胸腔积液造成呼吸困难的生理学特点
苏州工业园区星海医院 刘岗 译
综述目的
胸腔积液对心肺系统有重大影响。本文综述了胸腔积液和胸腔积液引流的病理生理学效应及其与呼吸困难的关系，并强调了关键的知识空白点。
最新发现
胸腔积液呼吸困难和胸腔穿刺引流术后呼吸困难缓解的基本原理尚不清楚。现有的许多胸腔积液中呼吸困难的病理生理学研究都受到样本量小、设计中存在混杂因素以及缺乏呼吸肌功能直接测量的限制。气体交换随着胸腔积液的增多而恶化，并在胸腔穿刺引流术后改善。胸腔引流后通气量和肺容量的改善很小，而且这种改善与引流的液体量和呼吸困难的严重程度相关性差。并非肺压缩，而是胸壁扩张与膈肌移位，似乎是胸腔积液造成呼吸困难的主要机制。胸腔穿刺引流和恢复膈肌效力和效能，可能是改善呼吸困难的重要机制。积液通常不会导致严重的血流动力学改变，但大量积液可能会导致心脏压塞和心室舒张功能衰竭。积液的患者可能运动能力受损，睡眠质量和效率也较差。
总结
胸腔积液与气体交换、呼吸力学、呼吸肌功能和血流动力学异常有关，但这些异常与呼吸困难之间的关系尚不清楚。前瞻性研究应旨在确定积液相关呼吸困难的关键机制和胸腔引流后呼吸困难改善的预测因素。
关键点
@胸腔积液会影响心肺系统、运动能力和睡眠。
@气体交换随着胸腔积液的增多而恶化，并在胸腔穿刺引流术后改善。
@胸腔引流后通气量和肺容量的改善很小，而且与引流的液体量和呼吸困难的严重程度相关性差。
@胸壁扩张和膈肌移位是胸腔积液的主要调节机制，胸腔积液的穿刺引流和之后膈肌功能的恢复可能是改善呼吸困难的重要机制。
@胸腔积液通常不会引起重大的血流动力学改变，但大量积液可能会导致心脏压塞和心室舒张功能衰竭。
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前言
仅在美国，每年就有100多万患者发生胸腔积液。胸腔积液有60多种不同的病因，其积液量和复发的风险（和比率）各不相同。充血性心力衰竭（CHF）、恶性肿瘤、肺部感染和栓塞占胸腔积液病因的90%以上。
胸腔积液会对心肺系统产生重大影响。气急是最常见的表现，气急通常会使人衰弱，并严重影响生活质量。缓解呼吸困难通常需要治疗性的胸腔穿刺，胸腔穿刺伴有相关的不适、并有感染、出血、气胸甚至死亡的风险。胸腔积液的治疗已成了世界范围内一个重大的医疗负担。
到目前为止，胸腔积液对呼吸生理和呼吸困难的研究很少，因此也了解很少。传统的观点认为胸腔积液通过压迫肺部导致呼吸困难是过于简化的。呼吸困难的严重程度通常与积液的量相关性不大。相反，不同患者引流积液后症状的减轻差异很大，没有可靠的预测因素来确定谁将受益。以前的大多数研究都是小队列研究，并孤立地检查特定的病因；很少有研究在对患者病情受益的方面进行不同生理学改变的比较。
本文综述了已发表的关于胸腔积液的病理生理效应（及其治疗性引流积液）的文献。强调了关键的知识空白点，这可能会指导未来的研究。
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文献检索
使用以下“pleural effusion”和“oxygenation”（gas exchange、hypoxemia和oxygen desaturation）、“pulmonary function test”（lung function test，respiratory function test和spirometry）、“pleural pressure”（PPL，pleural elastance）、“exercise”[6-min walk test（6MWT），cardiopulmonary exercise test]、“sleep”、“cardiac”（hemodynamic effects，hypotension）and‘dyspnea’（breathlessness）搜索词查询Medline、Excerpta Medica dataBASE（EMBASE）和Cochrane Database of Systematic Reviews。仔细审查了参考文献及其引文清单，寻找胸腔积液对肺生理和呼吸困难影响的研究。
