如何优化机械通气，避免呼吸机相关肺损伤？

介绍

最大限度降低 VILI 风险的工作必须多管齐下。充分通气是决定危险功率的关键因素，通过明智地允许高碳酸血症、减少先天性氧需求以及俯卧位促进有效的肺气体交换和局部压力的均匀分布，可以减少对充分通气的需求。与呼吸机相关的肺保护决定因素包括减少潮气量、平台压、驱动压、PEEP、吸气流量振幅和曲线（使用较长的吸气呼气比）以及通气频率。被忽视的调节局部特异性动力影响的重要条件辅助因素可能包括较低的血管压力和血流量。这些措施结合使用可调节通气功率，从而避免 VILI，同时达到临床可接受的肺气体交换目标。

通气诱导肺损伤的原因

三个相互作用的机械因素决定了呼吸机诱发肺损伤（VILI）的风险。这些因素包括：（1）吸气压力超过过度应变的阈值；（2）以足以克服先天适应性反应的速度施加危险的拉伸力；（3）在足够长的时间（持续时间）内维持超过阈值的损伤循环模式。2000 年，ARDSnet 发表了一项具有里程碑意义的研究，对使用 6 ml/kg潮气量和 12 ml/kg潮气量的效果进行了比较。经过二十年的努力，我们已经从优先考虑较低的平台压，到使用积极的复张和较高的呼气末正压（PEEP）完全 "打开肺部"，再到目前强调限制驱动压--被动充气时测量的平台压和 PEEP 之间的差值。这些方法对我们目前了解 VILI 的根本机械原因都有很大帮助，但它们都将重点局限于单个充气周期。
近年来，人们开始关注每个潮气循环可能产生破坏性能量的频率。目前，被动充气循环的驱动压，即潮气量与呼吸系统顺应性之比，已被确定为对不良后果影响最大的通气决定因素。但是，如果只控制可测量的驱动压，而不同时关注所达到的肺泡末吸气压力、使用频率、潮气量以及造成 VILI 的非机械性共同因素，如疾病分期、先天性组织脆弱性、体位、血流动力学和不同的肺泡微环境，很可能会忽略最大程度保护肺通气策略的重要方面。
尽管在广泛定义的急性呼吸窘迫综合征（ARDS）人群中，超过 15cmH2O的驱动压与死亡率密切相关，但这种相关性并不意味着因果关系。事实上，由于驱动压的两个组成部分（PEEP 和平台压）都是在肺静止时测量的，因此有理由质疑这些静压或其差值是否会造成组织损伤（图 1）。高肺泡压和压差可能是诱发 VILI 的必要条件，但如果脱离它们所提供的流量和容积，其本身并不是充分条件。单独来看，静压意味着力的平衡，并不能完全描述造成损伤所需的能量。更合理的做法是将注意力转向主动（动态）过程，该过程需要消耗能量来过度拉伸肺组织或导致小气道反复循环潮气开放和关闭（一种被称为 "肺萎陷伤 "的 VILI 形式）。图1，处于平衡状态的对立力量示例。在力量平衡和不运动的情况下，潮汐周期的极端压力（PPlateau 和 PEEP）不会单独造成损害

