肺保护性通气策略进展

翻译：曾小康     编辑：李沂玮

摘要：

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。

关键词:ARDS;肺损伤;机械通气

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

      从以上分析得出，一个给定的驱动压力值，即使仅考虑跨肺压，如果没有指定其他条件，也不应该认为是安全或危险的，例如起始压力(PEEPtot)、潜在的肺复张和肺不张伤。然而，将PEEP应用于复张肺时，可能会减少脆弱肺单位的数量，而那些保持关闭或不稳定的肺单位则会承受更大的压力和应力。对于给定的驱动压力，低顺应性的肺泡单位的肺扩张和潜在的破坏性应变的发生率下降。

       驱动压力，即单个呼吸周期中两个静态气道压力变量(Pplat和PEEPtot)之间的差异，不能被认为是预测或调节VILI的最终或唯一指标。显然，它似乎比任何一个定义指标具有更好地预测性。但它有可能低估换气风险，这取决于应力集中点的数量和强度、粘弹性（由零流量末端吸气压力[P1]与平台压的差值反映 (P2)），或潜在的或未被发现的吸气肌肉张力。相反，仅从气道压力记录中获得的驱动压力可能高估了包绕肺周围组织（胸壁）的压力风险。使用经肺压评估有助于避免肌肉活动/张力和胸壁对原始气道压力的干扰。

 然而，即使可靠地估计了肺内压，单靠压力值也不能准确地衡量损伤风险; 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。究竟是阻力、顺应性和PEEP还是驱动力是VILI的主要原因仍存在争议。尽管如此，流量和PEEP在理论上是有影响的，并且是潜在的重要调节驱动压的因素。

      另一个重要理解是，在正常肺中，无论是小型还是大型麻醉动物，发生肺损伤的实验阈值都是相对较高。在已受损的肺微环境中，实际损伤阈值可能要低得多。由此可以看出，在不超过损伤阈值下实现相对于高的压力值是可能实现的，驱动压本身并不是影响VILI的关键因素。

不明原因的能量“吸收”能解释肺损伤吗？

      动力损伤假说并不完整，一个重要原因是:吸气结束时，以潜在形式储存于肺内的大部分弹性能量可以被解释为克服呼气阻力所需要的能量。例如，仅考虑与PEEP相关的部分，在肺收缩过程中向大气释放的动能量是通过阀门的压力(PEEP)与通过阀门的流量(即流量)的积分的乘积，即潮气量乘以频率，或分钟通气量。超过PEEP的驱动压主要用于呼气时克服气道、气管内管和外部呼吸机回路的呼气阻力。由于能量必须以零和的方式计算其三种主要形式(势能、动阻/热能和动损伤)，我们能够在抵抗阻力的能耗中计算出大部分储存的末端吸气弹性能量，因此直接造成机械损伤的剩余能量相对较少。

      呼吸周期间的一部分能量，即压力-体积循环区域似乎是最有可能被关注的区域(图2)。在呼吸过程中吸收的能量可能首先实现肺实质扩张，然后重新收缩成膨胀前的状态, 在快速膨胀和早期收缩阶段克服粘弹力，或可能对肺结构元素造成直接的机械损伤。虽然强大的力量可通过肺泡毛细血管屏障，但如此少量的滞后能量似乎不太可能做到这一点。如此少量的能量是否会导致我们最终看到的VILI仍是有疑问的。

未知能量的“放大器”

      组织损伤事件通常发生在微观层面。肺间质由相互依赖的微纤维组成，不具有强胶原蛋白的弹性或强弹性。三种相对明显的力相互放大，可能会影响这个腔室，或施加足够的间质张力，细胞内启动炎症信号。这三种机制分别是几何应力聚焦机制、粘弹性阻力机制和肺间质应力的渐进脱落机制。

      几何应力集中发生在不同力学性能的组织边界处。这些机制为材料工程师所熟知，近半个世纪前，Mead、Takishima和Leith将其应用于肺的生物环境。但在临床应用中，理论上可能上升到平台压力的上限。第二种机制是粘弹性阻力，当有更多的肺单位和伴随的导气管可用来接受潮气量时，“婴儿肺”通气部分所经历的有效流量可能要大得多。此外，由于受伤的、机械不均匀的组织难以同时扩张和收缩，施加在间隙的张力增加，尤其是当体积变化迅速时。

呼吸过程中的潜在损伤

      直到最近，对VILI及其规避的全部关注都指向了呼吸周期的肺膨胀，而肺收缩被认为是一个完全被动的过程。虽然这样的概念可能适用于健康的肺，但这种排他性可能不适用于已经受伤的肺的机械异质性环境。需要能量来重建肺的呼气末静止状态，而刚才描述的应力放大机制同样适用于肺收缩的第一阶段。横膈膜仅在收缩期间逐渐和部分放松，部分是为了避免呼气末不张，但也可能是为了减少肺收缩的突然性和不均匀性。后两个过程在呼气的初始阶段增加组织应力。实验反复证明，在不产生内源性PEEP的情况下，提前呼气时的流量限制(FLEX)有助于保持肺功能，并避免VILI发生。

非机械因素相关的VILI诱因

       在任何关于VILI概念演变的讨论中，都不应忽视影响机械应力影响的共同因素。不必要的吸入氧气的增加可能是共同原因。但在这些辅助因素中，可能最重要的是血流和压力灌注受损的肺。心输出量的增加需要更高的平均肺动脉压力，以及扩大整个肺泡的血管压力梯度。升高平均肺动脉压会促进高通透性肺内水肿的形成，反过来，这种组织液增加了机械异质性的趋势。微血管压力梯度的增加意味着内皮细胞的能量消耗增加，这是组织创伤的另一种形式。由此产生的血管能量激增，流经受损的内皮细胞，有可能加重损害，这为避免不必要的肺泡压力波动提供了另一个论据。

总结

      近年来，有关VILI的概念取得了相对迅速的进展，从与个别呼吸周期有关的体积和压力的观点发展到强调呼吸应力和应变强度的能量负荷。目前，VILI的过程被认为是一个相当复杂的过程，其产生的多重原因包括多种机制以及肺膨胀和肺收缩时的通气变化。研究人员把注意力集中在一个单一的“伞形”概念上，现在的目标是避免过度的能量负荷，同时避免重复呼吸，因为这会导致肺组织过度紧张。限制驱动压力、流量、PEEP和频率被认为是必要的。注意通过俯卧位减少机械异质性、降低吸入氧分数(FiO2)、减少对通气和心排血量的需求是目前被视为合理的肺保护方法的关键。