機(jī)械通氣策略在體外膜肺氧合過(guò)程中的應(yīng)用

殷江文 繆紅軍

南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院急診/重癥醫(yī)學(xué)科210008

體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)是一種為常規(guī)治療難以治愈的呼吸衰竭患者提供臨時(shí)呼吸支持的技術(shù)。在靜脈-靜脈ECMO期間,血液從患者的靜脈中排出并泵送入人工膜肺,進(jìn)行氧化與二氧化碳被去除,最終被輸送回患者的靜脈系統(tǒng)。

ARDS被定義為以難治性低氧血癥為特征的危及生命的疾病[1]。盡管過(guò)去幾十年在重癥監(jiān)護(hù)管理方面取得了一些進(jìn)展,但ARDS病死率仍然高達(dá)34%～58%[2],大量幸存者持有永久性身體和神經(jīng)心理障礙[3],導(dǎo)致生活質(zhì)量明顯下降。多年來(lái),ARDS呼吸支持的相關(guān)研究顯示,僅保護(hù)性肺通氣策略[4]及俯臥位通氣[5]能夠改善患者預(yù)后,對(duì)常規(guī)機(jī)械通氣策略不能維持的重度ARDS患者,ECMO可作為挽救性措施替代或部分替代其正常肺的功能。

1 背景

1972年,ECMO首次成功應(yīng)用于創(chuàng)傷后的ARDS患者[6]。隨后的美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院贊助的第1項(xiàng)將ECMO用于治療ARDS與機(jī)械通氣治療進(jìn)行比較的隨機(jī)試驗(yàn)卻以2組均高達(dá)90%的病死率而中斷[7]。分析其原因,可能是機(jī)械通氣參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。當(dāng)時(shí),機(jī)械通氣組吸入氣中的氧氣濃度(fraction of inspiration O2,FiO2)很高,正壓通氣的不利影響尚未得到充分認(rèn)識(shí)。盡管ECMO組FiO2降低,但其他通氣參數(shù)大多不變,如潮氣量為10～15 ml/kg,平臺(tái)壓為40～50 cm H2O(1 cm H2O=0.098 kPa)。

幾年后,Kolobow等[8]分析ECMO失敗原因得出,高氣道壓力、高潮氣量、高呼氣末正壓(positive end expiratory pressure,PEEP)、高FiO2,或伴有嚴(yán)重和致命的肺組織堿中毒導(dǎo)致的嚴(yán)重肺灌注不足等因素不利于嚴(yán)重肺部疾病的康復(fù)。ECMO的目標(biāo)從“為肺贏得治愈的時(shí)間”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆狗涡菹ⅰ?同時(shí)要避免進(jìn)一步損傷,即后來(lái)稱之為呼吸機(jī)相關(guān)肺損傷(ventilator-induced lung injury,VILI)。同一年,Gattinoni等[9]提議利用ECMO降低呼吸頻率、潮氣量和氣道壓力,有利于肺部愈合。然而,1994年的一項(xiàng)基于此設(shè)想的第2次隨機(jī)臨床試驗(yàn),再次得到了負(fù)面結(jié)果[10]。此后,很少有中心繼續(xù)選擇靜脈-靜脈ECMO作為呼吸衰竭患者最后的嘗試。

在英國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)試驗(yàn)CESAR發(fā)表后,人們對(duì)ECMO的新興趣再次上升[11],直至2009年H1N1流感大流行導(dǎo)致ECMO作為一種成功的救治療法得到全世界的廣泛關(guān)注[12]。

2 ECMO期間氣體交換的病理生理學(xué)機(jī)制

ECMO期間,血液的氧合和二氧化碳去除的機(jī)制有所不同。血液的氧合取決于通過(guò)人工膜肺的血流、血紅蛋白濃度和氧飽和度。相對(duì)恒定的血紅蛋白濃度和混合靜脈血氧飽和度(通常約70%)限制了向患者提供氧氣的能力。因此,需要提高血流量(4～7 L/min)來(lái)提供正常的氧氣供應(yīng)。不一致的是,血液中的二氧化碳含量很高(通常約為0.5 L/L血液)。但吹掃氣流降低了中空纖維內(nèi)的二氧化碳分壓,從而增加了血流和氣流之間的壓力梯度,因此,可以在0.5 L/min的血流量下實(shí)現(xiàn)總二氧化碳的去除,即分鐘二氧化碳的產(chǎn)生[13]。

