图1. 各系统急性缺氧的体征和症状。
为确定是否存在组织（内脏）缺氧，血清乳酸（缺血和心输出减少时升高）和 SvO2（心输出减少时、贫血、动脉低氧血症和高代谢率时降低）有助于临床评估。然而，乳酸可在非缺氧状态下升高，因此仅凭乳酸升高并不能确诊，因为在糖酵解增加的状态下，如恶性肿瘤快速生长、早期脓毒症、中间代谢紊乱和给与儿茶酚胺时，乳酸也会升高。提示特定器官功能障碍的其他化验值也很重要，如肌酐、肌钙蛋白或肝酶升高。
动脉氧合状态的临床评估
发绀。发绀通常是缺氧晚期出现的症状，在诊断低氧血症和缺氧时往往并不可靠，因为贫血和血流灌注不良时可能没有发绀，而且皮肤较黑的人很难发现发绀。
脉搏血氧饱和度监测。无创脉搏血氧饱和度监测现已广泛应用于所有疾病的监测，其估计的SaO2被称为SpO2。脉搏血氧饱和度监测的原理是比尔定律，即溶液中未知物质的浓度可通过其对光的吸收确定。当光线穿过任何组织时，大部分会被组织的元素和血液吸收。然而，每次心跳时，动脉血会发生搏动性流动，从而使脉搏血氧饱和度监测仪能够检测到660纳米（红色）和940纳米（红外）两种波长光吸收变化。还原血红蛋白和氧合血红蛋白在这两个波长的吸收率不同。在减去非搏动组织的吸收后，可以推算出氧合血红蛋白相对于总血红蛋白的浓度。
脉搏血氧饱和度监测存在一些局限性。血液中任何吸收这些波长的物质都会干扰测量准确性，包括获得性血红蛋白病--碳氧血红蛋白血症和高铁血红蛋白血症、亚甲蓝以及某些遗传血红蛋白变异体。碳氧血红蛋白在660纳米波长处的吸收与氧合血红蛋白相似；在940纳米波长吸收极少。因此，无论一氧化碳饱和血红蛋白与氧饱和血红蛋白的相对浓度如何，SpO2都将保持恒定（90% ~95%）。在高铁血红蛋白血症中，当血红素铁被氧化为铁态（ferric state）时，高铁血红蛋白会使两个波长的吸收系数相等。这就导致在一个较为广泛的高铁血红蛋白浓度范围内，SpO2仅在83%~87%范围内变化。在这种情况下，需要使用四种波长的光进行动脉血氧测定，以分辨四种形式的血红蛋白。
脉搏血氧饱和度监测依赖于充足的搏动性血流；因此，在休克低灌注状态下或使用非搏动性心室辅助设备时（心脏自身输出量仅占心排血量的一小部分），脉搏血氧饱和度监测无法使用。在严重三尖瓣反流时，静脉血中去氧血红蛋白浓度较高，静脉血的搏动可能会导致血氧饱和度读数过低。在严重动脉低氧血症（SaO2<75%）时，由于该技术从未在这一范围内进行过验证，因此准确性也会下降。最后，越来越多的人认识到，脉搏血氧饱和度监测可能会高估动脉血红蛋白饱和度，高出多达5~10个百分点，具体取决于肤色较深者所使用设备的具体情况。
PaO2/FIO2。PaO2/FIO2 比值（通常称为P/F比值，范围400~500 mm Hg）反映肺脏氧交换异常的程度，由于机械通气可以准确设定FIO2，因此在该情境下最为有用。P/F比值小于300 mm Hg表示存在临床上重要的气体交换异常，P/F比值小于200 mm Hg表示严重低氧血症。影响P/F比值的因素包括通气设置、呼气末正压和FIO2。FIO2的变化对P/F比值的影响不尽一致，这取决于肺损伤性质、分流分数和FIO2的变化范围。在没有PaO2时，SpO2/FIO2可以作为合理的替代指标。
肺泡-动脉氧分压（A–a PO2）差。A-a PO2差测量的是肺泡氧分压计算值与动脉氧分压测量值之间的差值，以此来衡量气体交换的效率。
