膈肌保护性通气的概念及进展

程 卫 隆 云

(中国医学科学院&北京协和医学院 北京协和医院重症医学科 疑难重症及罕见病国家重点实验室, 北京100730)

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是由多种病因引起的肺部急性炎症反应，以炎性细胞浸润、肺泡上皮细胞及肺泡毛细血管内皮细胞损伤为主要病理改变，以顽固性低氧血症、呼吸窘迫、肺顺应性下降为主要临床特征。ARDS患者肺容积减少、肺顺应性下降以及出现严重的通气血流比例失调，由于富含细胞和蛋白的肺水肿液增加及表面活性物质失活，常导致重力依赖性肺不张[1-2]。机械通气是治疗严重呼吸衰竭的一种呼吸支持疗法，但机械通气是一把双刃剑。一方面机械通气可以维持氧合、增加肺容积，减少呼吸做功，维持肺泡通气量，另一方面机械通气会对肺脏产生有害的损伤，呼吸机相关性肺损伤已经广为人知，这促使了肺保护性通气策略的出现[3-4]。

肺保护性通气策略对于避免呼吸机相关性肺损伤意义重大，但这一策略限制了呼吸机或患者自身呼吸努力对肺部施加的机械压力，近期的研究[5]显示机械通气也会损伤膈肌，机械通气通过多种机制导致肌肉损伤，并最终进入呼吸机相关膈肌功能损伤的共同通路，膈肌功能障碍在脱机困难发生中的作用日趋明显，膈肌保护性通气策略应运而出，膈肌负荷的加载量与机械通气参数的设置直接相关，机械通气过度支持、支持不足或人机对抗均会导致膈肌损伤。优化机械通气参数和膈肌负荷，减少人机不同步，可减轻或避免膈肌损伤，缩短机械通气时间。在进行膈肌保护时，不能忽略肺，因为自主呼吸可能对肺也有着重要的影响。肺保护仍然是首要考虑的因素，因为目前有充分的证据支持肺保护通气策略有利于改善ARDS患者预后。肺和膈肌保护性通气策略旨在通过最佳方式来降低机械通气的并发症，从而达到保护肺和膈肌的作用，保护性通气策略强调优化患者呼吸努力来避免肺和膈肌的损伤，但同时需要保证呼吸相关指标在可接受范围内[5-7]。

1 肺保护性通气策略

肺保护性通气策略强调限制机械通气造成肺的应力与应变，从而减少肺损伤。肺损伤可来自：肺过度膨胀(气压伤、容积伤)、肺塌陷等。肺损伤可表现在机械通气相关的肺损伤(ventilator induced lung injury, VILI)、患者自主呼吸努力造成的肺损伤(patient self-induced lung injury, P-SILI)。肺保护性机械通气策略的主要目标并不是为了使氧分压、二氧化碳分压和酸碱等指标恢复正常，而是保证患者安全的情况下让肺充分休息，避免进一步加重肺损伤。具体措施如下。

1.1 小潮气量

由于大量肺泡塌陷，ARDS患者肺容积明显减少，常规或大潮气量通气易导致肺泡应力和应变过高，出现VILI。采用小潮气量通气策略，维持气道平台压<30 cmH2O(1 cmH2O=0.098 kPa)，有助于限制肺泡所受的应力。ARDSnet的研究[8]显示，小潮气量通气(6 mL/kg理想体质量)的ARDS患者组病死率显著降低，奠定了小潮气量作为ARDS肺保护通气的基础。但对于部分重度ARDS患者，即使采用6 mL/kg的潮气量，平台压仍可超过30 cmH2O，可考虑进一步降低潮气量至4 mL/kg左右，即所谓“超级肺保护性通气策略”，由于过低的肺泡通气量可导致严重的高碳酸血症，该方法可能需要体外二氧化碳清除等技术的支持[9]。

1.2 肺复张

肺复张手法(recruitment maneuver, RM)是指在有创正压通气过程中通过短暂给予明显高于常规的气道及肺泡内正压，以增加跨肺压、复张萎陷肺泡的一类操作方法。由于肺泡的压力-容积曲线在吸气和呼气相之前存在滞后效应，在肺复张后可以用较小的呼气末正压维持肺泡开放状态，这是肺复张策略的基本原理。临床常用的肺复张手法包括控制性肺膨胀、压力控制法和呼气末正压(positive end-expiratory pressure，PEEP)递增法。理论上，肺复张能够促进塌陷肺泡重新开放，减少分流，从而改善氧合，同时通过增加呼气末肺容积从而减少肺泡应力。然而在临床研究中，肺复张虽能减少ARDS患者采用体外膜式氧合等挽救性措施的概率，但循证医学证据[10]却不支持肺复张可改善ARDS患者预后。其原因可能与肺复张的时机、采用的压力、不同ARDS患者肺可复张性存在差异等因素有关，尚需进一步研究。通常认为，早期、肺外源性ARDS患者的肺复张效果较好。

