“醉”译献 | 驱动压与跨肺压：我们要如何进行安全的机械通气？

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编译：聂偲 暨南大学附属第一医院
肖可 中国医科大学
对术中机械通气所致肺损伤的潜在危害的担忧，推动了术中肺保护的大量研究。1-3根据重症监护医学文献4，潮气量（VT）和呼气末正压（PEEP）的设置一直是术中临床试验的重点。1-3最近对急性呼吸窘迫综合征（ARDS）和外科患者的研究结果表明，与VT和PEEP设置有关的益处是由驱动压调控的。随着我们对机械通气的物理和生物效应的认识不断深入，驱动压和跨肺压的概念越来越多地被用于量化机械通气过程中作用于肺部的机械力，并用来指导临床监护。从这个角度，我们讨论了这些概念的定义，它们在临床环境中的测定，它们的意义，以及它们在典型场景中的使用。
什么是应变和应力？它们如何应用于机械通气和呼吸机引起的肺损伤？
为了预防机械通气过程中的肺损伤，必须找出引起肺损伤的几个最大因素。在有着数百年历史的材料科学工程领域，应力（stress）和应变（strain）的最大极限被列为材料在外部载荷作用下失效和断裂的关键可能因素。最近，这些应力和应变的概念已被应用于增加对机械通气过程中损伤机制的理解8-10，并能更好地解释与肺保护性通气相关的积极的临床结果。
应力的定义是力除以被施加力的面积。直观地说，如果将固定力分布在肺组织的大横截面积上，则单位面积的力（即应力）将小于将相同的力分布在较小的肺组织区域上的情况。更多的应力预计会增加肺损伤的风险。
应变是指某种结构的维度尺寸的变化与其原始维度尺寸的对比。例如，线性应变被定义为长度的变化除以原始长度（图1）。与通气最相关的应变是吸气和呼气产生的容积应变。容积应变定义为容积变化除以初始容积。在弹性材料中，应变与应力成正比。通气过程中的容积应变既有静态的部分也有动态的部分，并且在整个肺内都是不均衡的。8
这些概念与预防肺损伤有什么关系？
潮气呼吸（tidal breathing，译者注，即正常呼吸）时，肺容积的变化用VT表示，初始肺容积与功能残气量（FRC）相对应。因此，可以将整体肺容积应变估计为VT/FRC。这种关系表明VT的降低减少了肺应变，而且FRC对肺应变也有影响。ARDS患者明显较低的FRC强调了这一概念的相关性。例如，在VT为500ml的情况下，麻醉期间健康的肺（FRC，2000ml）有25%（500/2000）的应变。在ARDS患者中，同样的VT（FRC，500ml）将产生100%（500/500）的应变，增加三倍的应变和肺损伤的风险。
这些需要的情况也表明，虽然降低VT对外科和ARDS患者很重要，4,12但VT不是肺损伤的最终决定因素。这是因为它没有考虑到VT所作用的肺实质的大小（FRC）。因此，单纯调控VT不足以最大限度地减少损害性肺应变。这些论点与最近在ARDS和外科患者中的临床结果一致，表明VT对临床结果的影响是由与肺应变相关的变量调控的。5-7
例如，由于肺扩张的不均衡性，随着（肺扩张后）肺塌陷的开始，肺损伤的风险也增加了。这是因为在麻醉机械通气状态下的大型动物的健康肺和炎症肺中，这种不均衡性会制造比整体肺应变更大的局部性应变，即使整体肺应变在可接受范围内。8,13理论计算表明，在不均衡通气的肺中，局部压力实际上可能比全肺压力大得多，当肺不张区域被扩张的肺包围时，局部压力可能高达三到四倍。14临床常见的全身炎症反应放大了应变的损害效应。10,15

（↑水印处：VL=0）
