妊娠期心肺功能的生理學變化

北京大學第三醫院危重醫學科 李宏亮

作為人類生存繁衍後代的需要，懷孕以及分娩是最正常不過的一種自然現象。但是自古以來，妊娠對於婦女的生命健康而言同樣構成了高度的威脅。為了適應胎兒在母體中的生長發育，孕婦身體結構及機能會發生一系列的生理學變化，除生殖系統以外，又以呼吸和循環系統變化最為顯著。對於婦產科、麻醉科以及ICU醫生來說，正確理解孕婦心肺系統的生理學變化規律對於高危孕產婦的診治非常重要，有助於提高危重症孕產婦的救治水平，降低死亡率，改善母嬰預後。本文擬簡要介紹相關生理學基礎知識。

早在1988年，Clapp等[1]系列觀察了20例單胎妊娠孕婦孕前、妊娠第7周及第15周的一系列生理學變化。從第7周開始，身體成分、心肺、代謝功能就出現明顯變化：體脂及血漿容量分別增加2%和11%；餐後靜息站立時，心率增加13次/分（16%），平均動脈壓降低8 mm Hg（9%）；分鐘通氣量（minute ventilation，MV）增加24%，氧耗增加27 ml/min（10%）。餐後呼吸交換率（respiratory exchange ratio）亦從0.78增加到0.83。血糖無明顯差異，但血乳酸水平降低15%。

呼吸系統：

妊娠婦女呼吸系統較為脆弱，圍產期急性肺水腫、急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）等嚴重低氧血症發生率較高，對經呼吸傳播的病毒例如2009新型甲型H1N1感染較其它人群更為敏感。究其原因，除液體負荷過重以外，孕婦的肺功能的變化主要有下列兩大因素：

1. 雌激素水平升高，引起上呼吸道粘膜分泌增多，毛細血管充血，進而引起鼻腔、口咽、喉頭及氣管粘膜水腫，特別是在孕晚期[2]。鼻腔不通暢、發音改變及上呼吸道感染可以貫穿整個孕期，如果合併有妊高症或先兆子癇所致的液體負荷過重或組織水腫，這些癥狀會更加明顯。

2. 孕酮刺激呼吸中樞，增加化學感受器敏感性的同時降低其閾值。化學感受器的重置，PaO₂輕度升高，PaCO₂降低，甚至導致代償性呼吸性鹼中毒[3, 4]。在孕酮的作用下，懷孕後早期開始MV就進行性增加，在孕中期達峰，較孕前增加50%，其中潮氣量增加約40%，呼吸頻率增加15%（2-3次/分）。在死腔量不變的情況下，肺泡通氣量在孕晚期增加約70%。過度通氣導致動脈及肺泡CO₂分壓降低（28-32 mm Hg），多數情況下平均PaCO₂為32 mm Hg（4.3 kPa），PaO₂為105 mm Hg（13.7 kPa）。血漿碳酸氫鹽代償性下降（分娩時一般為18-21 mmol/L）以維持pH值在正常範圍內，只有PaCO₂低於28 mm Hg （3.7 kPa）才會出現呼吸性鹼中毒。在焦慮及疼痛作用下，分娩過程中過度通氣尤甚，顯著的低碳酸血症和嚴重的鹼中毒會引起腦和子宮胎盤血管收縮，氧解離曲線左移，氧氣從血紅蛋白上釋放減少，導致母體組織氧合減少，並降低對胎兒的氧氣輸送。另外，過度通氣後會出現短暫的低通氣以恢復血液中PaCO₂至正常水平，而低通氣又會加重母體及胎兒缺氧。

3. 肺泡內PaCO₂降低及功能殘氣量（FRC）的減少會增加氣道阻力，而血清鬆弛肽、孕酮、皮質醇水平增加會降低氣道阻力，兩者的動態平衡決定了呼吸道阻力是升高還是降低[5, 6]。鬆弛肽水平又與胎數正相關，胎數越多（子宮越大），功能殘氣量越小，而氣道阻力降低有助於緩解孕婦的呼吸受限。

