急性呼吸窘迫综合征（ARDS）时，肺的特点就是具有高度的不均一性。的确，在同一个肺内可能会出现很大程度的通气改变，从完全无通气区域到过度通气区域都同时存在。这种不均一性的产生通常是由于肺水肿和/或解剖学变异引起的，并且深受重力的影响。
对于任何由呼吸机产生的气道压力，这些压力直接作用在肺（即跨肺压或肺应力）则要取决于两个主要因素：1）肺的弹性与呼吸系统总弹性的比值（这已被证明在ARDS患者中差异巨大，范围在0.2 - 0.8之间）；2）肺的大小。在重度ARDS中，可通气的组织严重减少（“婴儿肺”）；残余的容积可低至300毫升，而总的吸气量可以达750-900毫升的潮气量，因此会产生致命性的肺部应力和形变。虽然这只是理论上的可能性，但它并不能解释较小的潮气量通气时发生的呼吸机相关性肺损伤（VILI）。事实上，ARDS时肺内存在一些区域,它有放大局部应力的作用，使得这些区域的应力成倍增加，这也就意味着在这些区域中的跨肺压是同一肺中其它区域的2倍。这些“局部应力放大”在很大程度上与ARDS的肺内不均一区域是相对应，一个肺中可有高达40%的区域出现存在这些情况。
虽然大部分关于VILI的文献都集中在潮气量的可能危害上，但机械通气实际上是向肺实质提供机械能(即单位时间的能量)，而肺实质根据其解剖结构和病理生理状态对其作出反应。机械能的决定因素不仅包括潮气量，还包括呼吸频率、吸气流量和呼气末正压(PEEP)。最后，降低机械能，增加肺的均一性，避免达到“婴儿肺”的解剖极限应该是ARDS安全通气的目标。
背景
在炎症性水肿引起的急性呼吸衰竭（我们限定讨论的内容）中,肺部呈现出高度的不均一性。的确，通气、通气不良和实变/塌陷区在整个肺实质中是共存的。
在发生急性炎症性肺水肿(ARDS)时，仰卧位状态下从胸骨到脊椎，肺部的表现粗略简化为如下几点：1) 少数过度通气区域 (由于肺质量的增加，难以用CT去定义)；2) 气和组织比值正常的区域(通常定义为良好通气区)；3) 气和组织比值低于正常的区域 (通常定义为气和组织比值低于1的区域)；和4) 在大部分独立的肺区为完全无充气区域 (位置不同的肺高度，取决于综合征的严重程度)。重要的是要认识到，这些无充气区域可能要么是完全塌陷的“空”肺单位 (可能可以重新开放并充满气体)，要么是完全实变的肺单位，内部空间充满固体/液体物质。显然，肺膨胀的差异是不均一性的信号，我们也许可就此推断，不同肺区的气体/组织比值(即膨胀)的不同，可能与特定区域的解剖变异，或不同的力量作用于肺实质的相邻结构的表现有关。
对ARDS肺病理生理学的关注源于对其对机械通气的需求(在大多数患者中)。这项技术完全或部分替代呼吸肌，以提供肺充气所需的能量。因此，机械通气的可能危害来自肺实质的解剖生理特性与作用于其上的机械能的相互作用。理想情况下，适当的机械通气设置应该找到机械能和肺结构之间的最佳平衡。在极端情况下，我们应该在尽可能使用最低的机械能使得肺组织尽可能的达到均一性。在这篇简短的论文中，我们将就机械能和局部肺生理之间的相互作用提出我们的看法。
肺实质
作用于肺部的力量
值得记住的是，扩张肺的压力(即每体表单位的力)是跨肺压，等于气道压力和胸腔压力之差。这一术语的恰当性最近受到质疑。事实上，在纯生理学中，气道开放压力是气管导管内起始处测量的气道压力，可分为两部分：一部分是通过气道输送气体(“阻力”分量)，另一部分是扩张肺(“弹性”成分)。因此，在这种纯粹的生理学观点中，跨肺压是气道开放压力与相应胸腔压力之差。重症医学科医师(和一些生理学家)使用的术语是不同的，因为它指的气道开口处的压力测量值为峰压(包括阻力和弹性部分)、平台压(假设等于流量为零时的肺泡压)和呼气末压力。食道压力在峰值、平台和呼气末正压(PEEP)或呼气末零压(zero end-expiratory pressure ,ZEEP)将反应相应的胸腔压力的变化。食道压力作为胸腔压力的替代值，其变化等于胸腔压力的变化。必须指出的是，试图将绝对食道压力等同于胸腔压力，与其说是现实，不如说是生理上的梦想。在数百次ARDS的CT检查后，我们从未发现绝对食道压与肺解剖特征之间有任何联系。在本文中，根据我们和其他作者的先前研究，我们将跨肺压定义为在静态状态下(平台压和PEEP/ZEEP，)测量的气道压力与相应的食道压力之差：
