呼吸力学导向的机械通气策略在急性呼吸窘迫综合征中的应用
呼吸力学导向的机械通气策略在急性呼吸窘迫综合征中的应用
急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是临床常见的急危重症，机械通气是ARDS患者最重要的支持治疗手段。无论是自主呼吸还是机械通气，肺通气的本质都是呼吸的动力克服阻力并驱动气体运动的力学过程。认识ARDS患者的呼吸力学特征，对于理解ARDS的病理生理机制、把握呼吸机治疗的原理、指导制定恰当的肺保护性通气方案、减少不恰当的机械通气引起呼吸机所致肺损伤(ventilator induced lung injury，VILI)具有举足轻重的意义。
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一、呼吸力学的异常是机械通气的基础
ARDS的主要病理改变是广泛的肺泡及肺间质水肿、肺泡不张、肺容积减少、肺内动静脉分流增加、气体交换功能受损，进而使呼吸过程中与气体运动有关的压力、流速和容量等呼吸力学参数发生异常，主要集中在顺应性及压力-容积(P-V)曲线的改变。
1．ARDS肺及胸壁顺应性特征：
ARDS的最主要的呼吸力学特征是肺顺应性的急剧降低，而比顺应性无明显变化。顺应性改变与肺损伤致病因素有关。重症肺炎等引起的肺内型ARDS肺顺应性明显降低而胸壁顺应性维持正常，而由脓毒败血症等引起的肺外型ARDS肺顺应性轻度降低或正常而胸壁顺应性明显降低，其主要归因于肺外型ARDS腹腔压力明显高于肺内型ARDS[1]。顺应性的改变与肺损伤的严重程度有关。Pintado等[2]将轻、中、重度ARDS患者，依据0.4 ml/cmH2O/kg(1 cmH2O＝0.098 kPa)理想体重的顺应性分为高顺应性亚组和低顺应性亚组，发现各组中低顺应性亚组患者的死亡率均明显高于高顺应性亚组，表明顺应性的大小与患者的严重程度及死亡率直接相关。顺应性还与功能残气量(functional residual capacity，FRC )及呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)密切相关。肺顺应性的大小取决于FRC，且与FRC呈正比关系，FRC是唯一能预测ARDS肺顺应性的指标。PEEP的作用之一是增加跨肺压，当跨肺压超过肺泡复张的临界压力时，吸气期使塌陷终末呼吸性支气管及肺泡复张，呼气期防止肺泡的不张和塌陷、增加FRC、改善顺应性。PEEP对肺容积的影响具有一定的时效性，单次呼吸周期中，PEEP的即时效应是使通气的肺泡进一步膨胀，而随后的10～20次呼吸才促使不张肺泡的复张[3]。
2．ARDS P-V曲线的特征及其病理生理学意义：
健康人和ARDS患者的呼吸系统P-V曲线从FRC位至肺总量位的均呈"S"形。健康人FRC位以上的容积范围内，P-V曲线基本呈线性关系，顺应性较高；ARDS患者肺顺应性降低使整个P-V曲线比健康人更加平坦，典型的曲线根据顺应性大小分为三段(图1)：①低肺容积低顺应性段，大部分肺泡甚至外周小气道处于塌陷状态，顺应性较低，曲线较为平坦；②较高肺容积高顺应性段，随着吸气压力增加，塌陷肺泡复张，顺应性增大，压力与吸气量呈线性关系；③高肺容积低顺应性段，气道压力若继续增加，肺泡过度膨胀，顺应性下降，则曲线再度变平坦。在连续的P-V曲线中，顺应性的转折点分为低位拐点(lower inflection point，LIP)和高位拐点(upper inflection point，UIP)。一般认为LIP对应肺泡复张，UIP代表肺组织过度膨胀。
二、ARDS肺病变非均一性特征需要个体化的通气方案
胸部CT研究发现在ARDS患者肺组织中未充气、充气不良、正常充气及过度充气区域共存[4]。呼吸阻抗技术也证实ARDS肺实质具有明显的不均一性[5]。病变不均一性的程度与ARDS的严重程度相关，轻、中及重度ARDS其存在不均一病变的肺组织分别占肺容积的(14±5)%, (18±8)%和(23±10)%，并与ARDS肺的生理性死腔呈明显的正相关，ARDS幸存者肺组织不均一性的严重程度明显小于死亡患者[6]。肺组织非均一性改变的主要危害是使开放与闭陷肺组织交界处产生肺应力集中现象，形成危害性应力[7]。PEEP之所以可以改善ARDS患者病情，其原因之一是PEEP使肺未充气、充气不良区域重新开放，降低了应力集中作用。过大的潮气量使肺组织吸气末受到过度牵拉，肺应力集中现象随之加剧。因此，ARDS肺非均一性的病理生理特点，决定了必须根据患者肺本身的病变特征而选择合适的PEEP及潮气量，以满足个体化的肺保护性通气的需要。
