机械通气：由负向正再返回

翻译 上海市公共卫生临床中心 麻醉科 俞立奇

关键词

正压通气、负压通气、机械通气相关肺损伤、急性呼吸窘迫综合征

急性呼吸衰竭、呼吸生理、心肺交互作用

要点

从历史上看，最初的机械通气形式基本上是无创的，使用负压。

在过去30年中，无创正压通气扩大了适应症，在最近的新冠肺炎大流行期间大量使用。

潮气量的调整最初是基于预防手术过程中肺不张的需要。花了30多年的时间才证明重症监护室的潮气量经常过大。

呼气末正压的历史与成人（急性）呼吸窘迫综合征的监护史一样长，并且是持续的。

‍在脊髓灰质炎流行期间，“铁肺”是一种无创通气（NIV）。尽管挽救了许多生命，但“铁肺“仍有其局限性：它很笨重，接触患者的机会有限，治疗实质性肺病或清除分泌物的能力也很差。后来使用有创正压通气可以通过气管内导管直接进入下呼吸道，更有效地提供机械辅助。自20世纪50年代引入以来，正压通气成为机械通气（MV）的标准形式，通过气管插管或气管造口套管将患者连接到呼吸机上。由于正压通气的侵入性及其并发症，几十年后，新形式的NIV再次出现在重症监护室（ICU），如今，侵入性和非侵入性这两种技术都有各自的适应症。

‍回顾这段历史是很有用的，在本文中，我们将介绍MV交付的几个类似变化和替代愿景的例子，它们为我们随着时间的推移修改知识和信念的方式提供了一个有趣的视角。

历史沿革

Galen是一位希腊哲学家、作家和医生（公元129-公元216年），对人体功能有着明确但有限的理论，他将人类生理学描述为受四种体液（黑胆汁、黄胆汁、血和痰）的影响，这一点被接受了大约1300年。它需要一些勇敢的先驱来挑战教条，开启现代解剖学和生理学的历史。对动物和人体的解剖对于试图了解器官的功能至关重要，因此，这一新的解剖学知识有助于重塑生理学，同时挑战人们认为的真相。这些先驱包括Andreas Vesalius（1514–1564），他著名的解剖学课程表明，用气管中的管道吹入空气可以吹入肺部3（图1），以及Miguel Servet（1511–1553），他推断了肺循环的作用，观察到血液在肺循环中穿过肺部后混合了气体而变得粉红色。尽管Servet的观点最终被证明是正确的，但这一观点发表在神学著作《基督复训》中，他在书中还挑战了三位一体的教条，这使天主教徒和新教徒都反对他。‍‍他的著作在当时被认为是异端，随后他和他的大部分书一起被烧死在火刑柱上-1553年在日内瓦。几年后（1578-1657），William Harvey更完整地描述了肺循环。人工呼吸的概念需要等待更长的时间，主要是在18世纪至19世纪第一季度为治疗近溺水者而提出的，其中包括今天的一些人工体内通气技术或原理。有趣的是，Leroy d'E´tiolles1827年发表了一篇“令人震惊”的文章。强调气管内吹入气体对胸膜-肺的风险，这是对呼吸机诱导的肺损伤的前瞻性描述，并推荐改为外部手动方法。正压技术被放弃的部分原因是这些争论。1854年，Eugene Woillez描述了柜式人工呼吸器（Spirphore），这是未来铁肺的先驱。这种负压呼吸机是用风箱手动驱动的，并用颈环调节到身体的位置，但目前还没有发现报道过临床使用的记录。

‍图1: 最初的“Q”显示了猪的活体解剖实验和气管造口术，作者：Vesalius

铁肺

其他发明者使用了身体周围负压的原理（Alfred Jones博士在患者身上使用了原型），但直到1928年，哈佛大学的教员Phillip Drinker（1894–1972）和Louis Agassiz Shaw（1886–1940）才开发出第一个广泛使用的负压“呼吸装置”。风箱产生的压力低至60 cmH20，速率为每分钟10至40次呼吸。1931年，在一场关于专利的斗争之后，Emerson最终赢得了专利权，并在另一个版本中对铁肺进行了“改进”。

