ARDS机械通气深度剖析
继续关注氧疗
本文由浙医二院急诊医学科 张斌 整理；火凤凰翻译组出品；
来源：Critical Care
作者：Gattinoni等
摘要
机械通气对急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的不良影响主要来自两种原因：跨肺压的非生理性升高；正压或负压通气时胸腔压力非生理性上升/下降。跨肺压相关的副作用主要是呼吸机诱导肺损伤（VILI），而胸腔压力相关的副作用主要表现为血流动力学的改变。施加的驱动压力给定的肺动脉压和胸膜压的变化取决于肺和胸壁的相对弹性。术语“容积伤”指的是过度的应变，而“气压伤”应该指的是过度的应力。在动物实验中，劳损超过1.5，对应于人体应力超过～20cmH2O，会产生严重的损伤。除了高潮气量和高跨肺压，呼吸频率和吸气流量也可能在VILI的产生中发挥作用。在近期的机械通气临床实践调查报告中（潮气量〜7.5 ml / kg，呼气末正（PEEP）〜8cmH2O，呼吸频率〜20 bpm，相关死亡率约35％），我们不知道哪一部分的死亡率归因于VILI。因此，需要更完整和个性化地了解ARDS的肺力学及其与呼吸机的相互作用，以改善未来的治疗。功能肺大小的知识将允许定量估计应变。肺不均匀性/应力的测定将有助于评估局部的压力; 肺可复张性的测量将会引导PEEP的选择以优化肺大小和均匀性。寻找机械动力的安全阈值，正常化功能性肺容积和组织异质性，可能有助于精确定义个体化通气的安全限度。当无法避免机械通气引起VILI的过度风险时，应考虑替代方法（如人工肺）。
背景
在可以预见的未来数年里，可能仍然需要机械通气。我们认识到稳定血液动力学、实现同步、保持呼吸肌力量、避免插管的后果、最小化动态恶性通气过度，并监测生物反应– 机械通气的所有重要目标的重要性。不过，在这个简短的回顾中，我们主要集中在限制组织损伤，从而提高人工通气的安全性。我们进一步将把我们的分析限制在ARDS患者身上，其为最有问题的机械通气患者。然而，安全治疗的原则同样适用于所有机械通气患者。人为的肺充气（即增加跨肺压（PL），气道压-胸膜压（Paw – Ppl）），可以采用两种截然相反的方法：要么完全正压通气增加胸腔压力；要么完全负压通气，其中胸腔由外部负压扩张。也可能会应用这两种极端之间的混合形式的通气，主要是通过提供气道正压同时允许呼吸肌自发收缩，其在吸气期间降低胸膜压（表1）。要讨论未来，我们必须首先了解与机械通气有关的当前问题。
表1 正压和负压通气期间肺和胸壁的“动力”
正压通气 | 负压通气 | ||
自发的 | 人工的 | ||
呼吸系统驱动力 | 能量来自于呼吸机产生的气道压（Paw） | 能量来自于呼吸肌收缩产生的肌肉压力（Pmusc） | 呼吸机负压（Peng）产生的能量 |
肺产生的动力 | 由Paw正性增加和胸腔压力（Ppl）产生的跨肺压（PL） | 胸腔压（Ppl）增加产生的跨肺压（PL） | 胸腔压（Ppl）增加产生的跨肺压（PL） |
胸壁产生的动力 | 胸腔压力(Ppl = Paw – PL) | 胸壁压力a (PW = Pmusc – Ppl) | 胸壁压力a (PW = Pmusc – Ppl) |
a胸壁压力是扩大胸壁本身所需的总肌肉（或外部施加的负压）的组成部分
机械通气的不良影响
机械通气的不良影响可以分为两大类。一类涉及过度/非生理性跨肺压（总是正性），另一类与胸膜压力的过度/非生理变化有关（正性或负性）（图1）。
