“婴儿肺”变成了成年人
翻译 上海市公共卫生临床中心 麻醉科 俞立奇
关键信息
婴儿肺最初被定义为尽管充气良好的婴儿肺至少有一部分发生了炎症,但仍能保持正常充气并具有接近正常机械特性的肺实质部分。婴儿肺不是一个解剖学实体,而是一个随着俯卧位和PEEP应用而改变尺寸和位置的功能实体。应特别注意在机械通气和自主呼吸期间制定通气安全的一般原则。
概述
婴儿肺最初被定义为在急性呼吸窘迫综合征(ARDS)中仍保持正常充气的肺实质部分。其大小显然取决于ARDS的严重程度,并与呼吸系统的顺应性有关。二氧化碳清除和血氧合主要发生在婴儿肺。虽然特定的顺应性表明内在的机械特性几乎正常,但PET-CT扫描的证据表明,充气良好的婴儿肺至少有一部分是发炎的。婴儿肺与其说是解剖学概念,不如说是一个功能概念;事实上,在俯卧的姿势下,婴儿的肺从腹侧肺区域向背侧肺区域“移位”,同时通常增大其体积大小。这些改变与更好的气体交换,更均匀分布的跨肺压,以及生存优势有关。呼气末正压也会增加婴儿肺的大小,既可以更好地膨胀已经打开的肺单位,又可以增加新的肺复张单位。潮气量和平台压力被视为应变和应力的替代指标,与按照理想体重设定通气参数相比,它们更适合用于设定婴儿肺的参数。尽管在自主呼吸过程中可获得的关于婴儿肺的信息较少,但规范通气安全性的一般原则也适用于这些条件。
关键词
ARDS、婴儿肺、跨肺压、俯卧位、应力和应变
前言
多种疾病可能会产生急性呼吸窘迫综合征(ARDS)。相关症状包括气体交换受损、肺顺应性下降、肺重量增加和肺实质广泛受累。无论ARDS的原因是什么,对症治疗都是强制性的,以争取时间来解决潜在的过程,如肺炎或败血症。如果在两个区域对ARDS肺进行建模,机械通气可能造成的危害就可以通过模型来理解,其中一个区域几乎正常,尺寸与健康婴儿相似(图1)。ARDS中描述的机械特性是造成了这种“婴儿肺”的容量有限的主要原因。第二个区域,发生了实变和塌陷,是氧合损伤的主要原因。这个概念经过几十年的演变:婴儿肺,并不是解剖学上的现实存在,而是变成了一种功能状态。正如我们在本文中所探寻的,可以根据婴儿肺模型考虑与俯卧位、呼气末正压(PEEP)、应力和应变以及自主呼吸有关的研究。
图1 :ARDS患者的代表性CT扫描图像显示,ARDS肺部表述为在一个几乎正常的区域(具有与健康婴儿相似的尺寸)和一个无气体区域的模型
婴儿肺:解剖特征
“婴儿肺”的概念源于对ARDS患者首次CT扫描图像的观察,该图像显示高密度区域优先分布在重力依赖性肺区域,而非依赖性肺相对较少。这一观点与后前位X影像得出的普遍观点形成了鲜明对比,即ARDS均匀地累及整个肺实质。CT扫描的定量分析(见图2)表明,ARDS肺的病理解剖结构分布不均匀,是由完全没有空气的区域和正常(或几乎正常)通气的区域组成。只有一小部分肺是通气的,而这个小(婴儿)肺必须满足成人身体的生理需求。
图2 :ARDS患者(黑条)和正常受试者(灰条)的CT值频数分布作为CT值分布的函数。对角线图案条表示ARDS患者的婴儿肺。显示了肺过度膨胀、正常、不良和未膨胀的区域(垂直虚线)
从数量上讲,婴儿肺包括介于-900和-500 Hounsfield单位(HU)之间的像素,这些像素值描述了像素的密度,其中-900表示90%的气体和10%组织,-500表示50%的气体和50%的组织。在正常肺中,包括在该像素区间中(充气良好的组织)对应于约600–700g的重量,而在ARDS中,它们可能占该值的1/3甚至1/5。CT扫描的定量分析提供了一个强大的工具,可以将体内解剖结构与ARDS定义中通常测量的生理变量进行比较。最重要的发现是,ARDS中充气的肺不是僵硬的,而是小的,具有接近正常的内在机械特性。呼吸系统顺应性与剩余健康(“婴儿”)肺的比例(表示为预期健康肺容量的一部分)约为1:1,即20 mL/cmH2O顺应性大致对应于20%的开放通气肺,50 mL/cmH2O对应50%等等。婴儿肺和气体交换之间的关系提供了进一步深入了解ARDS血流分布的视野,表明缺氧性血管收缩在ARDS肺中仍然非常活跃。
婴儿肺和炎症
尽管婴儿肺的特异性顺应性几乎正常,但CT扫描的区域定量分析显示,过多的组织团块,至少在严重ARDS中,在非重力依赖性和依赖性区域都存在,这表明重力依赖性高密度主要代表由于肺重量增加造成的肺不张,气体被从重力依赖最严重的肺单位中被挤出。那么,问题来了:如果婴儿肺的实质在机械特性上正常,是发炎还是单纯水肿?
