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呼吸机相关肺损伤的发生机制和处理对策

来源 《中华结核和呼吸杂志》 作者 添加时间 2014/8/6 点击次数 4525

正压通气技术是临床中呼吸危重患者最常用的呼吸支持手段。作为一种反生理的呼吸支持手段,正压通气使用不当亦会伴随严重并发症的发生,尤其是呼吸机相关肺损伤 (ventilator associated lung injuryVALI) 的发生。

目前已有大量研究结果证实,VALI 不仅会进一步加重肺功能的恶化,甚至会增加危重患者的病死率。因此,明确 VALI 的发生机制并采用针对性的防治策略对于提高危重患者的救治水平具有十分重要的临床意义。

一、呼吸机相关肺损伤的发病机制

VALI 的发生主要与肺组织的过度牵张、萎陷肺泡的反复开合及继发炎症介质的大量释放等机制有关,涉及气压伤、容积伤、萎陷伤与生物伤等概念。

1.气压伤 (barotrauma):最早 Macklin 发现,肺泡过度扩张可导致肺泡和周围血管间隙压力梯度明显增大,致使血管周围肺泡基底部破裂,形成间质气肿;进而形成纵隔气肿、皮下气肿、心包和腹膜后积气;若脏层胸膜破裂,气体可直接进入胸腔,形成气胸。由于这种肺泡外气体的溢出常于气道压较高的情况下出现,常称之为气压伤。

2.容积伤 (volutrauma):气压伤易使人误认为只有过高的气道压才会导致肺泡破裂,但 Webb Tierney 的动物实验结果显示,高气道压且呼气末正压(PEEP) O cmH2O(1 cmH2O=0.098 kPa) 时大鼠的肺泡水肿和间质水肿都很明显,而相同气道压但加用了 10 cmH2O PEEP 的大鼠并未发生肺水肿,提示肺部的过度牵张与过低的呼气末肺容积均可能导致肺损伤。

Dreyfuss 等发现,与小潮气量相比,大潮气量通气可导致肺水肿的发生,胸廓束缚组大鼠虽然气道压与大潮气量组相似,但并未产生肺水肿,加用一定水平的 PEEP 可显著减少肺损伤。

Bouhuys 1969 年在 Nature 就报道过,吹号时气道开口压力可达 150 cmH2O 左右,但不会造成肺损伤。结合其他研究,Dreyfuss 等认为“气压伤”实质上应为“容积伤”,即肺损伤为肺容积过大所致。

但也有人对“容积伤”提出了异议。因为从呼吸力学的角度而言,压力变化是容积变化的原因。决定肺容积变化的压力是跨肺压 (transpulmonary pressurePtp),即肺泡压(alveolar pressurePalv) 与胸腔压 (pleural pressurePpl) 之差,临床上常用平台压 (airway plateau pressurePplat) 间接反映肺泡压。平台压主要与肺和胸廓顺应性有关。

胸腔压受许多因素的影响:呈重力依赖性;肥胖、腹腔压增高、胸壁僵硬、大量胸腔积液或气胸均可通过降低胸廓顺应性而不同程度地增加胸腔压;用力吸气则可以明显降低胸腔压。无论何种原因导致的跨肺压增加,均可导致肺泡过度牵张和破裂,而跨肺压为负压则易导致肺泡萎陷。

因此,若将“气压伤”的压力理解为跨肺压,“气压伤”的提法仍是合理的,许多研究者仍主张继续应用“气压伤”的概念,或统称为气压一容积伤。目前认为,不管是气压伤,还是容积伤,都与过度的机械牵张 (mechanical strech) 使肺泡承受较大的应力 (stress) 而产生较大的形变/应变 (strain) 有关。

因此,有人提出了“肺泡应力损伤”的概念,以更加准确地描述 VALI 发生的力学机制。此时跨肺压即为应力,而应变等于潮气量/呼气末肺容积。

3.萎陷伤 (atelectrauma):除了上述机械牵张会致肺损伤外,剪切力(shearing force) 在肺损伤的形成中也起到很重要的作用,尤其是对于肺部病变不均一者,其致肺损伤的作用更为明显。跨肺压作用于脏层胸膜,肺实质内的纤维系统产生与之相对应的应力。

