监测二氧化碳动力学作为心肺效率的标志

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监测二氧化碳动力学作为心肺效率的标志

介绍

心血管和呼吸系统的一个有时被低估的生理功能是消除二氧化碳的代谢负荷。这两个系统在这项任务中都非常有效，因为尽管如此，在正常活动下，肺部每天处理超过300升的二氧化碳。这对于维持酸碱稳态至关重要，因为新陈代谢每天产生高达15000 mEq的与CO2相关的质子，而这种能力的微小波动会立即引起稳态反应。二氧化碳的持续来源，加上可靠的呼出气体传感技术的可用性，如红外光吸收，现在的标准监测设备，为临床医生提供了一种简单、廉价和无创的方法来监测这些系统的功能。除了测量CO2和碳酸氢盐浓度的血液分压外，容量二氧化碳描记术（VCap），即CO2在呼气潮气量上的图形表示，构成了监测过期CO2动力学的主要临床工具。近年来，二氧化碳描记术及其衍生参数和基于二氧化碳描记法的原理，如二氧化碳动力学，作为系统和肺灌注以及肺通气效率的有前途的监测工具，受到了越来越多的关注。

在这篇综述中，我们将讨论CO2动力学所基于的原理，以及如何通过呼出气体分析对其进行最佳监测，并为未来心血管和呼吸效率的监测选项提供新的见解。

CO2动力学综述

二氧化碳动力学可以定义为在电化学梯度之后，代谢产生的CO2在细胞水平上被动转移到通过呼出的空气将其消除到环境中的动态过程。它包括两个扩散运输步骤：从细胞组织室到全身毛细血管和从肺毛细血管到肺泡室；以及两个对流传输步骤：一个在液体介质中从体循环到肺循环，另一个在气体介质中从肺泡隔室到空气通道开口，作为混合的呼出气体。二氧化碳在血液中以三种不同的形式运输：溶解在血浆中（10%），与血浆蛋白结合（以氨基甲酸酯的形式），主要是血红蛋白（5%）和碳酸氢根离子（85%）。在不同的动力学步骤和不断变化的临床条件下，每种形式的相对贡献都有所不同。这一点最好的例证是二氧化碳水合-脱水的作用，这是碳酸酐酶催化的二氧化碳运输的关键化学反应之一。存在于内皮细胞和红细胞中的碳酸酐酶促进CO2通过不同的运输区室的进展。二氧化碳水合作用的产物是碳酸氢盐和氢离子，与重要的代谢和稳态过程密切相关。例如，在休克状态下，乳酸酸中毒会增加氢离子的产生，这会显著影响碳酸氢盐浓度和CO2的蛋白质结合，从而影响CO2的运输。在肺水平上，碳酸脱水以释放分子CO2是其从肺毛细血管有效扩散到肺泡并最终消除的重要步骤。考虑到CO2动力学所涉及的多个器官系统功能水平及其临床监测的潜在优势，很容易理解。为了充分理解CO2动力学监测的价值和潜力，需要考虑以下几个方面：首先，它们提供了相关生理和病理生理过程的见解，包括代谢、酸碱平衡、全身和肺部灌注、气体交换和通气。其次，这种丰富的信息是有代价的，即如何测量它以及评估CO2动力学的背景的关键依赖性。第三，与氧含量相反，CO2血液含量在体内极难精确测量，并且只能通过替代指标（例如CO2的动脉、中心或混合静脉分压）或从CO2离解曲线导出的估计来近似。这使得通过VCap测量呼出的CO2及其导出的参数成为CO2动力学的主要临床监测工具。第四，CO2动力学可以在稳态条件下进行评估，当输出和生产之间没有发生重大失衡时，更有趣的是，可以在非稳态条件下用于监测目的。后者对于临床医生了解肺灌注和/或肺泡通气对通气设置调整或临床条件变化的反应是非常有价值的。第五，由于与临床背景相关，引入受控的CO2动力学小变化，如血容量、肺动脉血流的操作，或使用短暂的吸气或呼气保持操作，对提取有价值的信息、情境化，从而改善对呼吸和循环系统效率的解释有很大帮助。

