机械通气的未来:现在和过去的经验

  急性呼吸窘迫综合征(ARDS)时机械通气的不利影响源于两个因素:跨肺压的非生理性升高,以及正压或负压通气时胸膜腔压力的非生理性升高或降低。跨肺压相关的副作用主要是呼吸机相关性肺损伤(ventilator-induced lung injury,VILI),而胸膜腔压力相关的副作用主要是血流动力学改变。机械通气时所给的驱动压对跨肺压和胸膜腔压力改变的影响取决于肺和胸壁的弹性阻力。“容积伤”应该归因于过度的形变,而“气压伤”则源于应力过大所致。在人体中,形变大于1.5时,相对应的肺内应力大约20 cmH2O,同样的条件在实验动物中产生了严重的伤害。除了高潮气量和高跨肺压,呼吸频率和吸气流速也可能是导致VILI的原因。我们无法得知死亡率中哪部分归因于机械通气导致的VILI,而最近的临床实践调查指出:潮气量7.5ml/kg、PEEP 8 cmH2O、频率20次/分、相关死亡率为35%。因此,需要更加全面且个体化的理解ARDS发病机制以及与机械通气的交互作用,以提高未来的治疗水平。了解功能性肺容积大小有助于定量评估形变。测定肺不均一性和压力增加的情况有助于评估局部应力;通过肺复张效果可以指导PEEP的选择以适应肺容积和弹性阻力。寻找一个机械通气辅助的安全阈值以规范功能性肺容积和组织异质性,这可能有助于精确确定个体机械通气的安全限度。当机械通气的设置难以避免VILI高风险时,应该考虑其它方案(比如人工肺)。

  关键词:机械通气,急性呼吸窘迫综合征,呼吸机相关性肺损伤,机械能,体外膜肺氧合

  在未来的数年内,机械通气仍然可能是临床所需要的辅助手段。我们现在已认识到了稳定血流动力学、人机同步、保留肌力、避免气管插管损伤、把动态过度充气减到最少、监测生物反应(所有机械通气的重要目标)的重要性。然而,我们在本文中重点阐述的是减少组织损伤,以提高人工通气的安全性。而且,我们把分析限定于ARDS人群,他们是接受机械通气患者人群中需要处理问题最多的。然而,安全的治疗原则同样适用于所有机械通气患者。要实现人工膨胀肺(例如,增加跨肺压(PL),气道压减去胸膜腔压(Paw – Ppl)),有两种截然相反的选择可以使用:要么完全气道正压通气,同时胸膜腔压也会增加;要么完全负压通气,此时胸廓因外部的负压作用而被扩张。在这两种极端方式之间,可以采用混合模式通气,主要是提供气道正压的同时允许呼吸肌的自主收缩,这会在吸气时降低胸膜腔压力(表1)。为了进一步探讨,我们必须了解目前机械通气存在的问题。

  机械通气的不利影响可以分为两大类:一类与过高的/非生理性的跨肺压(一般是正压)有关,另一类与过高的/非生理性的平台压变化有关,不管正压还是负压通气(图1)。

  图1.跨肺压(ΔPL)和胸膜腔压(ΔPpl)在负压或正压通气中的变化。左:逐渐升高或降低的胸膜腔压变化可能造成的不利后果。关键是对静脉回流增加或降低的影响。右:随着跨肺压(ΔPL)逐渐增加可能产生的续惯损害。不管在负压通气(此处基线O)或是正压通气过程中,ΔPL都是正值。文中详述。ΔPaw气道压变化。

  无论是正压还是负压通气,胸膜腔压力的变化程度和趋势有赖于胸壁的弹性阻力(EW)与整个呼吸系统的弹性阻力(Etot)的比率。后者等于胸壁与肺的弹性阻力之和。因此,在正压通气时,可用以下公式表示它们之间在静态时的关系:

  然而,在负压通气时,肺膨胀的驱动力来源于呼吸系统外围的压力(ΔPneg)降低,所以适用于以下公式:

  需要注意的是,在ARDS时,EW/Etot的平均值是0.7,可以在0.2~0.8之间波动。

  显然,在人工辅助通气时,机械辅助的正压与呼吸肌产生的压力(ΔPmusc)(表1)同时存在,胸腔内压力的实际变化就是“推-拉”两个作用力的结果。因此:

