呼吸衰竭时的「氧合指数」大约多少？如何计算？

说到「氧合指数」，是不是第一反应就是急性呼吸窘迫综合征（ARDS）柏林定义 ⁽¹⁾ 里面的动脉氧分压/吸入氧浓度（PaO₂/FiO₂）？（哈哈，没毛病，毕竟近两版内科学教材中是这么写的）。

实际上，柏林定义里面并没有给 PaO₂/FiO₂ 冠以「氧合指数」的命名，那是因为氧合指数（Oxygenation Index，OI）在英文中对应的是另一个类似的参数。国内给它起名「氧合指数」的原因个人还不清楚，但不管命名是什么，PaO₂/FiO₂ 是公知的，今天就和大家一起来探索一下 PaO₂/FiO₂ 的秘密。

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PaO₂/FiO₂ 的由来及参考范围

早在 1974 年，Horovitz 等人为了更好比较不同吸氧浓度患者的肺氧合差异，提出 PaO₂/FiO₂ 这一参数，期望能够用吸入氧浓度（FiO₂）来校正氧合水平 ⁽²⁾。PaO2/FiO2 的参考范围为 350 ~ 500 mmHg（年龄越大，参考值越低）。Horovitz 等人认为 PaO₂/FiO₂ ≤ 300 mmHg 意味着存在显著的肺部功能障碍（诊断 I 型呼吸衰竭要求海平面大气压下 PaO₂ ＜ 60 mmHg，空气 FiO₂ 为 21%， PaO₂/FiO₂ 大致计算为 ＜ 300 mmHg），后续柏林定义及 ARDS 相关指南也都采用这一界值来进行相关诊断。

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PaO₂/FiO₂ 降低的病理生理意义

我们先看一下 FiO₂（以海平面空气 21% 氧浓度为例）转化为动脉血氧（PaO₂）的过程（图 1）。【不想看原理的请跳过，直接看这部分的结论】

图 1. 氧分压从空气到动脉的变化历程（修改自 Physiology 5th Ed. GAS EXCHANGE）

第一步，空气中的氧进入呼吸道。海平面大气压下（760 mmHg），空气的氧分压为 760 × 0.21 ≈ 160 mmHg。空气经呼吸道的湿化作用后水蒸气饱和，体内 37℃ 情况下水蒸气饱和蒸汽压约为 47 mmHg，因此气道中氧分压 =（760 - 水蒸气压）× 0.21 ≈ 150 mmHg。

第二步，空气进入肺泡，发生 O₂ 和 CO₂ 的交换。这个过程涉及呼吸交换率（即呼吸熵，按照 0.8 计算）的问题，也就是说 1 分子的 O₂ 进去，有 0.8 分子的 CO₂ 出来。由于 CO₂ 的弥散能力很强，我们假定动脉血中的 PaCO₂ 和肺泡中一致，可以间接计算出换气过程消耗了肺泡中 PaCO₂/0.8 的氧，因此肺泡氧分压（PAO₂）= 150 - PaCO₂/0.8。按照正常 PaCO₂ 40 mmHg 计算，肺泡中的氧分压为 100 mmHg。

混合静脉血在血流通过肺泡期间，O₂ 的弥散能力不足以使肺泡侧的氧气充分扩散至两侧相等。因此，动脉血流中的氧分压（PaO₂）会略低于肺泡氧分压，这个差值也就是我们常说的肺泡 (A) - 动脉 (a) 氧分压差（PA-aO₂），反映肺泡的换气能力。 

总结起来，用公式看 PaO₂ 和 FiO₂ 的关系，大致是：

PaO₂ = FiO₂ × (大气压 - 水蒸气压) - PaCO₂/呼吸熵 - (PA-aO₂)；接下来两边同时除以 FiO₂，得到：PaO₂/FiO₂ = (大气压-水蒸气压) - (PaCO₂/呼吸熵＋(PA-aO₂))/FiO₂。

也就说在大气压、水蒸气压和呼吸熵不变的情况下，PaO₂/FiO₂ 减低意味着可能存在着 PaCO₂ 或者 PA-aO₂ 升高的情况。前者的升高提示可能存在通气功能障碍，而后者的升高提示肺换气功能障碍，例如弥散减低或者 V/Q 异常等。

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PaO₂/FiO₂ 在临床中的应用

虽然 PaO₂/FiO₂ 减低在通气和换气功能障碍中均可出现，但当我们关注 PaO₂/FiO₂ 的时候，往往患者是以换气功能障碍为主。所以临床多应用于需要吸氧患者的低氧判定及预后评估。

