机械功评估呼吸机相关性肺损伤的临床应用进展

王佐焕, 王 琳 , 曹 阳

(1. 贵州医科大学麻醉学院, 贵州 贵阳, 550004; 2. 广东省广州市红十字会医院 麻醉科, 广东 广州, 510220)

机械通气是围术期或者重症患者必要的呼吸支持措施，能够维持呼吸和改善氧合，但不恰当的机械通气可能会导致呼吸机相关性肺损伤(VILI)[1]。机械通气是基于潮气量、气道压力、流速和呼吸频率的不同组合[2]。近年来研究[3-4]表明，单个机械呼吸变量与VILI并不直接相关，反而是其任何组合会引起肺动态应变和功率增加。为了整合呼吸力学变量对VILI的贡献, GATTINONI L等[5]首次提出了机械功(MP)的概念, MP是单位时间内多个呼吸周期循环累积的总能量，MP作为一个评估VILI的综合参数，已经在各种临床和实验环境中得到证实。虽然MP可通过呼吸机的变量组合简单计算得出，但却未能在临床中常规计算和应用。鉴于此，本文就MP在评估VILI方面的临床应用进展予以综述，进而为指导肺保护性通气提供新视角。

1 MP的定义及计算

MP的概念来自于呼吸功，呼吸功根据做功来源分为2种[6], 患者的呼吸功在自主呼吸时由呼吸肌执行，已被证明是脱机的预测因子，由于需要测量食道压力[7], 很少用于实践，而呼吸机的呼吸功在机械通气时由呼吸机执行，可在床旁连续计算。MP等于机械能乘以呼吸频率，汇总了所有导致VILI的呼吸力学原因: 潮气量、驱动压、流速、呼吸频率和呼气末正压。因此，机械能是单个呼吸周期内传递到肺的能量，而MP是单位时间内多个呼吸周期循环累积的总能量，临床应用中应注意区分，避免混淆。

MP的计算方法在不断更新简化，从复杂的几何法到简化的代数式。目前，计算MP的金标准是“几何法”[2], 呼吸机所描绘的呼吸压力-容积曲线吸气肢与y轴之间的曲线下面积被称为机械能(单位为焦耳)，乘以呼吸频率后得到MP(单位为J/min), 由于呼吸压力-容积曲线的动态多变，以及无法直接从市面上的大多数呼吸机板块中计算得到，因而在临床中无法广泛应用。

不同通气模式拥有不同的吸气流速曲线特征，计算MP的方程也不同。对于容控模式, GATTINONI L 等[5]最初提出的方程包含了潮气量、压力、顺应性、频率、流速以及气道阻力等所有呼吸生理学变量，该方程计算的MP与金标准测得的结果有极高一致性(R2>0.96), 不过计算过于复杂，不方便临床使用，因此其又提出一个临床较公认的“综合公式”(包含潮气量、呼吸频率、吸气峰压和驱动压) ，局限性是需要进行吸气末暂停操作，之后GIOSA L 等[8]提出了一个不需要任何临床干预的简化替代公式，与上诉参考方程具有极高的一致性(R2>0.97)。对于压控模式，BECHER T 等[9]、VAN DER MEIJDEN S 等[10]相继提出2个计算方程，但需要计算呼气末和吸气末暂停时的顺应性和呼吸系统阻力(气道和组织阻力)，增加了临床应用难度。除此之外，辅助通气、自动流速控制和持续气道正压这些模式下的计算方程的相关报道较少。

