膈肌功能的检测及临床应用

呼吸运动是呼吸肌肉收缩和舒张引起的胸廓节律性扩大和缩小，从而实现吸入氧气和呼出二氧化碳的目的。吸气肌肉主要包括膈肌、肋间外肌以及辅助吸气肌肉，如斜角肌、胸锁乳突肌等。膈肌作为主要的吸气肌肉，在平静吸气过程中起70%的作用。膈肌力量下降会造成气促和呼吸困难，甚至呼吸衰竭。客观、有效地评价膈肌功能将有助于诊断因呼吸困难或呼吸衰竭而就诊的神经肌肉疾病。对于表现为限制性通气功能障碍、Ⅱ型呼吸衰竭、X线胸片正常的患者要高度怀疑呼吸肌功能异常，并进行膈肌功能检查。

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膈肌在构造和功能都是独一无二的，它的形状将胸腔分为上下两部分。

薄而强韧的膈肌，泰然自若地的横卧在腹腔消化器官和胸腔心肺器官之间。

附着处

膈肌像一把大伞，伞柄部由两条与腰椎前部相连的“腿”组成，大多数人的柄干部都靠近身体中央——中心腱，“伞”边缘与剑突和围绕在剑突周围的肋骨下边缘相连，形成位于双肺下方的穹顶。

膈肌下面观

功能解剖

膈肌是呼吸运动的主要肌

吸气时，膈肌收缩，中心腱下移使胸腔上部形成负压，空气在外界气压下进入肺部；呼气时，膈肌纤维放松，中心腱松弛而使肺回缩，将气体挤出。

膈肌突然收缩会使气体快速进入肺部，声带关闭，出现打嗝。膈肌的运动直接影响到心脏。心脏的纤维心包与膈肌纤维是相连的，当呼吸时，心脏在膈肌上有规律的上下起伏。

我们每天大约要进行呼吸17000次，在任何情况下，呼吸都是最重要、最基本的核心运动，其它许多运动都建立在这种基础上。如果每天重复着错误的呼吸模式，就算问题微小，但由于每天重复次数多，持续时间长，依然会导致很多不平衡的出现。但是，并不存在完美呼吸。完美呼吸或许是一种与任何即定活动的需求相匹配的能力。

膈肌锻炼最有效的方式是所谓的“狗喘气”练习法。不过这种喘气法绝非真的像狗那样张着大嘴喘气，而是将嘴闭上，用鼻孔喘气。

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膈肌功能的检测包括膈肌肌力和膈肌肌电(diaphragm electromyography)的评价。由于人体膈肌肌力很难直接测量，通常用吸气压力作为膈肌肌力的指标。同时检测吸气压力和膈肌肌电能更全面地反映膈肌功能。膈肌肌力可通过努力相关指标，如最大口腔压、最大吸鼻鼻腔压、最大吸鼻食管压(maximal sniff esophageal pressure)及最大跨膈压(maximal transdiaphragmatic pressure)等进行检查。对于一些没有自主呼吸或不能掌握用力吸气要领的患者，可通过非努力相关指标如磁刺激或电刺激膈神经诱发膈肌复合动作电位(compound muscle action potential，CMAP)的幅度，膈神经传导时间(phrenic nerve conduction time，PNCT)及颤搐性跨膈肌压(twitch diaphragmatic pressure，TwPdi)来客观评价膈肌功能。

一、努力相关指标

1.最大吸气口腔压是反映呼吸肌力量的一个指标。当膈肌肌力严重下降时，最大口腔压会变小。进行最大吸气口腔压测定时，要求在功能残气位阻断气道并做最大吸气。操作过程包括受试者取坐位夹鼻，在平静呼气末关闭气道后作最大努力吸气，且持续1 s以上，一般重复3次以上，取其中最大值。其正常值变化范围较大，一般男性<－70 cmH₂O，女性<－40 cmH₂O。当患者的最大吸气口腔压<正常范围时，应考虑膈肌肌力下降。该检测方法设备要求少、操作简单，适合于呼吸肌肉功能的筛查和床旁检查。但其易受受试者的用力程度及吸气方法等影响。最大口腔压降低既可能是由于膈肌功能下降，也可能是由于受试者没有尽其最大努力。一些最大口腔压下降的患者并没有呼吸肌功能异常。

