脊髓损伤患者肺功能特点及康复综述①

何志伟，赵红梅

脊髓损伤患者肺功能特点及康复综述①

何志伟，赵红梅

脊髓损伤患者肺功能的特点表现为肺功能相关参数改变，气体交换效率下降，体位影响增加，最大吸气和呼气压下降，咳嗽、气道阻塞等。改善肺功能的方法包括起搏治疗、运动训练和药物。

脊髓损伤；肺功能；综述

[本文著录格式]何志伟，赵红梅.脊髓损伤患者肺功能特点及康复综述[J].中国康复理论与实践,2015,21(4):441-444.

CITED AS:He ZW,Zhao HM.Characteristics and management of lung function in patients with spinal cord injuryn(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(4):441-444.

颈髓和上胸段脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)会导致患者吸气肌和呼气肌功能下降，表现为肺功能相关参数下降，患者咳嗽费力和气道分泌物排出困难，导致痰液潴留、肺不张、肺部感染，甚至死亡[1]。大量文献报道，脊髓损伤患者肺功能损伤是限制性通气功能障碍造成肺容量减低、咳嗽能力受损、呼吸模式改变；T6平面以上的损伤导致自主神经系统失衡，引起支气管收缩，分泌物产生增加；慢性继发性改变包括肺和胸壁顺应性降低[2]。最近文献报道，脊髓损伤患者也存在气道阻塞。肺功能损害的程度与脊髓损伤平面和严重度有关。目前改善此类患者肺功能的方法包括运动训练、起搏治疗和药物。

1 脊髓损伤患者的肺功能特点

1.1 肺功能参数

四肢瘫和高位截瘫患者肺功能特点为限制性通气功能障碍，主要原因是神经肌肉力量减弱，表现为肺活量(vital capacity,VC)、第1秒用力呼气率(forced expiratory volume in one second,FEV1)、最大呼气中期流速(maximal mid-expiratory flowmid-expiratory flow,MMEF)、峰流速(peak expiratory flow, PEF)、肺总量(total lung capacity,TLC)、最大自主通气量(maximum voluntary ventilation,MVV)、补呼气量(expiratory reserve volume,ERV)和深吸气量(inspiratory capacity,IC)减少，残气量(residual volume,RV)明显增加，功能残气量(functional residual capacity,FRC)变化不明显[3-4]。与其他神经肌肉疾病不同的是，四肢瘫患者吸气肌功能保留较好，主要是膈肌；而呼气肌功能相对受损，主要由于肋间肌和腹肌功能受损。急性损伤后，VC与FEV1、IC、ERV、FRC、RV、TLC、RV/TLC的相关性很好，说明这个时期，VC可以全面反映患者的肺功能特点。对于四肢瘫痪患者而言，与脊髓完全损伤患者比，不完全损伤患者FVC下降的程度要小；损伤平面越高，肺功能越差[5]。

1.2 肺功能变化

颈髓损伤后第1周，VC和呼气流速较低；损伤后1年，VC、IC、TLC和呼气流速、吸气流速增加，FRC下降；1年后，VC、FRC的变化逐渐变慢，TLC无变化[6]。肺功能的初期恢复主要是因为呼吸肌功能恢复，同时与脊髓损伤平面以上水肿和炎症消退有关[7]。肺功能的后期恢复主要是由于膈肌功能的恢复和辅助呼吸肌的参与和胸廓稳定性的增加[8]。由于FRC减少，IC增加，从而VC增加。总的来说，初期的肺功能和损伤平面对肺功能恢复的预测价值有限。FVC和FEV1下降的重要决定因素包括年龄增加、吸烟、体质量指数(Body Mass Index,BMI)增加，喘息和呼吸肌力量减弱[9]。

1.3 气体交换

氮气单次呼吸法的结果表明，脊髓损伤患者的肺气体弥散功能基本正常[10]；但利用同位素检查的两项研究结果提示，四肢瘫患者肺部通气并不均匀，认为与患者矛盾呼吸及继发感染有关[11]。

1.4 体位的影响

多项研究提示，与正常人比，患者仰卧位FVC、FEV1明显高于坐位[12-13]。VC的增加是由于RV的减少，RV的减少是由于重力对腹腔内容物的作用，使膈肌抬高，根据长度-张力曲线，肌纤维此时的初长度更有利于收缩，使膈肌向下收缩的幅度增加。因此，有腹带的四肢瘫患者和沉浸在等温水至肩水平患者的VC、FVC、IC得到改善。