测量CO2动力学

如上所述，CO2动力学的临床监测基本上依赖于二氧化碳描记术及其衍生的方法，该方法由CO2的血液含量以及动脉和静脉血液分压的替代指标辅助。

容积式二氧化碳描记术

二氧化碳图是指对呼出气体中二氧化碳的图形表示。通过红外光吸收传感技术可以很容易地测量气道开口处的CO2。在基于时间的二氧化碳描记术中，CO2的浓度或分压是在时域中表示的。在VCap中，呼出的CO2表示为整个呼气潮气量。为此，它需要将CO2红外信号与流量信号相集成，两个传感器以主流配置放置在气道开口的相同位置。与时间容量图相比，VCap是CO2动力学的一个更完整的指标，因为它增加了有价值的容积信息，可以测量肺泡通气、死腔（VD）及其成分，以及逐呼吸CO2容积消除（VCO2，br），所有这些都是肺效率的直接指标。不仅其推导的参数（图1），而且VCap的形状也提供了CO2动力学的即时定性和定量信息，如前所述，需要在给定的临床背景中进行解释（图2）。

图1。体积容量图和死区及其组成部分的计算。（a） 容量二氧化碳图：阶段：I：呼气的初始部分，由吸气过程中进入肺部的最后一种气体组成，不含二氧化碳。第二阶段：从气道到肺泡气体的过渡阶段。白点表示曲率点的变化，标志着从对流气体输送到扩散气体输送的转变。它将潮气量分为到目前为止呼出的量，即气道死腔（VDaw）和肺泡潮气量（VTalv），肺泡潮气量达到脱气交换区。第三阶段：仅由肺泡气体组成，取决于扩散和通气-灌注的关系。由于固有的肺部低效，III期总是有一个正斜率，在病理条件下更为明显。导出参数：VTCO2br：每次呼吸呼出的二氧化碳容积，这是肺效率的主要指标，以二氧化碳图下的面积测量。乘以呼吸速率得出CO2（VCO2）的微小消除量。PACO2：从第三阶段中期获得的CO2的平均肺泡分压。用于计算玻尔死腔。PETCO2：潮末CO2，反映最新排空肺泡单元中的CO2。PeCO2：混合过期CO2，是测量基于CO2的任何生理死腔的不可或缺的参数。PaCO2：由于教学原因显示的CO2动脉分压，因为它不是二氧化碳图的一部分。三角形阴影区域对应肺泡死腔（b）：基于CO2的生理死腔计算。VDalv不能直接测量，并且是VDphys减去VDaw的算术减法的结果。

图2. 容积描记图形所含信息。(a) 灰色曲线：机械通气开始后健康动物的容积描记图 (VCap)。黑色曲线：诱发和实验性双重伤肺损伤后同一动物的容积描记图 (肺灌洗和有损伤的机械通气)。注意损伤状态下第二阶段斜率的降低，第三阶段斜率的增加，气道死腔的增加以及曲线下面积的减少。(b) ARDS患者在移除增加了90毫升仪器死腔的HME系统之前(黑色曲线)和之后(浅灰色曲线)的VCap。(c) 在部分下腔静脉闭塞实验动物中心输出量减少30%的效应 (黑色曲线)。注意曲线下面积的减少，但斜率的形状没有改变，因为肺部状况没有改变。(d) 将中心温度降低2.8摄氏度后的低温效应 (黑色曲线)。描记曲线形状的变化与相似的通气设置和心输出量下二氧化碳代谢产生的减少有关。

动态二氧化碳法 (Capnodynamics)