2.最大吸鼻鼻腔压是指在功能残气位(FRC)时快速用力吸鼻产生的鼻腔压。操作过程：向受试者一侧鼻腔内插入带有测压导管的塞子，在平静呼气末合并上下唇，做快速用力吸鼻动作。这一方法具有无创、操作简单并为大部分患者所熟悉的特点。对于一些最大口腔压测定不理想的患者，鼻腔吸鼻压可作为替代方法。正常人鼻腔吸鼻压约为食管压(esophageal pressure)的91%，而且吸鼻时食管压与鼻腔压高度相关(r＝0.99)。为了获得最大吸鼻压，有人建议重复10～20次的吸鼻动作，鼻腔吸鼻压<－60 cmH₂O可认为吸气肌正常或接近正常。一些伴有气道阻力增高的疾病，如慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)患者的鼻腔吸鼻压绝对值常<食管压，因此鼻腔吸鼻压可能低估这类患者的吸气肌力量。患有肺囊性纤维化或神经肌肉疾病的儿童，其鼻腔吸鼻压绝对值也可能显著低于吸鼻食管压。与最大吸气口腔压一样，最大吸鼻压也能反映吸气肌力量。最大吸气口腔压与最大吸鼻压之间的关系是互补而不是相互替代。例如，一个患者的最大吸气压正常而最大吸鼻压减少，或一个患者的最大吸气压降低而最大吸鼻压正常，其吸气肌力均应判定为正常。我们最近的研究结果显示，2个指标同时测量有助于呼吸肌力量的客观评价，降低误判率。

3.最大食管压是患者在功能残气位时做最大用力吸气或做快速用力吸鼻所测得的食管压，它是反映吸气肌力量的最好指标之一。食管压的测量要在食管内置放带囊或微压力传感器导管，囊或微压力传感器的理想位置在食管的中下1/3处。食管压<－80 cmH₂O(男性)或<－70 cmH₂O(女性)提示吸气肌正常或接近正常。与最大吸气口腔压和最大吸鼻鼻腔压相比，食管压的重复性更好、变异性更小，能更准确地反映吸气肌功能。

4.最大跨膈压是反映膈肌功能最特异指标之一。最大吸气口腔压、最大吸鼻鼻腔压和食管压这3项虽然可作为评估膈肌功能的指标，但它们主要反映整体的呼吸肌功能。如果要准确评价膈肌功能，则需通过一根同时带有两个气囊的导管测量最大跨膈压，其中一个气囊放置于食管而另一个气囊放置于胃内，分别测量食管压和胃压及两者之差跨膈肌压(transdiaphragmatic pressure)。最大跨膈压可以通过最大用力吸气、快速用力吸鼻等方式获得。最大跨膈压的正常值为男性>100 cmH₂O，女性>70 cmH₂O。相比最大用力吸气方式，快速用力吸鼻方式获得的最大跨膈压变异性小、重复性好。例如，采用测量最大口腔压的方法所测的跨膈压(36～200 cmH₂O)变异性>最大吸鼻跨膈压(86～195 cmH₂O)。轻度膈肌功能异常可不产生任何症状，但当膈肌功能严重下降时，例如跨膈压<30 cmH₂O或膈肌力量<正常的30%时，可出现呼吸困难甚至呼吸衰竭。

上述呼吸功能测定方法有赖于受试者的合作和努力，不适合于意识丧失或者检查配合欠佳的患者。最大跨膈压下降既可能是因为膈肌功能下降，也可能是因为检查时患者配合欠佳，没有尽力吸气所致。对膈肌功能异常与否有疑问的患者，需要进行非努力相关性膈肌功能检查。

二、非努力相关指标

1．TwPdi：

对于一些配合欠佳的受试者，可通过电刺激膈神经诱发TwPdi评价膈肌功能。操作过程：受试者戴鼻夹，在平静呼气末闭口后进行电刺激膈神经。刺激膈神经的位置为颈部胸锁乳突肌后缘中点，甲状软骨水平处。刺激的位置太靠近头侧可能使部分膈神经纤维未被激活，而位置太低则会刺激臂丛神经引起上肢运动。

膈神经刺激的强度与刺激电极方向、皮下脂肪厚度以及刺激输出电压或电流大小有关。以电压输出刺激源为例，如果刺激波频率为0.1 ms，最大刺激膈神经所需的电压常在80～240 V之间。为了减少受试者在寻找膈神经过程中所受到的痛苦，常用较低的刺激强度开始(例如40 V)。当出现CMAP时，再逐渐增大刺激强度，直到跨膈压或CMAP不再增大时为最大刺激。为了保证试验过程中持续取得最大刺激，常在最大刺激强度的基础上加大20%。电刺激后没有CMAP或TwPdi既可能是因为膈肌麻痹也可能是刺激位置不当。由于电刺激技术要求高，许多操作者难于掌握，且经皮电刺激会引起刺激局部疼痛不适，从而影响了这一技术的推广应用。由于磁电可以互相转换，膈神经刺激可以通过磁刺激获得；且磁刺激具有无痛且操作容易的特点，因此应用越来越广。