1.3 PEEP的选择

PEEP的应用旨在通过复张塌陷的肺泡、改善分流，从而改善氧合，并减少塌陷与开放肺泡之间的剪切力。然而，由于ARDS肺部病变存在高度不均一性，过高的PEEP也可导致非塌陷肺泡的过度膨胀，且PEEP也可对肺血流和全身血流动力学造成影响。因此PEEP的选择需要临床医生在维持肺泡开放及避免过度膨胀间进行权衡，同时兼顾对血流动力学的影响。

关于ARDS“最佳PEEP”的设置，目前仍没有标准答案。对于总体ARDS患者而言，较高PEEP可降低病死率。ARDS患者异质性可能是多项随机对照研究[10]未能得出PEEP改善预后的主要原因。一些亚组分析[3，11]提示，较高的PEEP可能改善中重度ARDS患者的预后。为ARDS患者设置个体化的PEEP是近年的研究热点。个体化PEEP的设置方式如下：①最大顺应性法：通过 PEEP 递减观察肺顺应性变化，取顺应性最佳时对应的PEEP；②低位转折点法：描记肺静态压力-容积曲线基础上，取曲线吸气支低位转折点压力+2 cmH2O作为选择的PEEP；③跨肺压法：根据使用食道压监测技术测量跨肺压，从而设置维持肺泡开放的最低PEEP；④肺电阻抗断层成像技术(electrical impedance tomography, EIT)：使用EIT监测不同PEEP水平下肺泡塌陷和过度膨胀的比例，借此选择塌陷和过度膨胀程度最低的PEEP[3,11-13]。

1.4 自主呼吸

自主呼吸对ARDS患者的影响呈两面性。一方面，自主呼吸可增加重力依赖区肺通气，改善通气血流匹配程度，从而改善氧合。保留自主呼吸可以避免或减轻膈肌萎缩，避免ARDS患者随后出现呼吸肌力不足导致的脱机困难。另一方面，强烈的自主呼吸可导致肺泡应力增大、出现“呼吸钟摆”现象、人机不同步发生率增加、以及肺血流和跨肺血管压力增加继而血管渗出增多等负面效应，从而加重肺损伤。因此，重度ARDS患者早期应抑制过强的自主呼吸，以避免肺损伤；轻、中度ARDS患者早期即可考虑保留自主呼吸，以改善氧合和保留膈肌通气功能[14]。

2 膈肌功能障碍的提出和发生机制

众所周知，肺保护性通气策略对于避免呼吸机相关性肺损伤意义重大，然而近期的研究[15-16]显示机械通气也会损伤膈肌，机械通气后膈肌活动缺如、无负荷承受可导致膈肌废用性萎缩，机械通气过程中膈肌与呼吸机不同步等均导致的膈肌功能受损，被称为“呼吸机诱导的膈肌功能障碍(ventilation induced diaphragm dysfunction，VIDD)”。VIDD是指由机械通气、膈肌去负荷所导致的机制尚不明确的膈肌萎缩、收缩功能障碍，且不能被脓毒症、药物、代谢紊乱、营养不良、后天获得性神经肌肉病变等所解释的现象。膈肌功能障碍与机械通气时间延长、撤机失败率和病死率升高相关。膈肌损伤和功能障碍对机械通气患者的结局有深远的影响。膈肌发生废用性萎缩的速度是其他骨骼肌的8倍，多种机械通气的动物模型研究[15]显示：控制通气12 h即会出现膈肌收缩力的下降，其程度随通气时间延长而加重，12 h可下降18%，18 h则可下降48%，机械通气24 h后64%的患者会出现膈肌无力。控制通气1～ 3 d使离体膈肌最大等长收缩降低分别30%和50%。Levine等[17]一项标志性研究显示：脑死亡器官捐献行机械通气的患者，18 ～ 72 h机械通气后造成膈肌肌纤维普遍萎缩，快肌和慢肌纤维横截面积分别降低57%和53%。脓毒症、糖皮质激素、神经肌肉阻滞剂等药物以及休克、低氧血症等均可能会导致VIDD。

