重症患者中急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）患病率达10%，病死率高达40%，也是全球暴发的新型冠状病毒肺炎等新发传染病的首要死亡原因^{［1, 2, 3］}。弥漫性肺泡损伤是ARDS的主要病理特征^{［3, 4］}，导致肺通气和血流分布的变化，主要表现为肺内分流和死腔共存^{［4, 5］}，出现气体交换功能障碍。通气血流比例（ventilation-to-perfusion ratio，V_A/Q）是评估肺内整体或局部气体交换功能的重要指标，反映了ARDS的严重程度^［6］。评估气体交换功能可反映ARDS严重程度，指导个体化的肺保护性通气或血流动力学治疗。

气体交换功能障碍是ARDS患者的本质的病理生理特征。产生低氧血症的主要机制包括肺内分流增加、低V_A/Q、混合静脉血氧分压过低以及心内分流。CO₂升高的主要机制包括死腔增加、通气分布不均（高V_A/Q）以及CO₂生成量增加。

1. 肺内分流增加：肺内分流指各种原因导致的流经部分肺区的静脉血未经充分动脉化而掺入动脉血中，导致V_A/Q显著下降的现象。肺内分流由功能性分流和真性分流组成^［7］，其中功能性分流指与部分通气不足肺泡进行气体交换的肺血流，真性分流指不参与气体交换的解剖结构以及完全不通气肺泡部分的肺血流（右向左分流）。在健康肺中，低氧引起肺血管收缩将肺血流重新分配到通气更好的区域，可减少分流并获得最佳的V_A/Q，从而维持氧合。ARDS期间，肺血流再分配严重受损，其产生肺内分流可能超过心输出量的50%，是造成低氧血症的主要原因^{［8, 9, 10］}。一方面，肺泡上皮细胞及内皮细胞受损、肺泡表面活性物质消耗、高通透性肺水肿伴透明膜形成，导致肺顺应性下降^［3，11］及部分肺泡通气不足，使得肺泡含氧量降低，严重阻碍氧合，从而产生功能性分流（V_A/Q<1）。另一方面，广泛的肺水肿和肺不张导致部分肺泡塌陷有血流而无通气，产生真性分流（V_A/Q=0），导致顽固性低氧血症，且难以通过单纯提高吸入氧浓度纠正。同时低氧血症可能因pH和低心排出量而进一步加重，导致混合静脉血氧含量降低，进而严重损害肺内分流区动脉氧分压。临床上常通过肺复张后恰当的呼气末正压（positive end-expiratory pressure，PEEP）水平以及俯卧位通气等方法，促进肺泡的复张以期减少肺内分流改善氧合。

2. 死腔通气增加：死腔通气指各种原因导致的部分肺泡血流减少而通气并未相应减少甚至增多，导致V_A/Q显著高于正常的现象。ARDS患者的死腔率可高达50%以上，且与预后明显相关^［12］。死腔主要由解剖死腔和肺泡死腔［肺泡通气无血流和（或）通气相对血流过高］组成^［4，13］。ARDS早期微血栓形成引起血管内闭塞，肺血管收缩，肺水肿和肺不张引起的血管外压迫，后期间质性纤维化和血管壁重构等功能和结构因素导致了相应肺区灌注不足。这些从通气良好区域的阻塞血管到通气不良区域的灌注再分配导致了肺泡死腔增加（V_A/Q>1）。特别在新型冠状病毒肺炎导致的ARDS，由于肺内微血栓的广泛形成及生理性的血管调节紊乱导致，导致死腔增加更为突出。研究显示新型冠状病毒肺炎导致的ARDS患者死腔/分流比例高达2.3^［14］，在低氧血症的同时CO₂潴留也非常突出。临床上不恰当的机械通气导致的肺泡过度膨胀，可能进一步增加死腔，加重CO₂潴留。

随着对ARDS气体交换功能障碍认识的深入，用于评估肺内通气/血流的技术也应运而生，肺局部通气和血流的监测可指导个体ARDS患者的机械通气。目前常用的肺通气/血流评估方法包括多重惰性气体消除技术（multiple inert gas elimination technique，MIGET）、自动肺参数估计系统（automatic lung parameter estimator，ALPE）、胸电阻抗断层成像技术（electrical impedance tomography，EIT）和单光子发射计算机断层技术（single-photon emission CT，SPECT）等，但受到设备及技术的限制在床旁开展仍不普遍。

