機械通氣是目前ICU的核心技術,讓眾多的患者從此獲益因而成為了這個時代科技發(fā)展的標志。但是如何把握介入治療的“度”,其實也是目前很多國內(nèi)外學者關注的 Balance 成為了縈繞在每一位ICU醫(yī)生心頭的心病。呼吸生理的最大限度求同才是呼吸機使用的化境,這也許就是'幫助而不打擾'的要旨吧。
作者: 劉奇 程哲 王歡 陳榮昌 期刊來源:中華結核和呼吸雜志
作者單位:鄭州大學第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科
機械通氣是各種原因所致呼吸衰竭非常重要的對癥支持治療手段, 其極大程度地改善了患者預后.然而, 不恰當?shù)臋C械通氣往往會引起呼吸機所致肺損傷(ventilatorinduced lung injury, VILI) , 因此恰當?shù)闹贫ㄍ獠呗允菣C械通氣成功的關鍵因素.由于呼吸運動過程本身就是在中樞調控、神經(jīng)反射等的調節(jié)下, 呼吸肌肉收縮( 或舒張) 進而驅動氣體吸入( 或呼出) 的力學過程。
呼吸力學在機械通氣中的意義越來越引起廣大學者的關注.呼吸力學就是研究與呼吸運動有關的壓力、容積和流量三要素及其相關的順應性、阻力和呼吸做功等力學參數(shù)的一門科學.呼吸系統(tǒng)的各種疾病都會引起呼吸力學的改變, 從而使呼吸運動發(fā)生異常.因此, 呼吸力學是呼吸生理學的重要組成部分, 也是機械通氣的理論基礎, 是恰當?shù)闹贫ㄍ獠呗缘闹匾罁?jù)。
一、呼吸運動方程是機械通氣的基礎
無論是自主呼吸還是機械通氣, 肺通氣的本質是呼吸的動力克服阻力, 驅動氣體運動的力學過程.現(xiàn)代呼吸機可以實時顯示通氣過程中氣體流量、氣體容積及氣道壓(airwayPressure, Paw) , 并可顯示為各種波形.對于這些波形的正確解讀, 有利于理解呼吸機與患者間的相互關系, 更好地使用機械通氣.根據(jù)呼吸肌肉收縮力在呼吸運動中作用的大小,呼吸機可以完全、部分或不提供通氣所需要的壓力支持.經(jīng)呼吸系統(tǒng)壓(Pressure applied to the respiratory system, Prs ) 為通氣的動力是氣道壓與呼吸肌肉收縮產(chǎn)生的壓力(Pressuredeveloped by the respiratory muscles , Pmus ) 之和.通氣的阻力主要包括3 個部分: 氣體流動時產(chǎn)生的摩擦力(Pressure toovercome resistance, Pres ) 、呼吸系統(tǒng)彈性回縮產(chǎn)生的回縮力(Pressure to overcome elastic forces , Pe l ) 以及呼氣末氣道正壓(positive end expiratory Pressure, PEEP ) 或內(nèi)源性PEEP(intrinsic PEEP, PEEPi) 。