在海平面呼吸环境空气的“正常 ”A-a PO2差随年龄变化而变化，范围在10~25 mm Hg（2.5+0.21×年龄[岁]）之间。第二个影响因素是FIO2或PAO2。如果这两个因素中的任何一个增加，A-a PO2差就会增大，这是因为肺泡毛细血管中的气体交换发生在血红蛋白氧解离曲线较平坦的部分（斜率），在静脉混合程度相同的情况下，混合静脉血和动脉血之间的PO2差值就会增大。相反，如果肺泡PO2因通气不足或高海拔而偏低，A-a差就会低于正常水平，可能会导致肺功能障碍被低估或诊断不准确。
氧合指数。氧合指数（OI）可用于机械通气患者，以评估维持氧合所需的通气支持强度。它包括平均气道压（MAP，单位为cm H2O）、FIO2和 PaO2（单位为mm Hg）或SpO2，如果超过40，则可作为体外膜氧合治疗的标准。正常值小于4 cm H2O/mmHg；由于cm H2O/mm Hg的数值是统一的（1.36），因此通常报告该比值时不含单位。
急性氧疗的指征
急性短期补充氧气的适应证见表1。当患者出现呼吸困难时，通常在低氧血症确诊之前就需要补充氧气。当动脉血氧分压（PaO2）低于60 mm Hg时，最明确的吸氧指征是动脉低氧血症，这通常对应着动脉血氧饱和度（SaO2）或外周血氧饱和度（SpO2）为89%~90%。当 PaO2降至60 mm Hg以下时，血氧饱和度可能会急剧下降，导致动脉血氧含量大幅降低，并可能导致组织缺氧。
表1. 氧疗的急性指征
除动脉低氧血症外，在少数情况下可能需要补充氧气。严重贫血、外伤和外科重症患者可通过提高动脉血氧含量减少组织缺氧。对于一氧化碳（CO）中毒患者，补充氧气可增加血液中溶解氧含量，置换与血红蛋白结合的CO，并提高氧合血红蛋白的比例。吸入纯氧后，碳氧血红蛋白的半衰期为70~80 min，而呼吸环境空气时的半衰期为320 min。在高压氧条件下，吸入纯氧后，碳氧血红蛋白的半衰期缩短到10 min以下。高压氧一般用于碳氧血红蛋白水平较高（>25%）、心脏缺血或出现感觉异常的情况。
长期氧疗指征
随着门诊供氧能力的提高，长期氧疗（LTOT）的使用也在不断增加。实施长期氧疗的标准已经非常明确。长期氧疗常用于慢性阻塞性肺病（COPD）。表2列出了美国胸科学会（ATS）关于慢性肺病LTOT的指南。
表2. 长期氧疗的指征
针对低氧血症型COPD患者的两项研究为LTOT提供了支持性数据。第一项研究是1980年进行的夜间氧气治疗试验（NOTT），在这项研究中，患者被随机分配到夜间（至少12小时）或持续吸氧。在12个月和24个月时，仅接受夜间供氧患者的死亡率较高。第二项试验是1981年开展的英国医学研究委员会家庭试验，患者随机分组，不吸氧或每天至少吸氧15小时。与NOTT试验相似，无氧组的死亡率显著较高。这两项试验的研究对象都是接受最大程度治疗且病情稳定的非吸烟患者，这些患者的PaO2低于55 mm Hg，或患有红细胞增多症或肺心病患者且PaO2低于60 mm Hg。
这两项试验表明，每天补充氧气15小时以上比完全不吸氧要好，持续吸氧比仅夜间治疗要好。这些试验的纳入标准是现行医疗保险公司和ATS制定LTOT指南的基础。推断其他低氧性心肺疾病接受LTOT也是合理的，但目前还缺乏相关试验证据。对于COPD患者的低氧血症未达到静息标准或仅有运动引起的低氧血症，最近的一项多中心试验发现，氧疗对死亡率或生活质量的影响没有差异。
