长期以来肺气体交换效率的计算一直是用肺泡-动脉氧分压差进行评估的，即 A-aDO2，这是大约 70 年前由 Richard Riley 发现的。然而，这种测量是有创的（需要动脉血样）、耗时、昂贵、让患者感觉不适，对于连续测量来说并不理想。该技术的最新进展体现在可以对呼出气体中 PO2 和PCO2 的便携式及快速测量，同时能够良好的结合所测得的脉搏血氧饱和度 (SpO2) ，这使得缺氧时的A-aDO2测量有了实用的无创替代方法。氧气的缺乏是呼气末PO2与计算所得的动脉 PO2 之间的差异，同时也考虑了从呼气末气体中测量的PCO2。氧气的缺乏与 A-aDO2 共用同一个气体交换效率测量的基准，因此这两个测量值具有良好的相关性 (r2 ~ 0.72)。研究表明，这种新方法灵敏度高，可以检测到与老龄化相关的气体交换效率随年龄增长而下降的情况。与正常受试者相比，患有肺部疾病患者的缺氧情况大大增加。该方法的便携性和无创性表明其在急救人员、军事应用和服务欠缺地区的潜在用途。此外，测量的无创性和快速性使其非常适合对包括 COVID-19 在内的患者进行连续测量且在必要时对患者进行密切监测。
关键词：肺泡-动脉动脉分压差，A-aDO2，脉搏血氧饱和度，低氧血症，玻尔效应
为了使肺进行气体交换（吸入空气中的 O2 进入血液，血液中的 CO2 的排出），肺泡气体和肺毛细血管血液必须穿过薄的肺泡-毛细血管膜。通气和灌注之间的任何程度的不匹配 [通气-血流比 (VA/Q)失调 ] 都会降低气体交换的效率，导致离开肺动脉血中气体分压之间以及呼出气体之间的差异。 对于 O2 和 CO2，描述血液中气体分压函数的解离曲线明显不同。在 PO2值较高时，S 形 O2 解离曲线迅速变平。因此，任何低 VA/Q 比值的肺区域的存在都会导致向动脉循环中添加低氧合的血液，但由于整体的通气量的补偿性增加（来自化学感受反应）不能向流出的高 VA/Q 区域的血液中添加更多的氧气。相比之下，准线性 CO2 解离曲线意味着低和高 VA/Q 区域都可以相互补偿。因此，肺部疾病患者经常出现动脉低氧血症，但动脉 PCO2正常。VA/Q 的失调会随着老龄化而小幅度增加，而VA/Q 失调的增加几乎是所有肺部疾病的标志。因此，长期以来肺泡-动脉 PO2 差值 (A-aDO2) 的测量一直是评估疾病引起肺气体交换中断的主要方法。
虽然概念上很简单，但测量 A-aDO2 在技术上具有挑战性。Richard Riley 首先表明可以通过用血液平衡小气泡来测量气体中的 PO2继而测量动脉血中的 PO2。然而，在当时，可靠地采集肺泡气体的技术极具难度。为了绕过这个问题，Riley开发了“理想肺泡 PO2”的结构。假设在没有VA/Q失调的情况下，肺中的肺泡 PO2就会存在，肺泡气体中的 PCO2 与动脉血中的 PCO2 相同，同时其呼吸交换率与实际肺中的也相同。
理想的肺泡 PO2 可以使用肺泡气体方程（从动脉血样本中获得）：
理想的 PAO2= PIO2 − PaCO2/R − PaCO2 FIO2 (1− R )/R
其中 A 指肺泡，a 指动脉，I 指吸入气，R 是呼吸交换比，即 CO2产量除以 O2 消耗量（通常在静息时为0.8）。这个方程的最后一项经常被忽略，因为它的大小通常只有几个 mmHg。可以在 West等人中找到对 Riley 创新方法的更详细描述，这种方法提供了一个代表肺泡 PO2 的数字，并且它没有实际测量肺泡气体。
便携式且可快速测量的气体分析设备现已上市，可直接测量呼出的 PO2和 PCO2。为了计算 A-aDO2， Riley 假设出理想的肺泡 PO2 来避免“技术上困难”。呼出气体分压可直接测量氧气缺乏的情况 (OD)，并使用无创的方法来确定是否需要有创测量动脉 PO2。
该方法是在患者戴着鼻夹安静呼吸时连续测量呼出的 O2和 CO2。在突然转变吸气之前测量的最终浓度被视为 PO2 和 PCO2 的呼气末值。图 1 显示了呼出气体记录的一个示例。分压的呼气末值很好地反映了肺泡内的值并且具有高度可重复性。先前的工作表明，在正常呼吸空气的受试者内，PO2的呼吸标准差约为1.4 mmHg ，PCO2的呼吸标准差约为0.7 mmHg，在氧气不足时的数字略低。最后 1-2 分钟的趋势图直接提示了患者是否处于稳态，这是一个重要的因素，因为高度变化的呼吸会导致呼气末PO2 和 PCO2发生显着变化。