Pres 與流量(·V)和氣道阻力(R)有關, Pel 取決于氣體容積的變化量(V) 及呼吸系統(tǒng)順應性(respiratory system compliance, Crs ) .在機械通氣時通氣的動力等于阻力即呼吸運動方程為: Prs= Paw + Pmus = ( ·V× R) +(V÷ Crs )+ k( k = PEEP 或PEEPi) .由該方程可知每一次呼吸都是涉及氣道壓、流量、容積3 個要素, 并與氣道阻力、順應性及PEEP 等相關呼吸力學參數(shù)有關的力學運動過程.當患者完全放松時, Pmus= 0, 呼吸機克服全部的通氣阻力; 相反, 完全自主呼吸時, Prs= Pmus , 即呼吸肌肉克服全部的呼吸系統(tǒng)阻力.可見, 呼吸運動方程是機械通氣的基礎, 遵循該方程所體現(xiàn)的力學規(guī)律, 才能根據(jù)患者瞬息萬變呼吸力學特征制定有效、合理的通氣策略.呼吸運動方程及呼吸力學在機械通氣中的應用主要體現(xiàn)在新的呼吸力學導向通氣模式的誕生和對不同疾病狀態(tài)下呼吸機參數(shù)調節(jié)具有重要意義。
二、呼吸力學導向的通氣模式
比例輔助通氣( proportionalassist ventilation, PAV) 是通過動態(tài)監(jiān)測氣道壓、流量和容積, 再結合預先測定或擬合計算的氣道阻力和呼吸系統(tǒng)彈性阻力, 應用呼吸運動方程估算吸氣驅動力, 然后按比例增加氣道壓的一種通氣模式, 屬于輔助通氣模式.與壓力控制、容積控制及壓力支持等通氣模式不同,PAV 只是簡單地放大患者的吸氣努力, 不以特定的通氣壓力或容積為目標。
PAV 的重要特點是根據(jù)患者的吸氣努力程度而按比例增加吸氣相氣道壓, 期望使患者吸氣努力與實際通氣輸出的比例改善( 所謂改善人-機偶聯(lián)) .已經(jīng)有采用PAV 用于無創(chuàng)正壓通氣和有創(chuàng)正壓通氣的報道, 具有PAV 模式的商業(yè)化的呼吸機也在增加.然而, 什么情況下特別適合采用PAV,如何合理調節(jié)輔助比例等問題, 仍需深入的臨床研究.
神經(jīng)調節(jié)的輔助通氣( neurallyadjusted ventilatory assist,NAVA) 是采用膈肌肌電信號(diaphragmatic electromyogram,EMG) 調控輔助通氣的新型模式, 其通氣的目標與PAV 相同。
NAVA是通過特制的胃管來實現(xiàn), 該胃管遠端裝有多根電極并穿過膈肌.與傳統(tǒng)的流量或壓力觸發(fā)相比,NAVA 模式的觸發(fā)信號來自EMG, 是膈肌肌肉活動的上游信號, 無需等待膈肌收縮而產(chǎn)生氣道壓改變或氣道內(nèi)氣體流動, 即使嚴重的氣道閉陷或回路大量漏氣也不影響呼吸機的觸發(fā), 能極大地改善對呼吸機的觸發(fā)及人-機偶聯(lián).使用時需要設置每1 毫伏EMG 所需的壓力, 與PAV 相似, 呼吸機提供一定比例的呼吸支持, 剩余部分則需患者完成.吸氣相時EMG 增加,呼吸機隨即提供壓力支持; 呼氣相時EMG 減少, 當減至最大EMG 的預定百分比后, 壓力支持減少或停止, 氣道壓下降而完成呼吸循環(huán)。
PAV 與NAVA通氣的目標相同但實現(xiàn)的方式不同,PAV 通過持續(xù)的監(jiān)測呼吸力學參數(shù)及呼吸做功情況而實現(xiàn), 而NAVA則通過連續(xù)的EMG 而完成通氣.NAVA與傳統(tǒng)的壓力支持通氣相比, 在慢性阻塞性肺疾病( 簡稱慢阻肺) 患者中能極大地降低氣體的陷閉、減少觸發(fā)延遲及呼吸周期延遲、避免了無效觸發(fā)及過早或過遲的吸呼轉換、減少人機不同步的發(fā)生、減少了無效的吸氣做功.與壓力支持通氣相比, 采用NAVA輔助撤機, 直接脫機成功率高、48 h內(nèi)再插管率低、入住重癥監(jiān)護室時間明顯縮短.在ARDS患者中, 也可能有利于最佳PEEP的確定。