这些负压罐或“铁肺”在临床上用于患有脊髓灰质炎呼吸功能不全的患者，由于20世纪上半叶和20世纪50年代的慷慨捐赠（它们很昂贵），美国的几个中心配备了这些设备。它们很少用于没有小儿麻痹症的患者，体积大，护理繁琐，而且不能提供气道保护。在同一时期，正压呼吸机是为手术室的患者发明的，但不是常规使用的，并且被认为只对短期监护病人是安全的。

正压通气

哥本哈根小儿麻痹症流行期间，证明长期正压通气是一种安全有效的呼吸支持手段。从1952年7月开始，严重的脊髓灰质炎爆发，可能是因为一年前在这个城市举行了一次关于脊髓灰质炎的国际会议（医生和病人参加了今天被称为超级传播者的活动）。1952年夏天，在哥本哈根，数十名患者患有呼吸道脊髓灰质炎，死亡率极高。Blegdam传染病医院只有一个铁肺和6个胸甲呼吸器。麻醉医师Bjørn Ibsen曾在波士顿接受过一段时间的培训，他注意到患者在手术室进行气管造口术很容易通气，他建议对患者进行气管造口并手动通气。这是通过数百名医学生在床边的帮助下完成的。引人注目的是，在接下来的几周里，死亡率从87%下降到了30%，在Lassen（Blegdam医院的主任医师）公布结果后，正压通气随后成为呼吸衰竭管理的规范，由专人24小时/7天照顾患者。这就定义了即将被称为重症监护室的概念。不久之后，第一批用于血气测量的电极由Severinghaus（CO2）和Clark（O2）开发和描述，随后用于帮助调整通气参数。丹麦医生Claus Bang和瑞典麻醉医生Carl Gunnar Engstro¨m开发了一些首批高效机械通气机。正压呼吸机是在全球范围内设计的，如美国的Morch活塞式呼吸器和欧洲的Draeger Spiromat。紧随其后的是更灵活的呼吸机，如Bird Mark 7，所有这些呼吸机都提供不同形式的正压通气。Servo 900（Siemens Elema，Solna，Sweden）1972年在瑞典发明（由临床生理学家Bjorn Jonson和麻醉医师、外科医生和工程师），这是我们今天所了解的第一台带阀门的机械呼吸机，用于调节设定真正的呼气末正压（PEEP）。控制流量的“剪式”伺服阀允许引入新的通风模式，如压力控制通气和压力支持通气（PSV）。通气机变得越来越紧凑、对用户越来越友好、电子驱动，而主要基于气动系统的通气机也越来越少。这些设备使用了电磁伺服阀等精密阀门，并结合了多种通气模式和先进的监测功能。

心肺复苏期间的机械通气

Leroy d'Etiolles在1826年给法国科学院的《关于窒息的回忆录》中描述了直接向兔子气管内强行吹入对肺部的可怕影响，迅速导致兔子死亡，病变看起来像肺出血、胸闷、膈肌扩张和循环衰竭。他的结论是强烈反对使用插入气管的风箱来抢救人类，他对我们今天所说的高潮气量通气提出了强烈警告。

对于复苏术，下一个重要日期是1960年，当时发表了一篇关于胸外心脏按摩技术的描述，该技术是一种在心脏骤停期间保持循环的简单而革命性的方法。不久之后，Peter Safar及其同事证明，充分的复苏也需要正压通气，或者以口对口通气的形式，或者具有自充气袋或呼吸器。他们表明，在大多数情况下，尽管积极地压缩和减压胸部，但单靠胸外按压无法产生气体运动。他们首先指出，上呼吸道阻塞是没有气体交换的原因之一（把气道“A”放在复苏“ABC”中的首位）。然而，这种缺乏通气的情况也发生在插管的患者身上。直到最近（大约50年后），胸腔内气道关闭才被理解为导致通气障碍的病理生理现象。

