翻译:曾小康 编辑:李沂玮
目前,呼吸机相关肺损伤(VILI)的保护措施已从以低潮气量发展到降低平台压和驱动压力为目标。然而,即使肺部的压力得到了可靠的估计,仅凭借压力指数并不能准确地评估肺损伤的风险;除了流速、吸入氧浓度和目前无法测量的机械微环境,如形态、结构脆性和血管灌注等,高风险周期频率有助于评估潜在肺损伤的强度。识别跨肺压对肺损伤的阈值、总能量负荷和应变强度,有助于统一由呼吸机能量转移导致的VILI这一概念。目前,对损伤过程中未被充分认识的因素必须加以处理,以尽量减少通气支持带来的风险。
介绍
自2000年以来,避免发生呼吸机相关肺损伤(VILI)的措施已经从降低潮气量发展到降低平台压力,开放肺,降低驱动压、跨肺压、驱动功率,和减少有害张力的周期频率 (图1)。然而,所有形式的损伤都包含一种概念,即产生损伤所需要的能量和动力。呼吸周期的高位拐点(峰压和PEEP)的静态压是平衡的,不需消耗能量,也不会造成损伤,但只有在静压拐点间的转换可以实现这一点。
反过来,肺压力和由此产生的应变与呼吸过程中施加的跨肺压有关。临床医生已认识到气道压力并不能代表肺所承受压力的全部,而对采用食管球囊导管来估计其周围压力方面的认识也仍不足。在床边,大多数医生大多依赖于测量气道压力和流量评估压力。这些指标可以很好的跟踪肺扩张时呼吸机对呼吸系统(肺和胸壁)施加的能量。在损伤肺中,实际的应变在肺单元闭合和开放的拐点增强。无论何时,单一的呼吸周期不会造成明显的伤害。要了解呼吸机引起肺损伤的根本机械原因,需要结合基本的机械能知识,因为静态压不会对肺造成损伤。
能量和动力的基本概念
对物体所作的机械功,以及由此所需要的能量,定义为所施加的不平衡力乘以该力所移动的距离。功率是单位时间内做功的速度,可以在任何时间尺度上测量,例如分钟、秒或呼吸过程中的某一部分。物理学的一个重要原则是,能量既不能被创造也不能被摧毁,只能在各种形式之间转换。能量有多种类型(辐射能、热能、核能等),但在机械通气过程中,机械能和功是相互联系的。在这里,机械能在势能和动能之间发生相变。后者用于产生热能或产生变形和损伤。在呼吸运动中,势能储存在弹性组织中,如肺和胸壁膨胀期。在呼气过程中,这种势能被用来克服组织、气道和人工设备(气管内管、外部连接电路和呼气阀)的阻力。被动吸气过程中所做的功是压力和体积的乘积。压强是单位面积上的力,体积是面积和长度的乘积。因此,将压力乘以体积得到的值定义为所做的机械功。当压强用厘米表示水的体积,体积用升表示时,能量单位是焦耳(J),瓦特是单位时间内消耗的能量单位,表示为1 J/s。
经典生理学将呼吸系统的运动方程描述为阻力压力和弹性压力的和。因此,总膨胀压力等于流量乘以阻力的和加上流量(F)的积分除以柔度(C)(后一个商称为驱动压力),加上从通气开始的呼气末总压(PEEPtot =应用PEEP 自动PEEP)。最后得到:Ptot =FR VT/C PEEPtot
在一个呼吸周期结束时,消耗的能量是压力和相应潮气量的乘积:Energy = VT×Ptot = VT ×(FR VT/2C PEEPtot)
在这个表达式中,VT必须除以2才能恰当地反映平均弹性(驱动)压力。吸气流量恒定时的充气功可以看作是流量阻力、驱动压力、总PEEP三个能量分量之和,如图2所示。需要注意的是,在恒定的流动条件下,时间和体积是呈线性关系,图3显示了被动条件下实现的恒定吸气气流是由压力-时间(体积) 的乘积决定了吸气压。
流速对肺组织的潜在损伤
将气体推到肺泡平面时需要克服阻力。在这一过程中,因肺泡膨胀而产生的摩擦伤不仅发生在气道上皮细胞,也发生在肺实质本身。事实上,ARDS患者的潜在损伤明显高于健康人群。因此,在考虑流速对组织损伤的潜在影响时,这类损伤是不容忽视的。尤其是肺弹性阻力的特性与流体施加的摩擦应力是密切相关的。随着肺的扩张,这种应力和应变会随着流速的增加而增加。
肺膨胀的第二个组成部分与驱动压有关,即潮气量与呼吸系统顺应性的比值。在恒流过程中,压力-体积在潮气量时达到最大值,因此这个量必须除以2才能得到整个膨胀的平均值。然而,尽管驱动力可能是导致肺损伤的核心,但它并不单独起作用。压力的流速不仅关系到因压力而带来的后果,且在施加压力前对组织产生的张力也会促使组织接近受损阈值,从而影响驱动压值。后者受呼气末压力水平的制约。
尽管PEEP并不被认为是呼吸工作的主要组成部分,但它确实为驱动压设置了压力平台。为了实现压力到达既定值,便不得不从较高的压力水平开始。因此,当从一个既定高值的压力基线开始呼吸时,需要更多的吸气能量。所以,当给予PEEP时,达到给定潮气量所需的较高压力可能已超过了引起损伤的压力阈值。
驱动压的重要性和局限性
不明原因的能量“吸收”能解释肺损伤吗?
未知能量的“放大器”
呼吸过程中的潜在损伤
非机械因素相关的VILI诱因
总结
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