肺损伤的呼吸机相关因素：机械能

河南科技大学第一附属医院急诊医学部  梁宇鹏    译    

重症行者翻译组   梁艳  校对

摘要

目的：

       我们假设肺损伤的呼吸机相关因素可统一为一个变量：机械能。我们对压力-容积环测量的机械能进行了评估，看其是否可以应用其组成要素：潮气量（TV）/驱动压(ΔPaw)、流速、呼气末正压（PEEP）和呼吸频率进行计算。如果是这样，那就可以估算每个变量占机械能的相对权重了。

 

方法：

       我们按照容积和频率的变化将运动方程的相关组成参数相乘，对机械能进行了计算。

我们在30例肺部正常和50例ARDS患者中，利用能量方程对机械能进行计算，同时应用动态压力-容积曲线在5和15厘米水柱PEEP以及6，8，10和12 ml/kg潮气量状态下分别对机械能进行测量。然后，我们对各个组成变量占机械能的权重进行了计算。

 

结果：

       在5和15厘米水柱PEEP有条件下，对肺部正常患者和ARDS患者所计算和测量得到的机械能是相似的（斜率分别为0.96, 1.06, 1.01, 1.12，R^2均>0.96，p值均<>aw）和流速(指数=2)，以及呼吸频率（指数=1.4）的增加呈指数性上升，随PEEP的增加呈线性上升。

 

结论：

     机械能方程可有助于对不同的呼吸机相关的肺损伤因素及其变化对肺损伤的影响程度进行评估。在每台呼吸机的软件中都可以很方便地应用该机械能方程。

 

关键词：

ARDS，呼吸机相关性肺损伤，机械通气，呼吸力学

要点：每个被发现与肺损伤相关的变量均对施加到呼吸系统的机械能存在影响。我们提出的等式准确反映了所测得的随TV、ΔPaw和流速(指数=2)，RR（指数=1.4）的增加呈指数性上升，随PEEP的增加呈线性上升的机械能。

前言

       呼吸机/机械通气相关的肺损伤（VILI）源于呼吸机对肺实质施加的机械能与肺实质之间的交互作用，它涉及到两种因素：即呼吸机施加给肺实质的机械能的大小，以及肺实质如何接受呼吸机施加的机械能。在过去的数十年间，我们对这两种实际作用因素的理解在逐步提高：一方面，呼吸机内装载的各种元件已被不同程度地强调；另一方面，肺实质对呼吸机内装载的各种元件的反映情况已经得到了研究和澄清。呼吸机引起VILI的原因包括：压力、容积、流速和呼吸频率。 另一方面， 容易引起VILI的肺部情况主要取决于肺水肿的严重程度，它可导致肺的形态缩小、不均一性升高、应力上升变快、以及肺泡周期性地塌陷和开放。需要澄清的是，我们在此处忽略了例如：灌注、PH值、气体张力和温度等“肺外”因素。显然，引起VILI的呼吸机和肺部因素之间是可以相互影响的。例如，呼气末正压（PEEP），一方面增加了呼吸机的压力负荷，另一方面可降低肺泡的不均一性以及肺泡明显的潮式开-闭。然而，把呼吸机因素与肺部因素对产生VILI的影响进行区分，或许有助于制定出更好的VILI预防策略。实际上，值得我们注意的是，所有与呼吸机相关的VILI发生因素（虽然是单独进行研究的），都是这个统一物理变量（即：机械能）的组成部分，而大部分与肺相关的VILI发生因素主要是肺水肿的严重程度的结果（即：ARDS的严重程度，至少在早期阶段）。如果我们对机械通气的参数设置进行分析，显然，潮气量、压力和流速都是能量负荷的组成部分，采用单位时间表示，也就是机械能。我们在本文中提出了一个简单的床旁评估机械能的模型并对其与设定一个“安全”的机械通气策略的可能的相关性进行讨论。

方法

机械能公式的来源

 

