呼吸力学100年：从基础到临床，再回到基础

在过去的100年里，肺生理学研究取得了显著进步。应用于肺部疾病动物模型的呼吸力学扩展了对呼吸系统工作原理的了解。在人类研究中，对呼吸力学的更好理解有助于机械呼吸机的发展。本文探讨了呼吸力学在基础科学中的应用，探讨哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）的研究。我们还讨论了肺力学在临床治疗中的应用及其对现代机械呼吸机发展的作用。此外，我们还分析了一些实验室开发的技术，这些技术目前尚未广泛使用，但将来可能成为临床武器库的一部分。最后，我们探讨了重症监护医生在管理呼吸衰竭时仍然面临的一些困难问题。将这些问题带回基础研究可以帮助解决这些问题。基础科学和转化科学与人类受试者研究之间的相互作用可能非常有益，就像“肺保护性通气”原则的概念化一样。我们预计这种相互作用将进一步扩大为呼吸系统疾病患者产生新的治疗方法和管理策略。

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介绍

呼吸力学在上个世纪得到了广泛的研究从而改善了我们对健康和疾病状态下呼吸系统功能的理解。呼吸力学的新知识也已应用于呼吸系统疾病的不同动物模型。多年来，在呼吸力学方面积累的知识已被纳入机械呼吸机和患者的呼吸功能评估。呼吸力学不仅成为研究肺部疾病的工具。它还用于开发治疗呼吸系统衰竭的治疗方法，并设计预防肺损伤的策略。在这篇综述中，我们描述了动物模型和患者呼吸力学中使用的一些数学方法及其在机械通气发展中的应用。最后，我们将讨论呼吸力学如何对研究和临床护理仍然很重要，以及它如何提供有见地的信息，推动呼吸科学向前发展。

肺生理学：机械通气和肺部评估

肺生理学与机械呼吸机的进化

除了允许对几种肺部疾病进行机械研究外，呼吸生理学在很大程度上促进了机械通气的发展。在过去的一个世纪里，机械通气从笨重的负压室（铁肺）发展到现代正压呼吸机。几十年来，呼吸机增加了许多功能和通气模式。在基本肺生理学方面获得的知识极大地帮助了这一过程。

在1967年描述急性呼吸窘迫综合征（ARDS）后，将呼气末正压（PEEP）掺入机械呼吸机变得普遍以及使用PEEP改善低氧血症的观察结果。使用运动方程和对PEEP的反应测量肺顺应性对于确定新综合征非常重要。虽然顺应性不是当前ARDS定义的一部分，但它已被用于该综合征的初始表征（。后来，关于PEEP和潮气量在ARDS中的作用的研究有助于理解通气诱导的肺损伤（VILI）;并且是开发肺保护性通气的基础。

及时添加到呼吸机中的一些通气模式主要基于肺生理学。在比例辅助通气（PAV）中，肺顺应性和阻力用于确定呼吸机传递的气道压力量。在神经调节通气辅助（NAVA）中，由膈肌纤维去极化产生的电脉冲被捕获并控制通气支持的水平。在自动管补偿（ATC）中，机械呼吸机提供与流量和气管插管阻力成比例的额外压力。

呼吸力学应用于临床治疗

肺力学评估用于日常临床治疗。在接受有创机械通气的患者中，运动方程用于描述肺力学并协助表征呼吸衰竭（。医生可以测量阻塞性疾病患者呼吸衰竭的阻力增加（图1）。治疗过程中顺应性的变化可能表明疾病状态恶化或改善，并指导通气支持。

图1. 肌松和自主呼吸病人的呼吸力学。(A). 这是一个处于镇静和神经肌肉阻滞状态的病人的流量、容积和压力信号随时间变化的表示。由于没有呼吸肌活动，可以应用运动方程（见图1A）。顺应性（弹性的倒数，显示在图1中）和阻力可以使用最小平方法或通过（A）中显示的吸气暂停的特殊情况找到。应用吸气停顿可以简化方程式，允许测量静态顺应性和阻力。它还允许观察呼吸系统的粘弹性能，一旦流量突然停止，压力会缓慢下降（应力松弛）。(B). 在非镇静的病人中，呼吸肌与呼吸机相互作用。在这个例子中，我们显示了在压力支持模式下通气的病人的压力、流量、容积和食道压力信号随时间的变化。肌肉活动可以用食道导管测量。在这种情况下，运动方程需要调整，以包括呼吸肌产生的压力（Pmus）。该模型变得不太稳定，但食道压力揭示了病人呼吸机互动的几个特点。观察到的几次呼吸中潮气量的变化是由食道压力检测到的病人努力程度的变化引起的。此外，我们可以观察到吸气努力触发了机械呼吸机（α线）和病人吸气努力延长到呼吸机呼气（β线），扭曲了呼气流量曲线（箭头）。

