肺应力，应变和能量负荷：运用工程概念认识呼吸机所致肺损伤的机制（VILI）

火凤凰翻译组、四川省中医院张松医师整理

导读

最近发现，在过去的15年里，即便采用保护性小潮气量通气（LVt)，急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的病死率并没有减少，仍然处于~ 40%。因此，迫切需要发展新的通气策略，以保护肺，降低ARDS病死率。Protti等对健康猪进行54小时机械通气后，运用工程学方法研究机械通气对肺组织的影响。他们用这些方法评估机械通气对动态和静态的全肺应变和能量负荷的影响。应变是肺在施加应力（即潮气量VT）下的变化。这项研究已经获得了一些令人振奋的新观点：（1）单个机械呼吸参数（ 如Vt 或平台压Plateau Pressure）与VILI并不直接相关，而他们的任何组合——引起肺动态应变和能量/功率负载增加，则会导致VILI；（2）不同应变效应不一：动态应变产生的动态能量负荷（即动能）比静态应变和能量负荷（即势能）更损害肺组织；（3）需要重点关注的不仅仅是Vt的大小，更要关注Vt所能充盈的肺体积的大小。

在这些新观点之下，我们目前所推崇的保护性通气策略——保持低Vt优先，值得引起我们的注意。如果肺充分充气，高VT并不一定是有害的。总之，采用工程概念来分析机械呼吸对肺的影响是一种研究VILI机制的新方法，可用来帮助设计最佳保护性机械通气。运用这些方法获得的数据对目前一些围绕VILI产生机制和必要的保护性机械通气策略的教条主义观念产生了挑战。

“Life leaps like a geyser for those who drill through the rock of inertia”

——Alexis Carrel

  “钻透怠惰之岩层，生命活力将如泉涌”—— 亚历克西斯.卡雷尔

研究背景

自从Webb和Tierney证明了高吸气压力可引起肺水肿，而应用呼气末正压（PEEP）可以保护和防止肺水肿的形成后，机械通气加重急性呼吸窘迫综合征相关的肺损伤机制（ARDS）已被广泛研究。现在我们知道，一般而言，这种呼吸机所致肺损伤的机制（VILI）是肺泡过度膨胀（肺容积损伤），肺泡的不稳定导致每一次呼吸过程中肺泡塌陷和重复开放（剪切力损伤）和这些机械性损伤引起的继发性炎症——生物伤 。尽管呼吸机设置了很多模式来阻止这三种损伤（一些研究表明病死率降低），然而，最近的研究表明，ARDS病死率仍然保持在~ 40% 。 ARDS病死率是复杂的，VILI是直接结果，这清楚地表明，“钻透惯性岩石”（指摆脱成见），寻找降低ARDS病死率的新方法尤显迫切。

Burkhard Lachmann博士在1992提出，最佳的肺保护性策略是“使肺开放并保持其开放”。他推测非均质性肺扩张（ARDS病理学的一个重要特征）在导致机械通气所引起的急性肺损伤中起重要作用。这个假设的推论是，保持肺开放会产生均质性肺通气，减少VILI和降低ARDS病死率。如果开放发生ARDS患者的肺并保持开放，可显著减少损伤，应尽早应用保护性机械通气治疗ARDS高危患者，这种避免“肺萎陷”的尝试显著降低ARDS发生率。

主体内容 

Gattinoni博士的研究小组采用工程概念这一新方法分析机械通气对正常肺组织病理的影响，并确定哪些机械通气的调整可以阻止急性肺损伤的进程，从而降低ARDS发生率。从他们最近的由Protti博士发表的论文看，其目的是要在正常猪中确定引起VILI的容量阈值并研究PEEP是否直接或间接地起保护作用。与许多将潮气量（VT）、平台压（Pplat）与VILI进行关联的实验所不同的是，Protti博士将VILI的机制分成了两个主要类型，每个类型分为两个亚型，并对其进行分析。分型为：（1）全肺应变（动态和静态）和（2）能量负荷（动态和静态）。这些实验是在不超过肺容积限制——深吸气量的前提下实施的。应变是对应力所做出的反应，在肺的通气中可表现为Vt和PEEP。因此，全肺应变是Vt +PEEP产生的结果。动态应变是指Vt施加于功能残气量（FRC）时所造成的肺体积变化，而静态应变则指PEEP施加于功能残气量（FRC）所产生的容量变化。全能量负荷是指PEEP的静态能量（概念上相当于势能）和基于PEEP之上的周期性动态驱动压（可定义为Vt之上的PEEP）（概念上等同于动能）之和。

讨论

Protti等将猪分为三个小组：低于正常深吸气量组、正常深吸气量组、超出正常深吸气量组，采用多种动态和静态应变和动态和静态能量负荷通气模式组合，对三个小组的猪进行长达54小时通气。VILI的定义为发生了死亡或肺水肿。损伤可表现为应力使肺迅速发生破裂的，从而造成严重气胸，或表现为缓慢进展的肺水肿。在低于正常深吸气量通气组中，未产生死亡或水肿，仅有轻度氧合和顺应性的改变，所以在这一组没有任何通气策略导致了VILI的发生。

在“正常深吸气量”一组，高动态应变通气导致了因气体交换急剧恶化和肺机械功能受损所引起的肺水肿的增加，54%的动物死亡。在“超出正常深吸气量”一组，66%的猪因高应力导致肺破裂——肺气胸而死亡，而未产生肺水肿，且在相同Vt情况下，PEEP增加了病死率。

