基于生理原则对急性低氧患者进行气管插管

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病例报告

根据该临床报告和临床观察，这名73岁的男性患者曾有高血压病史，因咳嗽、寒战和劳力性呼吸困难被送入医院。他到达时，室内空气下的外周血氧饱和度（SpO2）在80至83％之间。经过鼻导管给予4 L/min的氧气后，他的SpO2提高到94%。他无发热（37.5℃），血压正常。心率为93次/分钟，呼吸频率为20次/分钟。患者没有明显的呼吸困难。他的新冠病毒检测呈阳性。胸部X射线显示双侧中部和下部肺部呈浑浊（图1）。两天后，他转为鼻导管高流量供氧。有时，SpO2在80%左右，偶尔低至70%。胸部计算机断层扫描显示多发性双侧玻璃样浸润和实变（图2）。尽管有呼吸急促，他仍然没有呼吸窘迫。患者意识正常。

那么，他是否应该插管呢？

图1：入院时获得的指数病例胸部便携式X射线片。双侧中下肺间质和肺泡区浸润。右侧膈肌抬高，外侧呈分叶状轮廓，与先前胸部影像相比保持稳定。

图2：入院第2天获得的指数病例胸部计算机断层扫描：双侧多发性玻璃状浸润和实变。检查结果未显示肺栓塞。

点评：

根据给出的信息，这名患者虽然有低氧血症，但他没有明显的呼吸困难，意识清楚。他的行为表现没有严重的呼吸窘迫症状。插管是一个严肃的决定，应该慎重考虑。目前，并没有明确的证据表明低氧血症需要立即插管。因此，在此情况下，应该优先考虑保持良好的通气和氧合状态，密切监测患者情况的发展，并根据具体状况和临床判断来判断是否需要插管治疗。与呼吸专家进行讨论，结合患者的整体状况和临床表现作出决策，是非常重要的。

背景

尽管重症监护专家努力支持所有重要器官的功能，但从根本上说，他们的主要目标是确保患者足够的氧合以避免脑缺氧。为了达到这个目标，调查人员根据不同的氧合阈值，在非侵入性氧合策略无效的情况下，对持续低氧血症的患者进行侵入性通气。

很遗憾，这些阈值存在严重的局限性，可能导致过度激进的插管策略（不必要地让患者承受气管插管和侵入性通气的风险）或过度保守的插管策略（将患者置于低氧血症的危险中）。当决定是否插管的依据不是基于预设的组织缺氧（间接暗示的氧合指标），而是基于氧合指标不良与恶劣临床结局之间并不明确的关联时，情况变得更加复杂。

在本综述中，将首先讨论基于氧合阈值的插管标准及其局限性。然后，将根据临床观察和生理原理讨论临床插管方法。重点是对急性低氧血症患者进行研究，无论是否患有COVID-19，这些患者呼吸急促程度各不相同，但既没有明显的呼吸困难，也没有休克症状。

基于SpO2阈值的插管标准

一些调查人员建议当SpO2读数低于92％、90％、88％或85％时进行插管。记录SpO2的设备的技术限制使其解释变得困难。此外，SpO2在估计动脉血中输送的氧气体积（对流氧输送）以及推动氧气从毛细血管流经至细胞的压力梯度（扩散氧输送）时的固有不精确性（见图3），严重质疑这些阈值在临床上的实用性。

图3：氧气从吸入气体到组织线粒体的运动的示意图。这种运动需要氧气的扩散和对流。氧气的扩散，或扩散性氧输送，是一种被动现象，氧气压力梯度 (∆PO2) 推动氧气从肺泡到血浆 (左蓝箭头)，从血浆到间质液和组织线粒体 (右蓝箭头)。对流 (灌注) 氧输送 (DO2) 是一种需要能量的过程，依赖呼吸和心脏泵所做的工作，将血液中携带的氧气从肺部运送到外周组织。对流氧输送是心输出量 (Qc) 和动脉氧含量的函数。动脉氧含量主要由血红蛋白 (Hb) 浓度和血红蛋白与氧气的饱和度百分比 (SaO2) 决定，仅有一小部分由氧气分压 (PaO2) 决定 (详见文本)。