胸腔积液的病理生理效应
大多数关于胸腔积液的病理生理效应的研究都只有少数患者，这些患者的胸腔病变和全身疾病又各不相同，而且许多研究是在不同的情况下进行的（例如，是机械通气患者还是自主呼吸患者）。因此，在解释他们的研究结果时必须谨慎。
气体交换
胸腔积液会恶化气体交换，向机械通气猪的两个胸腔内滴注生理盐水已证明可以诱导早期以及剂量相关的低氧血症。当Agusti等人采用多重惰性气体排出技术检查了9例新发病的胸腔积液患者，发现肺内分流是低氧血症的基础。
胸腔穿刺引流术似乎能改善气体交换，对19项研究（1124名患者）进行的荟萃分析显示，机械通气患者的胸腔穿刺后氧合指数平均改善了18%。改善不是立即而是在胸腔穿刺术后24小时，气体交换的改善更为一致。已显示低氧血症在胸腔穿刺后2小时内恶化，可能是因为复张性肺水肿或延迟的肺复张。
几个因素可能影响胸腔穿刺引流术后气体交换的改善。在机械通气患者中，氧合指数的改善与引流量和呼气末肺容积的增加相关；氧合指数较低的患者似乎受益更大。（但）急性呼吸窘迫综合征（合并胸腔积液）的机械通气患者（胸腔穿刺引流术后）似乎气体交换改善不佳。在有CHF积液的机械通气患者中，胸腔穿刺术后氧合指数的改善与胸腔弹性阻力呈负相关。在有膈肌矛盾运动的患者中，氧合的改善更明显。没有证据表明胸腔积液引起的异常气体交换（及其在胸腔穿刺引流术后的改善）与呼吸困难的症状有关。
肺功能与呼吸力学
胸腔积液和肺功能的研究往往在设计和测量生理指标方面并不相同。尽管如此，大多数研究都认为胸腔穿刺引流术后肺容积的增加很小并且与胸腔积液的量相关性很差（或根本不相关），无论积液是漏出液还是渗出液。
动物和人体的研究表明，胸腔扩张是产生额外容量以容纳积液的主要机制，并有助于保存肺容量。在麻醉的犬中，胸腔内注入生理盐水可使胸腔容积增加三分之二，但仅使功能残气量（FRC）减少三分之一。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。急性胸腔积液通过增加肺弹性阻力（可能是通过肺压迫扭曲和FRC的降低）来增加呼吸系统的弹性阻力。胸腔积液对肺阻力的影响尚不清楚。胸腔积液似乎不会改变胸壁弹性阻力和非弹性阻力。
胸腔积液对患者肺容积影响的了解主要来自胸腔穿刺前后测径的变化。虽然胸腔穿刺引流术可以改善第1秒用力呼气量（FEV1）、肺活量和肺容积，但增加的量是高度可变的，且往往增加的量与引流的液体量无关。26例胸腔穿刺引流（1.74±0.90L）患者，24 h后肺活量和总肺活量分别增加0.41±0.39L和0.70±0.20L（表1和图1）。抽出0.80L液体后胸腔压力的改善最好。胸腔穿刺术对FEV1和肺活量的影响（改善）似乎在一侧膈肌反常运动的患者中更大。另一项小规模研究（n=9）也发现，积液引流（1.82±0.60L）后与未抽液时相比，肺活量（中位数0.30l）和总肺活量（0.64L）也有类似的轻微改善。这些数据与动物研究的结果是一致的，即积液主要是通过扩张胸腔而不是压缩肺来调节的。
一项对129名急性呼吸窘迫综合征患者的研究发现，少量胸腔积液（中位数287毫升）更多与胸腔容积的增加而非肺容积的减少相关，并且对呼吸力学没有显著影响。对急性呼吸衰竭伴胸腔积液患者行机械通气的两项研究表明，胸腔穿刺引流在24 h内改善了呼吸系统顺应性和呼吸阻力，但在胸腔穿刺后的最初2 h内，呼吸顺应性、呼吸阻力、肺弹性回缩力和内源性呼气末正压的改善可能并不明显。胸腔穿刺术似乎不会显著改变肺的一氧化碳的弥散能力尤其是气道传导能力以及生理死腔、潮气量比率。