三、当前的肺保护性通气策略忽略了个体化需要
当前广为接受的肺保护性通气是以控制基于理想体重的潮气量和吸气平台压为手段来减少VILI。潮气量选择时之所以以患者理想体重为参考依据，主要源于正常人肺容积及肺通气的各项参数与理想体重呈正比关系，而ARDS患者由于不同患者的发病因素、病变范围及严重程度不同，FRC等肺容积参数与理想体重之间不存在正比关系，一律按理想体重予以6 ～ 8 ml/kg理想体重的潮气量并不科学，忽视了患者个体间FRC的差异。FRC是呼气末吸气初的基础肺容积，在设置潮气量时应考虑患者实际的FRC而不仅仅是理想体重[8]。实验表明依据理想体重选择的潮气量不能反映肺应变值的大小[1]，而后者决定了VILI的发生及其严重程度[9]，因此将正常肺的潮气量选择标准用于"婴儿肺"，显然忽略了个体化需要。
四、以呼吸力学为导向的个体化肺保护性通气
1．以呼吸力学为导向选择个体化最佳PEEP：
既往认为最佳PEEP是既能改善氧合又能减少VILI的PEEP。早期的研究利用氧合来设置PEEP，认为PEEP的主要作用是改善氧合，进而改善肺顺应性和患者预后。实际上，在降低VILI所相关的病死率和死亡率中，肺顺应性的改善比氧合的改善更加重要，目前多数学者认为既能使肺组织塌陷、不张容积最小，又能避免肺组织过度膨胀的PEEP为最佳PEEP[10]。与之对应，当前广为接受的设置PEEP方法是呼吸力学法，而非以氧合为主要标准。呼吸力学上主要根据顺应性、跨肺压、P-V曲线及肺牵张指数来指导PEEP的设置。
研究结果表明顺应性的变化比动脉氧合和肺内分流更好地反映复张后肺通气区域与非通气区域的变化[11]，顺应性常于选择最佳PEEP。Krebs等[12]利用数学模型的方式对此进行了研究，PEEP自高压力向低压力逐步滴定，过程中不断检测顺应性，最大顺应性时对应的PEEP为最佳PEEP，因此称为最大顺应性法。Suarez-Sipmann等[13]比较最大顺应性法与氧合法和CT法滴定最佳PEEP的区别，发现以最大顺应性法为标准所设定的PEEP与CT法、氧合法所设定的PEEP均值具有很高的一致性，但其在个体间的差异较大。Pintado等[2]发现采用最大顺应性法组患者呼吸或循环衰竭天数、多器官功能障碍几率明显低于氧合法组。由于顺应性不仅取决于肺本身力学特征，也受腹腔内压等因素影响，因此跨肺压也用来选择最佳PEEP[14]。对于伴有腹内压升高的患者，跨肺压法选择的最佳PEEP比氧合法高，但更有效地改善氧合及顺应性[14,15]。在滴定PEEP的过程中PEEP过低，氧合指数降低且与呼气末跨肺压降低使肺组织塌陷有关，而当高PEEP过高引起吸气末跨肺压升高，死腔容积与潮气量比值增大，肺过度膨胀。因此，若以跨肺压在此上下限之间对应的PEEP为最佳PEEP，则既可改善氧合又可降低肺泡塌陷或过度膨胀的风险，减少VILI的发生[16]。P-V曲线也是选择PEEP的常用方法，早期研究认为P-V曲线LIP以上2 cmH2O对应压力设为最佳PEEP[4]，但目测P-V曲线LIP重复性差，而双向积分法计算过程过于复杂。为避免这些缺陷，有学者建立了P-V曲线S形曲线模型[17]。依据LIP选择PEEP是基于人们传统上对于P-V曲线的解读，其认为LIP提示肺泡的广泛复张，而UIP则是肺泡过度膨胀的标识。最新的观点认为LIP是肺复张的开始，肺复张发生在P-V曲线吸气支LIP和UIP之间的线性段，PEEP低于LIP则预示着肺组织发生去复张，而PEEP高于UIP则提示肺过度膨胀，因此主张PEEP应高于LIP而低于UIP。也有观点认为P-V曲线吸气支只反映肺复张的情况，呼气支可能对于判定PEEP水平更加关键。Albaiceta和Blanch[18]发现在P-V曲线呼气支UIP处对应正常通气肺组织多于LIP处，且无通气肺组织较少。在呼气支UIP对应压力水平以下肺组织去复张显著，支持应用呼气支UIP选择最佳PEEP。