机械通气安全性概念进展

机械通气安全性概念进展

重症行者翻译组  惠夏

Marini Critical Care 2019, 23(Suppl 1):114
https://doi.org/10.1186/s13054-019-2406-9

摘要

当前对于避免呼吸机相关性肺损伤（VILI）的保护性通气策略的认识，从“以小潮气量为目标”，已发展到降低平台压和驱动压。但是，即使能够可靠地测量到跨肺压力，也无法仅靠压力来准确衡量肺损伤风险；除此之外还有气体流速、吸入氧分压的影响，甚至目前还无法测量的一些机械微环境特性：如几何形状、结构脆性、血管灌注等。高危呼吸周期的使用频度，必须求助于损伤性能量应用强度的判断。VILI产生于呼吸机对受损肺的能量转移。根据跨肺压来识别产生损伤的应变临界值，再加上对总能力负荷及应变强度的考量，有助于形成对VILI概念的统一认识。目前，应对损伤过程中公认的因素加以干预，尽量减少机械通气带来的风险。

介绍

自2000年始，我们对避免VILI的肺保护性通气策略的认识，从以小潮气量为目标，逐渐扩展到控制平台压、肺复张、降低驱动压、降低通气功率、降低驱动功率、减少损伤性应变周期的频率（图1）。要深入理解呼吸机损伤的各种形式，就要对产生损伤所需求的能量和功率充分了解。呼吸周期各阶段的极限值（平台压和PEEP）所产生的静态压力代表了平衡后的力，并不会耗能，因此也不会产生损伤——损伤只有在静态压力间相互转换时才会产生。

另一方面看，肺的应力以及由此产生的应变与跨肺泡（跨肺）压力有关。临床医生们逐渐了解到仅从气道压力判断肺的情况信息量有限，转而采用食管球囊导管来评估食管周围肺组织的压力。在床旁，多数医生仍依赖于测量气道压力和流速。这些方法可以很好地追溯到被动通气期间呼吸机施加于呼吸系统整体（肺和胸壁）的能量负荷。当存在肺损伤时，塌陷和开放肺单位之间连接处的实际应变明显增高了。而俯卧位可以降低这些部位的应力集中（同样适用于结构不均一的情形）。在任何体位下，单一呼吸周期不会造成明显的损伤；产生损伤需要多个超过安全限度的跨肺泡压力呼吸周期。要理解VILI的根本力学原因，需要储备机械能量转移方面的基础知识，因为静态压力不会单独造成损伤。

能量与功率的基本概念

机械功作用于某个物体所需要的能量，定义为所施加的不平衡力乘以该力引起移动的距离。功率是指单位时间内作功的频率，可以在具体时间段内测量——如数分钟、数秒、或呼吸周期的某一部分。物理学上一个重要的原则：能量无法被创造或消除，只能在各种形态之间转换。能量有多种形式（辐射能、热能、核能等等）。在机械通气过程中，机械能量和作功是密切相关的。此时，机械能在势能和动能之间相互转换。后者可以通过对抗阻力产生热能，也可以产生形变并造成损伤。在呼吸期间，吸气时势能储备于肺和胸壁的弹性组织中。呼气时克服阻力（来自组织、气道、人工设备如气管导管、外部连接环路、呼气阀）而释放。在肺自主吸气或被动机械通气时，功率为压力与容量的乘积。“压力”（pressure，此处意为压强）是作用于单位面积上的力，容量则是面积与距离的乘积。压力乘以容量就得到了力-长度的关联值，以此来定义为机械作功。如果压力单位为厘米水柱，容量单位为升，则能量单位为焦耳（J）。瓦特为功率单位——即单位时间内消耗的能量——代表消耗了1J/s。

经典的生理学将呼吸系统运动方程描述为粘滞阻力与弹性阻力之和。因此，当吸气启动时，总的吸气压力（Ptot）为流速乘以阻力（R），加上流速（F）的积分除以顺应性（C）之和（后者的商被称为驱动压），再加上总的呼气末正压（总的呼气末正压=设定PEEP + 内源性PEEP）。因此在吸气末：

Ptot = FR + Vt/C + PEEPtot

在一个吸气周期结束时，输入能量为压力与相应潮气量的乘积：

呼吸功= Vt × Ptot = Vt × [FR + Vt/2C + PEEPtot]

在这个公式中，Vt要除以2才能恰当反应平均潮气量的弹性（驱动）压力。在恒流送气时，吸气作功可以看作是粘滞阻力、驱动压和总PEEP三个能量之和（如图2所示）。要注意到，在恒流条件下，时间和容积呈线性关系，压力-时间（容积）曲线下面积形象地反映了功率的产生（图3）。

潮气量、呼吸功的潜在破坏

气流阻力作功产生于将气体推入肺泡的过程中。在此过程中，摩擦损失不仅作用于气道上皮，同时也作用于组织实质。而且在ARDS中，这部分组织损伤要比健康人群高得多。因此，当考虑到气流速对组织的潜在破坏时，决不能忽视吸气耗能对软组织的磨损。气流的粘滞阻力特性产生的摩擦应力尤其与之相关。当肺膨胀时，相互交错的间质成分间隔了单个肺泡，使其扩张延迟，加重了对间隔成分的应力。当流速增加时，这部分应力和应变增加更明显。

