กลไกของการเกิดภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำ

ภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำ (Hypoxemia) คือระดับออกซิเจนในเลือดแดงที่ต่ำกว่าปกติ สรีรวิทยาของระบบทางเดินหายใจจำแนกภาวะนี้ออกเป็น 5 กลไกหลัก ได้แก่ ความไม่สมดุลของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด (ventilation-perfusion mismatch), การไหลเวียนเลือดลัดวงจรจากขวาไปซ้าย (right-to-left shunt), การหายใจน้อยกว่าปกติของถุงลม (alveolar hypoventilation), การแพร่ของออกซิเจนบกพร่อง (impaired diffusion) และความดันออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำ (low inspired oxygen tension) ซึ่งสามารถแยกแยะได้จากผลกระทบต่อความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดง (alveolar-arterial oxygen gradient) และการตอบสนองต่อการให้ออกซิเจนเสริม

Definition

ภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำ (Hypoxemia) คือความดันย่อยของออกซิเจนในเลือดแดงที่ลดลง กลไกของภาวะนี้คือเส้นทางทางสรีรวิทยา ได้แก่ ความไม่สมดุลของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด, การไหลเวียนเลือดลัดวงจร, การหายใจน้อยกว่าปกติ, ข้อจำกัดในการแพร่ และออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำ ซึ่งทำให้ความดันออกซิเจนในหลอดเลือดแดงลดลงต่ำกว่าปกติ

Scope

บทความนี้จัดระเบียบสาเหตุทางสรีรวิทยาของความดันออกซิเจนในหลอดเลือดแดงที่ต่ำ โดยอธิบายว่าแต่ละกลไกเปลี่ยนแปลงความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงอย่างไร และแต่ละกลไกตอบสนองต่อการหายใจด้วยออกซิเจนเสริมอย่างไร บทความนี้ถือว่าภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำเป็นกรอบแนวคิดทางสรีรวิทยาที่สนับสนุนการตีความผลการตรวจก๊าซในเลือด ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิกสำหรับบุคคลใดบุคคลหนึ่ง

Core questions

• กลไกทางสรีรวิทยาหลักที่ทำให้ออกซิเจนในหลอดเลือดแดงลดลงคืออะไร?
• ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงช่วยแยกแยะกลไกเหล่านี้ได้อย่างไร?
• เหตุใดกลไกบางอย่างจึงตอบสนองต่อออกซิเจนเสริม ในขณะที่การไหลเวียนเลือดลัดวงจรที่แท้จริงไม่ตอบสนอง?
• การหายใจน้อยกว่าปกติและออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำแตกต่างจากโรคปอดภายในได้อย่างไร?

Key concepts

• ความไม่สมดุลของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด (V/Q mismatch)
• การไหลเวียนเลือดลัดวงจรจากขวาไปซ้าย (Right-to-left shunt)
• การหายใจน้อยกว่าปกติของถุงลม (Alveolar hypoventilation)
• ข้อจำกัดในการแพร่ (Diffusion limitation)
• ความดันออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำ (low PiO2)
• ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดง (Alveolar-arterial (A-a) oxygen gradient)
• สมการก๊าซในถุงลม (Alveolar gas equation)
• การตอบสนองต่อออกซิเจนเสริม (Response to supplemental oxygen)

Mechanisms

โดยทั่วไปมีการยอมรับ 5 กลไกหลัก (Sarkar, Niranjan, & Banyal, 2017; West, 2011) ความไม่สมดุลของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด (V/Q mismatch) เป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดในโรคปอด: บริเวณที่มี V/Q ต่ำจะส่งเลือดที่มีออกซิเจนต่ำซึ่งปอดไม่สามารถชดเชยได้อย่างเต็มที่ ทำให้ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงกว้างขึ้น; เนื่องจากการระบายอากาศของถุงลมยังคงอยู่ การให้ออกซิเจนเสริมจึงช่วยเพิ่มความดันออกซิเจนในหลอดเลือดแดงได้อย่างมาก การไหลเวียนเลือดลัดวงจรจากขวาไปซ้าย (right-to-left shunt) เป็นภาวะสุดขีดของ V/Q ต่ำ ซึ่งเลือดจะไหลผ่านถุงลมที่มีการระบายอากาศโดยสมบูรณ์; ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงจะกว้าง และโดยทั่วไปแล้ว ออกซิเจนในหลอดเลือดแดงจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเมื่อได้รับออกซิเจนเสริม เนื่องจากเลือดที่ลัดวงจรไม่เคยสัมผัสกับออกซิเจนในถุงลมที่สูงขึ้น การหายใจน้อยกว่าปกติของถุงลม (alveolar hypoventilation) ทำให้ระดับออกซิเจนในหลอดเลือดแดงลดลงโดยการเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลม ซึ่งจะไปแทนที่ออกซิเจน ตามที่สมการก๊าซในถุงลมทำนายไว้; ในกรณีนี้ ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงจะปกติ เนื่องจากเนื้อเยื่อปอดไม่เสียหาย และภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำจะแก้ไขได้ง่ายด้วยออกซิเจน ข้อจำกัดในการแพร่ (diffusion limitation) เกิดขึ้นเมื่อการปรับสมดุลของออกซิเจนผ่านเยื่อหุ้มถุงลม-หลอดเลือดฝอยไม่สมบูรณ์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีผลเพียงเล็กน้อยในขณะพัก แต่สามารถมีความสำคัญได้ในระหว่างการออกกำลังกายหรือที่ระดับความสูง; ซึ่งจะทำให้ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงกว้างขึ้นและยังตอบสนองต่อออกซิเจนเสริมด้วย ความดันออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำ (low inspired oxygen tension) - เช่นที่ระดับความสูงหรือเมื่อสัดส่วนของออกซิเจนที่หายใจเข้าไปลดลง - จะลดออกซิเจนในถุงลมและในหลอดเลือดแดงตามลำดับ ในขณะที่ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงยังคงปกติ ความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงและการตอบสนองต่อออกซิเจนร่วมกันช่วยแยกกลไกภายในปอด (V/Q mismatch, shunt, diffusion limitation) ออกจากกลไกภายนอกปอด (hypoventilation, low inspired oxygen) (Wagner, 2014; West, 2012)