TwPdi的正常值为18～42 cmH₂O，单侧TwPdi>8 cmH₂O或双侧TwPdi>18 cmH₂O可排除有意义的膈肌功能不全。但TwPdi受肺容量、刺激强度、预激等影响，因此在操作时受试者应保持平静呼吸、刺激位置的选择要适当。

2．膈肌肌电：

是膈肌活动过程中产生的电信号，能有效反映膈肌功能。它包括自主呼吸产生的膈肌肌电以及通过刺激膈神经产生的CMAP两种类型。

自主呼吸产生的膈肌肌电包括最大自主呼吸下记录的膈肌肌电(最大膈肌肌电)和平静呼吸时的膈肌肌电。最大膈肌肌电可通过最大吸气、最大吸鼻等方式获得。平静自主呼吸下记录的膈肌肌电，是反映呼吸中枢驱动的一项可靠指标。膈肌肌电可通过均方根(RMS)进行量化。

通过磁刺激膈神经记录CMAP幅度和PNCT(指刺激开始到CMAP出现的时间)可以反映膈神经功能。同时记录CMAP和TwPdi可以提高膈肌功能检测的准确性。正常PNCT<10 ms，CMAP幅度>1.00 mV。

记录膈肌肌电的电极有表面电极、针电极和食管电极。表面电极是选用一对银－氯化银电极置于胸壁，记录体表膈肌肌电的信号。研究结果显示，在某些情况下，体表膈肌肌电与食管膈肌肌电有良好的线性相关。虽然体表膈肌肌电具有简单无创特点，但表面膈肌肌电信号易受电源及其他肌肉信号的干扰。针电极是一种有创并可能导致气胸、出血的检查方法，临床上很少应用。

3．食管电极与膈肌功能检测管：

食管电极管是目前应用较广的技术，是一根带有电极片的细长管子，经鼻腔插入胃内使电极置放于膈肌肌电活动中心。虽然一对电极就可记录膈肌肌电，但简单的电极导管很难准确置放。目前使用广泛的食管电极是由10个电极组成5个电极对的导管。在食管电极管上附上食管囊和胃囊可在记录膈肌肌电的同时记录跨膈压，更加全面地反映膈肌功能。我们最近研发出了膈肌功能检测管(图1)，具有同时检测膈肌肌电、食管压、胃压和跨膈压的功能。目前这一导管在国际上已得到越来越广泛的应用。

图1

多导食管电极管的实物图

由于膈肌肌电强度与电极的位置有关，而且膈肌在呼吸运动过程中位置不断移动。多通道的膈肌肌电能消除膈肌移位对膈肌肌电信号的影响。多项研究证明膈肌功能检测管能准确地记录膈肌肌电反映膈肌功能和呼吸中枢驱动。

通过磁刺激膈神经并实时观察膈肌肌电信号或观察自主呼吸时的膈肌肌电信号可准确地把膈肌功能检测管置放于食管的膈肌平面。理想的位置是导联1和导联5获得最强而导联3获得最弱的CMAP或膈肌肌电(图2)。

图2

多导食管电极简易图(左)及其记录的膈肌肌电(中)以及CMAP(右)示意图

三、临床与科研应用

1．不明原因呼吸困难的诊断：

呼吸肌是呼吸运动的动力源，其功能异常可导致呼吸困难甚至呼吸衰竭。一些不明原因的呼吸困难、呼吸衰竭、肺动脉高压伴限制性通气功能障碍，而胸部CT或X线胸片检查正常者，应该考虑呼吸肌功能异常。膈肌瘫痪时胸部影像检查可出现一侧或双侧膈肌上抬，但要确诊需做全面的呼吸肌功能检测。曾有一例患者，因反复出现胸闷、气促及间断双下肢浮肿而到全国多省三甲医院就诊。虽经多项检查包括血气、胸部CT、心脏彩超及心脏导管术，但诊断仍为原因不明的肺动脉高压、肺心病和呼吸衰竭。到我院就诊后做膈肌功能检查，发现没有自主呼吸膈肌肌电和跨膈压，也没有CMAP和TwPdi，这一患者最终确诊为膈肌麻痹。这一病例提示对不明原因的呼吸困难或呼吸衰竭应积极进行呼吸肌功能检查。