在直接测量PO2（和 PCO2）后，A-aDO2 可以直接通过采集动脉血样测量动脉 PO2 。然而，为了使该过程既快速又无创，动脉氧分压 (PO2)是通过脉搏血氧饱和度 (SpO2) 测量的动脉血氧饱和度 (SaO2) 估算的。然后用 Hill 方程确定相应的动脉 PO2：
PO2[n] = P50[n]* SaO2 / (1 -SaO2 )
其中 P50 是饱和度为50% 时的 PO2，SaO2表示为分数饱和度；范围 [0, 1]。PO2是通过对方程取对数并进行代数求解来确定的。
术语 n（通常称为“Hill-n”）是与 O2-Hb 解离曲线的 sigmoidal 形状匹配所需的术语，常用值为 2.7. 虽然 2.7 的Hill-n 非常适合实验确定的饱和度以及 PO2 在整个饱和度范围内的值，但实际上，只有血氧饱和度在 75 –100% 可能在患者中遇到。在这个有限的范围内，通过 Hill-n = 2.88实现了对实验数据的改进拟合。
血液的 P50 通常约为27 mmHg，但这会随着 PCO2、体温、碱剩余和 2,3-二磷酸甘油酸水平的变化而变化。由于呼气末气体分压反映了肺泡 PCO2，因此 O2-Hb 解离曲线的变化（向左或向右移动），是可以用波尔效应来解释的。按惯例假设已经确定了温度、碱剩余和 2,3-二磷酸甘油酸 的其他正常条件，那么肺泡 PCO2 相当于动脉 PCO2。因为没有获得血液样本，故碱剩余、2,3-二磷酸甘油酸或体温的变化没有考虑在内。
计算的动脉 PO2 和测量的呼气末（肺泡）PO2 之间的差异称为OD。这可以被认为是 A-aDO2 的替代测量方法。有创的方式为，测量动脉PO2值，并按照 Riley（上文）所述估计肺泡PO2值，在无创的情况下，测量肺泡PO2值并估计动脉PO2值。后者更加便于动态监测。
图 1 | 商业版的肺泡气表（AGM100TM，MediPines Corp，Costa Mesa，CA）中显示的屏幕示例。数据取自一名患有 COVID-19 的自主呼吸患者。(A) 在 30 秒的安静呼吸期间（上迹线）连续记录 PO2（红色）和 PCO2（蓝色）。请注意，在该患者中，O2和 CO2 存在一个陡峭的肺泡平台，表明肺部存在明显的异质性。下面是过去 150 秒内的呼气末 PO2（红色）和 PCO2（蓝色）图。较低的轨迹允许评估患者是否处于稳定状态。这也由屏幕右下方的稳态指示器指示。屏幕顶部是 O2 和 CO2 的呼气末分压数值、呼吸商 (RQ)、呼吸频率 (RR)、气压(PBar)、吸入 PO2 (FiO2)、脉搏率 (PR)和通过指脉氧测得的脉搏血氧饱和度 (SpO2)。在顶部的中心是计算的动脉 PO2（称为 gPaO2，红色文本）和氧气缺乏量（呼气末 PO2 和计算的动脉 PO2之间的差异）。(B) 汇总来自 (A) 的数据屏幕，没有图形显示。右侧的肺部卡通图显示了测量的呼气末 PO2（在此示例中为 115 mmHg）和计算出的动脉 PO2（在此示例中为 gPaO2，66 mmHg），它们共同导致了交通灯颜色提示氧气不足（本例中为 49 mmHg）。操作员可以根据需要在此屏幕和 (A) 中的屏幕之间切换。
在正常肺脏中，局部肺泡中的PO2 存在变异，这种变异在肺部疾病中易被夸大。呼出的气体是来自肺气体交换的混合物，就像动脉血是来自肺各个部位血液的混合物。此外，气体交换在整个呼气期间继续进行，并且PO2 继续下降。然而，如果呼气末压是在功能残气量 (FRC)下测量的，对持续气体交换的影响是最小的。因此，呼气末 PO2 是肺泡 PO2 最直接且有效的测量方法。
鉴于O2-Hb解离曲线的形状，在PO2值较高时很平稳，然而通过动脉血氧饱和度（SaO2）来估计动脉PO2，最后确定OD值。在高值时，即使SpO2的小误差也会引起PaO2出现大差异。然而，随着O2-Hb解离曲线变得更加陡峭SpO2值也降低。一项关于计算出来的PaO2可能出现误差的研究表明，当SpO2值为94%及以下时，计算出来的PaO2的误差小于5mmHg；在SpO2为94%以上，计算的PaO2值是不可靠的，这与预期的结果一致。然而，如果在海平面吸入空气时SpO2大于94%，则不存在重大的气体交换损伤，因此无需测量OD值。
