呼吸機(jī)引起的膈肌功能障礙與脫機(jī)肺水腫的研究進(jìn)展

姜輝,劉麗梅

(中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院干部病房,武漢 430070)

患者逐漸停用機(jī)械通氣的過(guò)程稱為脫機(jī),脫機(jī)所用時(shí)間大約占到總機(jī)械通氣時(shí)間的40%左右[1],在此過(guò)程中,患者需逐漸完成從主要由呼吸機(jī)做功向完全由自身肌肉做功的轉(zhuǎn)變。多數(shù)患者能順利完成脫機(jī)過(guò)程,成功脫離呼吸機(jī);但有一小部分患者,在經(jīng)歷多次自主呼吸試驗(yàn)后仍失敗,最終成為呼吸機(jī)依賴者,這類患者是導(dǎo)致重癥監(jiān)護(hù)病房(intensive care unit,ICU)中耐藥菌流行、死亡率增加的重要因素,有研究報(bào)告呼吸機(jī)依賴者1年和5年的死亡率分別是17%和42%[2]。膈肌無(wú)力和脫機(jī)引起的肺水腫(weaning-induced pulmonary oedema, WIPO)是導(dǎo)致機(jī)械通氣患者脫機(jī)失敗的兩個(gè)最主要原因,分析研究其發(fā)生機(jī)制,可幫助我們找到針對(duì)性的預(yù)防和治療方法,從而提高脫機(jī)成功率,縮短脫機(jī)時(shí)間。本文就導(dǎo)致脫機(jī)失敗的呼吸肌與心臟因素的研究進(jìn)展作一綜述。

1 導(dǎo)致脫機(jī)失敗的呼吸肌因素

與脫機(jī)失敗有關(guān)的主要是吸氣肌,呼氣肌作用比較小。成功脫機(jī)者呼氣肌不活動(dòng)或活動(dòng)少,如果在脫機(jī)試驗(yàn)中,呼氣肌頻繁工作,反而是脫機(jī)失敗的一個(gè)強(qiáng)烈標(biāo)志[3,4]。本綜述主要討論吸氣肌,對(duì)呼氣肌不再贅述。人類的吸氣肌主要是膈肌,膈肌是一個(gè)薄的、穹窿樣的肌肉結(jié)構(gòu),它將胸腔和腹腔分開(kāi)[5]。機(jī)械通氣引起的膈肌無(wú)力稱為呼吸機(jī)引起的膈肌功能障礙(ventilator induced diaphragm dysfunction,VIDD),大約60%～80%的機(jī)械通氣患者存在膈肌功能障礙,這一發(fā)生率約為肢體無(wú)力的兩倍[6]。

1.1 VIDD的發(fā)生機(jī)制

目前,膈肌損傷主要由呼吸機(jī)過(guò)度輔助、呼吸機(jī)輔助不足、膈肌離心收縮及膈肌呼氣末過(guò)度縮短四種機(jī)制引起[7,8]。

1.1.1 呼吸機(jī)過(guò)度輔助 呼吸機(jī)過(guò)度輔助是引起VIDD的最主要機(jī)制,在控制通氣模式或處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)下,膈肌很少收縮,而發(fā)生快速?gòu)U用性萎縮[9]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,最快在機(jī)械通氣開(kāi)始后的6～12h就發(fā)生廢用性萎縮[10]。長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械通氣使膈肌中調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的胰島素樣生長(zhǎng)因子和生肌調(diào)節(jié)因子表達(dá)降低,膈肌蛋白合成代謝受到抑制。與此同時(shí),膈肌Ca++依賴蛋白酶分解系統(tǒng)和肌肉自噬系統(tǒng)功能增強(qiáng),膈肌蛋白分解代謝增強(qiáng)[11,12],最終導(dǎo)致膈肌肌細(xì)胞無(wú)論是數(shù)量還是體積均減少,膈肌發(fā)生廢用性萎縮[12]。

1.1.2 呼吸機(jī)輔助不足 呼吸機(jī)支持不能滿足患者需要,膈肌被迫過(guò)度用力收縮,會(huì)引起膈肌肌節(jié)損傷、組織炎癥和肌肉萎縮,同時(shí)與感染相伴隨的膿毒癥會(huì)進(jìn)一步加速此類型的膈肌損傷[8,13]。

1.1.3 膈肌離心收縮 離心收縮是指在機(jī)械通氣的呼氣階段,膈肌肌節(jié)處于被動(dòng)拉長(zhǎng)階段,此時(shí)如果發(fā)生收縮,即為離心性收縮,這種收縮會(huì)引起膈肌肌節(jié)的急性損傷[7,14]。膈肌離心收縮主要出現(xiàn)在機(jī)械通氣人機(jī)不同步時(shí),如出現(xiàn)在機(jī)械通氣呼氣階段的無(wú)效吸氣努力、反向觸發(fā)以及吸氣向呼氣提前切換[15]。

1.1.4 膈肌呼氣末過(guò)度縮短 機(jī)械通氣使用較高呼氣末正壓(positive end-expiratory pressure,PEEP)時(shí),肺呼氣末容積增加,膈肌向下受壓,正常穹窿樣形狀變平,膈肌肌纖維縮短,膈肌肌小節(jié)中的粗細(xì)肌絲長(zhǎng)度雖沒(méi)有發(fā)生改變,但肌聯(lián)蛋白發(fā)生適應(yīng)性縮短,膈肌發(fā)生縱向萎縮[8,16]。

