呼吸肌功能评估介绍
作者：喻鹏铭，四川大学华西医院康复医学中心
对呼吸肌功能评估是临床实践和研究的重要组成部分，尤其对呼吸和心血管系统疾病、神经肌肉系统疾病、撤机困难的患者以及对竞技能力有特殊需求的运动员。美国胸科协会（ATS）和欧洲呼吸协会（ERS）在2002年联合发表了一份关于呼吸肌测试的声明[1]，回顾了现有的呼吸肌功能评估方法的原理和技术特点。将近20年后，在呼吸力学、呼吸肌神经生理学、健康和疾病状态（包括儿科和重症监护病房的危重患者）以及运动竞技中的呼吸肌功能等领域的研究都取得了重要进展，因此，本节为临床医生和运动生理学家总结了呼吸肌功能评估方面的最新知识。
一、
呼吸肌正常的生理
呼吸肌与心肌最大的不同在于，它处于较为直接的自主神经控制，在组织结构和功能层面更类似于一般的骨骼肌，如股四头肌。呼吸控制中心位于脑干内，从躯体感受器和其它部分接受大量的输入信息。“控制器”的工作是传递适合于当前代谢需求和外部环境的分钟通气量，从而最大程度减少因运动和缺氧等状态造成的体内平衡干扰。在传输给分钟通气量正确指令时，控制器必需确定适合的呼吸形式，即潮气量和呼吸频率。此外，它还必须有足够的可塑性以适应疾病和创伤的作用。
神经支配膈肌的控制系统可能是最著名的神经调控系统，但膈神经的特别之处在于它们几乎完全由来自颈区（C3-C5）的直接神经分布所控制。脊髓内的吸气和呼气神经元在一个相互抑制的体系中起作用，因此，呼气时吸气动作被抑制，反之亦然。与其他骨骼肌不同的是这种抑制并非源自膈肌内的肌梭，而是在髓质内发生。
为产生有效呼吸，呼吸泵肌肉必须在体外大气和肺内之间形成一个压力差。一般而言，吸气肌向外拉，使胸腔扩展；而呼气肌向内拉，使胸腔压缩。肌肉收缩产生的压力差大小和速度分别决定了呼吸量的大小以及空气进出肺的速度。运动期间，空气必须比静息状态更快速的流入和流出肺部，而呼吸泵肌肉则必须更快、更有力的收缩，使气量和流速均按需提升。
呼吸肌泵的能力对于呼吸系统中使气体流动达到气体交换水平是至关重要的。呼吸泵的损害会使通气、气体交换和组织呼吸受到影响。在呼吸肌负荷增加或呼吸肌能力下降的疾病中，可发生呼吸肌功能障碍。然而，呼吸模式（即浅快呼吸）的改变，可帮助对抗呼吸肌疲劳。虽然这种适应降低了气体交换的有效性，但是较低的潮气量和较快的呼吸频率将有助于降低呼吸肌疲劳程度。虽然改变呼吸模式会影响气体交换的有效性，但是预防呼吸肌疲劳和呼吸骤停仍依赖于呼吸模式的改变（即潮气量减少，呼吸频率增加）。
呼吸肌的无力增加了呼吸的相对负荷[ 吸气压力/ 最大吸气压力（PI/PImax）]，这将导致一些临床症状，如呼吸困难、运动耐力下降、无效的咳嗽、呼吸功能不全、呼吸衰竭和死亡。呼吸肌功能障碍可以在以下情况下出现，如慢性阻塞性肺疾病、哮喘、神经肌肉疾病包括脊髓损伤、充血性心脏衰竭和危重病患者。
二、
呼吸肌功能的评估方法
呼吸肌功能测定可分为两大类：（1）呼吸肌力量的评估，如：最大吸气压（PImax）、最大呼气压（PEmax）、跨膈压（Pdi）、最大跨膈压（Pdimax）和膈肌超声等；（2）呼吸肌耐力的评估，如：最大自主通气量（MVV）、最大维持通气量（MSVC）、膈肌张力-时间指数（TTdi）、膈肌肌电图（EMDdi）和膈神经电刺激等。本节仅介绍常用的呼吸肌测定方法。
1. 肺功能测试
呼吸肌功能障碍可以通过肺功能测试来进行评估，通常表现为：
（1）FVC降低（这是非特异性的）；
（2）RV/TLC比率增加，伴TLC降低；
（3）MVV减少，超出FEV1的比例。因为呼吸肌功能取决于胸腔的容量和膈肌的长度。典型的呼吸肌无力也可能从直立位的潮气量与仰卧位时的潮气量变化超过20%进行判断[2]。
2. 压力测试
（1）呼吸肌力测试：呼吸肌力量可以通过最大吸气压（PImax）和最大呼气压（PEmax）来进行评估，这也是目前最常用的测试方法[3]。PImax是指受试者在残气位通过口件与其相连的闭合管道做最快最大吸气时所能测得的最大并能维持1-2秒的口腔压。PEmax是指受试者在肺总量位通过口件与其相连的闭合管道做最大用力呼气时所测得的最大并维持1-2秒的口腔压。口件中设计的小孔（直径2mm、长度15mm）是为了防止脸部肌肉的收缩形成的高压力。压力测量时规范肺容积至关重要。为了避免胸壁和肺的回缩力导致的吸气肌压力，需要记录功能残气量的测量值（FRC）。然而，这个肺容积很难规范。在临床实践中，用残气量来测量PImax，而用肺总容量（TLC）来测量PEmax。至少应进行5 次测量，并取最佳值。PImax和PEmax是反应呼吸呼吸肌最大收缩能力的指标，测定结果受多种因素影响，如：年龄、性别、受试者的主观努力程度、检查者的解释和操作。PImax和PEmax提供的是总的呼吸肌功能。低PImax提示吸气肌功能障碍。在这种情况下，测定食管压（反应胸腔压）也许有用。类似的测定跨膈压（Pdi）可能提供进一步的信息。在做Muller动作或Sharp Sniff动作期间可测定最大膈肌功能[4]。