医生有时会给睡眠时出现严重血氧饱和度降低的患者开夜间补充氧气处方。目前还没有明确证据支持在阻塞性睡眠呼吸暂停患者中采用这种做法。对于因阻塞性睡眠呼吸暂停或肥胖低通气综合征导致夜间呼吸不畅的患者，无创正压通气而非补充氧气是主要治疗方法（参见《减肥药再跨界，有效治疗睡眠呼吸暂停》）。
另一个需要考虑的问题是确定空中旅行时是否需要补充氧气。大多数商用飞机通常会将机舱内压力加至相当于海拔8000英尺的气压，吸入氧张力约为108 mm Hg。对于肺部疾病患者，吸入氧张力（PiO2）降低会引起低氧血症。旅行前，患者应接受全面医疗评估，包括动脉血气测试。如果患者在地面时的PaO2≥70 mm Hg（SpO2>95%），那么他们在飞行中的PaO2很可能会超过50 mm Hg，这通常被认为足以应付最低限度的体力活动。对于SpO2或PaO2较低患者，可以考虑进行6分钟步行测试，或进行缺氧模拟测试，通常是呼吸15%氧气。如果空中旅行出现低氧血症，可以通过鼻导管吸氧以提高氧气吸入量。
给氧技术
在选择给氧装置时，临床医生必须考虑低氧血症的程度、患者的分钟通气量、装置所能提供的氧气流量、装置的可调性以及装置的精确度、舒适度和成本。在急诊环境中使用的给氧设备可分为低流量和高流量给氧系统。所需氧气流量取决于患者的低氧血症程度和分钟通气量。分钟通气量高或严重低氧血症患者需要使用高流量装置。中度低氧血症患者可能只需要低流量系统，这种系统通常更舒适。
低流量系统
低流量系统提供的纯氧仅为患者分钟通气量的一小部分。这些系统的最大氧气流量为15 L/分钟。由于患者的潮气量和吸气流速因呼吸快慢而异，因此无法预测每次呼吸的吸入氧量。鼻导管可以2~6 L/分钟的速度提供舒适的氧气，同时不影响患者说话和进食。这种流量可在鼻咽部形成一个解剖性的储氧池，患者在吸气时可从该储氧池吸入氧气。
面罩可以提供比鼻导管更高的流速；它们吸入的环境空气较少，因此可以产生更高的吸入氧分数（FIO2）。简易面罩的流速不应低于5 L/分钟；低于这一水平可能会出现二氧化碳 (CO2) 反呼吸，同时吸气阻力也会增加。储氧面罩与简易面罩类似，但附有一个600~800 ml的储气囊。储氧面罩包括部分再呼吸和非再呼吸类型。使用非再呼吸式储氧面罩时，氧气流量应设置得足够大，以防止储氧囊瘪陷--通常约为15 L/分钟。这些面罩提供的最大FIO2为0.8~0.9，但如果分钟通气量和吸气流速非常高，FIO2可能会更低（0.6~0.8）。
高流量系统
高流量供氧设备通过输送高流量纯氧或氮氧混合物以提供精确恒定的氧气百分比，其流量需要超过患者的通气量，有时甚至高达4倍。文丘里面罩由面罩、喷嘴和夹带口组成。氧气在压力作用下通过喷嘴输送，喷嘴通过引流口吸入环境空气。根据夹带口大小、喷嘴大小和氧气流速的不同，可以输送可预测的 FIO2。
近十年中，高流量鼻导管（HFNC）得到发展，其输送流量远高于简单鼻导管，可输送高达60 L/分钟的加热加湿氧气。HFNC的生理优势包括消除界面死腔、冲洗鼻咽部的二氧化碳、改善胸腹同步、减少呼吸功以及高达4 cm H2O的呼气末正压。系统综述和荟萃分析表明，在低氧血症型呼吸衰竭患者中，使用HFNC与传统氧疗相比，前者的气管插管率更低。同样，如果在高危患者拔管后立即使用HFNC，再次插管率与无创正压通气相当，也低于传统的氧疗。
