本综述概述了通气/灌注比与肺部气体交换之间的关系，强调基本概念并将其与临床情况联系起来。对于每个气体交换单元，肺泡和流出血液中氧和二氧化碳分压（PO2 和 PCO2）由每个单元的肺泡通气与血流量的比率（V'A/Q'）确定。分流和低 V'A/Q' 区域是 V'A/Q' 不匹配的两个例子，也是低氧血症的最常见原因。即使没有 V'A/Q' 不匹配，弥散限制、通气不足和低吸气 PO2 也会导致低氧血症。与其他原因相比，分流引起的低氧血症对补充氧气的反应较差。血流很少或没有的气体交换单元（高 V'A/Q' 区域）会导致肺泡死腔并增加浪费的通气，即二氧化碳去除效率较低。由于呼吸驱动力维持正常的动脉 PCO2，通气浪费的最常见结果是每分钟通气量和呼吸功增加，而不是高碳酸血症。肺泡-动脉氧张力差、静脉混合和无效通气的计算提供了 V'A/Q' 不匹配对气体交换影响的定量估计。导致气体交换受损的 V'A/Q' 不匹配类型因不同的肺部疾病而异。
虽然健康的肺部有效地交换呼吸气体，但低氧血症和高碳酸血症表明病理生理学和肺部无法提供足够的气体交换。了解气体如何转移以及气体交换效率低下的原因对于治疗肺部疾病患者至关重要。在本文中，我们将回顾气体交换的正常和病理机制。从简单开始，逐渐复杂，我们将强调基本概念，并将它们与临床医生熟悉的案例场景联系起来。
肺的结构非常适合呼吸气体的有效交换。通过气道和血管树，新鲜气体和静脉血被输送到大的肺泡毛细血管表面积并从其中排出。在成人中，吸入的空气进入横截面积约为 3 cm2 的气管，并被输送到表面积约为 140 m2 的肺泡，大约相当于一个网球场的大小。同样，肺血管树从主肺动脉开始，反复分叉成小动脉和毛细血管，覆盖肺泡表面的 85-95%。仅 1 μm 的超薄薄膜将肺泡气体区和血液区分开，使气体能够在它们之间快速扩散。由于肺泡毛细血管内的血容量相对较大，血流减慢，血液通过时间增加，通常为0.25-0.75秒，从而有更多的时间进行气体交换。
我们从一个简单的肺部模型开始，仅包含一个气体交换单元（图 1a）。该单位的毛细血管输送具有低 O2 分压 (Pv´O2) 的混合静脉血。肺泡气体 (PAO2) 中的 O2 (PO2) 分压远高于毛细血管血液中的分压，O2 在通过毛细血管时被动地从肺泡腔扩散到血液中（图 2a）。分隔肺泡气体和血液隔室的膜几乎不会产生扩散阻力，因此毛细血管末端血液 (PecO2) 中的 PO2 在血液离开单位之前就与 PAO2 达到平衡。因此，动脉血的氧合主要取决于 PAO2。请注意，在这个理想化的肺单位中，动脉血中的 PAO2 和 PO2 (PaO2) 之间没有差异。由于稍后解释的原因，肺泡-动脉氧分压差 (PA-aO2) 在评估临床医学中气体交换问题的原因时非常有帮助，我们将在整个综述中使用它。虽然“梯度”一词也很常用，但我们更喜欢使用“差”来强调 PAO2 和 PaO2 之间的差并不是由于它们之间的压力梯度造成的。混合静脉血 (Pv¯CO2) 中的 CO2 分压 (PCO2) 比肺泡气体 (PACO2) 中的分压更大，并且在肺泡毛细血管膜上扩散，因此，导致与流动方向相反的净流量 O2，从血液到肺泡气体（图 2b）。结果再次是肺泡气体和毛细血管末端血液 (PecCO2) 中的 PCO2 相等，因为 CO2 的弥散阻力甚至比 O2 更小。由于氧和二氧化碳的分压与血液含量之间的关系不同，混合静脉血和动脉血之间的分压差为 5 mmHg（0.7 千帕）时，二氧化碳的交换量与分压差为 60 mmHg（6.7 千帕）时的氧气交换量大致相同。血液中携带的氧气量由血红蛋白浓度、血红蛋白结合氧气的比例和 PaO2 决定（图 1b）。当我们在下文讨论多肺单元模型时，重要的是要了解不同单元的毛细血管末端血 O2 含量（CecO2）而不是 PecO2 是相加的。
图1，a) 单个肺单位中用于部分压力、气体分数和氧含量的符号说明，如表1中所定义。请注意，对于单个单位肺模型，动脉和血管末梢的值是相等的。b) 血红蛋白-氧（Hb-O2）解离曲线以O2分压（PO2）、O2饱和度和静脉和动脉部位的O2含量为特征，血红蛋白浓度为15 g·dL−1。
图2，a) 不同分区的PO2以及氧在毛细血管上的扩散方式使得血液离开单位之前，PecO2与PAO2趋于一致。请注意，结果为PA–aO2为零。b) 以类似的方式说明了PCO2。两个面板上的图表的时间尺度是红细胞通过肺泡毛细血管的通行时间，通常为0.25-0.75秒。有关术语的术语表，请参见表1。,
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我们使用单单元模型（图 1a）开始讨论低氧血症和高碳酸血症的五个潜在原因。我们的第一个例子是弥散限制。
在案例 1 中，一名 25 岁的男性精英自行车运动员在接受心肺运动研究后发现，随着功的增加，动脉低氧血症逐渐恶化（正常人中未见这种反应）。运动结束时的动脉血气 (ABG) 为：pH 7.18，动脉血中 PCO2 (PaCO2) 30 mmHg (4.0 kPa)，PaO2 81 mmHg (10.8 kPa)，动脉血红蛋白 O2 饱和度 88%。