图1. 驱动压（∆P）计算为平台压（PPLAT）与呼气末正压（PEEP）之差。驱动压由两个压力组成：分配给肺部本身的压力——跨肺压（∆PL），和施加在胸壁上的压力（∆Pcw）。由标准的呼吸系统顺应性（CRS）方程式的变形得出，驱动压等于潮气量（VT）除以CRS。应变是材料相对于其原始状态的形变。例如，弹簧的线性位移（∆L）相对于其静止长度（LO）的比率，或类比为VT与功能残气量（FRC）的比率。当CRS与FRC（原文为PCR，应该是FRC，此为印刷错误）成比例变化，即FRC=κ×CRS时，VT/CRS则为VT/FRC标准化（译者注：即乘以系数κ）后的近似值，即∆P与肺应变成正比。TLC，总肺活量；VL，肺容积。
什么是驱动压？它是如何测量的？
驱动压定义为平台压减去PEEP（图1）。16在容量控制的恒流通气中，吸气间歇结束时测得的压力是平台压，在压力控制通气中，吸气结束时测得的压力是平台压。因此，在患者没有呼吸肌力量的情况下，驱动压高于PEEP，并施加到整个呼吸系统从而实现潮气通气。关于平台压计算的一个警示是，当吸气末气流量不为零时，不能推定它代表吸气末肺泡压力，因为这表明气道压和肺泡压不是一致的。在容量控制通气期间，大于或等于3s的吸气间歇可为正常和病变肺部提供最佳的平台压测量精度。17、180.5s的短暂吸气间歇使平台压在ARDS患者中被高估11%，在慢性阻塞性肺病患者中被高估17%。17检查当前麻醉机上显示的气道压力图形，观察吸气末间歇时的平台压，从而更好地确定测得平台压的可靠性。自动PEEP是导致驱动压被高估的另一个潜在误差来源，因为肺泡单位中的呼气末压力会高于呼吸机中设置的PEEP，并被算入驱动压。
重要的是要认识到，在机械通气过程中测量的驱动压和总气道压有两个组成部分：一个与肺部扩张有关，另一个与胸壁扩张有关。在疾病和手术条件下，这两个组成部分都有可能发生显著变化，并影响驱动压的测量结果和意义。
什么是跨肺压？它是如何测量的？
跨肺压定义为气道开口与胸膜表面之间的压差（图2）。19,20因此，跨肺压包括将空气推入气道的压力（气道开口-肺泡压力）和克服肺组织弹性回缩的压力（肺泡-胸膜压力），后者最常与肺损伤有关。19虽然连续估计跨肺压是可行的，但通常在呼吸周期的两个关键点进行评估：吸气结束（与防止过度膨胀相关）和呼气结束（与避免肺塌陷相关）。如果这些关键点的呼吸流量为零，气道压（吸气末期的平台压和呼气末期的PEEP）被推定为代表肺泡压，这在没有气体滞留的情况下是一个合理的假设。21这种测量跨肺压的方法可能导致了一种误解，即它只表示肺泡水平的压力。19,22,23但基本概念是，在静态情况下，即零流量（吸气末和呼气末）条件下，跨肺压近似于肺组织的弹性回缩力，它是作用于气道以外的肺组织的可量化应力的相关压力，想必对机械通气所致的肺损伤负有责任。

图2. 气道开口、食管压力（PESO）和跨肺压（PL）测量。PL定义为气道开口压力（蓝线）和胸膜压力之间的差值。胸膜压力通常通过测量食管球囊压力（PESO）来估计。通过特定的操作，将食管球囊放置在食管（A）的下三分之一处。心脏引起的小幅振荡（B，绿色线条）可在PESO中表明球囊的准确位置，也可以通过在呼气屏气期间或在气道开口关闭（A）的情况下给胸部施加轻柔的压力，观察气道压力和PESO测量值有相似的走形来证实。PL可以估计为气道压力和食管压力之间的差值（红色和橙色线条）。气腹（B，中间的表格）等干预措施使驱动压（∆P=平台压，PPlat，减去呼气末正压，PEEP）发生显著变化。在本例中，∆P增加了7 cm H2O。而∆PL（吸气末PL，PLEI，减去呼气末PL，PLEE）增加的程度与∆P和PPlat不同。本例中∆PL的变化为4 cm H2O。这表明∆P和PPlat增加的部分原因是胸壁的压力，而不是因为施加在肺实质上的压力。与气腹前相比，气腹后EI到EE的PESO的振荡幅度增加证明了其原因是胸壁的压力而非对肺实质的压力。此外，气腹前食管呼气末压力（PESOEE，时标4s）为正，气腹后为负值。这意味着力学状况与气腹后肺塌陷一致。事实上，虽然PL的增加幅度与∆P的幅度不相同，但它也增加了，表明肺顺应性的降低。这样的情况可能会要求我们使用更高的PEEP来防止肺塌陷。EE，呼气末；EI，吸气末。