氧中毒
氧中毒的生化基础
氧毒性由活性氧（ROS）的产生引起。ROS是氧衍生的自由基，带有一个未配对轨道电子，可与蛋白质、脂类和核酸发生反应，改变它们的结构并造成细胞损伤。在正常线粒体代谢过程中会产生少量ROS，作为信号分子。免疫细胞也利用ROS杀死病原体。ROS包括超氧化物、过氧化氢（H2O2）和羟自由基。过量ROS无一例外地会超出细胞防御功能，导致死亡或诱发细胞损伤。为了限制由ROS生成介导的损伤，细胞的抗氧化保护机制可以中和自由基。超氧化物歧化酶将超氧化物转化为H2O2，后者又被过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶转化为H2O和O2。谷胱甘肽是限制ROS损伤的重要分子。其他抗氧化分子包括α-生育酚（维生素E）、抗坏血酸（维生素C）、脑磷脂和半胱氨酸。人体肺部组织含有高浓度的细胞外抗氧化剂和超氧化物歧化酶同工酶，因此与其他组织相比，暴露于更高浓度氧气中也不易产生毒性。
高氧诱导的ROS介导的肺损伤分为两个阶段。首先是渗出期，其特点是肺泡1型上皮细胞和内皮细胞死亡、间质水肿，肺泡中填充渗出性中性粒细胞。随后是增殖期，内皮细胞和2型上皮细胞增殖，覆盖先前暴露的基底膜。氧损伤恢复期的特点是成纤维细胞增生和间质纤维化，但毛细血管内皮和肺泡上皮仍保持大致正常的外观。
肺氧中毒的临床表现
发生毒性的暴露水平尚未明确。当FIO2小于0.5 时，一般不会出现临床毒性。早期的人体研究发现，暴露于接近100%氧气会导致感觉异常、恶心和气管支气管炎，并降低肺活量、肺弥散量、肺顺应性、PaO2和pH值。其他与氧气毒性相关的问题包括吸收性肺不张、氧气引起的高碳酸血症、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）和新生儿支气管肺发育不良（BPD）。吸收性肺不张。氮气是一种惰性气体，与氧气相比，氮气扩散到血液中的速度极低，因此起到维持肺泡扩张的作用。当使用100%氧气时，由于氧气吸收率超过了新鲜气体的输送率，氮气缺失会导致肺泡通气-灌注比（V/Q）较低区域的肺泡塌陷。尤其是在手术期间，由于麻醉和麻痹导致肺功能残气量降低，促进小气道和肺泡塌陷，因此会很快出现肺不张。
氧引起的高碳酸血症。严重COPD患者在病情加重期间暴露于高浓度氧时，容易出现严重的高碳酸血症。这种高碳酸血症的发生机制在于低氧血症驱动呼吸的能力受到抑制。然而，在任何患者中，还有另外两种机制在不同程度上发挥作用。
COPD患者的低氧血症是低V/Q区域肺泡氧分压（PAO2）过低的结果。为了尽量减少这些低V/Q区域对低氧血症的影响，肺循环的两种反应--缺氧性肺血管收缩（HPV）和高碳酸血症性肺血管收缩--会将血流转移到通气良好的区域。当补充氧气增加PAO2时，HPV会显著降低，增加这些区域的灌注，从而产生V/Q比值更低的区域，这些肺组织现在富含氧气，但消除CO2的能力较弱。这些肺组织灌注量增加是以牺牲通气较好区域为代价的，这些区域不能像以前那样排出大量CO2，从而导致高碳酸血症。
另一个原因是Haldane效应减弱，即与含氧血液相比，去氧血液能携带更多CO2。当血红蛋白脱氧时，它会以氨基甲酸酯的形式结合更多质子（H+）和CO2。随着氧疗中去氧血红蛋白浓度降低，CO2和H+的缓冲能力也随之降低，从而削弱了静脉血运输CO2的能力，导致PaCO2升高。