近年来，引入了一种新的二氧化碳动力学监测方法，即动态二氧化碳法。它使用容积二氧化碳描记法研究CO2动力学，该法适用于两个原理：1）CO2的Fick方程，表示为

其中Q是心输出量，VCO2是CO2的分钟产量（ml/min），CvCO2和CaCO2是CO2静脉和动脉的混合含量，2）肺泡CO2浓度的小的受控变化的影响。所描述的不同方法通过在呼吸模式中引入小扰动来实现这些变化，所述小扰动通过改变呼吸速率、引入再呼吸环路以及在当前的动态二氧化碳法中通过周期性短呼气保持来实现。通过计算扰动前和扰动后的两个顺序Fick方程，可以应用微分方程，该微分方程从计算中消除CO2的混合静脉含量，假设其在测量周期内保持不变。

然后，在考虑CO2在肺中的质量平衡的单室肺模型中应用这些原理推导出二氧化碳动力学方程：

其中EELVCO2。指CO2计算的呼气末肺容量（EELV），FACO2 n指第n次呼吸时CO2的肺泡分数，前一次呼吸时的FACO2 n-1，COEPBF心输出量（以有效肺血流量测量），Dt n=当前呼吸循环时间，CvCO2和CcCO2n混合静脉和毛细管CO2含量，VTCO2=在九次呼吸序列的最后三次呼吸中消除的CO2体积。

该方程有三个未知变量EELVCO2、COEPBF和CvCO2，所有其他参数都是从VCap导出的。假设这三个参数在九次呼吸测量序列中保持不变，可以通过最小二乘法求解一组九个动态二氧化碳法方程，以获得呼气末肺容量和有效肺血流量。通过将序列的第一次呼吸替换为序列之后的每一次新呼吸，可以逐次呼吸连续测量EELVCO2和COEPBF。该方法已通过实验进行了广泛验证和改进，最近出现了COEPBF和EELVCO2的首次临床验证，与参考方法相比，显示出良好的准确性和出色的趋势能力。如后所述，已经在不同的临床环境中评估了动态二氧化碳法的临床应用。

监测肺部效率

肺效率是指肺清除二氧化碳的能力。在肺水平上，这取决于有效的扩散，该扩散取决于气体交换单元的匹配的均匀-灌注比（V/Q）和有效的对流传输，即足够的VT和分钟通气的整体运动，该对流传输取决于肺力学。在病理条件下，两种功能都会受损，肺功能受损是呼吸衰竭严重程度的标志。

定义肺功能的主要临床参数之一是死腔。新鲜气体吸入时必须面对一种最初的生理障碍，即填充非气体交换腔室，即近端气道，稀释上一次呼出的CO2充满的气体。此外，从进入气体交换腔室的吸气潮气量中，只有一小部分到达与通气/灌注比存在不平衡的单位。生理性死腔（VDphys）是指上述两种解剖和生理性死腔容积之和，第一种对应于气道死腔（VDaw），第二种对应于肺泡死腔（VDalv）。在机械通气患者中，还有第三种影响效率的容积，即仪器死腔，它是位于Y管和气管插管之间的任何装置（连接器，传感器，被动湿化器等）导致的。仪器死腔在低潮气量通气中可能对效率产生相对较大的贡献，尤其是在较高通气频率下。（图2b）。在近年来，死腔的概念得到了重新审视，特别是对Bohr 的原始描述和Enghoff 的修正的区分。

通过将原始公式（图1）中的平均肺泡二氧化碳分压替换为理想气体条件下的动脉二氧化碳分压（其中肺泡等于毛细血管二氧化碳）， Enghoff修正简化了临床测量，但引入了与低VQ和分流区对肺部二氧化碳转移的影响相关的混杂因素。因此，PaCO2始终高于PACO2，并且它们不能互换。首先，因为在临床环境中永远无法满足理想的肺部条件；其次，分流和低VQ单位导致了增加的PaCO2，这在疾病肺部（例如ARDS）中可能很大。因此，Bohr的死腔仅提供有关死腔的信息，而 Enghoff的死腔（VDEng）更应该被称为 Enghoff的气体交换指标，因为它包括了VQ异常的全部范围。因此，它们的监测是互补的，因为它们在不同的VQ条件下具有个体信息。Bohr的死腔对于监测肺部效率和过度膨胀很有用，例如，对于对PEEP或吸气压力的增加的反应，这种测量不会受到由于PEEP引起的分流变化的影响，而这会影响 Enghoff指数。VDphys及其亚组分的测量可信息有关传递潮气量的分数，有助于理解通气条件和CO2动力学的影响，这在肺部效率受损的情况下尤为重要且具有临床意义。

