床边呼吸生理学检测ARDS肺损伤的危险
2019-01-04 王金荣 重症医学
综述目的 急性呼吸窘迫综合征（ARDS）最有效的治疗策略是尽量减少呼吸机相关性肺损伤(VILI)。然而，目前的治疗标准在改善机械通气相关风险方面收效甚微。本综述将侧重于临床呼吸力学的评估，并在特定的临床背景下，为ARDS患者进行个体化肺保护通气提供机会。
综述目的
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）最有效的治疗策略是尽量减少呼吸机相关性肺损伤(VILI)。然而，目前的治疗标准在改善机械通气相关风险方面收效甚微。本综述将侧重于临床呼吸力学的评估，并在特定的临床背景下，为ARDS患者进行个体化肺保护通气提供机会。
最新发现
VILI的四种生物物理学机制已经得到广泛认可：容积伤、气压伤、萎陷伤和应力集中。由此导致的生物损伤，即局部和全身炎症和内皮细胞活化，被认为可能是VILI介导的多器官衰竭的共同终末途径。广泛使用的传统VILI风险评估技术依赖于气道压力、流量和容积的变化，这些仍然是判断肺过度扩张的重要工具，尤其是在认识到其局限性的情况下。新出现的床边工具可以识别呼吸力学上的不均一性，尚需进一步研究来确定如何应用于临床实践中。
KEY POINTS
1. 针对不同VILI风险患者的进行机械通气，需要同时评估呼吸力学和生物学方面的肺损伤易感性
2. 传统VILI指标-气道压力、流量和容积变化，在认识到其局限性时，仍然是评估肺过度扩张的重要临床工具
3. 新兴工具包括食管压测量、电阻抗断层成像和呼吸机波形计算分析，克服了现有VILI指标的关键限制，最终可能促进新型个性化通气策略的发展
一 前言
机械通气期间的损伤力是影响ARDS患者临床病程的关键可变因素。因此，ARDS的临床治疗必须优先考虑优化的通气策略，以减少这种损伤。要量化患者的VILI风险，需要了解患者特殊的生物易感性和呼吸力学。本文将探讨个性化通气支持的实践策略，综述有助于识别机械通气危害的床边工具，包括它们的解释、假设、优点和局限性。
二 为什么床边生理学很重要
半个多世纪以来，临床上一直认为气压伤是正压通气的潜在并发症。气压伤虽是VILI的一个例子，但并不等同于VILI。无数实验证明，机械通气可以有较少的负面影响。内皮细胞屏障的破坏、肺水肿的形成、细胞和组织的损伤虽都归咎于ARDS，但在过去几十年里，这些却被看成是VILI的表现。
这些VILI转化的隐匿征象会否影响预后已经有了答案。三个具有里程碑意义的临床试验共同为人类提供了明确证据，证明机械通气对于改善ARDS患者的发病率和病死率是有益的，低于常规潮气量的通气可以减轻肺损伤、肺外器官损伤和全身炎症反应，提高ARDS患者的生存率。这些试验中，规模最大、引用最广泛的当属ARDS-net试验，尽管总的气压伤事件没有差异，但在低潮气量情况下，该试验的发病率和病死率有所改善。同时也说明，临床上相关的VILI可能是有害的
由于缺乏有效、实用、实时的VILI生物标志物，床边呼吸生理学是降低VILI风险的主要工具。尽管目前尚无良好的肺损伤特异性分子标志物，但某些研究小组正致力于此。即使有了一种“肺相关肌钙蛋白等效物”用于临床，临床生理学对于识别VILI机制和指导治疗仍至关重要。
三 机械通气诱导的肺损伤机制
熟悉VILI机制，对于评价各种旨在量化肺损伤风险的床边生理工具的作用是很重要的。人们普遍认识到VILI的五大经典机制：容积伤、气压伤、萎陷伤、应力集中和生物损伤。