运动方程

按照经典的运动方程（包含了PEEP），在任何指定时间下，整个呼吸系统内的压力（P）等于：

实际上，运动方程的每个组成部分都是压力：

●     ELrs×ΔV=ΔP（因弹性回缩力而产生的压力成分），也就是，ELrs=（Pplat-PEEP)/ΔV(即呼吸系统顺应性)。

●  Raw × F = Ppeak − Pplat (因呼吸运动而产生的压力成分), 也就是 Raw = (Ppeak − Pplat)/F,

●  PEEP=P呼气末，PEEP与运动本身并无关系，但其代表了肺的基础张力，即其代表了当ΔV和流速均为零的时候，呼吸系统的压力。

单次呼吸的能量

     图1所描述的是在静息肺容积的基础上增加ΔV所需要施加于呼吸系统的能量。为了清楚起见，我们假设呼吸系统（或肺）的压力-容积曲线在涉及的容积范围内是线性的，即到达肺总量（TLC）的起始区域。

●     呼气末压力为零的情况下单次呼吸的能量。能量（即：通气线与Y轴间的面积）是压力(P)的绝对值与容积变化（ΔV）的乘积，即P×ΔV。因此，当PEEP等于零时，用于补偿弹性回缩力的能量相当于三角形的面积，即1/2 × Pplat × ΔV。

●     存在PEEP的情况下单次呼吸的能量。当开始应用PEEP时，为了达到预先设定PEEP值所需要的气体容量（ΔVPEEP）而需要施加的能量等于1/2 × PEEP × ΔVPEEP，但这能量仅需要施加一次（因为PEEP将会一直被保持），在小潮气量通气期间，ΔVPEEP等于零，因此相应的算法1/2 × P × ΔV也等于零。然而，在PEEP存在的情况下，往肺内充气则需要更多的能量。因此，为了保证潮气量而需要达到的Pplat所需施加的能量等于ΔP + PEEP（即平台压）乘以从PEEP状态下到达平台压状态下的肺容积变化。该能量等于以Pplat 和 PEEP 为底，以潮气量为高的梯形面积（见图1）。更详细的，有关PEEP的作用的讨论见电子附录E-1章。

●     每次呼吸中，气体运动所需的能量。此能量近似等于图1中右侧平行四边形的面积，其一条边为（Ppeak – Pplat），另一条边为ΔV。因其可随容控或压控机械通气过程而变化，这实际上是现实情况的一个简化。

 

因此，我们可以通过将下述运动方程中的每个压力与容积变化相乘来计算每次呼吸的能量：

方程2中的第一部分等于ΔV×ΔP，除以2（三角形的面积）以接近它们的乘积的积分（见图1a）。而第二和第三部分则因其代表着沿坐标轴的平行移动，故其不需要进行校正。

来自方程2

因此

可以应用下列的推导过程将Tinsp表示为呼吸频率（RR）和吸呼比（I：E）这两个每台呼吸机设置中可以应用的参数。

原型

如果我们分别使用升和厘米水柱表示容积和压力，它们的乘积乘以0.098即换成用“焦耳”来表示。

图1 a.能量方程的图解示意图。该图由一个大三角形（绿色+天蓝色部分）及其右侧的平行四边形（代表阻力，黄色）组成。大三角形左侧的直角边代表肺总容积（即：TV+PEEPvolume），而上面的直角边代表平台压。三角形斜边的斜率为呼吸系统的顺应性，（在本例子中，1200ml / 30cmH2O = 40ml / cmH2O）。大三角形的面积是处于平台压状态下的总弹性能量，等于（1200ml X 30cmH2O）/2 X 0.000098=1746 J。该总弹性能量由两部分组成：小三角形（静态弹性，绿色），代表应用PEEP时，仅需在起始时一次施加于呼吸系统的能量，而大梯形（动态弹性，天蓝色）的面积代表每一次潮气量呼吸施加于呼吸系统的能量。需要注意的是，这个大梯形是由两部分面积加起来的（全部天蓝色部分）：一部分是长方形，它的面积等于TV X PEEP（能量方程的第三组成部分），另一部分是三角形，它的面积等于TV X ΔPaw X 1/2，相当于ELrs X TV X 1/2（即能量方程的第一组成部分）。能量方程的第二组成部分相当于代表阻力的平行四边行的面积（黄色），它的面积等于（Ppeak – Pplat）X TV。

