胸腔积液及其引流引发的病理生理学效应
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胸腔积液及其引流引发的病理生理学效应
作者：张晓宏,任寿安
来源：国际呼吸杂志,2021,41(12):956-960.
摘要
胸腔积液是呼吸内科常见的胸膜疾病之一。胸腔积液的产生可对氧合、肺容量、呼吸力学、胸膜腔压力等生理参数产生重大影响；但胸腔积液的引流对患者气血交换及其他生理参数的临床效益存在争议。本文旨在综述胸腔积液及其引流引发的病理生理学效应。
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1.1 胸腔积液对气血交换的影响
胸腔积液常常会引起患者呼吸困难和低氧血症。研究已表明肺内分流、通气/灌注不匹配是胸腔积液患者患低氧血症的主要机制，且随着积液的增多而恶化。Nishida等[5]向机械通气猪的双侧胸膜腔内分级递增注入生理盐水，发现PaO2随着胸腔积液的增加而降低；肺内分流随着胸腔积液的增加而增加。Agustí等对9例2周内产生胸腔积液的患者使用多重惰性气体消除技术亦证明了肺内分流是胸腔积液引起低氧血症的基础。Michaelides等依据胸腔积液的量对无实质性肺疾病、自主呼吸的患者进行分组，并测量不同体位下的动脉血气。研究发现大量胸腔积液患者在健侧卧位时氧合最差，而少量胸腔积液患者在患侧卧位时氧合最差。结果证实积液的量和患者体位都可通过改变通气/血流比率进而影响低氧血症的程度。
1.2 胸腔积液引流对气血交换的影响
胸腔积液引流可通过使塌陷的肺实质重新扩张来提高通气/血流比率，从而有益于氧合的改善。然而胸腔积液的引流对患者气血交换的效应尚未达成共识，临床效益存在矛盾与争议。对31项研究(2 265例患者)进行荟萃分析显示危重患者胸腔积液引流后氧合得到改善。相反，Kwok等报道了3例恶性胸腔积液患者引流后出现呼吸障碍及低氧血症，并最终确诊为肺栓塞，他们认为这与胸腔积液引流引起胸腔内压力变化有关；另一项研究结果显示在机械通气的患者中胸腔积液引流后氧合指标仅在急性呼吸窘迫综合征和急性肺损伤患者中得到显著改善；Doelken等指出，在机械通气患者中，胸腔积液引流后PaO2或P(A-a)O2[分别为96～102 mmHg和226～217 mmHg]亦没有立即改善。
这些研究结果存在矛盾的主要原因可能是研究的病例中存在显著的肺部病变差异(即感染、阻塞性肺疾病、显著的占位病变等)。为了最大限度地减少肺部病变因素的干扰，Michaelides等排除了最大直径>1.5 cm的肺实质性病变患者，将122例患者分为中小量胸腔积液组和大量胸腔积液组，并分析引流前后氧合指标变化。结果显示：在中小量胸腔积液组中引流后PaO2显著增加，而在大量胸腔积液组中术后PaO2立即出现显著下降。该项研究证明了胸腔穿刺术后部分患者出现暂时性低氧血症的合理性，这可能与液体静水压力和低氧诱导因子的作用有关。大量胸腔积液所产生的高静水压力(液体垂直高度决定)，通过胸腔穿刺术解除后，虽然压缩的血管得以恢复灌注，但由于低氧诱导因子可导致肺泡Ⅱ型细胞表面活性蛋白表达减少，表面活性物质的功能尚未得以改善，肺泡依然存在弹性阻力，故肺泡通气减少，通气/灌注失衡，造成低氧血症。该研究提示大量胸腔积液引流时可能需要在术中、术后立即给氧。
胸腔穿刺术后氧合的改善亦与术后缺氧血管收缩的效率和肺不张复张的速率有关。Stecka等跟踪观测虚拟患者的胸腔穿刺术相关的动脉血气变化，在胸腔穿刺术中测量经皮氧分压和二氧化碳分压(PtcO2和PtcCO2)。数据显示胸腔穿刺术会引起PtcO2的升高和降低；缺氧血管收缩的效率越好，则PtcO2下降幅度越小；肺不张复张的速率越快，则PtcO2正常化越快。胸腔积液引流使PPL降低，导致右下肺静脉跨壁压力升高，从而克服缺氧血管收缩，因此出现了肺分流，如果肺不张复张的速率较慢，分流持续存在；相反，如果肺不张复张的速率较快，则PtcO2可恢复到正常值。
1.3 气血交换可预测引流效果