PAV 和NAVA 實質上是傳統(tǒng)壓力支持通氣的升級和優(yōu)化, 在通氣控制上利用了閉環(huán)通氣原理.閉環(huán)通氣主要包括PAV、NAVA、智能調控系統(tǒng)及適應性支持通氣。
閉環(huán)通氣是利用近乎持續(xù)的監(jiān)測患者呼吸力學參數(shù), 并根據(jù)這些參數(shù)的變化形成反饋信息, 以正反射或負反射的形式反饋給呼吸機, 呼吸機根據(jù)這些反饋信息調整進一步通氣的參數(shù), 以實現(xiàn)更加符合患者生理特征的個體化通氣方案.閉環(huán)通氣主要通過呼吸間的調節(jié)或單次呼吸內(nèi)的調節(jié)來實現(xiàn), 前者完成一次通氣周期后才根據(jù)反饋信息對下一次通氣參數(shù)進行調節(jié), 而后者根據(jù)反饋信息實時地對每一次呼吸進行調節(jié).在經(jīng)典的負反饋閉環(huán)通氣系統(tǒng)中, 通過實時監(jiān)測輸出氣量和目標氣體量, 并根據(jù)二者之間的差別, 形成校正信息, 調整輸出氣量, 使其與目標氣體量相匹配.這一反饋機制確保在呼吸回路出現(xiàn)漏氣、肺力學特征發(fā)生改變、呼吸肌肉張力發(fā)生變化時輸出氣量能維持穩(wěn)定, 在一定程度上對操作者設置的錯誤呼吸參數(shù)進行校正, 減少通氣的風險。
與PAV、NAVA不同, 適應性支持通氣是將各種通氣模式相結合而實現(xiàn)通氣, 如果患者的呼吸頻率高于目標值, 則采用壓力支持通氣模式; 若患者幾乎沒有自主呼吸, 則切換為壓力控制通氣; 若患者存在自主呼吸但低于目標值, 則自動采用同步間歇指令性通氣, 因此適應性支持通氣常被稱之為'無模式'、' 整合模式'或'三合一模式'.在使用適應性支持通氣時需要設置最大氣道平臺壓、目標潮氣量, 呼吸機根據(jù)其自身呼吸監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的氣道阻力、順應性、PEEPi等信息, 自動選擇通氣形式, 尤其適用于機械通氣的初始階段、維持及撤機階段.適應性支持通氣的目標是確保有效的肺泡通氣量、減少呼吸做功、實現(xiàn)最優(yōu)的通氣模式、減少氣壓傷、容積傷及氣體陷閉等并發(fā)癥的發(fā)生。
三、呼吸力學導向的通氣參數(shù)調節(jié)
在眾多的呼吸系統(tǒng)疾病中, 包括氣道阻塞性疾病和肺實質疾病, 均存在明顯的呼吸力學的異常.不同的肺部疾病所引起的肺部病理生理學改變不同, 其對應的呼吸力學特征也存在非常大的差異.呼吸系統(tǒng)疾病中, 慢阻肺和ARDS的呼吸力學異常與機械通氣參數(shù)調節(jié)的臨床研究較為深入。
1.呼吸力學導向的通氣參數(shù)調節(jié)在ARDS 中的應用:ARDS的最主要的呼吸力學特征是順應性的急劇降低, 而比順應性無明顯變化, 因而ARDS肺是減少了肺容積的'小肺', 而非肺組織彈性彌漫增加的' 硬肺', 其未受疾病累及的肺組織特征與正常肺組織無疑.在平臥位機械通氣的正常人功能殘氣量(functional residual capacity, FRC) 約為2. 4L, ARDS 等急性呼吸衰竭患者FRC 為1.5~1.8L, 在重度ARDS 患者FRC 可能明顯減少至0. 6~0. 9L。
