機(jī)械功評(píng)估呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷的臨床應(yīng)用進(jìn)展

王佐煥, 王 琳 , 曹 陽(yáng)

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)麻醉學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng), 550004; 2. 廣東省廣州市紅十字會(huì)醫(yī)院 麻醉科, 廣東 廣州, 510220)

機(jī)械通氣是圍術(shù)期或者重癥患者必要的呼吸支持措施，能夠維持呼吸和改善氧合，但不恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械通氣可能會(huì)導(dǎo)致呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷(VILI)[1]。機(jī)械通氣是基于潮氣量、氣道壓力、流速和呼吸頻率的不同組合[2]。近年來(lái)研究[3-4]表明，單個(gè)機(jī)械呼吸變量與VILI并不直接相關(guān)，反而是其任何組合會(huì)引起肺動(dòng)態(tài)應(yīng)變和功率增加。為了整合呼吸力學(xué)變量對(duì)VILI的貢獻(xiàn), GATTINONI L等[5]首次提出了機(jī)械功(MP)的概念, MP是單位時(shí)間內(nèi)多個(gè)呼吸周期循環(huán)累積的總能量，MP作為一個(gè)評(píng)估VILI的綜合參數(shù)，已經(jīng)在各種臨床和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中得到證實(shí)。雖然MP可通過(guò)呼吸機(jī)的變量組合簡(jiǎn)單計(jì)算得出，但卻未能在臨床中常規(guī)計(jì)算和應(yīng)用。鑒于此，本文就MP在評(píng)估VILI方面的臨床應(yīng)用進(jìn)展予以綜述，進(jìn)而為指導(dǎo)肺保護(hù)性通氣提供新視角。

1 MP的定義及計(jì)算

MP的概念來(lái)自于呼吸功，呼吸功根據(jù)做功來(lái)源分為2種[6], 患者的呼吸功在自主呼吸時(shí)由呼吸肌執(zhí)行，已被證明是脫機(jī)的預(yù)測(cè)因子，由于需要測(cè)量食道壓力[7], 很少用于實(shí)踐，而呼吸機(jī)的呼吸功在機(jī)械通氣時(shí)由呼吸機(jī)執(zhí)行，可在床旁連續(xù)計(jì)算。MP等于機(jī)械能乘以呼吸頻率，匯總了所有導(dǎo)致VILI的呼吸力學(xué)原因: 潮氣量、驅(qū)動(dòng)壓、流速、呼吸頻率和呼氣末正壓。因此，機(jī)械能是單個(gè)呼吸周期內(nèi)傳遞到肺的能量，而MP是單位時(shí)間內(nèi)多個(gè)呼吸周期循環(huán)累積的總能量，臨床應(yīng)用中應(yīng)注意區(qū)分，避免混淆。

MP的計(jì)算方法在不斷更新簡(jiǎn)化，從復(fù)雜的幾何法到簡(jiǎn)化的代數(shù)式。目前，計(jì)算MP的金標(biāo)準(zhǔn)是“幾何法”[2], 呼吸機(jī)所描繪的呼吸壓力-容積曲線吸氣肢與y軸之間的曲線下面積被稱為機(jī)械能(單位為焦耳)，乘以呼吸頻率后得到MP(單位為J/min), 由于呼吸壓力-容積曲線的動(dòng)態(tài)多變，以及無(wú)法直接從市面上的大多數(shù)呼吸機(jī)板塊中計(jì)算得到，因而在臨床中無(wú)法廣泛應(yīng)用。

不同通氣模式擁有不同的吸氣流速曲線特征，計(jì)算MP的方程也不同。對(duì)于容控模式, GATTINONI L 等[5]最初提出的方程包含了潮氣量、壓力、順應(yīng)性、頻率、流速以及氣道阻力等所有呼吸生理學(xué)變量，該方程計(jì)算的MP與金標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的結(jié)果有極高一致性(R2>0.96), 不過(guò)計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，不方便臨床使用，因此其又提出一個(gè)臨床較公認(rèn)的“綜合公式”(包含潮氣量、呼吸頻率、吸氣峰壓和驅(qū)動(dòng)壓) ，局限性是需要進(jìn)行吸氣末暫停操作，之后GIOSA L 等[8]提出了一個(gè)不需要任何臨床干預(yù)的簡(jiǎn)化替代公式，與上訴參考方程具有極高的一致性(R2>0.97)。對(duì)于壓控模式，BECHER T 等[9]、VAN DER MEIJDEN S 等[10]相繼提出2個(gè)計(jì)算方程，但需要計(jì)算呼氣末和吸氣末暫停時(shí)的順應(yīng)性和呼吸系統(tǒng)阻力(氣道和組織阻力)，增加了臨床應(yīng)用難度。除此之外，輔助通氣、自動(dòng)流速控制和持續(xù)氣道正壓這些模式下的計(jì)算方程的相關(guān)報(bào)道較少。

