機械力指導的肺保護性通氣策略的應用進展

[摘要] 隨著醫療技術的不斷進步和臨床經驗的積累，對臨床工作中圍手術期或危重患者來說，機械通氣已成為一項重要的支持手段，然而不恰當使用機械通氣可引起呼吸機相關性肺損傷（ventilator-induced lung injury，VILI），為避免VILI的發生，一般采用肺保護性通氣策略（lung protective ventilation strategy，LPVS）。隨著人們對VILI研究的逐漸深入，認為傳統的LPVS并不能有效評估VILI，在此基礎上，機械力（mechanical power，MP）這一概念被提出并用于全面評估VILI。本文就MP的概念和公式、MP與肺保護性策略的相關性及與VILI的相關研究進展進行綜述。

[關鍵詞] 機械力；肺保護性通氣策略；呼吸機相關性肺損傷

[中圖分類號] R614.2 [文獻標識碼] A [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.27.027

自16世紀安德烈亞斯·維薩里烏斯提出類似氣管插管和機械通氣的概念后，機械通氣被認為是重要的生命支持技術，隨著不斷發展被廣泛應用在臨床麻醉和重癥醫學等領域^[1-3]。機械通氣是在呼吸機輔助下，利用機械裝置替代、控制和改變自主呼吸的一種通氣方式，其可維持氣道通暢，改善患者的通氣和換氣功能^[4]。研究表明機械通氣呼吸參數調節不當可進一步加重受損的肺組織甚至造成正常肺組織損傷。這種損傷與急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）類似，被稱為呼吸機相關性肺損傷（ventilator-induced lung injury，VILI）^[5]。為減少肺損傷和肺部并發癥的發生，常采用肺保護性通氣策略（lung protective ventilation strategy，LPVS），包括小潮氣量、個性化呼氣末正壓通氣（positive end expiratory pressure，PEEP）、間斷肺復張、合適氧濃度。越來越多的學者認為VILI不與單個參數的改變直接相關，而與不同組合的呼吸參數引起的應力、應變增加有關^[6]。Gattinoni等^[7]在此基礎上提出機械力（mechanical power，MP）這一新理念；MP是單位時間內呼吸機傳遞給肺所做的功，將MP作為一個整體考慮，可能比單獨考慮其參數評估VILI更全面。MP在ARDS治療及動物研究中得到證實，基于此，本文就MP這一新理念對評估VILI的臨床應用進展進行綜述。

1MP的概念和公式

熱力學第一定律指出能量總是守恒的，不會憑空消失或出現，反應前后能量總和不變^[8]。MP就是在機械通氣基礎上借助此定律被推導出來的。在機械通氣過程中，能量由電能轉變為勢能、動能和熱能，即呼吸機參數潮氣量、PEEP、驅動壓、流速和呼吸頻率產生的壓力轉移并作用在呼吸系統上能量的總和^[9]。因此，MP是指單位時間內多個呼吸周期循環累積的對肺的總能量。