图1.正压或负压通气时跨肺压的变化(ΔPL)和胸腔压力的变化(ΔPpl)。左：可能由于胸腔压力逐渐降低或逐渐增加（ΔPpl）引起的不良后果。关键变化是静脉回流增加或减少。右：逐渐增加的跨肺压（ΔPL）时可能的损伤顺序。无论在负压通气（这里在基线大气压，即0cmH2O下进行）或在正压通气下，ΔPL始终为正。细节见正文。ΔPaw气道压力变化。
胸腔压力相关的不利影响
胸腔压力变化的大小和方向，负或正，取决于胸壁回弹率（EW）相对于呼吸系统顺应性（Etot）的比例。后者等于胸壁顺应性和肺顺应性（EL）。因此，在正压通气期间，以下关系在静态条件下适用：
然而，在负压通气时，在呼吸系统周围的压力下（ΔPneg），压力下充气产生的变化是减少的，适用以下：
注意，急性呼吸窘迫综合征EW / Etot率平均为0.7，但范围从0.2到0.8。
显然，在人工通气模式下，正压和呼吸肌的努力（ΔPmusc）同时工作，实际胸腔压力的变化是由这两股力量“推拉”引起（表1）。因此：
正的胸腔压力
对于给定气道压力的被动通气，在存在胸壁回弹率升高的情况下，胸腔压力会增加得更多（即升高的EW / Etot），如同一些极度肥胖的病例，而在肺回弹率升高的情况下，其增加更少（即低EW / Etot;参见式（1））。我们所有的方程只近似于胸腔空间的实际情况，因为在现实中胸腔的压力是沿胸廓不均匀的，而是依赖于几个因素，如引力梯度和由肺及其胸壁外壳形状的解剖学差异引起的局部压力扭曲。尽管胸腔压力的准确性有限，其变化的价值影响中央血管压力和静脉回流。一个大型的实验和临床文献描述了所有与通气有关的可能导致有效循环容量减少的并发症。当整个呼吸周期的胸腔压力保持正值时，特别在呼气末正压通气（PEEP）时，最有可能发生。肾、肝、肠道都可能受到静脉充血和灌注减少的损害或损坏。
负的胸腔压力
自主呼吸时可能会引起胸腔压力过度增大，特别是当对“僵硬肺”施加有力的呼吸努力时（参见式（3））。例如在ARDS，由于极度失调的呼吸驱动，食道压力负面波动可能超过20–25 cmH2O。除了增加呼吸功和氧耗，过度的负性胸腔和间质压力促进静脉回流并增加水肿形成。这样的现象，由Barach等人 在1938年得到很好的描述，并在当前正压通气时代理所当然被强调。最近的研究表明，在用力呼吸时发生这个现象有可能放大局部肺损伤，并可能会导致组织损伤。在概念上，患者和呼吸机之间确定的不同步（例如双重触发和呼吸堆叠），当它们经常和/或同时发生时也可能是有害的。
跨肺压相关的不利影响
机械通气首先应用于ARDS患者后不久，过度的跨肺压的不利影响就被确认。在早些年最初的治疗目标是维持正常的血气和避免不同步而限制使用肌松剂，在那个时代不使用呼吸机报警被认为是危险的。因此，潮气量和呼吸频率通常分别为15ml / kg和15-20 bpm。 使用这种方法，很少出现人机对抗，但气压伤（主要是气胸）发生迅速和普遍。此事件如此频繁，以至于建议在ARDS患者开始机械通气时双侧放置胸管。“气压伤”被用于共同识别临床上可识别的气体逃逸问题：气胸，纵膈气肿，间质性肺气肿，空气栓塞等。在更广泛的意义上，气压伤也包括VILI。
Dreyfuss等人阐述了一个不同的观点，即强调肺扩张（应变）而不是气道压力的作用。 高气道压适用于没有过度的肺部应变或限制胸壁运动引起的损伤。相反，容积伤是在没有胸壁受限的情况下受类似于气道压力的损伤。然而，如果我们认为引起肺扩张的力量不是气道压而是跨肺压（即，Paw–Ppl），气压伤和容积伤就是一枚硬币的两面。这个变量更准确地反映了应力在肺结构中的应用。事实上，以下关系保持：