其中Pawplat是气道平台压力，Pawend-exp是PEEP或ZEEP下的气道压力，Pesplat是食道平台压力，Pesend-exp是PEEP或ZEEP下的食道压力。
根据：
它得到
其中ΔPL为驱动跨肺压，ΔPaw为驱动气道压，EL为肺弹性，Ers为呼吸系统的总弹性（即Ers=EL Ew，Ew为胸壁弹性）。
在一系列的研究中，我们发现ARDS患者仰卧位时的平均EL/Ers比值约为0.7。这表明在30cmH2O的气道平台压下，跨肺压的平台压大约为21cmH2O。然而，我们发现单一个体中的EL/Ers比值变化于0.2到0.8之间。这个表明，在通常被视为“安全”的机械通气平台压阈值下，跨肺压可能低至6cmH2O（低通气和/或塌陷的风险）和高至24cmH2O，达到肺总容积（TLC）的边缘。在实验模型中，我们发现当通气量到达肺总容积范围时，则是致命的。在图1，我们记录了经典的容量-跨肺压曲线，重新适应于VILI情景。正如所知的，不管初始肺的大小（ARDS时的“婴儿肺”），它的吸气容积可达到初始容积的2.5到3倍。实际上，300毫升的“婴儿肺”，其总肺容积可到达750到900毫升。如果提供的潮气量达到这么大，它将产生一个高达24cmH2O的跨肺压（即肺应力）和2.5-3.0的肺形变（即潮气量和功能残气量（FRC）的比值），这个在动物模型上是致死性的。因此，肺的大小应该是VILI的发生首先要考虑的因素。
图1.形变（潮气量与功能残气量的比值）和TLC（y轴）与跨肺压（x轴）之间的函数关系。在静息状态，胶原纤维在弹性弹簧内折叠。随着跨肺压的增加，过度的形变可能最先导致炎症反应的发生，当胶原完全展开时，达到应力破裂点。在跨肺压达到12厘米水柱时（即：特定的弹性），肺容量增加了一倍。
局部应力放大
尽管在极小的“婴儿肺”中给予的潮气量（TV）可能会达到TLC，但这个理论机制还不能解释在人体ARDS中使用12ml/kg潮气量所观察到的损伤。实际上，大多数到达TLC的ARDS患者需求的潮气量是大于12ml/kg的。把接受12ml/kg潮气量的ARDS机械通气患者与接受6ml/kg的患者相比，观察到了前者所发生的损伤，其可能的解释是存在局部因素导致局部所接受的压力放大，继而导致局部的应力和形变增加。根据Mead在1970年代建立的，在1990年代被Lachmann推广的模型，这个可能更大程度的发生在不均一性更为严重的肺上。因此，如果我们假设把10kg的负荷挂在10根弹性纤维上，每根纤维将承重1kg。如果因某些原因（比如肺不张）导致其中一根弹性纤维不能再承担它自己本应的重量，其余的9根弹性纤维将各自负起1.11kg的重量。如果不均一性扩大至4根弹性纤维，剩余的6根各自将负起1.67kg的重量，如此类推。我们所举的例子中的负荷代表了根据平台压记录到的跨肺压。在理论的计算中，用到的是更加复杂的几何模型，Mead发现在完全塌陷（容积为1）和完全膨胀（容积为10）的肺单元的交界点，其压力放大的倍数等于：
可见，我们经常被声称压力为30cmH2O，但局部实际压力可以高达120cmH2O。实际上，当我们通过对比相邻肺区域的膨胀率来评估不均一性时，我们发现放大倍数达到了2倍。根据ARDS的严重程度，高达40%的肺组织发生局部应力集中，这表明在高达40%的肺组织中，其跨肺压是翻倍的。
作为发生局部应力放大的概念的证据，我们假设在机械通气期间的损伤将首先发生在弹性不同的区域的交界处，而在健康的肺部，大多出现在脏层胸膜和胸膜下肺泡的交界点（图2所示）。实际上，我们发现在给予平均达8小时的机械通气后，在胸膜-肺泡的交界点就开始发生小的损伤，而这种损伤将在20个小时左右扩大至整个肺（图3所示）。因此，大量有用的数据强烈提示有指征通过合适的策略（本质上为俯卧位姿势），尽可能的减少中-重度和重度ARDS肺的不均一性。