正常的肺组织结构均一,所有纤维共同分担外力并产生相同的应力和应变。但在很多情况下,肺的病变是不均一的,如果部分纤维被破坏,所有的外力均由剩余纤维承担,将产生更大的应力和应变;如果部分肺组织在吸气时仍然陷闭或完全不能扩张(如实变),病变区域的纤维将承受外力产生应力,但不产生应变,附近的正常纤维则会承受更大的外力而产生更大的应力与应变。

在机械通气过程中,在过度膨胀的肺组织与正常肺组织之间、持续开闭的肺组织与正常肺组织之间以及扩张程度不同的肺组织之间,都会产生较大剪切力。Mead 等通过肺模型推算,如果施加 30 cmH2O 的跨肺压于萎陷肺泡,使其肺容积增加到复张前的 10 倍,则会对萎陷肺泡附近的正常肺泡产生高达 140 cmH2O 的剪切力!

大量的离体和在体的实验也证实,如果使呼气末肺容积处于较低水平,或存在终末气道反复开闭的情况,机械通气均会导致明显的肺损伤。基于上述认识,Slutsky 提出了“肺萎陷伤”的概念,特指由于呼气末肺容积过低导致终末气道反复开闭而形成的肺损伤。

4.生物伤 (biotrauma)Kawano 等最早(1987 年)注意到在机械通气条件下,在发生 VALI 的肺组织中中性粒细胞明显增多;在中性粒细胞缺乏的动物中重复以上研究,则肺损伤明显减轻,以确凿的证据证实了炎症机制参与 VALI 的发生。

1998 年,Tremblay Slutsky 提出了生物伤的概念,之后越来越多的研究者开始关注生物伤,并进行了大量基础和临床研究。目前认为,机械通气使肺组织承受较大的应力和剪切力,除直接使肺泡损伤外,还刺激大量细胞因子、趋化因子和其他炎性介质的分泌,这些介质既可以通过受损细胞直接分泌,也可通过细胞信号通路的活化而释放。

有研究者将此机械信号向化学信号的传递称为“机械传导 (mechanotransduction)”。尽管对这些信号传导途径提出了多种假设,并且进行了大量研究,但其确切机制仍不清楚。

二、呼吸机相关肺损伤的处理对策

1.小潮气量:有较为确切的证据表明,采用小潮气量 (5-8 ml/kg) 或限制平台压(不超过 30 - 35 cmH2O)的通气策略可显著降低 ARDS 患者病死率。在对潮气量和平台压进行限制后,分钟通气量降低,PaCO2 随之升高,但允许 PaCO2 在一定范围内高于正常水平,即所谓的允许性高碳酸血症 (permissive hypercapniaPHC)

PHC 策略是为了防止气压伤不得已而为之的做法,毕竟高碳酸血症是一种非生理状态,清醒患者不易耐受,需使用镇静剂。而对脑水肿、脑血管意外等患者,则列为禁忌。在实施 PHC 策略时应注意 PaCO2,上升速度不应太快,使肾脏有时间逐渐发挥其代偿作用。

一般认为 pH 值维持在 7.20 -7. 25 是可以接受的,若低于此值,可适当补碱。但近年的研究结果显示,PaCO2 升高可增加肺泡表面活性物质和降低肺泡毛细血管壁的通透性,因此已有人提出“治疗性高碳酸血症”的概念。

2.适宜的 PEEP 和肺复张方法 (recruitment maneuverRM):适宜的 PEEP 不仅可以使肺泡维持在开放状态,降低肺损伤的不均一性,而且可以降低肺水肿的程度。PEEP 的设定过低,可能导致肺萎陷伤,并加重肺水肿。

过高的 PEEP 导致肺过度膨胀,影响静脉回流并引起气压一容积伤。当考虑到 VALI 的本质是跨肺压过大导致肺泡过度膨胀或跨肺压为负压导致肺泡萎陷时,以跨肺压指导 PEEP 水平的理论依据就显得较为充分。