正电子发射断层扫描(PET)可以提供答案,它有助于通过成像和定量方法探索肺组织的不同性质和功能(图3)。事实上,PET可以通过测量镓-68转铁蛋白的血浆逃逸率来评估肺局部血管通透性。通过这项技术,已经表明在ARDS、大叶性肺炎和急性心源性肺水肿期间,血管外肺水会广泛增加。一项研究表明,在ARDS中,不仅非通气区域,婴儿肺区域也具有组织炎症的特征之一:内皮-上皮屏障通透性增加。组织密度和血管外肺水都沿着垂直重力梯度增加,在不同的情况下,增加的渗透率均匀分布在整个ARDS肺中,在所有等重力区域异常增高。
PET还允许使用氟-18脱氧葡萄糖(18-FDG)来研究炎症的区域分布,18-FDG是葡萄糖的类似物,根据不同细胞的代谢活性成比例地被摄取。在炎症过程中,几种细胞类型可以有效摄取18-FDG,包括巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和肺泡细胞,主要由中性粒细胞摄取。在几项动物研究中,含有18-FDG的PET已被证明其与各种类型的肺损伤(包括侵入性通气)引起的炎症浸润的存在密切相关。
该工具应用于接受PET-CT联合扫描的ARDS患者。在所有患者中,与对照组相比,肺部的炎症活性增加(平均7倍)。在这种情况下,婴儿肺也表现出比对照组更大的活性,在某些情况下,甚至比塌陷的、不通气的肺更大的活性。与之前的研究不同,18-FDG的摄取没有通过相应区域的组织分数进行统一化,因为如果组织分数的增加是由水肿引起的(ARDS病例中的情况很可能如此),这将导致18-FDG信号的过度校正。然而,研究中仅直接比较密度相似的组织,从而避免了进行密度校正的需要。随后的一项研究调查了机械通气与婴儿肺炎症活动之间的关系。正常充气组织(婴儿肺)中18-FDG的摄取与平台压力(平台压力值在26–27 cmH2O以上急剧增加)以及相同区域的潮气量与呼气末肺容量之比密切相关。这些数据表明,应力和应变在通气婴儿肺区域的炎症中起着致病作用。然而,最近的一项CT-PET研究表明,婴儿肺的炎症主要是ARDS严重程度的函数。与轻度ARDS的婴儿肺不同,在严重ARDS中,没有任何区域能幸免于炎症反应。
图3 :来自两名急性呼吸窘迫综合征患者的CT扫描(在平均气道压力下)和18-氟-2-脱氧葡萄糖(18FDG)PET-CT扫描的代表性图像。PET图像表示18-FDG摄取,色标表示放射性浓度。a 18FDG的分布与CT上检测到的阴影相似。b在正常充气区域(正方形1)可以观察到强烈的18-FDG摄取,而在两肺的背侧“未充气”区域(正方形2)活性较低。
增加婴儿肺的体积大小
俯卧位
一开始,婴儿的肺被认为是一个解剖学上定义明确的实体,有一个空间位置(非重力依赖性)并且具有正常的肺固有机械特性的定义。然而,当通过俯卧位(PP)的CT扫描研究ARDS肺时,密度似乎从背侧肺区域重新分布到腹侧肺区域,从而产生了“海绵模型”的概念。因此,婴儿肺不再被认为是一个解剖实体,而是一个功能实体,这可能会随着PP和/或PEEP的应用而迅速改变其位置和/或尺寸(图4)。
图4 :通过俯卧位(a,b)和通过将PEEP从5 cmH2O(c)增加到15 cmH2O(d)来增加婴儿肺体积的示例。注意,通常情况下,俯卧位的复张是从背侧到腹侧,通过压力增加的复张是从腹侧到背侧。
婴儿肺的区域力学