在这里，ΔV是指肺容积的变化，表示静息（无应力）容量、功能残气量（FRC），Elspec是肺组织弹性，回弹率指肺的绝对充气能力。换句话说，方程（4）可以表示为：
应力=Elspec*应变（5）
意指：
气压伤=K*容积伤
因此，应力和应变通过比例常数相关，相当于特定回弹率ELspec。这个值在正常人和急性肺损伤患者中，平均约12 cmH2O。换句话说，当静息容积（FRC）加倍时，发生在肺结构上的应力为12 cmH2O。事实上，在总吸气能力压力将是〜24cmH2O，因为ΔV/FRC比为〜2。实验研究表明，气压/容积伤需要肺的一些区域到达“他们自身”的肺容量。在这个水平，胶原蛋白结构充分扩张，作为“停止长度”来限制。 这些概念总结在图2和图2中，形成了理解气压伤和容积伤的基础。
图2，肺应变（潮气量/ FRC）作为肺应力的函数（跨肺压）。如图所示，FRC的倍增发生在跨肺压为12 cmH2O（特殊回弹率）。我们任意指出PL “风险”区对应于肺应变超过1.5（基于实验数据）。PL跨肺压。
容积伤
在对照研究中调查容积伤对结局的影响，潮气量通常是以每公斤理想体重（预测）体重（PBW）来表达以试图使潮气量和预期的肺大小相联系。不幸的是，由于ARDS中的可充气肺大小的可变性（“婴儿肺”的概念），这种潮气量作为肺应变的替代变得不可行。尽管有这些限制，ARDS网络在未选择中的ARDS患者中发现在使用6ml / kg PBW潮气量而不是12ml / kg PBW时，有9％的生存获益。值得注意的是，这个优势也在四分之一不太严重的ARDS的患者中发现，这些患者“婴儿肺”的大小可能更大。看来，生存率和肺死腔之间的负相关关系是可信的，如高碳酸血症所反映的，可能与有效婴儿肺的相对大小及受“肺保护”机械通气的应变有关。动物实验中每公斤超过20–30 ml/kg潮气量损伤健康肺。虽然直接比较健康肺和ARDS肺是非常不可靠的，但“婴儿肺”的机械特性（即其具体顺应性）与正常人相似。ARDS网络要求避免高潮气量深度地并适当地影响了临床实践。然而容积伤最好避免单纯考虑潮气量而不考虑肺应变（即潮气量和静止肺容量的比例）。在这种情况下，最近将焦点重新转向驱动压（其相当于潮气量与顺应性的比例），而不是单独的把平台压作为粗略的类似的警告。我们也必须提醒自己在以前的随机对照试验中，暴露于〜10ml / kg潮气量的ARDS患者与暴露于〜7ml / kg的患者相比经历更好的存活。因此，潮气量减少低于6 ml /kg，如“超保护性通气”（与体外CO2去除有关）不一定是有益的，因为严重通气不足和重吸收肺不张可能抵消假定的获益，除了采取其他预防或补偿措施以提高平均气道压力，随之而来整个肺部的应力增加。应注意不仅要避免过高的应变，还要避免生理上的低应变。
气压伤
在ARMA实验的述评中，32 cmH2O的平台压被建议作为（正压）机械通气的安全上限。此后，临床实践和临床试验变得很少挑战30 cmH2O的限制的教条。其实，在正常的70公斤成人（FRC〜2000ml和顺应性〜80 ml/cmH2O），30cmH2O平台压对应于潮气量〜2400ml（应变= 1.2）。在正常动物中，这种应变如果以15 bpm的呼吸频率使用持续54小时，几乎是无害的。在这种情况下，假定肺和胸壁的回弹率相似，跨肺压约为15 cmH2O（见图2）。