  通过给予一定的气道压使肺被动膨胀时,由于胸壁弹性增加(比如, EW/Etot升高)的存在,胸膜腔压力升高会更明显;而在一些特别肥胖的病例中,由于肺的弹性增加(比如,低EW/Etot; 见方程 (1))的存在,胸膜腔压力则增高很少。我们参考的所有方程只是与胸膜腔真实发生的情况相接近,实际上胸廓内的胸膜腔压力并不是均一的,而是取决于几个因素,比如:随着肺和胸壁解剖形态的不同而呈现出的重力梯度差异和局部压力变化等。尽管很难准确测量胸膜腔内压,但它的变化会影响着中心静脉压和静脉回流。一部大型的实验性临床著作阐述了所有可能出现的、与机械通气引起的有效循环容量减少相关的并发症。当整个呼吸周期中胸膜腔都保持正压时似乎更容易发生,比如:在使用呼气末正压(PEEP)辅助通气时。肾脏、肝脏、肠道都可能会因静脉充血和灌注减少而受损。

  在自主呼吸过程中,可能会出现胸膜腔负压过低的情况,尤其是患者具有强烈的呼吸努力,同时肺顺应性又极差变成“硬肺”时(见方程(3))。例如:在ARDS时,由于失常深大的呼吸驱动力作用,食道内压负向波动可以超过20-25cmH2O。除了增加呼吸功和氧耗之外,如此大的胸腔内负压和肺间质内负压还可促进静脉回流并加重肺水肿的形成。这种现象首先是由Barach等人在1938提出来的,在如今正压通气的时代里,理所当然地被再次强调。最近的研究表明,受损的肺在剧烈的呼吸努力过程中会出现气体摆动现象,这可能会放大局部形变并且导致组织损伤。理论上,某些人机不同步(例如:双触发和呼吸累积),如果频发和/或成组发生也可能会造成损伤。

  在机械通气被应用于ARDS患者之后不久,极端跨肺压的不利影响就被认识到了。早些年间,最初的治疗目标是维持血气的正常和避免人机不同步,在那时候,呼吸机的报警系统很差,而肌松药被认为是有害的所以被限制使用。因此,潮气量和呼吸频率常常被分别设置为15ml/kg和15-20次/分。通过这种方法,只有少数患者出现人机对抗,但是气压伤(主要是气胸)出现的很快且很常见。这种情况出现得过于频繁,以致于在ARDS患者开始机械通气时就被建议预防性留置双侧胸腔闭式引流管。“气压伤”被用于描述临床上出现的气体逸出:例如气胸、纵隔气肿、间质性肺气肿、气体栓塞等现象。但是,从更广泛的意义来说,气压伤也包括VILI。

  Dreyfuss等人提出了不同的观点,与气道压力相对应,他们更强调肺膨胀(形变)的的作用。在限制胸壁运动而避免过度的肺形变或损伤的情况下应用高气道压。相反的,在同样的气道压下解除胸壁约束时,肺损伤(“容积伤”)就会增加。如果我们认为肺膨胀的力量不是气道压而是跨肺压(也就是Paw – Ppl),则气压伤(barotrauma)和容积伤(volutrauma)就像一枚硬币的正反两面。这个变量能更精确的反应作用于肺组织的能量。实际上,符合以下公式:

  在这里,ΔV是肺容积的变化,相对于其静息的(无应力作用下的)肺容积、功能残气量(FRC),ELspec是肺组织弹性阻力,弹性阻力反应肺的绝对膨胀能力。

  因此,应力和形变之比为一个常数,相当于肺弹性阻力ELspec。这个值在正常个体和急性肺损伤患者中是相似的,平均约12cmH2O。也就是说,当功能残气量(FRC)加倍时,作用于肺组织的应力会升高12cmH2O。实际上,在吸气后,应力可以达到24cmH2O,因为ΔV/FRC的比值为2。试验研究证实“气压伤/容积伤”需要肺的部分区域达到其极限容量。在这里,胶原骨架结构被完全扩张,从而变为“阻止伸长”的约束力。这一概念被总结于图2中,成为理解气压伤和容积伤的基础。

  图2.肺形变(潮气量/功能残气量)与肺压力(跨肺压)的函数。数据来自Agostoni和Hyatt。如图所示,跨肺压为12cmH2O(特异性肺弹性阻力)时FRC增加一倍。我们武断的标出跨肺压(PL)的“危险”区域,此时应变超过1.5(基于试验数据)。PL:跨肺压。