1容积伤
高潮气量可引起炎性肺水肿，肺组织表现为VILI，称为容积伤。由于肺泡水肿和肺不张，相对于健康的肺容积，ARDS肺通气量明显减少。这个“婴儿肺”，需要比健康肺更小的潮气量，以防止肺过度扩张。正常肺目标潮气量以6 ml/kg预计体重进行计算，而理想策略是根据婴儿肺的大小计算潮气量。直接测量婴儿肺容积，或制定可替代的床边方法，并根据过度扩张的风险调整通气策略。尽管如此，婴儿肺也会出现通气的不均一性，即使整体肺容积似乎合理，也会导致某些肺单位过度扩张。
2气压伤
压力介导的肺损伤，包括总气压伤和有害的微小肺损伤，称为气压伤。跨肺压是使肺扩张的压力，定义为肺内外压力差，即气道压减去胸膜压。ARDS气道压和跨肺压过高可能反映了较小婴儿肺容积的过度扩张。在影像学和肺功能研究中，肺通气容积和肺跨肺压相关性良好。就像基于容积的测量方法局限性一样，基于总体压力的测量方法看起来合理，但力学上的不均一性也可能会导致肺损伤。
3萎陷伤
肺扩张不全时肺单位的反复塌陷和再开放会引起伤害性高剪切力，这种现象称肺萎陷伤。肺萎陷伤倾向至少部分可以用肺炎症时表面活性物质功能障碍来解释。当气流沿着塌陷的肺单位传播时，重新扩张的气道像打开“拉链”一样，产生巨大的剪切力，导致上皮损伤。较高的呼气末正压(PEEP)通常用于减少萎陷伤，但可能增加过度扩张的风险。
4应力集中
肺损伤也可由肺部力学区域差异引起的剪切力所致。相邻的肺泡共用一个肺泡间隔，力学上相互依赖。当一个肺泡塌陷或充满液体，相邻的肺泡通气时，它们共同的肺泡间隔向未通气的肺泡方向伸展，引起剪切力，可能造成损伤。由于其力学上的相互依赖，形状不规则的充气肺泡影响附近的其他肺泡，离塌陷或充液肺泡最近的地方剪切力最大，即应力集中(图2)。力学不均一性和应力集中增加，与VILI生物标志物和死亡率具有相关性。
5生物损伤
生物创伤被认为可能是VILI的最终共同途径。广泛的机械损伤通过上述生物物理机制在肺内诱发炎症，进一步加重损伤。更重要的是，肺部的这种生物反应可以触发全身炎症反应，介导多器官衰竭。因此，“肺保护通气”说法欠妥。事实上，预防VILI才有助于肺和肺外器官更快恢复。
四 床边工具无处不在
床边测量的目标包括在局部和整体范围内量化压力、容积和形状(剪切力)。可用的测量方法可以进一步分为静态测量，即在呼吸开始或结束时进行横向抓拍，通常用于识别暴露的峰值；或者是动态测量，对呼吸过程中的变化进行量化。静态和动态测量都可能有价值：峰值应力越高，肺损伤越严重，而相同峰值应力下，周期性应力越大，肺损伤越严重。因此，静态和动态测量应该一起评估。
当然，没有什么绝技来指导ARDS机械通气。新技术为填补VILI检测方法的空白提供了可能性。然而，似乎没有什么可以取代临床医生的价值，他们在病人特定的环境中仔细解释多个生理数据点。这种背景下必然包括气体交换障碍的监测（PaO2: FiO2 或SpO2: FiO2，死腔分数或通气比值）, 评估胸壁对气体交换和呼吸力学的贡献，患者目前包括肺外器官损伤在内、疾病的整体情况，以及患者的临床轨迹。
1体格检查
床边检查为明确VILI危险提供了多种收集证据的机会。视诊病人的身体状态、脂肪分布和腹部隆起，同时触诊腹部紧张度，评估胸壁力学和胸膜压力对气道压的影响程度。胸部和腹部的视诊配合呼吸机节律，有助于识别人-机不同步。用力呼气可能会导致萎陷伤，可以通过观察“腹部收紧”或在呼气末时轻触腹部肌肉来判断。对气道压力、吸入和呼出潮气量以及呼吸机波形的评估——所有细节如下——应该被视为ARDS患者重点查体的常规组成部分。