由于该方法考虑了肺泡 PCO2 和 PO2，因此可以直接解释由于肺泡 PCO2的变化（玻尔效应）导致O2-Hb 解离曲线的左移或右移。这种效应是 O2-Hb 解离曲线发生变化的主要原因，因此对此进行纠正的作用也至关重要。如果不及时纠正，将导致SpO2为94% 时的 OD值误差大于 5 mmHg。无创测量方法不考虑其他原因（碱
剩余
、温度、2,3-二磷酸甘油酸）引起的 O2-Hb 解离曲线的变化。然而，这些因素影响不大，并且在计算出来的OD值中仅出现极小的误差。典型的蒙特卡罗模拟试验表明，计算出来的OD值变异<5 mmHg ，SpO2 为 94% 时的变异约为 5 mmHg时，两者均随SpO2 的下降而下降，根据结果可表明该方法的可行性。
在正常受试者中进行初始研究，受试者吸入低氧气体混合物(FIO2=0.125)，以确保动脉血氧饱和度(SaO2)在能够可靠测量OD值的范围内(SpO2<95%)。一项对20名年轻受试者(19-31岁)和11名老年受试者(47-88岁)的研究显示，年轻组OD很小(2mmHg)，老年组OD值较好(8mmHg)。OD值随年龄的增加而增加，这与众所周知的健康老龄化时A-aDO2的增加是一致的。
一项更广泛的后续研究探索了在以前使用的低流量氧气(FIO2=0.125)到单纯吸入空气的影响(FIO2值为0.15、0.175和0.21)。这项研究再次表明，老年组的OD值高于年轻组，且差异在所有吸入氧气值(包括空气)中都保持不变。更重要的是，尽管当受试者吸入空气时，两个组的OD值均上升，但FIO2在 0.125 和 0.175 之间的OD值没有统计学差异。此结果与预期的A-aDO2减少是一致的，这是由于随着SpO2下降，气体交换发生在O2-Hb解离曲线更陡峭和更线性的部分时，VA/Q失调的影响最小化。在SpO2值较高时，受试者测量OD值的变异性很大，当SpO2降低到94%以下时，该变异性迅速下降，此结果与模拟研究一致。
最近的一项研究也证明了无创测量气体交换不足的有效性。比较了25 名正常受试者在缺氧运动期间OD值和动脉血气 (ABG) ，结果显示 OD值和 A-aDO2 之间存在相关性，r2= 0.71，并且两者之间的误差很小，OD平均值比 A-aDO2 高于5.2 ± 5.0 mmHg。近期有一项试验在开放式潜水区域进行的，主要是对训练有素的屏气潜水员在潜水之前和之后进行的测量。研究表明，随着OD值的增加，气体交换效率偶尔出现短暂的下降，在某些情况下下降到70 mmHg左右。这可能是由于流体静压引起的肺压缩（肺挤压）导致肺水肿。
对一所普通肺部门诊的各种肺部疾病患者进行的一项小规模队列研究表明，与正常人相比，这一组患者的OD值大大升高，平均OD值约为49 mmHg。当OD值与动脉血氧饱和度为95%或更低的23例患者通过ABG 测量的A- ado2进行比较时，存在高度相关性（r2 = 0.72）。计算出的PaO2与ABG测得的PaO2之间，以及呼气末PCO2与ABG测得的PaO2之间存在相似的强度相关性，计算出的 PaO2平均比ABG测量的PaO2高于约 4 mmHg。该研究表明，无创测量方法为通过ABG 测量肺部疾病患者气体交换中断的程度上提供了一种方便、低成本和准确的替代方法。
最近的一份病例报告强调了使用无创测量方法来确定无法轻易获得ABG的患者的气体交换缺陷的根本原因。该报告强调了无创测量方法的潜力，进一步表明该方法是一种有意义的教学工具。在当前SARS-CoV-2大流行的背景下，一项小型初步研究调查了无创测量方法疑似COVID-19患者肺气体交换损伤的有效性被认为有恶化的危险，可随后出现明显的呼吸衰竭 。进行无创测量的患者要么吸入空气，要么补充低流量氧气，在测量前需要暂时停止约 10分钟。在接受研究的13例患者中，其中5例患者出院回家，另外8例患者根据医生的指导下住院。住院患者的OD值明显高于出院患者（OD值分别为55±20与32±14，p = 0.041），结果表明该测量方法是评估缺氧严重程度的一种潜在有效方法。同样，需要补充O2的患者的氧缺乏显着高于不需要补充的患者（分别为65±9和30±1，p < 0.001），再次证实气体交换效率的无创测量方法能够快速的提供有效的临床结果。