2 MP與VILI的相關(guān)關(guān)系

VILI的發(fā)生不是單純氣壓傷、容積傷和生物傷可以解釋的，必須綜合考慮所有變量，其組合風(fēng)險(xiǎn)量化為MP。MP傳遞到呼吸系統(tǒng)后，主要以動(dòng)能、勢(shì)能的形式存在。動(dòng)能用來(lái)對(duì)抗氣道阻力以及讓肺實(shí)質(zhì)發(fā)生形變和破壞，最終轉(zhuǎn)化為熱量; 勢(shì)能在吸氣階段轉(zhuǎn)化為肺和胸廓中的彈性張力，在呼氣階段，儲(chǔ)存在肺中的勢(shì)能通過(guò)呼吸道或者大氣釋放出來(lái)[4]。研究[11]證實(shí)，最直接與肺損傷有關(guān)的就是呼氣相這部分能量，這些極少量的能量通過(guò)幾何應(yīng)力聚焦、彈性阻力拖拽、受力微結(jié)構(gòu)的逐步脫落這3種機(jī)制“放大”能量，直接作用于肺骨架，根據(jù)MP大小，細(xì)胞感知機(jī)械應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)，直接損傷肺泡細(xì)胞質(zhì)膜，導(dǎo)致肺泡屏障失效，細(xì)胞因子釋放，并轉(zhuǎn)移至體循環(huán)引起肺生物損傷[12]。研究[13]發(fā)現(xiàn)，CXCL10/CXCR3受體在高M(jìn)P通氣下引發(fā)的VILI中具有高表達(dá)，可通過(guò)介導(dǎo)肥大細(xì)胞趨化性參與VILI能量生物損傷。

2.1 關(guān)于發(fā)生VILI的MP閾值

既往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床回顧性研究已經(jīng)證實(shí)，接受機(jī)械通氣的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和危重患者中, MP與VILI、呼吸衰竭及病死率之間存在關(guān)聯(lián)。目前，相關(guān)研究重點(diǎn)為分析發(fā)生VILI的MP閾值，研究[14]發(fā)現(xiàn)閾值因物種而異，小型動(dòng)物的閾值要低于大型動(dòng)物。

CRESSONI M等[2]通過(guò)給予24只麻醉仔豬不同的呼吸頻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)MP超過(guò)12 J/min時(shí)，在通氣54 h后，麻醉仔豬均發(fā)生了廣泛肺損傷，而COLLINO F 等[15]實(shí)驗(yàn)給予36只實(shí)驗(yàn)豬不同水平的呼氣末正壓通氣，發(fā)現(xiàn)引起肺損傷的閾值是13 J/min。

一項(xiàng)多中心回顧性研究[16]發(fā)現(xiàn)，接受全身麻醉的230 767例擇期非心臟手術(shù)患者全麻期間MP的平均數(shù)和中位數(shù)分別為7.1 J/min和6.6 J/min。通氣期間較高M(jìn)P與術(shù)后需要重新插管的呼吸衰竭發(fā)生率有關(guān)，該研究是首個(gè)對(duì)非危重癥患者平均MP進(jìn)行調(diào)查的大樣本研究，臨床參考價(jià)值高，可為后續(xù)臨床設(shè)計(jì)提供依據(jù)。URNER M等[17]前瞻性納入9個(gè)重癥監(jiān)護(hù)病房收治的需要接受機(jī)械通氣時(shí)間≥4 h的成人患者，結(jié)果顯示, MP≥17 J/min與急性呼吸衰竭患者死亡風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，這種相關(guān)性在整個(gè)機(jī)械通氣過(guò)程中持續(xù)存在，當(dāng)MP每增加1 J/min, 死亡風(fēng)險(xiǎn)增加1.060倍; MP的影響還存在時(shí)間累積效應(yīng)，進(jìn)行通氣時(shí)MP≥17 J/min, 通氣時(shí)間每延長(zhǎng)1 d, 患者死亡風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加1.069倍; 與NETO A S等[18]研究結(jié)果相一致，但選取的結(jié)局指標(biāo)都是病死率，并非VILI相關(guān)客觀指標(biāo)，尚不能作為常規(guī)予以推薦。目前，評(píng)估肺損傷的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǚ谓M織學(xué)病理評(píng)分、肺組織重量測(cè)重等金標(biāo)準(zhǔn)，其不易在臨床工作中實(shí)施，導(dǎo)致定量化評(píng)估VILI存在困難。