（2）呼吸肌耐力测试：最常见的是患者尽可能长时间地采用亚剂量吸气负荷（60%~75%PImax）来呼吸[5]。这个测试可以检测训练后吸气肌耐力的变化。通过呼吸时每2分钟增加一次负荷（约5cmH2O），阈值负荷可以不断的增加。可以持续2 分钟的最高负荷称为可持续的压力（sustainable pressure），用最大负荷的百分比来表示。健康人通常在70%PImax 情况下能维持2 分钟。Johnson 和他的同事们报道了这个比例具有较大的个体差异，该差异往往会随着年龄增长而减少[6]。慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的可持续压力小于最大吸气压和最大呼气压。另一个方法是以收缩时间（10 秒）和放松时间（5 秒）的呼吸节律对一个密闭管路进行重复的最大吸气和呼吸策略的测试。评估呼吸肌耐力变化是依据收缩18 次后最大压力的相对下降值[7]。
三、
呼吸肌功能的正常值
有关呼吸压力正常值的资料比较有限，所用测定技术的不同和研究人群的差别也导致PImax和PEmax有很大的变动范围和不同的回归方式。几个研究小组的研究人员已经公布PImax 及PEmax 的标准（表1）。不管是否使用这些标准，这些标准的标准差都明显偏大。因此，其存在的不足之处是很难对正常值下定义。吸气衰弱被定义为PImax低于预测值的50%并同时伴有相关的临床体征（如，呼吸困难、咳嗽、端坐呼吸困难）。其他方法，例如嗅气策略，已被用来作为一种来量化总体呼吸肌功能的工具。嗅气策略的结果在患有神经肌肉疾病的儿童中有很高的信度。现在也常用膈肌超声对膈肌活动度和膈肌厚度做更精准的客观评估。其它的侵入性方法如电或磁对横膈的刺激可以提供更准确和详细的膈肌功能信息，并且对膈肌麻痹的诊断有很大帮助。然而，对大多数临床应用来说，对吸气和呼气口腔压力的评估已经足够。Enright等检查了一组≥65岁老年人的PImax和PEmax，作为心血管健康检查的一部分。结果PImax/PEmax的平均值女性为57/116，男性为83/174。正常低限是平均预计值的40%-60%[8]。
表1：健康成年人PImax和PEmax经口压的参考值
参考文献 | 性别 | PImax（cmH₂O） | PEmax（cmH₂O） |
Black 和 Hyatt（1969） | M F | 124±22 87±16 | 233±42 152±27 |
Rinqvist （1966） | M F | 130±32 98±25 | 237±46 165±30 |
Leech 等 （1983） | M F | 114±36 71±27 | 154±82 94±33 |
Wilson 等 （1984） | M F | 106±31 73±22 | 148±17 93±17 |
Vincken 等 （1987） | M F | 105±25 71±23 | 140±38 89±24 |
Bruschi 等 （1992） | M F | 120±37 84±30 | 140±30 95±20 |
注：M，男性；F，女性
四、
临床应用
对于不能解释的呼吸困难，尤其是当与肺容量受限或MVV降低（超过对FEV1的比例）相关时，是测定呼吸肌功能的适应症。PImax和PEmax的测定简单易行且花费低廉。对于慢性气道阻塞性疾病（CAO）和肺功能测试不能解释的呼吸困难，PImax和PEmax的测定具有特别的意义。在这种情况下，过度通气会影响PImax，但不影响PEmax的测定结果，因此PEmax的测定更有价值[9]。
PImax和PEmax的测定也会用于对于神经肌肉疾病患者的初始评估和追踪观察。在这些疾病中，尤其是急性发病的早期，应频繁监测FVC，PImax和PEmax，当PImax降低并低于预计值的1/3时，常发生呼吸衰竭。因此，临床上常将FVC和PImax作为早期急性神经肌肉疾病患者的标准监测指标[10]。当FVC降低至＜10-15ml/kg或PImax降低至＜20-25cmH2O时，应考虑机械通气；PEmax＜40 cmH2O时，预示患者咳嗽能力很差，合并呼吸并发症的可能性增加。