重症监护室重新恢复使用无创通气

20世纪80年代末，新型NIV技术开始并行使用，既用于需要呼吸支持的慢性患者的家庭通气，也用于重症监护室的急性患者治疗。

家庭机械通气治疗慢性呼吸衰竭

传统上，家庭机械通气是通过气管造口术输送的，主要用于患有严重慢性限制性和不太常见的阻塞性呼吸系统疾病的患者，其长期生存率各不相同。20世纪80年代末，对这些患者生活质量的担忧促使人们测试和使用非侵入性技术，其中一些技术以前被认为只适用于有呼吸道后遗症的脊髓灰质炎患者。家庭NIV被逐步实施以改善对于那些需要气管造口术进行家庭通气患者的生活质量。后来，制造商投入了大量的技术努力来开发用于“漏气”通气的特定家用呼吸机，并提供舒适和适应性强的接口。人们认识到主要的睡眠障碍可能是由呼吸异常引起的，这也有助于广泛使用不同种类的家庭通气支持。因此，NIV逐渐成为家庭机械通气的护理标准，尤其是对患有限制性肺病的患者。

急性呼吸衰竭

在ICU引入气管内MV和正压通气后不久，就发现了这项技术的并发症。这些并发症引起了人们对MV“侵袭性”的担忧，并增加了在支持患者的同时避免实施这种技术的可能性。气管插管（ETI）和插管本身涉及大量并发症。有些与插管过程直接相关，如ETI时的心脏骤停，以及导致长期后遗症的喉或气管损伤。其他原因是气管插管绕过了上呼吸道屏障，为呼吸机相关肺炎的发生奠定了基础，这也带来了发病和死亡的风险。MV也需要镇静，这本身就是MV持续时间延长的原因。这些主要的安全考虑促使人们努力开发提供正压通气的非侵入性方法。因此，在家庭NIV发展的同时，临床医生在20世纪80年代末和90年代初开始对这项技术表现出极大的兴趣，以此作为在急症监护环境中避免ETI的一种方法。这一发展发生在ICU呼吸机上出现一种名为PSV的新型通气模式的时候。这种模式似乎提供了适应自主呼吸患者的灵活性。以一种相当好的同步方式输送具有减速流动力学剖面的压力的可能性是一个有趣的改进，提高了该技术的可接受性。

在急性呼吸衰竭患者中，NIV的主要目标是提供通气辅助，同时通过减少对侵入性MV的需求来降低不良事件的风险。从随机对照试验和荟萃分析、大型队列研究和病例对照研究中获得了令人信服的证据，证明NIV降低了感染并发症的风险，显示所有类型的医院感染都显著减少。NIV与患者管理的整体侵入性降低有关：与接受气管内MV的患者相比，未给予或处于低水平的镇静，并且较少或更短地使用中心静脉导管、导尿管和其他侵入性装置。支持使用NIV的另一个因素是，越来越多的患者不愿意接受ETI，或者由于潜在健康状况脆弱而被认为是气管内MV的不良候选者。通过推迟ETI，NIV还可以为医生、家人和患者提供一个机会窗口，让他们就治疗目标做出明智的决定。