机械通气的不当设置不但能够损伤肺(气压伤和肺容积伤)，还包括呼吸肌——膈肌的损伤。机械通气通过多种机制导致肌肉损伤，并最终进入呼吸机相关膈肌功能损伤的共同通路。①过度辅助性肌肉损伤(废用性萎缩)，机械通气引起膈肌功能障碍的最重要的生理机制是由于吸气肌的抑制而导致的废用性萎缩；②辅助不足性肌肉损伤(同轴负荷诱导的损伤)，过度负荷(等张/同心负荷)引起的收缩会导致急性膈肌损伤、炎症和无力；③偏心负荷诱导的损伤，偏心负荷(当膈肌在肌肉延长时收缩)比同轴负荷更有害。这种形式的伤害可能发生在以下情况：其一，在急性肺损伤和肺不张的患者中，膈肌在呼气时可以收缩，以防止呼气末肺容积减少，这种现象被称为“呼气制动(expiratory braking)”。其二，某些形势下患者-呼吸机不同步导致膈肌收缩出现在呼吸机的呼气阶段。在这种情况下，即使肺容积减少，膈肌也可能收缩，导致偏心收缩。理论上容易产生这种偏心负荷的不同步类型包括无效的努力、反向触发和过早(短)切换；④呼气性肌肉损伤(纵向性萎缩)：这种“纵向萎缩”也可能是由于机械通气时呼气末压力过大所致。当呼气末正压作用于肺，呼气末肺容积增加时，膈肌保持较短的长度。实验[16，18]表明，这似乎会导致纤维长度的急剧缩短，以保持每个肌节的最佳长度，类似于慢性阻塞性肺病患者中观察到的膈肌长度的慢性缩短。因此，PEEP的急性下降(撤机试验的时候)可能产生膈肌过度牵张超过其最佳长度，损害膈肌性能。

3 膈肌保护性通气策略

实施膈肌保护性通气策略最重要的方法是保持适当水平的吸气膈肌用力，同时避免患者-呼吸机不同步。因此，膈肌保护通气策略需要直接监测吸气努力，并调整通气参数以达到所需的膈肌努力水平。这样的监测也将有助于发现患者-呼吸机的不同步，并指导膈肌在通气过程中避免不同步的努力。

3.1 最佳努力水平

预防膈肌功能障碍的最佳努力水平尚未确定，可能依据患者的临床情况而有所不同。多组证据[6，19-20]显示，保持相对较低、类似于健康人静息水平的努力可能是最有效的方法。证据如下：①过度和不足的努力会妨碍膈肌疲劳的恢复；②这种低于正常呼吸功的适应性支持通气可防止猪模型的膈肌萎缩；③与脱机失败患者食道压变化范围12 ～ 20 cmH2O相比，成功脱机患者的吸气努力更接近静息水平，其食道压变化范围为4 ～ 8 cmH2O，说明静息努力的水平是更好接受且利于恢复的；④在机械通气的前3 d，平均增厚率为15%～30%的患者膈肌厚度较稳定，且机械通气时间最短，U型的关系曲线是指导膈肌保护性策略目标最好的临床证据。

3.2 吸气努力监测

通过吸气努力监测，可以协助保证机械通气过程中安全的自主呼吸。

3.2.1 食道压(esophageal pressure,Pes)监测自主呼吸

食道压监测技术是监测呼吸努力和呼吸做功的金标准，通过食道压监测可以获得跨肺压。虽然局部可能存在不同，但可以用食道压来代替重力依赖区胸腔内压，通过气道压减去食道压来计算跨肺压。在肺损伤患者中，吸气相跨肺压超过20 cmH2O需要引起警惕，以达到降低损伤风险的目的。需要注意的是，由于局部通气异质性和气体摆动的存在，所测量的跨肺压会低估依赖区肺所受到的应力。由于气体摆动现象的存在，动态改变的跨肺压更能反映自主呼吸过程中的损伤风险[21-22]。

3.2.2 通过呼吸阻断动作监测自主呼吸

呼气和吸气的阻断是监测辅助机械通气简单易行、无创并且相当可靠的方法[23-24]。

(1)吸气阻断：吸气末短暂阻断是在被动机械通气中测量平台压(plateau pressure,Pplat)广泛使用的方法。计算Pplat与PEEP之间的差值可得到驱动压，反映动态肺应力和损伤风险，与ARDS病死率密切相关。Mauri等[22]发现在辅助通气过程中，短暂吸气末阻断也能可靠测量Pplat，吸气末阻断时，收缩的吸气肌肉舒张，气道平台压力升高，在呼吸机波形上能够轻易检测到。而当辅助足够或过度时，吸气努力较低，Pplat在阻断时与控制通气类似。辅助通气时吸气末阻断较高的Pplat能够预测病死率。