在ARDS中，肺部顺应性的测量（图1）告知临床医生疾病严重程度。在COVID大流行中，肺部顺应性用于描述特定的表型：低氧血症但少量肺塌陷和高顺应性的患者与具有大量肺塌陷的非常低顺应性的肺。作者认为不同的表型可以从不同的通气策略中受益。其他研究人员对这种方法提出异议，他们证明COVID患者的呼吸顺应性与先前在ARDS中报告的值相似和治疗不应改变。在改变当前做法之前，应仔细评估大流行期间的早期发现。尽管存在争议，但使用生理参数对ARDS患者进行进一步分类突出了该疾病的异质性。在未来，我们也许能够了解哪些参数可以决定治疗策略的变化。

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几十年来，已经提出了不同的生理方法来正确设置ARDS患者的PEEP水平。Amato最初使用获得肺压 - 体积曲线并根据最佳顺应性选择PEEP水平。这是相当费力的，在肺复张后测量不同PEEP水平的肺顺应性可能是这种方法的合适简化。计算死区和分流分数也用于PEEP选择。最近，还提出了衡量潜在复张的建议建议使用食管导管测量PEEP水平以维持正的跨肺压。他们已经显示出氧合的改善，但未能证明使用这种技术降低了死亡率。不幸的是，尚未找到PEEP选择的理想方法。一些作者使用基于FiO2的表格来指导PEEP设置。这种方法适用于繁忙的ICU环境，但并没有降低ARDS的死亡率、。此外，基于FiO2水平设置PEEP忽略了病人可能有非常不同的反应。生理方法在解决这个问题上仍然可能是有用的。

最近，Gattinoni建议使用机械功，这是一种基于机械通气期间传递的能量对肺部施加的压力的新测量。机械功基于运动方程，并结合了坎贝尔图上显示的机械功概念。将运动方程的每个分量乘以体积和呼吸频率的变化（图2），以评估个体对肺损伤的贡献。这项新分析的有用性仍在调查中。一些作者认为它不会为机械通气管理增加大量新信息。另一方面，机械功可能与肺部恶化的生物标志物有关。至少，它强调了呼吸频率作为通气期间肺部压力来源的重要性。

图 2.机械功的示意图。在面板（A）中，我们显示了一个使用容量辅助控制的病人的一次呼吸。图中显示了压力、流量和容积随时间的变化，并突出了感兴趣的点。PEEP、峰值压力（Ppeak）和高原压力（Pplat，在吸气停顿结束时）。在图(B)中，我们显示了一个容量-压力环路，与面板(A)中观察到的兴趣点相同。深灰色区域代表阻力性机械功率，即克服阻力性呼吸力的压力变化与容积变化（潮气量）的关系；中间灰色区域代表弹性机械功率，即克服弹性呼吸力的压力变化与容积变化的关系；浅灰色区域代表PEEP机械功率，即代表呼吸系统基线张力的压力静态成分与潮气量变化的关系。

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肺生理学仍然不在床边黄金时段

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返回基础

基础科学和肺生理学帮助开发和推进了床边的机械通气，它们对于未来的挑战仍然非常重要。

肺保护性通气并不能回答呼吸衰竭的所有问题。它是很久以前制作的，当时机械通气治疗有很大不同。清醒的患者与呼吸机互动会带来额外的挑战。我们应该走多远来限制潮气量？我们是否应该继续保持高呼吸驱动患者的低镇静水平？一旦ARDS的初始炎症阶段结束并且氧合开始改善，我们是否应该耐受更高的潮气量？我们应该如何处理具有高呼吸驱动和潮气量的无急性呼吸窘迫综合征的患者？

测量力度、肺容积、肺不均匀性、通气模式和 V/Q 分布或机械功可以提供其中一些答案。同时，用于小动物的呼吸机采用了在床边开发的一些技术，作为压力支持通风。P-SILI和呼吸努力的影响可以在动物模型中进一步研究。

ECMO（体外膜氧合）的出现给该领域带来了额外的复杂性。ECMO曾经仅限于手术室，在流感（2009年的H1N1）和COVID（2020）大流行之后，ICU中的ECMO使用变得更加流行。虽然非常昂贵和侵入性，但ECMO可以提供一些患者所需的所有呼吸支持。然后可以调节呼吸机以提供非常小的通风。最佳设置和患者应在ECMO中维持多长时间仍在研究中。

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结论

肺力学的研究为呼吸系统疾病知识的发展做出了重大贡献。它也是机械通气的创造和发展的基石。基础科学、转化科学和应用科学的结合已被证明在呼吸生理学中非常有用，不仅可以更好地理解生理病理学，还可以设计支持性治疗。在未来几年，随着我们在管理呼吸衰竭患者方面面临新的挑战，我们预计这种伙伴关系将继续下去。

来源：Biselli. Lung Mechanics Over the Century: From Bench to Bedside and Back to Bench. Front Physiol 2022;13:817263

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