  在观察容积伤影响的对比研究中,潮气量经常用每公斤理想(预测)体重(PBW)来表示,企图使潮气量与预计肺容积相关。然而,由于ARDS患者可充气肺容积(“婴儿肺”的概念)的差异,这种标准化未能替代肺的形变。尽管有这些局限性,ARDS Network发现,在非选择性ARDS样本中给予按预测体重使用6ml/kg代替12ml/kg的潮气量时,生存率提高了9%。值得注意的是,在较轻的ARDS患者中,四分位数也发现了这个优势,这些患者的“婴儿肺”容积较大。生存率和死腔通气之间的负相关性似乎是合理的,正如高碳酸血症一样,可能与有功能的婴儿肺相对容积及其经受的“肺保护性”通气导致的形变有关。潮气量超过20-30ml/kg理想体重时,会对实验动物的健康肺产生损坏。虽然将健康肺与ARDS患者的肺直接比较有可疑之处,但是“婴儿肺”的力学特性(如:比顺应性)和正常肺相似。ARDS Network强烈建议避免使用大潮气量,现已深刻又恰如其分地影响着临床实践。然而,要避免容积伤除了单纯的考虑潮气量外还要考虑肺的形变(例如,潮气量和静息肺容积的比值)。在这种情况下,最近关注的焦点转向了驱动压(等于潮气量与顺应性的比值),而不只是粗略的警惕平台压。我们也必须提醒自己,在先前的随机对照试验中发现接受约10ml/kg潮气量的ARDS患者比约7ml/kg潮气量的患者生存率更好。因此,正如有人提议的“超保护性通气”(经体外清除CO2),也就是把潮气量降到小于6ml/kg,这不一定有益,因为严重通气不足和继发的肺不张可能抵消先前的优势,除非其它预防性或补偿性策略可以提高平均气道压以增加全肺的应力。应注意既要避免过度的高形变,也要避免非生理性的低形变。

  伴随ARMA试验评论的提出,32cmH2O的平台压作为(被动)机械通气的安全上限。从此,30cmH2O的极限则很少被临床实践和临床试验所质疑。事实上,70kg的正常人(FRC约2000ml,顺应性约80ml/cmH2O),30 cmH2O的平台压相当于大约2400ml的潮气量(形变=1.2)。在正常动物,如果以15次的呼吸频率工作54小时,这种形变几乎是无害的。在这种情况下,假设胸壁和肺弹性相似,则跨肺压将大约是15cmH2O(见图2)。然而,正如已经提到的,ARDS时,肺弹性和整体呼吸系统弹性的比率可能会有所不同,从0.2—0.8变化。

  因为跨肺压等于施加的气道压乘以EL/Etot的比率,“安全的”30 cmH2O可能导致跨肺压低至6 cmH2O或高达24 cmH2O,这是接近达到肺总容量所需的压力(图 2),对动物可能是致死性的。因此,在特定的患者群体中,使用30 cmH2O,可能导致过度的形变或通气不足和低氧血症。在澳大利亚和新西兰H1N1流行期间,这种情况很可能发生于一些低EL/Etot比率(如,孕妇或肥胖患者)的患者。这些所记载的低EL/Etot比率的H1N1流感患者(ECMO人选)队列中,仅仅通过安全地增加平台压,ECMO也许是可以避免的。正如容积伤考虑形变而不是潮气量更可取,气压伤考虑跨肺压而不是平台压也更可取。(见方程(6))。

  尽管大多数研究在处理VILI时更关注于呼吸的静态部分(潮气量、平台压和PEEP),其他重要的因素也是不应该被忽视的。在我们看来,最相关的是呼吸频率(如,每分钟递送潜在的容积伤或气压伤多少次?)和吸气流速(如,实施一次通气潜在的容积伤或气压伤多快出现?)。

  呼吸频率被认为是相对不重要的,因为通常认为是为了维持PaCO2在可接受的范围。因此,在ARDS Network试验中,29次/分的呼吸频率相关的低潮气量与16次/分的高潮气量比较,具有里程碑性的意义。尽管如此,在某些情况下呼吸频率也可能不会成为导致VILI的因素。

  但在个体呼吸周期中出现动态压力变化时,增加呼吸频率的危害几乎是肯定的。与金属疲劳类似,这是高应力周期(切换)次数的作用,可能有助于将呼吸频率的作用视为VILI的共同决定因素。在离体肺和大型动物中,降低呼吸频率在减少VILI中体现出了确切的益处。相反,当提高压力范围时,高频小潮气量通气可能会造成损害。