    b.是在PEEP等于15厘米水柱时获得的动态压力-容积环，还有以下测量的参数：Ppeak 32.8cmH2O, Pplat 29.2 cmH2O, TV 303ml。能量的测量值为0.77J，即吸气相蓝线描绘的梯形区域，上底为峰压线，下底为PEEP线，TV线为梯形的高，计算值为0.80J。RR=18次/分，那么能量测量值为13.9J/min，计算值为14.4J/min。

机械能

      由方程5，以J/min表示机械能将如下公式所示：

从上述公式可以计算出任何变量（潮气量、驱动压、呼吸频率、阻力）的改变对施加于呼吸系统的机械能的影响

      方程（6）的简化版本和对施加于肺而非整个呼吸系统的机械能的计算参见电子附录E-2和E-3。

所应用的能量/功率的测量

 

       我们利用了之前的一项纳入了30例肺部正常，无ARDS的患者（19例外科和11例内科对照患者）和50例ARDS患者（轻度=26，中度=16，重度=8）的研究的数据。该研究的人口学特征总结于表1（更详细的细节可在原始研究的表1-3中获得）。在四个不同的潮气量（6、8、1、12ml/kg）水平和两个不同的PEEP水平（5和15厘米水柱）对每例患者（伴或不伴ARDS）进行测量。在100Hz的条件下，利用专用的数据采集系统（Colligo; Elekton, Milan, Italy）记录流速和气道压力（Paw）。在小潮气量通气过程中，应用动态压力-容积曲线记录来对施加于每次呼吸过程中的能量进行测量。每次呼吸所施加的能量（气道+呼吸系统）被定义为气道压力吸气支与容量轴之间的面积（见图1.b）。需要注意的是压力利用绝对值表示的（也就是说，包含了PEEP）而容量则以EELV之上的ΔV表示。容量-压力区域面积积分用升×厘米水柱来衡量，以焦耳表示就是(1 L × cmH2O = 0.000098 J)。机械能则通过每次呼吸的能量乘以呼吸频率而得到。

 

表1.患者的人口学特征

统计学方法

       机械能的测量值和计算值之间的相关性应用单因素Logistic回归分析来进行评估。运用Bland–Altman方法对机械能的测量值和计算值之间的一致性做进一步评估。统计学分析应用SAS 9.2软件（SAS Institute,Cary, NC, USA）进行分析。

结果

机械能的计算值与测量值

      在30例非肺部疾病（即“正常”肺）机械通气患者中机械能的测量值和计算值的回归分析结果见图2中的a图（5cmH2O PEEP）和c图(15 cmH2O PEEP)。分别在6、8、10、12ml/kg潮气量的状态下测量机械能，每个PEEP水平下测量120次。机械能的测量值（x轴）与运用能量方程计算出来的计算值密切相关，回归分析如下：（PEEP为5厘米水柱时）机械能的计算值=0.96×测量值+0.16，R^2=0.98，p < 0.0001，（peep为15厘米水柱）机械能的计算值="1.05×测量值-0.52，R^2=0.99，p">< 0.0001。相应的bland–altman分析结果见图2中的b图和d图。如图中所示，在peep为5厘米水柱时，测量值和计算值之差的平均值为0.196="" j/min,此时测量值与计算值之间一致性的上限为0.916="" j/min，下限为-0.525="" j/min。在peep为15厘米水柱时，测量值和计算值之差的平均值为-0.396="" j/min，此时测量值与计算值之间一致性的上限为0.560="" j/min,下限为-1.353="">