(2)呼气阻断：呼气阻断在被动通气患者中通常用来测定内源性PEEP，或在辅助通气患者中，在最大自主吸气努力过程中测定最大吸气压力。随机而短暂(约一个呼吸周期)的呼气末阻断测量的气道压力变化能够用来评估吸气努力。在阻断状态下，气道压的变化为胸膜腔内压变化所致。所以，阻断时的气道压力变化(occlusion pressure,△Pocc)能够用来评估患者呼吸努力所带来的胸膜腔内压力的改变及其大小。基于此，只要患者平静呼吸的呼吸驱动未发生改变，呼气末的单次、短暂、意料外的阻断所测得的△Pocc能够用来预测呼吸周期的Pes和跨肺压变化。对于辅助呼吸的患者，短暂的呼气末阻断是一种实用而无创的常规测定呼吸努力和跨肺压是否过度或不足的方法。

3.2.3 膈肌电活动监测自主呼吸

使用具有肌电图导联的特殊导管能够监测膈肌电活动(electrical acitivity of the diaphragm,EAdi)，EAdi和跨膈压可比，并且比体表肌电图更为实用。

当患者的通气是由神经调节辅助通气(neurally adjusted ventilatory assist，NAVA)，患者呼吸机交互得到改善，EAdi还能帮助医师识别不同类型的人机不协调。研究[25]证实EAdi趋势能够早期识别脱机失败，脱机过程中EAdi不断升高提示患者自主呼吸试验失败，而通过自主呼吸试验(spontaneoous breathing test, SBT)的患者膈肌活动保持稳定，EAdi的改变先于呼吸肌疲劳征象。作为一种电信号，EAdi体现的是呼吸驱动输出而不是膈肌力量的产生，即呼吸驱动，而非吸气努力。健康人平静呼吸状态下，EAdi波动在5～30 μV，由于EAdi的变异率很大，机械通气时很难明确目标EAdi为多少。考虑到电活动和压力产生的偶联在一段时间内保持不变(呼气阻断测得神经-机械偶联=Pmus/EAdi)，EAdi可以用来评估正常的呼吸周期下每一次呼吸下的呼吸肌肉压力(respiratory muscle pressure, Pmus)。

3.2.4 膈肌超声监测自主呼吸

膈肌超声技术是一种无创、易行并且可复制的手段。呼吸周期中的膈肌增厚率(thickening fraction，TFdi)和产生的吸气压力及EAdi相关，可用于评估膈肌无力。最大吸气努力下的TFdi值小于30%提示膈肌无力，具有很高的敏感性。每天测量呼气末膈肌厚度能够检测出呼吸肌的结构改变。在机械通气的患者中，膈肌厚度随着时间增加提示吸气努力过度可能代表了辅助不足的肌肉损伤。平静呼吸下TFdi为15%～30%和膈肌厚度稳定及最短时间机械通气相关[19]。

4 膈肌保护性机械通气策略的临床实施

膈肌保护性通气的要点：

(1)机械通气过程中尽量保持膈肌自主活动，早期开始实施膈肌保护，包括以下膈肌萎缩在插管机械通气2 ～ 3 d内即可发生，因此应尽早实施膈肌保护性机械通气。动态监测下滴定镇静镇痛剂量，在安全状态下尽早调整通气模式和镇静镇痛量以保持膈肌自主活动。但需警惕，镇静深度与膈肌活动的相关性很差，不能作为呼吸驱动的替代指标，镇静对呼吸驱动的影响需要特定的监测。

(2)避免人机不同步等潜在因素造成的膈肌损伤：人机不同步导致有害的膈肌负荷，如何应用和监控通气模式可能比模式本身的选择更重要，理论上，比例辅助通气模式通过改善患者与呼吸机的交互来减少不同步，有助于达到膈肌保护的目标。此外，神经调节的辅助通气与膈肌功能的改善有关。

(3)监测呼吸力学，监测膈肌功能：确保机械通气期间安全的自主呼吸，保持膈肌恰当的负荷，避免机械通气辅助过度或不足，如使用食道压、呼气阻断、膈肌超声等监测手段，监测气道阻断压(airway occlusion pressure，P0.1)、Pocc、△Pes、跨膈压(transdiaphragmatic pressure, Pdi)，膈肌增厚率等，保证患者存在自主呼吸，吸气努力适中，处在U型曲线的最低点，在肺保护的同时实现膈肌保护。

膈肌保护性机械通气策略是基于膈肌损伤提出的新的机械通气概念。膈肌负荷的加载量与机械通气参数的设置直接相关，机械通气过度支持、支持不足或人机对抗均会导致膈肌损伤。优化机械通气参数和膈肌负荷，减少人机不同步，可减轻或避免膈肌损伤，缩短机械通气时间[6]。

