机械力指导的肺保护性通气策略的应用进展

[摘要] 随着医疗技术的不断进步和临床经验的积累，对临床工作中围手术期或危重患者来说，机械通气已成为一项重要的支持手段，然而不恰当使用机械通气可引起呼吸机相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI），为避免VILI的发生，一般采用肺保护性通气策略（lung protective ventilation strategy，LPVS）。随着人们对VILI研究的逐渐深入，认为传统的LPVS并不能有效评估VILI，在此基础上，机械力（mechanical power，MP）这一概念被提出并用于全面评估VILI。本文就MP的概念和公式、MP与肺保护性策略的相关性及与VILI的相关研究进展进行综述。

[关键词] 机械力；肺保护性通气策略；呼吸机相关性肺损伤

[中图分类号] R614.2 [文献标识码] A [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.27.027

自16世纪安德烈亚斯·维萨里乌斯提出类似气管插管和机械通气的概念后，机械通气被认为是重要的生命支持技术，随着不断发展被广泛应用在临床麻醉和重症医学等领域^[1-3]。机械通气是在呼吸机辅助下，利用机械装置替代、控制和改变自主呼吸的一种通气方式，其可维持气道通畅，改善患者的通气和换气功能^[4]。研究表明机械通气呼吸参数调节不当可进一步加重受损的肺组织甚至造成正常肺组织损伤。这种损伤与急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）类似，被称为呼吸机相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI）^[5]。为减少肺损伤和肺部并发症的发生，常采用肺保护性通气策略（lung protective ventilation strategy，LPVS），包括小潮气量、个性化呼气末正压通气（positive end expiratory pressure，PEEP）、间断肺复张、合适氧浓度。越来越多的学者认为VILI不与单个参数的改变直接相关，而与不同组合的呼吸参数引起的应力、应变增加有关^[6]。Gattinoni等^[7]在此基础上提出机械力（mechanical power，MP）这一新理念；MP是单位时间内呼吸机传递给肺所做的功，将MP作为一个整体考虑，可能比单独考虑其参数评估VILI更全面。MP在ARDS治疗及动物研究中得到证实，基于此，本文就MP这一新理念对评估VILI的临床应用进展进行综述。

1MP的概念和公式

热力学第一定律指出能量总是守恒的，不会凭空消失或出现，反应前后能量总和不变^[8]。MP就是在机械通气基础上借助此定律被推导出来的。在机械通气过程中，能量由电能转变为势能、动能和热能，即呼吸机参数潮气量、PEEP、驱动压、流速和呼吸频率产生的压力转移并作用在呼吸系统上能量的总和^[9]。因此，MP是指单位时间内多个呼吸周期循环累积的对肺的总能量。

Cressoni等^[10]为更好地在临床中常规计算和应用MP将MP视为呼吸功，等同于单次吸气压力与潮气量的乘积，也可认为是二者的积分，即通过压力-容积曲线下面积（area under the curve，AUC）计算单次通气的能量。计算MP的金标准是几何法，但受试者操作特征曲线（receiver operatingcharacteristiccurve，ROC曲线）是动态多变的，并不能从临床上的呼吸机板块中计算出来。因此，运用几何法计算MP未得到广泛应用且逐渐向简单的代数式转变。Gattinoni等^[7]运用物理方法，将运动方程转化为能量方程，提出包含潮气量（tidal volume，VT）、吸呼比（inspiratory-to-expiratory time ratio，I：E）、肺顺应性、呼吸频率（respiratory rate，RR）、吸气流速（inspiratory flow，F）、呼吸系统弹性阻力（elastance of the respiratory system，EL）及气道阻力（airway resistance，R_aw）的函数方程：Power_rs=RR×{VT×[ELrs/2+RR×（1+I：E）/60×I：E×R_aw]+ VT×PEEP}。该公式的MP计算结果与几何法结果高度相似（²＞0.96），但因复杂的计算，在临床中也难以使用。为提高临床实用性，Gattinoni等^[7]运用VT、RR、PEEP、吸气峰压（peak airway pressure，Ppeak）及平台压（plateau pressure，Pplat）并简化为MP=0.098×VT×RR×[Ppeak–Pplat–PEEP/2，该简化公式已被应用在Serpa等^[11]的临床研究中。随后，Giosa等^[12]提出关于分钟通气量（minute ventilation，VE）等无须临床医生干预或中断通气即可估计MP的简化替代方程：MP=VE×（peαk+PEEP+f/6/20，该方程与上述方程具有较强的一致性（²＞0.97）。随着容量控制模式下MP公式的广泛运用，2019年Becher等^[13]和Van Der Meijden等^[14]提出压力控制模式下的MP计算公式，2个公式均需关注呼吸系统阻力和呼吸系统顺应性，但这些参数通常不被呼吸机连续显示或量化，很难应用在实际临床中。