图2.正常受试者。a,c 分别为在5和15厘米水柱PEEP水平下机械能的计算值（y轴）与测量值（x轴）之间的函数关系。在PEEP为5厘米水柱时，y=0.9633x + 0.1609；在PEEP为15厘米水柱时，y=1.0592x - 0.5218。b,d分别为相应的Bland-Altman方法对机械能的测量值和计算值之间一致性的分析结果（见文中详述）。

      在50例ARDS患者中的机械能测量值和计算值之间的回归分析结果见图3中a图（5cmH2O PEEP）和图3中c图(15 cmH2O PEEP)。分别在6、8、10、12ml/kg潮气量状态下测量机械能，每个PEEP水平下测量共200次。机械能的测量值（x轴）与通过能量公式计算出来的计算值之间存在密切的相关性，回归分析如下：（PEEP为5厘米水柱时）机械能的计算值=1.01×测量值-0.48，R^2=0.96，p < 0.0001，（peep为15厘米水柱时）计算得到的机械能="1.12×测量值-1.38，R^2=0.97，p">< 0.0001。相应的bland–altman分析结果见图3中的b图,d图。在peep为5厘米水柱时，测量值和计算值之差的平均值为0.316="" j/min,="" 此时测量值与计算值之间一致性的上限为0.840="" j/min，下限为-0.840="" j/min。在peep为15厘米水柱时，测量值和计算值之差的平均值为-0.396="" j/min，此时测量值与计算值之间一致性的上限为0.924="" j/min,下限为-2.604="">

图3.ARDS患者。a,c 分别为在5和15厘米水柱PEEP水平下机械能的计算值（y轴）与测量值（x轴）之间的函数关系。在PEEP为5厘米水柱时，y=1.0137x - 0.4842；在PEEP为15厘米水柱时，y=1.1216x – 1.3833。b,d分别为相应的Bland-Altman方法对机械能的测量值和计算值之间一致性的分析结果（见文中详述）。

各个机械通气参数对机械能的影响

     图4中，在正常条件下（ELrs10 cmH2O/L, Raw 8 cmH2O/L/s），我们以10%为步长来展示机械能的变化（y轴）与其各个组成要素（TV, ΔPaw, 吸气流速, RR 和 PEEP）之间变化的函数关系，前提是当机械能的某一组成要素发生变化时，其他要素保持不变。如图所示，当TV、驱动压和吸气流速以相同百分比发生变化时，其导致机械能以相同的指数在增加（指数=2），也就是说，TV增加一倍（例如，潮气量从6ml/kg增加至12ml/kg）可导致机械能增加四倍。呼吸频率以同样的百分比增加，也导致了机械能呈指数性增加，但指数仅为1.4，而PEEP的增加引起机械能呈线性增加。气道阻力和呼吸系统弹性的变化对机械能的影响见图5。呼吸机变量的不同组合对机械能的影响在特定的计算机程序中是可见的，其可从以下链接下载：http://www.ains.med.unigoettingen.de/de/abteilung-anaesthesiologie/

forschung/energy-calculator-software。

图4.机械能增加的百分比与TV/ΔPaw/吸气流速（菱形、正方形和三角形图示）, RR（星形图示） 和 PEEP（圆形图示）之间变化的对应函数关系。机械能随着TV、ΔPaw、吸气流速的变化而发生的变化是恰好是相同的，以同一条线来描记（为了清楚起见，我们描记的机械能变化相对应的TV、ΔPaw、吸气流速的变化百分比是不相同的，如果都以相同的百分比来描记，则所有的点都会重叠在一起了）。当TV/ΔPaw/吸气流速分别增加20%时，机械能均相应增加37%；当呼吸频率与PEEP分别增加20%时，机械能分别相应增加27%和5.7%。所有的计算结果均为只改变一个变量前提的，而此时其它变量保持不变。

