机械功率在呼吸机相关性肺损伤中的研究进展

0  引 言

机械通气过程中引起的一系列肺部并发症被称为呼吸机相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI），这种严重的并发症会加重患者的病情，增加病死率^[1]。VILI的发生机制尚不完全清楚，目前公认的经典机制包括气压伤、容积伤、剪切伤和生物伤^[2]。然而，这些机制并不能完全解释VILI的复杂性，因为它们只考虑了呼吸机参数的静态特征，而忽略了呼吸运动的动态特征，如体积流量、呼吸频率等^[3]。研究表明，呼吸机的通气过程实际上是动力的传递过程，这种传递过程不仅是简单地将机械刺激转化为细胞内生化和分子信号，还涉及到机械应变、细胞形态变化和代谢功能等方面^[4]。因此，综合潮气量、呼气末正压（positive end expiratory pressure，PEEP）、呼吸频率和气道阻力等呼吸系统参数的机械功率可能反映了导致VILI的参数组合^[4]。近年来，越来越多的研究探讨了机械能和机械功率与VILI的关系和潜在机制，本文主要对机械功率与VILI有关基础研究和临床研究的研究进展进行综述，以期为理解和预防VILI提供新的视角。

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1  机械能与机械功率

1.1 机械能与机械功率的定义

呼吸功是指在自主呼吸时，呼吸肌为克服通气阻力而产生的能量消耗总和，等于经肺压力与潮气量乘积的积分。在物理学中，能量被定义为做功的能力，而功就是力传递的能量，做功伴随着能量的传递，这同样适用于呼吸力学。因此，通气机械能的概念本质上来源于呼吸做功的概念，可以定义为呼吸机传递给呼吸系统或肺的能量。而机械功率是指在一段时间内消耗的总能量，即为机械能与呼吸频率的乘积，通常采用的单位是焦耳每分钟（J/min）。机械能的实际计算公式又与呼吸系统参数密切相关，相较于呼吸功，机械能更强调的是动态累积的变化。

研究指出，呼吸系统参数发生变化时，机械能也将发生显著改变。其中，导致机械能改变的最主要因素有潮气量、气道压力以及呼吸频率；对机械能产生影响的重要因素有吸气体积流量、吸呼比、PEEP以及肺本身的状态^[5]。

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1.2 机械功率的计算公式

为了更好地理解机械功率的计算公式，首先简单总结一下相关物理量的基本单位。压力单位通常为cm H₂O（1 cm H₂O＝0.098 kPa），机械能单位为cm H₂O·L，将机械能单位由cm H₂O·L转化为焦耳（J），需要将所得机械能乘以0.098（1 cm H₂O·L＝0.098 J），再乘以呼吸频率（respiratory rate，RR）就能得到机械功率^[2]。

机械功率计算公式的优点在于它能量化不同呼吸系统参数对VILI的危害程度，并预测其变化的影响^[6]。表1总结了目前计算机械功率的几种不同方法，其中引入经典运动方程的机械功率计算方法能帮助更好地理解机械功率的作用机制。使用运动方程分量来说明机械功率的优点是可以清楚地理解不同变量的相对权重^[7]，缺点是计算相对复杂。测量压力体积曲线下面积的几何方法是计算机械能的“金标准”^[8]；对于容积控制通气，Gattinoni等^[6]提出的扩展方程代表了机械功率最精确的计算，但公式中诸如气道压力以及呼吸系统弹性这2个变量，在临床监测中不易测量；对于压力控制通气，研究人员已经提出了2个精确的计算方程^[9-10]，但这2个方程都需要了解阻力和呼吸系统顺应性等参数，同样，这些参数通常不能由呼吸机连续显示或量化；在容积控制通气中，还有一种更为简便的计算方式，该方程的所有组成部分可以由呼吸机连续显示，且无需临床医生干预，但这种方法也有其局限性，缺乏归一化极其对整个呼吸系统的应用^[11]。

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1.2.1  经典运动方程

由经典运动方程^[12-13]可知，总压力P＝EL_rs·∆V＋R_aw·F＋PEEP。由3部分组成，第1部分是由于弹性回缩力产生的压力分量：∆P＝EL_rs·∆V，其中∆P＝P_plat－PEEP，反映了使用呼吸系统顺应性归一化后的潮气量值^[14]；第2部分是驱动气体运动所需的压力分量：R_aw·F＝P_peak－P_plat，其中R_aw＝(P_peak－P_plat)/F；最后1部分的PEEP代表了肺的基线张力，它本身与运动无关，是潮气量和流量为零时呼吸系统中存在的压力。