压力和局部肺应力

在气道开口处测量到的静态压力（如平台压和 PEEP）反映的是平均值，其局部膨胀力由各个肺单位周围的特定微环境共同决定。当估算为气腔压力和区域胸膜压力之差时，这些跨肺压力在肺内各部位之间存在差异，在呼气末，非依赖性肺单位比重力依赖性肺单位膨胀得更大。身体仰卧时，跨肺压的梯度大于俯卧时，在俯卧时，局部膨胀肺单位的位置机械力分布更均匀。ARDS 通气减弱的肺组织（功能性 "婴儿肺"）中各个单元的大小、局部弹性和应变随其位置以及损伤过程的阶段而变化。 
重复应用使细胞膜过度紧张的循环需要压力驱动的容积变化。充气的拉伸（应变）可能与其提供破坏性能量的潜力有关，它是总跨肺压（由于 PEEP 加上提供额外潮气量所需的高于 PEEP 的气道压力）和同时发生的容积变化的函数（图 2）。对于整个肺部，潮气顺应性决定了其平均伸展量，其计算方法是容积变化（潮气量）与驱动压之比。肺泡的 "过度拉伸 "也称为 "过度扩张 "或 "过度充气"，发生在所施加的驱动压及其相关的容积增量超过其可承受的应变极限时。组织强度会提高伤害危险的阈值，而脆性（易损性）则会降低阈值。需要注意的是，被固化组织包围和支撑的脆弱肺单位也可能相对幸免于无法承受的潮气膨胀（图 3）。正如后面所讨论的，在机械异质性肺内，每个跨肺压都有几个应力放大器。图2，弹性压力与充气容积。超出阈值压力（PThreshold）的区域代表在高压力下施加的 "不安全 "潮汐弹性能量，具有更大的破坏潜力图3，应变与肺顺应性的关系。20 cmH2O（25 - 5 cmH2O）的高驱动压,可能会过度拉伸顺应性好的单元，但不会损坏顺应性本身较低的单元，或嵌入其中并由周围组织支撑以防止其无法忍受的扩张的单元。

能量和功的基本特性

根据热力学第一定律，"封闭 "系统中的能量既不能被创造也不能被消灭，只能被转化。机械能可以以势能或动能的形式存在，反过来，势能或动能又可以膨胀、变形、损坏或散热。静压（如 PEEP 和平台压）是势能储存的关键组成部分，当建立或释放时会驱动肺泡容积变化。在建立吸气平台压时，任何导致过度拉伸的容积增量都可能造成损害。推动潮气量变化的总充气压力由三个要素组成：(1) 流动阻力压力；(2) 增量部分（与驱动压有关）；(3) 呼气末正压（总 PEEP）。每个压力分量都对其相应部分的能量有贡献。这三个部分构成了总充气能量（图 4）。压力和流量的瞬时乘积就是应用于这些能量区域的瞬间（周期内）功率。图4，潮汐能的组成部分。总压是阻流压、驱动压和呼气末压的总和。当与容积增量耦合时，这些单独的压力类别会对总充气能量做出贡献（Ptot = 总压力，Pres = 流动阻力压力，Pel = 保守（"弹性"）压力，R = 流动阻力，Vt = 潮气量，C = 潮气顺应性，PEEPtot = PEEP + auto-PEEP，V = 高于呼气末基线值的容积）。流量是指单位时间内的容积变化，可以在任何时间尺度上定义。在临床文献中，人们最近习惯使用 "功率 "一词来描述每分钟频率与每个周期总充气能量的乘积。实际上，这个描述符最好被视为多个充气周期的单调和间断能量的累积测量值。作为一个整合了所有机器设置信息的单一变量，单独显示会影响呼吸机诱发的肺损伤，当前临床术语 "功率 "作为一个可调节、可观察的参数，已引起越来越多的关注，并可用于调节 VILI 风险。然而，与目前将 "功率 "建立在整个充气能量基础上的做法相比，从生理学角度来看，认识到在该充气周期的额外能量过度膨胀之前必须首先跨越弹性压力阈值似乎更为合理。因此，不是总功率（每分钟能量），而是 "破坏功率 "可能是衡量 VILI 危害的更理想、更精确的指标。假设情况确实如此，那么也就有理由认为，增加 PEEP 会使任何施加的驱动压更接近于越过过度拉伸的阈值，并使某些受伤肺部单元面临受伤风险（图 5）。另一方面，如后文所述，PEEP 在一定程度上会复张新的肺单位来分担压力和能量负荷，从而产生有益的作用。由于受伤的肺在机械上是异质的，因此每当调整 PEEP 时，这两个相互竞争的过程--一个增加风险，一个降低风险--都在起作用。
提高 PEEP 对开放和封闭单元相邻区域的应力集中交界肺泡的复张和应变的影响。在施加相同驱动压的情况下，增加 PEEP 会减少高风险界面的数量，但会增加在 "高于阈值 "压力下对仍未复张的界面施加的压力（红色虚线水平线 = 阈值压力）

