動脈血氣體分析(Arterial blood gas test)的原理與判讀

對醫學生而言,動脈血氣體分析(arterial blood gas test, ABG)是最基礎的能力之一,一定要具備。我一開始學習ABG是從小麻(Pocket Medicine)看起。雖然小麻寫的非常好,鑑別診斷的工具及步驟都應有盡有,但因為篇幅問題而較少解釋原理。對我來說,不瞭解原理的東西記憶起來會困難很多。所以花了一些時間去搞懂ABG背後的原理。以下是我的整理與心得。

這篇文章主要講解ABG、代謝性酸中毒(metabolic acidosis)及相關鑑別診斷工具的原理與判讀。為了詳細介紹其原理,篇幅有點長。本文的目的是讓大家在瞭解原理後可以更容易記憶,而不是光靠死背。如果想要看精簡的整理或關於治療方式,建議可以看小麻(Pocket Medicine),整理得非常好。另外,如本文內容有錯誤,也請不吝指正!

原理

首先,我們先回憶生化學過的Henderson-Hasselbalch equation:

\text{pH}=\text{pK}_\text{a}+\text{log}_{10}\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)

血液的pH值主要是bicarbonate buffer system所調控的,如下:

\text{H}_2\text{O}+\text{CO}_2\rightleftarrows \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftarrows \text{HCO}_3^-+\text{H}^+

因此血液的pH值和bicarbonate buffer system可以用Henderson-Hasselbalch equation來連接:

\text{pH}=\text{pK}_{\text{a}\ \text{H}_2 \text{CO}_3}+\text{log}_{10}(\frac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{H}_2 \text{CO}_3]})

接著代入體溫下H2CO3的pKa(6.1)。另外,我們再以動脈血中CO2分壓(PaCO2)乘以CO2在血中的溶解度(0.03)來計算血中H2CO3的濃度,可以得到以下等式:

\text{pH}=6.1+\text{log}_{10}(\frac{[\text{HCO}_3^-]}{0.03\times \text{PaCO}_2})

這個等式就是ABG的原理。從這個公式,我們可以發現pH、PaCO2、[HCO3]三者只要知道其中兩個,就能算出最後一個。根據UpToDate,一般上是實際去測量血中的pH和PaCO2,再用上述等式計算出[HCO3]。

這裡附上正常值:

  • pH: 7.35-7.45
  • PaCO2: 40 mmHg
  • [HCO3]: 24 mEq/L

PaCO2與[HCO3]的正常值書上通常會寫一個range,但我個人習慣記中間值就好。

基本概念

  • Acidemia/alkalemia: 描述血液pH值過低/高
  • Acidosis/alkalosis: 身體裡的某種生理反應讓pH值變低/高

這部分蠻多人會搞混的。Acidosis不代表pH一定會過低;alkalosis也不代表pH一定過高。例如輕微的metabolic alkalosis合併嚴重的respiratory acidosis的pH有可能偏酸,這時候我們說是acidemia,但met. alkalosis依然存在。Acidosis/alkalosis可能同時合併數種。我認為可以把acidemia/alkalemia想像成是各種acidosis/alkalosis加總後的結果。

Acidosis/alkalosis依照原因又可以分為代謝性(metabolic)或呼吸性(respiratory),因此初步有四種組合。Metabolic主要影響HCO3。HCO3是鹼性的(HCO3可接受H+),因此過低就可能有met. acidosis;過高可能有met. alkalosis。Respiratory主要影響PaCO2。CO2是酸性的(CO2 + H2O ⇄ H2CO3)。因此過高可能有resp. acidosis;過低可能有resp. alkalosis。

因此,這裡要抓住很重要的觀念:

  • HCO3下降:可能是met. acidosis
  • HCO3上升:可能是met. alkalosis
  • PaCO2上升:可能是resp. acidosis
  • PaCO2下降:可能是resp. alkalosis