然而，如上所述，在ARDS中，肺与总呼吸系统回弹率之间的比例可能从0.2到0.8变化。因为跨肺压等于给予的气道压乘以EL / Etot比例，“安全”的30 cmH2O可能导致跨肺压低至6cmH2O或高达24cmH2O，容量接近需要达到总肺容量（图2），可能对动物是致命的。因此，在特定亚组患者中使用30 cmH2O可能导致过度应变或通气不足和低氧血症。在澳大利亚和新西兰H1N1流行期间，许多低EL/Etot比例的患者（即怀孕妇女或肥胖患者）可能会如此。正如我们发现的H1N1患者（ECMO候选人）亚组中有低EL/Etot记录那样，这些患者通过安全地增加平台压，ECMO也许本来可以避免。正如容积伤考虑应变而不是潮气量，气压伤考虑跨肺压代替气道平台压也是明智的（见公式（6））。
与其他变量相关的不利影响
尽管VILI的大多数研究集中在呼吸的静态成分（潮气量，平台压力和PEEP）上，但其他重要的因素不应忽视。在我们看来，最相关的是呼吸频率（即每分钟给予多少次潜在的容积伤或气压伤）和吸气流速（即多快地给予潜在的容积伤或气压伤）。
呼吸频率
呼吸频率被认为是相对无关紧要的，因为它通常设置为维持PaCO2在可接受范围内。因此，在里程碑的ARDS网络试验中，低潮气量组相关呼吸频率为29 bpm对比潮气量较大的组中为呼吸频率16 bpm。尽管如此，在某些条件下，呼吸频率在VILI的发生不太可能不起作用。呼吸频率升高的危害几乎可以肯定受个体潮式周期的动态应力限制。类似于金属疲劳，这是高应力循环次数的函数，可能有助于将呼吸频率的作用定义为VILI的共同决定因素。在孤立的肺和大型动物中，降低呼吸频率有明确的降低VILI的益处。相反，当在升高的压力范围内操作，也许高频通气小潮气量可能会造成伤害。
吸气流速
高吸气流速潜在的引起VILI可能与应力局部强化的集中度有关，受粘弹性组织性质的影响。实验文献一致表明，对于给定的平台压力或给定的应变，给予容量的速度（即吸气流速）对VILI的产生起着确定的作用。虽然有人会理所当然地认为高吸气流速造成的损伤都应主要集中在气道，高吸气流速加重肺实质损伤，可能是由于当肺快速充气时，粘弹性调节时间不足以消散破坏力。流速在机械性非均匀肺（例如ARDS）中比在均匀的肺中具有更大的作用。此外，压力控制的潮气量输送比流量恒定的流量控制、容量周期性的通气更危险，因为前者吸气峰流速会达到更高的值。最后，虽然研究很少，控制吸气流速可能潜在的减少微小肺不张和影响在呼气时组织再分布产生的应力。
当今机械通气
表2列出了多年来针对ARDS治疗的不同人群的通气数据和结果。提供的观察性研究是2002年Esteban等的研究 ，Villar等人2011年的研究，和Bellani等人的2016年研究。这三个研究包括未选择的ARDS患者，应反映日常实践。为了进行比较，我们在随机试验中增加了患者的通气治疗和结局，从更广泛的ARDS人群中通过排除标准筛选。在ARDS网络ARMA试验后，与潮气量相比，更多的关注于平台压保持低于30 cmH2O。因呼吸频率没有明显变化，似乎是由保持PaCO2在35-45 mmHg的正常范围内的目标所决定的。PEEP值始终平均为7-8 cmH2O，高达15cmH2O水平仅系统地应用于临床试验。考虑到Bellani等人做的最近最大的机械通气的调查报告，我们想知道潮气量为7.6 ml / kg PBW、呼吸频率为18.6 bpm、PEEP为8.4 cmH2O的机械通气患者哪些死亡率分数归因于VILI。到目前为止，我们认为不可能回答这个问题，但这个问题对于改善未来的机械通气至关重要。的确，如果归因于VILI的死亡率现在已经非常低了，我们不能期望修改我们目前的通气习惯对死亡率有什么大的改善。我们必须更好的了解呼吸机的设置，潜在肺部的病理生理学作用，及它们的相互作用。
