无创正压通气对睡眠状态下COPD患者呼吸力学和中枢驱动的影响*

陈 新， 郭松文， 郑晶晶， 于化鹏， 陈 瑞

(1南方医科大学珠江医院呼吸内科，广东 广州 510282；2中山大学孙逸仙纪念医院呼吸内科，广东 广州 510120)

1000-4718(2012)07-1297-05

2012-02-15

2012-06-05

广东高校优秀青年创新人才培育项目(No.LYM08033)

△通讯作者 Tel: 020-62782296; E-mail: gzchenrui@163.com

无创正压通气对睡眠状态下COPD患者呼吸力学和中枢驱动的影响*

陈 新1， 郭松文1， 郑晶晶1， 于化鹏1， 陈 瑞2△

(1南方医科大学珠江医院呼吸内科，广东 广州 510282；2中山大学孙逸仙纪念医院呼吸内科，广东 广州 510120)

目的探讨无创正压通气(NIPPV)对睡眠状态下慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者呼吸力学和中枢驱动的影响。方法选择南方医科大学珠江医院呼吸内科自2010年10月至2011年10月收治的COPD急性加重期住院患者16例，常规肺通气功能测定，经过NIPPV治疗病情稳定后，分别在患者自主呼吸和NIPPV时清醒和睡眠状态下进行呼吸力学、膈肌肌电图和多导睡眠图的监测，连续采集并计算各项生理参数30 min。结果COPD患者自主呼吸时睡眠与清醒状态比较，呼吸频率(RR)和吸气时间占呼吸周期比值(Ti/Ttot)差异无统计学意义(P>0.05)；潮气量(VT)、分钟通气量(VE)、平均吸气流量(VT/Ti)、动态肺顺应性(CLdyn)、膈肌电电压的均方根(RMS)和脉搏血氧饱和度(SpO2)均有显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；气道阻力(Raw)、压力-时间乘积(PTP)和呼气末二氧化碳分压(PETCO2)则有显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。COPD患者清醒状态下， NIPPV与自主呼吸相比较，RR、VT和VE差异无统计学意义(P>0.05)；VT/Ti、CLdyn和SpO2显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；Ti/Ttot、Raw、PTP、RMS和PETCO2有显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。COPD患者睡眠状态下，NIPPV与自主呼吸相比较，RR和RMS差异无统计学意义(P>0.05)；VT、VE、VT/Ti、CLdyn和SpO2显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；Ti/Ttot、Raw、PTP、PETCO2有显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。结论呼吸力学异常变化和中枢驱动降低是COPD患者发生夜间睡眠低通气和低氧血症的主要原因。NIPPV可显著改善清醒和睡眠状态下COPD患者的呼吸力学异常，降低了气道阻力和呼吸做功，改善了通气应答，增加了通气输出。NIPPV可显著降低清醒状态下COPD患者的中枢驱动，对睡眠状态下中枢驱动的影响不显著。

慢性阻塞性肺疾病； 无创正压通气； 呼吸力学； 中枢驱动

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是以不完全可逆性气流受限为特征的一类疾病。临床发现COPD患者睡眠时出现吸气流速受限和低通气，夜间反复发生不同程度的低氧血症和高碳酸血症[1]，可能存在睡眠诱导的上气道阻力增加和中枢驱动降低所导致的通气下降。无创正压通气(non-invasive positive pressure ventilation，NIPPV)已广泛应用于睡眠呼吸暂停综合征和COPD呼吸衰竭患者的治疗中，然而NIPPV对睡眠状态下COPD患者呼吸力学和中枢驱动变化的影响尚不清楚。我们通过对COPD患者清醒、睡眠和NIPPV时呼吸力学和中枢驱动变化的研究，探讨睡眠状态下NIPPV对COPD患者的呼吸生理的影响，为改善COPD患者睡眠状态下低通气、低氧血症和睡眠紊乱提供防治策略和理论依据。