Prisk 和 West 无创测量肺气体交换
图2 | 经典的 O2-CO2图表，带有连接混合静脉血和吸入气体点的通气-灌注线。传统的Riley分析基于动脉血和理想肺泡气体的组成，它受到位于理想点（阴影区域）左侧的低通气-灌注比的肺单位的误差。相比之下，新测试还包括来自位于理想点右侧的具有高通气-灌注比的肺单位。
迄今为止进行的研究表明，无创测量方法可用于定量评估肺部疾病患者的气体交换效率。所采用的方法在许多方面与Riley首次开发的A-aDO2的传统测量相同，并且测量中有相当大的生理重叠。在图2中显示了经典的O2-CO2 图表，并突出了两种方法所包含的VA/Q 失调的各个方面。
Riley的传统方法侧重于存在低VA/Q区域的结果，这些区域用于将低PO2的毛细血管末端血液添加到动脉血中（所谓的静脉混合液），最终出现低氧血症和 A-aDO2 增加。氧气不足的测量方法包括低 VA/Q 和高 VA/Q ，尽管由于O2-Hb 解离曲线的形状，高VA/Q 区域对动脉 PO2 的影响很小。两种方法影响区域的巨大重叠（图 2）意味着预计这两种测量尽管并不相同，但证明了 A-aDO2 和 OD测量之间的强相关性。
与简单的测量SpO2相比，通过测量OD值获得额外信息是合理的。虽然 VA/Q 失配和分流都会降低动脉 PO2（从而降低 SpO2）并增加OD值，但换气不足也会如此。因为还测量了肺泡PCO2，所以可以很容易检测到低通气情况，这可以为某些患者的低氧血症原因提供重要的临床鉴别。此外，OD值还考虑到了 PCO2 变化对 O2-Hb 解离曲线的影响。因此，氧气不足直接解决了气体交换的效率，这点跟A-aDO2 相似的。
A-aDO 2 的重要临床测量已使用有创的方法进行了将近约70年。然而，近年来它的使用变得不那么普遍，可能是由于成本，测量所需的时间，以及患者的不适和有创性的操作方式等。相比之下，OD是一种快速、无创的测量方法，可以方便地对从门诊到机械通气的患者进行测量。测量只需几分钟，患者仅需要戴鼻夹、戴指尖脉搏血氧计，同时用嘴轻轻呼吸2分钟。该设备便于携带，不仅适合在医院使用，也可以在户外、服务区等场所普遍使用。 述评：
肺内气体交换提示肺内存在液体交换及有效的液体清除机制。当肺内液体交换，即液体生成与清除的平衡失稳时，肺的呼吸功能必将受到影响。肺泡内的气体肺毛细血管血液之间的气体交换，除呼吸膜弥散过程正常以外，还必须肺泡通气充分和肺毛细血管血流灌注灌注足够，并要求这两者有适当的配合。每分钟肺泡通气量（V）与每分钟肺血流量（Q）的比，称为肺泡通气/血流比(V/Q)。肺V/Q 比值失调，不论增大或缩小，都会由于气体交换不充分而引起PaO2下降和PaCO2 升高，在临床上患者均表现为低氧血症。肺泡动脉分压差（A-aDO2）可以反应肺的换气效率和肺毛细血管血液对氧的摄取情况。本文介绍了一种快速、无创的A-aDO2测量方法，可以方便地对从门诊到机械通气的患者进行测量。测量方法十分简单：只需几分钟，患者仅需要戴鼻夹、戴指尖脉搏血氧计，同时用嘴轻轻呼吸2分钟即可得到结果。传统的有创测量方法需要采集动脉血样、耗费时间长、费用昂贵、患者还常常会感觉到疼痛等不适，对于连续测量的患者来说并不理想。而本文介绍的最新测量方法可以对呼出气体中 PO2 和 PCO2 进行便携的、快速的测量，同时能够良好的结合所测得的脉搏血氧饱和度 (SpO2) ，这使得缺氧时的A-aDO2测量有了实用的无创替代方法。随着麻醉学科向围术期医学的转变，围术期的管理及监测手段也需与时俱进，进而实现更好的为患者服务。
原始文献：
Prisk, GK; West, JB; Non-invasive Measurement of Pulmonary Gas Exchange Efficiency: The Oxygen Deficit.[J].Front Physiol.2021,12():757857.
（仅供医学专业人士参考）
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