2.2 MP分量在評(píng)估VILI中的相對(duì)權(quán)重

無(wú)論主成分變量潮氣量、呼吸頻率或呼吸末正壓如何變化，都可以達(dá)到相似的MP水平，但在等MP的框架內(nèi)，尚不清楚每個(gè)成分造成的肺損傷整體是否相似。SANTOS R S等[19]在急性呼吸窘迫綜合征的大鼠模型中，通過(guò)研究潮氣量和呼吸頻率的不同組合獲得相似MP對(duì)VILI的影響，發(fā)現(xiàn)相比于低MP低潮氣量組，高M(jìn)P低潮氣量組導(dǎo)致的彌漫性肺泡損傷分?jǐn)?shù)增加，在低MP組中，高低潮氣量導(dǎo)致的肺損傷評(píng)分和肺損傷標(biāo)志物都相似，這表明VILI的主要原因是機(jī)械力本身。在VASSALLI F等[20]研究選擇了42頭健康豬為研究對(duì)象，在2種MP水平(15、30 J/min)下分別研究了3種通氣策略(大潮氣量、高呼吸頻率或高呼吸末正壓)對(duì)肺力學(xué)、血流動(dòng)力學(xué)、氣體交換以及宏觀和組織學(xué)肺解剖的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到相似的機(jī)械力水平時(shí)，不同的通氣策略導(dǎo)致相似的解剖肺損傷，其損傷強(qiáng)度可能集中在呼吸周期的不同時(shí)間，該研究認(rèn)為通氣循環(huán)的每個(gè)主要組成部分都可能對(duì)肺損傷產(chǎn)生顯著影響。

3 MP在評(píng)估VILI方面的臨床應(yīng)用進(jìn)展

3.1 MP用于預(yù)測(cè)術(shù)后肺部并發(fā)癥(PPC)

臨床上常用的PPC風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型包括泰羅尼亞外科病人呼吸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和拉斯維加斯評(píng)分。目前，對(duì)于最適合作為PPC篩查的預(yù)測(cè)模型尚未達(dá)成共識(shí)[21]。MP或許可納為PPC的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)因素之一，因?yàn)镸P的大小與通氣策略、手術(shù)類型、體位和時(shí)間等因素密切相關(guān)。在行胸腔鏡手術(shù)的患者中發(fā)現(xiàn)，患者從仰臥位切換至側(cè)臥位，以及從雙肺通氣改為單肺通氣時(shí), MP隨著體位發(fā)生改變; 在腹腔鏡手術(shù)中，氣腹后膈肌上抬會(huì)導(dǎo)致氣道壓及平臺(tái)壓升高，呼吸P-V曲線下面積也增大; 除此之外，總MP隨著手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)逐漸累積。目前，研究發(fā)現(xiàn)術(shù)中MP的大小與PPC有關(guān), CHIUMELLO D等[22]在接受全麻胸腔手術(shù)的患者中發(fā)現(xiàn)，住院期間出現(xiàn)PPC的患者的單肺通氣期間呼吸機(jī)輸送至肺的總能量較高，認(rèn)為單肺通氣后MP的增加可能是引起PPC原因之一。另一項(xiàng)多中心臨床研究[23]發(fā)現(xiàn)，在接受開(kāi)腹手術(shù)的患者中，術(shù)中較高的MP與PPC存在獨(dú)立相關(guān), MP可作為這些患者PPC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分的總結(jié)性通氣生物標(biāo)志物。相比既往的PPC預(yù)測(cè)因素, MP兼代表性和綜合性，或許可有利于術(shù)后高風(fēng)險(xiǎn)PPC人群的篩查，幫助醫(yī)務(wù)人員針對(duì)高危人群早期采取干預(yù)措施。