综上所述，这些数据提示胸腔穿刺引流的症状改善可能来自胸腔穿刺减压和吸气肌功能的相应改善。
胸腔内压力（Pleural pressure，PPL）
在健康情况下，FRC位时的胸腔内压力由肺和胸壁弹性回缩力的平衡决定，通常是低于大气压（-3～-5cmH2O）。在人为制造胸腔积液的机械通气猪模型中，往积液最深处PPL逐渐增加。然而，PPL在胸腔积液患者中是高度可变的，可以增加也可以减少。在一项对52名胸腔积液患者的研究中，Light等人发现PPL在-21～8厘米水柱之间。这种差异可以用不同患者不同肺部病理状况来解释。PPL可以降低（<-5cmH2O），特别是在陷闭肺的患者。
胸腔穿刺引流术降低了PPL，PPL下降与引流量之比定义为胸腔弹性阻力（随着胸腔穿刺引流量增加时胸腔压力的改变）。在胸腔穿刺引流术后，PPL通常在引流的最初和最后阶段下降最快。胸腔穿刺引流术后PPL下降幅度和胸腔弹性阻力是高度可变的。胸腔穿刺术前PPL和胸腔弹性阻力的不同具有诊断和预后价值，有三种类型。第一种：在肺弹性回缩正常、气道通畅和脏层胸膜也正常的胸腔积液患者中，PPL升高，胸腔弹性阻力下降。第二种：PPL降低，胸腔弹性阻力增高（>25cmH2O/l），常见于陷闭肺（如恶性肿瘤）的患者，并与胸膜固定术失败相关。第三种：由于气道阻塞、肺弹性回缩增加或胸腔炎症导致肺不张，其中PPL通常比正常高，胸腔弹性阻力也增加。
在一项研究中（n=26），基线PPL较高（胸腔穿刺引流术后PPL减少较小）与胸腔穿刺引流术后肺活量增加较大有关，但在另一项研究（20例机械通气患者）中，胸腔穿刺引流术后呼气末肺容积增加较少。在26名接受机械通气的慢性心力衰竭胸腔积液患者中，胸腔穿刺引流术后胸腔弹性阻力低的患者气体交换改善最大。Light等人提出胸腔穿刺引流术后PPL低于-20cmH2O时扩张性肺水肿的可能性较高，但这一点尚未被其他研究证实。
PPL和胸腔弹性阻力的改变是否与呼吸困难的改变相关尚不清楚。
心血管功能
少量或中度积液及其引流一般不会引起严重的血流动力学变化。即使在机械通气的患者中，引流也不会显著改变血压、心输出量（CO）或儿茶酚胺用量。关于胸腔积液对心血管功能影响的详细描述超出了本文讨论的范围。
大量积液通常不会减少静息状态下的CO，但会限制运动时CO的上升。犬双侧胸腔注入生理盐水至40ml/kg时，肺动脉阻断压和中心静脉压随胸腔积液的增加而增加。直到更大容量（40～80ml/kg）的生理盐水注入，CO才显著下降并导致许多动物死亡。犬双侧胸腔大量积液相关的血流动力学变化与心包填塞相似：心包内压升高，心脏充盈和每搏量受损，右心室舒张期塌陷。心室舒张期塌陷也可以见到单侧胸腔大量积液的患者，但在胸腔穿刺引流后会很快恢复正常。
运动
胸腔积液患者在劳累时呼吸困难最为突出。只有两项研究调查了胸腔积液和胸腔穿刺术对运动能力的影响。这两项研究都表明胸腔积液患者的基线运动能力受损，并能从胸腔穿刺引流术中获益。
一项研究（n=25）采用6MWT，发现平均基线距离为432±78m（为预测值的73%）。另一组（n=15）采用递增心肺运动试验，显示平均每分钟最大耗氧量（VO2max）仅为预测值的37%。
穿刺引流（1.56±0.70L）术后6MWT距离提高15%（63m）。这种改善与通气量的增加有关，但与引流的液体量无关。即使氧合没有改善呼吸困难已有明显的改善（Borg评分休息时从2.7分下降到1.5分、运动后从5.1分下降到2.4分）。
在使用心肺运动试验的研究中，治疗性胸腔穿刺术（平均引流1.6 L）后运动耐量、最大负荷和最大摄氧量的改善是不同的。胸腔穿刺后VO2max的变化与FEV1（r=0.58）、用力肺活量（r=0.61）和最大脉氧（r=0.78）的变化相关，但没有发现与引流的液体量相关。