这项研究的结果提出了一些非常有趣的和令人兴奋的观念。例如，机械呼吸参数（即气道压、容量、流量和频率）是如何伤害或保护肺组织，这有助于阐明VILI发生的机制。此外，这些呼吸参数的影响被转化为输入肺的应力和肺对此应力的反应——应变进行分析。研究表明，如果压力足以超过肺的深吸气量，那么应力性衰竭将发生——气胸。因此，在不超过肺解剖阈值的机械通气中，发生VILI的主要机制是动态应变。与其一致性的解释为，过度的能量负荷触发了VILI，这一过程涉及到所有的机械呼吸参数。

对于VILI发生机制的认识，Protti等人的研究给我带来的重要概念和启示如下：

1

单一机械呼吸参数（如Vt或Pplat）并不直接与VILI相关，而任何参数的组合若引起肺过度的动态应变和能量/功率负载将会导致VILI。

2

改变单一的呼吸参数，如降低VT或Pplat，对肺没有保护作用，除非伴随动态应变和能量/功率负载的减少。

3

如果不超过深吸气量，则不会发生应力性衰竭。当通气量在深吸气量范围内时，动态应变与静态应变相比是最具伤害性的。当通气量超过深吸气量时，肺将遭受应力性衰竭。

4

不同应变效应不一：动态应变导致的动态能量负荷（即动能）比静态应变和静态能量负荷（即势能）对肺组织的损伤更大。

5

很显然，VILI的独立变量是动态应变（VT），而PEEP的保护性作用也只是有在较低的Vt时才出现，而当通气超过深呼吸量时，PEEP是有害的。

6

给定一个压力时，肺应变可能完全不同，这取决于肺的大小。因此，一种不损害正常肺的特定压力可能会导致ARDS肺严重损伤，因为肺不张（即“婴儿肺”）会导致肺容积显著减少。

7

我们需要考虑的一个关键性因素，不仅仅是Vt的大小，而且是由该Vt所充盈的肺的大小。我们现行被推崇的保护性通气策略——保持低Vt优先，值得引起我们的注意。如果有明显的肺萎陷（即对于任何给定的压力，将增加应变），低VT确实很重要。然而，如果肺被完全利用，高VT不会造成组织损伤，因为有380,000,000个膨胀的肺泡可分配应变。任何给定的Vt的影响都可以通过计算驱动压力的变化——Vt /肺顺应性来评估。

8

在ARDS，我们还必须考虑“不均匀性”因素。不均匀分布的肺容积和压力称为应力集中，它们可引起局部应力/应变集中升高可相当于整个肺的两倍。因此，在ARDS患者的异质肺中，预测给定的“低VT”是否安全是不可能的。此外，静态和动态应变之间的重复性转换是一个重要的能量负载变化因子，因为它有可能加重肺组织的压力/损伤，特别是在非均质结构中。

9

给定的气道压力可能会导致广泛的不同的跨肺压（Ptp）（即施于肺的压力），取决于肺和胸壁顺应性的关系。

10

驱动压力一直被认为是与VILI最相关的变量。然而，驱动压力应与胸壁的顺应性、肺大小、均质性、气体流速。取决于变量如何组合，相同的驱动压力可能致命也可能是无害的。

我们的评论将集中在如何将关于VILI所致肺损伤的机制的新认识用于解释其他研究结果，例如ARDS的临床试验和应用性临床动物ARDS模型等。

最近，Amato等人对ARDSnet的小潮气量研究数据进行了回顾性分析。这些初始研究奠定了现行标准化机械通气的基础：6 cc/kg Vt、 保持Pplat 在30 cmH20以下、和根据氧合情况设置PEEP——滑动性PEEP。令人惊讶的是，Amato的研究表明，Vt、Pplat、PEEP与患者的病死率无相关性，而与病死率相关的是驱动压力——Vt /肺顺应性。因此，在保护性通气策略中，不可能有一个放之四海而皆准机的机械呼吸的单一参数，而必须根据病人肺生理的变化进行个性化和自适应调整。当提到“驱动压力”时，“生理变化”是指肺顺应性。因此，如果呼吸机设置为最大限度减少动态应变和能量/功率负载的模式（可通过驱动压力来评估）时，VILI将最小化，而结局将得到改善。

Kollisch Singule等人研究表明，在一个具有高逼真、临床可用性的猪ARDS模型中，与较低的VT（LVT）通气策略相比，尽管存在高平台压和高潮气量，优先应用气道压力释放通气（airway pressure release ventilation (APRV）具有肺保护作用。因此，如何利用 Protti 论文[9]中对损伤机制的新观点来解释这些结果？首先，跨肺压（Ptp），继而肺压力（lung stress)，试验中组与组之间是相似的，尽管在APRV组Pplat和Vt均较高（图1）。因此，在APRV组，增加的Pplat被转化为胸腔压力并施加到胸壁，从而不会导致肺的动态应变或能量/功率负荷的增加。

图1

结论

总之，采用工程概念研究机械通气对肺的影响是一个令人兴奋的新的方法，可用来研究VILI的机制并帮助设计最佳保护性通气。这种最佳通气必须个体化，可以有能力根据肺病理生理的变化不断调整，以保持肺的开放和稳定。最佳保护性通气的关键是尽量减少动态应变和能量/功率负荷。只要这些因素能够获得控制，肺就会避免损伤。因此，只要动态应变和能量/功率负荷保持在安全范围内，高潮气量或高平台压就是安全的。最佳保护性通气必须与患者复杂的病理相匹配，需要考虑的因素有胸壁的顺应性、可能存在的非匀质性所导致的应力集中。总之，更好地认识到如何将机械通气的物理学原理与肺的病理生理相匹配，将最终产生最佳的保护性机械通气（完）。

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