ARDS肺順應性的改變與肺損傷致病因素、FRC 及PEEP均密切相關.ARDS 患者的另一呼吸力學特征為壓力-容積曲線(P-V 曲線) , 與健康肺不同,ARDS 患者呼吸系統(tǒng)P-V 曲線從FRC 位至肺總量位均呈'S'形, 由于肺順應性降低使整個曲線比健康人更加平坦, 并存在低位拐點(lower inflectionpoint, LIP) 和高位拐點.這些特有的呼吸力學特征是機械通氣潮氣量及PEEP等參數(shù)調節(jié)的依據(jù)。
2000 年以前, ARDS 患者機械通氣時往往給予10 ~15ml / kg理想體重的潮氣量, 不考慮患者FRC、順應性等呼吸力學特征.根據(jù)上文呼吸運動方程, 由于ARDS患者順應性明顯減少, 若仍給予大潮氣量通氣, 潮氣量與Crs 的比值增加, 呼吸阻力明顯增加, 對應氣道壓急劇上升導致肺泡過度膨脹, 進而引起VILI的發(fā)生, 為此要避免VILI的發(fā)生必須給予小潮氣量, 從而實現(xiàn)對氣道壓及跨肺壓的控制。
ARDS 的呼吸力學特征對PEEP 的選擇也具有重要指導意義.一般認為, 既能改善氧合又能減少VILI的PEEP為最佳PEEP.早期的研究中利用氧合來設置PEEP,并認為PEEP的主要作用是改善氧合, 進而改善肺順應性和患者預后.隨著研究的深入人們逐漸認識到, 在降低VILI所相關的病死率和死亡率中, 肺順應性的改善比氧合的改善更加重要.因此, 最大順應性法常被用于選擇最佳PEEP,其所設置的PEEP均值與氧合法具有很高的一致性, 但其在個體間的分布不同, 實現(xiàn)了PEEP的個體化。
近期,Pintado 等進行了首次臨床研究, 以70 例ARDS患者為研究對象, 結果發(fā)現(xiàn)最大順應性法選擇最佳PEEP組患者呼吸或循環(huán)衰竭天數(shù)、多器官功能障礙幾率明顯低于氧合法組, 但其在早期改善氧合及28 d病死率上尚未顯示明顯優(yōu)勢.自20世紀80年代中期起, 人們開始探索ARDS患者P-V 曲線在PEEP設置中的意義, 將LIP 以上50cm H2O( 1cm H2O = 0. 098 kPa) 對應壓力設為最佳PEEP, 但由于目測P-V 曲線LIP 在操作者間存在較大差異, 而且同一操作者對LIP 的判斷重復性也較差。
1998 年,Venegas 等建立了P-V 曲線S 形曲線模型, 其方程表達為V =a + b / ( 1 + e - ( P - c) / d ) ( P 是在一定容積時的氣道壓, a 和b 分別是上下漸近線, c 是曲率改變點對應的壓力, d 是與壓力成比例關系的參數(shù)) ,LIP = c - 2d.這一選擇, 是基于人們傳統(tǒng)上認為LIP 提示肺泡的廣泛復張,而高位拐點則是肺泡過度膨脹的標識.與之相反, 最近的觀點認為LIP 僅僅是肺復張的開始, 肺復張發(fā)生在P-V 曲線的整個吸氣支,P-V 曲線吸氣支只反映復張的情況, 而非閉合的情況, 判定PEEP水平可能不是很準確而呼氣支可能更加關鍵。
Albaiceta 等對12例輕度ARDS患者進行研究, 發(fā)現(xiàn)在P-V 曲線呼氣支高位拐點對應氣道壓處比LIP 對應氣道壓有較高的正常通氣肺組織和較少的無通氣肺組織, 在呼氣支高位拐點下方肺組織去復張顯著, 故而支持應用呼氣支高位拐點選擇最佳PEEP.但研究結果顯示,由于呼氣支高位拐點對應氣道壓非常高, 臨床上易引起血流動力學不穩(wěn)等不良情況。
