重癥監(jiān)護(hù)病房膈肌功能監(jiān)測研究進(jìn)展

王穎 王金榮

河北醫(yī)科大學(xué)附屬哈勵遜國際和平醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,衡水 053000

有創(chuàng)機(jī)械通氣廣泛應(yīng)用于急慢性呼吸衰竭,但其引起的相關(guān)損傷,尤其是呼吸肌失用而導(dǎo)致的膈肌萎縮和功能障礙已成為重要問題,與脫機(jī)困難、機(jī)械通氣時間延長、呼吸機(jī)相關(guān)并發(fā)癥 (再插管、氣管切開)和死亡有關(guān)[1-3]。目前已有多項(xiàng)床旁膈肌功能監(jiān)測技術(shù)[4],如監(jiān)測膈肌電活動 (electrical activity of the diaphragm,Edi)可以記錄呼吸驅(qū)動的傳輸過程,超聲檢查可以直接觀察膈肌運(yùn)動,評估膈肌硬度和應(yīng)變能力,以及正在研發(fā)的膈神經(jīng)磁刺激技術(shù),無需受試者配合便能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化測量,尤其適于ICU 配合不佳的患者。本綜述將討論與膈肌功能障礙相關(guān)的臨床問題、膈肌功能監(jiān)測的重要性以及最新研究進(jìn)展。

1 膈肌功能生理學(xué)意義與監(jiān)測方法

膈肌位于胸腹腔之間,吸氣時膈肌下移,呼氣時膈肌上升至原來位置,因膈肌收縮而增加的胸腔容積約占一次通氣量的4/5,是最重要的吸氣肌,但無法直接檢查 (圖1)。因此,除了研究目的外,近年來臨床實(shí)踐中很少進(jìn)行膈肌功能監(jiān)測。然而,隨著膈肌超聲和專用食管導(dǎo)管記錄Edi等技術(shù)的出現(xiàn),情況發(fā)生了變化。在介紹這些技術(shù)之前,首先討論膈肌功能的含義和診斷膈肌功能障礙的參考方法。

圖1 膈肌解剖示意圖[5] A:胸壁、膈肌和膈神經(jīng)示意圖;B:膈神經(jīng)與周圍組織解剖毗鄰關(guān)系示意圖

1.1 膈肌增壓能力 膈肌的生理功能是縮短和產(chǎn)生牽引力,雖然這個力不能直接測量,但膈肌產(chǎn)生壓力的能力是可以測量的。當(dāng)膈肌收縮時下降到腹部,同時增加腹腔壓和降低胸腔壓,產(chǎn)生跨膈壓 (transdiaphragmatic pressure,Pdi)。最大Pdi,即用力吸氣所產(chǎn)生的Pdi,是評估膈肌功能最符合生理的方法。然而,由于鎮(zhèn)靜或譫妄導(dǎo)致ICU 患者缺乏合作能力,通常不能產(chǎn)生最大吸氣努力。為了克服這一問題,Watson等[6]通過監(jiān)測膈肌對雙側(cè)膈神經(jīng)磁刺激的反應(yīng)代表Pdi(顫搐性Pdi)。因膈肌僅受膈神經(jīng)支配,通過刺激膈神經(jīng)可以達(dá)到檢測膈肌功能的目的,刺激雙側(cè)膈神經(jīng)產(chǎn)生的顫搐性Pdi被認(rèn)為是評估膈肌收縮力的最好指標(biāo) (圖2)。雖然顫搐性Pdi對磁刺激的反應(yīng)不能代替最大Pdi,但優(yōu)點(diǎn)是無需受試者配合做努力吸氣動作,便能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化測量,尤其適用于ICU 等主觀檢查配合不佳的患者。顫搐性Pdi＜-11 cm H2O (1 cm H2O=0.098 kPa)定義為膈肌功能障礙[5]。

圖2 壓力支持通氣患者應(yīng)用膈神經(jīng)刺激技術(shù)示意圖[6]