1.5 最大吸气和呼气压

与正常人相比，截瘫患者最大静态口腔呼吸压下降，该指标代表整个吸气和呼气肌肉力量。由于呼气肌功能下降更明显，此类患者最大吸气压(maximum inspiratory pressure,MIP)要高于最大呼气压(maximum expiratory pressure,MEP)[14]。静态口腔压与完全损伤患者的损伤平面相关性很好[15]。但静态口压的测定受口器影响较大，管型优于法兰盘型[16]。经鼻吸气压(sniff nasal inspiratory pressure,SNIP)也用于评估吸气肌的力量。正常人、神经肌肉疾病和骨骼疾病患者的SNIP与经鼻最大食道压(SNIF pes)和MIP相关性非常好[17]，但截瘫患者MIP降低，而SNIP和跨膈压正常，提示可能低估MIP，与测量技术困难有关。总的来说，该两项指标评价吸气肌力量时，需要在预实验中先和SNIF pes作比较。

1.6 咳嗽

高位四肢瘫和截瘫患者的咳嗽力量减弱，原因是呼气肌群功能丧失，包括前外侧腹肌、肋间内肌和三角肌群[18]。C5～C7发出的神经纤维支配由ERV代表的残余呼气肌功能，即支配胸大肌锁骨段活动和背阔肌活动。四肢瘫患者的咳嗽由胸大肌的锁骨部分完成，是一个主动过程[19]。咳嗽导致的腹部矛盾运动是由于胸大肌的收缩而不是膈肌的活动[20]。咳嗽减弱和呼气压下降常常导致黏液栓和肺不张，也是导致脊髓损伤患者并发症和死亡的两个重要原因[21]。这种情况在脊髓损伤后期尤为突出，主要与患者副交感神经过度活动导致大量黏稠的分泌物产生有关[22]。

辣椒碱试验发现，截瘫患者咳嗽反射敏感性正常[23]；但应用巴氯芬后，患者咳嗽反射敏感性下降[24]。应用枸橼酸气溶胶研究，与正常人对比，脊髓损伤患者的咳嗽阈值下降[25]。

1.7 气道阻塞

以前的研究认为，四肢瘫患者肺功能都是限制性损害，没有明显阻塞[26]。1993年Spungen等发现，34例慢性完全瘫痪患者应用β2受体激动剂后，14例FEV1明显改善，说明四肢瘫痪患者气道存在确定的阻塞[27]，可能与肺失去交感神经支配，副交感神经占优势有关。1995年，Almenoff等也证实气道阻塞的存在，脊髓损伤患者吸入异丙托溴铵后，FEV1也有显著提高[28]。2005年，Schilero等基于体描箱的研究，发现四肢瘫患者的基线比气道传导率(sGaw)比截瘫患者和对照组低很多，当吸入异丙托溴铵后，四肢瘫患者的sGaw明显提高[29]，说明四肢瘫患者基础气道口径减小，存在气道阻塞。

1.8 自主神经系统和气道张力

所有动物副交感神经系统活动都促进气道收缩。颈髓损伤患者中枢发出的迷走神经是完整的，传出神经编码的动作电位经迷走神经传至气道的神经节内，然后通过节后纤维分布到全肺脏；由于分布于肺脏的交感神经起源于T6以上的脊髓，所以颈髓损伤患者的交感神经传导受阻[30]。过去的研究认为，人类的气道扩张是由于抑制性的非肾上腺素能和非胆碱能神经；后来的研究发现，四肢瘫患者的气道直径比高位截瘫(T3～T6)和低位截瘫患者的气道直径减小，但四肢瘫患者肾上腺素水平比低位截瘫和高位截瘫患者低，证实交感神经系统对于维持气道张力的重要性[31]。

1.9 气道高反应和基础气道直径

四肢瘫患者对乙酰甲胆碱、组胺、超声雾化蒸馏水存在气道高反应性，而低位截瘫患者不存在高反应性[32]。原因可能是患者在药物干预前就存在气道直径缩小，而药物诱导导致气道直径再减少，导致气道阻力大幅度增加[33]。提前吸入异丙托溴铵者，气道高反应性可被阻断。由于在吸入异丙托溴铵后sGaw可迅速增加，因此，气道直径减少的原因不可能是气道软骨软化、平滑肌细胞肥大、黏性分泌物过多[34]。

2 改善肺功能的方法

2.1 运动训练

四肢瘫患者吸气肌训练的益处还不能确定，因此肺功能改善的原因不能完全除外患者自然恢复[35]。在一项研究中，急性期(损伤6周)患者随机分到训练组和假训练组各8周，提示训练组(血碳酸正常的深呼吸训练)的MVV、MIP、MEP较对照组改善[36]。还有研究发现，吸气肌训练可以短时间内提高MIP，但随访1年MIP无明显变化[37]。Terson de Paleville等研究发现，带有辅助装置的跑台训练可能通过神经重塑改善患者的肺功能[38]。