隨著孕周的增加，胎兒逐漸發育並對母體通氣產生一定影響：膈肌向頭側的移位（≤4 cmH₂O）限制肺組織的擴張，同時胸腔內負壓減小，限制了用力呼氣。再加上激素水平改變降低氣管支氣管平滑肌張力，導致功能殘氣量（FVC）下降約10-25%。另一方面，激素導致韌帶鬆弛可使胸廓橫徑及前後徑代償性增加，胸圍最大可增加5-7 cm[7]。膈肌的頭側移位被胸廓橫徑及前後徑增加所抵消，肺容積只是略微下降。孕期膈肌運動幅度加大[8]（更多依靠膈肌而非胸式呼吸，在麻醉仰卧位和高位區域阻滯有一定優勢）使得潮氣量（VT）逐漸增加，吸氣活量（深吸氣量）和肺活量不變。從孕中期開始，補呼氣量、殘氣量、功能殘氣量逐漸下降，至分娩時降低約20%。肺順應性相對沒有變化，而胸壁順應性降低（截石位尤為明顯）。

隨著胎兒的發育，氧耗逐漸增加，至足月時增加約20%，分娩時進一步增加，最高可超過60%，相應加重心肺做功負荷。分娩結束後，仍然會在相當長一段時間內維持高氧耗以償還氧債。

掌握呼吸功能的變化規律對於圍術期管理意義重大，例如氣道水腫及乳房增大使等解剖學改變會導致插管困難，插管失敗率大概1∶250，肥胖、先兆子癇會增加插管難度，因此全麻並非剖宮產術的首選。另一方面，胃內壓升高（從正常時7-8 cmH₂O增加到13-17 cmH₂O，雙胎妊娠或肥胖甚至可高達40 cmH₂O）增加了誤吸的風險。更為重要的是，氧耗的增加及FRC降低導致氧儲備能力降低，即使麻醉前預充氧，在麻醉誘導後的呼吸暫停仍會出現PaO₂的快速下降。

圖一、孕期呼吸系統變化趨勢（摘自ChristopherFC, et al. Physiological changes associated with pregnancy. Update inAnaesthesia. 1998;9:72-6.）

臨床研究：

Kolarzyk等[9]從妊娠開始對51例孕婦連續監測肺功能及呼吸形式（孕早期10周、孕中期20周、孕晚期30周），並與40例非妊娠健康女性進行對比。結果顯示，隨著孕周的增大， VT和MV顯著增加（P值分別為0.0002和0.0003），口腔閉合壓（P_0.1）降低，反映呼吸中樞驅動興奮性的指標VT/Ti升高（P = 0.005），而通過迷走神經反射介導，反映呼吸中樞時間控制的指標Ti/Ttol降低，呼吸道阻力增加（ P = 0.018）。

表1 孕早期、中期、晚期呼吸形式參數及氣道阻力

表2 孕早期、中期、晚期肺功能參數測定值與預計值的百分比

同樣，與對照組相比，孕婦由於膈肌抬高及氧耗增加，孕晚期VT，MV，呼吸頻率（breath frequency，BF），VT/Ti均顯著升高，Ti/Ttol顯著降低。

表3 孕晚期與對照組相比，肺功能及呼吸形式的比較

其他影響因素：

海拔：

Hankins等[10]在中等程度海拔對10例孕36-38周的初產婦進行橈動脈及肺漂浮導管（Swan-Ganz）置管，比較不同體位，如左側半卧位、左側卧位、右側卧位、仰卧位、膝胸位、坐位、站立位的血氣分析，結果發現不同體位之間並無差異，平均數據如下：pH 7.46，PaCO₂ 26.6 mm Hg，PaO₂ 88.3mm Hg，HCO₃ 18.2 mmol/ml，SaO₂ 96%。其中氧分壓較之前在海平面測得的數據略低，提示在解釋血氣分析結果時，要考慮到海拔高度。

雙胎妊娠：

伴隨著輔助生殖技術的飛速發展，雙胎妊娠近年來呈現出逐漸升高的趨勢[11]。鑒於雙胎妊娠時母體和胎兒的需氧量較單胎更多，有理由相信前者的呼吸功能變化會更為顯著。另外更大的子宮體積也應該會使膈肌向頭側抬高更多，肋間韌帶更為鬆弛，相應肺容積改變更多。