SpO2监测设备的缺点

脉搏血氧饱和度（SaO2）的测量是通过照射皮肤并测量氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）的光吸收变化来进行的。SpO2测量值与真实的SaO2值（使用CO-oximeter测量）可能存在±4%甚至更大的差异（图4）。SpO2在识别SaO2时的不准确性结合氧合血红蛋白解离曲线的S形状（图5），对正常基线动脉氧分压（PaO2）的患者早期气体交换恶化的识别具有重要影响。这是因为在氧解离曲线的上部近水平段，PaO2的大幅变化很少引起SaO2的变化。例如，在约±4%的95%置信限下，SpO2读数为95%可能表示任何从起始PaO2为130 mmHg（即SaO2为99%）恶化到61 mmHg（即SaO2为91%）的PaO2（图5）。

图4：动脉血氧饱和度（SaO2）与用六种不同指尖脉搏血氧仪测量的外周氧饱和度（SpO2）与SaO2之间的差异（偏差）之间的关系。每个脉搏血氧仪用不同符号表示。在受控实验室低氧条件下，对来自不同种族的22名健康志愿者进行了测量。在没有偏差的情况下，所有数据点将位于红色虚线水平线上（零偏差）。相反，所有脉搏血氧仪都显示出正偏差（表示SaO2被高估）或负偏差（表示SaO2被低估）。随着受试者变得更加低氧血症，偏差加剧。这些结果与较大的台式脉搏血氧仪记录的结果相似[91]。（修改自[26]）

图5：在血液pH为7.40且温度为37°C时，动脉氧分压（PaO2）与血红蛋白氧合饱和度（SaO2）之间的关系。由于血氧饱和度仪对SaO2有大约±4%的95%置信区间，95%的血氧饱和度可能代表PaO2为61 mm Hg（饱和度91%）或PaO2为130 mm Hg（饱和度99%）。右侧垂直轴表示基于健康成年人常见血红蛋白浓度15 g/dL或基于血红蛋白浓度为7 g/dL的动脉氧含量（CaO2）的数值，7 g/dL是医生通常输注浓缩红细胞的血红蛋白浓度下限。（详见文本）

在黑色素增多的患者中（人种），脉搏血氧仪的准确性较低。Jubran和Tobin在对这一现象进行的一项早期研究中报告，对重症患者进行机械通气时，脉搏血氧仪在黑人患者中的准确性降低了2.45倍。在过去的三十年中，Jubran和Tobin的研究结果得到了多个研究人员的证实。例如，Burnett等人比较了四万五千多名接受全身麻醉的患者的SpO2和SaO2。在该研究中，黑人中隐匿性低氧血症的发生率（定义为SaO2<88%，而SpO2读数保持>92%）为2.1%，西班牙裔为1.8%，白人为1.1%。最近，在对近3000名COVID-19患者进行的一项研究中，Crooks等人报告了多种族患者中隐匿性低氧血症的发生率，混合族群中为6.9%，黑人为5.4%，亚洲人为5.1%，白人为3.2%。大的95%置信限（请参见Crooks等人的表1）表明，脉搏血氧测量在所有族群中都可能提供虚高和虚低的饱和度。另一个混淆因素是SpO2和SaO2之间的差异在大小和方向上不可重复。这些观察结果引发了一些考虑。脉搏血氧仪对皮肤色素的不准确性部分原因是参考校准曲线仍然依赖于白人志愿者。脉搏血氧测量在所有族群中都会过高或过低地估计SaO2。在COVID-19大流行前和期间，黑色素增多患者中脉搏血氧仪准确性降低可能导致了这些患者的增加的发病率和死亡率的情况。