1. MIGET：MIGET是一种基于气体交换技术，通过评估静脉注射溶解于生理盐水的微量标志气体在动脉和混合静脉浓度之间的关系，监测不同肺区域的V_A/Q^［15］。MIGET技术已经应用40余年，是目前评估V_A/Q失调以及其对气体交换影响的金标准。早在2000年，Schermuly等^［16］成功应用MIGET技术评估了急性肺损伤模型中应用表面活性物质对V_A/Q不匹配的影响。近期研究通过MIGET显示ARDS患者肺内血流和肺泡通气均呈双峰分布，提示在部分患者中，低氧血症的原因是大量血流再分布至真性分流区域^［4］。然而，MIGET只能进行定量分析，而没有直观的V_A/Q的图像分布信息，多用于研究而未能用于直接指导ARDS临床治疗。

2. ALPE：ALPE系统是一种基于肺部气体交换的原理的无创、操作简单、可床旁替代MIGET的仪器，该系统通过测量不同的吸入氧浓度下的通气量、指脉氧、CO₂分压和氧分压评估肺内分流和V_A/Q匹配度^［17］。ALPE系统已经成功应用于多种疾病的肺内V_A/Q的评估^{［18, 19, 20］}。与MIGET相比，ALPE可以更好地解释不同PEEP水平下肺内通气、分流以及V_A/Q不匹配之间的关系。在一项意大利的单中心临床试验中，ALPE被应用于评估小潮气量单肺通气模式下，不同PEEP对手术前和术中患者肺内分流和V_A/Q的影响^［21］。研究结果提示在单肺通气中，增加PEEP水平可通过减少肺内分流改善氧合。近期Karbing等^［22］应用ALPE系统评估了不同PEEP水平下肺内分流和高V_A/Q的变化，结果表明在部分患者中，增加PEEP可降低肺内分流和塌陷组织的比例，但并不增加高V_A/Q。

3. SPECT：SPECT通过注射或吸入伽马射线源测量通气、血流并且重建三维成像，提供了关于通气和血流空间分布的信息，并且允许独立评估通气和血流的绝对值^［23］。然而，SPECT分别测量通气和血流分布的定量图像很难获得，要求必须对同一肺区域进行高空间分辨率的制图。此外，SPECT成本高且需要转运患者，很大程度上限制了其在临床中的应用。

4. EIT：EIT通过排列成阵列的电极监测并显示呼吸周期内肺横切面的阻抗变化，目前常用于床旁肺通气的实时评估及指导重症患者的个体化机械通气设置^{［24, 25］}。虽然心动周期内肺血流分布的变化也改变了局部组织的阻抗和电导率，但由于其阻抗变化相对较小，目前直接测定肺血流分布的技术尚不成熟。目前应用最广泛的是通过注射浓氯化钠的方法（吸气末/呼气末保持的条件下快速注射盐水）评估肺血流的分布及V_A/Q匹配度。He等^［26］通过注射10%氯化钠的方法探究了PEEP引起的肺泡过度膨胀/复张与V_A/Q之间的相关性，结果证实高PEEP引起的局部过度膨胀和复张与V_A/Q匹配度的变化相关。Perier等^［27］通过注射7.5%氯化钠的方法评估了PEEP和俯卧位通气对新型冠状肺炎导致ARDS肺血流的影响，证实俯卧位和轻度增加PEEP可使通气由腹侧转向背侧，而血流分布仍以背侧为主，从而改善V_A/Q匹配度。Mauri等^［14］通过注射5%氯化钠的方法探究了新型冠状肺炎导致ARDS的具体生理病理学特点，表明在PEEP 5 cmH₂O（1 cmH₂O=0.098 kPa）条件下，大部分患者V_A/Q不匹配度非常大，甚至超过30%。虽然大量动物和临床研究证实了此种方法的效能，但目前此方法仍存在争议。在监测实施过程中，呼吸保持的方式和时间、盐水的浓度仍不十分明确。另外，值得注意的是EIT仅能监测V_A/Q匹配区域占整个肺区域面积的百分比（既有通气又有血流的肺区域百分比），而非传统意义上的通气-血流比例。虽然缺乏规范化的操作流程且空间分辨率低，但是EIT具有无创、无放射性、床旁实时监测的特点，有望推广用于通过气体交换功能的评估导向精准化的机械通气及血流动力学治疗。