在 ARDS 柏林定义中，诊断低氧血症需要 PaO₂/FiO₂ ≤ 300 mmHg，并可以分为轻中重三个等级（下表）。

ARDS 患者的 PaO₂/FiO₂ 越低，死亡率越高，其中重度 ARDS 死亡率高达 45%。需要注意这里 PaO₂/FiO₂ 使用的前提是 PEEP 或 CPAP ≥ 5 cmH2O，也就是说需要患者在机械通气或无创正压通气状态（Why？请看第 5 部分）。

对于社区获得性肺炎（CAP），IDSA/ATS 自 2007 年来，其指南判定重症 CAP 的标准里面均则采用 PaO₂/FiO₂ ≤ 250 mmHg 这一界值（下表），但没有对 PaO₂/FiO₂ 判定的条件设限制。

除此之外，PaO₂/FiO₂ 还可以用于重症患者疾病严重度评分系统，例如 SCAP, APACHE IV，SOFA，SAPS-II and SAPS-III 等。

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PaO₂/FiO₂ 如何计算？

具体计算的话，PaO₂ 可以直接从动脉血气结果中获取，关键在 FiO₂ 的估算。在气管插管机械通气的患者中，因为气管被球囊封闭，吸气过程中无空气进入，呼吸机设置的氧浓度即为吸入的氧浓度。例如 PEEP 5 cmH2O，氧浓度 60%，监测动脉血气 PaO₂ 66 mmHg，PaO₂/FiO₂ = 66/0.6 = 110 mmHg。

其他吸氧装置，例如经鼻高流量吸氧装置（HFNC）、文丘里面罩属于高流量吸氧装置，能够提供的空氧混合气体流速（40 L/min 以上）一般超过潮气呼吸的时候吸气峰流速，因此也能获得相对稳定的吸氧浓度。而无创呼吸机因为能够提供正压通气，患者吸气触发后面罩内压力高于外界，因此也不受外界空气混入影响。这三类供氧方式 FiO₂ 计算可以直接参考仪器或者装置设定的数值。

对于普通面罩或者鼻导管吸氧这种非密闭性低流量吸氧装置，我们内科学教材在急性呼吸衰竭部分也提供了计算公式：FiO₂（%）= 4 × 氧流量（L/min）+ 21。但是这类氧气流速跟不上患者的吸气流速，导致周围空气的不同比例吸入，从而降低吸入氧浓度。因此，PaO₂/FiO₂ 来评估这些病人的氧合可能会出现错误估计。

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临床应用 PaO₂/FiO₂ 需要避开的几个坑

1）PaO₂/FiO₂ 虽然与预后有关，但不代表提升 PaO₂/FiO₂ 就一定有好的临床结局

在 NEJM 杂志发表的 ARDSNet ARMA 研究 ⁽⁴⁾ 中，高潮气量通气策略虽然能够改善 PaO₂/FiO₂，但却与更差的结局相关。因此可能会出现参数-临床分离，个人推测可能该指标是疾病发生发展后的表现或者结果，而非可阻断的「靶点」。因此，临床上不应该单以提升 PaO₂/FiO₂ 为目的。

2）PaO₂/FiO₂ 本身会随着 FiO₂ 而变化 ⁽⁵⁾

前面公式中，PaO₂/FiO₂ = (大气压 - 水蒸气压) - (PaCO₂/呼吸熵 ＋ (PA-aO₂))/FiO₂，公式的右边还有一个 FiO₂，也就是说即便肺通气和换气功能没变，随着 FiO2 增加，PaO2/FiO2 本身也会升高。M S Gowda 等人发现，在所有满足 ARDS 标准的患者中，给予 100% 纯氧 30 分钟使得  58.5% 的 ARDS 患者 PaO₂/FiO₂ 超过 300 mmHg⁽⁶⁾。

3）不能校正平均气道压或 PEEP 引入的误差

在机械通气患者中观察到，随着 PEEP 水平的增高，PaO₂/FiO₂ 预测死亡的准确度逐渐提升 ⁽⁷⁾。这意味着单独 PaO₂/FiO₂ 可能无法很好反映患者的氧合状态，也是为什么柏林标准里面强调 PaO₂/FiO₂ 判定需要在 PEEP 至少 ≥ 5 cmH₂O 的情况下进行。

虽然 PaO₂/FiO₂ 本身存在一些缺陷，但是因为其计算简单方便，一直还在临床广泛使用。挖掘它的不足，是希望能够让我们更客观地解读和解释一些临床问题。

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其他评估患者氧合的方法？

1) SpO₂/FiO₂

PaO₂ 需要有创动脉穿刺操作才能获取，而脉搏血氧饱和度 (pulse oxygen saturation, SpO₂) 是一种无创测量法。其原理是测定毛细血管床氧合血红蛋白百分比，SpO₂ 并不测量被其他分子饱和的血红蛋白，如碳氧血红蛋白或高铁血红蛋白。近来研究发现，ARDS 患者中 SpO₂/FiO₂ 与 PaO₂/FiO₂ 的相关性很好 ⁽⁸⁾，也可以作为无创的方式进行评估，SpO₂/FiO₂ 的 235 和 315 分别相当于 PaO₂/FiO₂ 的 200 mmHg 和 300 mmHg。但因为 SpO₂ 最高只能达到 100%，因此使用时应该注意尽量采用使 SpO₂ 达标的最低 FiO₂。