在为慢性CO2潴留患者或高危患者补充氧气时，尤其是在极度低氧血症的情况下，精细调整FIO2以使得SpO2维持在88%~90%范围内极其重要。多个病例报告称，不调节O2会导致不良后果；一项针对CODP急性加重患者在送往医院途中进行的随机研究无可争议地证明了这一点。与不限制氧气的患者相比，随机分配到补充氧气以使SpO2维持在88%~92%范围内的患者死亡率显著较低（7% vs. 2%）。
ARDS和BPD。人们很早就发现氧毒性与ARDS的病理生理相关。在非人类哺乳动物中，暴露于100%氧气会导致肺泡弥漫性损伤，最终死亡。然而，严重肺部疾病患者氧毒性的确切证据很难与潜在疾病造成的损害区分开来。此外，许多炎症性疾病都会诱发抗氧化防御功能上调。因此，多数研究都未能显示氧气过度暴露与急性肺损伤或ARDS之间存在关联。
肺透明膜病是一种由表面活性物质缺乏引起的疾病，以肺泡塌陷和炎症为特征。患有透明膜病的早产新生儿通常需要吸入高浓度氧气。氧中毒被认为是BPD发病机制中的一个主要因素，甚至在不需要机械通气的新生儿中也会发生。新生儿尤其容易受到高氧损伤，因为他们的细胞抗氧化防御功能尚未完全发育成熟；早产儿视网膜病变是一种与反复缺氧/高氧应激相关的疾病，这种效应在早产儿视网膜病变中得到证实。
肺氧毒性的增效作用
有数种药物可增强氧毒性。氧气会增加博莱霉素产生的ROS，并使博莱霉素水解酶失活。在仓鼠体内，氧分压过高会加重博莱霉素诱导的肺损伤，病例报告也描述了曾接受过博莱霉素治疗患者在围手术期暴露于高FIO2时出现ARDS。然而，一项前瞻性试验未能显示高浓度氧暴露、既往博莱霉素暴露与术后严重肺功能障碍之间存在关联。百草枯是一种商用除草剂，它是氧气毒性的另一种增效剂。因此，在处理百草枯中毒和博莱霉素暴露的患者时，应尽可能降低FIO2。其他可能加剧氧中毒的药物包括双硫仑和硝基呋喃妥因。蛋白质和营养缺乏会导致高氧损伤，这可能是因为缺乏对谷胱甘肽合成至关重要的含硫醇氨基酸，以及缺乏抗氧化维生素A和E。其他器官系统的氧毒性
高氧可对肺部以外器官产生毒性反应。一项大型多中心回顾性队列研究表明，心肺复苏（CPR）成功后死亡率升高与高氧之间存在关联，该研究发现，CPR后PaO2大于300 mm Hg的患者与血氧正常或低氧血症患者相比，院内死亡风险比为1.8（95% CI，1.8~2.2）。死亡率升高的原因是ROS介导的高氧再灌注损伤使心跳停止后的中枢神经系统功能恶化。最近的一项研究也描述了急诊科插管后高氧血症患者死亡率增加，这与PaO2升高程度密切相关。对于脑损伤和卒中患者，为没有低氧血症的患者提供氧气似乎没有任何益处。一家创伤中心开展的一项研究发现，与血氧正常患者相比，接受高氧（PaO2>200 mm Hg）治疗的脑外伤患者死亡率更高，出院时Glasgow昏迷评分更低。另一项对接受高压氧治疗患者的研究显示，神经系统预后较差。在一项大型多中心试验中，为非低氧血症（饱和度大于96%）的急性卒中患者补充氧气，对死亡率或功能预后没有任何益处。
在急性心肌梗死（AMI）中，补充氧气是一种常用疗法，但此类患者接受氧疗的价值还存在争议。在治疗合并低氧血症的急性心肌梗死患者时，氧气是必要的，因为它可以挽救生命。然而，在没有低氧血症的情况下，传统补充氧气的益处尚不明确。20世纪70年代末，一项双盲随机试验纳入157名无并发症的急性心肌梗死患者，对吸氧治疗（6 L/分钟）与不吸氧进行了比较。结果发现，氧疗患者的窦性心动过速发生率更高，心肌酶升高幅度也更大，但死亡率没有差异。