有学者认为[19]由于P-V曲线吸气支和呼气支之间存在容积滞后现象，在PEEP设置时必须兼顾P-V曲线的吸气支和呼气支，并建议选取P-V曲线中90%最大滞后容积处对应压力为最佳PEEP(图2)。也有研究采用肺牵张指数法选择PEEP，肺牵张指数是气道压力-时间曲线中的重要参数，反映曲线吸气支的非线性特征，并发现肺牵张指数为1时可作为选择最佳PEEP的依据[20]。在几种滴定PEEP的呼吸力学法中，采用P-V曲线呼气支选择的PEEP压力最高，肺牵张指数法滴定的最佳PEEP水平高于最大顺应性法及P-V曲线LIP＋2 cmH2O法，其对肺复张手法后维持肺泡的开放及改善氧合作用更加明显[21]。跨肺压法及肺牵张指数法滴定的PEEP在不同严重程度患者间无显著差异，不能充分预测肺的可复张性，而氧合法滴定的PEEP在轻、中及重度患者中呈逐渐升高，且与肺的可复张性相关[22]。在PEEP选择的实际应用中还需结合患者的具体情况，仅依据氧合、顺应性等单一指标来决定最佳PEEP未必合适，应结合多种参考指标综合考虑[10]。
2．以肺应变为导向选择个体化的潮气量：
在最初认识ARDS的30年里，往往给予大潮气量机械通气方案，随着研究的深入逐渐被小潮气量方案取代，潮气量大小根据患者理想体重来选择，而非实际体重，若根据实际体重来选择潮气量，对于女性及身材偏矮小及肥胖的ARDS患者，潮气量偏大，将增加其VILI发生的风险。近年的研究发现潮气量的个体化选择既不是根据理想体重也不是患者的实际体重，而是根据潮气量与患者"婴儿肺"FRC的相对关系即肺应变。肺应力和应变为近十年内由Gattinoni教授提出的新概念[7,23]，为制定肺保护性通气策略、减少VILI的研究提供了全新的思路。在呼吸力学领域，肺应变定义为呼吸过程中肺容积的改变量与静息肺容积的比值(ΔV/V0)，V0为FRC，在使用PEEP时ΔV包括潮气量及PEEP引起的肺复张容积(VPEEP)即肺应变＝ (潮气量＋ VPEEP)/FRC；肺应力定义为肺组织在牵张力作用下产生对抗牵张作用的单位面积内力的大小，肺应力与跨肺压相等。在呼吸生理学中，肺组织中承受应力和应变的结构是由弹性蛋白和胶原蛋白组成的肺组织细胞骨架。弹性蛋白可以延伸至其初长度的1.5倍，弹性蛋白拉伸至最大长度时对应的肺应变约为2.0；而胶原蛋白不具有弹性，起限制肺过度膨胀的作用，决定肺总容量的大小。肺应力和肺应变在弹性蛋白的弹性范围内存在等比关系，其对应的肺应力和肺应变为生理性肺应力和应变，当肺过度充气使弹性蛋白伸长超过其弹性范围时，对应的应力和应变为非生理性肺应力和应变。当不恰当的机械通气使肺组织过度拉伸而产生非生理性肺应力和应变时VILI随之发生，严重时影响患者的预后。
肺应变值的大小在VILI发生发展过程中具有重要意义，实验研究表明肺应变值在1.5以下时无VILI发生，而应变值大于1.5～2.0时VILI的发生明显增加，且存在拐点现象，这一拐点在1.5～2.0区间范围之内[9]。临床上，由于每一个患者的FRC均不同，且与体重不存在比例关系，在选择潮气量时若能结合对应的肺应变，根据公式潮气量＝肺应变×FRC–VPEEP计算潮气量必将制定出更符合个体化需求的肺保护性通气方案。
最近有学者提出使用肺应变值和肺容积结合体重指数来调节机械通气参数的观点，因此有可能利用总肺应力和应变为参照而非平台压和潮气量来调节机械通气[24]。也有学者利用肺应力和应变之间的相互关系，衍生出应力-应变指数，并利用应力-应变来计算潮气量及呼吸频率，制定出的通气策略较当前的肺保护性通气策略更加合理[7]。
总之，诸如顺应性降低、FRC减少、P-V曲线的改变及肺部不均一性病变等呼吸力学改变是机械通气的病理生理基础，也是制定个体化肺保护性通气方案的参考依据。P-V曲线意义的再解读、肺应力和应变新概念的提出均为人们认识ARDS患者呼吸力学特征，理解机械通气尤其是个体化肺保护性通气的本质提供了崭新的思路。尽管肺应力和应变在VILI发生发展中意义、如何利用其指导机械通气尚需更多的研究，但是由于其紧密的着眼于个体化的"小肺"，在未来个体化肺保护性通气中必将发挥越来越重要的作用。
引用: 刘奇, 程哲, 陈荣昌. 呼吸力学导向的机械通气策略在急性呼吸窘迫综合征中的应用研究进展 [J] . 中华结核和呼吸杂志,2015,38 (3): 208-211.
《药物和医疗器械临床试验300问及案例分析》第2版