ICU急性呼吸衰竭患者机械通气时发生呼吸摆动的发生率和预后：一项来自中国协和医院的回顾性队列研究

背景

呼吸摆动现象，定义为由异步肺泡通气引起的肺内气体再分布，可能通过诱导肺损伤而有害。本研究的目的是调查其在重症医学科(ICU) 急性呼吸衰竭 (ARF) 患者中的患病率和预后。

方法

这是一项对 200 名在三级 ICU 接受机械通气的 ARF 患者进行的回顾性观察研究。在入院后 48 小时内使用电阻抗断层扫描 (EIT) 确定是否存在呼吸摆动。其幅度定义为所有肺区域呼吸阻抗变化之和与全肺阻抗变化之间的阻抗差。高于 2.5% 的值（来自 30 名健康志愿者的第 95 个百分位）被认为证实其发生。

结果

在 61 名患者中发现了呼吸摆动（94 名患者中有 39 名自主呼吸，106 名患者中有 22 名接受控制通气），总患病率为 31%。自主呼吸的存在和较高的整体不均匀指数与摆动有关。呼吸摆动患者的 ICU 住院时间更长 [10 (6, 14) 天 vs. 7 (4, 11) 天；中位数（下、上四分位数）；P&#8201；= 0.022] 和更短的 14 天无呼吸机天数 [8 (1, 10) 对 10 (6, 12) 天；P= 0.015]。亚组生存分析表明呼吸摆动与较长的通气时间之间存在关联，这仅在 PaO2/FiO2比率低于 200 mmHg的患者中显著（对数秩=0.042)。ICU 死亡率在有和没有呼吸摆动的患者之间没有差异。

结论

我们的研究组经常发生呼吸摆动，并且与较长的通气时间有关。对这种现象的早期识别应该触发旨在减轻摆动的干预措施。

介绍

呼吸摆动是由非同步肺泡通气引起的肺内气体再分布现象。它已在患有连枷胸、阻塞性肺病和急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 的患者中被发现。动物实验的证据表明，呼吸摆动可能通过诱导局部过度膨胀和潮汐补充而产生潜在的危害。因此，有必要早期识别呼吸摆动，以便及时调整治疗和通气策略，特别是在危重患者中。早期用于监测呼吸摆动的技术（正电子成像、多通道肺音分析、暗场显微镜等）不适用于危重病人。

胸部电阻抗断层扫描 (EIT) 是一种无创监测技术，通过检测连续呼吸周期中的生物阻抗变化，可以获得床边区域肺通气的实时图像]。EIT 的应用使重症医学科(ICU) 患者的呼吸摆动床边检测成为可能。它不仅可以对呼吸摆动进行定性分析，还可以进行定量分析。尽管取得了进展，但人们对呼吸摆动的流行病学及其与临床结果的关联知之甚少。

这项回顾性研究的主要目的是探讨机械通气 ICU 急性呼吸衰竭 (ARF) 患者中摆动的患病率和预后。

方法

2020 年 1 月至 2021 年 11 月，入院 48 小时内动脉氧分压与吸入氧分压（PaO2 /FiO2）低于 300 mmHg 且接受机械通气的 ICU 患者符合条件研究包容。排除标准为：年龄<18岁、怀孕、体重指数超过50 kg/m2、胸腔畸形以及任何使用EIT的禁忌症（自动植入式心脏复律除颤器、胸部伤口限制电极带放置、植入式泵等）。本回顾性研究经北京协和医院机构研究与伦理委员会批准（S-K1859）。

记录了以下参数：年龄、性别、预计体重 (PBW)、急性生理学和慢性健康评估 II (APACHE II) 评分、EIT 记录时间点的动脉血气和呼吸参数 [潮气量、呼吸频率、呼气末正压 (PEEP)、存在自主呼吸（定义为基于 EIT 的呼吸频率高于控制通气下的设定呼吸频率）]、通气比（分钟通气量 [mL/min] × PaCO 2 [mmHg]）/ (PBW [kg] × 100 [mL/min] × 37.5 [mmHg])，结局指标，例如 ICU 住院时间、14 天无呼吸机天数 (VFD) 和 ICU 死亡率。

基于 EIT 的测量

在经证实的 ARF 诊断后 24 小时内使用 PulmoVista 500（Dr&#228;ger Medical，L&#252;beck，Germany）进行 EIT 测量。将带有 16 个电极的 EIT 带放置在患者胸腔的第 4-5 肋间隙水平。EIT 测量电极对之间的电压变化，重建测量平面内的阻抗变化，然后通过从呼气开始图像中减去吸气开始以及全球潮汐信号变化来计算区域通气图。