注意met. acidosis & met. alkalosis可以同時存在;但resp. acidosis & resp. alkalosis 不能同時存在。這是因為 metabolic的原因有非常多可能;但respiratory相對單純。Resp. acidosis就是hypoventilation;resp. alkalosis就是hyperventilation。而一個人不可能同時hypoventilation 又 hyperventilation。

初步判讀

首先我們要先判讀出primary disorders。我個人的判讀步驟如下:

  1. 先看pH值有沒有過低或過高。過低先想acidosis;過高先想alkalosis。
  2. 如果pH過低,有兩種可能:HCO3過低(metabolic acidosis)和PaCO2過高(respiratory acidosis)。
  3. 如果pH過高,有兩種可能:HCO3過高(metabolic alkalosis)和PaCO2過低(respiratory alkalosis)。
  4. 如果pH值正常,也不一定代表代表病人沒有acid-base disorders,詳見下一節。

判讀代償(compensation)與mixed disorders

人體是有代償功能的,一個系統出問題,另一個系統會來幫忙調控。如果是代謝性的問題,肺臟會藉由調控CO2的排泄來進行代償;如果是呼吸性的問題,腎臟會藉由調控HCO3的排泄來進行代償。要注意的是,代償會稍微使pH值往正常範圍移動,但不會使pH值回到正常範圍。

經過了上一節的初步判讀後,就要來判讀病人有沒有mixed disorders。我們要先知道正常的代償的程度(數據摘錄自小麻):

  • Met. acidosis:ΔPaCO2 = 1.2 * ΔHCO3
  • Met. alkalosis:ΔPaCO2 = 0.7 * ΔHCO3
  • Acute resp. acidosis:ΔHCO3 = 0.1 * ΔPaCO2
  • Chronic resp. acidosis:ΔHCO3 = 0.35 * ΔPaCO2
  • Acute resp. alkalosis:ΔHCO3 = 0.2 * ΔPaCO2
  • Chronic resp. alkalosis:ΔHCO3 = 0.4 * ΔPaCO2

如果ABG的數據與計算出正常的代償有差異,那就要考慮病人可能有mixed disorders。這部分也很好理解,跟判讀primary disorders的概念一樣:

  • HCO3比預期低:合併met. acidosis
  • HCO3比預期高:合併met. alkalosis
  • PaCO2比預期高:合併resp. acidosis
  • PaCO2比預期低:合併resp. alkalosis

最後,上一節提到過,pH正常不代表沒有acid-base disorders。pH值正常的話,要考慮以下的狀況:

  • pH正常、HCO3下降、PaCO2下降:met. acidosis合併resp. alkalosis
  • pH正常、HCO3上升、PaCO2上升:met. alkalosis合併resp. acidosis
  • pH正常、HCO3正常、PaCO2正常、AG上升:high AG met acidosis + met. alkalosis
  • pH正常、HCO3正常、PaCO2正常、AG正常:normal AG met. acidosis + met. alkalosis 或真的沒問題

Venous Blood Gas (VBG)

VBG也可以用來判斷病人的酸鹼值狀況。方法是以VBG的數據,根據取得的位置(central/peripheral),來回推估計動脈中的pH和PaCO2,再依照ABG判讀方法去判讀:

  • Central:pH應加上0.03至0.05;PvCO2應減去4至5 mmHg
  • Peripheral:pH應加上0.02至0.04;PvCO2應減去3至8 mmHg

要注意的是,上述方法的原理是依照經驗,來回推病人ABG的值,再進行判讀,因此準確度會比直接抽ABG來得差。另一個缺點是,VBG的PvO2是沒有意義的,無法回推病人ABG的PaO2

Metabolic acidosis 個論

Met. acidosis是四種基本的acid-base disorders中最複雜的一種,因此我也介紹一下met. acidosis的鑑別診斷的工具,包括anion gap、delta-delta、osmolality gap、urine anion gap等等。

Anion gap (AG)