2气道压
吸气末屏气、没有吸气努力时测的气道平台压，是预测VILI风险最广泛使用的指标之一。平台压升高可能提示婴儿肺过度扩张。ARDS-net允许最大平台压是30cmH2O，此研究中平台压较低的患者表现更好，然而高平台压即使没有超过阈值，肺周期性过度扩张也会发生。严重ARDS通过降低潮气量达到低平台压，可以减轻肺部炎症。不能单独用平台压来推断婴儿肺扩张，有两个关键原因。第一，平台压是肺和胸壁弹性力共同作用结果，因此，对于病态肥胖或腹部紧张的患者，部分(或全部)平台压高。由于胸壁力学和胸膜压力高，对肺的跨壁压力小，因而肺损伤风险低。第二，只有患者处于被动通气时测量的平台压才有意义；吸气或呼气肌用力时，也会分别产生平台压高值或低值。然而，如果测量正确，并在考虑局限性的情况下进行解释，高平台压是一个合理的和容易获得的VILI风险指标。
3气道驱动压
驱动压，是平台压与PEEP之间的差值，对于识别周期性扩张过度也许是有用的，尤其是可以结合潮气量来计算肺顺应性（dP＝VT/CRS)。以这种方式计算潮气量的前瞻性临床试验是可信的，“安全”驱动压的上限值仍不确定，可能因生物学的不同而有所差异。在以压力为目标的呼吸机模式中，如果患者主动吸气，跨肺压力(生理学上相关的扩张压力)和潮气量不受控制，预设的驱动压为保护VILI提供了错误的保证。驱动压也被用来滴定PEEP，尽管其价值值得怀疑。最近的一项试验将最小驱动压滴定PEEP法与经验的低PEEP策略进行了比较，结果显示，在驱动压指导下的PEEP组中，病死率有所上升。
4 呼出潮气量
在任何辅助-控制模式下(包括容量辅助/控制)，实际呼出的潮气量比预期的可能要大。因存在呼吸叠加不同步现象，即人-机交互，呼吸机持续周期性送气，而其间患者呼气不完全。大多数呼吸机报告的吸气潮气量仅包括单个吸气周期内的容积变化，错误地描述了呼吸叠加时的真实容积变化。相比较而言，监测呼出潮气量提供了一种简单方法，呼吸叠加后立即观察呼出潮气量高出预计潮气量的部分，即可检测出隐匿的叠加部分气体容积。类似地，在“双重”模式中，如以容量为目标的压力控制模式，潮气量可能会随患者的不同呼吸努力而有很大的波动，并且可以通过呼出潮气量来检测。
5呼吸机波形
气道压力和流量波形包含大量数据，可能有助于深入了解呼吸生理学。关于VILI风险，呼吸机波形可以帮助识别和区分人-机不同步的潜在机制，例如双触发或反向触发呼吸叠加导致高潮气量。然而，仅凭临时的视觉检查是不够的，因为随着时间的推移和患者的呼吸努力，不同步/衰减的波形足以逃脱偶尔去到床边的眼睛，甚至在目前的视觉检查中也会遗漏一些。
五 新兴工具
上述传统测量方法，在捕捉几个关键区域的潜在通气危害方面存在不足。基于气道压力的测量，没有考虑到胸膜压力对肺应力的影响。基于容积的测量，并不能说明婴儿肺功能区的大小。周期性肺充气不足和局部呼吸力学问题没有得到很好的解决。文献报道的新技术，正在帮助缩小这些差距。
1食道压
食管压通过区分胸壁和肺表面力学数据计算跨肺压，克服了气道平台压、驱动压和PEEP的关键限制。胸壁和腹部对胸膜压的影响是不可预测的。将测压气囊放置于心脏后方、食道中段，大概胸腔中心位置，虽然受到胸腔空间压力梯度的影响，但仍可合理替代平均胸膜压力。潜在的用途包括指导PEEP(通过呼气末跨肺压)和潮气量(通过跨肺驱动压和跨肺平台压)设置。理想的PEEP可使跨肺压接近零，足以维持可扩张的气道开放，同时肺过度扩张风险最低。一项随机试点试验发现，与ARDS-net的PEEP-FiO2策略相比，这种食管压指导的PEEP，校正生存率改善，但未校正病死率变化无统计学意义。在观察性研究中，肺平台压升高与病死率增加有关，但如何利用这些数据指导临床治疗仍不确定。食管压也许有助于识别人-机不同步，尽管不同步的临床重要性尚不清楚。