Cressoni等^[10]為更好地在臨床中常規計算和應用MP將MP視為呼吸功，等同于單次吸氣壓力與潮氣量的乘積，也可認為是二者的積分，即通過壓力-容積曲線下面積（area under the curve，AUC）計算單次通氣的能量。計算MP的金標準是幾何法，但受試者操作特征曲線（receiver operatingcharacteristiccurve，ROC曲線）是動態多變的，并不能從臨床上的呼吸機板塊中計算出來。因此，運用幾何法計算MP未得到廣泛應用且逐漸向簡單的代數式轉變。Gattinoni等^[7]運用物理方法，將運動方程轉化為能量方程，提出包含潮氣量（tidal volume，VT）、吸呼比（inspiratory-to-expiratory time ratio，I：E）、肺順應性、呼吸頻率（respiratory rate，RR）、吸氣流速（inspiratory flow，F）、呼吸系統彈性阻力（elastance of the respiratory system，EL）及氣道阻力（airway resistance，R_aw）的函數方程：Power_rs=RR×{VT×[ELrs/2+RR×（1+I：E）/60×I：E×R_aw]+ VT×PEEP}。該公式的MP計算結果與幾何法結果高度相似（²＞0.96），但因復雜的計算，在臨床中也難以使用。為提高臨床實用性，Gattinoni等^[7]運用VT、RR、PEEP、吸氣峰壓（peak airway pressure，Ppeak）及平臺壓（plateau pressure，Pplat）并簡化為MP=0.098×VT×RR×[Ppeak–Pplat–PEEP/2，該簡化公式已被應用在Serpa等^[11]的臨床研究中。隨后，Giosa等^[12]提出關于分鐘通氣量（minute ventilation，VE）等無須臨床醫生干預或中斷通氣即可估計MP的簡化替代方程：MP=VE×（peαk+PEEP+f/6/20，該方程與上述方程具有較強的一致性（²＞0.97）。隨著容量控制模式下MP公式的廣泛運用，2019年Becher等^[13]和Van Der Meijden等^[14]提出壓力控制模式下的MP計算公式，2個公式均需關注呼吸系統阻力和呼吸系統順應性，但這些參數通常不被呼吸機連續顯示或量化，很難應用在實際臨床中。

綜上，Gattinoni等^[7]用幾何法得出的“經典公式”精確度高，但變量亦較多，不便于臨床使用；其簡化公式方程使用方便，簡單易得，但需大量臨床數據支持。

2 LPVS的發展

2.1 LPVS的起源及關鍵要素

LPVS最早源于對ARDS患者的治療，因機械通氣過程中參數設置不當使肺泡過度膨脹或萎陷導致或加劇VILI。LPVS因此應運而生，通過優化通氣參數減少機械通氣引起的VILI^[15-16]。LPVS的關鍵要素^[17]包括使用小潮氣量、限制性驅動壓、允許性高碳酸血癥及適當的PEEP。隨著臨床研究的深入，LPVS概念從內涵到外延均得到不斷豐富和發展，也逐漸被用于臨床麻醉及重癥醫學非ARDS領域。

2.2 LPVS在ARDS患者中的應用

ARDS是重癥監護室（intensive care unit，ICU）中最常見疾病之一，約占ICU患者總數的10%，病死率高達35%～40%^[18-19]。ARDS是由多種病因導致的急性肺部炎癥反應而使肺泡水腫和充血，進而引發頑固性低氧血癥、呼吸窘迫等。Brower等^[20]采用多中心研究將ARDS患者分為傳統潮氣量組（Vt=12ml/kg，Pplat≤50cmH₂O）（1cmH₂O=0.098kPa）和小潮氣量組（low Vt=6ml/kg，Pplat≤30cmH₂O），結果表明在ARDS患者中，小潮氣量組患者的死亡率更低，呼吸機使用天數更短。自此，小潮氣量（low Vt=6ml/kg）和限制性平臺壓（Pplat≤30cmH₂O）的通氣策略成為ARDS肺保護性通氣的金標準^[17]。但小潮氣量的同時也伴隨肺泡通氣量不足，從而導致二氧化碳蓄積造成高碳酸血癥。1990年Hickling等^[21]提出允許性高碳酸血癥概念，表明LPVS中小潮氣量與高碳酸血癥是相輔相成的機械通氣策略。一項隨機對照研究顯示，適當水平的PEEP可防止肺泡在呼氣末期閉合，減少肺不張，改善肺泡周期性開放關閉帶來的萎陷傷、剪切傷，增加功能殘氣量^[22]。由此可見，LPVS通過調整參數在ARDS患者治療中產生積極影響。