虽然通过评估气道压来计算跨肺压很简单，但评估胸膜压是比较困难的。食管测压法是目前临床应用最广泛的胸膜压测量方法。24-26这种方法使用一种特殊的球囊，要么与单独的导管结合，要么作为鼻胃管或口胃管的一部分，通过特定的操作程序24,27，将球囊置于食管下三分之一并连接到压力传感器上（图2A）。通过由食管压力迹线所表现出的心脏引起的振荡（图2B）以及气道开放和气道闭塞情况下食管压力波动的测量（图2A）来确认球囊的正确位置。这种方式测得的压力能更具体地评估食管周围的压力值，测量范围大约是背侧到腹侧胸部长度的三分之一到一半。26,29在仰卧位患者中，考虑到胸膜压从腹部到背部的递增情况，会高估腹侧胸膜压力而低估了背侧压力。30
有两种可以用食管压力替代胸膜压力来测量跨肺压的方法。一种是假设胸膜压力等于食管压绝对值，可直接随呼吸周期读取传感器测量值。24这种测量可以在吸气末（此时跨肺压等于平台压减去食管压）和呼气末（此时跨肺压等于PEEP减去食管压）进行。食管测压法可能受到纵隔的重量、腹部压力以及食管球囊位置的影响，已得出修正因素来解决这些情况。31,32
第二种方法是如此假设的：虽然食管压绝对值和胸膜压可能不同，但它们的变化是相同的。24，33这种方法可以通过两种途径测量胸膜压和跨肺压，这两种途径有密切一致性33：顺应性推导法和释放性推导法。在顺应性推导的方法中，跨肺压被计算为平台压与呼吸系统和肺的顺应性比值的乘积。34,35顺应性比值是通过由VT形成的潮气呼吸所致肺膨胀期间(从PEEP到吸气末压力)的压力改变即气道压和食管压力的改变来测定的。这种顺应性推导法假设每个患者在潮气呼吸所致肺膨胀压力（译者注：即吸气末压力）和PEEP改变时，食管和气道压力的改变是线性的。在释放性推导法中，跨肺压是通过测定在大气压下潮气呼吸所致肺膨胀和PEEP导致的气管和食管压的改变得来的33。释放性推导法需要开放（呼吸机）通往大气的通气回路，有肺塌陷和低氧血症的风险，而顺应性推导法没有这个问题。第二种方法的一个关键假设是，在气道压为零的情况下胸膜压为零。这在静息状态下是值得怀疑的，在某些情况下则更加有问题，如肥胖和ARDS患者19以及腹腔镜和腹部手术中，胸膜压会相应增加。在这些情况下，这种假设可能会导致PEEP设定得不够高。基于食管压绝对值或食管压差值来估算胸膜压的方法不能提供等效的测量值33,36，需要与公认的标准进行直接比较。
最近，一种不用食管球囊评估跨肺压的方法被提出并得到验证。它是一种基于PEEP-阶跃的算法（译者注：文献表示，PEEP每阶跃4cmH2O，呼气末肺容积平均增加230±132ml，故可通过已知的PEEP差值与相关公式计算呼气末肺容积变化），通过呼吸机自带的肺活量计测量呼气末肺容积的变化。37
什么是驱动压的生理学解释？它有哪些临床应用？
驱动压提供了一个容易测量的与全肺相关的应变。5,7驱动压可表示为潮气量与呼吸系统顺应性的比值（图1）。呼吸系统顺应性与呼气末肺容积（aerated lung volume）相关。38因此，驱动压可以解释为VT与呼气末肺容积的测量值的标准化比值（译者注：即乘以系数κ），从而与整体肺应变有关。5这一概念还阐明了由VT精准提供的容积信息与驱动压所致肺应变（潮气量/初始肺容积）的附加信息之间的差异（图1）。