5 平衡肺保护和膈肌保护性通气

在进行膈肌保护时，不能忽略肺，因为自主呼吸可能对肺也有着重要的影响。肺保护仍然是首要考虑的因素，因为目前有充分的证据支持肺保护通气策略有利于改善ARDS患者预后。过度地吸气努力会显著增加肺实质的压力，尤其是在肺背侧区，这种公认的肺损伤机制被称为P-SILI。膈肌缩短主要发生在肺背侧。如果肺的时间常数很短(如当机械顺应性降低时)，肺失去其液体样的膨胀特性，在早期吸气时，气体从非依赖区向依赖区再分配(摆动呼吸)，导致区域性的过度伸展，从而造成肺实质损伤。因此，保护膈肌的通气策略也需要保护肺。至关重要的是，肺和膈肌是否总是可以同时得到保护，尤其是对于重症ARDS患者。肺和膈肌保护性通气策略旨在通过最佳方式来降低机械通气的并发症，从而达到保护肺和膈肌的作用，保护性通气策略强调优化患者呼吸努力来避免肺和膈肌的损伤，但同时需要保证呼吸相关指标在可接受范围内[7,14,20,26]。

床旁实现肺和膈肌保护目标的策略包括设置合适的吸气和呼气相呼吸参数，监测吸气努力和呼吸驱动，管理人机不同步和适度镇静。体外二氧化碳清除、部分肌松策略和神经肌肉刺激也可能起到一定的作用。具体措施如下：

(1)维持足够的气体交换：通气目标与肺保护性通气相一致：pH 7.20 ～ 7.25， PaO255 ～ 80 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa)，SpO288% ～ 95%。

(2)基于肺保护目标进行设置：预测体质量 6 ～ 8 mL/kg设置潮气量，平台压小于30 cmH2O，静态跨肺压摆动12 cmH2O以内。

(3)保持适度的吸气努力来保护膈肌，同时避免过度吸气努力：最佳吸气努力目标控制在健康人平静呼吸状态，保持呼气周期同步。患者的吸气努力可通过吸气压力和流量、改变通气模式或改变镇静药物剂量和类型来调节。

(4)最大限度减少患者肺不张：通过PEEP滴定来维持肺复张，目前常用的PEEP滴定方案有：PEEP-FiO2表格法、最佳氧合/顺应性法、压力-容积曲线法、应力指数法、食道侧压法和影像学方法等。哪一种方法更为合理，目前尚无定论。

(5)其他：①肌松药的使用：指南[27]建议对早期中质量度ARDS患者进行机械通气时可短时间使用肌松药物，当呼吸努力过强时，低剂量肌松药物使用部分肌松策略可实现肺和膈肌的保护性通气。但目前尚缺乏大规模临床研究判断其有效性；②神经肌肉电刺激：神经肌肉电刺激可帮助患者恢复肌力从而改善病情。此外，通过诱发膈肌电活动可以改善患者肺部通气情况，避免肺不张。但应用过程中需注意这种电刺激必须与呼吸机同步，否则会引起人机不协调，加重损伤；③体外生命支持技术(extracorporeal life support，ECLS)：适用于常规治疗无效且缺氧严重情况下的抢救治疗，通过允许超保护控制和辅助通气从而防止肺和膈肌损伤。体外二氧化碳清除(extracorporeal carbon dioxide removal, ECCO2R)在降低ARDS患者的潮气量、驱动压、呼吸力和机械功率方面是可行的，但急性呼吸衰竭患者通过清醒ECCO2R限制过度呼吸驱动的可行性、安全性和有效性需要进一步研究。

鉴于此，机械通气的时候要降低膈肌损伤，避免膈肌废用同时避免膈肌做功增加。理想的呼吸状态是平静休息时候的自然呼吸，即无呼吸窘迫，又不过度支持，这也是机械通气所追求的最佳呼吸模式。

6 结论

在通气过程中预防膈肌损伤被认为是机械通气领域一个急迫的需求，有可能极大地改善患者的预后，膈肌保护性通气是一个新概念，必须避免过度和不足的吸气努力带来的有害影响，随着目前的认知逐渐发展，实施膈肌保护通气最重要的是确定不同临床情况下膈肌活动的安全限值，并且确定这些目标的可行性，预防膈肌损伤，改善ARDS患者的临床结局。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明程卫：查阅文献，设计研究方案，撰写论文；隆云： 提出研究思路，总体把关，审定论文。