確認是met. acidosis後,第一步就是計算AG,把 met. acidosis 區分為 high AG與normal AG。現在來介紹AG的概念。請看下圖:

abg_001

我們先了解兩件事:

  1. 血液中陽離子總量等於陰離子總量
  2. 我們只測量血中一部分的陽離子和陰離子

接著是AG的定義:

\text{AG} = \text{Na}^+ - (\text{Cl}^- + \text{HCO}_3^-)

= 有測量的陽離子 – 有測量的陰離子

= 未測量的陰離子 – 未測量的陽離子

因此AG上升代表未測量的陰離子(酸性)上升。正常情況下AG = [albumin] (g/dL) × 2.5,而一般人的albumin大約是4 g/dL,所以AG正常值可以估計為10。但是如果想要很精確的結果,或者認為病人albumin可能過低,建議要加抽albumin來計算。

確認為high AG met. acidosis後,應該要考慮三個較常見的可能:ketoacidosis、lactic acidosis、CKD。因此要驗ketones、lactate、腎功能。三種都排除的話,則要考慮是吃進一些物質造成的。例如acetaminophen、salicylates、醇類(因為醇會被代謝成酸)。進一步區分就要計算osmolality gap。

Delta-delta

\text{delta-delta} = \frac{\Delta \text{AG}}{\Delta \text{HCO}_3^-}

這裡的delta(Δ)是指變化的絕對值(跟正常值比)。Delta-delta的意義是:在我們發現有high AG met. acidosis後,去判斷病人是否同時伴隨normal AG met. acidosis或者met. alkalosis。

接下來解釋delta-delta的原理。首先我們先想像,假設血液中的酸全部都是在血液中以bicarbonate buffer system去緩衝,那單純的high AG  met. acidosis,delta-delta應該要等於1(注意,這只是為了說明而做出的假設,等一下會推翻)。

這是為甚麼呢? 我們先來回顧一下AG的公式

\text{AG} = \text{Na}^+ - (\text{Cl}^- + \text{HCO}_3^-)

從公式我們可以發現HCO3 每上升1,AG 就會下降1。反之亦然。因此delta-delta,也就是ΔAG/ΔHCO3會等於1。

但實際上,酸(HA)在血中解離後,通常A會留在血液中,而H+大約一半會進入細胞內,由細胞內的其他buffer system緩衝。可以想像成,血液中每多兩分子HA,解離後就會有兩分子A在血液中,而血液中只會增加一個H+,並消耗一分子的HCO3,另一個H+則進入細胞裡。所以血液中兩分子A會讓AG上升兩個單位,而HCO3只下降一的單位,delta-delta為2。

H+進入細胞的比例也會受身體狀況影響。因此delta-delta介於1至2都可視為只有單純的high AG met. acidosis。

如果有個病人delta-delta不介於1至2,那我們就要想是不是有其他metabolic的原因導致病人HCO3變化的量跟AG不一樣。

如果delta-delta大於2,代表AG上升;但HCO3下降得不夠。這暗示身體裡有其他原因在產生HCO3,才導致下降不夠,也就是有合併met. alkalosis。

相反地,如果delta-delta小於1,也就是說AG上升;HCO3卻下降得比預期的還多。這代表身體裡還有其他原因在消耗HCO3。這就是合併另外一個normal AG met. acidosis。

Osmolality gap (OG)

確認病人有high AG met. acidosis後,下一步可以計算OG。OG的定義如下:

\text{OG} = \text{measured osmolality} - \text{calculated osmolality}\\\\ \text{Calculated osmolality} = \text{Na}^+ \times 2 + \frac{\text{BUN}}{2.8} + \frac{\text{glucose}}{18}

一般狀況下,Na+、BUN、glucose貢獻了血液中絕大部分的osmolality。如果OG上升,代表血液中除了Na+、BUN、glucose以外,還有其他物質在造成osmolality上升。

OG以10為界線。High AG met. acidosis的病人如果OG > 10,就要考慮可能是醇類造成的,因為醇類會貢獻osmolality;如果OG < 10,那就要考慮其他比較不會貢獻滲透壓的酸性物質,例如acetaminophen、salicylates。