材 料 和 方 法

1研究对象

选择南方医科大学珠江医院呼吸内科自2010年10月至2011年10月收治、诊断符合2005年“全球COPD防治倡议[2]”(Global Initative for Chronic Obstructive Lung Disease，GOLD)中有关的COPD急性加重期住院患者16例，男性14例，女性2例，平均年龄(64.65±6.70)岁。本研究经过医院医学伦理委员会批准，受试者使用的呼吸系统药物无改变，入选标准：(1)达到II型呼吸衰竭的诊断标准；(2)经过NIPPV治疗后病情相对稳定，并能耐受NIPPV治疗；(3)不存在NIPPV禁忌症；(4)病人同意参加本研究，并签署知情同意。排除标准：合并OSAHS和其它呼吸系统疾病、严重心血管疾病、心理或系统性疾病。

2实验方法和检测指标

2.1常规肺通气功能 参照1994年美国胸科协会肺功能检查操作规范进行。检测最大用力呼吸流速容量曲线，计算第1 s用力呼气容积(forced expiratory volume in 1 second, FEV1)、用力肺活量(forced vital capacity, FVC)、第1 s用力呼气容积占用力肺活量百分比(FEV1/FVC)和深吸气量(inspiratory capacity, IC)。

2.2NIPPV治疗和参数设置 COPD急性加重期患者住院后，常规药物治疗和氧疗的同时，根据患者感觉和脸型选用合适的鼻(面)罩进行NIPPV通气。呼吸机参数设置：呼气压力(expiratory positive airway pressure, EPAP) 4 cmH2O，备用频率12 min-1，S/T模式，吸气压力(inspiratory positive airway pressure, IPAP)从8 cmH2O开始逐渐增加，按临床评价及患者可耐受性选择最合适的压力水平，调定后保持不变。通气时吸氧4～5 L/min，以保证脉搏血氧饱和度(pulse blood oxygen saturation, SpO2)>92%，通气时间4～6 h/d，治疗前后检查动脉血气分析，证实NIPPV治疗可以改善血气，待病情稳定后进一步行呼吸力学、膈肌肌电图(diaphragm electromyogram, EMGdi)和多导睡眠图(polysomnography, PSG)的监测。

2.3呼吸力学和膈肌肌电图监测 鼻腔、咽喉部表面麻醉后，经鼻孔嘱患者吞咽，依次放入胃、食道囊管、多导食道电极。囊管充气后将压力传感器和食道电极5对导联共同连接于PCLAB生物信号放大器(3808型和3804型，广州英辉医疗器械科技有限公司)和PowerLab 16导生理记录仪(ML796，ADInstruments)。根据计算机实时监测波形对囊管的位置进行调整、定位，并固定以免移位。插入的食道电极根据肌电图的幅度进行定位，两端肌电图信号最大时固定电极。肌电的采集频率为1 000 Hz，流量和压力的采集频率为200 Hz。鼻(面)罩与流量传感器(ML141，ADInstruments)和呼气末CO2分析探头相连(Cat.No.5963-00，Novametrix)，检测呼吸流量(flow)和呼气末二氧化碳分压(end tidal PCO2, PETCO2)。所有信号放大后经PowerLab 16导生理记录仪通过Chart 5.2.1软件记录和数据分析。应用Origin 7.5软件包进行数据和图形处理。

动态监测并记录食道压(esophageal pressure, Pes)、气道开口压(airway opening pressure, Pao)、胃内压(gastric pressure,Pga)。计算经肺压(Ptp=Pao-Pes)和跨膈压(Pdi=Pga-Pes)。通过flow对时间的积分求得潮气量(tidal volume, VT)，计算出分钟通气量(minute ventilation, VE)、呼吸频率(respiratory rate, RR)、平均吸气流量(mean inspiratory flow, VT/Ti)、吸气时间占呼吸周期比值(the ratio of inspiratory time to total respiratory cycle time, Ti/Ttot)。气道阻力(airway resistance, Raw)测定：用经肺压与呼吸流量的关系而算出，Raw=ΔPtp/flow。动态肺顺应性(dynamic lung compliance, CLdyn)：求经肺压与潮气量围成的压力-容量环，计算其斜率就是CLdyn=VT/ΔPtp。压力-时间乘积(pressure-time product, PTP)计算：PTP反映呼吸做功，PTP=Pes×时间，各组以每分钟PTP(cmH2O·s/min)来表示。