前胸壁区域比后胸壁区域更灵活。因此,假设俯卧位增加了总的胸壁弹性,这种变化会影响跨肺压,并降低决定绝对肺容量及其位置分布的压力梯度。俯卧位对跨肺压的更均匀分布有助于建立和维持相应位置的复张(图5)。俯卧位减轻了仰卧位心脏下方为了支撑肺组织而对心脏的压迫,并可能在心脏向腹侧移动至依赖位置时改善淋巴引流。这些变化有助于解释俯卧位改善分流的原因,并有助于解决静水压性水肿。
然而,翻身后发生的复张既不能完全解释与俯卧位相关的氧合改善,也不能完全解释呼吸机诱导的肺损伤(VILI)倾向的降低。建立更均匀的肺泡扩张改善了急性损伤的肺的通气/灌注比率。俯卧位在大多数情况下有利于氧合,在少数患者中有助于提高通气效率。因为灌注分布仅通过体位倒置发生了改善,通气分布状态的改变似乎更为重要。解决区域肺泡扩张的差异也可能有助于防止区域过度扩张和血流从膨胀到塌陷的不适当重新定向。后一种现象往往发生在仰卧位提高PEEP和平均气道压力时。右心室后负荷可能受益于减少过度扩张、改善的氧合和血管床的补充。
图5 :仰卧位(菱形)俯卧位(圆形)时,气体与组织的比例与肺“高度”的函数关系。开放符号表示14名患者的正常肺,填充符号表示20名ARDS患者的肺。高度=0是指仰卧位的腹面和俯卧位的背面。高度比例方向是从非重力依赖区(0)到重力依赖区(100)。
俯卧位和呼吸机相关肺损伤
呼吸机诱导的肺损伤是由反复施加高机械力引起的,这些力要么直接撕裂脆弱的组织,要么引发最终导致炎症变化的信号。开放和闭合(或解剖学上不可膨胀)组织之间的界面处的应力增加,这些应力集中点(以及VILI)在重力依赖区占主导地位。这些相同的单元受到肺泡空间随着机械通气打开和关闭造成表面活性物质耗尽的影响,并受到超过持续打开的肺单元所经历的剪切力的影响。俯卧位过程中出现的复张扩大了婴儿的肺部,减少了高应力集中点的数量,预示着改变体位会带来好处。通过减少开放和闭合单元之间的界面数量,以及通过调节跨肺压,可以减少机械张力(有效肺泡驱动压力)的区域变化,尤其是在背侧区域。最后,呼吸道生物液体和分泌物可能直接抑制表面活性物质的活力或产生,阻碍肺泡的开放,或易患肺部感染。俯卧位可以改善气道引流、区域力学和血管充盈。也许部分原因是,不良通气模式引起的出血性肺水肿和炎症会受到体位的不同影响。在健康的犬肺和被输注油酸制造预先损伤的犬肺中,俯卧可以减少背部出血、水肿和炎症,而在这两种体位上,非重力依赖区相对较少。
除了减轻区域性跨肺压差异外,俯卧位还通过提高P/F比来提供次要益处,从而减少对潜在医源性干预的需求。俯卧位改善氧合可以降低FiO2、平均气道压力和肺血管阻力,从而降低机械应力和/或右心室后负荷损伤的风险。
肺复张
不通气和通气不良肺的数量主要决定了ARDS中观察到的气体交换损伤。PEEP的使用使得新复张的肺和以前没有通气的肺区域保持开放,从而扩大婴儿肺体积并改善氧合。有学者通过使用呼吸系统的压力-容积曲线和CT扫描方法评估了PEEP对肺泡复张的影响。无论复张效果是如何测量的,一个重要的概念是,复张过程发生在整个吸气过程中,其遵循呼吸系统的压力-容积关系。因此,PEEP可以保持开放的是之前吸气打开的组织。换言之,如果上一次吸气末压力较低,则在给定PEEP下获得的复张较少。这一发现支持了小潮气量通气造成的肺去复张可以通过增加PEEP来逆转这一理论。