使用SpO2估计氧输送的缺点

对流（灌注）氧输送（DO2）是一个需要能量的过程，依赖于呼吸和心脏“泵”所执行的工作。对流DO2是心输出量（Qc）和动脉血氧含量（CaO2）的乘积（图X：气体方程）。而CaO2又是SaO2和Hb的乘积。（在大多数情况下，溶解在血液中的氧气数量可忽略不计。）SpO2只能估计SaO2，而SaO2只是对对流DO2的一个贡献因素。因此，1、即使SpO2对SaO2的估计高，如果Hb或Qc严重降低，仍然可能无法保证足够的对流DO2供应给大脑；2、同时，如果心血管代偿机制足够，且Hb和SaO2未达到临界降低水平，较低的SaO2估计仍然可以保证足够的对流DO2供应给大脑。

从肺泡到肺毛细血管的氧气扩散以及从体循环毛细血管到细胞的氧气扩散，或者说弥散性DO2，是一个被动的现象，它依赖于氧气的分压梯度（PO2）、组织毛细血管密度以及细胞摄取和利用氧气的能力（图3）。由于在获取有效的SpO2记录时的技术限制以及调节氧解离曲线的多种因素（见下文），使用SpO2来估计弥散性DO2是不切实际的。

图X：气体方程

基于SaO2阈值的插管标准

考虑到SpO2读数的局限性，一些研究人员建议在SaO2低于92%、90%、85%或80%时对低氧血症患者进行插管。

SaO2监测设备的缺点

SaO2可以通过核心实验室中的CO-oximeter直接测量，也可以使用点触式设备进行计算。CO-oximeter通过光度计方法确定SaO2。它们被认为是测量SaO2的参考标准技术。这些设备在设备内具有良好的再现性，但如预期的那样，在同一制造商生产的两台相同设备之间，或者在不同制造商生产的两台设备之间，也会出现设备间差异。随着低氧血症的恶化，设备间差异会增加。

床旁即时设备使用基于测量参数（如动脉pH、PO2和PCO2）的算法来计算SaO2。在低氧血症条件下，即时设备计算的SaO2与CO-oximetry测量的SaO2之间的偏差越来越大。例如，在一项超过三千个样本的研究中，Gunsolus等人记录了测量和计算的SaO2之间的百分差异的增加，当PaO2大于90 mmHg时，约为±2%，而当PaO2为50到60 mmHg或更低时，增加到±20%或更多（见Gunsolus等人的图1）。

使用SaO2估计氧输送的缺点

与SpO2一样，高或低的SaO2值并不一定表示大脑的对流DO2足够或不足。关于弥散性DO2，正如前面所提到的，氧解离曲线上升沿的右侧大幅下降的PaO2只会引起很小的SaO2变化。这限制了SaO2读数在识别弥散性DO2减少方面的有用性（图5）。这还受到氧解离曲线的右移或左移的影响。曲线向右移动（达到给定PaO2所需要的较低SaO2）的因素包括酸中毒、PCO2、2,3-二磷酸甘油酸盐的增加、某些血红蛋白病和发热。在后者中，这在许多危重患者中很常见，任何给定的PaO2都与较低的SaO2相关。在37°C的情况下，PaO2为60 mmHg（在正常的pH和PaCO2下）将伴随着SaO2为91.1%。将温度升至40°C将使SaO2降至85.8%（降低了5.3%）。

氧解离曲线向左移动（达到给定PaO2所需的较高SaO2）的因素是上述生理因素的逆反，以及胎儿血红蛋白和一氧化碳中毒。曲线向左移动，这在动脉二氧化碳压力（PaCO2）降低的情况下是不可避免的，这在缺氧患者中很常见，这意味着SaO2（和SpO2）的轻微下降会伴随着PaO2的大幅下降。

