机械通气策略在体外膜肺氧合过程中的应用

殷江文 缪红军

南京医科大学附属儿童医院急诊/重症医学科210008

体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)是一种为常规治疗难以治愈的呼吸衰竭患者提供临时呼吸支持的技术。在静脉-静脉ECMO期间,血液从患者的静脉中排出并泵送入人工膜肺,进行氧化与二氧化碳被去除,最终被输送回患者的静脉系统。

ARDS被定义为以难治性低氧血症为特征的危及生命的疾病[1]。尽管过去几十年在重症监护管理方面取得了一些进展,但ARDS病死率仍然高达34%～58%[2],大量幸存者持有永久性身体和神经心理障碍[3],导致生活质量明显下降。多年来,ARDS呼吸支持的相关研究显示,仅保护性肺通气策略[4]及俯卧位通气[5]能够改善患者预后,对常规机械通气策略不能维持的重度ARDS患者,ECMO可作为挽救性措施替代或部分替代其正常肺的功能。

1 背景

1972年,ECMO首次成功应用于创伤后的ARDS患者[6]。随后的美国国立卫生研究院赞助的第1项将ECMO用于治疗ARDS与机械通气治疗进行比较的随机试验却以2组均高达90%的病死率而中断[7]。分析其原因,可能是机械通气参数设置不当。当时,机械通气组吸入气中的氧气浓度(fraction of inspiration O2,FiO2)很高,正压通气的不利影响尚未得到充分认识。尽管ECMO组FiO2降低,但其他通气参数大多不变,如潮气量为10～15 ml/kg,平台压为40～50 cm H2O(1 cm H2O=0.098 kPa)。

几年后,Kolobow等[8]分析ECMO失败原因得出,高气道压力、高潮气量、高呼气末正压(positive end expiratory pressure,PEEP)、高FiO2,或伴有严重和致命的肺组织碱中毒导致的严重肺灌注不足等因素不利于严重肺部疾病的康复。ECMO的目标从“为肺赢得治愈的时间”转变为“使肺休息”,同时要避免进一步损伤,即后来称之为呼吸机相关肺损伤(ventilator-induced lung injury,VILI)。同一年,Gattinoni等[9]提议利用ECMO降低呼吸频率、潮气量和气道压力,有利于肺部愈合。然而,1994年的一项基于此设想的第2次随机临床试验,再次得到了负面结果[10]。此后,很少有中心继续选择静脉-静脉ECMO作为呼吸衰竭患者最后的尝试。

在英国进行的一项前瞻性随机试验CESAR发表后,人们对ECMO的新兴趣再次上升[11],直至2009年H1N1流感大流行导致ECMO作为一种成功的救治疗法得到全世界的广泛关注[12]。

2 ECMO期间气体交换的病理生理学机制

ECMO期间,血液的氧合和二氧化碳去除的机制有所不同。血液的氧合取决于通过人工膜肺的血流、血红蛋白浓度和氧饱和度。相对恒定的血红蛋白浓度和混合静脉血氧饱和度(通常约70%)限制了向患者提供氧气的能力。因此,需要提高血流量(4～7 L/min)来提供正常的氧气供应。不一致的是,血液中的二氧化碳含量很高(通常约为0.5 L/L血液)。但吹扫气流降低了中空纤维内的二氧化碳分压,从而增加了血流和气流之间的压力梯度,因此,可以在0.5 L/min的血流量下实现总二氧化碳的去除,即分钟二氧化碳的产生[13]。

3 ECMO期间为何还需机械通气

ECMO的主要目标是在实现可行的血液气体交换的同时,将VILI的风险降至最低。通过人工肺去除二氧化碳允许正常肺通气成比例减少,从而实现了肺保护性通气策略。然而,在设置低PEEP水平的极低潮气量通气期间,可以观察到由肺塌陷引起的呼吸系统顺应性下降。与通气不足相关的其他风险是重吸收性肺不张,危及生命的低氧血症,以及由于肺塌陷和肺动脉高压导致的右心衰竭。因此,ECMO期间仍需要机械通气支持。

4 ECMO期间呼吸机参数的设置

在ECMO期间对正常肺的通气策略仍然存在争议,报道的呼吸机参数设置变化很大,只有不到30%的ECMO中心明确地共享其机械通气协议[14]。几项研究记录了体外支持开始后呼吸机参数设置的变化。在大多数情况下,呼吸机设置的参数值均减少:潮气量平均减少2 ml/kg(从6 ml/kg到4 ml/kg),平台压力平均减少5 cm H2O(从31 cm H2O到26 cm H2O),驱动压力平均减少5cm H2O(从19 cm H2O到14 cm H2O),呼吸频率平均减少4 bpm(从22 bpm到18 bpm),FiO2减少至30%,PEEP平均减少1 cm H2O(从14 cm H2O到13 cm H2O)[15-17]。