胸腔积液引流可以影响患者气血交换；反之，可以通过气血交换指标预测胸腔穿刺引流效果。一项回顾性研究分析了胸腔积液患者的临床资料，根据引流1周后PaO2/吸入氧浓度比值(P/F)较引流前增加110%，将患者分为有效组和无效组。研究发现术前P/F比值较低的患者，胸腔积液引流是有效的。严重呼吸衰竭患者的肺顺应性往往较低，肺泡比健康肺更容易塌陷，低P/F比值组更有可能通过胸腔积液引流使肺泡再次充盈，分流率降低，从而获得更好的氧合。因此P/F比值可作为临床医师判断胸腔积液引流指征和时机的预测指标。
2.1 胸腔积液引流对呼吸力学指标的影响
胸腔积液的存在改变了呼吸系统的机械特性，降低了跨肺压；胸腔积液引流可改善患者呼吸力学指标，包括呼气末跨肺压、呼吸系统顺应性、呼吸系统阻力和呼气末肺容积。国外一项研究在消除了一些可能影响测量评估结果的混杂因素之后，患者满足了严格的同质性标准，并根据胸腔穿刺术前积液的多少将患者分组，结果显示胸腔穿刺术后最大吸气压和最大呼气压都显著增加。Umbrello等研究胸腔积液引流对机械通气患者呼吸力学的影响，亦发现胸腔积液引流后口腔闭合压和Pmusc指数(即吸气末闭塞的平台压与呼气末正压和压力支持之和之间的差)显著降低、呼吸系统顺应性增加，且最大吸气压有所改善。故胸腔积液引流可明显改善患者呼吸力学指标。
2.2 胸腔积液及其引流对肺功能的影响
胸腔积液对肺功能的影响已经在各种实验中得到了广泛的研究。动物实验研究表明，胸腔扩张是产生额外容量以容纳积液的主要机制，并有助于保持肺容量。在麻醉犬中，胸腔内注入生理盐水可使胸腔容积增加2/3，但仅使功能残气量减少1/3，并得出结论胸腔积液主要引起胸腔容积的扩张，而胸腔容积的增加主要是通过膈肌向下移位实现的。在大鼠中，双侧胸腔积液也增加了肋骨前后和侧方的直径。同样，在临床试验中，胸腔积液引流后，潮气量增加，但呼吸频率下降、分钟通气量不变，肺活量无明显增加，且肺活量的改善与引流量只有微弱的相关性。
2.3 胸腔积液及其引流对膈肌功能的影响
2.3.1 胸腔积液对膈肌功能的影响
胸腔积液可改变膈肌的结构和功能。向麻醉犬的双侧胸膜腔分次注射生理盐水，发现胸腔积液使松弛的膈肌移位，导致膈肌长度-张力关系降低，膈肌产生压力的能力显著降低。同样，在临床试验中使用超声观察到胸腔积液可导致膈肌的内翻和反常运动。膈肌功能的降低是胸腔积液的病理生理学的关键。正常的膈肌收缩使肺部扩张，吸入空气。存在胸腔积液时，膈肌被推向肺底，导致静息位置接近最大收缩位置，这减少了膈肌的额外移动，在极端情况下，还可看到膈肌倒置；且胸腔积液亦导致膈肌与肺分离，当膈肌收缩时，肺无法扩张。
2.3.2 胸腔积液引流对膈肌功能的影响
通过对胸腔穿刺术前、术后的膈肌进行超声检查，发现胸腔积液侧膈肌功能减退，胸腔穿刺术后膈肌偏移、膈肌增厚明显增加，且膈肌收缩、膈肌增厚和膈肌偏移的速度随着胸腔积液引流量的增加而增加。这是由于胸腔积液引流使膈肌负荷状况、膈肌长度-张力关系得到了改善，减少了膈肌的机械损伤，恢复了膈肌运动，膈肌收缩功能加强，从而降低潮气呼吸时的吸气力，最终使患者的呼吸困难、呼吸功能得以改善。
2.3.3 呼吸困难与膈肌功能异常
胸腔积液相关的呼吸困难可能更多地与呼吸肌力学因素有关，而不仅是胸腔积液所致的气血交换障碍。膈肌功能异常是胸腔积液患者呼吸困难的重要原因。一项前瞻性研究对有症状的胸腔积液患者在胸腔穿刺术前和术后24～36 h进行生理学参数评估。发现膈肌运动异常与胸腔积液的出现有显著相关性，引流前，50%的受试者的同侧半膈出现平坦或外翻的超声图像；引流后大部分(94%)患者半膈呈正常圆顶状；引流前膈肌运动减少或异常的患者中有相当一部分在引流后呼吸困难评分得到了临床意义上的改善。传统的概念认为，胸腔积液引流的益处在于引流可使原先被液体压迫的肺扩张，但这一观点过于简单。实际上，胸腔积液引流后肺活量的增加很小，与引流量和呼吸困难的改善没有很好的相关性。膈肌运动异常是引流后症状缓解独立预测因素。这有助于临床医师去判断患者是否可以从胸腔积液引流中得到预期的效益，并为患者发生呼吸困难的潜在机制提供信息。
2.4 胸腔积液及其引流对PPL的影响
2.4.1 胸腔积液对PPL的影响
呼吸肌的运动导致PPL的周期性变化，而PPL的周期性变化是吸气和呼气的直接原因。正常的PPL在功能残气量下为-3～-5 cmH2O(1 cmH2O＝0.098 kPa)，这是由于肺和胸膜弹力相互抵消后产生的。PPL对保持肺部处于适当的充气状态和胸腔内的正常血液循环至关重要，亦是参与胸膜疾病病理生理的重要因素。