3 ECMO期間為何還需機(jī)械通氣

ECMO的主要目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)可行的血液氣體交換的同時(shí),將VILI的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。通過(guò)人工肺去除二氧化碳允許正常肺通氣成比例減少,從而實(shí)現(xiàn)了肺保護(hù)性通氣策略。然而,在設(shè)置低PEEP水平的極低潮氣量通氣期間,可以觀察到由肺塌陷引起的呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性下降。與通氣不足相關(guān)的其他風(fēng)險(xiǎn)是重吸收性肺不張,危及生命的低氧血癥,以及由于肺塌陷和肺動(dòng)脈高壓導(dǎo)致的右心衰竭。因此,ECMO期間仍需要機(jī)械通氣支持。

4 ECMO期間呼吸機(jī)參數(shù)的設(shè)置

在ECMO期間對(duì)正常肺的通氣策略仍然存在爭(zhēng)議,報(bào)道的呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)置變化很大,只有不到30%的ECMO中心明確地共享其機(jī)械通氣協(xié)議[14]。幾項(xiàng)研究記錄了體外支持開始后呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)置的變化。在大多數(shù)情況下,呼吸機(jī)設(shè)置的參數(shù)值均減少:潮氣量平均減少2 ml/kg(從6 ml/kg到4 ml/kg),平臺(tái)壓力平均減少5 cm H2O(從31 cm H2O到26 cm H2O),驅(qū)動(dòng)壓力平均減少5cm H2O(從19 cm H2O到14 cm H2O),呼吸頻率平均減少4 bpm(從22 bpm到18 bpm),FiO2減少至30%,PEEP平均減少1 cm H2O(從14 cm H2O到13 cm H2O)[15-17]。

4.1 平臺(tái)壓、驅(qū)動(dòng)壓、潮氣量 所有ECMO中心都認(rèn)識(shí)到吸氣壓力限制最大值為25～30 cm H2O的重要性,體外生命支持組織指南建議限制在25 cm H2O[18]。在CESAR試驗(yàn)中,峰值吸氣壓力為20～25 cm H2O被認(rèn)為是有益的[11]。Pham等[19]表明在急性呼吸衰竭患者使用ECMO第1個(gè)24 h內(nèi)降低的平臺(tái)壓與生存率顯著相關(guān),而設(shè)置高水平平臺(tái)壓與死亡率顯著相關(guān)(26 cm H2O比32cm H2O)。Serpa Neto等[17]收集了9個(gè)研究中心的545份數(shù)據(jù),在ECMO應(yīng)用后第1個(gè)24 h內(nèi)潮氣量從6 ml/kg降至4 ml/kg,使得平臺(tái)壓和驅(qū)動(dòng)壓降低了約5 cm H2O,并且驅(qū)動(dòng)壓的下降是唯一一個(gè)顯示出與院內(nèi)死亡率獨(dú)立關(guān)聯(lián)的通氣參數(shù)。Schmidt等[16]回顧性地收集了3個(gè)研究中心的數(shù)據(jù),顯示潮氣量從(6.3±1.5)ml/kg降至(3.9±1.6)ml/kg,平臺(tái)壓和驅(qū)動(dòng)壓平均下降約5cm H2O?？梢?jiàn),平臺(tái)壓和驅(qū)動(dòng)壓的降低可以通過(guò)降低潮氣量實(shí)現(xiàn)。Marhong等[14]收集并分析了141例數(shù)據(jù),大多數(shù)中心遵循保護(hù)性通氣策略,45%的中心使用的潮氣量在4～6 ml/kg,31%的中心使用的潮氣量低于4 ml/kg,甚至使用低至1.9 ml/kg的潮氣量仍可獲得有利結(jié)果[20]。而Kornecki等[21]研究顯示,高水平(30 ml/kg)的潮氣量更易引起肺活量,即肺順應(yīng)性的下降。

以上可知,潮氣量不是直接設(shè)定的目標(biāo),而是在設(shè)定了安全的平臺(tái)壓之后,可以最大限度的降低,同時(shí)還應(yīng)保證一定程度的驅(qū)動(dòng)壓,理論上講,PEEP不能過(guò)低。