图5.机械能变化的百分比与ELrs（圆形图示）和Raw（正方形图示）之间函数关系。Raw变化引起机械能发生的变化比ELrs引起的要小。当ELrs和Raw分别增加20%时，引起的机械能变化分别为8%和6%。所有的计算结果均为只改变一个变量前提的，而此时其它变量保持不变。

讨论

       鉴于时间因素与机械能的一些组成要素共同作用下引起VILI，这很显然已不是什么新发现了。在该研究中，我们发现源于经典的运动方程的“能量方程”（已经加入了PEEP，虽然惯性力已被忽略）所计算出的结果与实验中通过压力-容积曲线分析所获得的结果是非常接近的。以数学形式来描述机械能的优点在于它能够对机械通的各个不同组成要素（TV、RR、ΔPaw、PEEP、I:E、流速)所占权重大小进行量化，并且可以预测各个组成要素的变化对机械能产生的影响。

机械能的组成部分

呼吸系统的弹性

能量方程的第一部分（即：与潮气量/驱动压相关的能量）呈现出线性关系的压力-容积曲线。如果在接近肺总容积的状态下弹性是增加的，此时由于肺过度膨胀，导致能量的计算值可能会偏低。相反，如果弹性是下降的，能量的计算值则可能会偏高，例如，由肺复张带来的弹性下降。然而，必须要注意的是，有两种现象（即：过度膨胀和复张）可在不同的肺区域中同时发生，从而导致肺的总弹性不变。此外，弹性每改变（升高或降低）10-20%，机械能的计算值则可能相应发生改变（升高或降低）5-10%（见图5）。一个由压力-容积衍生出来的可以对每个P-V对进行自动测量的系统，将可避免对机械能产生高估或低估的结果。

 

气道阻力

       能量方程的第二部分是与气体运动相关的能量。如图1a所示，在我们的模型中，我们设想阻力和流速在通气过程中是保持不变的。因此，Ppeak – Pplat之差可立即到达其目标工作水平，并保持到吸气相结束。这个假设显然是过度的简化了。实际上，机械通气过程中，当呼气末肺容量（EELV）减少时，气道阻力确实是下降的。不管是肺部正常受试者还是ARDS患者，当在15厘米水柱PEEP条件下开始通气时，我们发现机械能的计算值是高于测量值的。图2和图3中的d图是Bland–Altman分析图，提示在15厘米水柱PEEP的条件下进行机械通气，对机械能的系统性高估是明显存在的。同样在这种情况下，一个能对气道阻力和流速进行自动测量的系统将可以提高机械能计算值的估计准确性。

 

呼气末正压

       能量方程的第三部分相当于在整个吸气相中用于克服因PEEP引起的纤维张力所需要的能量。

       呼吸机在对呼吸功进行计算时，对PEEP的影响并未进行考虑，因P-V环是从原点（0，0）开始的，并未把PEEP和呼气末肺容积考虑在内。然而，尽管PEEP对与机械通气相关的周期性能量负荷并未产生影响，但通过“PEEP x ΔV”这一因素可以发现施加到呼吸系统的能量负荷是增加的（同样参见附录，E-1章节）。虽然PEEP每增加10-20%引起机械能的增加程度是接近的，但PEEP的这种影响经常被忽略。

机械能与VILI

 

      VILI是由施加于可通气肺实质的机械能和可通气肺实质的解剖-病理特点之间的相互作用所引起。实际上，TV/ΔPaw, RR, 流速和PEEP都是一个特殊物理范畴的组成要素，尽管这些因素已经被单独进行过研究，但它们对机械能的影响可能是各不相同的。如果机械能对肺实质的机械性损伤与机械能之间存在函数关系，那么机械能的不同组成部分之间构成的不同组合产生的机械能可能大于之前给定的阈值，可对肺实质产生同样的损伤，这和最近的动物实验结果是相符合的。显然，由于机械能受到系统容量特性的影响，因此应该对暴露在机械通气的肺气体容积单位或肺组织重量进行标准化。

 

