膈肌移動度及其衍生超聲指標預測機械通氣撤機時機的研究現狀

劉心佳 王俊峰

作者單位：150001 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫科大學附屬第一醫院超聲醫學科

機械通氣(mechanical ventilation,MV)是重癥監護病房(intensive care unit,ICU)中常規的生命支持系統，但這種干預措施仍具有一定風險：許多進行MV患者可以在3天內拔管，其中約30%的人會面臨撤機失敗的風險[1]，且隨著MV時間的延長，其相關并發癥的發生率也隨之增高，臨床上尚未發現能夠大幅度提升脫機成功率的撤機方案。目前臨床上已有自主呼吸試驗(spontaneous breathing trial,SBT)可用于預測拔管結果，然而，仍有高達25%左右的撤機失敗率[2]，故這一基于評估膈肌功能預測撤機結局的敏感指標，仍有待進一步探索和完善。目前普遍認為撤機失敗的因素包括呼吸機驅動不足、呼吸頻率增加、心力衰竭和吸氣肌無力及疲勞等，膈肌作為主要的呼吸肌，一系列臨床研究[3-5]已證明其功能障礙(ventilator-induced diaphragmatic dysfunction,VIDD)是撤機困難的重要原因，另外，在動物研究[6-7]中顯示MV時間在6～12小時內即可誘發VIDD，并且隨著時間的延長，表現出更明顯的時間依賴性[8]。因此，在MV時間延長所致的撤機失敗患者中，如果能找到一種可靠方法評估膈肌功能，即可早期預測撤機的時間。使用超聲波來評估呼吸肌泵功能是一種新型的測量方式，床旁超聲檢查作為一種通用、無創且無輻射的檢查手段，已廣泛用于ICU人群中，更是可視化ICU患者呼吸肌的首選影像學方法，這是其它評估膈肌功能手段無法替代的優勢，而膈肌移動度(diaphragmatic excursion,DE)是評估膈肌功能中最基礎的超聲指標，本文就DE及其衍生超聲指標對撤機的應用價值與不足及其未來的應用前景作一綜述，為后續標準化撤機方案的制定提供新的思路。

基本參數-DE

DE是用相控陣或低頻凸陣探頭(2～5 MHz)測量，取半臥位(床頭抬高30°～45°)，探頭指示點位于鎖骨中線肋弓正下方大約距腹正中線30°～45°進行觀察，膈肌是覆蓋肝臟和脾臟表面的一條明亮的光滑線，首先在B型超聲下找到膈肌位置，然后切換到M模式下進行測量：在吸氣過程中，隨著膈肌向指示點方向移動，取樣線應盡可能垂直于膈頂的運動方向，掃描速度最好調整到10 mm/s左右，以便在一幅圖像中涵蓋至少三個呼吸周期。在深吸氣期間，DE在正常女性中的閾值大于3.6 cm，正常男性中的閾值大于4.7 cm[9]。由于脾臟受胃泡氣體影響而聲窗受限，要想獲得左側膈肌清晰的圖像存在一定難度，既往研究對其評價褒貶不一。右側DE測量的準確性與觀察者內部和觀察者之間的高可靠性相關[9]。在健康患者中，DE與衡量膈肌壓力產生能力的指標(例如：跨膈壓、顫搐性跨膈壓、跨膈壓的壓力-時間乘積)之間存在中度相關性[10]，但在MV患者中，與其壓力產生能力的指標相關性較差，但與脫機結果相關性良好(DE越大，撤機成功的可能性越大)[11]。DE的測量時間點不同，測量條件不同，測量人群不同，所得到的結果有所差異。有文獻[12]顯示只有在患者SBT中測量DE才有意義。若在其它條件下測量，膈肌的主動收縮與被動移位則無法區分。Zhang等[13]在30 minSBT中，采用低水平壓力支持通氣(pressure support ventilation，PSV)模式進行SBT，用右側DE對慢阻阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)患者拔管結局的預測價值評估有25例拔管成功，12例拔管失敗，DE30(SBT開始后30 min時的DE)和Δ DE30-5(在SBT開始后的前5 min～30 min的DE差異)的受試者工作特征曲線下面積(area under the curve,AUC)，AUC分別為0.762、0.835，拔管成功的下限值分別為DE30>1.72 cm、Δ DE30-5>0.16 cm，其敏感度分別為76%、84%，特異度分別為75%、83.3%。但是，Kim等[3]在1 hSBT中采用T管試驗對89名患者進行了DE的測量評估，并將VIDD定義為DE<10 mm，結果顯示VIDD與撤機失敗相關，但其預測性能較差(AUC=0.61)。然而,使用同樣的VIDD標準，另一項研究[14]認為VIDD與拔管失敗之間沒有聯系。有趣的是，當在2h SBT中的前30 min進行DE的測量，同時也以上述的標準定義VIDD，該閾值的預測性能似乎較前者明顯更高一些，AUC=0.88[15]。在一項有關患者呼吸肌超聲的敘述性綜述[16]結果顯示，對于心臟手術后單側膈肌麻痹患者，當對側膈肌達患者最大吸氣量，且DE>25 mm時可立即拔管。然而，值得注意的是，在最近的一項191例成功通過SBT患者的研究[17]中發現DE與拔管失敗無關。這表明一旦SBT成功完成，拔管結果主要取決于除膈肌功能外的其他因素。近期有一項評論性文章[18]進一步證實了這個觀點，即用DE在拔管失敗與拔管成功的患者之間測得的VIDD均無差異，只有具有自主咳嗽能力的才是拔管成功的獨立因素。

