机械通气过程中膈肌改变及膈肌超声应用进展

高子瑞，郭瑞君

(首都医科大学附属北京朝阳医院超声医学科，北京 100020)

膈肌是位于胸腔与腹腔之间的肌肉-纤维结构，作为人体的“呼吸泵”，膈肌每移动1 cm，贡献通气量约350 ml，占静息呼吸的50%～80%[1]，而耗氧量不到全部呼吸肌群的20%。此外，膈肌还是人体的“咳嗽泵”，确保咳嗽时充分吸入气体，以产生较大的胸腔内正压。机械通气(mechanical ventilation，MV)通过改善氧合、减少呼吸肌群负荷而可为其他治疗争取时间[2]，但可能导致膈肌萎缩和功能障碍，即MV相关性膈肌功能障碍(ventilation-induced diaphragmatic dysfunction，VIDD)。超声已成为危重症病患管理的重要方法之一。本文对膈肌在MV过程中的改变及其超声征象进行综述，探讨超声对于监测膈肌的作用，以期更好地预防VIDD所致损伤。

1 超声检查膈肌

以肝脏和脾脏为透声窗，应用M型超声可测量左、右侧膈肌运动情况[3]。由于左侧膈肌易受周围毗邻组织脏器的干扰，故通常首选右侧膈肌进行评估[4]。膈肌活动度(diaphragm excursion，DE)在不同部位存在差异，膈肌穹窿后部半径小于前部，呼吸运动过程中需要较大收缩力，使膈肌移动范围相应增加；膈脚部完全受膈神经支配，且主要引起膈肌后部运动，故主选后部观察DE，常用测量指标包括膈肌增厚分数(diaphragmatic thickening fraction，TDF)、对合角、DE及收缩速度等[5]；测量部分指标时需患者配合进行深呼吸、憋气等动作，遇儿童或昏迷患者等难以配合自主呼吸运动时，可与之交谈甚至在其哭喊时识别呼吸时相，或以触诊判断胸廓运动[6]，对于不能配合的成人也可通过特殊动作如咳嗽、嗅觉测试等方法探查膈肌情况[6]。超声检查膈肌的主要缺点是难以获得左侧膈肌的清晰图像及相关参数。BIH等[7]通过肾脏纵向位移间接反映膈肌功能状态，其诊断膈肌麻痹的敏感度和特异性均为100%。

二维超声声像图中，膈肌表现为两条强回声线(胸膜线和腹膜线)之间的低回声层[8]。COHN等[9]于1997年采用二维超声测量膈肌厚度(thickness of diaphragm，TDI)，与尸检结果的差距<0.2 mm，表明超声测量准确度高，并通过观察膈肌不同状态下TDI得出吸气运动时膈肌增厚的结论。BOUSSUGES等[10]提出应用M型超声观察健康成年人膈肌运动，发现膈肌运动幅度存在个体差异，且与第1秒用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)、用力肺活量(forced vital capacity，FVC)及FEV1/FVC等肺功能指标具有较好的相关性。黄秋霞等[5]认为TDF与FEV1/FVC呈正相关，DE、收缩速度与FVC均呈正相关。此外，超声还可量化膈肌功能状态，如根据TDF量化膈肌收缩能力。

2 VIDD病理机制

膈肌功能障碍分为膈肌虚弱及膈肌瘫痪，分别代表膈肌产生压力能力部分或完全丧失。约63% 患者撤除后MV出现膈肌功能障碍[11]，可能与失用性萎缩、全身性炎症反应、肌纤维长度改变、钙离子通道改变及应用糖皮质激素等因素有关。

2.1 失用性萎缩 膈肌发生失用性萎缩的速度是其他骨骼肌的8倍、其概率是四肢肌肉发生肌无力概率的2倍，长期不运动触发蛋白水解途径，导致肌纤维萎缩和线粒体功能障碍。泛素-蛋白水解酶复合体活性增加、肌球蛋白重量降低以及蛋白激酶B/叉头框转录因子O信号通路调节在引发肌纤维萎缩和膈肌力量减低方面起着重要作用[12]。另一方面，保持相对较低水平的膈肌活动可在一定程度上防止线粒体功能障碍。

2.2 全身炎症反应 既往研究[13]发现，重症监护病房(intensive care unit，ICU)患者膈肌中的炎性细胞(包括嗜中性粒细胞和巨噬细胞)计数明显增加，提示炎症介质对于肌肉萎缩或损伤具有一定作用。