运动会增加体循环中从动脉血中摄取的 O2 量，这往往会降低 Pv¯O2。因此，肺部需要吸收更多的氧气才能达到动脉血的正常氧合。运动还会增加肺血流量，从而缩短血液接触肺泡气体的时间。综合效应是需要在更短的时间内吸收更多的氧（图 3）。当心输出量非常高时，传输时间可能太短，无法实现 PAO2 和 PecO2 之间的完全平衡。这表明弥散限制是实现极高心输出量的运动员低氧血症的原因之一。正常人在高原运动期间也可能出现由于弥散受限而导致的低氧血症。在这种情况下，由于海拔高度吸入空气中的 PO2 (PIO2) 较低，O2 弥散的驱动压力降低，并且由于心输出量较高，血液通过肺泡毛细血管的传输时间较短。间质性肺疾病患者也可能发生弥散受限。患有这些疾病的患者在静息时 PaO2 可能正常，但在运动时会出现低氧血症，这可以通过增厚的肺泡毛细血管膜扩散阻力增加、Pv¯O2 减少和通过时间缩短的综合效应来解释。图3，不同条件下毛细血管血氧合随时间的变化。该面板说明了在海平面极端运动（实线）和高海拔适度运动（虚线）期间，PecO2 和 PaO2 如何因低 Pv＇O2 和短传输时间而未能达到 PAO2。与图2a中的正常氧合速率进行比较。有关术语表，请参见表 1。弥散受限是低氧血症的五个原因之一（表 2）。PAO2 和 PecO2 之间缺乏平衡会导致 PA-aO2 增加。一般来说，这些患者的低氧血症对补充氧气反应良好。虽然这并不能纠正弥散限制，但它会提高 PAO2 和 O2 弥散到血液中的驱动压力。由于 CO2 弥散阻力较低，O2 弥散受限的患者 PaCO2 正常。尽管弥散受限是我们在表 2 中列出的低氧血症的第一个原因，但从临床角度来看，它是低 PaO2 的罕见原因。病例 2 是一名 82 岁女性，患有慢性肾功能衰竭，正在接受连续不卧床腹膜透析 (CAPD)，最近从她的孙子那里感染了百日咳。她的医生给她开了一种含有阿片类药物的镇咳药来减轻咳嗽。她现在昏昏欲睡，无法管理 CAPD 的日常活动。ABG 分析显示 pH 7.17、PaO2 45 mmHg (6.0 kPa) 和 PaCO2 77 mmHg (10.3 kPa)。该病例强调通气不足是低氧血症的原因之一。尽管定量关系很复杂，但可以直观地理解，我们单个肺泡单位中的PAO2（图1a）受到O2输送（通气量，V'A）和O2去除（血流量 ，Q′）之间比率的影响。因此，PAO2 的决定因素之一是通气量和血流量之间的平衡或比率 (V'A/Q')。在病例 2 的患者中，通气不足和正常血流导致 V'A/Q' 比值较低（氧输送量减少且 O2 去除量不变），从而降低 PAO2，并降低 PecO2。相反，过度通气（通气量相对于血流量增加）会增加 PAO2 和 PecO2。PACO2 也由 V'A/Q' 比率决定，但 CO2 通过血流输送，CO2 通过通气去除，与 O2 相反。因此，V'A/Q'比率降低会导致 PACO2 和 PaCO2 升高，这是通气不足的标志，而比率增加则会降低 PACO2。这些关系如图 4 所示。O2 输送和摄取之间的平衡产生 PAO2，可以使用肺泡气体方程（框 1）进行量化。图 4 – 通气过度和通气不足对 PAO2（红色）和 PACO2（蓝色）的影响，因此，如果不存在其他 V'A/Q' 不匹配，也会对 PaO2 和 PaCO2 产生影响。虚线表示 V'A、PAO2 和 PACO2 的正常值。该图是假设心输出量、O2 消耗量和 CO2 产生量不变，混合静脉值随 PaO2 和 PaCO2 变化而变化而得出的。通气不足时，Pv￣O2 和 Pv￣CO2 分别低于和高于正常水平。请注意，V'A 的变化对应于 V'A/Q' 比率的变化，因为血流量（心输出量）保持恒定。因此，通气量减少（低 V'A/Q' 比）会导致 PAO2 和 PACO2 向混合静脉值移动，而过度通气则使 PAO2 和 PACO2 向其吸气值移动。因此，通气不足会导致低氧血症和高碳酸血症。FIO2 的增加导致 PO2 曲线向上移动，而 PCO2 曲线保持固定。在这种情况下，即使没有低氧血症，PaCO2 也可能很高。有关术语表，请参见表 1。因此，通气不足继发的低氧血症是由于 PAO2 低所致，并且是表 2 中列出的 PaO2 低的第二个原因。由于肺泡毛细血管膜上的气体交换没有受损，PAO2 和 PaO2 类似地降低，并且 PaO2 降低。PA-aO2 在仅因通气不足导致的低氧血症中是正常的。在情况 2 中，肺泡气体方程（框 1）得出的估计 PAO2 为 53 mmHg (7.1 kPa)，PA–aO2 ∼7 mmHg (0.9 kPa)，这是一个正常值。通气不足导致的低氧血症可以通过补充 O2 来解决，即使通气不足仍未得到纠正，也可以增加 PAO2。在这种情况下，O2 治疗的一个重要方面是，呼吸空气时通气不足会在 PaCO2 增加到危险的高水平之前导致严重的低氧血症。相比之下，即使通气不足导致严重高碳酸血症，提供补充氧气也可以使 PAO2 和 PaO2 维持在 90 mmHg (12 kPa) 以上。临床上重要的推论是，患者呼吸空气中的正常脉搏血氧饱和度读数是充分通气的良好指示（正常 PaCO2）。然而，当患者补充氧气时，正常的氧气饱和度不能用来判断通气是否充足。
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在案例3中，一位21岁的非常健康的登山者在攀登勃朗峰（4810 m）时注意到她的手指是蓝色的并且她的血红蛋白O2饱和度是65%。