膈肌电电压的均方根(root mean square, RMS)：代表中枢驱动，由计算机连续间隔10 ms 计算每50 ms 的肌电电压RMS。通过计算8次呼吸周期的RMS 来获得吸气期的平均峰值RMS。为避免心电活动对膈肌肌电的影响，应选择心电图两QRS 波之间的电信号并滤除20 Hz 以下的因食道蠕动等因素造成的基线摆动[3]。

2.4PSG监测 睡眠状态时同步监测PSG和呼吸动力学参数，用RHK-5500型(Respironic Co.)多导睡眠仪，监测项目包括：脑电图、眼动图、颏肌肌电图、心电图、胸腹呼吸运动、SpO2和鼾音。诊断标准参考文献[4]。

3实验步骤

3.1患者入院后完成常规肺通气功能测定，并抽取动脉血气分析。

3.2常规治疗+NIPPV。

3.3实验前完成仪器预热及定标后，放置食道胃囊管、多导食道电极并定位，同时连接多导睡眠仪，进行呼吸力学、膈肌肌电图和多导睡眠图的监测。

3.4实验当晚连续采集患者自主呼吸(spontaneous breathing, SB)和NIPPV时清醒和睡眠状态下各项生理参数30 min，实验前后抽取动脉血气分析。

4统计学处理

结 果

1肺通气功能和血气分析基本资料

肺通气功能检查结果包括年龄、身高、体重、FEV1(占预计值百分比)、FVC和IC；血气分析结果包括酸碱度(pH)、动脉血氧分压(PaO2)和动脉血二氧化碳分压(PaCO2)，见表1。

表1肺通气功能和血气分析基本资料

ParameterDataAge(year)64.65±6.70Height(cm)167.30±6.45Weight(kg)58.36±7.47FEV1(L)0.95±0.22FEV1(%pred)42.14±18.85FVC(L)2.73±0.68FEV1/FVC(%)34.87±6.02IC(L)1.58±0.43pH7.27±0.06PaO2(mmHg)58.46±11.03PaCO2(mmHg)60.35±9.12

FEV1: forced expiratory volume in 1 second; % pred: percentage of predictive value; FVC: forced vital capacity; IC: inspiratory capacity; PaO2: partial pressure of oxygen in artery; PaCO2: partial pressure of carbon dioxide in artery.

2NIPPV对睡眠状态下COPD患者呼吸力学和中枢驱动的影响

COPD患者自主呼吸时睡眠与清醒状态比较，RR和Ti/Ttot差异无统计学意义(P>0.05)；VT、VE、VT/Ti、CLdyn、RMS和SpO2均显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；Raw、PTP和PETCO2显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。见表2。

COPD患者清醒状态下， NIPPV与自主呼吸相比较，RR、VT、VE差异无统计学意义(P>0.05)；VT/Ti、CLdyn和SpO2显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；Ti/Ttot、Raw、PTP、RMS和PETCO2显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)。见表2。

COPD患者睡眠状态下，NIPPV与自主呼吸相比较，RR和RMS差异无统计学意义(P>0.05)；VT、VE、VT/Ti、CLdyn和SpO2显著增高，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)；Ti/Ttot、Raw、PTP和PETCO2显著降低，差异有统计学意义(P<0.05，P<0.01)，见表2。

表2无创正压通气对睡眠状态下COPD患者呼吸力学和中枢驱动的影响

ParameterWakingstateSleepingstateSBNIPPVSBNIPPVRR(min-1)18.75±4.6317.87±4.3417.62±4.7817.23±4.23VT(L)0.52±0.140.57±0.150.35±0.10##0.45±0.12*VE(L·min-1)9.76±2.8310.25±3.016.17±1.15##7.97±2.34*VT/Ti(L·s-1)0.42±0.120.55±0.14**0.24±0.09##0.39±0.11**Ti/Ttot0.41±0.090.31±0.06**0.43±0.110.33±0.08**Raw(cmH2O·L-1·s-1)14.76±4.2812.06±3.14*25.64±6.02##20.34±3.67**CLdyn(mL·cmH2O-1)56.43±15.3875.48±20.34**43.46±12.75#60.23±17.31**PTP(cmH2O·s·min-1)314.78±58.37143.65±34.86**423.12±89.06##170.44±41.53**RMS(μV)90.23±35.7462.57±25.73*64.85±27.54#58.60±24.33SpO2(%)88.14±3.2597.21±5.76**83.55±5.07##95.67±5.38**PETCO2(mmHg)56.64±6.8541.56±4.78**63.74±8.45#45.32±5.74**