图2.脏层胸膜上一个肺泡壁已破裂。脏层胸膜和肺泡壁之间的弹性不同，引起了局部的应力放大，这可能导致局部的应力和形变增加。
图3. a在2.5的形变下经过20小时机械通气后，脏层胸膜与肺泡壁的界面下先出现了纽扣样高密度影（箭头），（b）进展到整个肺实质。请注意，这些VILI病变几乎完全可以复原，这表明它们主要进展为间质性水肿
机械能
有关VILI的文献都主要集中在潮气量的可能的危害上。最近，气道驱动压的可能相关性（即：根据呼吸系统顺应性标化潮气量）得到了重视。其它被识别出来的VILI的可能原因有呼吸频率和吸气流速。另外的因素，比如总体/局部灌注、局部酸中毒和温度可能在控制VILI中存在作用，但为了简单起见，将不在这里做探讨。
为了识别VILI可能的阈值，我们对猪做了一系列的试验，发现VILI是一个反映形变达到2.5时的危害程度的函数，这与Dreyfuss et al.在大鼠身上观察到的不一样。实际上，在大鼠身上VILI是在某个平台压下迅速发生的，与达平台压的方式无关（即：不论有无PEEP），我们发现当机械通气频率为15次/分以及形变等于2.5（即：潮气量接近于2.5倍的FRC）时，如果提供完全的潮气量，那是致死性的，而在增加的这部分容积中，如果75%是由PEEP提供，其余的25%是以潮气量的形式给予，那就完全无害（没有任何危害）。这使我们对其进行了猜测，损伤并不是由潮气量本身引起的，而是潮气量与压力的乘积引起的。这个乘积（即：潮气量乘以绝对压力）就是传递至肺组织的潮汐能。实际上，如果一个给定的能量以不同的速率给出，每分钟传递的机械能量可能完全不同。作为这个概念的证据，我们用2.5的形变（当以15次/分的频率进行通气时，这是致死的）给猪分别以3、6、9、12和15次/分的频率进行通气，结果发现低于一定水平的机械能时，经过了54小时的机械通气仍没有VILI发生。因此，从呼吸系统的运动方程入手，我们开发了能量方程，只需将原方程中的每个分量乘以容积变化和呼吸频率即可。我们在人体、及实验动物中均发现了机械能的计算值和测量值之间存在显著的关联（图4所示）。考虑到单纯机械能的作用，我们发现当潮气量或气道驱动压(即：平台压减去PEEP)增加一倍时，会导致机械能增加四倍(指数2)。相比之下，呼吸频率增加一倍时，机械能增加2.5倍（指数1.4），而PEEP增加一倍时，机械能增加两倍(指数1)。
图4.通过能量方程计算出来的机械能与通过压力-容积环图解分析测量出来的机械能这二者之间的关系。如图所示，这二者的关系（p＜0.001）是接近几乎完全的线性关系。
这一“机械假说”显然还需要进一步的研究：1) 机械能应与跨肺压相关；2)应根据肺的大小和可能的特定肺弹性来标准化，以便在不同哺乳动物之间进行比较。根据“肺导向/标化”的机械能来确定机械通气的不安全阈值是可能，可以建立更合理的安全机械通气方法和可能的体外支持适应症。
结论
机械通气被用于ARDS肺（“婴儿肺”）可通气的那一部分。解剖阈值很可能由肺总容积来表示，肺容积可以通过局部压力升高而达到，这取决于肺的不均一性。在这个框架内，我们考虑：
● 不管机械能降低多少（由于其任何成分的减少），都应降低呼吸机相关性肺损伤的可能性。
● 提高肺部均一性(不增加机械能)的最佳策略是俯卧位。这在中-重度ARDS患者中表现明显，他们的肺不均一性程度最高。
● PEEP有双重作用：一方面，它可以减少肺的不均一性，至少可以大大减少肺塌陷患者的肺不均一性。另一方面，对于一个给定的潮气量，PEEP增加机械能和达到VILI的解剖阈值的可能性，即肺总容积。
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