尽管空气中 O2 的分数始终为 0.21，但高海拔地区气压的降低会导致 PIO2 成比例下降。使用肺泡气体方程（方框 1），根据她的海拔高度选择合适的气压 (420 mmHg (56 kPa))，通气量无变化 (PaCO2 40 mmHg (5.3 kPa))，R 为 0.8，则预期 PAO2 为 勃朗峰顶部的气压约为 28 mmHg (3.7 kPa)，严重低氧血症。因此，在高海拔地区或呼吸吸入氧分数 (FIO2) <0.21 时，低 PIO2 是低氧血症的另一个原因。同样，肺泡毛细血管膜的气体交换是正常的。低氧血症的原因是 PAO2 减少，因此 PA-aO2 正常。那么如何才能登上勃朗峰呢？低氧血症会增加呼吸动力，从而增加总 V'A/Q' 比率和肺泡的 O2 输送，从而部分纠正 PAO2 和 PaO2（图 3）。通气量增加会导致低碳酸血症，定义为 PaCO2 <40 mmHg (<5.3 kPa)。最近登山者在珠穆朗玛峰顶峰呼吸空气的 ABG 样本显示，平均 PaO2 为 25 mmHg (3.3 kPa)，PaCO2 为 13 mmHg (1.7 kPa) 。提高 PAO2 和 PaO2 的第二种方法是呼吸补充氧气。大多数登顶珠穆朗玛峰的登山者都会补充氧气。
对于低氧血症的其余两个原因，即 V'A/Q' 不匹配的两个例子，我们必须转向多单元肺模型。虽然其设计和气体交换能力令人着迷，但具有多个并行气体交换单元的肺部解剖结构为局部通气和血流的不均匀和不同分布奠定了基础。如果区域通气和灌注不完全匹配，即每个单元没有接收到等比例的总血流量和总通气量，则 V'A/Q' 比率将在肺区域之间变化，每个肺区域将具有不同的 PAO2 和 PACO2 和气体 交换的效率就会降低。图 5 显示了 PAO2 和 PACO2 的单位范围及其 V'A/Q' 比率的函数。为了证明不同 V'/Q' 比率的单位气体交换效率如何降低，我们将从一个简单的二单元肺模型开始。图5，该图显示了在 PIO2 (150 mmHg (20 kPa))、Pv¯O2 (40 mmHg (5.3 kPa)) 和 Pv¯CO2 (45mmHg,6 kPa) 正常值的假设下，PAO2 和 PACO2 如何随 V'A/Q' 比率变化。这些假设对于整个肺部来说是不现实的，因为PaO2和PaCO2的变化会导致混合静脉值的相应变化（从这方面来看，图4更为真实），但该图表说明了V'A/Q'比率对肺部区域单位的肺泡和末梢毛细血管的分压产生的影响，当通向血流的总通气量足以维持正常混合静脉值时。注意，V'A/Q'比率低于正常值（约为1）会导致PAO2急剧下降，PACO2略有增加，两者均趋近于最左边所示的混合静脉值。V'A/Q'比率增加会导致PAO2增加，PACO2减少，趋近于最右边所示的吸入气体值。有关术语的术语表，请参见表1。
病例4，一名患有严重肺气肿的67岁女性，呼吸空气时ABG为pH 7.35，PaO2为55 mmHg（7.3 kPa），PaCO2为55 mmHg（7.3 kPa）。以 3 L·min−1 补充 O2 后，脉搏血氧饱和度测定中的血红蛋白 O2 饱和度从 87% 提高到 93%。图 6 说明了两个单元的血流分布均匀，但通气分布不均匀，其中一个单元的 V'A/Q' 比率为 2.0，而另一个单元的比率为 0.1。低 V'A/Q' 比率导致该单位中的 PAO2 较低，因此离开该单元的血液中的 O2 含量和 PecO2 较低。请注意，该效果与案例 2 中通气不足的患者的效果类似，但在这种情况下，它仅涉及肺部的一部分。在正常 V'A/Q' 比率下血红蛋白几乎完全氧合意味着另一个单位的相对过度通气（高 V'A/Q' 比率）只会导致离开该单元的血液中的 O2 含量略有增加 。另请记住，动脉血 (CaO2) 的 O2 含量是由来自不同单元的血液的 O2 含量的流量加权平均值确定的，而不是分压。因此，低 V'A/Q' 单位的总体效果是 PaO2 降低和 PA-aO2 增加。因此，低 V'A/Q' 单元是低氧血症的第四个原因（表 2）。与对 PaO2 的影响相比，低 V'A/Q' 单元对 PaCO2 的影响较小，因为在高 V'A/Q' 比率的单位中 CO2 消除增加。在 V'A/Q' 区域较低的患者中，对 PaCO2 增加的通气反应也可以预防高碳酸血症。由于低 V'A/Q' 区域实际上是通气的，因此可以通过增加 FIO2 来抵消对动脉氧合的不利影响，从而增加 PAO2，即使在低 V'A/Q' 区域也是如此。因此，低 V'A/Q' 单位并不是对增加 FIO2 没有反应的患者低氧血症的唯一原因。图6，低 V'A/Q' 以双单元模型表示，其中两个单元的血流量相同，但通气量不同，导致单元的 V'A/Q' 比率为 2.0 和 0.1。请注意，不同的 V'A/Q' 比率导致两个单元之间的 PAO2 和 PACO2 有很大差异。CaO2 是两个单元的流量加权平均值，在这种情况下与算术平均值相同，因为单元之间的流量相等。PaO2 由正常血红蛋白 O2 饱和度与 PO2 曲线确定，假设血红蛋白浓度为 15 g·dL−1（图 1b）。有关术语表，请参阅表 1，ec 和 ec* 表示来自两个不同单元的毛细血管末端血液。