三级医院呼吸肌功能测定
参考文献
1.American Thoracic Society/European Respiratory S. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. American journal of respiratory and critical care medicine 2002: 166(4): 518-624.
2. Gordon PH, Corcia P, Lacomblez L, et al. Defining survival as an outcome measure in amyotrophic lateral sclerosis. Arch Neurol 2009;66(6):758–61.
3. Steier J, Kaul S, Seymour J, et al. The value of multiple tests of respiratory muscle strength. Thorax 2007;62(11):975–80.
4. Hart N, Polkey MI, Sharshar T, et al. Limitations of sniff nasal pressure in patients with severe neuromuscular weakness. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2003;74(12):1685–7.
5. Steier J, Kaul S, Seymour J, et al. The value of multiple tests of respiratory muscle strength. Thorax 2007;62(11):975–80.
6. Johnson BD, Babcock MA, Suman OE, et al: Exercise-induced diaphragmatic fatigue in healthy humans. Journal of Physiology 460:385–405, 1993.
7. Tobin MJ, Laghi F. Monitoring respiratory muscle function. In: Tobin MJ, ed. Principles and Practice of Intensive Care Monitoring. McGraw-Hill New York, 1998; pp. 497-545.
8. Enright PL, Kronmal RA, Manolio TA, Schenker MB, Hyatt RE. Respiratory Muscle Strength in the Elderly - Correlates and Reference Values. Am J Resp Crit Care 1994: 149(2): 430-438.
9. Antenora F, Fantini R, Iattoni A, Castaniere I, Sdanganelli A, Livrieri F, Tonelli R, Zona S, Monelli M, Clini EM, Marchioni A. Prevalence and outcomes of diaphragmatic dysfunction assessed by ultrasound technology during acute exacerbation of COPD: A pilot study. Respirology 2017: 22(2): 338-344.
10. Polkey MI, Lyall RA, Yang K, Johnson E, Leigh PN, Moxham J. Respiratory Muscle Strength as a Predictive Biomarker for Survival in Amyotrophic Lateral Sclerosis. Am J Respir Crit Care Med 2017: 195(1): 86-95.
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