧化碳产量增加的通常反应是VE增加，从而消除多余的二氧化碳以维持正常的PaCO2。然而，当增加肺泡通气量(VA)的能力有限时(例如，严重的COPD加重、呼吸肌无力；即增加死腔或阻止全球通气量的正常代偿性增加的情况)，二氧化碳产量的增加可能部分导致PaCO2升高。
随着发烧，甲状腺毒症，分解代谢增加（败血症，类固醇），过度摄食，运动和代谢性酸中毒，二氧化碳的产生量增加（表1）。
VD增加(即高V/Q区)被认为是COPD患者发生高碳酸血症的主要机制[2]。虽然一些患者可以通过增加VE和重新分配灌注来改善V/Q匹配来进行补偿(例如，经典的正常人\“粉红色吹风机\”)，但有些患者不能补偿和发展成慢性高碳酸血症(例如，经典的“蓝色肿胀”)。其他COPD患者会在病情恶化或补充氧气后出现高碳酸血症，一旦病情恶化缓解(可逆性高碳酸血症)或撤氧，则分别恢复正常。解释COPD高碳酸血症的机制如下：
导致死腔增加(相对于灌注增加的通气量)和COPD患者在基线或加重期间(无氧情况下)随后发展为高碳酸血症的因素包括肺气肿破坏毛细血管，气流阻塞导致恶性充气，以及高肺容量时肺顺应性降低[3]。此外，COPD和高碳酸血症患者的呼吸模式与正常二氧化碳患者不同；高碳酸血症患者往往潮气量较低，呼吸频率增加，这会增加VD/VT[4-6]。例如，在一项前瞻性研究中，与正常对照组相比，观察到20名COPD患者的基线分钟通气量没有差异[7]。然而，在病情恶化期间，与正常对照组相比，COPD患者表现出呼吸频率增加，潮气量降低，呼吸驱动力增加(通过口腔闭塞压力测量)。
COPD患者潮气量降低是多种因素共同作用的结果。呼吸驱动，如通过口腔闭塞压力或吸气流速测量，似乎很高[4，7]；这可能导致吸气时间缩短。 由于呼气阻力增加 ，呼气时间必须延长，以使个体恢复到功能性剩余容量(即松弛容积，当胸壁的向外反冲与肺的向内反冲相等时)(图4)。这种异常呼吸模式的机制仍不清楚，但可能包括低氧血症[6]，慢性支气管炎共存对肺刺激物和J受体的刺激[4，5]，以及与呼吸不适有关的认知因素。 此外，由于动态过度充气，当呼吸频率增加时，吸气量会减少 [8]。(参见\“通气控制障碍\”和\“COPD患者的动态过度充气\”。)
一些(但不是所有)COPD患者在补充氧气时会出现高碳酸血症，其机制自20世纪80年代初以来就已阐明。重要的是，高碳酸血症的潜在发展不应该停止给低氧血症的COPD患者吸氧，因为不给氧可能是潜在的有害的(急性呼吸性酸中毒和低氧血症的结合可能导致心律失常和心肌功能障碍)。本部分对COPD患者氧源性高碳酸血症的发病机制进行了讨论。对这一人群的氧气安全管理将另行讨论。(见“成人急性高碳酸血症呼吸衰竭的评估、诊断和治疗”，“氧气滴定”一节。)
最初认为COPD患者依赖于他们的低氧通气动力，因为他们对CO2(即pH)的敏感性减弱，而这种情况下的高碳酸血症是由于低氧动力被“移除”，从而导致肺泡通气量减少。一般来说，呼吸的控制依赖于睡眠时的中枢驱动(髓质中的吸气神经元)，以及清醒时的网状激活系统(参见“通气控制”)。 目前认为COPD患者氧源性高碳酸血症的主要原因是通气/灌注失配加重，导致死腔增加 ； 虽然吸氧确实能降低低氧通气驱动力，但补氧时对PaCO2急剧升高的贡献相对较小 。 在氧气存在的情况下，血红蛋白与二氧化碳的结合亲和力降低(霍尔丹效应)也是原因之一 [7，9]。下列研究支持这一理论[7，9-14]：