在病例 5 中，一名 32 岁男性，患有继发于细菌性肺炎的严重急性呼吸窘迫综合征 (ARDS)，机械通气时的 ABG 为 0.80，显示 pH 值 7.28、PaO2 67 mmHg (8.9 kPa) 和 PaCO2 61 mmHg（8.1 kPa）。图7显示了其中一个单元没有任何通气的情况，因此它无法参与气体交换。因此，流经该单元的血流构成肺内分流。分流可以被视为 V'A/Q' 比率范围的一个极端，比率为 0。来自该单元的毛细血管末端血流具有与混合静脉血相同的 PecO2 和 CecO2，并且当与来自另一个单元的血液结合时，会降低动脉血的氧合。因此，分流是低氧血症的第五个也是最后一个原因（表 2）。CaO2 也是来自气体交换单元 (CecO2) 和分流血液 (Cec'O2) 的 O2 含量的流量加权平均值（图 7）。分流量量化为分配给非通气单位的心输出量比例 (Q's/Q't)（框 2）。对动脉氧合的影响取决于该分数和混合静脉血 (Cv−O2) 的 O2 含量。对于一定程度的分流，较低的 Cv−O2 将导致动脉氧合较差。因此，旨在增加混合静脉 O2 饱和度 (Sv'O2)（进而 Cv'O2）的干预措施，例如通过增加血红蛋白浓度来提高 CaO2、减少 O2 消耗或增加心输出量，可能会改善由大分流引起的低氧血症。然而，分流分数已被证明随着心输出量的增加而增加；因此，此类干预措施的效果可能不如预期。Pv−O2 增加和肺动脉压增加可能会减少和抵消缺氧血管收缩（稍后讨论），这是心输出量对分流影响的推测性解释。图7，分流以双单元模型表示，其中两个单元的血流量相同，但其中一个单元没有通气。请注意，非通气单元中的肺泡和毛细血管末端 PO2 和 PCO2 等于混合静脉值，因为该单元中没有气体交换。CaO2 是来自两个单元的 CecO2 和 Cec*O2 的流量加权平均值，或者当单元之间流量相等时的算术平均值（如本例所示）。PaO2 由正常血红蛋白 O2 饱和度与 PO2 曲线确定，假设血红蛋白浓度为 15 g·dL−1（图 1b）。右侧的垂直条是分流方程的直观表示（参见框 2 和后面有关静脉混合的部分）。有关术语表，请参阅表 1，ec 和 ec* 表示来自两个不同单位的毛细血管末端血液。分流方程量化了三室模型中到达左心而不交换任何气体的血液量。该方程将静脉混合物定量为肺总血流量（即心输出量）的一部分。呼吸 FIO2 为 1.0 可用于消除低 V'A/Q' 单位的影响，从而计算真实分流。该方程是根据质量守恒定律推导出来的，参见示例和图 7。表 1 中解释了符号。CaO2 和 Cv−O2 分别从动脉血和混合静脉血样本中获得；后者需要肺动脉导管。根据肺泡气体方程，假设 PecO2 等于理想肺泡气体，计算 CecO2。该方程可以概念化并以图形方式呈现，如图 7 的垂直条所示。如果根本没有分流，条形顶部的 CecO2 是 CaO2 的最佳值。如果所有血流都通过分流器，则条形底部的 Cv¯O2 是 CaO2 可能达到的最差值。生成的 CaO2 介于 Cv−O2 和 CecO2 之间。因此，通过分流器的血流分数 (Q's/Q't) 是观察到的 CecO2 和 CaO2 之间的差异除以 CecO2 和 Cv ́O2 之间的潜在最大差异。
与低 V'A/Q' 区域的情况相反，随着分流的增加，FIO2 在改善动脉氧合方面的效果要差得多。随着分流分数的增加，提高 FIO2 的影响逐渐减小，对于非常大的分流，即使 FIO2 为 1.0 对 PaO2 的影响也很小。影响较小的原因是，在不通气单元中，升高的 FIO2 无法改善 PAO2，并且可以添加到通过通气单元的血流中的少量额外 O2 不足以抵消分流血液的影响。等分流图（图 8）说明了变量分流大小、FIO2 和 PaO2 之间的关系。由于大量肺内分流而导致低氧血症的临床病症包括广泛性肺不张、严重肺炎和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。在这些情况下，分流可能超过肺总血流量的 50%。心内从右向左分流对 PaO2 的影响与肺内分流相同。即使在正常受试者中，PaO2 也低于 PAO2，这主要是由于心输出量的 2-3% 从右向左分流。其中大部分不是严格的肺内分流，而是代表来自支气管静脉和左心室底比斯静脉的静脉血添加到动脉血中。分流对 CO2 交换的影响在框 3 中讨论。图8，等分流图，说明存在分流时 PaO2 和 FIO2 之间的关系，对应于不同的肺总血流量百分比。请注意，在没有分流的情况下，PaO2 和 FIO2 之间接近线性关系。随着分流分数的增加，PaO2 随 FIO2 增加的变化更加平坦。因此，FIO2 的大幅增加导致 PaO2 几乎没有变化。对于大于心输出量 30% 的分流，即使 FIO2 为 1.0 也无法导致 PaO2 为 100 mmHg (13.3 kPa)。建模基于血红蛋白浓度为 14 g·dL−1、PaCO2 为 40 mmHg (5.3 kPa) 以及动脉-混合静脉氧含量差 (Ca–v¯O2) 为 5 mL·dL−1。有关术语表，请参见表 1。
病例 4 的延续，67 岁女性，患有严重肺气肿，因慢性阻塞性肺病 (COPD) 急性加重住院。ABG 显示 pH 7.21、PaO2 67 mmHg (8.9 kPa) 和 PaCO2 85 mmHg (11.3 kPa)。测量显示她的呼吸量为 12 L·min−1。