整个胸腔的PPL并不均匀。PPL存在垂直梯度，可能主要与重力有关。在胸腔积液动物模型中，PPL随着积液深度的增加而增加。并且，不同胸腔积液患者的PPL是不同的。在一项对52例胸腔积液患者的研究中，Light等发现PPL为-21～8 cmH2O。这种差异可能与患者并发的不同肺部疾病有关。
2.4.2 胸腔积液引流对PPL的影响
胸腔穿刺术使PPL降低。为了量化胸腔积液引流时的压力变化，将PPL的变化除以引流液体的量定义为胸腔弹性阻力。胸腔穿刺前PPL的差异和胸腔弹性阻力具有诊断和预后价值，在肺弹性回缩正常、气道通畅和脏层胸膜正常的胸腔积液患者中，PPL升高，胸腔弹性阻力降低；胸腔弹性阻力较高(>25 cmH2O/L)、PPL降低，常见于陷闭肺(如恶性肿瘤)的患者，并与胸膜固定术的疗效相关[30]；在气道阻塞、肺弹性回缩增加或胸膜炎症导致的肺不张患者中，PPL、胸腔弹性阻力增加。
2.4.3 胸膜腔测压的临床应用
在治疗性胸腔穿刺或气胸引流过程中，胸膜腔测压被用于跟踪PPL的变化。胸膜腔测压可用于诊断和区分各种类型的不可扩张肺；并可预测化学胸膜固定术的疗效和使用留置胸膜导管进行自发性胸膜固定术的可能性，从而为复发性胸腔积液患者提供姑息性治疗方案。治疗性胸腔穿刺术中可能会出现胸部不适、咳嗽、复张性肺水肿等不良反应，这些与PPL下降有关，而与胸腔积液引流量无关，因此可以预期的是，在胸腔穿刺术中进行胸膜腔测压可以预防一些并发症，包括复张性肺水肿。然而最近一项前瞻性随机试验中，研究者以患者为中心并结合临床结果来评估胸膜腔测压技术在治疗性胸腔穿刺术中的应用价值。发现胸膜腔测压并不能降低术中发生严重并发症的风险、减少引流量或提高手术速度，也不能减少手术后患者的胸部不适或改善呼吸困难。但胸膜腔测压技术可为胸腔积液相关生理变化的研究提供一定的应用价值。例如，Zielinska-Krawczyk等利用胸膜腔测压技术发现治疗性胸腔穿刺术中咳嗽会引起PPL升高，而且即使在咳嗽停止后PPL的升高仍然持续存在，说明咳嗽可能通过防止PPL过度下降而对患者产生有利影响。
研究者可通过胸膜腔测压技术来发现与胸腔积液相关的肺力学生理异常。Grabczak等在成人胸腔积液患者中记录并分析胸腔积液引流前后的胸膜腔压力曲线(胸膜压力脉冲)，发现胸膜压力脉冲有类似于脉搏描记线的微小摆动，胸膜压力脉冲频率与脉率完全一致，振荡峰值反映心脏舒张期，这是一种新的胸膜现象，他们推测它可能与肺不张或肺和脏层胸膜顺应性降低有关。Zielinska-Krawczyk等亦利用数字电子压力计记录引流过程中胸膜腔压力曲线，并分析胸腔积液引流患者呼吸周期中胸膜压力振幅(pleural pressure amplitude，PPLampl)和呼吸频率的变化。得出结论：治疗性胸腔穿刺术不仅可以影响PPL，而且可以使PPLampl发生显著变化，与PPL相反，绝大多数患者的PPLampl稳步增加，呼吸频率也有所增加。他们认为PPLampl的变化可能主要与肺和脏层胸膜的弹性特性有关，随着胸腔积液引流后PPL的降低，肺扩张与肺容量的增加将导致维持潮气量和分钟通气量所需的跨肺压增加，且肺扩张引起肺顺应性下降，故PPLampl与PPL呈显著负相关，PPLampl与胸膜弹性呈正相关。
胸腔积液及其引流可对心肺系统产生重大影响。肺内分流、通气/灌注不匹配是胸腔积液患者发生低氧血症的主要机制，且会随着积液的增多而恶化，但胸腔积液的引流对患者气血交换的临床效益存在争议。引流后分钟通气量与肺容量未得到明显改善，说明胸腔积液引起患者呼吸困难的机制并非是肺压缩。胸腔积液引流后呼吸力学指标和膈肌收缩功能的改善表明呼吸肌的长度-张力关系的改变是造成患者呼吸困难的主要原因；膈肌运动异常是引流后症状缓解独立预测因素，这有助于临床医师去判断患者是否可以从胸腔积液引流中得到预期的效益，并为患者发生呼吸困难的潜在机制提供信息。我们可通过胸膜腔测压技术来探知胸腔积液对PPL的影响以及胸腔积液引流时PPL的变化，但最新研究得出胸膜腔测压并不能减少在胸腔穿刺术中出现的并发症及不良反应。未来的研究应积极探寻胸腔积液及其引流在病理生理学效应方面产生争议性结论的原因，并进一步研究胸腔积液相关性呼吸困难的机制以及胸膜腔测压是否可以减少手术并发症发生的风险。
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