2．睡眠呼吸暂停的鉴别诊断：

睡眠呼吸暂停包括阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)和中枢性睡眠呼吸暂停(CSA)两大类型。前者是由于上气道阻塞，而后者是由于呼吸中枢驱动消失所致。由于发病机制和治疗方法不同，区分中枢性与阻塞性睡眠呼吸暂停对疾病治疗有重要意义。常规睡眠多导图依据胸腹带信号判定呼吸努力。由于胸腹带容易移动脱落造成信号丢失，可将一个阻塞性睡眠呼吸暂停事件误判为中枢性。在进行常规睡眠多导图检查时记录食管压和膈肌肌电可准确鉴别中枢性和阻塞性睡眠呼吸暂停。例如，一个不伴有食管压或膈肌肌电变化的睡眠呼吸暂停事件就为中枢性睡眠呼吸暂停；当一个伴有食管压或膈肌肌电变化的睡眠呼吸暂停事件，即使没有胸腹带信号也应判断为阻塞性睡眠呼吸暂停。有研究结果显示，睡眠呼吸暂停相关的微觉醒与食管压和呼吸中枢驱动有关，微觉醒是由于食管压达到一定阈值时诱发，与缺氧及高二氧化碳关系不密切。

3．慢阻肺的病理生理变化研究：

呼吸困难是慢阻肺患者活动受限的主要原因之一，呼吸中枢驱动与呼吸困难密切相关。通过膈肌功能检测管我们发现慢阻肺患者平静状态下膈肌肌电就比健康正常人高。我们最近提出了呼吸中枢驱动有效性这一新概念，即每分通气量与膈肌肌电的比值，慢阻肺患者运动受限可能与呼吸中枢驱动有效性下降有关。最近的研究结果显示，膈肌肌电与气促的严重程度呈正相关，膈肌肌电可作为客观评价气促的指标。可见膈肌功能检测管对我们进一步理解慢阻肺的病理生理机制，疗效评价有重要价值。

4．膈肌疲劳：

许多学者认为膈肌疲劳与临床密切相关，是造成呼吸困难和呼吸衰竭的重要因素。然而文献报道的膈肌疲劳通常是在正常人身上通过额外施加呼吸负荷所诱发。一些理论上容易产生膈肌疲劳的状态，如慢阻肺患者激烈活动后或重症病房患者脱机失败时，反而找不到膈肌疲劳的证据。虽然正常人在吸气阻力负荷下或做最大通气后可引起TwPdi下降和诱发膈肌疲劳。但是，反复给予阻力负荷并不能使TwPdi进一步下降，很难诱发严重膈肌疲劳。临床上很少观察到严重膈肌疲劳可能与呼吸中枢的反馈抑制有关。不像四肢骨骼肌，疲劳后可以通过休息恢复，呼吸肌需要持续不停地工作以维持生命。严重呼吸肌疲劳如果真的发生，恢复将会很困难。事实上，临床上严重的呼吸肌疲劳可能并不常见。

5．重症监护室(ICU)患者呼吸肌功能监测：

ICU患者常患有呼吸衰竭，需进行人工通气。现有观点认为呼吸衰竭的主要病理生理改变为呼吸肌肉力量与呼吸负荷之间的不平衡。了解呼吸肌的功能以及呼吸肌力量与呼吸负荷之间的关系对探讨呼吸衰竭的机制，优化人工通气患者的管理包括人工通气参数的设置和选择脱机时间有重要意义。完整的呼吸肌功能检测包括食管压、胃压、跨膈压和膈肌肌电检测。然而，由于人工通气患者常常留置了鼻饲管，并置放有气道插管或气管切开导管。要在这一复杂条件下再置放三条导管几乎不可能，影响了ICU病房呼吸肌功能检测工作的开展。最近我们研发出了一条既能进行鼻饲，又能检测食管压、胃压、跨膈压和膈肌肌电的新型导管。我们早期的研究结果显示，ICU患者的膈肌CMAP幅值仅为正常人的一半，提示膈神经肌肉的疾病是ICU的常见合并症。膈肌功能检测将对人工通气患者的管理有一定帮助，可用于判断脱机成功与否。近年来有一些ICU病房开始用膈肌肌电调控呼吸机。一般来说，呼吸肌电出现应早于呼吸压力或气流的变化，因此用膈肌肌电触发呼吸机可能更加有助于人机同步。但是膈肌肌电早期信号微弱，且受到心电的干扰，微弱的膈肌肌电信号能否可靠地触发呼吸机还有待进一步证实。另一方面，对于呼吸衰竭的患者，是否膈肌活动早于其他吸气肌肉活动尚有争论。如果膈肌外的吸气肌肉收缩早于膈肌，就可能引起吸气压力和气流的变化早于膈肌肌电的出现，所以是否膈肌肌电触发呼吸机能改善人机同步有待进一步的证实。

参考资料：

1.贺白婷, 肖思畅, 罗远明. 膈肌功能的检测及临床应用 [J] . 中华结核和呼吸杂志, 2014, 37(11) : 848-851.

2.《功能解剖：肌与骨骼的解剖、功能及触诊》

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