DE的衍生公式

一、ULDIMex=(a+b)c/2

DE的測量如前述所示，公式中a對應的是吸氣階段的時間，b對應的是呼氣階段的時間，c對應的是最大吸氣時的DE，代入公式即可得到成功撤機的預測指標-ULDIMex的值。這項研究[19]招募了114例進行有創MV支持患者，均在SBT前進行測量，其中86例(76%)已成功撤機。該公式具有較好的預測效能：成功撤機的患者ULDIMex的臨界值大于4.06 cm/s，靈敏度為92.8%，特異度為63.9%，陽性預測值(positive predictive value，PPV)為45.6%，陰性預測值(negative predictive value,NPV)為96.5%，還有極好的負性似然比(likelihood ratio，LR>-4.06)。

二、 p=1/[1+e-(-5.625+17.689×ΔDE30-5+1.802×DE30)]

DE5、DE30分別代表的是在SBT開始后的前5 min、30 min的右側DE，ΔDE30-5=DE30-DE5，代入公式即可得到撤機成功的概率(P)。該撤機概率方程的提出量化了撤機成功的概率值，且極大簡化了DE測量的盲目性，也具有良好的預測效能。這項研究[13]的創新之處在于提出了有關DE的預測概率方程，并且對其進行了方法學上的評估，即拔管成功的預測閾值為p>0.626，其相應的AUC、敏感度、特異度分別為0.867、92%、83.3%。

DE的衍生指標

一、 膈肌收縮速度(speed of diaphragmatic contraction，DCS)

沿M模式進行垂直軸測量，DCS表示從基線(吸氣開始時)到峰值DE的斜率(cm/s)。DCS是一個較新的撤機參數，它是從2017年7月份第一篇相關的研究正式發表之后，才陸續有相關的研究對該指標進一步探索評估。最初的研究[20]評估了上呼吸機和沒上呼吸機的兩組人群DCS的組內相關系數和標準誤測量，分別為0.72vs0.82、0.15vs0.15。隨后，有四項研究[21-24]針對DCS的預測效能方面展開了研究，得出兩種完全不同的結論，其中三項研究[21-23]持支持態度，而另一項[24]研究持反對態度，該研究對73例MV的患者進行了檢查，結果顯示DCS在預測撤機結果方面表現不佳，就拔管結局而分成的兩組患者之間，其在輔助呼吸模式(assisted/controlled ventilation，A/C)、SBT及拔管后的DCS均無顯著性差異(P均<0.05)。而持支持態度的研究得出的評估數據略有不同：Banerjee等[22]發現DCS是在當時現有的膈肌超聲的撤機指標中最佳的，該研究結果顯示DCS的靈敏度為100%、特異度為86.67%，PPV為95%,NPV為100%，AUC為0.93，優勢比(odds ratio，OR)為415.88，P=0.0001。而不同的是，Varón-Vega等[23]認為DCS的預測準確性一般，其AUC為0.70(P=0.008)。最近，Whebell等[21]首次統計了健康志愿者的DCS值，并且通過DCS與其他評估膈肌功能的超聲測量方法的對比，證明DCS有助于撤機結局的判斷，該研究結果顯示DCS隨MV時間的延長而增加。綜上所述，目前對DCS的報道較少且描述不一，其預測價值有待于更多的數據驗證和新的測量方式去衡量。