2 MP与VILI的相关关系

VILI的发生不是单纯气压伤、容积伤和生物伤可以解释的，必须综合考虑所有变量，其组合风险量化为MP。MP传递到呼吸系统后，主要以动能、势能的形式存在。动能用来对抗气道阻力以及让肺实质发生形变和破坏，最终转化为热量; 势能在吸气阶段转化为肺和胸廓中的弹性张力，在呼气阶段，储存在肺中的势能通过呼吸道或者大气释放出来[4]。研究[11]证实，最直接与肺损伤有关的就是呼气相这部分能量，这些极少量的能量通过几何应力聚焦、弹性阻力拖拽、受力微结构的逐步脱落这3种机制“放大”能量，直接作用于肺骨架，根据MP大小，细胞感知机械应力并将其转化为生化信号，直接损伤肺泡细胞质膜，导致肺泡屏障失效，细胞因子释放，并转移至体循环引起肺生物损伤[12]。研究[13]发现，CXCL10/CXCR3受体在高MP通气下引发的VILI中具有高表达，可通过介导肥大细胞趋化性参与VILI能量生物损伤。

2.1 关于发生VILI的MP阈值

既往动物实验和临床回顾性研究已经证实，接受机械通气的实验动物和危重患者中, MP与VILI、呼吸衰竭及病死率之间存在关联。目前，相关研究重点为分析发生VILI的MP阈值，研究[14]发现阈值因物种而异，小型动物的阈值要低于大型动物。

CRESSONI M等[2]通过给予24只麻醉仔猪不同的呼吸频率，发现当MP超过12 J/min时，在通气54 h后，麻醉仔猪均发生了广泛肺损伤，而COLLINO F 等[15]实验给予36只实验猪不同水平的呼气末正压通气，发现引起肺损伤的阈值是13 J/min。

一项多中心回顾性研究[16]发现，接受全身麻醉的230 767例择期非心脏手术患者全麻期间MP的平均数和中位数分别为7.1 J/min和6.6 J/min。通气期间较高MP与术后需要重新插管的呼吸衰竭发生率有关，该研究是首个对非危重症患者平均MP进行调查的大样本研究，临床参考价值高，可为后续临床设计提供依据。URNER M等[17]前瞻性纳入9个重症监护病房收治的需要接受机械通气时间≥4 h的成人患者，结果显示, MP≥17 J/min与急性呼吸衰竭患者死亡风险有关，这种相关性在整个机械通气过程中持续存在，当MP每增加1 J/min, 死亡风险增加1.060倍; MP的影响还存在时间累积效应，进行通气时MP≥17 J/min, 通气时间每延长1 d, 患者死亡风险就会增加1.069倍; 与NETO A S等[18]研究结果相一致，但选取的结局指标都是病死率，并非VILI相关客观指标，尚不能作为常规予以推荐。目前，评估肺损伤的实验模型包括肺组织学病理评分、肺组织重量测重等金标准，其不易在临床工作中实施，导致定量化评估VILI存在困难。

2.2 MP分量在评估VILI中的相对权重

无论主成分变量潮气量、呼吸频率或呼吸末正压如何变化，都可以达到相似的MP水平，但在等MP的框架内，尚不清楚每个成分造成的肺损伤整体是否相似。SANTOS R S等[19]在急性呼吸窘迫综合征的大鼠模型中，通过研究潮气量和呼吸频率的不同组合获得相似MP对VILI的影响，发现相比于低MP低潮气量组，高MP低潮气量组导致的弥漫性肺泡损伤分数增加，在低MP组中，高低潮气量导致的肺损伤评分和肺损伤标志物都相似，这表明VILI的主要原因是机械力本身。在VASSALLI F等[20]研究选择了42头健康猪为研究对象，在2种MP水平(15、30 J/min)下分别研究了3种通气策略(大潮气量、高呼吸频率或高呼吸末正压)对肺力学、血流动力学、气体交换以及宏观和组织学肺解剖的影响，结果发现，当达到相似的机械力水平时，不同的通气策略导致相似的解剖肺损伤，其损伤强度可能集中在呼吸周期的不同时间，该研究认为通气循环的每个主要组成部分都可能对肺损伤产生显著影响。