尽管每分钟通气量 (V'E) 约为静息时正常值的两倍，但该患者的 PaCO2 升高，表明通气不足。这该如何解释呢？在所有受试者中，每次吸气时，部分潮气量 (VT) 会保留在传导气道中，因此无法促进气体交换。该体积对应于解剖学死腔，约为 150 mL (2–3 mL·kg−1) 或正常 VT 的三分之一。因此，潮气量的正常死腔分数 (VD/VT) 约为 0.3。图 9 显示了两个通气良好的单元，但其中一个单元没有血流，因此构成了肺泡死腔。一种临床原因可能是肺栓塞。肺泡死腔是指有通气但无血流的气体交换单位，V'A/Q'比值无穷大。 单元死腔是指充当解剖学死腔延伸的任何面罩、管道等的体积。因此，总死腔 (VD) 由解剖学死腔、肺泡死腔和任何器械死腔之和组成。图9，肺泡死腔由双单元模型表示，其中只有一个单元有血流，而两个单元都有通气。由于没有血液流动，单元中不会发生气体交换，因此单元中的 PAO2 和 PACO2 等于吸入压力。死腔单元不影响动脉血气，因为该单元没有血流贡献。从死腔区域呼出的 CO2 的缺乏稀释了从其他单元呼出的 CO2 的浓度，因此呼出的 PCO2 低于从灌注单元呼出的 PCO2。与 PaCO2 相比，呼出的 PCO2 减少的程度与肺死腔的比例成正比。右侧的垂直条是死区方程的直观表示（框 3）。它与图 7 中的类似，并在有关无效通气的部分中进行了解释。有关术语表，请参见表 1。分钟通气量是指每分钟呼出气体的总量，而有效肺泡通气量是指每分钟参与气体交换的气体量。相反，死腔通气或浪费通气是总通气量中无助于气体交换的部分。浪费通气的比例通常表示为 VD/VT 比率。有效肺泡通气量可以计算为 V′A=RR×(VT-VD)，其中 RR 是呼吸频率，或计算为 V′A=V′E×(1-VD/VT)。请注意，有效肺泡通气量由每分钟通气量和 VD/VT 共同决定。VD 增加本质上意味着需要更大的每分钟通气量来维持足以清除二氧化碳的有效肺泡通气量。VD/VT 增加而每分钟通气量没有代偿性增加，会导致 PaO2 降低和 PaCO2 升高。在案例 4 的患者中，高每分钟通气量不足以补偿 VD/VT 的增加，从而导致高碳酸血症。PaCO2 增加也可能出现在那些在新发肺栓塞的情况下未增加每分钟通气量的镇静和机械通气患者中。高 V'A/Q'单元是指与血流量成比例过度通气的单元，例如，接受 1 L·min−1 通气量但血流量仅为 0.1 L·min−1 的单元，导致 V'A/Q' 比率为 10。虽然该单元并不代表肺泡死腔，但通气量超过血流量会导致“死腔效应”，因为高 V'A/Q 通气将去除较少的 CO2 ' 单位比通过更好灌注区域的通气。因此，与肺泡死腔类似，增加高 V'A/Q' 单元意味着需要更大的每分钟通气量来维持足够的气体交换。高 V'A/Q' 区域主要是由于通气正常且血流量低的区域。这些区域对 ABG 的影响很小，因为任何区域对 ABG 组成的贡献都是流量加权的。到目前为止，我们关注的是具有一两个肺单元的模型。实际上，整个肺内的气体交换以及由此产生的 PaO2 和 PaCO2 由具有不同 V'A/Q' 比率的数千个单元的流出血流量决定（图 10）。Riley 和 Cournand 提出，V'A/Q' 不匹配对气体交换的影响可以更简单地考虑和量化为仅由具有不同 V'A/Q' 比率的三个隔室组成的肺：一个具有理想 V' 的隔室 A/Q′匹配（V′A/Q′=1.0），一种完全无通气（V′A/Q′=0，分流），一种无血流（V′A/Q′=∞，死腔） 。图10，a) 总体 V'A/Q' 为 1.0（每分钟通气量与心输出量相同）的肺中具有不同 V'A/Q' 比率（横轴）的肺单元（纵轴）的百分比。总体气体交换效率由单元在不同比率上的分布决定，最佳效率对应于所有单元的比率为 1.0 的非常窄的分布。该曲线说明了大多数单位的比率接近最佳的正常情况。虚线左侧的单元比率较低，因此有助于增加 PA-aO2 和静脉混合物；效果随着与 1.0 的比率的偏差的增加而增加。虚线右侧的单元具有较高的比率，因此会造成通气浪费；同样，随着与 1.0 比率的偏差增加，效果也会增加。分流和死腔单位绘制在水平轴的两个极端处。b) Riley 和 Cournand 提出的三室模型的图示，用于将 V'A/Q' 不匹配量化为静脉混合和浪费通气。有关术语表，请参阅表 1该模型很实用，因为它相对容易获得量化分流血流和死腔通气所需的测量值（如下所述）。重要的是要理解，计算假设 V'A/Q' 不匹配对 PaO2 和 PaCO2 的影响完全是由于分流和死腔通气造成的，并且所有气体交换都发生在具有理想 V'A/Q' 的单元中 匹配。该模型没有反映真实情况，因为它忽略了具有其他 V'A/Q' 比率的单元中的气体交换。对于三室模型，使用分流方程计算分流血流量（框 2）。计算出的分流，或者更准确地描述为静脉混合，对应于混合静脉血从右到左分流的量，这将导致在不存在低 V'A/Q' 区域的情况下观察到的动脉氧合。因此，即使没有真正的分流，静脉混合也可能会增加。使用呼吸 100% O2 时获得的值可以区分低 V'A/Q' 区域引起的低氧血症与真正分流的影响，因为在这种情况下，来自低 V'A/Q' 区域的静脉混合被取消。这种方法的一个问题是，呼吸 100% O2 往往会因吸收性肺不张而增加分流量，因此呼吸较低 FIO2 时的分流程度可能会被高估。也可以使用血液中溶解度较低的惰性气体来测量分流。应该指出的是，该方法也不同于静脉混合的计算，因为它排除了来自底比斯静脉和支气管静脉的静脉血在通过肺部后添加到动脉血中的分流效应。