3.2 MP指導(dǎo)下的肺保護(hù)通氣策略

從理論層面而言, MP是一個(gè)受壓力、容積和頻率影響的綜合參數(shù)，可根據(jù)影響VILI的權(quán)重和肺的病理、生理變化調(diào)節(jié)其大小，只要機(jī)體承受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和能量負(fù)荷在安全閾值內(nèi)，通氣也是安全的; 甚至可用于指導(dǎo)新型冠狀病毒肺炎患者肺保護(hù)通氣策略的實(shí)施，因?yàn)橹匕Y新型冠狀病毒肺炎患者通常發(fā)病后1周內(nèi)，可出現(xiàn)呼吸困難和低氧血癥，并可迅速發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征和呼吸衰竭，需要機(jī)械通氣支持治療[24]; 從技術(shù)層面而言，MP可通過(guò)簡(jiǎn)化后的公式計(jì)算。SENZI A等[25]于2021年開(kāi)發(fā)了一種名叫“PowerApp”的漸進(jìn)式Web應(yīng)用程序(PWA)，臨床醫(yī)生可以及時(shí)計(jì)算MP(按彈性、阻力和呼吸末正壓組件進(jìn)行劃分)，還可預(yù)測(cè)呼吸機(jī)設(shè)置或生理?xiàng)l件的修改對(duì)MP和每個(gè)相關(guān)組件的影響，這讓個(gè)體化通氣方案變得簡(jiǎn)單可行，隨著近年來(lái)學(xué)者對(duì)MP的深入研究，未來(lái)的呼吸機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算MP并指導(dǎo)呼吸策略的實(shí)施并不遙遠(yuǎn)。

3.3 MP指導(dǎo)下的脫機(jī)

機(jī)械通氣下的MP是轉(zhuǎn)移到呼吸系統(tǒng)的能量，可以轉(zhuǎn)化為自主呼吸時(shí)呼吸肌所做的呼吸功，若呼吸功降低，則表明患者需要的通氣支持程度降低，其是評(píng)估患者脫機(jī)能力的關(guān)鍵因素。脫機(jī)成功定義為脫機(jī)后連續(xù)7 d以上的自主呼吸，沒(méi)有伴隨慢性通氣功能不全的臨床或?qū)嶒?yàn)室癥狀。GHIANI A等[26]研究MP指數(shù)(動(dòng)態(tài)肺胸順應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)化后的MP)是否可以作為一個(gè)長(zhǎng)期氣管切開(kāi)患者脫機(jī)結(jié)局的預(yù)測(cè)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)該指數(shù)可以區(qū)分脫機(jī)失敗低風(fēng)險(xiǎn)或高風(fēng)險(xiǎn)患者。MP的計(jì)算可在機(jī)械通氣期間輕松評(píng)估，無(wú)需斷開(kāi)患者與呼吸機(jī)的連接，但能否幫助臨床醫(yī)生指導(dǎo)脫機(jī)過(guò)程，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)。

4 總 結(jié)

綜上所述, VILI的發(fā)生過(guò)程極其復(fù)雜，包括多種損傷機(jī)制，以其可發(fā)生在呼吸過(guò)程中的任何階段。MP作為一個(gè)包含各呼吸力學(xué)變量的綜合參數(shù)，在評(píng)估VILI的過(guò)程中，具有綜合性強(qiáng)、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。MP已應(yīng)用于評(píng)估VILI的各個(gè)階段，其不僅可降低發(fā)生PPC、術(shù)后呼吸衰竭及不良事件的風(fēng)險(xiǎn)，還可參與指導(dǎo)肺保護(hù)性通氣策略的實(shí)施。但在應(yīng)用時(shí)需考慮患者呼吸系統(tǒng)基礎(chǔ)條件、局部應(yīng)力應(yīng)變的分布和異質(zhì)性問(wèn)題等因素，其次在復(fù)雜的心肺相互作用下，不恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械通氣可能會(huì)帶來(lái)循環(huán)的劇烈波動(dòng); 合理組合呼吸參數(shù)，才能同時(shí)兼顧呼吸和循環(huán)保護(hù)。目前，關(guān)于MP的應(yīng)用價(jià)值還處于探索階段，還需更多大范圍的前瞻性研究進(jìn)一步探討，以為臨床提供循證證據(jù)。