2测量“婴儿肺容积”
定量测量ARDS婴儿肺容积可用于计算潮气量。文献中计算机断层扫描(CT)被广泛用于测量功能残气量。CT对于进展型ARDS局部力学的理解是非常重要的，但将高危ARDS患者转运到CT扫描仪上存在安全问题，且没有复查CT的情况下不能观察变化趋势，因此阻碍了其临床应用。氮洗出/洗入和氦稀释技术已被用于床边定量分析呼气末肺容积，似乎与CT测量值有很好的相关性。
氮洗出/洗入技术可用于一些新的商用呼吸机。最近描述的一种方法是根据40cmH2O高压屏气30秒时的肺容积来测量婴儿肺的吸气能力。无论采用何种技术，都需要考虑如何更好地用于临床。
3呼吸机波形计算分析
气道压力和流量波形的自动分析主要集中在检测人-机不同步，也可以帮助识别周期性扩张和过度通气。非同步检测算法正在开发中，可以很容易地通过软件升级集成到呼吸机中。由于意想不到的高潮气量，呼吸叠加不同步可能是有害的，尤其频繁出现时。究竟是特殊的不同步导致了损伤，还是仅仅是一种附带现象，以及不同步与损伤之间的剂量-反应关系如何，目前还不清楚。除了非同步外，通过计算吸气时压力-时间波形斜率计算的压力指数，可以用来评估反复复张和过度通气。压力指数在实验模型和人体研究中均表现良好；但需要专门的软件，只能在吸气流量恒定的呼吸机模式下进行验证。
4电阻抗断层成像
肺电阻抗断层成像(EIT)是一种相当新的床边技术，有助于评估单个横切面的区域性肺扩张情况。由于在呼吸过程中EIT识别局部力学差异方面的新颖性，它在识别肺泡塌陷、周期性肺膨胀不全、潮汐式过度通气和应力集中方面的应用已引起人们青睐。EIT的主要局限性包括只能评估单个横断面(可能不能准确反映其他肺区域的活动)、成像算法或指标不统一，以及实用性有限。EIT指导通气的作用正在探索，但这项有前途的技术可能会被搁置在研究领域中，直到有关指标和解释得到广泛认可，并在大型人类研究中与肺损伤更明确地联系起来。
5肺和膈肌超声
肺超声有助于诊断ARDS，但在指导后续管理、预防VILI方面的作用值得怀疑。由于肺超声可以很容易地检测到肺不张，因此可能有助于识别PEEP改变时的实时复张效果。然而，由于无法检测肺过度扩张或胸膜下深处肺组织，所以在指导呼吸机设置方面作用有限。机械通气相关的膈肌损伤也可以用超声评估，但这些信息能在多大程度上影响预后，还没有得到证实。
六 结论
治疗ARDS最有效的策略集中于减轻生物物理肺损伤：低潮气量、俯卧位和神经肌肉阻滞。即使是6 ml/kg预计体重的小潮气量通气，绝大多数证据表明仍有患者存在肺损伤。识别这种隐匿的VILI是ARDS治疗的重要问题，尽管难以捉摸。有几种指标可广泛用于评价VILI风险，在确定气压伤和容积伤的风险方面似乎特别有用。新兴工具为克服传统测量方法的局限性，以及检测与萎陷伤和应力集中有关的局部力学方面提供了希望。最终，需要制定策略，将床旁力学和生物启动的肺损伤结合起来，使机械通气适应存在VILI特殊风险的患者。
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