Clinical relevance

กรอบแนวคิดห้ากลไกนี้เป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยามาตรฐานสำหรับการตีความผลการตรวจก๊าซในหลอดเลือดแดงและความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดง และสำหรับการให้เหตุผลว่ารูปแบบความบกพร่องที่กำหนดทำให้ระดับออกซิเจนลดลงได้อย่างไร ในที่นี้จะนำเสนอเป็นพื้นฐานแนวคิดสำหรับการทำความเข้าใจผลการทดสอบ; โดยจะอธิบายกลไกทางสรีรวิทยาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การจำแนกภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำออกเป็นห้ากลไกเป็นสรีรวิทยาที่ได้รับการยอมรับมากกว่าเป็นหัวข้อที่อยู่ภายใต้แนวทางปฏิบัติ โดยมีการสังเคราะห์ในบทความทบทวนวรรณกรรม เช่น Sarkar, Niranjan, and Banyal (2017) และ West (2011) และในคำอธิบายที่กว้างขึ้นของสรีรวิทยาการแลกเปลี่ยนก๊าซโดย Wagner (2014) และ Petersson and Glenny (2014); ตำราสรีรวิทยาทางเดินหายใจมาตรฐานนำเสนอกรอบแนวคิดเดียวกันนี้ (West, 2012)

History

การแยกภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำออกเป็นกลไกทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกันอย่างเป็นระบบเกิดขึ้นจากงานวิจัยเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนก๊าซในปอดในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ซึ่งนักวิจัยรวมถึง Richard Riley และต่อมา John West ได้กำหนดสมการก๊าซในถุงลมและความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดงเป็นเครื่องมือในการแบ่งแยกสาเหตุของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงที่ต่ำ แผนการห้าสาเหตุที่เกิดขึ้นนี้ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของการสอนสรีรวิทยาทางเดินหายใจและการตีความก๊าซในเลือดตั้งแต่นั้นมา

Key figures

• John B. West
• Peter D. Wagner
• Malay Sarkar

Seminal works

• sarkar-2017
• west-2011-hypoxemia
• wagner-2014-basis

Frequently asked questions

กลไกทั้งห้าของการเกิดภาวะออกซิเจนในเลือดต่ำคืออะไร?

ความไม่สมดุลของการระบายอากาศและการไหลเวียนเลือด, การไหลเวียนเลือดลัดวงจรจากขวาไปซ้าย, การหายใจน้อยกว่าปกติของถุงลม, ข้อจำกัดในการแพร่ และความดันออกซิเจนที่หายใจเข้าไปต่ำ ซึ่งสามารถแยกแยะได้จากผลกระทบต่อความแตกต่างของความดันออกซิเจนระหว่างถุงลมและหลอดเลือดแดง และการตอบสนองต่อการให้ออกซิเจนเสริม

เหตุใดการไหลเวียนเลือดลัดวงจรจึงตอบสนองต่อออกซิเจนเสริมได้ไม่ดี?

ในการไหลเวียนเลือดลัดวงจรที่แท้จริง เลือดจะไหลผ่านถุงลมที่มีการระบายอากาศ ดังนั้นจึงไม่เคยสัมผัสกับก๊าซที่อุดมด้วยออกซิเจน; การเพิ่มออกซิเจนที่หายใจเข้าไปจึงทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากความไม่สมดุลของ V/Q หรือการหายใจน้อยกว่าปกติ