CT扫描表明,当PEEP增加时,肺泡闭合的量减少。当PEEP水平高于10-15cm H2O,吸气末平台气道压力(Pplat)高于30cm H2O时,潮气循环期间组织重新开放和塌陷的量最小,VT在依赖和非依赖区域之间更均匀地重新分布。
在一系列关于ARDS患者的研究中,Puybasset及其同事对呼气末零压和PEEP 10 cmH2O下的肺部CT扫描、气体交换、血液动力学和力学进行了广泛的测量。根据密度的CT扫描分布,他们描述了三种类型的模式:肺叶型、弥漫型和斑片状。与肺叶型相比,弥漫型患者的功能残余容量显著较低,非充气肺容量显著较高。弥漫型与肺叶型密度模式、较低的PaO2/FiO2和较少的肺通气比例,决定了患者具有较高的死亡率风险。在肺叶型患者中,PEEP10 cmH2O的非充气肺的减少几乎可以忽略不计(减少82 mL),而在弥漫型患者影像中观察到非充气肺最大的减少(减少383 mL)。
PEEP对复张能力的总体影响是复杂的。根据CT扫描分析,气道压力高达45cmH2O的急性肺损伤/ARDS患者的潜在可复张肺的百分比变化很大。即使在45cmH2O下,约有24%的肺也无法复张,PEEP 5-15cm HO引起的肺复张与潜在可复张的肺的百分比密切相关。有趣的是,具有高百分比的潜在可复张肺的患者的死亡率高于具有低百分比的患者。肺复张能力随着病情的严重程度而提高,低压下的婴儿肺越小,PEEP增加时其相对增加就越大。Caironi及其同事的进一步分析表明,在潜在可复张肺百分比较高的患者中,将PEEP从5提高到15显著减少了打开-关闭肺组织的数量,但PEEP对潜在可复张肺部百分比较低的患者没有产生任何影响。死亡率与VILI决定因素之间的相关性分析表明,打开-关闭的次数与死亡风险的增加独立相关。最近的一项研究表明,在ARDS患者的不同床边PEEP选择方法中,基于氧合标准的方法与肺部可复张性关系最密切。总之,这些数据表明,高PEEP水平应用于更严重的ARDS,但不应用于潜在可复张肺部百分比较低的患者。换言之,低压下的婴儿肺越小,应用的PEEP就越大。
最近,Cressoni等人研究表明,ARDS的严重程度越大,肺部的不均匀性就越大。这种不均匀性主要分布在CT密度高和正常的肺部区域之间的交界处,即婴儿肺部的“边界区”,如PET所示,死亡患者的边界区数量比幸存者多,并且总是发生炎症。作者提出,肺部的不均匀性起到了应力升高的作用,他们计算出这些区域暴露在几乎是跨肺压两倍的应力下。这种机制(压力升高)会进一步放大VILI。有趣的是,不均匀性的程度与通气不良的肺组织的比例有关,并且当PEEP增加时,不均匀度降低。
是否有临床数据表明哪种PEEP水平对ARDS最合适?在ExPress研究中,与低VT和中等PEEP相比,使用低VT和高PEEP(约15 cmH2O,单独滴定至28-30 cmH2O的Pplat)往往会增加急性肺损伤患者的死亡率。相反,低VT/高PEEP策略降低了病情较重的ARDS患者的死亡率。对随机PEEP试验的二次事后分析进一步支持在严重ARDS患者中选择性使用高PEEP水平,即那些具有更小的婴儿肺的患者。我们对PEEP对婴儿肺影响的理解正在成熟。新的临床挑战是确定基于合理的生理和形态学原理的PEEP滴定策略(可以在床边方便地使用死腔或驱动压等测量值)是否能改善ARDS的结果。
婴儿肺与机械通气潮气量与平台压