ARDS作为一种异质性综合征，个体患者低氧及CO₂潴留的准确机制解释仍十分困难，对机械通气设置的治疗反应性也不一致。通过气体交换功能的评估有助于反映疾病严重程度，并为个体化呼吸支持治疗提供切实的指导。

1. 反映ARDS严重程度：V_A/Q的匹配度决定了有效的肺部气体交换，其不匹配的程度反映了ARDS的严重程度，是预测患者预后的指标之一。ARDS中塌陷肺区域V_A/Q下降，虽然机械通气时较高的气道内正压可能改善塌陷肺区的通气，但非塌陷肺区可能因此产生过度膨胀（出现高V_A/Q），增加死腔通气并可能产生呼吸机相关性肺损伤（ventilator induced lung injury，VILI）。Spinelli等^［6］通过EIT监测分析了50例机械通气ARDS患者的V_A/Q不匹配情况，发现存活组的V_A/Q不匹配度明显低于死亡组，V_A/Q不匹配程度是死亡的独立预测因素。

2. V_A/Q导向的肺保护性通气：机械通气是ARDS治疗的基石，呼吸机参数的设定往往会引起肺通气和血流重新分布，通过V_A/Q的变化可能指导床旁呼吸机参数的设置。其中PEEP对V_A/Q失调的影响尤为有趣。增加PEEP可通过复张塌陷肺泡减少无通气或通气不良肺区域，并通过减少分流而改善氧合。Perier等^［27］对新型冠状病毒肺炎导致ARDS患者进行研究发现，增加PEEP使患者肺部通气由腹侧转至背部，但是并未影响背部血流水平，从而改善V_A/Q失调。然而，过高的PEEP可引起正常通气肺区肺泡过度膨胀，从而增加死腔比例（高V_A/Q）并可能导致VILI。此外，过高的PEEP水平可减少心脏前负荷从而减少心输出量，进一步降低肺血流，导致高V_A/Q。最优化的PEEP设定需要平衡其对氧合、死腔通气以及心输出量的影响。因此，通过监测肺区域V_A/Q失调程度可能指导合理的PEEP设定。

目前认为俯卧位可通过促进塌陷肺泡复张以及减少垂直胸膜压力梯度，使得ARDS患者肺通气更均匀。但俯卧位对肺血流的区域分布影响较小，无论是仰卧位还是俯卧位，正常肺和损伤肺均以背侧肺血流较多。因此，俯卧位可更好地匹配局部肺通气和血流，减少低V_A/Q肺区域进而改善低氧血症^［28］。俯卧位通气可明显改善70%~80% ARDS患者的氧合^［29］，然而仍有部分患者对俯卧位通气的反应不佳，且俯卧位的最佳时程仍有争议，动态监测不同肺区域V_A/Q的变化有助于指导个体患者的俯卧位治疗。Albert等^30］在ARDS模型研究中通过MIGET技术评估仰卧位和俯卧位下V_A/Q的变化，结果显示当体位由仰卧位转变为俯卧位时，肺内分流比例下降。而随后的研究通过SPECT技术证实仰卧位时分流主要集中于背侧区域，而俯卧位时背侧区域分流改善^［31］。研究证实俯卧位通气明显改善未插管的新型冠状病毒肺炎患者的氧合并避免气管插管^［32］，但此类患者往往尚未出现大量肺泡塌陷，呼吸系统顺应性相对正常。俯卧位通气是通过何种机制改善此类患者的氧合和预后，仍需要进一步监测不同肺区域V_A/Q的变化来证实。

3. 评估吸入血管扩张剂疗效：吸入血管舒张剂包括吸入性一氧化氮（inhale nitric oxide，iNO）等可能增加通气良好肺区的血流改善V_A/Q失调，进而改善低氧血症。既往研究证实iNO可使肺血流重新分布，减少分流并改善氧合^［33］。但iNO的作用短暂且存在反弹风险，监测V_A/Q的变化有助于评估个体患者吸入iNO的疗效。但iNO并不能改善ARDS患者预后，甚至可能增加肾功能衰竭的风险，尤其是对于老年患者^［34］，临床应用价值有限。

总之，气体交换功能障碍是ARDS本质的病理生理特征，肺区域的V_A/Q评估不仅可以反映疾病严重程度及预后，更是指导个体化机械通气治疗的关键所在。目前常见的气体交换评估手段既有简单的非侵入性技术，也有复杂的成像技术，但均由于各自的局限性而在临床应用中受限。因此，改进和推广床旁实时气体交换功能监测技术将可能引领ARDS精准化治疗进入新的时代。