二、膈肌移動度-時間(excursion-time，E-T)指數

在縱軸上記錄DE，在橫軸上記錄3次潮氣呼吸的吸氣時間(inspiratory time，Ti)，取其平均值，并代入公式E-T指數=DE×Ti即可。在一項相關的73例患者的研究[12]中，有20例拔管失敗。在SBT期間，“失敗”和“成功”組中的撤機指標如后所示，依次為：E-T指數分別為(1.64±1.19) cm/s和(2.42±1.55) cm/s(P<0.03)，“失敗”組和“成功”組的從A/C到SBT的Δ E-T指數(E-T指數的變化)分別為-3.9%±57.8%、59.4%±74.6%(P<0.01)。從A/C轉換到SBT，E-T指數減少小于3.8%，此可作為預測拔管成功的指數，其敏感度、特異度分別為79.2%、75%。

DE的聯合指標

一、膈肌超聲指標與心臟超聲指標的聯合

膈肌超聲與超聲心動圖的聯合診斷是預測是否能夠成功撤機的有效途徑，這不僅考慮到呼吸肌本身障礙導致的呼吸衰竭，還考慮到了左心功能不全導致的呼吸衰竭。有一項隊列研究[25]通過收集入組的SBT成功后拔管患者的DE和二尖瓣多普勒流入速度與環形組織多普勒波速度之比(the ratio of mitral Doppler inflow velocity to annular tissue Doppler wave velocity，E/Ea)發現，可以通過E/Ea預測拔管后48h內的呼吸衰竭，但拔除一周后再插管是由DE更準確地預測的。

二、膈肌超聲與肺部超聲 (lung ultrasound，LUS)指標的聯合

LUS和膈肌超聲可以幫助預測脫機結果，且預測效能較好。Llamas-lvarez等[26]的研究收集了19項研究中的1071例患者資料，分別對DE和LUS進行評估，DE的合并靈敏度、合并特異度、診斷性優勢比(diagnostic odds ratio，DOR)分別為75%、75%、10；LUS的AUC、DOR分別為0.77、38。

三、膈肌超聲、心臟超聲及LUS指標的聯合

在眾多臨床因素及各部位超聲的撤機指標中，Xu等[27]的研究證明膈肌超聲、心臟超聲及LUS三者組成的預測模型的預測能力最好，作者通過多元多因素Logistics回歸篩選出左房壓(left-atrial pressure，LAP)、LUS和單側VIDD三者的組合，其具有非常好的準確性(AUC=0.919)，其敏感性和特異性分別為91.7%和82.7%。再者，該研究還創新性地提出了多因素的擬合方程，即logit(p)=-21.303+0.245×LAP+1.046×LUS+3.009×單側VIDD。

四、膈肌超聲與呼吸頻率(respiratory rate，RR)的聯合

膈肌快速呼吸指數(diaphragmatic-rapid shallow breathing index，D-RSBI=RR/DE是一種用于預測撤機結果的新穎指標。Spadaro等[28]于2016年首次提出，它是對傳統的RSBI的修改，其中潮氣量被DE所取代。其優勢在于在單個指標中結合膈肌移動度和RSBI兩方面的評估。Spadaro等及其后的研究[28-29]發現D-RSBI在預測撤機結果方面比單獨的傳統指標-RSBI或DE更準確(D-RSBI的AUC：0.89,P=0.006；RSBI的AUC：0.72，P=0.006)。在Palkar等[24]的研究中觀察到的D-RSBI的減少與RR的顯著增加有關，但在DE的統計上并沒有明顯減少。 Mowafy等[29]的研究也觀察到了這種現象，他認為DRSBI的減少可能是由于中樞性呼吸過速，而不一定是由于膈肌功能惡化所致。

膈肌超聲的最新模式

近年來，隨著膈肌超聲技術的不斷革新與發展，除了上述M型或者B型等傳統超聲測量方法，研究發現了以下四種新方法,隨后簡要介紹一下其對撤機方面潛在的預測價值，為后續膈肌多模式的發展奠定基礎。