2) 氧合指数 oxygenation index, OI

这个氧合指数是氧合指数起初用于评估患有肺动脉高压的新生儿低氧程度，后来也用于成人呼吸衰竭中的氧合评估，其计算公式为：OI  =  [平均气道压   x  FiO₂  ÷  PaO₂]  x  100

相比 PaO₂/FiO₂，这里面引入了平均气道压这一参数。OI 和 PaO₂/FiO₂ 在成人机械通气患者中的相关性较高 ⁽⁹⁾，但判定氧合的准确性和判定预后能力孰强孰弱，还缺少更多高质量的数据。

3) 肺泡-动脉氧分压差 (PA-aO₂)

前面说到，肺泡-动脉氧分压差（PA-aO₂）= PAO₂ - PaCO₂/呼吸熵，反映肺泡的换气能力。PA-aO₂ 随年龄增长而升高，假定患者呼吸室内空气，可以借助公式估算预计值：PA-aO₂ = 2.5 + 0.21 x 年龄（公式很多，这只是其中一个），PA-aO₂ 升高提示换气功能障碍，例如弥散障碍、V/Q 异常或肺内/心脏的右向左分流。

PA-aO₂ 的准确计算也依赖于精确测量患者呼吸空气或接受机械通气等情况下的 FiO₂。除此之外，PA-aO₂ 也随着 FiO₂ 升高而增加。当患者接受较高的 FiO₂，PAO₂ 和 PaO₂ 均增加。但是，PAO₂ 的增加不成比例，从而引起 PA-aO₂ 增加。因此其临床实用性相对受限。

简而言之

1. 国内氧合指数指的是 PaO₂/FiO₂，国外指 OI。

2. PaO₂/FiO₂ ＜ 300 mmHg 提示存在低氧血症，ARDS 患者的 PaO₂/FiO₂ 越低，死亡率越高，前提是 PEEP 或 CPAP ≥ 5 cmH₂O，不加条件的外推可能偏离事实。

3. FiO₂ 的计算很重要，具体视吸氧装置而定。

4. PaO₂/FiO₂ 存在一些固有不足，应当理性认识。

策划：美超

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参考文献：

1. Force* TADT. Acute Respiratory Distress Syndrome: The Berlin Definition. JAMA. 2012;307(23):2526-33.

2. Horovitz JH, Carrico CJ, Shires GT. Pulmonary Response to Major Injury. Archives of Surgery. 1974;108(3):349-55.

3. Tobin MJ, Jubran A, Laghi F. PaO2/FIO2 ratio: the mismeasure of oxygenation in COVID-19. European Respiratory Journal. 2021;57(3):2100274.

4. Network TARDS. Ventilation with Lower Tidal Volumes as Compared with Traditional Tidal Volumes for Acute Lung Injury and the Acute Respiratory Distress Syndrome. New England Journal of Medicine. 2000;342(18):1301-8.

5. Karbing DS, Kjaergaard S, Smith BW, Espersen K, Allerød C, Andreassen S, et al. Variation in the PaO2/FiO2 ratio with FiO2: mathematical and experimental description, and clinical relevance. Crit Care. 2007;11(6):R118-R.

6. Gowda MS, Klocke RA. Variability of indices of hypoxemia in adult respiratory distress syndrome. Critical care medicine. 1997;25(1):41-5.

7. Palanidurai S, Phua J, Chan YH, Mukhopadhyay A. Is it time to revisit the PaO2/FiO2 ratio to define the severity of oxygenation in ARDS? Annals of Intensive Care. 2021;11(1):138.

8. Rice TW, Wheeler AP, Bernard GR, Hayden DL, Schoenfeld DA, Ware LB. Comparison of the SpO2/FIO2 ratio and the PaO2/FIO2 ratio in patients with acute lung injury or ARDS. Chest. 2007;132(2):410-7.

9. Vadi S. Correlation of Oxygen Index, Oxygen Saturation Index, and PaO(2)/FiO(2) Ratio in Invasive Mechanically Ventilated Adults. Indian J Crit Care Med. 2021;25(1):54-5.

10. Measures of oxygenation and mechanisms of hypoxemia, UpToDate, Topic 1647 Version 22.0