4.1 平台压、驱动压、潮气量 所有ECMO中心都认识到吸气压力限制最大值为25～30 cm H2O的重要性,体外生命支持组织指南建议限制在25 cm H2O[18]。在CESAR试验中,峰值吸气压力为20～25 cm H2O被认为是有益的[11]。Pham等[19]表明在急性呼吸衰竭患者使用ECMO第1个24 h内降低的平台压与生存率显著相关,而设置高水平平台压与死亡率显著相关(26 cm H2O比32cm H2O)。Serpa Neto等[17]收集了9个研究中心的545份数据,在ECMO应用后第1个24 h内潮气量从6 ml/kg降至4 ml/kg,使得平台压和驱动压降低了约5 cm H2O,并且驱动压的下降是唯一一个显示出与院内死亡率独立关联的通气参数。Schmidt等[16]回顾性地收集了3个研究中心的数据,显示潮气量从(6.3±1.5)ml/kg降至(3.9±1.6)ml/kg,平台压和驱动压平均下降约5cm H2O。可见,平台压和驱动压的降低可以通过降低潮气量实现。Marhong等[14]收集并分析了141例数据,大多数中心遵循保护性通气策略,45%的中心使用的潮气量在4～6 ml/kg,31%的中心使用的潮气量低于4 ml/kg,甚至使用低至1.9 ml/kg的潮气量仍可获得有利结果[20]。而Kornecki等[21]研究显示,高水平(30 ml/kg)的潮气量更易引起肺活量,即肺顺应性的下降。

以上可知,潮气量不是直接设定的目标,而是在设定了安全的平台压之后,可以最大限度的降低,同时还应保证一定程度的驱动压,理论上讲,PEEP不能过低。

4.2 PEEP 查阅文献可知,在使用ECMO后关于PEEP的设定显示出更高的可变性,主要考虑2种通气策略:(1)全肺休息策略,即应用非常低的潮气量和PEEP；(2)开放性肺通气策略,即低潮气量和高PEEP水平,两者明显相悖。PEEP在VILI中的作用是多因素的。一方面,PEEP的增加决定了静态应变的增加,并且如果不存在肺泡募集,甚至过度扩张会增加平台压和驱动压。此外,不适当的高水平PEEP具有继发于静脉回流减少和右心后负荷增加的血流动力学不利影响。另一方面,取决于相关肺泡募集的量,PEEP的增加可能导致驱动压、平台压和动态应变的降低。此外,PEEP可以稳定肺泡并防止不张性肺损伤。在使用非常低的潮气量和呼吸频率导致肺泡不稳定和肺塌陷的ECMO期间,呼吸系统依从性降低,驱动压的预期降低被倾倒,并且不张性肺损伤的机制加剧。可见,PEEP可能起着重要的保护作用[16]。而潮气量的降低导致动态应变降低,平台压和驱动压的降低可能是VILI的最重要的决定因素。

在对20只动物的实验研究中,Protti等[22]研究表明在相同水平的有害总应变下,与施加低静态应变和高动态应变相比,高静态和低动态应变(即高PEEP和低潮气量)的组合与较少的VILI显示出更好的相关性,说明VILI普遍与动态应变有关,静态应变可能起到保护作用。在Schmidt等[16]的研究中,使用ECMO的第1个24 h内较高的PEEP水平与更好的生存率相关。

综合相关多中心研究分析,仍有几点需要注意[11、15-17、19、23-30]。首先,在使用ECMO的第1个24 h内,PEEP平均值有些许降低,约1～2 cm H2O。就同一研究中心而言,PEEP可能在同一中心的不同患者上减少或增加,PEEP平均值的这种微小变化也就掩盖了患者的个体差异。其次,在使用ECMO前,PEEP平均值(12～18 cm H2O)也存在很大差异,这反映了使用ECMO前各中心的PEEP标准并不统一。理论上,在PEEP短时间大幅度降低之后,将会有更多的肺泡塌陷和更多的对正常肺的不利影响,这可以解释为什么在使用ECMO前存在高PEEP水平的研究中,第1个24 h内PEEP没有变化。第三,独立于任何其他呼吸机参数的PEEP是残余正常肺功能的主要决定因素。在低PEEP水平下,正常肺塌陷,完全失去氧合功能,此时需要增加ECMO的血流量。同时正常肺血管阻力增加,难治性肺动脉高压形成,甚至引起右心衰竭,这对需要从静脉-静脉ECMO转换为静脉-动脉ECMO。

4.3 呼吸频率 呼吸频率的设定存在争议,总体而言,降低的呼声较高,争议的只是程度问题。一方面,体外生命支持组织指南推荐使用低水平的呼吸频率(5～10 bpm),这样可以最小化VILI的风险。另一方面,适当降低呼吸频率(＞5～10 bpm),可以保持p H和二氧化碳在正常范围内[31],从而避免可能由ECMO的二氧化碳去除引起的低碳酸血症。

4.4 FiO2高血流量的ECMO能够提供足够的氧合支持,所以FiO2也随之降低,以限制氧中毒和吸收肺不张的风险。从ECMO最初应用以来,除少数几个研究中心将FiO2直接降至30%,大多数研究中心的FiO2为逐渐下降。

5 总结

ECMO无疑给难以治愈的呼吸衰竭患者带来了希望,ECMO期间的最佳机械通气策略仍有争议,各个研究中心之间存在很大差异。综上所述,本文得出的结论是,在确保安全的平台压下,潮气量可以尽量降低；同时为了保证一定的驱动压,要兼顾保护性肺通气策略,PEEP可以适度降低,但不能太低；呼吸频率可以适度降低,减轻VILI的同时避免低碳酸血症；保守起见,FiO2可以逐渐降低；当然,最重要的是,各项参数的调整都应该基于对患者本身情况的动态监测。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突