3 MP在评估VILI方面的临床应用进展

3.1 MP用于预测术后肺部并发症(PPC)

临床上常用的PPC风险预测模型包括泰罗尼亚外科病人呼吸风险评估模型和拉斯维加斯评分。目前，对于最适合作为PPC筛查的预测模型尚未达成共识[21]。MP或许可纳为PPC的风险预测因素之一，因为MP的大小与通气策略、手术类型、体位和时间等因素密切相关。在行胸腔镜手术的患者中发现，患者从仰卧位切换至侧卧位，以及从双肺通气改为单肺通气时, MP随着体位发生改变; 在腹腔镜手术中，气腹后膈肌上抬会导致气道压及平台压升高，呼吸P-V曲线下面积也增大; 除此之外，总MP随着手术时间延长逐渐累积。目前，研究发现术中MP的大小与PPC有关, CHIUMELLO D等[22]在接受全麻胸腔手术的患者中发现，住院期间出现PPC的患者的单肺通气期间呼吸机输送至肺的总能量较高，认为单肺通气后MP的增加可能是引起PPC原因之一。另一项多中心临床研究[23]发现，在接受开腹手术的患者中，术中较高的MP与PPC存在独立相关, MP可作为这些患者PPC风险评分的总结性通气生物标志物。相比既往的PPC预测因素, MP兼代表性和综合性，或许可有利于术后高风险PPC人群的筛查，帮助医务人员针对高危人群早期采取干预措施。

3.2 MP指导下的肺保护通气策略

从理论层面而言, MP是一个受压力、容积和频率影响的综合参数，可根据影响VILI的权重和肺的病理、生理变化调节其大小，只要机体承受的动态应力和能量负荷在安全阈值内，通气也是安全的; 甚至可用于指导新型冠状病毒肺炎患者肺保护通气策略的实施，因为重症新型冠状病毒肺炎患者通常发病后1周内，可出现呼吸困难和低氧血症，并可迅速发展为急性呼吸窘迫综合征和呼吸衰竭，需要机械通气支持治疗[24]; 从技术层面而言，MP可通过简化后的公式计算。SENZI A等[25]于2021年开发了一种名叫“PowerApp”的渐进式Web应用程序(PWA)，临床医生可以及时计算MP(按弹性、阻力和呼吸末正压组件进行划分)，还可预测呼吸机设置或生理条件的修改对MP和每个相关组件的影响，这让个体化通气方案变得简单可行，随着近年来学者对MP的深入研究，未来的呼吸机自动实时计算MP并指导呼吸策略的实施并不遥远。

3.3 MP指导下的脱机

机械通气下的MP是转移到呼吸系统的能量，可以转化为自主呼吸时呼吸肌所做的呼吸功，若呼吸功降低，则表明患者需要的通气支持程度降低，其是评估患者脱机能力的关键因素。脱机成功定义为脱机后连续7 d以上的自主呼吸，没有伴随慢性通气功能不全的临床或实验室症状。GHIANI A等[26]研究MP指数(动态肺胸顺应性标准化后的MP)是否可以作为一个长期气管切开患者脱机结局的预测指标，发现该指数可以区分脱机失败低风险或高风险患者。MP的计算可在机械通气期间轻松评估，无需断开患者与呼吸机的连接，但能否帮助临床医生指导脱机过程，还需要进一步的研究来证实。

4 总 结

综上所述, VILI的发生过程极其复杂，包括多种损伤机制，以其可发生在呼吸过程中的任何阶段。MP作为一个包含各呼吸力学变量的综合参数，在评估VILI的过程中，具有综合性强、应用方便等优点。MP已应用于评估VILI的各个阶段，其不仅可降低发生PPC、术后呼吸衰竭及不良事件的风险，还可参与指导肺保护性通气策略的实施。但在应用时需考虑患者呼吸系统基础条件、局部应力应变的分布和异质性问题等因素，其次在复杂的心肺相互作用下，不恰当的机械通气可能会带来循环的剧烈波动; 合理组合呼吸参数，才能同时兼顾呼吸和循环保护。目前，关于MP的应用价值还处于探索阶段，还需更多大范围的前瞻性研究进一步探讨，以为临床提供循证证据。