各种病因通过肺通气不足、弥散障碍、通气/血流比例失调、肺内动—静脉解剖分流增加、氧耗量增加五个主要机制，使通气和（或）换气过程发生障碍，导致呼吸衰竭。临床上单一机制引起的呼吸衰竭很少见，往往是多种机制并存或随着病情的发展先后参与发挥作用。

正常成人在静息状态下有效肺泡通气量约为4L/min才能维持正常的肺泡氧分压（PaO ₂）和肺泡二氧化碳分压（PaCO ₂）。肺泡通气量减少会引起PaO ₂下降和PaCO ₂上升，从而发生缺氧和CO ₂储留。呼吸空气条件下，PaCO ₂与肺泡通气量（V _A）和CO ₂产生量（VCO ₂）的关系可用下列公式反映：PaCO ₂=0.863×VCO ₂/V _A。若VCO ₂是常数，V _A与PaCO ₂呈反比关系。V _A和PaCO ₂与肺泡通气量的关系请见图3-1。

指O ₂、CO ₂等气体通过肺泡膜进行交换的物理弥散过程发生障碍。气体弥散的速度取决于肺泡膜两侧气体压差，气体弥散系数，肺泡膜的弥散面积、厚度和通透性，同时气体弥散量还受血液与肺泡接触时间以及心排血量、血红蛋白含量、通气/血流比例的影响。静息状态时，流经肺泡壁毛细血管的血液与肺泡的接触时间约为0.72s，而O ₂完成气体交换的时间为0.25～0.3秒，CO ₂则只需0.13秒，并且O ₂的弥散能力仅为CO ₂的1/20，故弥散障碍时常以低氧血症为主。需要注意的是，只有当肺部出现严重病变时才会影响氧合，弥散障碍很少作为独立因素单独影响氧合。

血液流经肺泡时能否保证血液动脉化，即得到充足的O ₂并充分排出CO ₂，除需有正常的肺通气功能和良好的肺泡膜弥散功能外，还取决于肺泡通气量与血流量之间的正常比例。正常成人静息状态下，通气/血流比值约为0.8。肺泡通气/血流比例失调有两种主要形式。①部分肺泡通气不足：肺部病变，如肺泡萎陷、肺炎、肺不张、肺水肿等引起病变部位的肺泡通气不足，通气/血流比值变小，部分未经氧合或未经充分氧合的静脉血（肺动脉血）通过肺泡的毛细血管或短路流入动脉血（肺静脉血）中，故又称肺动—静脉样分流或功能性分流（functional shunt）。②部分肺泡血流不足：肺血管病变，如低心排及肺栓塞引起栓塞部位血流减少，通气/血流比值增大，肺泡通气不能被充分利用，又称无效腔样通气（dead space-like ventilation）。通气/血流比例失调通常仅导致低氧血症，而无CO ₂储留。其原因主要是：①动脉与混合静脉血的氧分压差为59mmHg，比CO ₂分压差5.9mmHg大10倍；②氧解离曲线呈S形，正常肺泡毛细血管的血氧饱和度已处于曲线的平台段，无法携带更多的氧以代偿低PaO ₂区的血氧含量下降。而CO ₂解离曲线在生理范围内呈直线，有利于通气良好区对通气不足区的代偿，排出足够的CO ₂，不致出现CO ₂储留。然而，如果正常肺泡不能代偿（如合并有低通气），严重的通气/血流比例失调亦可导致CO ₂储留。

肺动脉内的静脉血未经氧合直接流入肺静脉，导致PaO ₂降低，是通气/血流比例失调的特例，常见于肺动—静脉瘘。这种情况下，提高吸氧浓度并不能提高分流静脉血的血氧分压。分流量越大，吸氧后提高动脉血氧分压的效果越差；若分流量超过30%，吸氧并不能明显提高PaO ₂。