通过胸大肌重复等长收缩训练6周，胸大肌最大等长收缩强度和ERV增加，残气量减少。也有研究评估了呼吸肌训练的有效性(不包括电刺激)，结论是训练可以改善呼吸肌强度，增加VC，降低RV，但是对吸气肌力、呼吸肌耐力、生活质量、日常活动能力和呼吸道症状的影响没有确定的结论。

2.2 起搏治疗

起搏治疗方法包括经膈神经起搏、经肌肉内膈肌起搏和经肋间神经起搏[39-40]。对于某些患者，肋间肌和单侧膈肌起搏是一个较好的方法。但四肢瘫患者随着持续膈肌起搏和持续机械通气阈值负荷(触发)，会导致膈肌疲劳逐渐增加。

用以改善呼气肌功能和咳嗽的电刺激方法包括在下背部放置刺激线圈，通过磁力刺激腹肌；直接在腹壁表面放置电极片，以刺激腹肌以及胸髓损伤平面以下的电刺激。下背部放置线圈通过磁力刺激腹肌的方法可以提高食道压和呼气流速，提高的程度比引起气道压缩所要求的还高。磁力刺激8例四肢瘫患者下胸段4周，MEP、ERV、最大呼气流速增加；但停止刺

激2周后，疗效消失[41]。直接刺激腹肌，VC、FVC、MEP、PEF、FEV1增加，产生的咳嗽与人力辅助效果等同。在4周的随机对照研究中，神经肌肉刺激通过刺激胸大肌的锁骨部位和腹肌，发现VC、MEP、PEF、FEV1、MIP明显增加，刺激停止后，疗效可持续3个月[42]。单独的腹肌约束作用甚微，不可能改善咳嗽的有效性。2008年的一项Meta分析显示，没有充分的证据表明腹带有效或无效[43]。

2.3 药物

在一项双盲安慰剂对照的交叉研究中，四肢瘫患者每天口服短效β2受体激动剂(间羟异丙肾上腺素)80 mg，共4周；服药期间，其前臂肌肉的强度和体积明显增大[44]。另外一项安慰剂对照研究中，电刺激周期中，与安慰剂组相比，口服沙丁胺醇组肌肉输出功增加27%，体重和腿围增加[45]。由于呼吸肌是骨骼肌，因此上述研究提示β2受体可能改善呼吸肌功能。2006年的一项随机双盲前瞻性交叉安慰剂对照研究旨在确定长期应用β2受体激动剂是否可改善四肢瘫患者的肺功能参数和静态口腔压。研究组患者每天吸入沙美特罗40 μg，共4周，FVC、MEP、MIP、FEV1明显增加[46]。MEP、MIP的增加提示呼吸肌力增加。沙美特罗可以改善肺功能参数和静态口腔压，提示长期应用β2受体激动剂可能改善咳嗽的有效性和呼吸系统症状。

总之，四肢瘫患者与截瘫患者和其他神经肌肉疾病患者相比，呈限制性肺功能特点，呼气肌功能比吸气肌功能损害更严重，基础气道直径减小，存在气道高反应性；肺脏以副交感神经支配占优势。所有这些特点都参与了患者咳嗽无力、分泌物多、肺部并发症。在改善肺功能的方法中，起搏由于维持时间短，易产生呼吸肌疲劳，可以考虑用于难以脱机患者；运动训练方法需要进一步研究；药物治疗对于患者来说最为简易，将来是一个重要的研究方向。

[1]Johnson KG,Hill LJ.Pulmonary management of the acute cervical spinal cord injured patients[J].Nurs Clin North Am, 2014,49(3):357-369.

[2]Rimmer C.Respiratory Function Following Spinal Cord Injury. A Resource for Health Service Providers[M].WA:WA State Spinal Injury Unit,2013.

[3]Almenoff PL,Spungen AM,Lesser M,et al.Pulmonary function survey in spinal cord injury:influences of smoking and level and completeness of injury[J].Lung,1995,173(5): 297-306.

[4]Linn WS,Adkins RH,Gong H,et al.Pulmonary function in chronic spinal cord injury:a cross-sectional survey of 222 southern California adult outpatients[J].Arch Phys Med Rehabil,2000,81(6):757-763.

[5]Linn WS,Spungen AM,Gong H,et al.Forced vital capacity in two large outpatient populations with chronic spinal cord injury[J].Spinal Cord,2001,39(5):263-268.