肺膨胀做功的第二部分与驱动压有关，即潮气量与呼吸系统顺应性的商值。在恒定流速时，压力-容量乘积在潮气量水平达到最大值。这个数值必须除以因数2，才能得到整个吸气过程的平均值。这部分能量集中作用于小容量的“婴儿肺”。尽管驱动压是引起肺损伤的核心机械力量，但并不是唯一的。施加应力的速度不仅对应变后果很重要，同时组织原有的张力水平也会因应力作用而更接近产生损伤的应变阈值，从而影响给定的驱动功率数值。后者受呼气末压力的制约，吸气是从呼气末压力（即总PEEP）的水平开始的。

由于没有产生气流和组织运动，PEEP并不是传统认为的呼吸做功的主要成分，但它却是驱动压产生作用的起始平台。从高水平压力起步时，为达到设定的压力水平，就需要更大的力量。因此，从一个已经升高的压力基线上开始呼吸，就需要比无PEEP时更高的送气能量。可以由此推论出，当使用PEEP时，达到目标潮气量需要更高的压力，就可能超出引起损伤的压力阈值。

驱动压的重要性与局限性

根据上述分析，一个特定的驱动压数值——即使是基于跨肺压得到的数值——在没有其他参数的情况下（如初始压力PEEPtot、周期性复张的势能、萎陷伤），也无法判断是安全或有害的。尽管对可复张肺使用高压复张并实施PEEP可减少易损伤肺单位的数量，那些仍然陷闭或无法稳定开放的肺单位则遭遇了更高的应力和应变。顺应性差的肺泡单位膨胀不足，在特定驱动压下存在遭受损伤性应变的可能。随着PEEP增加，其净收益或危害保持不变、升高或降低的三种情况均有可能出现。

驱动压为单次呼吸周期中两个静态压力之差（平台压和总PEEP），目前还不能作为最终或唯一的关键指标来预测或减轻VILI。在预测某些重要结局时，要比构成它的两个因素更好一些。但驱动压有可能低估机械通气的风险，这取决于应力集中点的数量和强度。另外也无法估计粘滞阻力的效应（吸气末流速为0时的压力[P1]与平台压[P2]之差），以及隐匿存在的吸气肌张力的影响。反之，在僵硬胸壁包绕的情况下，仅从气道压力记录中获得的驱动压会高估肺损伤的风险。使用跨肺压有助于避免肌肉活动/肌张力和胸壁僵硬度对原始气道压力的影响。

即便对跨肺压力可以进行可靠地估算，单独凭压力也无法准确预测肺损伤；破坏性势能的作用强度，取决于高危呼吸周期使用的频率。对能量负荷的理解就转化成“产生VILI的能量转化”的统一概念，即从呼吸机向肺转移的力。关于导致VILI的原因，是全部由充气力量的各组分——粘滞阻力、潮气量的弹性阻力以及PEEP引起，还是仅由驱动压（伴随气流阻力及PEEP相关的能量部分急速下降，with flow resistive and PEEP-related energy portions sharply discounted）引起，一直存在争论。不过，流速和PEEP理论上均对上述提及的原因产生影响，而且都通过实验观察到两者对驱动压的重要作用。

对于我们认知的另一个重要补充是，对实验中大大小小的麻醉动物正常肺的肺损伤阈值都相对较高。而对于处于各种力学不均一性微环境中、已存在损伤的肺而言，损伤阈值可能要低得多。由此可见，在达到破坏性应变的潮气量阈值前，已存在相当高数值的功率。因此功率和驱动力本身都不是不容置疑的VILI关键因素。如果确实是这些因素的话，实际中所有平均气道压力下的高频率通气都将证明是有害的，因为这些模式提供了相当高水平的功率和驱动力。然而除了极少量病例外，这种不耐受并未得到证实。

能用尚不明确的“吸收的”能量（“absorbed” power）来解释肺损伤吗？

虽然很有市场，但存在“能量-损伤假说”无法完整解释肺损伤的另一个重要原因：大部分弹性能量以势能的形式储存在吸气末的肺中，这部分能量用于克服呼气阻力。只考虑与PEEP相关的部分，例如，当肺呼气时释放到大气中动能的数量，等于通过阀门（PEEP）的压力、与通过阀门流量积分的乘积——即潮气量乘以呼吸频率，或称分钟通气量。PEEP以上的驱动压部分主要用于呼气时克服气道、气管内导管以及外部呼吸机回路的呼气阻力。因为能量必须以“零和”的方式在三种主要形式（势能、动能/产热、动能-损伤）中转换，大多数储存于吸气末的弹性能量在抵抗阻力时损耗，残留下相当小的直接机械性损伤。也许用牵张来传递信号是更有力的解释？这一点不甚确定。

