膈肌移动度及其衍生超声指标预测机械通气撤机时机的研究现状

刘心佳 王俊峰

作者单位：150001 黑龙江 哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第一医院超声医学科

机械通气(mechanical ventilation,MV)是重症监护病房(intensive care unit,ICU)中常规的生命支持系统，但这种干预措施仍具有一定风险：许多进行MV患者可以在3天内拔管，其中约30%的人会面临撤机失败的风险[1]，且随着MV时间的延长，其相关并发症的发生率也随之增高，临床上尚未发现能够大幅度提升脱机成功率的撤机方案。目前临床上已有自主呼吸试验(spontaneous breathing trial,SBT)可用于预测拔管结果，然而，仍有高达25%左右的撤机失败率[2]，故这一基于评估膈肌功能预测撤机结局的敏感指标，仍有待进一步探索和完善。目前普遍认为撤机失败的因素包括呼吸机驱动不足、呼吸频率增加、心力衰竭和吸气肌无力及疲劳等，膈肌作为主要的呼吸肌，一系列临床研究[3-5]已证明其功能障碍(ventilator-induced diaphragmatic dysfunction,VIDD)是撤机困难的重要原因，另外，在动物研究[6-7]中显示MV时间在6～12小时内即可诱发VIDD，并且随着时间的延长，表现出更明显的时间依赖性[8]。因此，在MV时间延长所致的撤机失败患者中，如果能找到一种可靠方法评估膈肌功能，即可早期预测撤机的时间。使用超声波来评估呼吸肌泵功能是一种新型的测量方式，床旁超声检查作为一种通用、无创且无辐射的检查手段，已广泛用于ICU人群中，更是可视化ICU患者呼吸肌的首选影像学方法，这是其它评估膈肌功能手段无法替代的优势，而膈肌移动度(diaphragmatic excursion,DE)是评估膈肌功能中最基础的超声指标，本文就DE及其衍生超声指标对撤机的应用价值与不足及其未来的应用前景作一综述，为后续标准化撤机方案的制定提供新的思路。

基本参数-DE

DE是用相控阵或低频凸阵探头(2～5 MHz)测量，取半卧位(床头抬高30°～45°)，探头指示点位于锁骨中线肋弓正下方大约距腹正中线30°～45°进行观察，膈肌是覆盖肝脏和脾脏表面的一条明亮的光滑线，首先在B型超声下找到膈肌位置，然后切换到M模式下进行测量：在吸气过程中，随着膈肌向指示点方向移动，取样线应尽可能垂直于膈顶的运动方向，扫描速度最好调整到10 mm/s左右，以便在一幅图像中涵盖至少三个呼吸周期。在深吸气期间，DE在正常女性中的阈值大于3.6 cm，正常男性中的阈值大于4.7 cm[9]。由于脾脏受胃泡气体影响而声窗受限，要想获得左侧膈肌清晰的图像存在一定难度，既往研究对其评价褒贬不一。右侧DE测量的准确性与观察者内部和观察者之间的高可靠性相关[9]。在健康患者中，DE与衡量膈肌压力产生能力的指标(例如：跨膈压、颤搐性跨膈压、跨膈压的压力-时间乘积)之间存在中度相关性[10]，但在MV患者中，与其压力产生能力的指标相关性较差，但与脱机结果相关性良好(DE越大，撤机成功的可能性越大)[11]。DE的测量时间点不同，测量条件不同，测量人群不同，所得到的结果有所差异。有文献[12]显示只有在患者SBT中测量DE才有意义。若在其它条件下测量，膈肌的主动收缩与被动移位则无法区分。Zhang等[13]在30 minSBT中，采用低水平压力支持通气(pressure support ventilation，PSV)模式进行SBT，用右侧DE对慢阻阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)患者拔管结局的预测价值评估有25例拔管成功，12例拔管失败，DE30(SBT开始后30 min时的DE)和Δ DE30-5(在SBT开始后的前5 min～30 min的DE差异)的受试者工作特征曲线下面积(area under the curve,AUC)，AUC分别为0.762、0.835，拔管成功的下限值分别为DE30>1.72 cm、Δ DE30-5>0.16 cm，其敏感度分别为76%、84%，特异度分别为75%、83.3%。但是，Kim等[3]在1 hSBT中采用T管试验对89名患者进行了DE的测量评估，并将VIDD定义为DE<10 mm，结果显示VIDD与撤机失败相关，但其预测性能较差(AUC=0.61)。然而,使用同样的VIDD标准，另一项研究[14]认为VIDD与拔管失败之间没有联系。有趣的是，当在2h SBT中的前30 min进行DE的测量，同时也以上述的标准定义VIDD，该阈值的预测性能似乎较前者明显更高一些，AUC=0.88[15]。在一项有关患者呼吸肌超声的叙述性综述[16]结果显示，对于心脏手术后单侧膈肌麻痹患者，当对侧膈肌达患者最大吸气量，且DE>25 mm时可立即拔管。然而，值得注意的是，在最近的一项191例成功通过SBT患者的研究[17]中发现DE与拔管失败无关。这表明一旦SBT成功完成，拔管结果主要取决于除膈肌功能外的其他因素。近期有一项评论性文章[18]进一步证实了这个观点，即用DE在拔管失败与拔管成功的患者之间测得的VIDD均无差异，只有具有自主咳嗽能力的才是拔管成功的独立因素。