摆动呼吸

我们的研究采用了最近发表的基于 EIT 的悬垂检测策略。根据 Otis 等人提出的 呼吸摆动理论，当发生俯卧位时，区域潮气量之和大于整体潮气量，它们的差值代表俯冲量。类似地，基于 EIT 的摆动幅度被定义为所有区域肺呼吸阻抗变化 (TIV) 之和与全肺 TIV 之间的阻抗差（图 S1）。由于这种基于像素的策略非常敏感，只有当其幅度超过全球 TIV 的 2.5%（这是 30 名健康志愿者的第 95 个百分位）时才考虑出现呼吸摆动（ 表 1)。

机械通气缺陷评分

它的计算是基于一种半定量的方法来分析机械通气分布的异质性，该方法已被先前的研究验证。全局机械通气图被分成四个大小相等的非重叠象限，以追踪气体分布到不同的感兴趣区域 (ROI)：左下 (LL)、右下 (LR)、左上 (UL) 和右上 (UR) ）。每个象限的分布缺陷评分如下：0（象限分布%≥15%）、1（15%>象限分布%≥10%）和2（象限分布%<10%）。总机械通气缺陷分数是每个象限分数的总和（图2）。

不均匀性 (GI) 指数

GI 指数旨在描述机械通气空间异质性的总体程度。较小的全局不均匀性指数代表更均匀的分布。

统计分析

描述性数据表示为分类变量的数字和百分比，以及连续变量的中位数（下、上四分位数）。使用 Pearson 卡方检验比较分类变量，而使用 Mann-Whitney U检验比较组间非参数分布的连续变量。使用 Kruskal-Wallis H检验比较不同缺陷评分组之间的 呼吸摆动振幅。

为了评估与 呼吸摆动相关的独立因素，使用反向逐步多变量逻辑回归分析检查了被认为与 呼吸摆动临床相关的重要单变量风险因素或变量。为避免过度拟合，鉴于观察到的 61 个事件（APACHE II 评分，PaO2/FiO2比、PEEP、自主呼吸、呼吸频率和 GI 指数）。用Spearman相关系数探讨PEEP与摆幅的线性关系。为了分析 呼吸摆动和通气持续时间之间的关系，采用特定原因 Cox 比例风险模型来预测成功停止呼吸机的相对风险，置信区间为 95%；该模型针对 APACHE II 评分和 PaO2 /FiO2进行了调整比率。限制三次样条用于探索摆幅与呼吸机停药相对危险之间可能存在的非线性关系。P值小于0.05被认为具有统计学意义。使用 SPSS 25.0（SPSS，Chicago，IL）和 R 版本 4.0.3 统计分析。

结果

摆动呼吸的危险因素

共纳入 200 名患者（135 名男性和 65 名女性），中位年龄为 62 岁，入住 ICU 24 小时APACHE II 中位评分为 16 分。患者接受机械通气，中位 PaO2 /FiO2比值为 200 (164, 246) mmHg，潮气量为 428 (396, 501) mL，PEEP为 7 (5, 8) cmH 2 O，呼吸频率为 17 (15, 19) 周期/分钟在 EIT 记录的时间点 (表1）。其中 94 人（47%）有自主呼吸。200 名 ARF 患者中的 61 名（患病率 31%）、94 名自主呼吸患者中的 39 名（41%）和 106 名接受完全控制通气的患者中的 22 名（21%）检测到呼吸摆动。呼吸摆动患者的自主呼吸、呼吸频率和 GI 指数较高（表1）。潮气量、PEEP、PaCO 2和通气比在各组之间没有差异。多变量逻辑回归分析表明，自主呼吸的存在和较高的 GI 指数与呼吸摆动相关（表2）。在 P/F 比低于150 mmHg的一组患者（39；Spearman r = -0.37，P&#8201；= 0.02）和自主呼吸患者亚组（94；Spearman r = - 0.22，P= 0.03）图 1）。

在呼吸摆动患者中观察到较高比例的较高通气缺陷评分 ( P= 0.042)。缺陷评分较高的患者也有较大的摆动幅度 [1.2 (0.5, 2.5) 与 1.5 (0.7, 3.8) 与 2.1 (0.9, 6.8) 在缺陷评分 0, 1, ≥ 2 的全球 TIV 百分比中分别；Kruskal–Wallis P&#8201;= 0.011]（图 3）。随后的多重比较显著显示差异仅在缺陷评分 0 和 ≥ 2 之间（P&#8201；= 0.008）。