1.2.2  单次机械呼吸的能量

用运动方程中的每部分压力乘以潮气量的变化值∆V计算出每次呼吸的能量E＝∆V·∆V·(EL_rs/2)＋∆V·R_aw·F＋∆V·PEEP；由于∆V＝F·T_insp，其中T_insp为吸气时间，故E＝∆V²·EL_rs/2＋∆V·R_aw·(∆V/T_insp)＋∆V·PEEP；而吸气时间T_insp＝60/RR·[I∶E/(1＋I∶E)]，故每次呼吸的能量E＝∆V²·[EL_rs/2＋RR·(1＋I∶E)·R_aw/(60·I∶E)]＋∆V·PEEP。

如图1所示粉色区域是呼吸系统产生弹性回缩力的过程中所产生的能量，蓝色区域是呼吸系统的阻力（包括气道阻力、胸廓阻力和组织阻力）相关的能量，绿色区域表示的是对应于PEEP相关的能量^[15]。将所得的机械能转化为机械功率，根据机械功率计算公式，计算出呼吸系统的任何变量发生变化时，对施加到呼吸系统的机械功率的影响。通过对这些变量的详细计算和分析，可以更好地优化呼吸机的参数设置，达到更好的治疗效果。

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2  机械功率在VILI中的研究

2.1 机械功率有关的基础研究

据国际流行病学研究报道^[16]，在ICU患者中，急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）的患病率占10.4%；在接受机械通气治疗的患者中，ARDS的患病率占23.4%；ARDS患者的病死率为35%～46%。ARDS患者需要使用机械通气帮助维持呼吸功能直至其恢复自主呼吸功能，但在机械通气过程中需要监测和控制任何潜在的有害影响，如根据患者病情及时调整潮气量和气道压力等呼吸参数值，否则有可能出现VILI^[17]。

Hotchkiss等^[18]研究发现，呼吸频率是机械通气相关肺损伤的重要因素。在这项研究中，保持压力不变的情况下，提高呼吸频率会加剧肺水肿和血管周围出血。这种损伤与时间有关，称为时间创伤。Amato等^[19]在一篇关于驱动压的研究中发现，驱动压小于等于15 cm H₂O可降低ARDS患者的死亡率。驱动压导致的VILI被称为能量创伤。此外，Protti等^[20]研究表明，流量亦与机械通气引起的肺损伤有关。通过观察肺应变（即潮气量与功能残气量之比），可以计算出应变率（肺应变/吸气时间）。简化的方法是查看随时间变化的容量，也就是流量。研究发现，高应变率会导致肺水肿和损伤，这种损伤被称为流量创伤。此外，当流量向肺部的气流不足时，身体会通过增加呼吸功来做出反应，这也会导致损伤。

从组织学研究的微观层面来说，机械功能导致的肺损伤主要集中在非常小而脆弱的承载应力的肺组织，并且其效应随着不断的呼吸循环而累积和增强^[21]。由机械功率的计算公式可知，机械功率体现了上述呼吸系统参数的综合作用。因此，机械功率可能是一个从总体上评估和预防VILI风险的良好指标^[8]。

机械通气过程中传递到肺部的能量产生了机械应力和应变，这种载荷被认为是机械通气强度，可以量化为机械功率的值。VILI引起的肺损伤程度可能取决于机械通气强度，其生理基础是过度的应力（当施加给定的经肺压力时，肺结构中产生的“反压”）应变（呼吸过程中肺容积的改变量与参照肺容积的比值）^[11]。因此，评估是否存在机械功率安全阈值具有重要的临床意义。