呼吸周期中所涉及的能量组分还未完全清楚。这个“延迟相关”（hysteresis-related）的压力-容积环区域（图2）值得关注。呼吸过程中这部分“被吸收”的能量可能在先扩张又重塌陷为充气前状态的肺实质中消耗，以克服快速充气时期和呼气早期时的弹性阻力，也可能对微型结构元素造成直接损伤。强大的力量可导致肺泡-毛细血管屏障明显撕裂，而这一小部分延后的能量似乎很难达到这种效果。这一小部分能量和功率是否能造成最终可见的VILI，值得提出质疑。

“未知”能量的放大器

组织损伤的情形发生在微观水平，在这种背景下任何数值的能量或功率都要考虑到。作用于小而易损区域的“未知”能量都可能加重影响。间质区域由相互连结的微纤维构成，这些微纤维缺乏强胶原蛋白的强健弹力或回缩力。三个相关的力量放大机制可影响这些间质区域，使微型结构元素发生明显的断裂，或导致间质张力来触发细胞内炎症信号。这三种机制分别是几何应力聚焦机制、粘弹性阻力机制和应力微元的渐进脱落机制。

几何应力聚焦发生在不同力学特性的组织边界处。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。放大系数与施加的压力有关，但在临床应用中，理论上可达到平台压上限的2-3（译者注：原文无单位）。第二种加重间质微结构元素的力学机制是粘弹性阻力，这是一种随流速变化的放大器。强调一点，与更多肺单位及附属通气道接受潮气量相比，“婴儿肺”的充气部分所经历的实际流量会大得多。另外由于损伤，力学异质性组织之间更难以一致地膨胀和呼气。尤其当容积快速变化时，施加于微型结构元素的肺间质张力升高。

第三个重要的力学放大器是肺间质微结构中并行负荷的渐进脱落机制。一定数量的未知负荷“X”施加于少量支撑结构时可对其中每一个部分产生大量影响。如果这个负载总量分布于更多的支撑结构，则每个元素所受作用更小。当更弱的那部分微结构元素断裂，其负载能力丧失，相应的应力负荷就会转移到其他完整的微结构元素上。这是一个加速过程，可能有助于解释为什么一旦每个微结构元素的张力达到某个临界水平，破坏就会以指数速度产生。该作用与粘弹性阻力、几何应力聚焦机制结合，放大器使那部分“消失的延迟能量”作用于VILI成为可能。

呼气过程中的潜在损伤

至今为止，对VILI及其预防的关注都集中在吸气的半个呼吸周期中，呼气过程被视为被动过程。对于健康肺这个观点可能没错，但对于已损伤肺的力学异质性环境而言并不能排除损伤的可能。肺呼气末静息状态的重建需要能量，上述的应力放大机制同样适用于肺呼气的第一阶段。在呼气时，膈肌各部分逐渐松弛，部分原因是为了避免呼气末肺不张，另一方面可能也为了减少急剧呼气时的不均衡性。在潮气量呼气初始部分的后两个过程可加重组织应力。Schumann团队的研究反复验证了在不产生内源性PEEP的情况下，呼气早期的流速限制（FLEX）可保护肺功能，减少VILI。如果确实如此，则当膈肌无法成为有效流量调节器时（如药物所致膈肌松弛），有必要使用上述呼气调节策略。

VILI形成的非机械因素

在任何关于VILI概念演变的讨论中，影响机械应力作用的协同因素不容忽视。不必要的氧浓度增加很可能是协同因素之一。而在这些协同因素中，损伤肺遭受血管流速和压力灌注最为要紧。心输出量的增加需要更高的平均肺动脉压力，并扩大跨肺泡的血管压力梯度。在高通透性肺中，提高平均肺动脉压力时水肿更易形成。组织液体倒过来又增加了力学不均一性趋势。微血管压力梯度增加意味着更高的能量分布于内皮，即另一种形式的“ergo-trauma”。ARDS接受机械通气时，某些区域反复处于可通气的2区和塌陷的3区状态之间。由此产生的血管能量激增，流经受损的内皮细胞，有可能加重损伤。这为控制不必要的肺泡压力波动提供了另一个论据，导致肺泡压力波动的因素包括强有力的自主呼吸努力、不必要的大潮气量以及高平台压。

总结

近年来，关于VILI的认识进展迅速，从仅仅针对单个呼吸周期中容积和压力的有限观点，逐渐认识到能量和功率负荷，强调呼吸应力、应变强度的应用。目前，VILI被认为是一个相当复杂的过程，病因多样，多种力学机制牵涉交织其中，贯穿于吸气和呼气二相。研究者将其汇聚成一个“雨伞”概念，避免过度功率暴露，以及引起组织应变过度的重复强制呼吸。限制驱动压、气流速、PEEP和频率，同时避免大面积肺泡塌陷十分必要。可通过俯卧位来降低力学不均一性，降低吸入氧浓度（FiO2）。另一方面，减轻通气和心输出量需求同样关键，都是合理的肺保护措施。