根据 Riley 和 Cournand 的三室模型，生理死腔或浪费通气对应于导致观察到的 CO2 消除损害的总死腔（框 3）。我们更喜欢“浪费通气”这个术语，因为它更好地描述了这个量的含义。在正常肺中，浪费的通气与解剖学上的死腔密切相关。除了解剖学死腔之外，任何单元、肺泡死腔和高 V'A/Q' 单位也会导致通气浪费。来自分流区域的血液的 PecCO2 等于混合静脉值，这会升高 PaCO2，从而提高计算出的浪费通气量；这被创造为分流死区。这是使用 PaCO2 作为 PACO2 替代指标的效果；因此，虽然不是死腔增加或高 V'A/Q' 区域的影响，但它确实代表了 CO2 清除受损。如上所述，有效肺泡通气量等于每分钟通气量减去浪费通气量。每分钟通气量为 7.5 L·min−1 且正常 VD/VT 为 0.3 时，有效肺泡通气量为 5.25 L·min−1。慢性肺部疾病可能会使 VD/VT 增加至 ≥0.8；在这种情况下，每分钟通气量≥25 L·min−1 需要 5 L·min−1 的有效肺泡通气量。因此，浪费通气的测量可以估计 V'A/Q' 不匹配对维持充分气体交换所需的分钟通气量的影响。尽管没有测量，但对于案例 4 中的患者，尽管每分钟通气量较高，但 PaCO2 仍增加，很可能是由于通气浪费的成分较多。
由于呼吸控制的目的是维持正常的 PaCO2，因此浪费通气量的增加需要增加每分钟通气量，以维持有效肺泡通气量不变。因此，在大多数情况下，浪费通气增加的第一个后果不是 PaCO2 增加，而是分钟通气量的变化，从而导致呼吸功的变化。慢性高碳酸血症可以被视为一种适应性反应，因为它意味着可以通过较低的每分钟通气量来维持二氧化碳的去除，从而减少呼吸功。生理死腔方程（框 3）使用 PaCO2 与混合呼出气体 (PĒCO2) 之间的差异来计算无效通气的总比例。相比之下，混合呼出肺泡气体的 PaCO2 和 PCO2 之间的差异排除了解剖学和单元死腔的影响，因此可以估计高 V'A/Q' 和肺泡死腔区域的范围。由于呼出 VT 的最后一部分由肺泡气体组成（方框 4），因此呼气末 PCO2 (PETCO2) 可用作混合 PACO2 的替代测量值。因此，PaCO2-PETCO2 差异与死腔和浪费通气相关。值得注意的是，记住生理死腔方程，建模研究表明，与简单的 PaCO2-PETCO2 相比，(PaCO2-PETCO2)/PaCO2 与肺泡死腔分数具有更线性的相关性。尽管取决于年龄、吸入/呼出气体量和通气模式等因素，但 PaCO2-PETCO2 <5 mmHg (0.7 kPa) 被认为是正常的，并且由 PETCO2 接近 36 mmHg (4.8 kPa) 所支持。正常受试者数量较少。在 ARDS 动物模型中，PaCO2-PETCO2 已被证明与肺泡死腔分数和肺泡复张相关。PETCO2 如图 11 所示，并在框 4 中进一步讨论。
图11，二氧化碳图显示单次呼气期间呼出气体的 PCO2（纵轴）与时间（横轴）的关系。曲线 A 对应于单肺单元模型的理论曲线，其中呼气的第一部分仅由不含 CO2 的解剖死腔气体组成，其余呼出的肺泡气体具有等于 PACO2 的均匀 PCO2。在此单单元模型中，PETCO2=PACO2=PaCO2。曲线 B 对应于具有正常 V'A/Q' 不匹配量的健康个体的二氧化碳图。请注意，PETCO2（用空心圆圈标记）和 PaCO2 之间存在微小差异。曲线 C 说明了 V'A/Q' 的增加如何导致呼出气体的 PCO2 在整个呼气过程中增加。在这种情况下，PETCO2 甚至超过 PACO2，甚至可能超过 PaCO2。虽然这种情况并不常见，但在大潮气量缓慢呼气或最大运动量时可能会发生这种情况。曲线 D 说明了肺泡死腔增加的情况，导致 PaCO2 和 PETCO2 之间的差异增加，如肺栓塞患者中所见。有关术语表，请参见表 1。潮气末 PCO2 (PETCO2)
呼气时，呼出气体的第一部分源自不发生气体交换的解剖死腔。因此，这种气体的 PCO2 与吸入气体相同，通常接近于零（图 11）。在由解剖死腔和肺泡气体的混合组成的短暂过渡阶段之后，呼气的其余部分由混合的肺泡气体组成。呼气末呼出气体 PCO2（PETCO2）的测量已被用作混合肺泡气体的测量和 PaCO2 的无创测量。然而，这种方法有几个考虑因素。在患病的肺部中，呼气期间来自不同肺部区域的气流比例可能会发生变化，不同区域依次排空，而不是并行排空。在这种情况下，具有高 PACO2 的低 V'A/Q' 区域的后期排空会导致 PCO2 在整个呼气过程中增加，并可能大于呼气结束时的平均 PACO2。即使肺部健康，运动时大潮气量呼吸时也会出现类似的现象。在这种情况下，一个重要原因是呼气过程中 PACO2 增加，因为更多的 CO2 被添加到肺泡气体中。在这些情况下，PETCO2 实际上甚至可能大于 PaCO2，上限是 Pv¯CO2。显然，PETCO2 大于混合 PACO2 将导致 PaCO2-PETCO2 低估浪费的通气量。