DE的衍生公式

一、ULDIMex=(a+b)c/2

DE的测量如前述所示，公式中a对应的是吸气阶段的时间，b对应的是呼气阶段的时间，c对应的是最大吸气时的DE，代入公式即可得到成功撤机的预测指标-ULDIMex的值。这项研究[19]招募了114例进行有创MV支持患者，均在SBT前进行测量，其中86例(76%)已成功撤机。该公式具有较好的预测效能：成功撤机的患者ULDIMex的临界值大于4.06 cm/s，灵敏度为92.8%，特异度为63.9%，阳性预测值(positive predictive value，PPV)为45.6%，阴性预测值(negative predictive value,NPV)为96.5%，还有极好的负性似然比(likelihood ratio，LR>-4.06)。

二、 p=1/[1+e-(-5.625+17.689×ΔDE30-5+1.802×DE30)]

DE5、DE30分别代表的是在SBT开始后的前5 min、30 min的右侧DE，ΔDE30-5=DE30-DE5，代入公式即可得到撤机成功的概率(P)。该撤机概率方程的提出量化了撤机成功的概率值，且极大简化了DE测量的盲目性，也具有良好的预测效能。这项研究[13]的创新之处在于提出了有关DE的预测概率方程，并且对其进行了方法学上的评估，即拔管成功的预测阈值为p>0.626，其相应的AUC、敏感度、特异度分别为0.867、92%、83.3%。

DE的衍生指标

一、 膈肌收缩速度(speed of diaphragmatic contraction，DCS)

沿M模式进行垂直轴测量，DCS表示从基线(吸气开始时)到峰值DE的斜率(cm/s)。DCS是一个较新的撤机参数，它是从2017年7月份第一篇相关的研究正式发表之后，才陆续有相关的研究对该指标进一步探索评估。最初的研究[20]评估了上呼吸机和没上呼吸机的两组人群DCS的组内相关系数和标准误测量，分别为0.72vs0.82、0.15vs0.15。随后，有四项研究[21-24]针对DCS的预测效能方面展开了研究，得出两种完全不同的结论，其中三项研究[21-23]持支持态度，而另一项[24]研究持反对态度，该研究对73例MV的患者进行了检查，结果显示DCS在预测撤机结果方面表现不佳，就拔管结局而分成的两组患者之间，其在辅助呼吸模式(assisted/controlled ventilation，A/C)、SBT及拔管后的DCS均无显著性差异(P均<0.05)。而持支持态度的研究得出的评估数据略有不同：Banerjee等[22]发现DCS是在当时现有的膈肌超声的撤机指标中最佳的，该研究结果显示DCS的灵敏度为100%、特异度为86.67%，PPV为95%,NPV为100%，AUC为0.93，优势比(odds ratio，OR)为415.88，P=0.0001。而不同的是，Varón-Vega等[23]认为DCS的预测准确性一般，其AUC为0.70(P=0.008)。最近，Whebell等[21]首次统计了健康志愿者的DCS值，并且通过DCS与其他评估膈肌功能的超声测量方法的对比，证明DCS有助于撤机结局的判断，该研究结果显示DCS随MV时间的延长而增加。综上所述，目前对DCS的报道较少且描述不一，其预测价值有待于更多的数据验证和新的测量方式去衡量。