Koefied 等認為在PEEP設置時必須兼顧P-V 曲線的吸氣支和呼氣支, 在ARDS 中P-V 曲線的吸氣支可能主要代表吸氣時肺泡復張及充氣肺泡體積的進一步增加, 而呼氣支代表呼氣時肺泡的去復張和充氣肺泡體積的縮小.P-V 曲線中容積滯后現(xiàn)象更能說明肺的呼吸力學特征在吸氣相和呼氣相明顯不同, 相同氣道壓時吸氣相容積小于呼氣相容積, 這一容積差正是該吸氣壓力時肺能繼續(xù)復張的容積.容積差最大時為滯后現(xiàn)象最明顯處, 預示著該壓力時肺泡的復張性明顯大于其去復張性, 因此在肺復張手法之后應以容積差最大處對應壓力為PEEP.考慮到肺組織的去復張效應具有壓力和時間依賴性, 其選取90% 最大滯后容積處對應壓力為PEEP。
ARDS 的呼吸力學特征( 如順應性) 對PEEP及潮氣量合理搭配也具有指導意義.在肺正常的麻醉患者和ARDS患者中, 呼氣末氣道壓為零時, 順應性隨著潮氣量( 5 ~15ml / kg) 的增加而增加; 低水平的PEEP( 3 ~6 cmH2O) 聯(lián)合大潮氣量( 13~15ml / kg) 進一步增加順應性; 中高水平的PEEP( 8 ~18 cmH2O) 聯(lián)合大潮氣量的通氣反而降低順應性, 肺組織受到過分牽拉而過度膨脹, 嚴重時引起VILI,甚至增加患者的死亡率; 單純的小潮氣量, 由于大量肺泡的塌陷與不張, 可能會引起順應性的輕度降低; 高PEEP增加肺泡復張, 并避免了呼氣末肺泡塌陷而小潮氣量( 5 ~7 ml/ kg) 能避免吸氣末肺組織的過度膨脹, 高PEEP與小潮氣量的組合明顯增加患者順應性; 過高的PEEP也會引起肺的過度牽拉與膨脹, 使順應性急劇下降, 其幅度可達到14% ~19%。
2.呼吸力學導向的通氣參數(shù)調節(jié)在慢阻肺和重癥哮喘等呼出氣流受限患者中的應用: 慢阻肺和重癥哮喘患者呼出氣流受限, 肺容量尤其FRC 增加, 在呼氣時間內(nèi)肺內(nèi)氣體呼出不完全, 形成動態(tài)肺過度充氣, 呼氣末肺泡內(nèi)呈正壓, 稱為PEEPi。
PEEPi 根據(jù)測定的方法分為靜態(tài)PEEPi和動態(tài)PEEPi.靜態(tài)PEEPi通常在充分鎮(zhèn)靜麻醉的情況下采用呼氣末氣道阻斷法測定, 其具體方法為在機械通氣患者中, 于呼氣末阻斷氣道, 當流量為零時, 肺泡將與氣道的壓力達到平衡, 此時氣道壓等于肺泡壓, 靜態(tài)PEEPi代表的PEEPi平均水平; 動態(tài)PEEPi檢測采用食管囊管法, 測定開始產(chǎn)生吸氣流量時食管內(nèi)壓的變化值, 代表氣體進入肺泡前所需克服的最低靜態(tài)PEEPi,還可采用開始產(chǎn)生吸氣流量時氣道壓的變化值、延長呼氣法呼氣末肺容積的差與動態(tài)順應性的比值、導致呼氣末肺容積增加的PEEP閾值水平等間接推斷PEEPi.由上文呼吸運動方程可知, PEEPi 增加了吸氣阻力, 患者必須首先產(chǎn)生足夠的吸氣壓力以克服PEEPi,才可能使肺內(nèi)壓低于大氣壓而產(chǎn)生吸氣氣流.肺容積增大造成胸廓過度擴張, 并壓迫膈肌使其處于低平位, 造成曲率半徑增大, 從而使膈肌收縮效率降低, 輔助呼吸肌也參與呼吸.上述改變進一步引起中樞驅動代償性增加, 但呼吸效率降低, 而出現(xiàn)通氣-中樞驅動偶聯(lián)異常.