2.3 肌纤维长度改变 MV撤机评估过程中，呼气末正压突然减低会使膈肌肌肉纤维迅速下降，造成膈肌超微结构损伤，改变膈肌肌纤维最佳长度，影响膈肌功能[14]。JABER等[15]发现MV 72 h以上患者膈肌纤维直径低于接受短期(<3 h)MV者。

2.4 钙离子通道改变 MV与膈肌肌浆网钙释放通道/雷诺丁受体(ryanodine receptor，RyR)快速重构有关[16]。MV后RyR1大分子复合物发生氧化、S-亚硝基化以及丝氨酸-2844磷酸化等变化。RyR1的翻译后修饰是由MV介导的氧化应激和麻醉引起的肾上腺素能信号刺激介导，持续较长时间的MV会引起异常静息肌浆网钙离子泄漏，从而降低收缩功能，最终导致肌纤维萎缩[16]。

3 MV所致膈肌变化

JABER等[17]的实验表明，接受MV的幼龄猪膈肌发生氧化应激反应而变薄、萎缩，肌原纤维生成减少。周以明等[18]通过临床研究发现持续12～18 h的MV会造成明显的膈肌收缩功能障碍及萎缩。GOLIGHER等[19]发现MV过程中膈肌进行性萎缩与MV时间延长、ICU入院时间延长及急性呼吸衰竭并发症风险增加有关。膈肌萎缩造成其功能改变，膈肌收缩水平和TDI随时间变化存在明显的剂量-反应关系[20]。TDI变化仅见于MV期间，撤机后不会发生改变，且主要发生在MV的前72 h[21]。

此外，不同MV模式会对膈肌产生不同影响，呼气末正压水平会通过增加呼气末肺容积来降低膈肌运动[1]，且呼吸机辅助水平越高，TDF下降速度越快。TDI在较低呼吸机辅助水平时降低，而在较高辅助水平时增加，推测某种中等辅助水平对膈肌的影响最小[22]，有待进一步研究。ZAMBON等[22]将通气设置模式分为自主呼吸或持续气道正压通气、低压支持通气、高压支持通气及控制性MV四类，并以超声量化膈肌萎缩程度，发现支持程度与膈肌萎缩率呈线性关系。另有研究者关注MV过程中膈肌增厚，如GOLIGHER等[19-20]发现约24% MV患者膈肌增厚，12% 患者膈肌增厚超过10%。TDI减小和增加均与膈肌功能障碍明显相关，增厚可能与通气期间吸气负荷过大或全身炎症有关。

4 超声评价MV

VIDD可能是影响MV撤机时间的重要因素之一。对VIDD敏感且特异的诊断试验可为医生提供有价值的信息，进而影响治疗决策[23]。积极预防MV过程中膈肌受损可极大地改善患者预后[14]，在此过程中，超声可用于预判呼吸机撤机结局。周亮等[24]测量21例接受MV 24 h以上患者的膈肌，发现撤机成功组DE、吸气末TDI、呼气末膈肌厚度及膈肌增厚率等参数均高于失败组。接受MV的老年患者更易发生VIDD，MV撤机失败率亦可能增加[25]。HUANG等[25]发现右侧膈肌运动和右侧膈肌收缩速度可能对预测老年患者能否成功撤机具有较高价值。

此外，超声还能通过监测膈肌状态指导MV后治疗方案，可直接监测膈肌变化，及时调整通气参数以达到所需水平。陈小雅等[26]通过DE及收缩速度等超声指标指导MV后补液治疗，该组患者心率及心力衰竭标志物水平均较对照组降低，而氧合指数较对照组增高，表明通过超声指导治疗能显著改善心功能水平，减少不良事件和死亡。

5 不足与展望

目前关于膈肌超声的报道较多，但少见考虑性别、测量时间点及左、右膈肌解剖位置等因素对膈肌运动情况影响的研究。膈肌运动受体位的影响，成人仰卧时腹内容物压迫膈肌，可能对相关参数产生一定影响。婴儿与成人的生理呼吸差异较大，婴儿胸廓更接近于圆形，肋间肌较弱，Ⅰ型肌纤维占比较小，膈肌收缩效率较低，故年龄越小越易发生VIDD[27]。有报道[28]称脓毒症患者膈肌萎缩更为明显，但多数临床试验未将脓毒症列为排除标准。电生理监测膈肌是衡量神经呼吸驱动力和呼吸力的方法，在临床试验中加入电生理监测可更好地验证超声评估膈肌功能状态的准确性。

综上所述，膈肌在呼吸运动中具有重要作用，MV过程中膈肌变化较大，涉及复杂的病理生理机制。超声可在MV过程中实时监测膈肌，调整呼吸机使用参数，预测撤机时机，及时判断是否发生VIDD，还可为MV后治疗方案提供指导。