肺泡通气

表达肺效率的一种有效方法是测量肺泡通气量（VA），即参与气体交换的潮气量的分数。临床医生通过分钟通气（VE）来近似其值，并且有一些间接的方法来量化其大小，例如计算校正的分钟容积。有趣的是，CO2动力学允许逐个呼吸测量VA，因为VA等于分钟通气量减去生理死区。VA可以直接从肺泡通气方程中导出：

VCO2代表二氧化碳的每分钟产量。PACO2代表二氧化碳的平均肺泡分压（直接从上述容积二氧化碳图中得出），而K是为了使单位均一化的修正因子。将VA纳入常规呼吸监测和决策使临床医生能够立即了解通气设置的任何变化，如PEEP、驱动压或潮气量对肺部效果的影响。举个例子，在ARDS的猪模型中，在复张后，将PEEP从10 cmH2O改为个体化PEEP 16 cmH2O后，VA增加30%（从2400 ml增加到3200 ml），相应地，驱动压、分流和死腔分别从17 cmH2O、31%和0.65减少到11 cmH2O、16%和0.58。

死腔的替代指标

由于死区的临床测量不是常规进行的，因此已经提出了专注于肺效率的预后特征（如通气率和校正的分钟容积）的临床替代方案。通气率（VR）将测量的PaCO2和分钟通气量与预测的理论值相关联：

其中VEpredicted=理想体重×100（ml/min），PaCO2理想值=37.5mmHg）。在一项包括520名ARDS患者数据的大型分析研究中，VR与VDphys具有良好的相关性。大于2的值对应于至少0.6的VDphys/VT，可区分患有严重ARDS的患者，并始终与较差的预后相关。在严重急性呼吸系统综合征冠状病毒-19患者中，高VR及其在机械通气第3天的增加比氧合具有更强的预后价值。尽管需要动脉血气，但VR是一个易于测量和有吸引力的指标，已逐渐引入ARDS的特征和预后。

校正的分钟容积（VEcorr）是肺效率的间接测量，并估计实现正常通气所需的VE增加：

大于 10l/min的数值与死腔增大有关，可说明呼吸衰竭的严重程度。

呼气末肺容积

在机械通气过程中，尤其是在病理条件下，EELV显著降低，频率超过20-30%。因此，对于给定的潮气量，肺功能容积的减少会受到更高的应力和应变，因此有VILI的风险。如上所述，通过动态二氧化碳法的CO2动力学提供了对EELV的连续无创监测。这开启了新的有趣的监控可能性。例如，它可以改善保护性PEEP水平的选择，并立即评估PEEP变化对肺容积和应变的影响。在最近对接受腹腔镜手术的患者进行的一项研究中，成功地使用EELVCO2来调整PEEP，旨在恢复腹腔手术期间EELV的损失，从而显著减少肺应变。通过监测EELVCO2，潮气量可以进行调整，并动态适应肺功能大小的变化，而不是预测体重公式确定的理论“解剖”大小，从而可以连续评估肺应变。这对肺部保护具有重要意义。它有助于评估肺复张的可复张性和效果。图3显示了EELVCO2和电阻抗断层扫描的同时变化，该断层扫描连续测量肺通气的相关变化，在增加和减少PEEP步骤期间与EELV密切相关。

图3. 在一个病例中，通过电阻抗层析成像（EIT）监测同时呼吸过程中的呼气末肺容积CO2变化和通气水平的变化。上部图显示PEEP水平的变化（以cmH2O为单位）。中部图显示EELVCO2（以毫升为单位）的变化，下部图显示EIT通气水平（以任意单位表示）随时间的变化。通过逐呼吸量化PEEP变化引起的EELV增加或减少。请注意下部图中顺应性呼气行止的容积描记EIT追踪图中的动态二氧化碳法呼吸模式。