慢性呼吸衰竭的急性加重

许多研究已经证明了面罩NIV应用于慢性阻塞性肺病（COPD）恶化的效用和益处。在20世纪90年代初，这是一项新的研究，生理学研究和随机临床试验都表明，由于患者呼吸努力的减少和肺泡通气的改善，可以避免插管，从而降低与急性加重相关的死亡率。界面的技术改进（口鼻面罩、全面罩和后来的头盔）（图2），以及提供NIV的呼吸机的技术进步，无论是在ICU呼吸机上使用专用NIV模式，还是使用基于涡轮机的专用便携式呼吸机提供所需的双水平气道正压。自2007年以来，全球慢性阻塞性肺病倡议(https://goldcopd.org/)基于其在这种临床情况下相当大的成功率（80%-85%），通过大量证据强化了NIV在治疗COPD恶化时的重要性（证据级别A）。2017年，一项Cochrane数据库综述观察到，与临床指示的包括氧气、药物和ETI在内的经典治疗相比，面罩NIV降低了死亡率，减少了插管的需要，治疗失败更少，临床改善更快，并减少了治疗并发症和住院时间。2017年的一次国际共识会议建议将面罩NIV-PSV视为COPD恶化患者的一线治疗方法，不同的国家指南都提倡这种做法。在对1998年至2008年美国700多万因COPD恶化入院的患者（其中8.1%需要呼吸支持）的分析中，随着时间的推移，NIV的使用量会增加（从入院人数的1.0%增加到4.5%），侵入性MV的使用量下降了42%（从入院的6.0%下降到3.5%）。在此期间，插管和住院死亡率下降，到2008年，NIV比侵入性MV更频繁地被用作该适应症的一线治疗。

图2: 用于无创通气的五种不同方式：口腔面罩、口腔全脸面罩、另一种口腔全脸面具、咬嘴式和最新的头盔

今天，慢性呼吸衰竭的流行病学已经发生了变化。许多患者因“无法鉴别的高碳酸血症性呼吸衰竭”在急诊科或重症监护室入院。肥胖已成为急性高碳酸血症发作的主要原因，有时是由于单纯的肥胖导致的通气不足，有时还伴有心力衰竭、气道疾病或慢性阻塞性肺病。在这些更为复杂的慢性呼吸衰竭组中，尽管可用的证据较少，现有数据表明至少与纯COPD患者一样，NIV可以有效防止随后的恶化和减少插管的需要。

低氧性呼吸衰竭与新冠肺炎

该技术的进步也使NIV的广泛应用成为可能，NIV开始用于其他适应症，如低氧性呼吸衰竭。在急性低氧血症性呼吸衰竭中，NIV的成功率通常中在等水平，长期使用NIV延迟插管的风险一直存在争议。2019年新冠肺炎大流行期间，低氧性呼吸衰竭患者使用侵袭性MV的情况有很大波动。在新冠肺炎诱导的急性呼吸窘迫综合征患者的初始波中，观察到ETI的发生率非常高，并且有一些强烈的信号表明，最初观察到的高插管率可能导致过多的患者接受侵入性MV，从而对患者造成伤害。NIV的使用越来越受欢迎，后来在疫情期间，包括随机临床试验（RCT）在内的许多研究表明，非侵入性技术（包括高流量经鼻给氧、NIV、持续气道正压通气CPAP和头盔NIV）可以成功用于预防ETI。最近在新冠肺炎大流行期间描述的这些结果证实了对非新冠肺炎患者先前研究的荟萃分析，即NIV技术现在有几种可能的适应症，可以预防急性低氧性呼吸衰竭患者插管。

心源性肺水肿

20世纪30年代，经口腔实施正压被证明可以改善患者的心源性肺水肿时出现呼吸困难。1936年，Poulton解释道：“循环系统引起的急性肺水肿是由于左右心室之间的不协调，因此每分钟输送到肺循环中的血液量没有完全通过左心室传递到系统循环中，从而导致肺循环充血和局部血压升高。”他表示，使用“肺部正压机”和面罩一起使用有利于缓解患者的症状，因为“在肺部的空气通道中提供压力，以对抗肺内血压的升高。”该设备是一个“倒置”的真空吸尘器（在使用前进行适当清洁，以避免产生灰尘）。他提到，最佳压力必须“以患者的感受为指导，通过试验确定”，他们还描述了在一些支气管哮喘病例中试用该机器的情况。