  高吸气流速对VILI的潜在影响可能与局部加剧的集中应力有关,是一个受组织粘弹性特性影响的问题。实验性文献一致表明,给予特定的平台压,或特定的形变,所递送容量的频率(如,吸气流速)在VILI发病过程中起到明确的作用。尽管有人在逻辑上期望高吸气流速所致的损害主要集中于气道,但高吸气流速强调对肺实质的损害,很有可能因为粘弹性调节不能满足在迅速发生膨胀时及时消除破坏性的力量。假设流速对机械性非均质肺(如,ARDS)的作用高于均质肺。此外,一种由压力控制所递送的潮气量可能比流量-控制具有更大的危险性,容积-切换式通气实现了恒定的流量,因为前者的吸气峰流速可能达到更高的值。最后,虽然很少有研究,呼气流速控制可能潜在地减轻微小肺不张的发生,影响排气时组织自我重组发生的应力。

  表2显示了在过去几年里治疗ARDS的不同人群通气的数据及结果。分别于2002年、2011年、2016年由Esteban等、Villar等、Bellani等提供了观察性研究。这三项研究包括非选择性的ARDS患者,并反映了日常实践。为了做比较,我们在随机试验中增加了入选患者的治疗和结果,从广泛的ARDS人群中筛选出排除标准。与潮气量比较,更多地关注平台压,在ARDS Network ARMA试验后一直保持在30cmH2O以下。呼吸频率没有显著的变化,因为它似乎出于维持PaCO2在35—45mmHg的正常范围为目的。PEEP值始终平均7-8cmH2O,最高水平达15 cmH2O,仅系统地应用于临床试验。鉴于Bellani等进行的一项最大、最新的调查所报道的通气数据,我们想知道PBW7.6ml/kg的潮气量、呼吸频率18.6次/分、PEEP8.4cmH2O的通气患者VILI死亡的部分原因。到目前为止,我们认为不可能回答这一问题,因为这一问题在改进未来机械通气起到至关重要的作用。的确,如果当前VILI所致死亡率已经非常低了,那么我们不能期望从目前通气实践中获得很大的改进。我们必须首先更好地了解呼吸机设置的作用,了解肺脏病理生理学,以及他们之间的相互作用。

  PBW 预测体重,PEEP 呼气末正压,RCT 随机对照试验,RR 呼吸频率,Vt 潮气量

  理想情况下,实施机械通气,应避免所有不良的副作用,包括VILI。要理性地完成这项任务,我们认为比当前更好地掌握应用机械通气后肺实质的病理生理学特性,并充分理解通气装置每一部件的潜在危害,是非常有必要的。

  影响VILI发生的主要条件是婴儿肺的容积大小、实质的可复张性和肺不均质性的程度。常规测量肺容积允许使用平均肺的形变进行评估。可复张性的精确评估目前需要成像技术,通过选择“合适的”PEEP,以便使增加功能肺容积、防止/限制肺萎陷伤变得更容易。肺的不均质性可能促进VILI发生。在健康动物,VILI需要潮气量高达30-40ml/kg。相比之下,在ARDS患者中12ml/kg似乎已经足够,即使在那些肺顺应性较好的患者(例如:可能有更大肺容积的患者)。因为婴儿肺(例如:缺乏表面活性物质、存在一定程度的水肿和细胞外基质纤维化)本身可能发生的改变就是防止过度的形变,额外的因素似乎是造成损害的必要因素。肺实质的不均质性可能是那些局部应力及形变(应变提升)增加的原因。在Mead等经典理论模型中,发生在完全开放单位(容积=10)与完全关闭单位(容积=1)间界面的不均质性可引起压力成比例上升至比例指数的2/3[例如:(10/1)^(2/3)]。推荐指数的2/3与表面积(cm^2)对应的转换容积(cm^3)相似,作为表面积对应的应力(力除以表面积)关系。因为10^(2/3)=4.64,在气道施加30cmH2O的压力时可导致完全均质开放的肺局部产生张力接近140cmH2O。当我们应用CT扫描预计肺的不均质性时,发现不同容积间的倍增系数大约为2,但是更多的单位局部扩张以达到其自身的TLC。重度ARDS超过40%的肺容积可能会遭到这种压力上升的现象,因此应强调降低肺不均质性设计策略的重要性。

  所有这些机械因素(容积、压力、频率、流量)分开讨论都可以看做一个单一物理实体的一部分:机械能。描述机械能量的方程(图3)可以很容易通过经典运动方程(潮气量乘以呼吸频率)推导出来。的确,每个周期所消耗的能量可通过压力结果乘以容积变化计算出来,当乘以呼吸频率时即得出能量值(能量/单位时间)。总压力是用来完成弹性工作(弹性乘以潮气量)、气体移动(流量乘以阻力)和维持呼气末肺容积(通过PEEP)的。如果每个因素都乘以潮气量,可获得每次呼吸的能量,通过将其乘以呼吸频率我们可得到机械能。该方程给出了扩展形式,而不是其他可能的简化版本,为了逐项说明功率的决定因素。指数比较表明潮气量(及其相关的驱动压力)和吸气流量是定量有效的决定因素(Powerrs=k×△V2 and Powerrs=k×flow2),然后是呼吸频率(Powerrs=k×RR1.4),以及PEEP、弹性和阻力(三个与机械功率成线性关系)。显然,如果避免使用破坏性能量,减少通气需求可优先考虑降低潮气量、流速、和/或呼吸频率。

