肺的应力/应变和能量负荷:用工程学概念理解呼吸机相关性肺损伤

肺的应力/应变和能量负荷：

用工程学概念理解呼吸机相关性肺损伤

重症行者翻译组  朱熠冰

摘要

近期的研究显示，尽管应用了小潮气量肺保护性通气策略，ARDS的病死率在这15年间并没有显著下降，一直为40%左右。寻找新的通气策略来实现肺保护和降低病死率是非常必要的。Protti的团队给健康小猪通气54小时，用工程学概念分析机械通气对肺的影响，评估机械通气导致的动态及静态肺应变和能量负荷。应变系指在应力作用下的肺容积改变，即潮气量。这项研究提出了许多新概念：1.呼吸机相关性肺损伤（VILI）并不取决于某一呼吸机参数本身（如平台压），而是几个相关参数的共同作用下，过度的动态应变和能量负荷导致了VILI。2.动态应变产生动态的能量负荷，即动能。静态应变产生的是势能。动能对肺组织的损伤更大。3.不只是潮气量本身重要，肺的总容积也很重要。提出这一点是因为，目前的肺保护性通气策略首要强调小潮气量。而事实上如果健肺膨胀充分，大潮气量未必有害。综上，用工程学概念理解机械通气对肺的影响是分析VILI的新手段，有助于寻求更优化的通气策略。在VILI机制和肺保护方面，我们的实验所得出的数据已对现有的观点提出了挑战。

“钻穿思维惯性之岩，生命之泉将喷薄而出。”——Alexis Carrel

背景

Webb和Tierney阐释了机械通气导致ARDS病人肺损伤加重的机制，在于过高的通气压力导致了肺水肿，且认为PEEP有助于肺保护和预防肺水肿。目前普遍认为，VILI的机制是肺泡过度膨胀（容积伤），肺泡随呼吸塌陷和复张（剪切伤），以及机械损伤继发的炎症反应（生物伤）。许多研究采用不同的参数设置策略来预防VILI，一些研究显示能够降低病死率。但是近期的回顾显示ARDS的病死率并没有变化（约为40%）。尽管ARDS的病死率存在争议，我们仍亟需“钻穿思维惯性之岩”，寻求新的策略来降低ARDS病死率。

1992年Burkhard提出最佳的肺保护策略是“打开萎陷的肺泡并保持肺开放”。他提出ARDS病理改变即肺的不均一性，是导致机械通气加重肺损伤的主要原因。打开萎陷的肺泡，就可以改善肺的不均一性，从而减少VILI的发生和降低病死率。如果这一策略可以显著减轻肺损伤，那么在ARDS发生之前就应该实施肺保护性通气策略，使得“肺泡萎陷尚未发生”，从而降低ARDS发病率。

正文

Gattinoni的团队引入工程学的概念，来解释机械通气对正常肺组织的影响，寻求预防肺损伤的措施以降低ARDS发病率。Protti最近的研究旨在寻找导致VILI发生的肺容积阈值，以及探究PEEP对健康小猪是否有直接或间接的肺保护作用。与其他探究潮气量、平台压、PEEP与VILI关系的实验不同，Protti通过以下两方面分析VILI的发生机制：1.总应变（动态和静态应变）；2.能量负荷（动态和静态），在最大吸气末肺容积的范围内。应变是对应力的反应，对于肺来说表现为潮气量和PEEP。总应变是潮气量加PEEP维持的容积。动态应变指功能残气量之上潮气量引起的肺容积改变，静态应变指功能残气量之上PEEP维持的容积。总的能量负荷包括PEEP产生的静态应变（势能），和周期性施加的驱动压及其产生的潮气量（动能）。

讨论

Protti的研究中，实验小猪机械通气54小时，根据不同的动态及静态应变和能量负荷的分为三组，阈下组、阈中组和阈上组。判断VILI的指标为出现肺水肿或死亡。VILI会出现急性症状如肺破裂、气胸，或相对较慢的进行性加重的肺水肿。在阈下组，没有死亡或肺水肿发生，只发生了轻度的氧合和顺应性下降，所以阈下组中任何通气策略都没有引发VILI。在阈中组，动态应变增高时肺水肿程度增加，伴有气体交换功能的下降、肺损伤，及54%的实验小猪死亡。阈上组66%的实验小猪在未发生肺水肿之前死于严重气胸。在阈上组，相同潮气量下PEEP增加死亡率。