二、膈肌移动度-时间(excursion-time，E-T)指数

在纵轴上记录DE，在横轴上记录3次潮气呼吸的吸气时间(inspiratory time，Ti)，取其平均值，并代入公式E-T指数=DE×Ti即可。在一项相关的73例患者的研究[12]中，有20例拔管失败。在SBT期间，“失败”和“成功”组中的撤机指标如后所示，依次为：E-T指数分别为(1.64±1.19) cm/s和(2.42±1.55) cm/s(P<0.03)，“失败”组和“成功”组的从A/C到SBT的Δ E-T指数(E-T指数的变化)分别为-3.9%±57.8%、59.4%±74.6%(P<0.01)。从A/C转换到SBT，E-T指数减少小于3.8%，此可作为预测拔管成功的指数，其敏感度、特异度分别为79.2%、75%。

DE的联合指标

一、膈肌超声指标与心脏超声指标的联合

膈肌超声与超声心动图的联合诊断是预测是否能够成功撤机的有效途径，这不仅考虑到呼吸肌本身障碍导致的呼吸衰竭，还考虑到了左心功能不全导致的呼吸衰竭。有一项队列研究[25]通过收集入组的SBT成功后拔管患者的DE和二尖瓣多普勒流入速度与环形组织多普勒波速度之比(the ratio of mitral Doppler inflow velocity to annular tissue Doppler wave velocity，E/Ea)发现，可以通过E/Ea预测拔管后48h内的呼吸衰竭，但拔除一周后再插管是由DE更准确地预测的。

二、膈肌超声与肺部超声 (lung ultrasound，LUS)指标的联合

LUS和膈肌超声可以帮助预测脱机结果，且预测效能较好。Llamas-lvarez等[26]的研究收集了19项研究中的1071例患者资料，分别对DE和LUS进行评估，DE的合并灵敏度、合并特异度、诊断性优势比(diagnostic odds ratio，DOR)分别为75%、75%、10；LUS的AUC、DOR分别为0.77、38。

三、膈肌超声、心脏超声及LUS指标的联合

在众多临床因素及各部位超声的撤机指标中，Xu等[27]的研究证明膈肌超声、心脏超声及LUS三者组成的预测模型的预测能力最好，作者通过多元多因素Logistics回归筛选出左房压(left-atrial pressure，LAP)、LUS和单侧VIDD三者的组合，其具有非常好的准确性(AUC=0.919)，其敏感性和特异性分别为91.7%和82.7%。再者，该研究还创新性地提出了多因素的拟合方程，即logit(p)=-21.303+0.245×LAP+1.046×LUS+3.009×单侧VIDD。

四、膈肌超声与呼吸频率(respiratory rate，RR)的联合

膈肌快速呼吸指数(diaphragmatic-rapid shallow breathing index，D-RSBI=RR/DE是一种用于预测撤机结果的新颖指标。Spadaro等[28]于2016年首次提出，它是对传统的RSBI的修改，其中潮气量被DE所取代。其优势在于在单个指标中结合膈肌移动度和RSBI两方面的评估。Spadaro等及其后的研究[28-29]发现D-RSBI在预测撤机结果方面比单独的传统指标-RSBI或DE更准确(D-RSBI的AUC：0.89,P=0.006；RSBI的AUC：0.72，P=0.006)。在Palkar等[24]的研究中观察到的D-RSBI的减少与RR的显著增加有关，但在DE的统计上并没有明显减少。 Mowafy等[29]的研究也观察到了这种现象，他认为DRSBI的减少可能是由于中枢性呼吸过速，而不一定是由于膈肌功能恶化所致。

膈肌超声的最新模式

近年来，随着膈肌超声技术的不断革新与发展，除了上述M型或者B型等传统超声测量方法，研究发现了以下四种新方法,随后简要介绍一下其对撤机方面潜在的预测价值，为后续膈肌多模式的发展奠定基础。