在临床实践中,潮气量根据患者的身高(VT/IBW)预测为患者理想体重(IBW),以避免肺间质应力过度。相对较高的潮气量,量化为12 mL/kg IBW或更大,会导致体积变小的ARDS肺的非生理性应变。反过来,过度应变通过机械力转导导致局部炎症和炎性细胞因子增加,这可能导致死亡率增加。将有害的潮气量减半可能会降低死亡率,但易导致二氧化碳滞留(允许性高碳酸血症),中度高碳酸血症时病人通常耐受性良好,甚至可能有益。几项临床研究分析了VT/IBW值较低与较高的影响。这些研究测试了不同的潮气量,只有ARDS-Network研究比较了861名患者的两个极值(6与12 mL/kg),显示低VT组的死亡率显著降低(31%与40%)。尽管其他研究在测试6-12 mL/kg区间内的中等VT值时没有发现任何显著的死亡率降低,低VT通气(6ml/kIBW通气)已被学术界广泛接受。然而,即使潮气量低至6ml/kg,肺的过度膨胀也被描述出现在非重力依赖性肺组织中。尽管理想(或预测)体重被认为是比测量体重更好的替代标志物,以调整肺部大小的变化,但很明显,这种方法在ARDS中的效果并不理想。在理想体重为70公斤的男性中,根据ARDS的严重程度,可充气的肺体积,即婴儿肺,可能在200至300毫升至1000毫升以上的范围内。参考婴儿肺的气体体积而不是体重在生理上更合适,因为它更好地反映了通气过程中的变形(应变)。事实上,应变被定义为婴儿肺的潮气量和基线气体量之间的比率。在上面的例子中,由6ml/kg IBW的潮气量引起的应变估计的范围在2.1和0.42之间,在动物研究中发现,该值分别是致命的(即导致死亡)和无害的(没有任何伤害)。因此更安全的机械通气策略应考虑婴儿肺的大小而不是体重。最近,一项针对3562名ARDS患者的事后分析纳入了9项先前报道的随机试验,比较了标准化为估计肺顺应性(驱动压力)的潮气量与标准化为理想体重的潮气量的相对预测能力。前者的表现要好得多,这表明在调整潮气量以防止过度应力时,顺从性(婴儿肺体积的相关指标)比理想体重更好。
在考虑应力时,也可以采用相同的推理方式,即在肺结构内产生的压力,以抵消施加的跨肺压。因此,压力等于跨肺压(符号相反)。广泛接受的应力替代指标是气道平台压力,30 cmH2O是建议的极限。对跨肺压(PL)和气道压力(PAw)关系的简单分析表明,这一建议值得怀疑。事实上,由于胸壁弹性(Ew)与呼吸系统弹性(Egs)的比率不同,相同的PAw与宽范围的PL相关。
ARDS-Network的事后分析无法确定ALI/ARDS患者平台压力的安全上限,因为数值甚至低于30 cmH2O可能会导致肺损伤。这些数据表明,在30 cmH2O时,婴儿肺可能非常接近其总肺活量,也可能远小于它。根据胸壁弹性,与30 cmH2O相关的跨肺压估计在28和8 cmH2O之间变化。在动物研究中,这些水平分别是致命的或无害的。
婴儿肺与自主呼吸
尽管对婴儿肺概念的认识鼓励了呼吸机管理的显著改进,但在患者进行呼吸努力时,如在无创通气支持期间以及在ARDS早期允许一些自发呼吸活动时,并不总是遵循相同的推理。