1.2 膈肌超聲檢查 過去10年,膈肌超聲在ICU 中應(yīng)用越來越多,已經(jīng)有數(shù)項(xiàng)針對成人和兒童的研究發(fā)表[7-9]。當(dāng)膈肌收縮時,它會縮短、變厚、移位和變硬。超聲可以測量膈肌厚度、增厚和移動度 (圖3)。由于可行性的原因,膈肌超聲主要經(jīng)劍突下和肋間2個切面,選擇右側(cè)膈肌更容易獲得數(shù)據(jù)。劍突下切面顯示右側(cè)膈肌邊緣位移,位移測量值在觀察者內(nèi)和觀察者間一致性較好。最大吸氣量時,女性正常下限值＞3.6 cm,男性＞4.7 cm[11]。在健康患者中,膈肌位移與產(chǎn)生壓力能力的指標(biāo)之間存在中度相關(guān)性[12]。而在機(jī)械通氣患者中,膈肌位移與產(chǎn)生壓力的指標(biāo)(跨膈壓的壓力-時間乘積、Pdi、顫搐壓)相關(guān)性較差,但與脫機(jī)成功呈正相關(guān) (位移越大,成功率越高)。

圖3 經(jīng)劍突下和肋間切面進(jìn)行膈肌超聲掃描[5,10] A:肋間切面測量吸氣末 (a和c)和呼氣末 (b和d)膈肌厚度;B:劍突下切面測量膈肌位移 (箭頭示);C:超聲探頭掃查示意圖

相比之下,膈肌厚度與產(chǎn)生壓力能力或脫機(jī)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有顯著相關(guān)性[10]。膈肌超聲檢測到膈肌厚度減少,提示膈肌萎縮,但也有報道稱膈肌厚度會增加,考慮與呼吸過度用力有關(guān)[2],盡管這一觀察的意義尚不清楚。最近,肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者組織學(xué)上的膈肌萎縮癥與肺功能之間的關(guān)系, 得到了引人注目的結(jié)果。Guimar?es-Costa等[13]未能證明壓力產(chǎn)生能力的指標(biāo)與膈肌萎縮的嚴(yán)重程度之間有任何顯著關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)表明,萎縮只是膈肌功能障礙的標(biāo)志之一。

吸氣和呼氣之間膈肌厚度的變化可以計(jì)算增厚分?jǐn)?shù),定義為吸氣末和呼氣末膈肌厚度差與呼氣末膈肌厚度的比值,以百分比表示 (圖3)。測量膈肌增厚分?jǐn)?shù)比測量厚度重復(fù)性要差。增厚分?jǐn)?shù)與膈肌功能之間存在中度但非線性相關(guān),實(shí)際上膈肌收縮是由肌肉主動牽拉引起的的三維位移[4],因此,膈肌增厚分?jǐn)?shù)與產(chǎn)生壓力能力的指標(biāo)之間僅為中等相關(guān),范圍從健康患者的r2=0.32[14]到機(jī)械通氣患者的r=0.87[15]。這一廣泛的范圍表明,膈肌增厚分?jǐn)?shù)在量化膈肌努力方面作用有限。值得注意的是,最近一項(xiàng)研究中,增厚分?jǐn)?shù)評估膈肌力量的有效性受到了質(zhì)疑,健康患者在逐步增加吸氣負(fù)荷的情況下,從0到最大吸氣壓力的50%,增厚分?jǐn)?shù)保持不變[16]。作者解釋本研究操作者內(nèi)部可重復(fù)性系數(shù)低,可能是增厚分?jǐn)?shù)缺乏變化的原因。