睡眠
只有一项发表的研究调查了胸腔积液对睡眠的影响，发现使用匹兹堡睡眠质量指数和过夜睡眠研究平时胸腔积液较多的患者（n=19），发现其睡眠质量和睡眠效率较差。
胸腔穿刺引流术改善了总睡眠时间、睡眠效率（从76%到81%）和快动眼睡眠，并降低了阶段1睡眠和Borg评分（从2.3到0.8）。胸腔积液引流量（平均1.6L）与睡眠或呼吸困难评分的改善无关。
渗出性呼吸困难中的膈肌
胸腔积液引起的呼吸困难可能是多因素的。在评估胸腔积液患者时，必须考虑胸腔外疾病对呼吸困难的影响。
如前所述，胸腔扩张（图2）比肺容积缩小更能容纳胸腔积液。胸腔更大的顺应性减少了积液对肺力学和气体交换的影响。相当大比例的胸廓扩张发生在垂直维度上。在直立时，这将导致一侧膈肌变形，导致膈肌圆顶向下移位（图3），并使膈肌长度和膈肌与肋骨的对位面积减少。中度或大量的积液通常会导致膈肌变平（图4和5）甚至倒置形成凹面（图6），这与严重的呼吸困难有关。这些变化可能会降低隔肌的效果和效率。缩短的膈肌产生张力的能力下降，需要更高的神经激活才能产生相当的张力，并在将张力转换为跨膈压方面效果较差。较小的对位面积降低了吸气扩张胸腔时腹压增加的能力。单侧胸腔积液时一侧膈肌矛盾运动是一侧膈肌在大量胸腔积液时膈肌有效性降低的有力证据。胸腔积液对膈肌的这些影响很可能导致膈神经驱动的通气量减少（“神经机械解耦联”）。大量证据表明，这种神经机械解耦联产生从整个呼吸系统内（肌肉、胸壁、气道和肺实质）机械感受器到感觉运动皮层的传入神经冲动，导致呼吸困难的感觉。
由于上文所讨论的原因，大量胸腔积液引起的一侧膈肌功能受损也可能导致“钟摆样呼吸”，即在吸气过程中，膈肌的反常运动允许空气从异常的一侧胸腔流向正常的一侧胸腔。这将进一步损害通气效率，并可能导致呼吸困难。只有仰卧或排出液体后，钟摆样呼吸引起的呼吸困难才能缓解。
胸腔穿刺引流术通常能立即显著改善呼吸困难和运动耐力，这不能用肺通气能力、气体交换或机械性能的改善来解释。胸腔穿刺引流术很可能会立即将呼吸肌，特别是膈肌恢复到更正常的长度和形状（图4-6）。这种神经机械耦联的即时改善可能是相应症状立即改善的基础。这可能解释了为什么有膈肌矛盾运动的患者比那些没有的患者呼吸困难多得多（Borg得分分别为5.1比2.9），并且在胸腔穿刺引流术后更有可能改善他们的呼吸困难和运动能力。
知识空白与未来发展方向
胸腔积液很常见，尽管对胸腔积液伴发呼吸困难的机制了解有限，也没有准确的预测因素来指导患者的治疗，但全世界每天都在进行治疗性引流。
胸腔积液患者呼吸困难原因的确定性研究是困难的。以前的研究受到患者数量少且明显不均质患者（包括病因不同、积液量不同、起病快慢不同、以及呼吸困难/低氧血症和并发的心肺疾病的严重程度不同等诸多不同）的限制。研究方案和研究终点的变化也使相互比较变得困难（例如，引流后不同的评估时间（从引流后即刻到48小时不等）使结果解释变得复杂，引流的液体量的差异进一步混淆了结果）。
必须优先确定评估胸腔积液中呼吸困难的最佳工具。需要进行前瞻性研究，以确定胸腔积液导致呼吸困难的关键因素，并开发胸腔积液引流后改善症状的预测工具。理想情况下，应该采用结合临床、生理和放射学参数的综合方法，在大样本无差异的患者群体中进行研究。
选择和限制胸腔介入治疗的能力将代表着胸腔医学的一个重大进步，这些患者可能会从积液引流中获得症状改善。
结论
胸腔积液对心肺系统有重要影响，可引起气体交换、呼吸力学、肌肉功能和血流动力学的异常。这些异常与积液相关的呼吸困难和胸腔穿刺引流术后的反应之间的关系仍不确定。未来的研究应该着眼于确定导致胸腔积液患者呼吸困难的关键机制，以及胸腔引流后症状改善的重要预测因素。
《药物和医疗器械临床试验300问及案例分析》第2版