与最佳 V'A/Q' 匹配相比，区域通气或血流的重新分配必须导致低 V'A/Q' 区域和高 V'A/Q' 区域。例如，血流从一个单元转移到另一个单元将导致一个单元与通气量成比例减少灌注（高 V'A/Q'），而另一个单元与通气量成比例增加灌注（低 V' A/Q′)。与对 PaCO2 的影响相比，V'A/Q' 不匹配对 PaO2 的影响通常更为明显，因为 1) PaO2 的数值变化大于 PaCO2 的数值变化，2) 受损的 CO2 清除通常可以通过增加每分钟通气量来抵消 这抵消了 V'A/Q' 不匹配对 PaCO2 的影响，其程度远大于对 PaO2 的影响。V'A/Q' 不匹配的净效应始终是降低气体交换效率，并且对于给定的 FIO2 和每分钟通气量，与 V'A/Q' 匹配最佳时相比，会产生更低的 PaO2 和更高的 PaCO2。
正常肺部的区域通气和血流并不均匀。通气和灌注的异质性归因于气道和血管树几何形状的影响以及重力导致的血流和肺顺应性的区域差异。传统的灌注和通气区域模型预测灌注和通气均沿重力方向增加，在直立姿势下从肺尖到肺底。然而，它们不会以相同的速率增加，并且 V'/Q' 倾向于从顶点到基部减小。使用更高空间分辨率测量的动物研究提出了分形模型，其中血管树的不对称性导致灌注不均匀性，而这种不均匀性无法用重力引起的静水梯度来解释。局部通气和血流量进一步受到姿势、肺容量和气道正压通气等因素的影响。尽管存在这些不均匀性，但由于结构和重力的共同影响，通过通气和血流的紧密匹配，有效的气体交换是可能的。然而，这种相关性并不完美，这导致 V'A/Q' 比率以及 PAO2 和 PACO2 在不同肺部区域之间存在差异。在年轻健康个体中，大多数通气和血流量分配给 V'A/Q' 比率在 0.3 至 2.0 之间的单元，这往往会导致 PAO2 范围在约 90 mmHg 至 130 mmHg 之间（图 5）。随着年龄的增长，通气量和血流量会分配到 V'A/Q' 比率范围更大的单位，而流向低 V'A/Q' 区域的血流归因于气道关闭导致相关肺部区域的通气量减少 。因此，PA-aO2 随着年龄的增长而增加。有几个指标用于评估 PaO2 与 FIO2 的关系。呼吸空气时，PA-aO2 可以灵敏地测量气体交换效率，但取决于年龄。许多不同的研究对不同人群中相对较少的个体进行了抽样，以确定正常个体中 PA-aO2 的分布。在所有研究中，平均 PA–aO2 随着年龄的增长而增加，平均值附近的置信区间也随之增加。表 3 纳入了两个较大人群的数据 。呼吸空气时正常 PA–aO2 的简化公式为（年龄/4）+4 mmHg（结果除以 7.5 得到 kPa）。因为正常的 PA-aO2 主要是由于静脉混合，所以增加 FIO2 使 PAO2 升高的程度高于 PaO2，并且 PA-aO2 的正常值随着 FIO2 的增加而增加。PaO2/FIO2 比率更常用于临床实践和 ARDS 的定义中。当呼吸空气为 80 mmHg (10.7 kPa) 时，正常 PaO2 的下限对应于正常 PaO2/FIO2 比率 >400 mmHg (53 kPa)，而诊断 ARDS 需要 PaO2/FIO2 <300 mmHg (40 kPa)。PaO2/FIO2 还取决于 FIO2、呼气末正压 (PEEP) 水平和动静脉 O2 摄取量，因此是一个难以解释的测量值。PaO2/FIO2 对于区分低氧血症的不同原因没有帮助。缺氧性肺血管收缩 (HPV) 会导致 PAO2 较低 (<60 mmHg (8.0 kPa)) 的单元发生毛细血管前血管收缩，例如 V'A/Q' 或分流较低的单元。HPV 的作用是将血流从缺氧单位转移到通气更好的单元，从而改善 V'A/Q' 匹配和动脉氧合（图 12）。例如，在人类中，HPV 会使流向肺不张区域的血流量减少约 50%；对动脉氧合的有益影响可以通过在等分流图中以固定的 FIO2 从一条等分流线移动到另一条等分流线来推断（图 8）。HPV纠正V'A/Q'错配的功效随着缺氧肺区域的范围而降低。一个例子是整个肺内 PAO2 较低（例如由于严重通气不足或高海拔）。在这种情况下，全身血管收缩会升高肺动脉压，但不会改善 V'A/Q' 匹配。动物和人体实验表明，HPV 对于正常肺部的 V'A/Q' 匹配并不重要。相比之下，HPV 对于患有导致局部肺泡缺氧的疾病的患者至关重要，可将 COPD 或 ARDS 患者的 PaO2 改善高达 20 mmHg (2.7 kPa)。HPV 重要性的一个例证是，系统性施用抑制 HPV 的血管扩张剂可能会降低此类患者的 PaO2。图11，缺氧性肺血管收缩 (HPV) 发生在 PAO2 较低的肺部区域，有效地将血流重新分配，远离缺氧区域并流向更好的氧合区域。 通气分布与图 6 中的相同，但由于 HPV，流向低 V'A/Q' 单位的血流量减半。 与图6进行比较，看看这种血流重新分配对气体交换的影响。 由于通气量未改变，V'A/Q' 比率发生变化，导致缺氧区域的 V'A/Q' 比率增加，从而增加该区域的 PAO2。 随着更多的血流来自通风良好的区域，PAO2 更高，CaO2 和 PaO2 显著改善。 有关术语表，请参阅表 1，ec 和 ec* 表示来自两个不同单位的毛细血管末端血液。HPV 临床重要性的进一步说明是其在 COPD 患者 O2 诱导的高碳酸血症中的作用。 虽然通常归因于呼吸驱动力下降，但研究表明，尽管每分钟通气量恒定，但向这些患者补充氧气仍可增加 PaCO2。 主要的解释是，补充氧气会提高低 V'A/Q' 单位的 PAO2，抑制局部 HPV 并增加流向这些单元的血流量。 因此，血液从通气较好的区域转移，将其转化为高 V'A/Q' 单位，从而增加了浪费的通气量。 