在ICU 應(yīng)盡可能在最低通氣條件下測量膈肌增厚分?jǐn)?shù)(和膈肌位移),理想情況下將持續(xù)氣道正壓設(shè)為零或通過T 管測量,以避免低估膈肌增厚分?jǐn)?shù)和位移。機(jī)械通氣患者的膈肌增厚分?jǐn)?shù)低于29%與膈肌功能障礙有關(guān),預(yù)測脫機(jī)成功 (自主呼吸試驗(yàn)成功和/或拔管成功)的截?cái)嘀禐?5%～35%[7,17-19]。膈肌超聲和膈神經(jīng)刺激進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),2種方法都能準(zhǔn)確預(yù)測脫機(jī)結(jié)果[17]。然而各研究結(jié)果并不一致,一項(xiàng)針對45例接受自主呼吸試驗(yàn)患者的研究發(fā)現(xiàn),膈肌增厚分?jǐn)?shù)無法預(yù)測脫機(jī)失敗[20]。相比之下,其他作者發(fā)現(xiàn)在脫機(jī)試驗(yàn)失敗的患者中,膈肌增厚分?jǐn)?shù)較低[7]。另一項(xiàng)研究納入了脫機(jī)試驗(yàn)成功的患者,結(jié)果顯示拔管成功與未成功的患者在膈肌增厚或膈肌位移方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[21]。總之,這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在脫機(jī)期間標(biāo)準(zhǔn)化使用膈肌超聲的重要性。這個使用標(biāo)準(zhǔn)需要考慮測量時間 (脫機(jī)之前或試驗(yàn)期間)、目標(biāo)人群 (脫機(jī)失敗風(fēng)險最高的)、呼吸機(jī)模式 (非輔助通氣可以優(yōu)先)和參數(shù) (潮氣量或最大吸氣努力,取決于患者合作水平)。有作者建議將超聲參數(shù)與呼吸模式結(jié)合起來,Spadaro等[22]觀察到,在預(yù)測脫機(jī)結(jié)果時,膈肌位移與呼吸頻率之比優(yōu)于呼吸淺快指數(shù)、膈肌位移和最大吸氣壓。其他作者試圖評估輔助/控制模式和自主呼吸試驗(yàn)之間的位移時間指數(shù) (膈肌位移和吸氣時間的乘積)的變化,以預(yù)測拔管結(jié)局。輔助控制模式和自主呼吸試驗(yàn)之間的位移時間指數(shù)下降幅度小于3.8%,預(yù)測拔管成功的靈敏度為79.2%,特異度為75%[22-23]。

另一項(xiàng)研究中,對慢性阻塞性肺疾病急性加重的患者使用急診膈肌超聲評估膈肌功能,預(yù)測無創(chuàng)通氣失敗的風(fēng)險。膈肌增厚分?jǐn)?shù)小于20%,無創(chuàng)通氣失敗的可能性更大(風(fēng)險比=4.4,P＜0.001),且與入住ICU、住院期間及90 d病死率顯著相關(guān),膈肌增厚分?jǐn)?shù)與Pdi相關(guān)性好 (r=0.81,P=0.004)。膈肌增厚分?jǐn)?shù)小于20%,在預(yù)測無創(chuàng)通氣失敗方面 (曲線下面積為0.84),比基線p H 值和無創(chuàng)通氣早期p H 值和PaCO2變化更有優(yōu)勢[24]。

除了經(jīng)典的超聲衍生指標(biāo)外,膈肌的縱向縮短 (應(yīng)變)也可以通過斑點(diǎn)跟蹤來測量[16],膈肌硬度可以通過剪切波彈性成像來測量[25]。在骨骼肌中,應(yīng)變和等距收縮之間存在中到強(qiáng)的相關(guān)性[26]。應(yīng)變與Pdi也有很強(qiáng)的相關(guān)性(r2=0.72,P＜0.000 1)[16]。剪切波彈性成像是一種超聲成像技術(shù),無創(chuàng)測量剪切波速在目標(biāo)組織中的傳播,剪切波速與硬度指數(shù) (剪切模量)直接相關(guān)[27]。由于肌肉剪切模量與活動肌力之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系,超聲剪切波彈性成像提供了個體肌力變化的指標(biāo)。在健康患者中,次最大吸氣時口腔壓和膈肌剪切模量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性 (r2＞0.95)[25],在封閉氣道等容吸氣 (r=0.82)和吸氣負(fù)荷通氣 (r=0.70)時,Pdi和剪切模量之間均有很強(qiáng)的相關(guān)性[27]。膈肌應(yīng)變和剪切模量在評估膈肌功能方面能夠提供額外信息,但在ICU 患者中的研究尚未報道。