1991年，在一项随机试验中，39名接受常规氧气治疗或10 cm H2O面罩CPAP的患者才正式证明了在急性肺水肿期间使用正压治疗的疗效。正压通气组显示气体交换改善，呼吸频率降低，插管率降低。随后，将CPAP或NIV与标准疗法进行比较的其他随机试验发现了类似的益处。

成人（急性）呼吸窘迫综合征使用呼气末正压的快速报告

MV发展过程中的一个重要步骤是PEEP的使用。尽管PEEP的应用最早在20世纪30年代被描述，但它在20世纪60年代末才开始普遍用于治疗呼吸衰竭，这主要是由于成人（急性）呼吸窘迫综合征（ARDS）的发现。Ashbaugh及其同事在《柳叶刀》上发表的一篇开创性文章中描述了ARDS（这篇文章在发表前曾被3本杂志拒稿）。他们提到，为了防止因低氧血症造成迅速死亡，PEEP的使用提供了明显的益处（更准确地说，他们使用了他们在Engstrom呼吸机上发现的“呼气延迟旋钮”）。然而，在实施干预的50年里，尽管进行了一系列比较高PEEP与低PEEP的随机对照试验，但关于如何管理一般PEEP，特别是ARDS患者的PEEP，仍然难以达成明确的共识。

传统上，PEEP用于改善ARDS患者的氧合。Ashbaugh和同事们发现PEEP“非常有助于预防肺不张和对抗低氧血症”。然而，很快，人们就不清楚目标是否应该只是简单地为了避免致命的低氧血症或尽可能改善氧合并减少吸入的氧气浓度。后一种观点得到了早期观点的支持，即在使用呼吸机死亡的患者中观察到的部分肺损伤主要是氧中毒的结果。事实上，所谓的“呼吸机肺”，在尸检研究中看起来很像是高浓度氧气的毒性。在接下来的几年里，已经提出了基于最小FiO2或分流值的多个氧合目标。使用高PEEP也很快被认为会引起血液动力学改变。一些作者认为这是一种不可避免的副作用，很容易通过液体和血液动力学支持得到控制，而其他人则试图在气体交换和对心输出量的影响之间找到最佳平衡。Falke及其同事首先描述了肺力学、肺容量、气体交换和血液动力学之间的关系，这一概念后来由Suter及其同事在1972年得到了极好的阐述。这些作者表明，在被高PEEP水平降低之前，伴随呼吸系统顺应性的平行变化以及持续改善了PaO2，氧气的运输、氧含量和心输出量在增加PEEP时达到最大水平，即所谓的最佳水平。不久之后，还证明了被PEEP诱导的心输出量减少，本身就导致了更好的氧合。因此，通过PEEP滴定背后的理念找到了增加向组织输送氧气的最有效方法，并使用最佳替代品监测使其在床边变得可用且可行。滴定的目标是实现最佳的氧气输送，顺应性是PEEP滴定的最佳替代目标，但不幸的是，有多种方法可以滴定PEEP，并随后测量和解释顺应性。在研究PEEP的效果时，循环、氧合和氧气输送的这些基本相互作用已经逐渐被遗忘，部分原因是ICU中放弃了肺动脉导管（这是另一回事）。