一、斑點追蹤

斑點追蹤可以用來測量膈肌的變形程度(縱向縮短)及變形速度，分別用應變和應變率量度，而且這項技術還能反映膈肌電活動。國外學者已經在骨骼肌中證明了張力和等長收縮之間的中-高度相關性[30]。有初步研究表明，應變與膈肌張力之間有很強的相關性，通過測量膈肌的應變及應變率可以用于估測膈肌張力[31]。而且，該研究顯示斑點追蹤在評估吸氣閾負荷下的膈肌張力的能力方面優于傳統的超聲技術，同時，實驗結果進一步證實了應變與應變率分別與膈肌張力(用跨膈壓來表征)呈中-高度相關(應變：r=0.72；應變率：r=0.80)，這也證實了應變與應變率還與膈肌電活動中度相關(應變：r=0.60；應變率：r=0.66)。另外，Goutman及其同事應用斑點跟蹤來評估兩個方向上的膈肌偏移，這與單一運動方向-沿一條M線的運動測量相比更為準確[32]。

二、面積法

面積法不僅能評估傳統超聲的評估內容，即可以評估膈肌的單個點的運動，而且還能評估整個單側的膈肌運動。有研究[33]顯示面積法與呼出肺容量高度相關(rs=0.88)，而且其相關性均比傳統超聲測量相關度高(M型：rs=0.84，B型：rs=0.71)。再者，其準確性與評估者之間的一致性均很高(ICC：0.9，P=0.001)。

三、組織多普勒成像 (tissue Doppler imaging,TDI)

TDI能夠實時量化運動結構的速度，它是通過與B型DE圖像的疊加以量化膈肌的動力學。膈肌TDI的可行性和可靠性已在新生兒中得到證實[34]。目前有研究[35]證實，可以通過膈肌TDI衍生的參數來將撤機失敗的患者與撤機成功且與跨膈壓衍生的參數相關度良好的患者區分開來。

四、剪切波彈性成像

剪切波彈性成像技術可以量化組織的彈性模量，它的作用機制是通過評估肌肉僵硬度的變化，從而反映肌肉的生理變化(例如損傷、纖維化)。它被認為是比灰階超聲評估更準確的方法，同時該方法更具有可重復性，而后者的評估高度依賴于超聲設置(例如增益、對比度等)[16]。最近發表的概念驗證工作表明，用剪切波彈性成像技術評估的吸氣過程中膈肌硬度的變化，反映了膈肌壓力的變化[36]。因此，剪切波成像技術可能會提供一種新的無創方法來測量膈肌的作用力。

展望與小結

綜上所述， DE及其衍生指標聯合其它指標構成的聯合診斷模型取代單指標超聲評估以及新的超聲模式下的膈肌功能的測量是當前預測MV撤機結果方法的兩大主流發展方向，這對于準確把握撤機時間，降低并發癥發生率有重大意義?，F有的研究大致分為兩種設計思路：一些是直接對DE進行探索，另一些通過間接方法推測DE與撤機成敗間的關系，如首先通過DE定義VIDD，再探索VIDD與撤機成敗的關系。然而，這些研究也有其局限性，它們對于何時(即SBT前、中、后)開始進行DE的測量和評估、用SBT中的何種測量方式(T管試驗、低水平CPAP還是低水平PSV)進行測量評估、SBT中的何種時間段進行測量評估以及由DE定義的VIDD具體何時測量這四個直接影響測量方法的效能評估結果的問題，尚未進行標準化敘述，有待我們進一步地探索論證。

另外，越來越多的研究針對于對特定患者人群進行撤機指標的評估，在一定程度上提高了預測的效能，也為目前的新型冠狀病毒患者的撤機提供新的思路。目前已有針對膈肌功能不全人群、小兒、撤機困難的患者等的研究：一項關于肝移植患者的研究[37]提示，術前超聲引導的右側膈肌厚度的測量可用于預測接受肝移植的患者的撤機失敗與否。十余項針對慢阻肺人群撤機指標評估的試驗表明[38]，與健康受試者相比，慢阻肺患者的DE明顯減少。近期，Zhang等[13]證實了右側DE及其增量的聯合使用可提高慢阻肺機械通氣患者的預測價值，其準確性(AUC為0.867)、敏感性(92%)及特異性(83.3%)均較高。

總之，DE及其演變的超聲指標對于機械通氣撤機潛在的巨大應用價值，是值得被肯定的，膈肌超聲作為一項評估膈肌功能的新型工具，其指標對機械通氣撤機結局的預測價值值得在臨床上推廣使用，也有待更多的研究工作者去尋找更為方便快捷的指標幫助臨床徹底解決撤機困難這一挑戰。