McAuliffe等[12]對68名雙胎妊娠（17例孕早期、35例孕中期、16例孕晚期）、140例單胎妊娠（20例孕早期、80例孕中期、40例孕晚期）、22例非妊娠（月經周期前半程）婦女進行橫斷面調查。結果顯示無論是單胎還是雙胎妊娠，孕晚期與非妊娠婦女相比平均FRC、補呼氣量（expiratory reserve volume，ERV）均明顯降低，而孕早、中、晚期MV都較非妊娠顯著增加。但單胎/雙胎妊娠之間肺功能沒有明顯差別。

表4、單胎、雙胎與非妊娠婦女呼吸功能有差異的參數

（數字均以平均值表示；*代表單胎/雙胎與非妊娠比較的差異；* P< 0.05；** P< 0.01；***P< 0.001）

Siddiqui等[13]開展的橫斷面研究，對雙胎妊娠（40例）、單胎妊娠（60例）及非孕期婦女（50例）在孕36周的肺功能進行對比。結果發現除了FEV1/FVC和最大自主通氣量（maximal voluntary ventilation，MVV）以外的其他肺功能指標，例如用力肺活量（FVC）、一秒率（FEV₁）、最高呼吸流速（PEF rate）、FEF_25-75%，孕婦都要低於非妊娠期婦女，單胎和雙胎妊娠之間並無明顯差異。妊娠期體重增加、妊娠水腫、飲食習慣改變、營養不足、貧血等因素會引起主要呼吸肌肉（也就是前腹部肌肉）及肋間內肌的收縮力量下降，波及呼吸功能，導致PEF率降低。雙胎妊娠雖然子宮體積更大，氧氣需求量更多，但是肺容積與單胎妊娠相比並無明顯差異，可能是因為孕酮水平更高所致。

表5 兩兩比較的肺功能指標統計學差異

（NP：非妊娠組；SP：單胎妊娠組；TP：雙胎妊娠組）

圖二、雙胎、單胎妊娠及非妊娠婦女的肺功能對比

循環系統：

前面提到，孕酮引起孕婦過度通氣會降低PaCO₂，此時血漿碳酸氫鈉會代償性降低以維持pH，但在此過程中鈉離子會伴同碳酸鹽一起被排泌到體外，在孕早期的數周內造成血漿滲透壓降低約10 mosmol/L，隨後則在整個妊娠過程中保持正常水平。這種一過性的降低在部分孕婦會引起類似糖尿病尿崩症樣的癥狀（低鹽飲食孕婦則較少出現此癥狀）。如同呼吸中樞重置以適應PaCO₂的顯著降低一樣，孕婦的滲透壓感受器同樣重置以適應低滲透壓[14]。

正常妊娠過程中，孕婦平均體內約有8.5 L的液體瀦留，其中約6 L是懷孕導致的，相應使得子宮、乳房等器官體積增大，重量增加，血容量也有所增多，至孕晚期可增加40-100%（在此過程中，紅細胞僅增加20-30%，導致「生理性貧血」）。剩餘的2.5 L液體都集聚在細胞外間隙。伴有單純下肢水腫的孕婦細胞外間液要稍多一些，而全身水腫的孕婦則顯著增加，平均達到5 L左右。然而，臨床上這些增加的液體並不容易被察覺，有可能僅僅是戴婚戒時感覺緊了一些而已。

妊娠晚期的水腫可引起下肢靜脈壓力升高，血漿晶體滲透壓下降。雌激素引起黏多糖成分改變，細胞外液大量積聚在結締組織中。

在妊娠後的最初幾周內，孕酮的激活及血管活性物質（前列環素）介導的全身血管舒張以及高血流動力學狀態導致全身血管阻力降低。舒張壓從孕中期開始下降，而收縮壓和肺動脈壓力維持不變。

在血容量增加及氧耗需求增大（約30%）的基礎上，心輸出量（Cardiac Output，CO）增加約40%（從4.5 到6 L/min）,MV增加約40%（從7.5 L/min到10.5 L/min），氧攝取量增加15%（從30 ml/min 到40 ml/min），在單胎妊娠時，通氣血流比失調可從非妊娠期的3-5%增加到12-15%[10]。CO的增加伴隨著每搏量和心率的增加。其中心率約增加10-20 次/分，在孕中期末及孕晚期早期達峰。分娩過程中，子宮收縮進一步使CO增加10-40%，加上疼痛、焦慮等因素，心率也會進一步增加，從而加重血流動力學負荷。運動會使心肺功能負荷進一步增大，例如CO可增加三倍，最高達12 L/min；MV甚至可增加10倍，高達80 L/min。由此可見，與心血管系統相比，孕婦對肺功能異常的耐受性要遠高於前者，換言之，心血管系統代償能力更差。