SB: spontaneous breathing; RR: respiratory rate; VT: tidal volume; VE: minute ventilation; VT/Ti: mean inspiratory flow; Ti/Ttot: the ratio of inspiratory time to total respiratory cycle time; Raw: airway resistance; PTP: pressure-time product; RMS: root mean square of diaphragm myoelectrical voltage; PETCO2: end tidal partial pressure of carbon dioxide.*P<0.05，**P<0.01vsSB group in the same state;#P<0.05，##P<0.01vswaking state in SB group.

讨 论

COPD的主要病理生理学特点是呼气流速不完全可逆，气道发生重塑。临床发现COPD患者睡眠时出现吸气流速受限和低通气，夜间反复发生不同程度的低氧血症和高碳酸血症[1]。COPD患者清醒和睡眠的调控遵循着和正常人相同的基本原理，睡眠时除了反应程度和反馈网络下降外，其呼吸生理机制与清醒时相同，睡眠时反馈降低，这对严重COPD患者夜间气体交换和睡眠质量产生极大影响，其影响因素有上气道阻力增高、低通气和气体交换异常，导致高碳酸血症和缺氧[5]。COPD患者睡眠状态下呼吸力学出现异常变化。本实验结果显示：在自主呼吸过程中，睡眠与清醒状态比较，除了RR和Ti/Ttot应答方式无显著变化外，表现为VT和VE均显著降低，Raw增高，CLdyn降低，PTP增高，SpO2下降，PETCO2显著增高，说明睡眠状态下COPD患者气道阻力异常增高导致肺顺应性降低，呼吸做功增大，从而造成机体通气应答显著下降，出现低氧和高碳酸血症。这可能与入睡后呼吸肌力普遍下降，特别是上气道肌肉张力性活动和时相性活动减弱，导致上气道阻力显著增加有关[6]。RMS是EMGdi振幅的均值，可准确反映神经肌肉的电活动能力和中枢驱动[7]，实验结果显示VT/Ti和RMS均显著降低，说明睡眠状态下COPD患者的中枢驱动和通气需求下降。

近年来，NIPPV广泛应用于COPD急性加重并呼吸衰竭的患者，NIPPV可显著降低患者的气管插管/气管切开率和死亡率，缩短住院时间，减少住院费用，避免和减少有创通气的并发症[8]。NIPPV对COPD呼吸衰竭患者呼吸生理的各个环节均有影响，改善了通气和气体交换，降低中枢驱动。IPAP使吸气流速及通气量增加，减少了呼吸做功和耗氧量。EPAP克服内源性呼气末正压，增加肺泡通气量，改善氧合[9]。本实验结果显示：在清醒和睡眠状态下，NIPPV均可显著改善VT/Ti、CLdyn和SpO2，同时显著降低Ti/Ttot、Raw、PTP、PETCO2等指标。说明正压通气可以改善COPD患者的通气应答方式，导致吸气流速增高，吸气时间缩短，呼气时间延长；同时显著降低了气道阻力，改善了肺顺应性，减少了呼吸做功，从而改善了氧合和纠正了高碳酸血症。然而实验结果也显示出NIPPV在清醒和睡眠状态下存在差异，主要表现为，在睡眠状态下NIPPV改善VT和VE更为明显，RMS下降不显著；而在清醒状态下NIPPV可显著降低RMS。这可能与COPD患者日间清醒状态下中枢驱动(RMS)作用增强，但是睡眠状态下中枢驱动作用减弱或钝化有关。睡眠状态对低氧和高碳酸血症刺激的敏感性下降，其结果是机体对夜间低氧的刺激不能发出相应的神经冲动而增强呼吸运动[10]。NIPPV可显著降低清醒状态下COPD患者的中枢驱动和通气需求，呼吸困难的主观感受明显改善，在较低的中枢驱动(RMS)下可获得与治疗前相近和更高的通气输出(VT和VE)。而在睡眠状态下，由于COPD患者的中枢驱动和通气输出都较清醒时明显降低，所以NIPPV对RMS的下调不明显，但却可显著改善其呼吸力学异常，从而达到改善通气应答增加通气输出的治疗目的。