基于PaO2阈值的插管标准

研究者提出，在PaO2低于65 mmHg、60 mmHg、50 mmHg和45 mmHg时进行有创通气。

使用PaO2估计氧输送的缺点

PaO2只是CaO2的间接指标。因此，它对对流DO2的反映有限。毛细血管PO2是促使氧气向细胞扩散的驱动压力（图3），其是PaO2、对流DO2、氧消耗和氧解离曲线移位之间的相互作用的结果。换句话说，即使是正常（或接近正常）的PaO2，也不能自动保证组织灌注减少（循环性缺氧）、贫血（血液性缺氧）以及线粒体无法利用氧气（组织性低缺氧）时有足够的弥散性DO2。

基于PaO2/FiO2阈值的插管标准

在低氧血症患者中，研究者建议当动脉-吸入氧浓度（PaO2/FiO2）比值低于200 、100或85时进行插管。

使用PaO2/FiO2比值的缺点

精确记录PaO2很容易获得。相比之下，在大多数非插管患者中，氧气补充过程中环境空气的不确定吸入使得很难确定达到气管内部的FiO2。例如，通过鼻导管提供的高流量氧系统设置为50升/分钟，FiO2为60%的情况下，实际达到气管的FiO2可能在35%到60%之间变化，这会低估真实的PaO2/FiO2比值。这种低估可能会导致重症医师对非低氧血症患者进行插管。环境空气吸入的混杂因素被观察到在鼻导管接受高流量氧时戴上外科口罩可使PaO2平均增加20 mmHg。PaO2/FiO2比值的另一个缺点源于PaO2和FiO2之间的曲线关系，这个关系会随着通气/灌注不平衡和分流的程度而变化。例如，在ARDS患者中，研究表明FiO2的改变导致PaO2/FiO2波动不可预测，波动范围超过100 mmHg。在符合全部ARDS诊断标准的患者中，给予100%氧气30分钟后，PaO2/FiO2会上升，从而有58.5%的患者不再被归类为ARDS。对于对流和弥散性DO2，PaO2/FiO2比值在任何生物过程中都不起作用，对氧气生理的评估具有误导性。例如，Yarnell和Brochard在对超过2700例非COVID-19急性低氧性呼吸衰竭患者进行研究时发现，在未插管的患者中，28天内的未经调整的住院病死率并不高于于在满足PaO2/FiO2比值低于80、100或150阈值的3小时内或3小时后插管的患者的病死率。这些研究人员建议在解读结果时要谨慎，因为不同中心和患者群体的结果可能存在差异。同样的研究人员还计算了相同患者群的饱和度与吸入氧（SF）比值。然后，他们进行了调整后的分析，并得出结论，不同的SF比值阈值对插管“可能会增加或降低预期病死率，具体取决于基线死亡风险和临床背景”。

基于CaO2阈值的插管标准

在2021年，Voshaar等人提出了一种治疗策略，当低氧血症患者患有严重的COVID-19肺炎并且假定心脏功能正常的情况下，尽管采用了非侵入性氧合策略，但其CaO2低于9 mL O2∙/100mL血时，应实施有创通气。在这项非随机、回顾性研究中，包括78名入院的患者，研究进行于德国的两家医院。平均SpO2的最低点为84.4 ± 6.5%。总体死亡率为7.7%，是德国重症COVID-19肺炎住院患者死亡率的三倍低。

使用CaO2作为插管标准的缺点

提出的每100毫升血液中CaO2的阈值为9毫升O2是基于两个独立观察性研究的结论，一个是在健康受试者中，另一个是在麻醉、瘫痪健康猪仔中进行的。然而，为了将此阈值作为升级治疗的合理理由，必须做出几个重要的假设：首先，CaO2必须是弥散性和对流DO2的有效估计。接下来，必须假设在全身对流DO2低于此值时，氧气消耗变得依赖输送（临界DO2）的数值是已知的，并且全身临界DO2和脑部区域临界DO2具有相同的数值。最后，CaO2降低的生理效应与导致其降低的机制无关。不幸的是，这些假设要么是错误的，要么没有得到验证。