圖三、孕期循環系統變化趨勢。妊娠期體循環及肺循環血管阻力降低，血壓在妊娠中期可能下降，而在妊娠晚期輕度升高。注意CO及每搏輸出量在16周達峰。（摘自Thorne SA. Heart. 2004 Apr;90(4):450-6.）

圖四、影響肺泡液體滲出因素在健康非妊娠婦女（a）和前兆子癇合併急性肺水腫孕婦（b）的示意圖。高血壓增加心臟後負荷、左室肥厚等左室結構改變導致舒張性降低，共同增加了微血管內靜水壓及前負荷。再加上膠體滲透壓降低和毛細血管通透性的改變，進一步增加了急性肺水腫的風險。（摘自：Anaesthesia. 2012 Jun;67(6):646-59.）

總結：

妊娠期心肺功能變化的這些特點，是我們正確認識圍產期危重症產婦救治策略的基石。液體負荷重，心臟前後負荷增加，肺臟功能殘氣量下降及過度通氣，雖然在健康婦女中並無明顯影響，但對心肺功能不全孕婦來說則是極度危險的。圍繞著液體平衡策略和呼吸功能支持方式的合理選擇，是改善母嬰預後的重要手段。

1. ClappJF, 3rd, Seaward BL, Sleamaker RH, Hiser J: Maternal physiologic adaptations to early human pregnancy. Am J Obstet Gynecol 1988, 159(6):1456-1460.

2. HegewaldMJ, Crapo RO: Respiratory physiology inpregnancy. Clinics in chest medicine 2011,32(1):1-13, vii.

3. ContrerasG, Gutierrez M, Beroiza T, Fantin A, Oddo H, Villarroel L, Cruz E, Lisboa C: Ventilatory drive and respiratory musclefunction in pregnancy. The Americanreview of respiratory disease 1991, 144(4):837-841.

4. Garcia-RioF, Pino JM, Gomez L, Alvarez-Sala R, Villasante C, Villamor J: Regulation of breathing and perception ofdyspnea in healthy pregnant women. Chest1996, 110(2):446-453.

5. GoucherD, Rubin A, Russo N: The effect ofpregnancy upon pulmonary function in normal women. Am J Obstet Gynecol 1956, 72(5):963-969.

6. NewhouseMT, Becklake MR, Macklem PT, McGregor M: Effectof Alterations in End-Tidal Co2 Tension on Flow Resistance. J Appl Physiol 1964, 19:745-749.

7. ElkusR, Popovich J, Jr.: Respiratoryphysiology in pregnancy. Clinics inchest medicine 1992, 13(4):555-565.

8. GilroyRJ, Mangura BT, Lavietes MH: Rib cageand abdominal volume displacements during breathing in pregnancy. The American review of respiratory disease 1988,137(3):668-672.

9. KolarzykE, Szot WM, Lyszczarz J: Lung functionand breathing regulation parameters during pregnancy. Arch Gynecol Obstet 2005, 272(1):53-58.

10. HankinsGD, Clark SL, Harvey CJ, Uckan EM, Cotton D, Van Hook JW: Third-trimester arterial blood gas and acid base values in normalpregnancy at moderate altitude. ObstetGynecol 1996, 88(3):347-350.

11. AlikaniM, Cekleniak NA, Walters E, Cohen J: Monozygotictwinning following assisted conception: an analysis of 81 consecutive cases.Hum Reprod 2003, 18(9):1937-1943.

12. McAuliffeF, Kametas N, Costello J, Rafferty GF, Greenough A, Nicolaides K: Respiratory function in singleton and twinpregnancy. BJOG 2002, 109(7):765-769.

13. SiddiquiAH, Tauheed N, Ahmad A, Mohsin Z: Pulmonaryfunction in advanced uncomplicated singleton and twin pregnancy. J Bras Pneumol 2014, 40(3):244-249.

14. HyttenFE, Robertson EG: Maternal watermetabolism in pregnancy. Proc R SocMed 1971, 64(10):1072.

□ 編輯 姚文龍