与这些生理原理一致，最近的研究证实，无论是在术中6,7还是在重症监护室5，驱动压比潮气量更能解释与肺保护性机械通气相关的临床结果。一项对术中接受全身麻醉和机械通气的非心胸外科患者的大型注册研究表明，驱动压与术后主要肺部并发症（肺炎、肺水肿、再插管需要和ARDS）7的让步比（OR）呈连续和压力依存性（译者注：原文为dose-independence，即剂量依存性，这里根据语境稍作更改）关系。一项对全身麻醉期间保护性通气的随机对照试验的荟萃分析表明，与术后肺部并发症增加唯一相关的通气参数是驱动压，其让步比（OR）为1.16。6
一项对重症监护室ARDS患者通气的随机试验的分析发现，即使平台压和潮气量在可接受的保护性范围内（平台压小于或等于30cmH2O和潮气量小于或等于7ml/Kg；相对危险度，1.36），驱动压增加7cmH2O与死亡率增加相关（相对危险度，1.41）。在该研究中，驱动压大于15cm H2O与死亡率增加相关。5随后对驱动压高于或低于该阈值的ARDS患者的调查发现，较高的驱动压与较高的肺部应力相关。39
虽然这些都不是前瞻性研究，但广泛的病例及病例中的患者支持将驱动压作为机械通气患者的预后标志。这些研究还表明，传统的气道压限制（如小于或等于30cmH2O2,4)可能不足以预防肺损伤。相反，限制或最大程度地减少驱动压可能是一个更有意义的目标。目前对驱动压的安全估计范围为14 到18 cmH2O。5-7，但下文仍将讨论一些有关此概念的警示说明。
值得注意的是，有自主呼吸的患者在压力支持通气时会产生足够大的胸膜负压，导致潮气量变大，吸气末平台压高于设定的峰值压力。这时的平台压可以在吸气末屏气时测量，进而评测驱动压。40重要的是，这样的观察结果表现了巨大的、潜在的伤害性跨肺压。
什么是跨肺压的生理学解释？它有哪些临床应用？
跨肺压是测量通气时施加于肺的机械负荷的物理量。因此，跨肺压代表施加于肺实质的应力11,19可能加重呼吸机诱导的肺损伤14,19,27（注意跨肺压指单位面积上作用的压力）。传统的教学侧重于将气道压作为气压伤和肺损伤风险的测量指标。在机械通气过程中，诸如30到32cm H2 O的值被认为是最大安全限值。2,4跨肺压的概念，以及随后的临床和实验证据表明，24,41强调麻醉机或呼吸机中可获得的气道压绝对值并不是肺应力的最终测量指标。相反，跨肺压提供了一个更精确的测量肺应力和肺损伤风险的方法。42
在健康肺中，呼吸机诱导的肺损伤发生在应力导致肺容积接近全肺容量时，此时跨肺压约为26cm H2 O。20在临床应用中，推荐健康患者改变潮气量时的跨肺压上限在15到20cm H2 O，ARDS患者为10到12cm H2 O。24
在重症监护室中，最常用跨肺压来指导最困难病人的PEEP设置，包括ARDS病人和肥胖病人。25,43-45基本原理是调整PEEP以保证正值的呼气末跨肺压（例如，呼气末跨肺压，0到10 cm H2 O）。基于跨肺压的定义，采用滴定法调整机械通气的这些参数可以避免呼气末肺泡塌陷。
采用这种基于跨肺压的方法可以改善ARDS患者的氧合和呼吸系统顺应性，并有降低死亡率的趋势。25,43考虑到有大量的低血氧症患者存在未被识别的ARDS46，对任何不断恶化的低血氧症患者都可考虑采用食管压力监测。在伴有呼吸衰竭的肥胖患者中，低到负值的跨肺压预示了肺衰竭和呼吸间肺膨胀/肺塌陷，可以为PEEP设定和膨肺操作提供指导。45在术中，跨肺压已被用来为腹腔镜减肥手术的患者设定最佳的PEEP值。44