放大应力的机械因素

在 ARDS 的机械异质性肺中，有四个重要的应力放大器（应力上升器）在起作用。这些因素包括结构不对称、与流动相关的粘弹性阻力、结构单元脱落导致的渐进和连续负荷，以及 ARDS 通气 "婴儿肺 "通气能力的降低。

降低通气能力
肺泡压力所产生的压力的四个关键放大因素中，最重要的可能就是通气婴儿肺的容积减小。为了实现肺泡通气，较小的肺必须在每个周期伸展到更大的尺寸和/或以更快的速度伸展。肺活量降低意味着提供潮气量所需的能量分配到更少的单位，从而增加了它们各自的（"特定"）功率负荷（图 6）。因此，一旦破坏过程开始，就有可能出现力量和功率迅速放大的过程，这种情况被描述为 "VILI 涡旋"，即损伤不断加剧的过程。
肺泡数量减少对潮气末膨胀的影响。随着开放肺泡数量的减少，每个肺泡都会吸收更多的能量，并在吸气末进一步膨胀，因为它必须容纳更大份额的潮气量。请注意，呼气末容积保持不变

结构单元脱落
支撑间质基质承担了相当大一部分的膨胀应力负荷，它具有纤维状结构，其单个元素分担了膨胀的负担。较弱的应力承载元素的相继脱落要求剩余的完整纤维在膨胀过程中承担更多的应力和应变（图 7）。因此，一旦超过损伤阈值，施加在完整单元上的拉伸力可能会逐渐增加。反过来，这种增加的应力可能会使纤维束中下一个最薄弱的纤维过度疲劳，从而促进侵蚀过程，使 "婴儿肺 "萎缩。脱落对共享支撑绳网（类似于生物微纤维）中每个元素应变的影响。随着较弱的受力元件断裂，不再帮助支撑不变的负载，那些保持完整的元件将承受更大的应力、应变和机械能（公斤 = 千克砝码）。

结构不对称
在容易膨胀的肺单位与不愿意或不可能膨胀的肺单位交界处，应力会被放大。这种界面会产生放大的张力，在重力依赖位置的低肺单位容积处往往会出现这种情况。虽然仰卧位和俯卧位都会出现这种情况，但前者形成的这种高风险界面更为广泛，这或许在很大程度上说明了俯卧位对肺的保护作用。

粘弹性阻力
由于粘弹性的增加，快速膨胀会使一定压力对不愿膨胀的组织产生更大的应力。在主动充气过程中，这种 "阻力 "是一种动态的放大力，与异质几何应力聚焦相辅相成。事实上，减少峰值流量暴露已被证明可以减轻大型动物与 VILI 相关的肺损伤。

流量的影响

人们往往忽视的一个潜在因素是流量幅度和流量模式对局部力量放大的贡献。除了通过粘弹性拖拽来放大拉伸外，流量幅度和流量模式设置通过供应婴儿肺的通道数量减少来推动特定的流量。这些异常较高的局部流速会消耗能量，并具有损伤潜力。此外，施加在肺部的瞬时功率根据局部组织的柔韧性和时间常数分布。所有的流量曲线最终在充气周期结束时向整个肺部传递相同总量的弹性能量。然而，减速流量曲线在充气周期的早期相对提供了更高比例的总能量，而恒定流量则更均匀地分配相同的能量负荷（图8）。理论上，使用减速流量曲线施加的特定功率有可能超过压力阈值，从而对一些易受损单位造成损伤风险。20年前在VILI兔模型中展示了不同流量曲线之间的差异。这个重要的实验表明，与使用类似的驱动压力和吸气时间来提供相同潮气量的恒压控制相比，损伤更大。这样的研究结果支持了一个观点，即在特定吸气时间内向高危肺组织提供给定潮气量时，恒定流量是首选的波形。吸气流量曲线对瞬时弹性功率的理论影响。传递给定潮气量所需的总能量在所有流量曲线上都是相同的。然而，不同的流量模式在不同的时间应用其功率强度。因此，能量传递可能在充气期间提前或延迟超过损伤阈值（Pset = 压力控制，CF = 恒定流量，DF = 线性减速流量，AF = 加速流量，Sin = 正弦流量）。