1.3 Edi Edi可以通過皮膚表面肌電圖或食管多電極陣列來測量。表面肌電監(jiān)測膈肌功能的主要優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)、無創(chuàng)的,但經(jīng)常受到心電圖或鄰近肌肉活動的影響,受電源和電磁干擾。通過專用的鼻導(dǎo)管、食管多電極陣列可以方便地記錄Edi,允許連續(xù)監(jiān)測Edi[28-29](圖4)。然而,Edi值很難解釋,因?yàn)殛P(guān)于 “正常”值的數(shù)據(jù)非常有限。最近一項(xiàng)研究報告了健康患者在自主呼吸時,Edi峰值中位數(shù)范圍較大 (5～30μV),但通常在15μV 左右[30]。

圖4 心源性休克對Pdi和Edi的影響[29]

Edi可與呼吸模式相結(jié)合,以評估驅(qū)動 (Edi)轉(zhuǎn)化為壓力或潮氣量 (tidal volume,VT)(神經(jīng)機(jī)械耦聯(lián))的過程。Edi和Pdi之間有很強(qiáng)的相關(guān)性,尤其是在呼氣末關(guān)閉期,這表明神經(jīng)機(jī)械效率比 (ΔPdi/ΔEdi)可以用于評估吸氣努力[31]。然而,神經(jīng)機(jī)械效率比測量的可重復(fù)性最近受到了質(zhì)疑,因?yàn)檫@些結(jié)果顯示出明顯的受試者間異質(zhì)性[32]。這種較差的可重復(fù)性可能是主要限制,臨床醫(yī)師必須從中選擇異質(zhì)性最小的方法,來估計(jì)Edi的吸氣肌肉力量[32]。

通過計(jì)算神經(jīng)通氣效率指數(shù) (VT/Edi),也可以研究Edi向VT 的轉(zhuǎn)化。VT/Edi比值可在早期預(yù)測自主呼吸試驗(yàn)通過與否。最后,人機(jī)呼吸貢獻(xiàn)指數(shù)可以用來確定在總吸氣VT 中患者和呼吸機(jī)各自的貢獻(xiàn),計(jì)算方法是無輔助通氣時 (無壓力支持)吸氣VT/Edi比值與輔助通氣 (有壓力支持)時吸氣VT/Edi比值進(jìn)行除法計(jì)算。人機(jī)呼吸貢獻(xiàn)指數(shù)越高,說明患者的貢獻(xiàn)越大。不過使用此方法測得人機(jī)呼吸貢獻(xiàn)指數(shù)的可靠性仍然很差,但使用輔助呼吸和非輔助呼吸的Edi匹配算法 (選擇Edi相似的輔助呼吸和非輔助呼吸)后,可靠性顯著提高[33]。

2 膈肌功能監(jiān)測的重要性

2.1 膈肌功能障礙臨床常見 Levine等[34]發(fā)表具有里程碑意義的一項(xiàng)研究,對14 例腦死亡患者 (膈肌無自主活動)進(jìn)行膈肌活檢發(fā)現(xiàn),機(jī)械通氣18～69 h后,膈肌纖維迅速萎縮,與膈肌蛋白水解增加相關(guān)。這一研究結(jié)果與動物試驗(yàn)及最新的超聲研究結(jié)果一致,機(jī)械通氣誘發(fā)的膈肌失用與膈肌萎縮和功能障礙有關(guān)[35]。除此之外,ICU 患者膈肌功能障礙還有其他幾個危險因素 (如膿毒癥、嚴(yán)重疾病),目前很難確定機(jī)械通氣對膈肌功能障礙發(fā)生發(fā)展的具體貢獻(xiàn)。另外ICU 膈肌功能障礙的發(fā)病率也非常高,脫機(jī)期間或病情穩(wěn)定后獲得的數(shù)據(jù)表明,發(fā)病率為23%～84%,超過2/3的機(jī)械通氣患者在首次嘗試脫機(jī)時就被診斷存在膈肌功能障礙[29]。