2.3 LPVS對非ARDS患者的作用

LPVS可通過調節潮氣量、PEEP和驅動壓使ARDS患者受益^[17]；但對無明確肺基礎疾病的非ARDS患者是否有益引發眾多研究者的關注。對不同病因入住ICU的非ARDS患者，一般情況通常比接受外科手術的全麻患者差，同時可能合并肺外的單個或多個器官功能障礙，病情也更復雜，這就可能誘發或加重肺損傷。Meta分析表明，對ICU中非ARDS患者實施小潮氣量通氣可使患者受益^[23-24]。在小潮氣量基礎上施加一定的PEEP，可預防小潮氣量引起通氣不足所致呼氣末肺泡過度塌陷，加用PEEP可維持肺泡擴張狀態，減少術后肺部并發癥的發生，但對PEEP的具體應用范圍目前尚無定論。一項心外科術后患者的隨機對照研究表明高水平的PEEP對患者有益^[25]。然而，一項多中心研究提出相反意見，強調腹部術后患者采用高PEEP并不能預防術后肺部并發癥^[26]。總之，機械通氣也可能使非ARDS患者發生肺損傷，通過調整LPVS參數可降低肺損傷發生率。

3 MP與LPVS的相關性

基于對LPVS的前期研究，有研究者提出肺部損傷可由過度的應力和應變介導。對肺臟來說導致肺變形的外部應力和內部跨肺壓力在效果上相當。應變包括與潮氣量有關的動態應變和外源性PEEP引發容量變化的靜態應變^[6]。若只關注靜態因素，就容易忽略單個呼吸循環隨時間積累重復作用對肺的損傷。應變作用程度取決于臨床醫生對呼吸機參數的調節。因此，當呼吸機參數中的潮氣量、PEEP、呼吸頻率和流速設置產生的單位時間總能量超過肺所能承受的閾值，就可導致VILI的發生^[27]。由研究者提出的統一理論解釋是將肺損傷歸因于從呼吸機傳遞到患者肺部而產生的能量即MP，該MP由幾個呼吸機變量的組合計算得出^[28]。MP是呼吸機對患者肺部做功的量度，包括容積、壓力和頻率的計算。高MP可能與肺損傷的風險增加有關，因此在LPVS中應盡量降低MP的輸出。

將所有這些呼吸力學參數統一在一個變量中，即MP可更全面地評估和預防VILI的發生^[7]。Senzi等^[29]將Gattinoni等^[7]的簡化方程與互聯網結合開發出名為“PowerApp”的漸進式Web應用程序，該程序可量化潮氣量、驅動壓、呼吸頻率、阻力等參數，預測呼吸機參數設置或生理條件修改對MP的影響，在機械通氣過程中計算MP更便捷，使MP方程在日常臨床實踐中有用且可行，提高評估VILI的效率。

４ MP綜合評估VILI的臨床應用進展

4.1 MP在動物實驗及臨床病例中的應用

通過動物實驗和回顧性研究發現，MP越大造成的肺損傷越嚴重，且與呼吸衰竭及病死率存在相關性。Cressoni等^[10]在豬實驗中首次將MP與VILI關聯在一起，給予24頭豬不同的呼吸頻率，結果顯示傳遞給肺的MP>12.1J/min時才會發生VILI。但Collino等^[30]對36頭豬給予不同水平的PEEP，結果顯示發生VILI的MP閾值為13J/min。Maia等^[31]將28只Wistar大鼠根據不同的潮氣量、PEEP及肺復張對驅動壓、MP、VILI的影響進行分組，結果發現小潮氣量、中高度的PEEP加上肺復張手法有更低的MP且產生更少的肺泡損傷標志物。Araos等^[32]研究表明MP大小與組織學肺損傷及纖維增殖評分呈正相關；Xie等^[33]研究表明，ARDS機械通氣時MP越高產生的肺損傷生物標志物就越高。

Guérin等^[34]研究驅動壓對LPVS期間ARDS患者死亡率的影響，同時計算MP，結果表明驅動壓、MP與患者90d生存率有關且當MP>12J/min時，患者90d生存率降低，與Cressoni等^[10]研究一致，當MP>12J/min時，大多數動物出現VILI。Parhar等^[35]研究顯示MP>22J/min與28d住院和3年死亡率增加相關。Serpa Neto等^[11]納入超過48h有創通氣的8207例重癥患者的研究發現，MP越高患者的住院病死率越高；MP>17J/min時，患者住院期間死亡的風險明顯升高。Urner等^[36]研究認為限制驅動壓與MP是降低ARDS患者死亡率的有效通氣策略。Santer等^[37]在一項多中心的回顧性研究中，針對接受全身麻醉的230 767例行非心臟手術的患者，根據Gattinoni等^[7]提出的簡化公式計算出患者全身麻醉期間MP平均數與中位數分別為7.1J/min和6.6J/min，研究表明機械通氣期間較高的MP與較高的術后呼吸衰竭發生風險相關。