1. 在一项前瞻性研究中，20名COPD患者与正常对照组进行了比较[7]。当患者在病情恶化期间以5L/min的速度补充氧气时，由于呼吸频率的小幅下降而潮气量没有变化，每分钟通气量仅下降了14%。然而，每分钟通气量的减少不能解释PaCO2的全部增加；进一步的分析得出结论，高碳酸血症主要是由于死腔与潮气量比率的增加。尽管通气驱动力因补充氧气而降低，但仍比正常对照组大三倍，这表明在这一人群中，补充氧气并不能消除呼吸驱动力。
2. 另一项前瞻性研究检查了FiO2为1对慢性稳定期COPD患者的影响[9]。所有患者最初的每分钟通气量减少了约18%，12分钟后恢复到基线的约93%，尽管继续给氧。最初每分钟通气量的减少是由于潮气量和呼吸频率的减少。给氧15分钟后，PaCO2平均增加了23mmHg，这是由于三种成分造成的：
* 死腔增加-急性高碳酸血症的最大组成部分(11mmHg，48%)是由于死腔通风增加(即高V/Q区域)。这可能反映了由于 缺氧性肺血管收缩(HPV)的丧失(即血流从相对通风良好的单位重定向到通风不良的单位) ，V/Q匹配恶化。 缺氧性肺血管收缩(HPV) 通常用于改善血流和通气之间的匹配。这种补偿响应改善了V/Q匹配，减少了生理死区。HPV消失的影响在初始动脉血氧分压低的患者中最为明显。V/Q失配的重要性已在其他研究中得到证实[10]。
* 霍尔丹效应-PaCO2额外增加7mmHg(30%)归因于血红蛋白对CO2的亲和力降低(霍尔丹效应)[10]。霍尔丹效应是指在氧饱和度增加的情况下，二氧化碳-血红蛋白解离曲线向右移动(图5)。这是因为 氧合血红蛋白与二氧化碳的结合不如脱氧血红蛋白强烈 ；因此，向血液中添加氧气取代了血红蛋白中的二氧化碳，从而增加了溶解在血液中的二氧化碳的量，进而增加了PaCO2[11]。当动脉血氧饱和度(SaO2)在PaO2的每mmHg(即氧-血红蛋白解离曲线的陡峭部分)变化最大时，Haldane效应最为明显， 介于PaO2为20和60mmHg之间 (图6)。
* 每分钟通气量减少-只有大约5毫米汞柱(22%)可以直接归因于每分钟通气量的小幅(7%)减少。
气体交换和肺血流动力学的计算机模型已经证实了每分钟通气量减少、霍尔丹效应和V/Q匹配变化的相对贡献[12]。
第三项针对22名COPD恶化患者的研究报告称，与那些保持正常二氧化碳的患者(非二氧化碳保持器；每分钟通气[VE]的1.8升变化比0升)[13]相比，出现高碳酸血症(二氧化碳保持器)的患者对100%氧气的反应减少了分钟通气量[VE][13]。然而，这项研究的局限性是将二氧化碳滞留定义为PaCO2增加3 mmHg，这在临床上可能是微不足道的。此外，二氧化碳保持器和非保持器的平均PaO2水平均>54mmHg。这将最大限度地减少缺氧性肺血管收缩和霍尔丹效应的作用，这两种作用在氧分压较低的情况下都更为突出。
与鼻插管不同流速相关的FiO2取决于患者的总分钟通气量(通气量越大，任何给定流速下的FiO2越低，因为个体吸入的“房间空气”量更大，从而稀释了补充氧气；或者，在分钟通气量较低的情况下，补充氧气包含更多的吸入气体)。此外，鼻咽部吸气气体对流量感受器的刺激降低了呼吸动力，与PaO2的变化无关。因此，当通气量下降时，FiO2可能会上升，这可能会导致循环，导致进行性高碳酸血症。
重要的是，突然去除补充氧可能会导致PaO2降至低于氧疗开始时的水平。在这种情况下，低氧血症的发展比高碳酸血症的缓解更快(由于二氧化碳扩散到一系列组织中的能力，体内的二氧化碳储存量很大)，随后的组织缺氧可能会导致或恶化代谢性酸中毒[15]。因此，不推荐急性撤氧。另外还对高碳酸血症患者的氧滴定进行了讨论。(见“成人急性高碳酸血症呼吸衰竭的评估、诊断和治疗”，“氧气滴定”一节。)
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