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：

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

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

接著代入體溫下H₂CO₃的pK_a(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：

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：

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：

= 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

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

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：

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：

UAG的意義類似AG，請看下圖的解釋：

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：

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