Urine anion gap (UAG)

UAG是用在normal AG met. acidosis的鑑別診斷上。先了解UAG的定義:

\text{UAG} = \text{Na}^+ + \text{K}^+ - \text{Cl}^-

UAG的意義類似AG,請看下圖的解釋:

abg_002

這裡有三個概念要先知道:

  1. UAG主要的未測量的陽離子是NH4+
  2. NH4+會跟Cl一起排泄
  3. 一般情況下,acidosis時,身體會想要把H+排出,因此腎臟會希望可以增加NH4+的排泄量(因為NH4+ ⇄ NH3 + H+)

所以,如果腎臟NH4+排泄量上升,Cl也會一起上升,UAG就會下降。也就是說,UAG可以用來估計腎臟NH4+的排泄量(負相關):UAG越高,腎臟NH4+排泄量越低。請參考下圖:

abg_003

在人體正常情況(沒有acidosis及alkalosis)下,UAG應該要是≥ 0。而當人體出現acidosis時,如果腎臟沒問題,就會增加NH4+的排泄量來把酸排掉,使UAG < 0;但如果acidosis時腎臟又有問題,沒辦法增加NH4+的排泄量,那UAG就還是≥ 0。

因此,在出現normal AG met. acidosis時,UAG ≥ 0,就要懷疑是腎臟的問題(例如:early renal failure、renal tubular acidosis等等);如果UAG < 0,就要想腎臟以外的問題 (例如GI loss)。最後再記得一個例外:type II renal tubular acidosis 是UAG < 0。至於原理,有機會再跟大家分享吧!

參考資料

  1. Harrison’s Principles of Internal Medicine, 18th edition
  2. Pocket Medicine: The Massachusetts General Hospital Handbook of Internal Medicine, 5th edition
  3. UpToDate
  4. First Choice醫學(三)第3冊, 2016

6 thoughts on “動脈血氣體分析(Arterial blood gas test)的原理與判讀

  1. 謝謝學長分享!
    發現一個小小的筆誤~

    “判讀代償(compensation)與mixed disorders" 的章節最後面一句

    “pH正常、HCO3–正常、PaCO2正常、AG上升:normal AG met. acidosis + met. alkalosis 或真的沒問題"

    這邊應該是要寫 AG 正常?

    按讚數

  2. Darrel 說道:

    整理這個應該超花時間 托你的福 我有更進一步的認識
    之前有碰到一個Case 他的PH是7.34 算偏酸一點
    PCO2 45mmHg, HCO3- 22.1 mmol/L
    這樣一個反方向發展 不知道你有沒有什麼想法
    是mix嗎

    按讚數

    • 嗨你好,謝謝你的回應!
      我覺得這個ABG還蠻borderline的,像你說的只偏酸一點點。
      我來判讀的話:
      1. 首先他pH偏酸。
      2. HCO3偏低,所以有met. acidosis。
      3. 但是,met. acidosis的代償應該會讓PCO2下降;而這個病人的PCO2卻是上升的,所以應該還有一個resp. acidosis。

      所以我的判讀是met. acidosis + resp. acidosis。

      有其他想法歡迎繼續討論喔!

      P.S.:2017/03/31修改過(發現本來的回答有錯)

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  3. cdc6063 說道:

    感謝版主分享ABG原理與判讀
    雖然我是門外漢 但讓我深深感受到一位醫師之養成工程實在浩大
    要整理出一篇報告是多麼不容易
    在此告知我發現之小小筆誤 藉以表達我內心之敬意~算是"代償作用"嗎?

    判讀代償(compensation)與mixed disorders

    人體是有代償功能的,一個系統出問題,另一個系統會來幫忙調控。如果是代謝性的問題,肺臟會藉由藉由調控CO2的排泄來進行代償**************其中"藉由"重複了~料是筆誤?

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