发热、寒战、呼吸困难和抽搐均增加氧耗量。寒战时耗氧量可达500ml/min；严重哮喘时，呼吸肌做功增加，氧耗量可达正常的十几倍。氧耗量增加导致肺泡氧分压下降时，正常人可通过增加通气量来防止缺氧的发生。所以，若氧耗量增加的患者同时伴有通气功能障碍，则会出现严重的低氧血症。

低氧血症和高碳酸血症能够影响全身各系统脏器的代谢、功能甚至使组织结构发生变化。在呼吸衰竭的初始阶段，各系统脏器的功能和代谢可发生一系列代偿性反应，以改善组织供氧，调节酸碱平衡，适应内环境的变化。当呼吸衰竭进入严重阶段时，则出现代偿不全，表现为各系统脏器严重的功能和代谢紊乱直至衰竭。

脑组织的耗氧量很大，占全身耗氧量的1/5～1/4。大脑皮质的神经元细胞对缺氧最为敏感，通常完全停止供氧4～5分钟即可引起不可逆性脑损害。低氧对中枢神经系统影响的程度与缺氧发生的速度和程度有关。当PaO ₂降至60mmHg时，可出现注意力不集中、智力和视力轻度减退；当PaO ₂迅速降至40～50mmHg以下时，会引起一系列神经精神症状，如头痛、不安、定向力与记忆力障碍、精神错乱、嗜睡；低于30mmHg时，出现神志丧失乃至昏迷；PaO ₂低于20mmHg时，只需数分钟即可造成神经细胞不可逆性损伤。

CO ₂储留使脑脊液H ^＋浓度增加，影响脑细胞代谢，降低脑细胞兴奋性，抑制皮质活动；但轻度CO ₂增加，对皮质下层刺激加强，可间接引起皮质兴奋。CO ₂储留可引起头痛、头晕、烦躁不安、言语不清、精神错乱、扑翼样震颤、嗜睡、昏迷、抽搐和呼吸抑制等表现，这种由缺氧和CO ₂储留所致的神经精神障碍症候群称为肺性脑病（pulmonary encephalopathy），又称CO ₂麻醉（carbon dioxide narcosis）。肺性脑病早期患者往往有失眠、兴奋、烦躁不安等症状。除上述神经精神症状外，还可表现为木僵、视力障碍、球结膜水肿及发绀等。肺性脑病的发病机制尚未完全阐明，但目前认为低氧血症、CO ₂储留和酸中毒三个因素共同损伤脑血管和脑细胞是最根本的发病机制。

缺氧和CO ₂储留均会使脑血管扩张、血流阻力降低、血流量增加以代偿脑缺氧。缺氧和酸中毒还能损伤血管内皮细胞使其通透性增高，导致脑间质水肿；缺氧使红细胞ATP生成减少，造成Na ⁺-K ⁺泵功能障碍，引起细胞内Na ⁺及水分增多，形成脑细胞水肿。以上情况均可引起脑组织充血、水肿和颅内压增高，压迫脑血管，进一步加重脑缺血、缺氧，形成恶性循环，严重时出现脑疝。另外，神经细胞内的酸中毒可引起抑制性神经递质γ-氨基丁酸生成增多，加重中枢神经系统的功能和代谢障碍，也成为肺性脑病以及缺氧、休克等病理生理改变难以恢复的原因。

一定程度的PaO ₂降低和PaCO ₂升高，可使心率反射性增快、心肌收缩力增强、心排血量增加；缺氧和CO ₂储留时，交感神经兴奋使皮肤和腹腔脏器血管收缩，而冠脉血管由于主要受局部代谢产物的影响发生扩张，其血流量是增加的。严重的缺氧和CO ₂储留可直接抑制心血管中枢，造成心脏活动抑制和血管扩张、血压下降、心律失常等严重后果。心肌对缺氧十分敏感，早期轻度缺氧即可有心电图的异常表现。急性严重缺氧可导致心室颤动或心脏骤停。长期慢性缺氧可导致心肌纤维化、心肌硬化。在呼吸衰竭的发病过程中，缺氧、肺动脉高压以及心肌受损等多种病理变化共同作用，最终导致肺源性心脏病（cor pulmonale）。