Protti等^[22]发现在健康小猪中，只有当应变达到或大于1.5～2.0（潮气量远大于20 ml/kg）时，才会导致VILI。Massimo等^[8]在一项动物实验中发现，当机械功率超过12 J/min时，所有参与实验的健康小猪均发生肺损伤。在Romitti等^[23]的一项动物实验中，18只健康小猪在机械功率为3、7和12 J/min时俯卧位通气48 h，实验结果显示机械通气本身（包括维持机械通气的所有必要因素，如镇静、麻醉等）会加重肺损伤程度，而这种损伤与机械通气的强度成正比，且无法确定肺保护性通气的安全阈值。据相关文献报道，机械功率大于17 J/min会导致ARDS患者的死亡风险不断增加^[24]。由于猪和人肺实质中弹性蛋白和胶原蛋白的比例不同，猪的比肺弹性几乎是人类的一半^[22]（人类为12 cm H₂O，猪为6 cm H₂O）。因此，不能直接将动物实验的研究结果类推到人类。Santos等^[25]研究表明，如果单个呼吸系统参数（如潮气量）超过安全阈值，那么仅通过限制机械功率来避免VILI是远不够的。因此，为了达到保护性机械通气的目的，必须将单个参数设置在安全范围内，以获得更为精确的机械功率安全阈值。

然而机械功率只是引起VILI的一部分原因，另一部分由肺自身的状况决定。采用相同的机械功率通气可能具有不同的影响，这取决于肺的容量、肺的不均匀性、应力上升的程度以及血管的充盈状态等，这些因素都会导致输送的能量分布不均匀。对于完全健康的肺而言，VILI的阈值水平实际敏感性很高，潮气量值需要在30～40 ml/kg甚至更高才会导致肺损伤^[26]。机械功率受呼吸系统顺应性的影响，寻找一个按功能性肺容积和组织异质性归一化的机械功率安全阈值，可能有助于精确定义个性化通气的安全阈值^[27]。

2.2  机械功率相关的临床研究

在Kneyber等^[28]的一项包含312例儿童患者的临床研究中发现，每次呼吸的能量与潜在的肺部病理和患者预后相关，机械能与肺病理有显著相关性。Xie等^[29]通过比较不同机械功率条件下大鼠和患者的肺损伤情况表明机械功率值越高，肺损伤越严重。机械功率与VILI的关系近年来逐渐成为临床研究的热点，表2总结了机械功率与ICU接受机械通气患者死亡率关系的几项大规模临床研究。

由研究可知，机械功率与患者死亡率、通气时间以及ICU住院时间有关^[32]；也与输送到肺部的能量大小和持续时间呈正比^[17]。即使潮气量或经肺驱动压在“安全”范围内，机械功率过载同样是呼吸机造成肺损伤的主要决定因素。在机械通气治疗中，应该根据患者的肺部承受能力合理设置呼吸系统的相关参数，并进行适时的调整，以确保机械通气的安全性^[33]。这样的调整能够提高治疗效果和患者的生命质量，避免不必要的并发症和风险。同时，合理的参数设置也有助于优化呼吸机的性能，让治疗过程更加稳定和可控。

3  机械功率未来的研究方向

机械功率将多个呼吸参数整合在一个唯一且便于计算的方程里，是一个非常有吸引力的概念，而且在临床很容易付诸实施。近年来，通过利用随机对照实验、个体数据荟萃分析和大型观察性研究等方法，对机械功率在VILI中的研究逐渐深入，并取得了一定的进展^[34]。但是，未来还有以下几个问题需要进一步的研究探索。

（1）目前关于临床如何评估机械功率的最佳方程仍有争议。机械功率与ARDS和非ARDS人群死亡率的增加和氧合恶化相关，但也有报告标明只有当机械功率归一化到顺应性和通气组织体积时^[35]，这一相关性才成立。因此，有必要进一步研究建立更加准确的机械功率计算方法，以更好地了解机械功率与VILI之间的关系。（2）有关机械功率的安全阈值尚不清楚。在未来的临床实践中，为了帮助患者提供适当的呼吸支持来预防或改善VILI，一方面需要对肺容积归一化的过度应变（容积损伤程度）和机械功率进行定义；另一方面，需要测量或评估肺组织各向异质性，以弄清楚应力集中和机械功率/应力-应变的分布。确定机械功率的安全阈值，便有可能将其作为一个临床常规使用的指标，为ARDS患者实施个性化的机械通气。（3）正如Gattinoni等^[6]研究指出，机械功率各组成分量的作用不一，这就带来了另一个问题，即究竟哪一个分量对VILI最为关键。这一问题的回答需要对VILI的分子机制有更深入的了解。当超过机械功率的安全阈值时，可以优先调整最相关的一个分量。最后，目前依然缺乏机械功率和患者死亡率或者临床不良预后相关性的文献，未来需要进一步的研究来评估是否机械功率导向的肺保护性通气策略能改善患者的临床预后。

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