慢阻肺急性加重甚至并發(fā)呼吸衰竭時上述呼吸力學異常進一步加重.根據(jù)呼吸力學異常指導機械通氣策略顯得尤為重要.針對慢阻肺呼氣流量受限、肺容積增加和PEEPi的特點, 機械通氣時應該適當增加吸氣流量、縮短吸氣時間、延長呼氣時間, 以促進呼氣.給予合適水平PEEP 降低慢阻肺患者的氣道與肺泡之間的壓差, 從而減少患者的吸氣負荷, 降低呼吸功耗, 改善人機協(xié)調性.如何合理地設定PEEP水平是值得深入探討的問題.傳統(tǒng)的觀點認為PEEP一般不超過PEEPi的80% ~85%, 可以減少呼吸做功及人機對抗的發(fā)生, 新的觀點認為PEEP只需達到PEEPi的60% 即可, 否則會加重動態(tài)肺過度充氣。
在秦朝輝等的研究中發(fā)現(xiàn), 有創(chuàng)通氣的慢阻肺患者中,PEEP 水平與呼氣末肺容積的變化呈' S'形的規(guī)律, 而不是完全呈'瀑布效應'的規(guī)律.盡管重癥哮喘也可形成動態(tài)肺過度充氣及PEEPi, 但其形成氣流受限的部位主要為偏向中心的非塌陷性氣道而非外周的塌陷性末端支氣管, 不存在慢阻肺患者的'瀑布效應', 對于控制性通氣患者, 應用高PEEP更多的是引起吸氣末肺容積、FRC 及氣道平臺壓的升高, 甚至出現(xiàn)心排量減少、血壓下降等血流動力學并發(fā)癥; 對于病情好轉過度為輔助呼吸或即將撤機的患者, 此時中心性氣道阻塞引起的呼氣受限消失, 而外周氣道引起呼氣受限依然存在, 類似于慢阻肺患者的呼吸力學特征, 應用低水平PEEP( ≤8 cmH2O) 可以減少呼吸做功, 但需要在患者舒適、監(jiān)測血壓及氣道壓的情況下反復滴定合適的低PEEP,其壓力往往低于PEEPi。
四、呼吸力學導向的俯臥位通氣策略的應用
俯臥位通氣作為一種以改變患者常規(guī)體位的通氣策略,主要在肺保護性通氣的基礎上應用, 研究顯示其可以改善患者的氧合及預后.正常健康人仰臥位時胸膜腔內(nèi)壓按重力方向分布, 自上(胸側) 而下( 背側) 負值逐漸減小, 甚至變?yōu)檎?發(fā)生ARDS時, 胸膜腔內(nèi)壓的梯度分布更加明顯.大部分背側區(qū)域胸膜腔內(nèi)壓正值較大, 在吸氣末不能產(chǎn)生足夠的負壓維持氣道開放, 背側區(qū)域肺泡塌陷, 而胸側則可能產(chǎn)生過度充氣.在俯臥位時胸膜腔內(nèi)壓在胸側及背側的分布梯度減小, 使背側不張肺泡復張而胸側過度充氣肺泡縮小、各部位肺組織通氣更加均勻、FRC 增加、通氣血流比例改善, 從而改善氧合、促進二氧化碳排出。
目前多項研究證實俯臥位通氣策略可能改善患者的預后, 其中最具說服力的為近期的PROSEVA研究, 該研究收入474 例中重度ARDS患者, 平均氧合指數(shù)為100mmHg( 1 mmHg = 0.133kPa) , 在嚴格的小潮氣量肺保護性通氣方案的基礎上每日采取17 h俯臥位, 其結果顯示可使病死率下降17%, 死亡相對風險下降50% .短期應用俯臥通氣可以臨時改善氧合、有助于氣道分泌物清除、促進背側肺組織復張; 長期應用俯臥通氣的研究更加充分, 其可改善重度ARDS患者的預后, 高度推薦使用, 對于輕度ARDS,目前的研究數(shù)據(jù)并不能顯示更好的預后, 而對于中度ARDS的尚無明確結論; 對于俯臥采用的時機上, 多考慮在ARDS起病的早期應用, 對于晚期ARDS,俯臥通氣作用非常有限。
總之, 呼吸力學改變是機械通氣的病理生理基礎, 也是發(fā)展機械通氣新模式、制定個體化肺保護性通氣的參考依據(jù).呼吸運動方程的深入理解及靈活運用、ARDSP-V 曲線意義的再解讀均為人們理解機械通氣尤其肺保護性通氣的本質提供了嶄新的思路.盡管如何利用呼吸力學參數(shù)指導機械通氣尚需更多的研究, 在未來個體化肺保護性通氣中必將發(fā)揮越來越重要的作用。