一、斑点追踪

斑点追踪可以用来测量膈肌的变形程度(纵向缩短)及变形速度，分别用应变和应变率量度，而且这项技术还能反映膈肌电活动。国外学者已经在骨骼肌中证明了张力和等长收缩之间的中-高度相关性[30]。有初步研究表明，应变与膈肌张力之间有很强的相关性，通过测量膈肌的应变及应变率可以用于估测膈肌张力[31]。而且，该研究显示斑点追踪在评估吸气阈负荷下的膈肌张力的能力方面优于传统的超声技术，同时，实验结果进一步证实了应变与应变率分别与膈肌张力(用跨膈压来表征)呈中-高度相关(应变：r=0.72；应变率：r=0.80)，这也证实了应变与应变率还与膈肌电活动中度相关(应变：r=0.60；应变率：r=0.66)。另外，Goutman及其同事应用斑点跟踪来评估两个方向上的膈肌偏移，这与单一运动方向-沿一条M线的运动测量相比更为准确[32]。

二、面积法

面积法不仅能评估传统超声的评估内容，即可以评估膈肌的单个点的运动，而且还能评估整个单侧的膈肌运动。有研究[33]显示面积法与呼出肺容量高度相关(rs=0.88)，而且其相关性均比传统超声测量相关度高(M型：rs=0.84，B型：rs=0.71)。再者，其准确性与评估者之间的一致性均很高(ICC：0.9，P=0.001)。

三、组织多普勒成像 (tissue Doppler imaging,TDI)

TDI能够实时量化运动结构的速度，它是通过与B型DE图像的叠加以量化膈肌的动力学。膈肌TDI的可行性和可靠性已在新生儿中得到证实[34]。目前有研究[35]证实，可以通过膈肌TDI衍生的参数来将撤机失败的患者与撤机成功且与跨膈压衍生的参数相关度良好的患者区分开来。

四、剪切波弹性成像

剪切波弹性成像技术可以量化组织的弹性模量，它的作用机制是通过评估肌肉僵硬度的变化，从而反映肌肉的生理变化(例如损伤、纤维化)。它被认为是比灰阶超声评估更准确的方法，同时该方法更具有可重复性，而后者的评估高度依赖于超声设置(例如增益、对比度等)[16]。最近发表的概念验证工作表明，用剪切波弹性成像技术评估的吸气过程中膈肌硬度的变化，反映了膈肌压力的变化[36]。因此，剪切波成像技术可能会提供一种新的无创方法来测量膈肌的作用力。

展望与小结

综上所述， DE及其衍生指标联合其它指标构成的联合诊断模型取代单指标超声评估以及新的超声模式下的膈肌功能的测量是当前预测MV撤机结果方法的两大主流发展方向，这对于准确把握撤机时间，降低并发症发生率有重大意义。现有的研究大致分为两种设计思路：一些是直接对DE进行探索，另一些通过间接方法推测DE与撤机成败间的关系，如首先通过DE定义VIDD，再探索VIDD与撤机成败的关系。然而，这些研究也有其局限性，它们对于何时(即SBT前、中、后)开始进行DE的测量和评估、用SBT中的何种测量方式(T管试验、低水平CPAP还是低水平PSV)进行测量评估、SBT中的何种时间段进行测量评估以及由DE定义的VIDD具体何时测量这四个直接影响测量方法的效能评估结果的问题，尚未进行标准化叙述，有待我们进一步地探索论证。

另外，越来越多的研究针对于对特定患者人群进行撤机指标的评估，在一定程度上提高了预测的效能，也为目前的新型冠状病毒患者的撤机提供新的思路。目前已有针对膈肌功能不全人群、小儿、撤机困难的患者等的研究：一项关于肝移植患者的研究[37]提示，术前超声引导的右侧膈肌厚度的测量可用于预测接受肝移植的患者的撤机失败与否。十余项针对慢阻肺人群撤机指标评估的试验表明[38]，与健康受试者相比，慢阻肺患者的DE明显减少。近期，Zhang等[13]证实了右侧DE及其增量的联合使用可提高慢阻肺机械通气患者的预测价值，其准确性(AUC为0.867)、敏感性(92%)及特异性(83.3%)均较高。

总之，DE及其演变的超声指标对于机械通气撤机潜在的巨大应用价值，是值得被肯定的，膈肌超声作为一项评估膈肌功能的新型工具，其指标对机械通气撤机结局的预测价值值得在临床上推广使用，也有待更多的研究工作者去寻找更为方便快捷的指标帮助临床彻底解决撤机困难这一挑战。