在不伴低氧血症的ST段抬高型急性心肌梗死患者中，鼻导管吸氧8 L/分钟与吸入环境空气相比没有益处。在另一项关于吸氧6 L/分钟与吸入环境空气的研究中，急性心肌梗死患者的1年死亡率和再住院率没有差异。在院外心脏骤停患者中，将血氧饱和度控制在98%~100%与90%~94%相比没有任何益处。高氧对急性心肌梗死的潜在有害影响包括冠状动脉收缩、微循环血流分布失调、功能性氧气分流增加、耗氧量减少以及成功再灌注区域ROS损伤增加。
最后，临床试验和荟萃分析研究了重症住院患者的合适SpO2目标值。一项针对434名重症监护病房患者的单中心、开放标签随机试验比较了保守氧疗（SpO2目标94%~98%）和传统疗法（SpO2值97%~100% ）。随机分配接受保守氧疗患者的重症监护病房死亡率有所改善，休克、肝功能衰竭和菌血症发生率较低。随后的一项荟萃分析纳入25项临床试验，这些试验共招募了16,000余名住院患者，他们的诊断各不相同，包括卒中、创伤、败血症、心肌梗死和急诊手术。这项荟萃分析的结果显示，接受保守吸氧策略患者的住院死亡率增加（相对风险，1.21；95% CI，1.03~1.43）。
然而，随后进行的两项大型试验未能显示保守吸氧策略对肺部疾病患者无呼吸机天数或ARDS患者28天存活率有任何影响。最近，一项针对2541名接受机械通气患者的研究发现，在三种不同的SpO2范围（88%~92%，92%~96%，96%~100%）内，有针对性地补充氧气不会影响28天内无机械通气的存活天数、死亡率、心脏骤停、心律失常、心肌梗死、卒中或气胸等结局。根据这些数据，英国胸科学会指南主张大多数成年住院患者的目标SpO2范围为94%~98%。这是合理的，因为SpO2在此范围内（考虑到脉搏血氧监测仪有±2%~3%的误差）对应的PaO2范围为65~100 mm Hg，这一血氧水平安全且足够。对于有高碳酸血症型呼吸衰竭风险的患者，88%~92%是一个更安全的目标，可以避免O2引起的高碳酸血症。
总结
参考文献
1. Wemple ML, Swenson KE, Swenson ER. Oxygen therapy part 1 - History, physiology, and evaluation. NEJM Evid 2023;2(5):EVIDra2300005. 2. Wemple ML, Swenson KE, Swenson ER. Oxygen therapy part 2 - Indications and toxicity. NEJM Evid 2023l;2(7):EVIDra2300111.版权信息
本文由《NEJM医学前沿》编辑部负责翻译、编写或约稿。对于源自NEJM集团旗下英文产品的翻译和编写文章，内容请以英文原版为准。中译全文以及所含图表等，由马萨诸塞州医学会NEJM集团独家授权。如需转载，请联系[email protected]。未经授权的翻译是侵权行为，版权方保留追究法律责任的权利。
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