综上所述，呼吸力学异常变化和中枢驱动降低是COPD患者发生夜间睡眠低通气、低氧血症的主要原因。NIPPV可显著改善清醒和睡眠状态下COPD患者的呼吸力学异常，降低了气道阻力和呼吸做功，从而改善了通气应答，增加了通气输出。NIPPV可显著降低清醒状态下COPD患者的中枢驱动，对睡眠状态下中枢驱动的影响不显著。

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Effectsofnon-invasivepositivepressureventilationonrespiratorymechanicsandcentraldriveinsleepingpatientswithchronicobstructivepulmonarydisease

CHEN Xin1, GUO Song-wen1, ZHENG Jing-jing1, YU Hua-peng1, CHEN Rui2

(1DepartmentofRespiratoryMedicine,ZhujiangHospital,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510282,China;2DepartmentofRespiratoryMedicine,SunYat-senMemorialHospital,SunYat-senUniversity,Guangzhou510120,China.E-mail:gzchenrui@163.com)

AIM: To evaluate the effects of non-invasive positive pressure ventilation (NIPPV) on respiratory mechanics and central drive in sleeping patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD).METHODSSixteen moderate-to-severe COPD patients in the acute exacerbation period, admitted to Zhujiang Hospital from October 2010 to October 2011, were chosen in the study. The routine pulmonary function test was performed, and all patients under relatively stable conditions after NIPPV treatment were monitored by respiratory mechanics, diaphragm electromyogram and polysomnography in waking and sleeping states when they were spontaneously breathing or receiving NIPPV. Other physiological parameters were recorded and calculated on a continuous basis in time sequence for 30 min.RESULTSWhen COPD patients were spontaneously breathing in sleeping state as compared with waking state, there was no significant difference in respiratory rate (RR) and the ratio of inspiratory time to total respiratory cycle time (Ti/Ttot), but there were significant decreases in tidal volume (VT), minute ventilation(VE), mean inspiratory flow (VT/Ti), dynamic lung compliance (CLdyn), root mean square (RMS) of diaphragm myoelectrical voltage and pulse blood oxygen saturation (SpO2). Meanwhile, there were significant increases in airway resistance (Raw), pressure-time product (PTP) and end tidal carbon dioxide pressure (PETCO2). When COPD patients

NIPPV as compared with spontaneous breathing in waking state, there was no significant difference in RR, VTand VE, but there were significant increases in VT/Ti, CLdynand SpO2.Meanwhile, the reductions of Ti/Ttot, Raw, PTP, RMS and PETCO2were also significant. When COPD patients received NIPPV as compared with spontaneous breathing in sleeping state, there was no significant difference in RR and RMS, but there were significant increases in VT, VE, VT/Ti, CLdynand SpO2.Meanwhile, the reductions of Ti/Ttot, Raw, PTP, and PETCO2were significant.CONCLUSIONThe abnormal changes of respiratory mechanics and the reduction of central drive were the main reasons for hypopnea and hypoxemia in sleeping COPD patients. On the one hand, NIPPV can significantly improve respiratory mechanics of COPD patients in waking and sleeping states by reducing airway resistance and work of breathing, which resulting in better respiratory response and ventilation output. On the other hand, NIPPV can significantly reduce the central drive of COPD patients in waking state, which can not do the same in sleeping state.

Chronic obstructive pulmonary disease; Non-invasive positive pressure ventilation; Respiratory mechanics; Central drive

R563.8

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.07.027