这说明尽管每分钟通气量不变，但无效通气量的增加如何降低有效肺泡通气量（如上所述）。 此外，由于低 V'A/Q' 单位具有较高的 PACO2，恢复到这些单位的血流会导致更多的 CO2 被输送到动脉血。 然而，V'A/Q' 不匹配增加作为导致 O2 诱导高碳酸血症的主要机制仍然存在争议：其他研究表明，每分钟通气量减少可能导致 PaCO2 增加。 另一种解释是 Haldane 效应，其中 PaO2 增加会减少 H 和 CO+2 与血红蛋白的结合，从而增加物理溶解的 CO2 的量，从而增加 PCO2 的量。 换句话说，对于任何给定的 CO2 含量，血红蛋白 O2 饱和度越高，PCO2 越高。 据估计，霍尔丹效应可以解释 COPD 患者补充 O2 后 PaCO2 增加的 6-78%慢性阻塞性肺病患者可能会出现低氧血症、高碳酸血症或两者兼而有之。 低氧血症主要是由于气道疾病引起的通气不足（低 V'A/Q'）区域的灌注所致。 在没有肺炎或肺不张等并发症的情况下，分流并不重要，因此预计 FIO2 增加会导致低氧血症。 高碳酸血症的解释是有效肺泡通气减少，这是由于高 V'A/Q' 区域继发的无效通气增加以及肺实质肺气肿破坏引起的肺泡死腔。 仅当患者无法维持足够的肺泡通气所需的额外呼吸功时，高碳酸血症才会变得明显。 心输出量、耗氧量和每分钟通气量的变化已被证明可以调节 COPD 急性加重患者中 V'A/Q' 不匹配增加的影响。
ARDS 患者的气体交换通常由肺炎或脓毒症引起，其特点是由于大片肺部区域通气丧失而导致严重低氧血症。 多项研究表明，这些患者的动脉低氧血症大多是由可能超过心输出量50%的分流血流引起的。 低 V'A/Q' 区域要么不存在，要么是低 PaO2 的较小原因。 弥散受损似乎不会导致动脉低氧血症。PEEP 对这些患者 V'A/Q' 不匹配的影响尤其有趣。PEEP 已被证明可以通过肺泡募集来减少非通气肺组织的数量，并通过减少分流血流量来改善动脉氧合。PEEP 增加也被证明会增加总死腔，这被解释为继发于气道压力增加以及非依赖性肺区域肺泡毛细血管受压而导致的未灌注肺泡数量增加。 如果通过液体负荷增加心脏前负荷来抵消 PEEP 对心输出量的负面影响，PEEP 对死腔的影响就会减弱，这也说明心输出量减少可能会增加 VD/VT 。 相比之下，PEEP 与肺泡复张相结合已被证明可以减少无效通气 。 因此，当使用 PEEP 优化这些患者的气体交换时，有必要平衡对氧合、通气浪费和心输出量的潜在有益和有害影响。 改善 ARDS 患者气体交换的另一种方法是俯卧位治疗。 动物实验和临床研究表明，俯卧姿势可减少分流和 V'A/Q' 不匹配，改善动脉氧合。 最近的一项临床试验表明，在 ARDS 病程早期采用俯卧姿势可提高生存率。 增加生存率的主要机制不是改善气体交换，而是更均匀的区域通气分布，从而减少呼吸机引起的肺损伤。
肺栓塞导致肺部区域没有血流或血流减少（高 V'A/Q' 区域），从而增加无效通气。 不太明显的是，血流重新分配到其他肺部区域会导致这些区域变得相对过度灌注，并转化为低 V'A/Q' 区域，造成低氧血症和 PA-aO2 增加。 因此，低氧血症的原因是 V'A/Q' 失配增加，而不是分流增加。 对 ABG 的影响会因 PaCO2 升高的呼吸反应而改变，最终结果通常是患者出现呼吸困难、低氧血症，而 PaCO2 正常甚至较低。 低氧血症可能会因循环衰竭导致 Cv¯O2 降低或心内右向左分流而加重，这两种情况均由急性肺动脉高压引起。 重要的是，不存在低氧血症或 PA-aO2 升高并不能排除肺栓塞。 同样，使用 PaCO2-PETCO2 来测量无效通气可以提供丰富的信息，但单独使用并不能确定诊断肺栓塞。虽然 PETCO2 测量表明无效通气量增加会增加肺栓塞的可能性，而正常量的无效通气量会降低这种可能性，然而，这些测量的实用性非常依赖于患者的肺栓塞先验临床可能性和肺血管树受到影响的程度。
1）引起低氧血症的原因有五种。PaO2 降低可能是由于通气不足、低 PIO2、弥散限制、低 V'A/Q' 区域或分流引起的。 与其他原因相比，分流引起的低氧血症对增加 FIO2 的反应较差。 低 V'A/Q' 区域和分流是迄今为止临床上遇到的低氧血症的最常见原因。2) 通气不足和低 V'A/Q' 区域也会损害 CO2 清除，但对 PaCO2 的影响程度较小，并且会受到对高碳酸血症的通气反应的影响。3) 高 V'A/Q' 区域以及肺泡和器官死腔会导致无效通气增加，从而损害 CO2 清除。 在大多数情况下，对浪费通气增加的主要反应是增加每分钟通气量和呼吸功，而不是增加 PaCO2。4) V'A/Q' 不匹配对气体交换效率的影响可以通过计算 PA-aO2、静脉混合和无效通气来量化。5) 低和高 V'A/Q' 区域会导致 COPD 患者出现低氧血症、CO2 清除受损和呼吸做功增加。6）分流是ARDS和肺炎患者低氧血症的最重要原因。来源：Gas exchange and ventilation–perfusion relationships in the lung.DOI: 10.1183/09031936.00037014.斌哥话重症小师妹和俺建立了资料分享群，邀您互相交流，微信gabstudy
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