结果

表1和表3以及图 1 和图 3显示了有或没有呼吸摆动患者的结果。 2和3。整个研究人群的 ICU 死亡率为 12%，组间没有差异 (P= 0.151)。ICU 住院时间更长 [10 (6, 14) 天 vs 7 (4, 11) 天；P= 0.022] 并且 14 天无呼吸机天数更短 [8 (1, 10) 与 10 (6, 12) 天；P= 0.015] 在 呼吸摆动患者中。生存分析显示 呼吸摆动对整个研究人群在 14 天内停止通气的影响微乎其微（对数秩P= 0.066)。当研究人群根据 PaO2/ FiO2比率分为两个亚组时，呼吸摆动与 PaO2/FiO2比率低于 200 mmHg 的患者的 14 天通气持续时间显著延长相关（P= 0.042），而它对 PaO2/FiO2比值高于200 mmHg的患者的 14 天通气时间没有影响（P= 0.930）。在通过 APACHE II 评分和 PaO2/FiO2比率调整后，Cox 回归还确定呼吸摆动是延长 14 天通气持续时间的独立危险因素（表3）。较高的摆动幅度与在 14 天内停止机械通气的可能性较低相关，以 2.5% 的摆动幅度作为参考（图 3）。

Kaplan-Meier 14 天通气曲线中止概率，A为总体研究人群，B为 PaO2/FiO2比值低于 200 mmHg 和C在 200 到 300 mmHg之间的患者

还分别对有和没有自主呼吸的患者进行了结果分析（图 4）。在任一组中，呼吸摆动与更长的 14 天通气持续时间无关，但对自主呼吸且同时 P/F 比低于 200 mmHg 的患者的进一步调查显示，呼吸摆动与更长的 14 天通气持续时间有边际效应（log rank P= 0.081)。

讨论

我们研究的主要发现是：（1）在 ICU 进行通气的 200 名 ARF 患者中，有 31% 的患者检测到呼吸摆动；(2)较高的GI指数和自主呼吸的存在是与摆动相关的独立因素；(3) 在 PaO2/FiO2比值低于 200 mmHg的患者中，呼吸摆动与更长的 14 天通气时间相关。

摆动呼吸的定义和流行

自 2013 年首次报道在患有急性肺损伤的麻醉猪和一名急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 患者中出现“隐匿性摆动”现象以来，EIT 越来越多地用于检测重症患者的摆动 。至少有两项研究试图通过基于 EIT 的策略定量评估经受摆动和在肺内移动的气体体积。科帕多罗等人将在全局呼气阶段从四个象限 ROI 增加的区域阻抗定义为呼吸摆动，反之亦然。他们报告了 20 名刚刚未能通过自主呼吸测试的患者的中位呼吸量为 3.3 (2.1, 8.8) mL。桑等介绍了一种通过比较所有像素 TIV 与全局 TIV 之和来检测摆幅的方法，并将其表示为百分比，其中摆幅的 1% 等于每 100 mL 潮气量中 1 mL 摆幅。后一种策略更接近于 Otis 等人提出的 呼吸摆动原始理论。并在我们的研究中被采用。根据 Otis 等人的说法，当相邻肺泡之间存在呼吸时间常数的异质性（顺应性 * 阻力）时，可能会发生摆动。由于肺内时间常数的异质性导致的时间偏移可以通过目前的 呼吸摆动评估来评估。另一方面，异质的时间常数也可能导致所谓的“区域通气延迟”：与全球相比，由于肺泡和/或气道塌陷而导致的异质区域膨胀，而在吸气结束时没有时间偏移。我们的计算没有捕捉到这种区域机械通气延迟。虽然 呼吸摆动的定义比较明确，但问题是，基于 EIT 的策略对检测到少量的 呼吸摆动非常敏感，可能没有病理意义，在没有潜在肺部疾病的健康成年人中。因此，我们调查了 30 名健康志愿者的摆动幅度，然后将第 95 个百分位，即 2.5% 作为阈值，仅在高于该百分位时才考虑发生有临床意义的摆动。基于该定义，我们首次能够报告在呼吸机的 ICU 合并 ARF 患者中的摆动发生率。

摆动呼吸的危险因素

呼吸时间常数不等式，也被解释为肺泡异质性，是呼吸摆动的基础。在本研究中，我们使用两个易于访问的参数来描述肺异质性。机械通气缺陷评分，这是半定量参数，用于描述四个象限 ROI 的气体分布不均匀的严重程度，范围从 0 到 6。得分越高，反映气体分布的更高异质性，与更大的振幅相关彭德卢夫特。另一个是 GI 指数 ，广用于评估肺复张、PEEP滴定和撤机过程。GI指数的计算是基于每个像素潮汐阻抗变化的偏差。较高的 GI 值表示较高程度的肺异质性。我们的研究认为 GI 指数是与呼吸摆动相关的独立因素。