由于小潮气量通气策略仍可能导致肺泡(尤其是萎陷肺泡)的周期性开合并加重肺损伤,因此对 ARDS 患者使用 RM 可以打开萎陷的肺泡,减少肺部病变的不均一性,改善氧合。但到目前为止,尚无大型临床试验证实此种方法可以降低病死率,并且 RM 不当还可能导致已开放的肺泡过度扩张。

3.高频振荡通气 (high-frequency oscillarv ventilationHFOV):小于或接近解剖死腔的小潮气量通气,在理论上也成为降低 VALI 的一种方法。但近期的两项大规模的多中心 RCT 研究显示,HFOV 虽然可以改善氧合水平,但未能改善 ARDS 患者的预后。因此,目前并不推荐 HFOV 常规用于该类患者。

4.俯卧位通气:由于 ARDS 患者的肺部病变的不均一性,对所有的 ARDS 患者进行小潮气量或同水平的 PEEP 必然导致部分肺泡的过度牵张和部分肺泡的萎陷。因此,调整患者体位为俯卧位可以改善病变的不均一性,从而进一步改善氧合水平。近期的研究显示对于严重 ARDS 的患者行俯卧位通气还可以降低病死率。

5.体外生命支持系统 (ECLS):包括体外膜氧合(ECMO) 和体外 CO2 清除 (ECCO2R) 等在内的 ECLS 技术近年来发展十分迅速并日趋成熟,应用 ECMO ECCO2R 技术可以更好地实施“超保护通气策略”,减少 VALI 的风险与发生,并且可以确切改善患者的氧合和 CO2,潴留的情况。ECMO 的上述作用在 2009 年重症甲型 HINI 患者的救治和 CESAR 研究中已得到验证。

6.神经肌肉阻滞剂:由于机械通气时人机对抗发生难以避免,可能导致原有肺损伤的进一步加重,因此 ARDS 患者早期使用神经肌肉阻滞剂可以增加人机协调性、降低跨肺压和 28 d 病死率。但需要同时注意该类药物长期使用带来的肌无力等不良反应。

7.其他方法:非常规通气方式,如分侧肺通气(适用于双侧肺的顺应性差别较大的患者)、液体通气 (liquidventilation)、氦氧混合通气等或药物(如一氧化氮、肺表面活性物质、血管紧张素Ⅱ、B 受体激动剂、离子通道阻滞剂等)尚无降低呼吸机相关肺损伤、改善成人患者临床预后的证据。

8.与上述 ARDS 不同,COPD 和哮喘等气道阻塞性疾病的病理生理改变主要是由于气道阻力增加和动态肺过度充气 (DPH) 导致的肺容积增加和内源性 PEEP(PEEPi)的产生。因此机械通气不当所引起的 VALI 更多地表现为肺泡过度牵张(应力增加)所导致的肺损伤。

针对上述患者的机械通气策略除了小潮气量 (5 -7 ml/kg) 以外,早期给予充分镇静、较低通气频率及延长呼气时间(吸呼比为 1:4-5)是防治 VALI 的主要措施。哮喘急性发作早期不建议使用较高 PEEP,而慢阻肺急性加重患者则要结合 PEEPi 水平使用适宜的 PEEP(通常为 PEEPi 80%)改善小气道动态陷闭,降低患者吸气做功,减少 VALI 的发生。

总之,VALI 的病理生理过程较为复杂,仍存在很多未知领域,但跨肺压过高或过低所引起的肺损伤仍是 ARDS 等肺实质疾病 VALI 的主要形式,小潮气量和 PEEP 仍然是证据较为充分的预防与治疗措施。而俯卧位、神经肌肉阻滞剂和 ECLS 因改善肺部病变的不均一性及肺“休息”而进一步降低重症 ARDS 的病死率,也可以作为预防 VALI 的选择之一。

气道阻塞性疾病的 VALI 主要表现为过度充气所致的肺损伤,以减轻过度充气为目的的小潮气量、低呼吸频率、延长呼气时间和低水平 PEEP 仍是目前防治 VALI 的主要手段。

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