2.2 膈肌功能障礙與不良預(yù)后相關(guān) 首先,由于膈肌是平衡呼吸負(fù)荷/功能的主要決定因素,膈肌功能障礙可能會增加脫機(jī)失敗的風(fēng)險,進(jìn)而延長機(jī)械通氣時間。重要的是,膈肌功能是決定自主呼吸試驗(yàn)成敗的主要因素,而不是決定能否拔管。其次,膈肌功能障礙與再次氣管插管、氣管切開、延長通氣時間、術(shù)后并發(fā)癥等有關(guān),與ICU 病死率也密切相關(guān)[29,36-37]。以最大吸氣壓 (高值組＞30 cm H2O,低值組≤30 cm H2O)為主要觀察指標(biāo)評估機(jī)械通氣患者膈肌功能,2組1年病死率分別為7%和31%,校正后發(fā)現(xiàn)最大吸氣壓與1年病死率獨(dú)立相關(guān) (風(fēng)險比4.41,95%CI:1.5～12.9,P=0.007)[38]。使用雙頸前膈神經(jīng)磁刺激技術(shù)評估膈肌功能發(fā)現(xiàn),與非存活者相比,ICU 存活者顫搐刺激后氣道壓更高 (分別為9.7 cm H2O 和7.3 cm H2O,P=0.004)[39]。

2.3 膈肌-呼吸機(jī)交互作用 某些情況下,患者可能存在呼吸機(jī)抵抗,產(chǎn)生人-機(jī)不同步,可能與不適、呼吸困難和預(yù)后不良有關(guān)。對于臨床醫(yī)師來說,識別不同步并非易事。雖然可以根據(jù)氣道壓、容積和流速波形大體鑒別,但不夠可靠和敏感。Soilemezi等[40]使用食道導(dǎo)管將胸膜壓與氣道壓、流速波形變化之間的不匹配進(jìn)行可視化,發(fā)現(xiàn)膈肌收縮在胸膜壓變化中起著至關(guān)重要的作用,提示在關(guān)注呼吸模式的同時,監(jiān)測膈肌功能有助于發(fā)現(xiàn)人-機(jī)不同步。

3 膈肌功能監(jiān)測的適應(yīng)證

考慮到輔助通氣過度增加膈肌功能障礙的風(fēng)險,輔助通氣不足會加重肺損傷[41],膈肌功能監(jiān)測旨在根據(jù)患者需求,呼吸機(jī)提供合適的輔助水平。已經(jīng)提出一些保護(hù)肺部和減輕膈肌功能失用的策略,但需要臨床驗(yàn)證后才能推廣[42]。特別是,超聲可與氣道或食道壓一起監(jiān)測膈肌功能,以評估人-機(jī)同步性[40]。首先,接受深度鎮(zhèn)靜或神經(jīng)肌肉阻斷劑治療的急性呼吸窘迫綜合征患者,超聲監(jiān)測膈肌功能,可以發(fā)現(xiàn)隱匿不同步,但還需要不斷改進(jìn)技術(shù),才能納入臨床決策系統(tǒng)。另外,在出現(xiàn)脫機(jī)困難和延遲的患者中,膈肌監(jiān)測可能特別有用,可以幫助診斷可能影響脫機(jī)的膈肌功能障礙,它可以預(yù)測拔管失敗,以實(shí)施適當(dāng)?shù)念A(yù)防策略[10]。最后,對于需要延長脫機(jī)的患者,膈肌功能監(jiān)測可用來評估吸氣努力,以滴定呼吸機(jī)輔助水平。但這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于日常臨床實(shí)踐之前,需要得知吸氣努力的正常范圍。

4 結(jié)論

ICU 監(jiān)測膈肌功能可以幫助醫(yī)師更清楚地了解患者人-機(jī)之間的交互作用,參與呼吸機(jī)的設(shè)置決策過程,預(yù)測脫機(jī)失敗和診斷膈肌功能障礙,對脫機(jī)困難和延遲者非常有用。ICU 未來膈肌監(jiān)測的研究必須注重膈肌功能標(biāo)志物與超聲衍生指標(biāo)、電活動之間的相關(guān)性,臨床測量的重復(fù)性也必須得到改善,機(jī)械通氣患者膈肌超聲和電活動相關(guān)指南也應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突