使用跨肺压作为肺应力的相关因素有其局限性。27与简单的驱动压测量相比，食管测压法需要额外的设备及其放置和解释方面的培训，阻碍了其临床应用。27食管压力受多种因素的影响，如体位、纵隔的重量、食管平滑肌的顺应性和反应性以及病人的配合程度等。27食管球囊压力反映了球囊实际放置位置的测量值，即在食管周围的压力。26食管测压法不一定能准确地捕捉到肺膨胀的区域变化。尽管有这样的限制，在近期对仰卧位大型动物和尸体的研究中认为，呼气末食管球囊压力能可靠地估计食管周围呼气末胸膜压力，吸气末的跨肺压能评估患侧肺（nondependent lung）的吸气末压力，26从而提供了一种优于当前其他临床测量法的床旁测量法，来指导安全的机械通气。
什么时候驱动压和跨肺压会不同？我们如何解释这些情况？
虽然驱动压更容易评估并用于指导避免呼吸机诱导的肺损伤，但有其局限性。驱动压的一个主要限制是它依赖于整个呼吸系统的性能，而不仅仅是肺脏。在肺的外部，包括腹部在内的胸壁的性能会影响驱动压的测量。这种影响可能具有误导性，因为胸壁性能并不反映肺损伤风险的增加。16因此，在胸壁顺应性正常且恒定的情况下，驱动压的变化可以适当的替代跨肺压的变化和肺应变。然而，当胸壁顺应性异常或变化时，可能需要直接评估跨肺压，以正确定量作用于肺的潜在的损害性应力。常见的临床情况是，腹部充气、腹内高压、肥胖、腹水、体位47-50以及胸部创伤、胸部和腹部组织水肿、胸膜积液27等引起腹内压增加，胸壁顺应性的情况会导致驱动压和跨肺压有所不同。在这种情况下，气道压本身可能会误导机械通气的设置。
腹腔镜手术会降低胸壁顺应性，增加气道压力。51,52然而，由于气道压力分布到肺和胸壁时，肺和胸壁有其相应的顺应性，气道压并没有按照增加的跨肺压那样完全等效地传递到肺脏 (图2B)。机器人手术是腹腔镜手术的一种特殊类型，由于头低脚高体位和特殊支架的使用，经常出现类似的加重情况（图2B）。53能为分布在肺和胸壁的气道压提供定量分析的直接人体数据直到最近才被提出。 53
跨肺压的测量强调了在实验性腹内高压中有明显的肺应力存在的可能性。48,54增加腹内压能使平台压增加至将近腹内压的一半，但对健康肺的跨肺压仅产生极小的变化，说明了气道压不等于跨肺压。54在单侧肺不张时也观察到，伴随高腹内压的驱动压升高并没有相应地增加跨肺压。48相比之下，在有肺损伤的情况下，伴随高腹内压的驱动压和跨肺压均升高，48这表明肺的力学特性和胸壁顺应性影响驱动压和跨肺压的变化。
肥胖患者的气道管理是对有效机械通气的挑战。55腹部重量的增加对隔肌产生压力，进而增加胸膜压。45测量肥胖患者的食管压力，有助于确定最佳的PEEP水平和指导肺复张。45直接食管测压法44或间接通过电阻抗断层成像（electrical impedance tomography）56的直接指导下， 腹腔镜减肥手术中能使呼气末跨肺压大于或等于0 cm H2 O的PEEP水平要高于以往通常使用的PEEP值：气腹前为15到18 cm H2 O，气腹后为19 到40 cm H2 O。这些数据与肥胖患者仰卧位平均食管压力相一致，肥胖患者仰卧位平均食管压力为（12.5 ±3.9 cm H2 O），而对照组为（6.9 ±3.1 cm H2 O）。57
综上所述，在常规的临床机械通气过程中，驱动压易于测量，应及时监测。驱动压增加应迅速识别潜在原因，如果需要，还应采取干预措施来减少这些因素。在上文讨论的几个临床情况中，驱动压和跨肺压力可能不同，如果有呼吸机诱导肺损伤的重大风险，应使用多种方法评估跨肺压，如食管测压法可指导通气管理（图3）。

图3.麻醉过程中使用驱动压及跨肺压力来指导机械通气的方法。仅限于目前的实验和临床数据。安全范围在临床试验中还没有确定。PBW，理想体重；PEEP，呼气末正压；VT，潮气量。
参考文献：（略）
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