4.2 PEEP 查閱文獻(xiàn)可知,在使用ECMO后關(guān)于PEEP的設(shè)定顯示出更高的可變性,主要考慮2種通氣策略:(1)全肺休息策略,即應(yīng)用非常低的潮氣量和PEEP；(2)開放性肺通氣策略,即低潮氣量和高PEEP水平,兩者明顯相悖。PEEP在VILI中的作用是多因素的。一方面,PEEP的增加決定了靜態(tài)應(yīng)變的增加,并且如果不存在肺泡募集,甚至過(guò)度擴(kuò)張會(huì)增加平臺(tái)壓和驅(qū)動(dòng)壓。此外,不適當(dāng)?shù)母咚絇EEP具有繼發(fā)于靜脈回流減少和右心后負(fù)荷增加的血流動(dòng)力學(xué)不利影響。另一方面,取決于相關(guān)肺泡募集的量,PEEP的增加可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)壓、平臺(tái)壓和動(dòng)態(tài)應(yīng)變的降低。此外,PEEP可以穩(wěn)定肺泡并防止不張性肺損傷。在使用非常低的潮氣量和呼吸頻率導(dǎo)致肺泡不穩(wěn)定和肺塌陷的ECMO期間,呼吸系統(tǒng)依從性降低,驅(qū)動(dòng)壓的預(yù)期降低被傾倒,并且不張性肺損傷的機(jī)制加劇?？梢?jiàn),PEEP可能起著重要的保護(hù)作用[16]。而潮氣量的降低導(dǎo)致動(dòng)態(tài)應(yīng)變降低,平臺(tái)壓和驅(qū)動(dòng)壓的降低可能是VILI的最重要的決定因素。

在對(duì)20只動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)研究中,Protti等[22]研究表明在相同水平的有害總應(yīng)變下,與施加低靜態(tài)應(yīng)變和高動(dòng)態(tài)應(yīng)變相比,高靜態(tài)和低動(dòng)態(tài)應(yīng)變(即高PEEP和低潮氣量)的組合與較少的VILI顯示出更好的相關(guān)性,說(shuō)明VILI普遍與動(dòng)態(tài)應(yīng)變有關(guān),靜態(tài)應(yīng)變可能起到保護(hù)作用。在Schmidt等[16]的研究中,使用ECMO的第1個(gè)24 h內(nèi)較高的PEEP水平與更好的生存率相關(guān)。

綜合相關(guān)多中心研究分析,仍有幾點(diǎn)需要注意[11、15-17、19、23-30]。首先,在使用ECMO的第1個(gè)24 h內(nèi),PEEP平均值有些許降低,約1～2 cm H2O。就同一研究中心而言,PEEP可能在同一中心的不同患者上減少或增加,PEEP平均值的這種微小變化也就掩蓋了患者的個(gè)體差異。其次,在使用ECMO前,PEEP平均值(12～18 cm H2O)也存在很大差異,這反映了使用ECMO前各中心的PEEP標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。理論上,在PEEP短時(shí)間大幅度降低之后,將會(huì)有更多的肺泡塌陷和更多的對(duì)正常肺的不利影響,這可以解釋為什么在使用ECMO前存在高PEEP水平的研究中,第1個(gè)24 h內(nèi)PEEP沒(méi)有變化。第三,獨(dú)立于任何其他呼吸機(jī)參數(shù)的PEEP是殘余正常肺功能的主要決定因素。在低PEEP水平下,正常肺塌陷,完全失去氧合功能,此時(shí)需要增加ECMO的血流量。同時(shí)正常肺血管阻力增加,難治性肺動(dòng)脈高壓形成,甚至引起右心衰竭,這對(duì)需要從靜脈-靜脈ECMO轉(zhuǎn)換為靜脈-動(dòng)脈ECMO。

4.3 呼吸頻率 呼吸頻率的設(shè)定存在爭(zhēng)議,總體而言,降低的呼聲較高,爭(zhēng)議的只是程度問(wèn)題。一方面,體外生命支持組織指南推薦使用低水平的呼吸頻率(5～10 bpm),這樣可以最小化VILI的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,適當(dāng)降低呼吸頻率(＞5～10 bpm),可以保持p H和二氧化碳在正常范圍內(nèi)[31],從而避免可能由ECMO的二氧化碳去除引起的低碳酸血癥。

4.4 FiO2高血流量的ECMO能夠提供足夠的氧合支持,所以FiO2也隨之降低,以限制氧中毒和吸收肺不張的風(fēng)險(xiǎn)。從ECMO最初應(yīng)用以來(lái),除少數(shù)幾個(gè)研究中心將FiO2直接降至30%,大多數(shù)研究中心的FiO2為逐漸下降。

5 總結(jié)

ECMO無(wú)疑給難以治愈的呼吸衰竭患者帶來(lái)了希望,ECMO期間的最佳機(jī)械通氣策略仍有爭(zhēng)議,各個(gè)研究中心之間存在很大差異。綜上所述,本文得出的結(jié)論是,在確保安全的平臺(tái)壓下,潮氣量可以盡量降低；同時(shí)為了保證一定的驅(qū)動(dòng)壓,要兼顧保護(hù)性肺通氣策略,PEEP可以適度降低,但不能太低；呼吸頻率可以適度降低,減輕VILI的同時(shí)避免低碳酸血癥；保守起見(jiàn),FiO2可以逐漸降低；當(dāng)然,最重要的是,各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整都應(yīng)該基于對(duì)患者本身情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突