综上，Gattinoni等^[7]用几何法得出的“经典公式”精确度高，但变量亦较多，不便于临床使用；其简化公式方程使用方便，简单易得，但需大量临床数据支持。

2 LPVS的发展

2.1 LPVS的起源及关键要素

LPVS最早源于对ARDS患者的治疗，因机械通气过程中参数设置不当使肺泡过度膨胀或萎陷导致或加剧VILI。LPVS因此应运而生，通过优化通气参数减少机械通气引起的VILI^[15-16]。LPVS的关键要素^[17]包括使用小潮气量、限制性驱动压、允许性高碳酸血症及适当的PEEP。随着临床研究的深入，LPVS概念从内涵到外延均得到不断丰富和发展，也逐渐被用于临床麻醉及重症医学非ARDS领域。

2.2 LPVS在ARDS患者中的应用

ARDS是重症监护室（intensive care unit，ICU）中最常见疾病之一，约占ICU患者总数的10%，病死率高达35%～40%^[18-19]。ARDS是由多种病因导致的急性肺部炎症反应而使肺泡水肿和充血，进而引发顽固性低氧血症、呼吸窘迫等。Brower等^[20]采用多中心研究将ARDS患者分为传统潮气量组（Vt=12ml/kg，Pplat≤50cmH₂O）（1cmH₂O=0.098kPa）和小潮气量组（low Vt=6ml/kg，Pplat≤30cmH₂O），结果表明在ARDS患者中，小潮气量组患者的死亡率更低，呼吸机使用天数更短。自此，小潮气量（low Vt=6ml/kg）和限制性平台压（Pplat≤30cmH₂O）的通气策略成为ARDS肺保护性通气的金标准^[17]。但小潮气量的同时也伴随肺泡通气量不足，从而导致二氧化碳蓄积造成高碳酸血症。1990年Hickling等^[21]提出允许性高碳酸血症概念，表明LPVS中小潮气量与高碳酸血症是相辅相成的机械通气策略。一项随机对照研究显示，适当水平的PEEP可防止肺泡在呼气末期闭合，减少肺不张，改善肺泡周期性开放关闭带来的萎陷伤、剪切伤，增加功能残气量^[22]。由此可见，LPVS通过调整参数在ARDS患者治疗中产生积极影响。

2.3 LPVS对非ARDS患者的作用

LPVS可通过调节潮气量、PEEP和驱动压使ARDS患者受益^[17]；但对无明确肺基础疾病的非ARDS患者是否有益引发众多研究者的关注。对不同病因入住ICU的非ARDS患者，一般情况通常比接受外科手术的全麻患者差，同时可能合并肺外的单个或多个器官功能障碍，病情也更复杂，这就可能诱发或加重肺损伤。Meta分析表明，对ICU中非ARDS患者实施小潮气量通气可使患者受益^[23-24]。在小潮气量基础上施加一定的PEEP，可预防小潮气量引起通气不足所致呼气末肺泡过度塌陷，加用PEEP可维持肺泡扩张状态，减少术后肺部并发症的发生，但对PEEP的具体应用范围目前尚无定论。一项心外科术后患者的随机对照研究表明高水平的PEEP对患者有益^[25]。然而，一项多中心研究提出相反意见，强调腹部术后患者采用高PEEP并不能预防术后肺部并发症^[26]。总之，机械通气也可能使非ARDS患者发生肺损伤，通过调整LPVS参数可降低肺损伤发生率。

3 MP与LPVS的相关性

基于对LPVS的前期研究，有研究者提出肺部损伤可由过度的应力和应变介导。对肺脏来说导致肺变形的外部应力和内部跨肺压力在效果上相当。应变包括与潮气量有关的动态应变和外源性PEEP引发容量变化的静态应变^[6]。若只关注静态因素，就容易忽略单个呼吸循环随时间积累重复作用对肺的损伤。应变作用程度取决于临床医生对呼吸机参数的调节。因此，当呼吸机参数中的潮气量、PEEP、呼吸频率和流速设置产生的单位时间总能量超过肺所能承受的阈值，就可导致VILI的发生^[27]。由研究者提出的统一理论解释是将肺损伤归因于从呼吸机传递到患者肺部而产生的能量即MP，该MP由几个呼吸机变量的组合计算得出^[28]。MP是呼吸机对患者肺部做功的量度，包括容积、压力和频率的计算。高MP可能与肺损伤的风险增加有关，因此在LPVS中应尽量降低MP的输出。

将所有这些呼吸力学参数统一在一个变量中，即MP可更全面地评估和预防VILI的发生^[7]。Senzi等^[29]将Gattinoni等^[7]的简化方程与互联网结合开发出名为“PowerApp”的渐进式Web应用程序，该程序可量化潮气量、驱动压、呼吸频率、阻力等参数，预测呼吸机参数设置或生理条件修改对MP的影响，在机械通气过程中计算MP更便捷，使MP方程在日常临床实践中有用且可行，提高评估VILI的效率。