这项研究提出了一个新的概念来解释呼吸机参数（气道压、容积、流量、频率）如何损伤或保护肺组织，这或将阐明VILI的发生机制。呼吸机施加给肺以应力，肺的反应是其应变。实验结果显示如果应力足够大，应变超过肺容积极限，会发生应力破坏（如气胸）。而在解剖极限范围内，动态应变是导致VILI的主要机制。过度的能量负荷导致了VILI，能量负荷包含了所有的呼吸参数。

Protti的研究提出了重要的概念，关于理解VILI的机制，包括：

1.单一的呼吸参数（潮气量或平台压）不会直接导致VILI，是这些相关参数联合作用下，过度的动态应变和能量负荷，导致了VILI。

2.改变某一呼吸参数本身并没有肺保护作用（如降低潮气量或平台压），除非这一改变能够相应地降低动态应变和能量负荷。

3.如果没有超过肺容积极限，应力破坏不会发生。超越了容积极限，会发生应力破坏，即出现肺破裂。在肺容积极限范围内，动态应力比静态应力危害更大。

4.应变分为动态应变和静态应变。动态应变产生动态能量负荷（动能），静态应变产生静态能量负荷（势能），动能对肺组织损伤更大。

5.可以确定的是，动态应变（潮气量）是与VILI相关的独立变量，PEEP只有在能够相应降低潮气量的时候才表现为肺保护作用。在超越肺容积极限时PEEP是有害的。

6.相同的应力可以产生不同的应变，这与肺的大小有关。如对于健肺而言没有危害的应力，对ARDS病人则可能造成严重损伤，因为ARDS病人是“小肺”，肺不张使得肺容积显著减小了。

7.不只是潮气量本身重要，肺的总容积也很重要。提出这一点是因为，目前的肺保护性通气策略首要强调小潮气量。肺不张的情况下小潮气量是很重要的（对于同样的应力，应变增加），但如果健肺膨胀充分，大潮气量未必有害，因为有380,000,000个可膨胀的肺泡来承担应力。给定的潮气量所产生的影响可用其对应的驱动压来评估，即潮气量与肺顺应性的比值。

8.对于ARDS病人，我们必须考虑肺不均一性的因素。容积和压力分布的不均匀导致受力点承受了近双倍的应力/应变，所以对于ARDS病人不均质的肺，我们无法确定所给的小潮气量是否安全。而且静态和动态应变的周期性转换，作为能量负荷的一个重要因素，可能会加重肺组织损伤，尤其对于不均质的肺。

9.相同的气道压会对应不同的跨肺压，跨肺压是作用于肺的压力，与肺和胸壁顺应性有关。

10.驱动压一直被视为与VILI最相关的变量。但是驱动压的影响需结合其他变量来判断，包括胸壁顺应性、肺的大小、肺的均质性、气体流速。其他变量不同，相同的驱动压可能致死也可能无害。

下面我们将讨论这些新的概念是否能解释其他ARDS模型的研究结果。

Amato等人对ARDSnet的数据做了一个回顾性分析。参数的设置依据目前的保护性通气策略，潮气量6ml/kg，平台压低于30cmH2O，根据氧合调节PEEP。Amato的分析显示，潮气量、平台压和PEEP与病死率无相关性。与病死率相关的是驱动压，即潮气量与肺顺应性的比值。所以呼吸参数的设置需要个体化，根据患者肺的生理状态而调整。就驱动压而言，其变化的生理因素在于肺顺应性。所以，如果通过呼吸机参数的设置降低了驱动压，即降低了动态应变和能量负荷，即可降低VILI发生率和改善预后。

Kollisch-Singule等人建立了实验小猪的ARDS模型，将气道压力释放通气模式（APRV）和小潮气量肺保护性通气策略对比，显示APRV模式具有肺保护作用，虽然这一模式下平台压和潮气量更高。如何用Protti的理论解释这一结果？小潮气量组和APRV组的跨肺压，即肺的应力是相似的（图1）。因此APRV组的高平台压对应的是高的胸腔内压，作用在胸壁上的力不引起肺的动态应变或能量负荷的增加。

结论

综上，用工程学概念来理解机械通气对肺的作用，是一个新的方法用于研究VILI机制和优化通气策略。最佳的通气策略是个体化的，需要根据肺的病理生理状态持续调整，维持肺的开放和稳定。优化肺保护的关键在于降低动态应变和能量负荷。只要动态应变和能量负荷在安全范围内，高的潮气量或平台压仍是安全的。病人的病理生理状态复杂，胸壁顺应性的改变、肺的不均一性导致的压力分布集中须被考虑在内。深化对机械通气的物理学理解，并与肺的病理生理状态相结合，将有助于优化肺保护性通气策略。

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