[6]Mueller G,de Groot S,van der Woude L,et al.Time-courses of lung function and respiratory muscle pressure generating capacity after spinal cord injury;a prospective cohort study[J].J Rehabil Med,2008,40(4):269-276.

[7]Haas F,Axen K,Pineda H,et al.Temporal pulmonary function changes in cervical cord injury[J].Arch Phys Med Rehabil, 1985,66(3):139-144.

[8]Brown R,DiMarco AF,Hoit JD,et al.Respiratory dysfunction and management in spinal cord injury[J].Respir Care,2006, 51(8):853-867.

[9]Stolzmann KL,Gagnon DR,Brown R,et al.Longitudinal change in FEV1 and FVC in chronic spinal cord injury[J].Am J Respir Crit Care Med,2008,177(7):781-786.

[10]Forner JV.Lung volumes and mechanics of breathing in tetraplegics[J].Paraplegia,1980,18(4):258-266.

[11]Hiraizumi Y,Fujimaki E,Hishida T,et al.Regional lung perfusion and ventilation with radioisotopes in cervical cord-injured patients[J].Clin Nucl Med,1986,11(5):352-357.

[12]Estenne M,De Troyer A.Mechanism of the postural dependence of vital capacity in tetraplegic subjects[J].Am Rev Respir Dis,1987,135(2):367-371.

[13]Baydur A,Adkins RH,Milic-Emili J.Lung mechanics in individuals with spinal cord injury:effects of injury level and posture[J].JAppl Physiol(1985),2001,90(2):405-411.

[14]Gounden P.Static respiratory pressures in patients with post-traumatic tetraplegia[J].Spinal Cord,1997,35(1):43-47.

[15]Mateus SR,Beraldo PS,Horan TA.Maximal static mouth respiratory pressure in spinal cord injured patients:correlation with motor level[J].Spinal Cord,2007,45(8):569-575.

[16]Tully K,Koke K,Garshick E,et al.Maximal expiratory pressures in spinal cord injury using two mouthpieces[J].Chest, 1997,112(1):113-116.

[17]Stefanutti D,Benoist MR,Scheinmann P,et al.Usefulness of sniff nasal pressure in patients with neuromuscular or skeletal disorders[J].Am J Respir Crit Care Med,2000,162(4 Pt 1): 1507-1511

[18]Fujiwara T,Hara Y,Chino N.Expiratory function in complete tetraplegics:study of spirometry,maximal expiratory pressure, and muscle activity of pectoralis major and latissimus dorsi muscles[J].Am J Phys Med Rehabil,1999,78(5):464-469.

[19]Estenne M,De Troyer A.Cough in tetraplegic subjects:an active process[J].Ann Intern Med,1990,112(1):22-28.

[20]Estenne M,Gorini M.Action of the diaphragm during cough in tetraplegic subjects[J].J Appl Physiol(1985),1992,72(3): 1074-1080.

[21]Slonimski M,Aguilera EJ.Atelectasis and mucus plugging in spinal cord injury:case report and therapeutic approaches[J].J Spinal Cord Med,2001,24(4):284-288.

[22]Bhaskar KR,Brown R,O'Sullivan DD,et al.Bronchial mucus hypersecretion in acute quadriplegia.Macromolecular yields and glycoconjugate composition[J].Am Rev Respir Dis,1991, 143(3):640-648.

[23]Dicpinigaitis PV,Grimm DR,Lesser M.Cough reflex sensitivity in subjects with cervical spinal cord injury[J].Am J Respir Crit Care Med,1999,159(5 Pt 1):1660-1662.

[24]Dicpinigaitis PV,Grimm DR,Lesser M.Baclofen-induced cough suppression in cervical spinal cord injury[J].Arch Phys Med Rehabil,2000,81(7):921-923.

[25]Lin KH,Lai YL,Wu HD,et al.Cough threshold in people with spinal cord injuries[J].Phys Ther,1999,79(11): 1026-1031.

[26]Forner JV.Lung volumes and mechanics of breathing in tetraplegics[J].Paraplegia,1980,18(4):258-266.

[27]Spungen AM,Dicpinigaitis PV,Almenoff PL,et al.Pulmonary obstruction in individuals with cervical spinal cord lesions unmasked by bronchodilator administration[J].Paraplegia, 1993,31(6):404-407.

[28]Almenoff PL,Alexander LR,Spungen AM,et al.Bronchodilatory effects of ipratropium bromide in patients with tetraplegia[J].Paraplegia,1995,33(5):274-277.

[29]Schilero GJ,Grimm DR,Bauman WA,et al.Assessment of airway caliber and bronchodilator responsiveness in subjects with spinal cord injury[J].Chest,2005,127(1):149-155.