４ MP综合评估VILI的临床应用进展

4.1 MP在动物实验及临床病例中的应用

通过动物实验和回顾性研究发现，MP越大造成的肺损伤越严重，且与呼吸衰竭及病死率存在相关性。Cressoni等^[10]在猪实验中首次将MP与VILI关联在一起，给予24头猪不同的呼吸频率，结果显示传递给肺的MP>12.1J/min时才会发生VILI。但Collino等^[30]对36头猪给予不同水平的PEEP，结果显示发生VILI的MP阈值为13J/min。Maia等^[31]将28只Wistar大鼠根据不同的潮气量、PEEP及肺复张对驱动压、MP、VILI的影响进行分组，结果发现小潮气量、中高度的PEEP加上肺复张手法有更低的MP且产生更少的肺泡损伤标志物。Araos等^[32]研究表明MP大小与组织学肺损伤及纤维增殖评分呈正相关；Xie等^[33]研究表明，ARDS机械通气时MP越高产生的肺损伤生物标志物就越高。

Guérin等^[34]研究驱动压对LPVS期间ARDS患者死亡率的影响，同时计算MP，结果表明驱动压、MP与患者90d生存率有关且当MP>12J/min时，患者90d生存率降低，与Cressoni等^[10]研究一致，当MP>12J/min时，大多数动物出现VILI。Parhar等^[35]研究显示MP>22J/min与28d住院和3年死亡率增加相关。Serpa Neto等^[11]纳入超过48h有创通气的8207例重症患者的研究发现，MP越高患者的住院病死率越高；MP>17J/min时，患者住院期间死亡的风险明显升高。Urner等^[36]研究认为限制驱动压与MP是降低ARDS患者死亡率的有效通气策略。Santer等^[37]在一项多中心的回顾性研究中，针对接受全身麻醉的230 767例行非心脏手术的患者，根据Gattinoni等^[7]提出的简化公式计算出患者全身麻醉期间MP平均数与中位数分别为7.1J/min和6.6J/min，研究表明机械通气期间较高的MP与较高的术后呼吸衰竭发生风险相关。

4.2 MP指导下的脱机

对长时间机械通气、气管切开的患者，在循环呼吸稳定的情况下，如果将呼吸肌肉产生呼吸功等同于呼吸机提供的MP，那么MP降低说明患者对呼吸机的依赖程度降低，减少的MP则由患者自主呼吸产生的呼吸功代替。若该部分呼吸功足够支撑患者当前和未来一段时间的生命活动，则意味着患者能够顺利脱离呼吸机支持。Ghiani等^[38]利用一项前瞻性研究将动态肺顺应性标准化后的MP即MP指数作为患者脱机的预测指标判断脱机失败的风险。该研究推动临床医生指导脱机的研究进程。

4.3 MP预测术后肺部并发症

根据欧洲围手术期临床结果定义指南^[39]推荐术后肺部并发症（postoperative pulmonary complications，PPC）详细诊断标准，其中包括术后呼吸道感染、呼吸衰竭、胸腔积液、肺不张、气胸、支气管痉挛、吸入性肺炎等。PPC风险预测模型是目前国外临床上用来评估和筛查手术患者术后肺部并发症的工具，但最合适的预测模型目前尚无定论^[40]；基于此，推测MP可作为预测PPC的工具之一，因MP与患者年龄、手术时间、体位、通气策略等因素密切相关。Chiumello等^[41]在行胸外科手术的全身麻醉患者的研究验证该猜想，患者由仰卧位变为侧卧位、由双肺通气变为单肺通气时，MP逐渐升高，且在单肺通气时MP较高的患者住院期间出现PPC的概率升高。另一项针对开腹手术患者的多中心临床研究发现术中较高的MP与PPC独立相关^[42]。因此，MP可能对评估和筛查PPC更具有代表性和综合性，更有利于筛查术后高风险PPC人群，减少术后肺部并发症的发生，提高患者的生活质量。

５ MP的局限性

MP虽被视为一种有前途的VILI评估综合指标，但也存在一定局限性：一是MP出自方程计算，组成方程的参数对MP的影响占有不同的权重，Huhle等^[43]研究显示PEEP可促使吸进的部分气体排出而转为呼气功，PEEP产生的相关能量有部分损失，并不是所有参数都能完全作用到肺；二是目前呼吸机界面上尚不能实时显示自动测定的MP值，只能通过调整呼吸机参数利用公式计算MP值，因此目前不能进行MP的个性化调整；三是MP阈值大小还与肺部疾病和可通气肺容积大小等因素密切相关。不同患者因其病情和生理状况的差异，MP阈值也各不相同。针对不同患者具体如何通过降低MP预防VILI，尚缺乏前瞻性研究数据支持，目前主要依赖传统的LPVS。所以仍需进一步随机对照研究以评估MP对降低VILI风险的效果。

６ 小结与展望

综上，限制MP为导向的LPVS已成为临床麻醉和重症医学领域的研究热点，当MP高于某一阈值时就会发生VILI。因此，MP有望成为评估VILI的新指标，还可参与指导LPVS的实施。但关于MP应用价值的探索还处于初级阶段，如只追求低MP而忽略压力、容积和频率的协调作用，不仅增加发生PPC、术后呼吸衰竭及不良事件的风险，且无法实现机械通气的治疗作用。未来仍需更多的研究进一步证实MP与VILI的关系，以期为患者提供更安全、更有效的治疗方案。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

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（收稿日期：2024–05–17）

（修回日期：2024–09–11）