健康肺

   有关健康肺发生VILI的大部分文献都提到了TV和PEEP的不同组合的应用，然而为了维持一定的PaCO2范围，常常需要设置一定的呼吸频率。若要在健康肺中以“正常的”呼吸频率来诱导肺损伤，TV需要大于30-40ml/kg甚至更高。如果和肺的大小进行对比，这样大的潮气量相对应产生的形变达到了肺的总容量（2-3倍FRC的容量）。为了更好理解不同物种的机械能与健康肺之间的关系，我们认为必须要考虑到以下两个因素：首先是肺的尺寸大小。其次是肺的特异性弹性，它反映着肺实质的固有弹性（人类：12厘米水柱，猪：6厘米水柱，大鼠：4厘米水柱）。在平均重量为21kg、平均功能残气量为295ml的健康猪中，我们通过CT扫描对水肿进行评估，前瞻性的发现了其发生VILI的机械能阈值是12 J/min,大约为40mJ/min/ml。

 

有病变的肺

     有关肺的形态大小和固有弹性的观点也适用于罹患急性疾病的肺。由于此时肺的固有弹性与正常肺是相似的，因此“婴儿肺”容积越小，导致肺损伤所需要的的机械能就越小。如果要把“婴儿肺”的容积增加到接近其肺总容积，这对于即将应用于临床的机械能来说还是很困难的。然而，患病的肺具有如下特点：不同弹性区域之间存在数个接触面，这可能会使它们所承受的作用力加倍。实际上，肺的不均一性决定了作用力和机械能明显的不均匀分布，这或许是导致VILI发生的主要肺内因素。

研究的局限性

 

       每次呼吸所递送的能量，一部分储存为弹性能量，另一部分通过各种机制肺部消散。P-V环的滞后面积所代表的这一部分能量可能是有害的。然而，因滞后面积是所递送的能量中的一部分，它几乎是固定不变的（至少在生理潮气量范围内），为了简单起见，我们选择了后者，因它可能更容易计算和理解。

       能量/功率的计算值与肺容积、弹性和阻力之间呈现出线性关系。如前所述，在较高的容积（15厘米水柱PEEP）条件下，这些线性关系均有可消失，导致了对机械能的高估/低估。然而，如果机械能的概念可以被证明是有用的，那么弹性和阻力就都可以在每个P-V环中每个容积点上被自动计算出来，从而克服线性偏倚。

       为了理解能量方程中引用的不同变量的相对权重，我们在保持其它变量恒定不变的情况下，对其中一个变量进行单独研究。这个方法显然是存在问题的，例如，在正常情况下，随着潮气量的增加，可能会伴随着呼吸频率的下降、流速的变化等。然而，我们提供的是一个简单工具，它被认为适合于计算任何变量的组合。

       必须要强调的是，机械能仅仅是问题的其中一方面。另一方面则是指肺部的情况。同样的机械能可能会出现不同的效果，这取决于肺的大小、不均一性的存在、应力上升的程度、以及血管充盈状态，所有这些因素导致了所递送能量的不均匀分布。因此，要使其在临床上有意义，机械能必须要标准化，至少对肺容积要标准化。

结论

      机械能分析强调了可能与临床相关的概念。第一，它解释了TV/ΔPaw在诱导VILI中的极端重要性，这在科学界是已被广泛认可的。第二，它可能解释了PEEP对VILI的发生的模棱两可的影响。实际上，机械能的增加和PEEP是呈线性关系的，因此它有可能导致VILI的发生。另一方面，PEEP可能减少了导致VILI的肺内因素（如：肺的不均一性和肺泡的潮式闭合-开放）。最终结果（是阳性还是阴性）将取决于两个方面中哪一方面占据优势，以及患者的情况。第三，机械能强调了呼吸频率对它的影响，这是经常被忽视的、但可能存在相关性，当呼吸频率上升时，机械能随着呼吸频率的上升呈指数性增长。总之，把机械能作为一个整体来考虑，比对其组成要素分开单独考虑可能提供更好的视角。

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