功能残气量（FRC）对损伤能量和功率的重要性

在临床，婴儿肺的静息大小，也就是功能残气量（FRC），通常不被常规测量。然而，给定的分钟通气模式、驱动压力和PEEP所带来的风险在很大程度上取决于应用到其中的婴儿肺的容量。一般认为，在ARDS患者急性受伤的肺部中仍然保持开放的肺单位相对正常工作。无论这种观点的真实性如何，ARDS患者的通气充气肺本身在达到足够肺泡通气以满足身体需求方面效率较低；因此，较少的肺单位必须比健康状态下更努力地工作。出于已经讨论过的原因，随着容量减少，能量集中并且流速增加，而静态气道压力则均匀分布。这种“特定功率”的增加增加了跨越局部弹性压力阈值造成损伤的可能性。

肺压力和肺灌注的作用

造成 VILI 风险的另一个重要但未被重视的方面是流经婴儿肺的高血流量。需要注意的是，整个心输出量必须由肺来容纳，虽然其通气（"婴儿肺"）部分可能只有健康部分的 20%，但非分流的血管流量通常超过心输出量的 70%。因此，通过婴儿肺的特异性灌注增加，可能会对其已经异常的血管内皮造成难以承受的压力。事实上，实验数据令人信服地表明，在相同的气道压力和气流条件下，跨肺泡血管压力梯度是观察到的出血变化的关键决定因素。肺泡过度张力和心输出量增加会加剧这种不利影响（图 9）。在婴儿肺中，血流量和潮气末过度滞留都会增加。因此，减少全身氧需求量、避免因高 PEEP 水平造成不必要的肺单位扩张以及选择俯卧体位以改善氧交换和血管募集，将减少因过度灌注造成的跨肺泡压力梯度、内皮伸展和血管能量耗散。肺泡膨胀对血管的影响。在肺泡膨胀过程中，毛细血管和间质微血管的交界处会受到很大的压力，因为前者会被压缩，后者会被扩张。此外，通过 "婴儿肺 "缩小的肺床的血流量增加，扩大了内皮剪切力，并在局部耗散了血管能量。。

CARDS 和 VILI 风险

最近由 COVID-19 肺炎（CARDS）引起的急性呼吸衰竭（ARDS）使人们了解到几种肺保护措施的价值。在大流行期间，俯卧位被证明是一种非常有用的干预措施，不仅能提高氧合效率，还能延迟或避免插管。尽管俯卧位在 C-ARDS 中的作用机制尚有争议，但它明显减少了机械力的异质性，并重新分配了通气和血流，对患者有益。通过对自主呼吸患者进行俯卧位，改善了 V/Q 匹配，有助于避免使用高 PEEP 使肺膨胀。事实上，在这些最初充满气体且顺应性良好的肺中，按惯例使用 PEEP 往往会产生意想不到的不良生理影响。在那些病情未见好转的患者中，尽管低氧血症初期呼吸系统顺应性往往相对正常，但随着时间的推移，顺应性明显恶化，通气比率也是如此，这表明通气效率下降。另一方面，在整个病程中，血氧饱和度基本保持不变。这些观察结果表明，起作用的机制主要涉及血管和气腔，其病理和影像学表现不同于常见形式的 ARDS。

总结

因此，避免 VILI 风险的努力必须多管齐下。明智地允许高碳酸血症、减少先天性氧需求、俯卧体位可促进有效的肺气体交换和更均衡的局部压力分布，从而降低通气需求（这是决定危险功率的关键因素）。与呼吸机相关的肺保护决定因素包括减少潮气量、平台压、驱动压、PEEP、吸气流量振幅和曲线（使用较长的吸气呼气比）以及通气频率。被忽视的调节局部特异性功率影响的重要条件辅助因素可能包括较低的血管压力和血流量。这些措施结合使用，可调节通气功率，从而避免 VILI，同时实现肺气体交换目标。

来源：Thornton. Optimized ventilation power to avoid VILI. J Intensive Care 2023;11:57；急重症世界

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