机械通气的未来
理想情况下，使用机械通气应避免所有不良副作用，包括VILI。 要理性地处理这个任务，我们认为有必要比我们现在更好地了解使用机械通气时肺实质的病理生理学，并充分了解呼吸机各部件的潜在危害。
VILI的肺相关原因
影响VILI发生的主要条件是婴儿肺大小、肺实质可复张性和肺不均匀程度。常规测量肺大小将允许评估平均的肺应变。对肺复张能力的精确评估，其目前需要成像技术，将有助于增加功能性肺大小和通过选择“足够的”PEEP预防/限制不张伤。肺不均匀性可能促进VILI。在健康的动物中，VILI需要高达30-40 ml / kg的潮气量。相比之下，ARDS患者中，即使在肺顺应性更好的患者（即，肺大小可能更大），12 ml / kg似乎足够引起VILI。因为婴儿肺内可能发生的改变（即表面活性剂的缺乏，一些水肿的存在和细胞外基质纤维化）本身可以防止过度的应变，似乎需要考虑另外的因素引起损害。这些原因可能是肺实质不均匀性使应力和应变（应力提高者）局部增加。在Mead等人的经典理论模型中，在完全打开的单位（容量= 10）和完全闭合的单位（容量= 1）界面发生不均匀性将导致压力成比例的上升至其比值的2/3（即，（10/1）2/3）。这里提出的2/3的指数是将体积（cm 3）转换为表面积（cm2）的近似值，因为应力涉及表面积（力除以表面积）。因为102/3= 4.64，根据Mead等人的模型，在气道施加30cmH2O的压力，将会导致施加到完全均匀和开放肺局部张力接近〜140cmH2O的压力。当我们用CT扫描评估肺的不均匀性时，我们发现不同单位体积之间的乘法因子是2，但已多到足以将某些单位局部扩展到自己的TLC中。重度ARDS肺容量的40％以上可能会受到这种应力增高的影响，这强调了有计划地努力减少肺不均匀性的重要性。
VILI的呼吸机相关原因：机械力
所有这些单独讨论的机械因素（容量、压力、频率和流量）都可以被认为是单一的物理实体：机械力。通过将经典的运动方程乘以潮气量和呼吸频率可以很容易得出描述功率的方程（图3）。确实，每个周期的能量可以通过压力和容量变化的乘积计算，当乘以呼吸频率，给出功率值（能量/单位时间）。总压力是用来完成弹性做功（弹性时间的潮气量），输送气体（流量时间阻力），并维持呼气末肺容积（PEEP）。如果这些元素都乘以潮气量，将获得每次呼吸的能量，并将其乘以呼吸频率我们就获得机械力。该方程式以这种扩展形式呈现，而不是其他可能的简化版本，逐项说明力的决定因素。指数的比较表明潮气量（及其相关的驱动压）和吸气流量在定量上是有效决定因素（Powerrs = k*ΔV2，Powerrs= k*flow2），其次是呼吸频率（Powerrs=k*RR1.4），然后通过PEEP，回弹率和阻力（全部三个与机械力线性相关）。显然，如果要避免使用破坏力，减少通气需要依次减少潮气量、流量和/或呼吸频率。