使用CaO2估计氧输送的缺点

CaO2对弥散性和对流性DO2提供的信息不完整。因此，除非严重降低，CaO2无法向医生提供关于患者脑氧供应的信息。

给定的CaO2是由一系列Hb和SaO2值的组合结果。例如，血红蛋白浓度低于7 g/dL是输注红细胞的常见阈值。当血红蛋白为7 g/dL，扩散压力或PaO2处于80至95 mmHg的正常范围，相应的SaO2为95至97%，CaO2将在9.4至9.6毫升O2 /100毫升血之间（图5）。这是大多数患者安全耐受的情况。当血红蛋白为15 g/dL时，为了获得类似的CaO2值，PaO2必须降低到25.2至25.5 mmHg，而SaO2必须降低到45.8至46.5%（图5）。除了少数例外情况（见下文），即使对于健康受试者来说，这些PaO2和SaO2的水平也会引发意识丧失、肌肉抽搐和惊厥。换句话说，CaO2对于脑部氧供给提供的直接信息有限，限制了它在决定是否对个体患者进行插管的决策中的实用性。

插管的生理学方法

基于生理原则来决定是否对低氧血症患者进行插管需要了解维持组织PO2以支持脑部氧化代谢所需的最小氧供应量。虽然不确定，但这种关键组织PO2可能约为20 mmHg或更低。在休息时，健康受试者的脑氧耗约为46 mL/min，其血流约为620 mL/min。这相当于动脉与静脉氧含量差为7.4 mL O2 /100mL血液，当血红蛋白和pH值在正常范围时。在维持静脉PO2（由此推导出脑PO2）大于20 mmHg的情况下，保证氧含量差的最低CaO2为13.8 mL O2 /100mL血液。这相当于PaO2为36 mm Hg和SaO2为68%。这是前往埃文斯山顶（4350米）长时间驱车的游客所经历的氧合情况；其中许多人感到舒适，而有些人感到气喘。需要注意的是，上述计算过于简化，因为它们忽略了由缺氧引起的心排量增加和呼吸过度引起的低碳酸血症及其伴随的脑血管收缩。它们还忽略了调节脑血管反应性、缺氧时的脑代谢和个体间对缺氧的耐受度的复杂机制。因此，对于问题：“安全的PaO2、SaO2或CaO2的下限是多少？”没有简单的答案。例如，对于贫血患者，36 mm Hg的PaO2（伴随着68%的SaO2）将无法维持脑部的氧化代谢。当脑灌注不足时，如具有既往脑血管疾病、心输出量降低、平均动脉血压不足或由急性低碳酸血症引起的脑血管收缩，该氧合也是不足的。与此同时，脑氧饱和度降至25 mm Hg，相应的SaO2约为45%时，会确保意识和脑部的氧化代谢，这在习惯高山环境的登山者和急性慢性呼吸衰竭患者中都可以观察到。这些情况与代偿性多红细胞增多、最大脑血管舒张和细胞对缺氧的适应相联系。 我们如何决定是否对没有明显呼吸困难的低氧血症患者进行插管？考虑到对关键脑PO2的不确定性、非均匀的脑PO2分布和氧需求、调节脑血管反应性和缺氧期间的脑代谢的复杂机制、监测脑PO2的技术困难，以及追求插入气管插管和实施有创通气的自由方式所带来的危险，我们认为何时插入气管插管是任何重症监护医师面临的最具挑战性的决策之一。在考虑这些不确定性时，当低氧血症患者既没有明显呼吸困难（根据患者展示的身体/临床体征来定义为呼吸困难的临床可观察的相关）也没有休克时，出现认知障碍，表明出现紧急脑部缺氧时，应考虑插管。在决定插管时，我们还考虑额外因素，包括血压、对心功能的估计、外周灌注、CaO2及其决定因素。这些额外因素如有限制，是我们在低氧血症患者中使用的指标，这些患者同时存在导致认知障碍的病理情况。在这种情况下，尚未确定是否计算《重症监护病房呼吸困难观察量表》（IC-RDOS，用于评估无法轻易交流的重症患者的呼吸困难）是否有帮助。我们也认识到决定是否实施有创通气在预期死亡率较高的患者中是否更自由，在预期死亡率较低的患者中是否更保守，目前尚不清楚。