  图3最上方条框:简化的运动方程,显示了在即定的时刻,高于relaxed容积呼吸系统(P)内的压力等于弹性压力(呼吸系统的弹性 Ers 乘以肺容量的变化)、气体移动所需的压力(流量乘以气道阻力)、以及保持肺内压高于呼气末大气压(PEEP)所需的压力(如果存在的情况下)三者之和。如果三个因素中的每一项都乘以潮气量的变化,即可获得每次呼吸的能量。

  如果再乘以呼吸频率,则获得相应的功率方程。0.098是升/cmH2O针对焦耳(J)的换算系数。

  I:E 吸呼比,PEEP 呼气末正压,Powerrs 呼吸系统的机械功率,RR 呼吸频率,△V 容量变化,Raw 气道阻力

  尽管机械能的概念可能更能迎合作为追踪VILI风险的统一变量的需求,在其应用于实践之前,必须面对几个挑战:首先,无论对于标准肺容积,还是充气肺组织数量,功率必须标准化;第二,传送至整个呼吸系统的,和实际上传送至肺组织(使用跨肺压)的能量必须有所差异。特别是吸气流速和组织阻力的影响应更好地界定。从实践的角度出发,即使恰当地调节阻力、流速、胸壁弹性,任何在自主呼吸用力期间仅使用气道压力做出肺输出能量的估计,只反应了机械在肺膨胀期间对所能提供总能量予以的贡献。另外,布及整个肺实质的机械能的分布必须确定。我们不知道是否这种应力与应变分布不均匀取决于肺的不均质性。最后,定义机械能与吸气相有关,非常有可能呼气相也发挥了一定的作用。的确,当呼气完成时,在吸气末所积累的全部能量必须消散至肺结构和大气中。知道控制呼气流速(可减少消耗在肺里的能量)是有趣而重要的,其有助于减少VILI。事实上,这一现象已在两项研究中有所报道,通常情况下在VILI的文献中不予考虑。图4总结了所有的概念,并建议一个稍有不同的术语,我们认为这一术语可减少目前使用混淆。

  图4左:基线能量(三角形ABE红色的阴影线),伴随潮气量(BCDE的面积)的吸气能量是增加的。黄色阴影线面积至右侧BC线代表吸气时移动气体、克服表面张力,所消耗的能量,从而使细胞层相互滑行(组织阻力),可能使萎陷的肺单元再次膨胀。BG线左侧亮绿色阴影线的面积界定了吸气期附加于呼吸系统周期性的弹性能量(梯形EBCD)。三角形ACD中的总面积是吸气末呼吸系统存在的总的能量水平。右:呼气期的能量变化。吸气末(三角形ACD)总的能量积聚,梯形EBCD的面积是呼气时释放的能量。包括在滞后面积(亮蓝阴影线面积)内的能量部分是消耗在呼吸系统内的,而剩下的面积则是通过连接回路消耗在大气中的能量。请注意,无论采取什么行动(如控制呼气)减少滞后面积将降低进入呼吸系统的能量(潜在危险?)消耗。PEEP 呼气末正压(线上的彩色条形图)

  为了最小化肺病理与通气设置(可能促使VILI发生)间不利的相互作用,需要两种截然不同的策略:一方面,减少吸气机械能和减少VILI发生的破坏性形变;另一方面,逐步提高肺均质性以减少损伤的可能性。鼓励机械同质化的最好策略得到了坚实的病理生理学背景支持,并得到了临床结果的证实,俯卧位是那些肺不均质性患者(中—重度ARDS)普遍采取的策略。

  总之,我们认为对未来患者“改进”机械通气的可能方法(途径)包括以下几个步骤:

  ● 测量/估测肺的不均质性以评估应力提升的普遍存在,以及评估机械能/应力—形变的分布规律。

  ● 确定给定的通气设置应用于已知机械特性的肺实质,是否与VILI风险相关,以及程度如何。

  ● 如果不能找到避免VILI过度风险的机械通气设置,则替代方法(如人工肺)应该考虑。