图3上框：简化运动方程，显示在任何给定的时刻，呼吸系统（P）中的压力高于舒张容量等于弹性压力（呼吸系统的回弹率Ers乘以肺容量的变化量），加上输送气体所需的压力（流量F乘以气道阻力），加上使肺压力保持在呼气末压（PEEP）以上的压力（如果有的话）。如果这三个成分中的每一个乘以肺体积ΔV的潮汐变化，则获得每次呼吸的能量。如果乘以呼吸频率，获得相应的力方程。0.098是从升/ cmH2O到焦耳（J）的转换系数。I：E –吸呼比、PEEP呼气末正压，Powerrs呼吸系统的机械力，RR呼吸频率，ΔV 容量变化，Raw气道阻力。
虽然机械力的概念可作为跟踪VILI风险的统一变量（在控制和自主辅助呼吸时），必须满足几个挑战才能在实践中实施：第一，力必须标准化为标准肺容积或为充气肺组织量; 其次，力输送给整个呼吸系统和实际输送到肺部（使用跨肺压）的关系必须进行区分。特别是应该更好地界定吸气流量和组织阻力的影响。从实际的看，即使适当调整阻力、流量和胸壁弹性，任何自发努力时单独使用气道压力产生肺输送力的估算将只反映充气时呼吸机对总能量传递的贡献。此外，必须确定机械力对整个肺实质的能量分布。我们不知道应力和应变的分布不均是否和肺的不均一性保持一致。最后，这里机械力被定义为与吸气相有关; 但呼气相也非常有可能发挥作用。确实，呼气完成后吸气末所有积累的能量必须已经消散到肺结构和大气中。有趣并且可能重要的是知道是否控制呼气流量（减少一部分能量消耗在肺部），从而有助于减少VILI。实际上，虽然VILI的文献不常规考虑，在两项研究中报告了这个现象。图4总结了这些所有的概念，且提到的命名和通常有轻微的不同，我们相信这样做可以比当前的命名减少混淆。
图4，左：添加与潮气量（区域BCDE）相关的吸气能量的基线能量（红色阴影三角形ABE）。线BC右侧的黄色阴影区域表示输送气体所需的吸气耗散能量，以克服表面张力，使细胞外膜彼此滑动（组织阻力），并且可能重新复张塌陷的肺部单位。BC左侧的绿色阴影区域界定了在吸气期间循环添加到呼吸系统中的弹性能量（梯形EBCD）。三角形ACD中包括的总面积是呼吸系统吸气末时的总能量水平。右：呼气时的能量变化。在吸气末（三角形ACD）累积的总能量中，梯形EBCD的面积是呼气时释放的能量。滞后区域（浅蓝色阴影区域）所包含的部分能量消散到呼吸系统中，剩余面积（深蓝色阴影区域）是通过连接电路耗散到大气中的能量。请注意，无论什么动作（当控制呼气）减少滞后面积会降低呼吸系统的能量消耗（潜在危险？）。
结论
为尽量减少肺部病理学和通气设置之间的不利相互作用促进VILI需要两个不同的策略：一方面是降低吸气（和可能的呼气）机械力和损伤应变可能降低VILI; 另一方面，增加肺均匀性的步骤可减少受伤的可能性。能最好的促进机械均匀性，并被固体病理生理背景支持和临床结果证明的措施，是对普遍存在不均匀性的患者（中等严重和严重ARDS）施行俯卧位通气。
总之，我们认为未来患者“改善”机械通气的可能途径包括以下步骤：
定义过大的应变和机械力，对肺容量进行标准化。
测量/估计肺的不均匀性评价应力升高的发生率和机械力/压力–应变的分布。
确定设定的通气设置对已知机械特征的肺实质是否有VILI风险且风险有多大。
如果机械通气无论如何设置都不能避免VILI的过度风险，应考虑替代方法（如人工肺）（完）。
机械通气相关阅读（点击蓝字查看）：ICU肥胖患者的机械通气：从插管到拔管；急诊科机械通气患者的处理；成人ARDS患者机械通气指南；临床突破：机械通气患者早期康复及强化胸部物理治疗的实施；脓毒症中的机械通气；成年危重症患者机械通气的撤机建议；【一图搞定】超声评估在机械通气撤机中的应用；[MV Update]从大型研究看心脏骤停机械通气治疗参数的演变历程。