低氧患者的插管：疾病分类学、默示知识和未来

这篇生理学综述的重点是插管低氧血症患者，他们既没有明显呼吸困难，也没有休克。目前有关这类患者的研究非常有限，并且没有随机对照试验。不幸的是，所考虑的疾病实体的分类学以及医学决策中默许知识的重要贡献使得设计和适用这种假设性随机对照试验变得可疑，甚至不可能。

疾病分类学和临床试验

疾病分类学是处理疾病分类的医学科学分支。有些疾病可以按病因或原因进行分类（如军团菌病）。按病因或原因分类的疾病可以完全符合科学的严谨性。与之相反，综合症（如ARDS）或临床实体（如休克状况下的呼吸困难患者）是通过症状和体征的描述来定义的。没有明显呼吸困扰的患者的低氧血症反映了具有明确界限的疾病实体。这对这些患者的临床试验设计有重要的影响。在设计这种假设性试验时，研究人员必须提出一系列包括和排除标准，以确保研究的内部一致性。然而，正如本综述所讨论的，氧合阈值的准确性基本上是不精确的。即使进行了这样的假设性研究，临床医生如何在临床实践中应用其结果？

默认的知识和临床决策

在我们假设的研究背景下，呼吸衰竭性低氧血症可以在不作任何主观价值判断的情况下进行定义，即研究人员需要严格遵循预先确定的纳入和排除标准。然而，这种策略并不能反映临床决策的床旁实践。在为个体患者决策治疗时，不可能避免主观价值判断（对事物的好坏进行评估）。医生基于临床直觉做出是否插管的决定。医生可能无法用文字准确地表达这个决定背后的具体原因。这是因为站在患者床边的聪明医生会感知到大量有价值的信息，远远超过可以用文字表达的范围。简言之，临床知识中有一个非常大的默认系数——医生知道的远远超过他们口头表达的能力。经验丰富的医生在床边进行评估时做出的评估与同一医生根据初级住院医生通过电话传递的信息进行的评估之间存在巨大差异。一个经验丰富而睿智的医生在决定对特定患者在特定环境下做出的最佳抉择时，使用的是直觉而不是明确的规则。床边的临床医学实践涉及认知过程和技能表现，这些过程无法纳入随机对照试验或观察性研究中。一个将这种直觉视为非科学和有缺陷的医生，对科学认识论和临床实践的本质都有根本误解。

结论

在个体患者中，无法以一系列项目的形式明确表达机械通气的适应症。在临床实践中，插入气管导管的决策基于临床判断、直觉和默认知识。我们未能制定适应症列表并不意味着我们主张激进机械通气的方法。例如，我们前面提到了PaO2在提供患者脑氧供应方面的局限性。这并不意味着我们认为PaO2不重要。当我们得知一个患者尽管实施了非侵入性氧合策略，但仍然处于急性和持续低氧状态时，我们立即考虑采取措施实施侵入性通气。但是，无法选择一个PaO2阈值，可以在所有患者中侵入性通气的益处明显超过其危害。想象将关于实施侵入性通气的决策制定成一个具有每个节点上的数字的算法是徒劳的。总言之，一个算法无法替代对临床评估艺术有深刻理解的技艺娴熟的医生的存在。

尾声

我们的患者在医院住了38天，其中16天在重症监护室。尽管在高流量鼻导管输氧时，他的血氧饱和度保持在80%左右（偶尔下降到70%左右），他从未出现呼吸困难。他的意识状态保持正常，他专注地看着电视，并适当地使用手机与家人交谈。他没有被插管。患者出院时需要每分钟2升的氧气。补充氧气在出院后一个月后停止。他成功完成了门诊肺康复（图6）。

图6：出院后完成十二周肺部康复治疗的患者

来源于Huashan NICU

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