监测心血管效率

二氧化碳动力学特别适合监测肺部和全身灌注的变化，心肺复苏指南中对二氧化碳监测的要求就很好地说明了这一点，二氧化碳是自主循环恢复的良好预测指标，也是胸外按压效率的有效监测器。一些与二氧化碳动力学相关的参数提供了有关心血管系统效率的临床信息。

CO2 的静脉-动脉梯度

在低心输出量状态下，二氧化碳动力学与氧动力学表现相反，这反映在低血氧饱和度和高静脉 PCO2 上。中心静脉到动脉梯度增加（>6 mmHg）已被证明是组织灌注的良好指标，因为它反映了微循环功能障碍。这对脓毒性休克患者尤为重要，因为脓毒性休克患者的宏观血流动力学参数可能无法反映组织灌注是否充分。较高的静脉-动脉二氧化碳间隙（尤其是在脓毒症过程中保持这一间隙）与乳酸等其他组织灌注指标一起，是预测存活率的良好指标。 然而，要更深入地分析二氧化碳静脉间隙的价值和意义，就必须谨慎地进行临床解释，因为它取决于许多因素，如二氧化碳产生量、血流量和二氧化碳-血红蛋白解离曲线，而这些因素在体内条件下很难整合。

VCO2 和潮气末 CO2

VCO2 是告知肺灌注变化的最可靠参数之一，可从容积式通气图中轻松获得（图 1）。心输出量的突然变化会立即反映在 VCO2 和 PETCO2 上。这两个参数已成功用于预测 PEEP 阶跃增加或被动抬腿动作后的容量反应性。这两个参数都是很有吸引力的监测选择，因为它们可以避免不必要的液体挑战，并且很容易通过无创方式获得。在心肺复苏期间，PETCO2 是自主循环恢复的良好检测器和预测器，也是胸外按压效率的极佳监测器。PETCO2 的价值，尤其是动脉与潮气末二氧化碳梯度的突然增加对肺栓塞的检测价值早已众所周知。但是，由于心肺系统的快速补偿能力，其临床应用受到限制。

有效肺血流量（COEPBF）

利用二氧化碳动力学来估算心输出量的方法已被广泛研究。它的特别之处在于所有建议的方法都是非侵入性的，而且在二氧化碳动力学的情况下，可以连续地进行逐次呼吸。此外，通过专门测量心输出量的有效部分（即参与气体交换的部分），它还能深入了解心肺功能单元的性能。在腹部手术过程中，对有肺优化和无肺优化的患者进行了复张性的动态二氧化碳法心输出量研究，与跨肺热稀释法相比，两者具有良好的一致性和趋势性。在心脏手术期间和术后的患者中，CO_EPBF 与同一参考方法也显示出良好的一致性。其性能受到肺部状况的影响，因为在术后，由于肺不张导致的分流增加会影响与参考方法的一致性。图 4 显示了通过脉搏轮廓分析法对一名心脏手术患者的 COEPBF 和连续心输出量进行的连续监测。

图 4. 持续监测心脏手术患者的 CO_EPBF。上图为全身血压、收缩压（SAP）、平均血压（MAP）和舒张压（DAP）的变化。下图为 CO_EPBF的变化以及通过脉搏轮廓分析 (PCCO) 得出的连续心输出量。

结论

通过容积式二氧化碳呼气图及其衍生方法（如动态二氧化碳法）测量二氧化碳动力学，可提供有关呼吸和心血管效率的独特参数组合。在床边使用普通的重症监护室设备，结合血液二氧化碳水平、呼吸和血流动力学干预（如呼气末压力变化或呼吸模式改变），就能轻松获得这些信息。它可对呼吸和心血管系统进行实时连续监测。这些监测原理和应用的进一步发展可能会使未来机械通气期间的心肺监测更加全面。

来源：Monitoring CO2 kinetics as a marker of cardiopulmonary efficiency.Curr Opin Crit Care 2024, 30:251–259.DOI:10.1097/MCC.0000000000001156.斌哥话重症

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