呼吸衰竭患者的呼吸变化受到PaO ₂降低和PaCO ₂升高所引起的反射活动及原发疾病的影响，因此实际的呼吸活动需要视诸多因素综合而定。

低氧血症对呼吸的影响远小于CO ₂储留。低PaO ₂（<60mmHg）作用于颈动脉体和主动脉体的化学感受器，可反射性兴奋呼吸中枢，增强呼吸运动，使呼吸频率增快甚至出现呼吸窘迫。当缺氧程度缓慢加重时，这种反射性兴奋呼吸中枢的作用将变得迟钝。缺氧对呼吸中枢的直接作用是抑制作用，当PaO ₂<30mmHg时，此作用可大于反射性兴奋作用而使呼吸抑制。

CO ₂是强有力的呼吸中枢兴奋剂。当PaCO ₂急骤升高时，呼吸加深加快；长时间严重的CO ₂储留，会造成中枢化学感受器对CO ₂的刺激作用发生适应；当PaCO ₂>80mmHg时，会对呼吸中枢产生抑制和麻醉效应，此时呼吸运动主要靠低PaO ₂对外周化学感受器的刺激作用来维持。因此对这种患者进行氧疗时，如吸入高浓度氧，由于解除了低氧对呼吸中枢的刺激作用，可造成呼吸抑制，应注意避免。

呼吸衰竭的患者常常合并肾功能不全，若及时治疗，随着外呼吸功能的好转，肾功能可以恢复。

呼吸衰竭的患者常合并消化道功能障碍，表现为消化不良、食欲缺乏，甚至出现胃肠黏膜糜烂、坏死、溃疡和出血。缺氧可直接或间接损害肝细胞，使丙氨酸氨基转移酶升高，若缺氧能够得到及时纠正，肝功能可逐渐恢复正常。

呼吸功能障碍导致血PaCO ₂增高（>45mmHg）、pH下降（<7.35）、H ⁺浓度升高（>45mmol/L），发生呼吸性酸中毒。早期可出现血压增高，中枢神经系统受累，表现为躁动、嗜睡、精神错乱、扑翼样震颤等。由于pH取决于 与H ₂CO ₃的比值，前者靠肾脏调节（需1～3天），而后者靠呼吸调节（仅需数小时），因此急性呼吸衰竭时CO ₂储留可使pH迅速下降。在持续或严重缺氧的患者体内，组织细胞能量代谢的中间过程，如三羧酸循环、氧化磷酸化和有关酶的活性受到抑制，使能量生成减少，体内乳酸和无机磷产生增多，导致代谢性酸中毒（实际碳酸氢盐AB<22mmol/L）。此时患者表现为呼吸性酸中毒合并代谢性酸中毒，可出现意识障碍、血压下降、心律失常甚至心脏骤停。由于能量不足，体内转运离子的钠泵功能障碍，使细胞内K ⁺转移至血液，而Na ⁺和H ⁺进入细胞内，造成细胞内酸中毒和高钾血症。

慢性呼吸衰竭时因CO ₂储留发展缓慢，肾脏可通过减少 的排出来维持pH恒定。但当体内CO ₂长期增高时， 也持续维持在较高水平，导致呼吸性酸中毒合并代谢性碱中毒，此时pH可处于正常范围，称为代偿性呼吸性酸中毒合并代谢性碱中毒。因血中主要阴离子 和Cl ^-之和相对恒定（电中性原理），当 持续增加时血中Cl ^-相应降低，产生低氯血症。当呼吸衰竭恶化，CO ₂储留进一步加重时， 已不能代偿，pH低于正常范围（<7.35），则呈现失代偿性呼吸性酸中毒合并代谢性碱中毒。