[30]Racke K,Matthiesen S.The airway cholinergic system:physiology and pharmacology[J].Pulm Pharmacol Ther,2004,17 (4):181-198.

[31]Schmid A,Huonker M,Stahl F,et al.Free plasma catecholamines in spinal cord injured persons with different injury levels at rest and during exercise[J].J Auton Nerv Syst,1998,68 (1-2):96-100.

[32]Dicpinigaitis PV,Spungen AM,Bauman WA,et al.Bronchial hyperresponsiveness after cervical spinal cord injury[J].Chest, 1994,105(4):1073-1076.

[33]Cockcroft DW,Davis BE.Mechanisms of airway hyperresponsiveness[J].J Allergy Clin Immunol,2006,118(3): 551-559;quiz 560-561.

[34]Schilero GJ,Grimm DR,Bauman WA,et al.Assessment of airway caliber and bronchodilator responsiveness in subjects with spinal cord injury[J].Chest,2005,127(1):149-155.

[35]Brooks D,O'Brien K,Geddes EL,et al.Is inspiratory muscle training effective for individuals with cervical spinal cord injury?A qualitative systematic review[J].Clin Rehabil,2005,19 (3):237-246.

[36]Van Houtte S,Vanlandewijck Y,Kiekens C,et al.Patients with acute spinal cord injury benefit from normocapnic hyperpnoea training[J].J Rehabil Med,2008,40(2):119-125.

[37]Postma K,Haisma JA,Hopman MT,et al.Resistive inspiratory muscle training in people with spinal cord injury during inpatient rehabilitation:a randomized controlled trial[J].Phys Ther,2014.[Epub ahead of print]

[38]Terson de Paleville D,McKay W,Aslan S,et al.Locomotor step training with body weight support improves respiratory motor function in individuals with chronic spinal cord injury[J].Respir Physiol Neurobiol,2013,189(3):491-497.

[39]DiMarco AF.Restoration of respiratory muscle function following spinal cord injury.Review of electrical and magnetic stimulation techniques[J].Respir Physiol Neurobiol,2005,147 (2-3):273-287.

[40]DiMarco AF,Onders RP,Ignagni A,et al.Phrenic nerve pacing via intramuscular diaphragm electrodes in tetraplegic subjects[J].Chest,2005,127(2):671-678.

[41]Linn WS,Spungen AM,Gong H,et al.Forced vital capacity in two large outpatient populations with chronic spinal cord injury[J].Spinal Cord,2001,39(5):263-268.

[42]Cheng PT,Chen CL,Wang CM,et al.Effect of neuromuscular electrical stimulation on cough capacity and pulmonary function in patients with acute cervical cord injury[J].J Rehabil Med,2006,38(1):32-36.

[43]Wadsworth BM,Haines TP,Cornwell PL,et al.Abdominal binder use in people with spinal cord injuries:a systematic review and meta-analysis[J].Spinal Cord,2009,47(4):274-285.

[44]Signorile JF,Banovac K,Gomez M,et al.Increased muscle strength in paralyzed patients after spinal cord injury:effect of beta-2 adrenergic agonist[J].Arch Phys Med Rehabil,1995,76 (1):55-58.

[45]Murphy RJ,Hartkopp A,Gardiner PF,et al.Salbutamol effect in spinal cord injured individuals undergoing functional electrical stimulation training[J].Arch Phys Med Rehabil,1999,80 (10):1264-1267.

[46]Grimm DR,Schilero GJ,Spungen AM,et al.Salmeterol improves pulmonary function in persons with tetraplegia[J]. Lung,2006,184(6):335-339.

Characteristics and Management of Lung Function in Patients with Spinal Cord Injuryn(review)

HE Zhi-wei,ZHAO Hong-mei
Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing Bo'ai Hospital,China Rehabilitation Center, Beijing 100068,China

The characteristics of patients with spinal cord injury are shown as:disorder of the lung function and gas exchange,influence of body position,maximum inspiratory and expiratory pressure decreased,cough,airway obstruction,ect.The management of lung function currently include exercise,pacing therapy and medicine.

spinal cord injury;lung function;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.04.016

R651.2

A

1006-9771(2015)04-0441-04

2014-08-05

2014-09-11)

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院呼吸科，北京市100068。作者简介：何志伟(1981-)，男，汉族，山西繁峙县人，硕士，主治医师，主要研究方向：睡眠呼吸障碍。通讯作者：赵红梅(1966-)，女，汉族，北京市人，硕士，主任医师，主要研究方向：肺康复。E-mail:lucy0500@163.com。