4.2 MP指導下的脫機

對長時間機械通氣、氣管切開的患者，在循環呼吸穩定的情況下，如果將呼吸肌肉產生呼吸功等同于呼吸機提供的MP，那么MP降低說明患者對呼吸機的依賴程度降低，減少的MP則由患者自主呼吸產生的呼吸功代替。若該部分呼吸功足夠支撐患者當前和未來一段時間的生命活動，則意味著患者能夠順利脫離呼吸機支持。Ghiani等^[38]利用一項前瞻性研究將動態肺順應性標準化后的MP即MP指數作為患者脫機的預測指標判斷脫機失敗的風險。該研究推動臨床醫生指導脫機的研究進程。

4.3 MP預測術后肺部并發癥

根據歐洲圍手術期臨床結果定義指南^[39]推薦術后肺部并發癥（postoperative pulmonary complications，PPC）詳細診斷標準，其中包括術后呼吸道感染、呼吸衰竭、胸腔積液、肺不張、氣胸、支氣管痙攣、吸入性肺炎等。PPC風險預測模型是目前國外臨床上用來評估和篩查手術患者術后肺部并發癥的工具，但最合適的預測模型目前尚無定論^[40]；基于此，推測MP可作為預測PPC的工具之一，因MP與患者年齡、手術時間、體位、通氣策略等因素密切相關。Chiumello等^[41]在行胸外科手術的全身麻醉患者的研究驗證該猜想，患者由仰臥位變為側臥位、由雙肺通氣變為單肺通氣時，MP逐漸升高，且在單肺通氣時MP較高的患者住院期間出現PPC的概率升高。另一項針對開腹手術患者的多中心臨床研究發現術中較高的MP與PPC獨立相關^[42]。因此，MP可能對評估和篩查PPC更具有代表性和綜合性，更有利于篩查術后高風險PPC人群，減少術后肺部并發癥的發生，提高患者的生活質量。

５ MP的局限性

MP雖被視為一種有前途的VILI評估綜合指標，但也存在一定局限性：一是MP出自方程計算，組成方程的參數對MP的影響占有不同的權重，Huhle等^[43]研究顯示PEEP可促使吸進的部分氣體排出而轉為呼氣功，PEEP產生的相關能量有部分損失，并不是所有參數都能完全作用到肺；二是目前呼吸機界面上尚不能實時顯示自動測定的MP值，只能通過調整呼吸機參數利用公式計算MP值，因此目前不能進行MP的個性化調整；三是MP閾值大小還與肺部疾病和可通氣肺容積大小等因素密切相關。不同患者因其病情和生理狀況的差異，MP閾值也各不相同。針對不同患者具體如何通過降低MP預防VILI，尚缺乏前瞻性研究數據支持，目前主要依賴傳統的LPVS。所以仍需進一步隨機對照研究以評估MP對降低VILI風險的效果。

６ 小結與展望

綜上，限制MP為導向的LPVS已成為臨床麻醉和重癥醫學領域的研究熱點，當MP高于某一閾值時就會發生VILI。因此，MP有望成為評估VILI的新指標，還可參與指導LPVS的實施。但關于MP應用價值的探索還處于初級階段，如只追求低MP而忽略壓力、容積和頻率的協調作用，不僅增加發生PPC、術后呼吸衰竭及不良事件的風險，且無法實現機械通氣的治療作用。未來仍需更多的研究進一步證實MP與VILI的關系，以期為患者提供更安全、更有效的治療方案。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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（收稿日期：2024–05–17）

（修回日期：2024–09–11）