机械通气过程中的自主呼吸努力可能会改善气体交换和肺通气，但过度努力也可能导致已受伤肺的胸内压分布不均匀，这被认为是引起呼吸摆动的另一种机制。以前的研究注意到，当应用神经肌肉阻滞剂时，ARDS 患者的呼吸摆动消失了，这支持了自发努力和 呼吸摆动之间的关联。在我们的研究人群中，有自主呼吸的患者更容易发生呼吸摆动，但没有直接评估呼吸努力。呼吸频率是反映呼吸努力的间接指标。在多变量回归后，呼吸摆动患者的比例更高，但没有统计学意义。相对较低的呼吸频率（在 75% 的自主呼吸患者中低于 21 个周期/分钟）可能会掩盖其效果。需要仔细监测自主呼吸努力（例如，P0.1、压力肌肉指数、呼气末闭塞期间压力的负偏转等）及其与摆动幅度的关联。还应该注意的是，零自发努力并不排除摆动的可能性，大约 21% 的 ARF 患者没有自主呼吸，动态计算机断层扫描在对轻度猪模型进行的实验研究中证明了这一点。

一些研究发现，应用较高的 PEEP可以缓解 ARDS 的摆动 。由于 呼吸摆动主要与肺异质性和动态胸膜压变化有关，较高的 PEEP可能通过神经机械解偶联降低自发努力的水平和减少肺不张，从而降低 呼吸摆动的幅度。这两种机制都促进更均匀的肺扩张。也存在相反的证据表明 PEEP对 呼吸摆动没有影响，但研究中的通气模式、基线 P/F 比和 呼吸摆动计算均与以往不同。因此，我们进行了亚组分析，发现在低氧人群和自主呼吸患者中，PEEP与摆动幅度之间存在显著负相关。研究之间的不同结果可以部分解释为疾病的严重程度和是否存在自主呼吸。

摆动呼吸的临床意义和预后

呼吸摆动有可能导致肺损伤，因为即使在保护性呼吸机设置下，它也会增加局部肺部压力并导致局部过度膨胀。以前的动物实验表明，呼吸摆动与潮汐募集有关，并且依赖于努力的肺损伤发生在呼吸摆动出现的同一区域。我们的研究首次揭示了在 APACHE II 评分和 PaO2/FiO2后 PaO2/FiO2比率低于200mmHg的 ICU 患者中，呼吸摆动与更长的机械通气时间相关比例进行了调整。呼吸摆动对通气持续时间的影响取决于 ARF 的严重程度，因为在轻度氧合受损中未观察到类似的影响。根据是否存在自主呼吸的亚组分析结果可能表明呼吸摆动在主动或被动条件下的不同临床影响（图 4）。我们认为，与中度至重度氧合受损患者的自发努力相关的 呼吸摆动可能是一种有害的通气模式，可能会延长通气持续时间，而被动条件下的 呼吸摆动可能仅暗示肺不均匀性，但没有直接证据表明肺损伤。

限制三次样条分析的结果表明，低于参考值 2.5% 的摆幅对机械通气成功中断的概率影响不明确，而高于阈值的摆幅较高与延长通气持续时间有关。用于预测临床结果的摆动幅度或体积的最佳阈值值得进一步研究。

我们还探讨了摆动幅度和通气比之间的关系，这是反映肺通气效率的变量。假设存在正相关，因为在肺内移动的摆动气体预计不会促进气体交换，可能导致通气效率降低。然而，我们的结果并不支持这一假设。呼吸摆动对机械通气效率的影响可能太弱或被混杂因素掩盖。

研究局限性

我们的研究有一些限制。首先，总体研究人群是异质的，有辅助通气和控制通气。受试者平均只有轻度至中度的氧合受损，这可能会削弱 呼吸摆动对临床结果的影响。这也是我们选择 14 天而不是 28 天无呼吸机作为主要机械通气相关结果的原因。其次，隔膜运动或胸腔积液产生的异相阻抗变化] 可能被误认为是呼吸摆动。由于肥胖或腹内压升高的患者常见膈肌向上移动，因此根据胸部 X 线或肺部超声检查结果，将电极带放置在这些患者的较高位置（第 3-4 肋间）以避免来自移动膜片的信号干扰。未来的 EIT 策略需要更新，以区分存在隔膜运动或胸腔积液的肺区域。第三，在某些情况下，呼吸管理可能受到 EIT 结果的影响，在评估 呼吸摆动对患者预后的影响时引入了潜在的偏差。

结论

总之，在 ICU 进行通气的单中心 ARF 患者中，有 31% 的患者发现了呼吸摆动。呼吸摆动更常发生在自主呼吸和肺异质性较高的病例中。它与 PaO2/FiO2比值低于200 mmHg 的患者的通气时间延长有关。未来应在严重缺氧的患者中研究摆动呼吸的具体机制以及临床应用。

---Chi et al. Annals of Intensive Care (2022) 12:22 https://doi.org/10.1186/s13613-022-00995-w