滴定PEEP的另一种机械方法是使用压力-体积曲线来更好地了解大肺容量下肺力学的变化，并找到“物理”重新打开肺的最佳压力。这项技术也是第一个量化肺复张的机械描述。重新打开肺似乎是更好的气体交换所必需的，也许也是为了通过对抗反复打开和关闭肺泡的不良后果来帮助治愈这种疾病。随后，由于实验研究表明，过度膨胀引起的肺损伤风险的证据变得更加明显，因此，在临床实践中，认为需要避免达到出现过度膨胀的曲线的上部，这有助于减少潮气量。此后，有人提出了许多不同的策略来滴定PEEP，以避免再复张/去复张，但低氧血症仍然是PEEP滴定最常见的临床目标，因为它被认为是床边可用的最简单的监测替代品。此外，治疗低氧血症在很大程度上被错误地认为是该疾病的治愈方法。尽管低PEEP与高PEEP的随机对照试验在设计和临床结果上存在差异，但是没有证明单独测试PEEP时死亡率降低。一个可能的原因可能是在这些研究中缺乏PEEP滴定的个体化。事实上，增加PEEP的效果因肺可复张性的潜力而异，研究表明，ARDS患者的肺可复张性差异很大。因此，患者之间的收益/风险平衡可能会因其个体的可复张潜力而显著不同。我们可能还没有结束PEEP治疗ARDS的故事。

潮气量

1963年，Bendixen及其同事发表了一项非常有影响力的研究，探讨了通气模式本身是否会影响麻醉和手术期间的氧合。在18名患者中，他们可以显示在手术麻醉期间应用低通气时氧合是如何急剧下降的。他们的研究结果支持了这样一种假设，即进行性机械性肺不张通过在肺不张区域分流导致动脉血液的静脉混合增加。过度膨胀后氧分压下降的可逆性进一步说明了这一点。这些令人信服的数据不仅用于在手术室设置呼吸机，而且用于在重症监护室快速设置呼吸机，特别是因为氧合被视为ARDS患者的主要问题。因此，多年来，使用高达20mL/kg的潮气量对ARDS患者进行通气以尝试达到正常血气的情况并不少见。

Webb和Tierney在1974年进行的实验研究，以及后来由Dreyfuss和Saumon等人在1990年代进行的一系列启发性实验证明了过大的潮气量对肺部产生的直接损伤（回到Leroy d E'tiolles的观点）。由于这一强有力的实验证据和对患者的生理观察，1993年，由AS Slutsky主持的一次共识会议首次提到，“肺泡过度扩张可能导致肺泡损伤或空气泄漏（气压创伤），如有必要，应采取措施防止肺泡（或跨肺）压力过大。虽然认识到呼吸机引起肺损伤的原因是多因素的，但共识委员会普遍认为吸气末闭塞压（即平台压）在临床最适用于估计平均肺泡峰值压力。共识委员会中的许多人认为，对大多数患者来说，高平台压力（>35 cm H2O）可能比高FiO2值更有害。”在Pepe和Marini对内源性PEEP的开创性研究之后，Darioli和Perret于1984年为严重哮喘患者提出了有限潮气量以达到最小化压力并接受高碳酸血症的方法，Tuxen和Lane于1987年为阻塞性肺病患者提出了这种方法。Hickling于1990年首次提出ARDS允许性高碳酸血症的概念。然而，直到2000年，ARDS网络的一项临床试验ARMA研究才有力地证明了潮气量过大造成的危害。此后，预测体重的6 mL/kg的潮气量在很大程度上被接受为默认值。后来，有证据表明，驱动压力是呼吸机诱导的肺损伤风险的最佳简单指标，这引发了关于调整潮气量以适应这种测量而不是使用一个尺寸来衡量所有尺寸的新讨论。再一次，这个故事还没有得出明确的结论。

总结

回顾MV的历史告诉我们两件事：（1）自现代急性呼吸衰竭的管理理念诞生以来，我们在相对较短的时间内取得了巨大进步；（2） 事情经常朝着相反的方向变化，我们需要继续保持对新概念的开放，并以谦逊的态度考虑我们目前的知识。

临床监护要点

历史告诉我们，我们对病理生理学的看法不断演变，这具有重要的临床意义。

我们的主要推理是基于生理学证据，但需要实验和临床证实。

MV的一些主要适应是通过风险较小或危害较小的方法（插管并发症较少，血液动力学影响较小，通气造成的伤害较小）来证明的，但需要仔细考虑新方法的权衡和后果。

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