理论上,在给定的跨肺压下,婴儿肺的大小应该是相同的,无论是由正压、负压(以及呼吸肌)还是两者的组合产生的。这一原理的有效性在VILI的早期动物模型中得到了证明。然而,在自主呼吸过程中,胸膜负压波动将与受控机械通气过程中产生不同的血管效应,导致更高的心脏和肺循环充盈压。这种血管充血可能会增加VILI的风险。此外,食管压力的测量可能很难反映区域胸膜和跨肺压的分布。在膈肌和其他附属肌肉的作用下,区域胸膜压力的分布可能比控制通气时更广泛,在控制通气中,胸膜压力的梯度主要由重力决定。扩张压力的局部变化可能有助于解释在自发呼吸过程中损伤肺区域中观察到的Pendelluft现象(即呼吸周期期间通气的区域重新分布)。在这种情况下,VILI的风险可能很难通过整体跨肺压来反映。
实验室与临床数据
严重酸中毒引起的持续过度换气可能导致实验动物发生急性肺损伤。然而,在实验模型中,根据肺损伤的严重程度,允许自主呼吸似乎会产生不同的后果。在严重肺损伤的情况下,自主呼吸似乎会加重损伤,而轻-中度损伤的情况可能会相反。这些差异可能反映了自发通气过程中与高局部扩张压力和跨血管压力的增加有关的跨肺压和潮气量的增加。之后进行了一系列临床研究,一项多中心试验证实,强烈建议给予神经肌肉阻滞剂以减少炎症生物标志物的水平,并提高ARDS患者的生存率。神经肌肉阻滞剂也是第一种显示出显著降低气胸发生率的治疗方法(11.7%对4.0%)。值得注意的是,即使是关于低潮气量的开创性研究也没有显示气压伤的任何减少。这些结果似乎主要是由PaO2/FiO2等于或低于120mmHg的患者的数据确定的。尽管这些结果尚不完全清楚,但它们表明,如上所述,自主呼吸可能会对局部扩张压力产生负面影响,原因是高通气驱动导致的不同步,如呼吸叠加和双循环呼吸或反向触发。在这种情况下,临床医生应该仔细监测患者呼吸机同步的结果,包括由此产生的潮气量和跨肺压。临床医生必须意识到容量控制和压力控制通气在跨肺压和患者舒适度方面的生理差异。在这种情况下,使用非同步压力-目标模式可能提供了一个有趣的折衷方案,有助于保持一些自发的呼吸活动并保持风险最小。
无创机械通气
在未插管的患者中,衡量肺损伤的严重程度始终存在问题,因为呼吸力学很难通过测量而评估。肺损伤患者经常尝试无创通气来避免插管,并取得了不同程度的成功。最近,另一种无创通气支持技术,即高流量加热和加湿经鼻给氧,已在主要由严重感染性肺炎引起的急性低氧血症性呼吸衰竭患者中进行了测试。与传统面罩治疗的患者相比,PaO2/FiO2等于或低于200毫米汞柱的患者需要插管的可能性较低。总体来说,接受高流量经鼻给氧治疗的患者住院率较低,90天死亡率较低。如此惊人的结果显然需要证实。然而,解释这种简单且耐受性良好的技术对生存的益处的一种可能性可能是由于解剖死腔的冲刷而减少了通气需求。尽管没有明确证明,但可以想象,较小的作用与婴儿肺的潮气量和/或分钟通气量(由于死腔冲洗或舒适度的提高)可以解释观察到的死亡率下降。
结论
婴儿肺的大小决定了组织顺应性,并直接决定ARDS肺的机械性能。因此,对于给定的潮气量,应力和应变与婴儿肺的大小有关。俯卧位和PEEP可能会严重影响婴儿肺部的机械均匀性和体积等物理特性。这两种操作的积极效果似乎与婴儿肺的大小呈反比。尽管没有得到很好的记录,但当进行自主呼吸时,这些相同的规则可能会适用。婴儿肺的概念可能有助于理解和实施ARDS不同阶段的安全机械通气或自主呼吸。
原文地址:Intensive Care Med (2016) 42:663–673
DOI 10.1007/s00134-015-4200-8
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