1.2 VIDD的判斷方法

1.2.1 最大吸氣壓和跨膈壓測(cè)定 讓患者用最大力量吸氣,此時(shí)在氣管插管口測(cè)得的壓力就是最大吸氣壓。這種方法雖然操作簡(jiǎn)單,但缺點(diǎn)是測(cè)定值受患者主觀努力的影響,可靠性低。最大跨膈壓測(cè)定需要放置專門(mén)的食管和胃內(nèi)測(cè)壓管,測(cè)定值反映膈肌收縮力量,但它同樣依賴患者的努力程度,正常人的最大跨膈壓范圍是28～38cmH2O(1cmH2O=0.098kPa)[6,17]。為克服患者主觀吸氣努力對(duì)膈肌力量測(cè)定的影響,可采取如下方法。(1)膈神經(jīng)刺激法:膈神經(jīng)受外源電刺激后,會(huì)引起膈肌收縮,這種收縮不依賴患者的努力,產(chǎn)生的跨膈壓反映膈肌收縮力量大小,是膈肌力量測(cè)定的金標(biāo)準(zhǔn),但該方法屬于有創(chuàng)方法,主要用于科學(xué)研究[7,18]。(2)阻斷吸氣法:在患者平靜呼氣后,呼吸機(jī)的呼氣閥門(mén)開(kāi)放,而吸氣閥門(mén)關(guān)閉,在此期間,患者只能呼氣而不能從呼吸機(jī)吸入氣體,此時(shí)膈肌發(fā)生等長(zhǎng)收縮,20s后再測(cè)定跨膈壓。阻斷吸氣法測(cè)得值與膈神經(jīng)刺激法測(cè)得值相當(dāng),可以代替膈神經(jīng)刺激法[7]。

1.2.2 氣道阻斷壓(P0.1) 在患者吸氣開(kāi)始后,阻斷呼吸機(jī)吸氣閥門(mén)0.1s時(shí)測(cè)得的氣道壓。P0.1不受患者主動(dòng)吸氣的影響,用于評(píng)估患者的呼吸驅(qū)動(dòng)和吸氣努力。P0.1≤1.6cmH2O提示呼吸機(jī)輔助過(guò)度,自主呼吸弱;而P0.1≥3.5cmH2O,提示呼吸機(jī)輔助不足,自主呼吸過(guò)強(qiáng)[14,19,20]。

1.2.3 淺快呼吸指數(shù) 淺快呼吸指數(shù)(rapid shallow breathing index,RSBI) =呼吸頻率/潮氣量,膈肌無(wú)力的患者,呼吸形式表現(xiàn)為呼吸頻率快,但每次呼吸的潮氣量小。如果RSBI>105次/(min·L),提示膈肌無(wú)力[6,21]。

1.2.4 膈肌肌電圖檢查 膈肌肌電圖檢查主要測(cè)量所有參與收縮的膈肌肌細(xì)胞電壓值,正常值為5～30μV[8]。膈肌肌電圖檢查并不直接反映膈肌收縮力量的大小,但可以用來(lái)估計(jì)膈肌產(chǎn)生的壓力,其臨床意義與測(cè)量跨膈壓相當(dāng)。膈肌肌電圖在不同患者之間測(cè)量值差異較大,所以不能在患者之間進(jìn)行比較,只適用于同一個(gè)患者的縱向?qū)Ρ萚5]。

1.2.5 膈肌超聲檢查 該方法具有操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、無(wú)創(chuàng)的特點(diǎn),可以進(jìn)行形態(tài)學(xué)和功能性評(píng)估,也可以進(jìn)行縱向的隨訪觀察。超聲檢查主要觀察指標(biāo)是膈肌運(yùn)動(dòng)幅度(diaphragmatic excursion,DE)、膈肌厚度以及膈肌收縮分?jǐn)?shù)(diaphragm thickening fraction,TFdi),其中TFdi=(膈肌吸氣末厚度-呼氣末厚度)/膈肌呼氣末厚度[6,22]。DE適用于縱向?qū)Ρ?在不同時(shí)間點(diǎn)、相同的機(jī)械通氣條件下,通過(guò)測(cè)量膈肌運(yùn)動(dòng)幅度,了解其運(yùn)動(dòng)幅度的大小變化,就可以判斷患者膈肌的耐力。因?yàn)楫?dāng)膈肌的耐力下降時(shí),膈肌的收縮幅度會(huì)逐漸減小。健康人在安靜呼吸時(shí)平均膈肌運(yùn)動(dòng)幅度為(1.34±0.18)cm[17,23]。膈肌厚度的變化特點(diǎn)是只有在主動(dòng)收縮時(shí)厚度才增加,被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí),膈肌的厚度不變[24],測(cè)量它可以幫助我們判斷患者自主呼吸的強(qiáng)弱,正常人在自主呼吸放松位置時(shí),膈肌的厚度是(1.7±0.2)mm,當(dāng)用力收縮到肺總量位置時(shí),膈肌厚度可達(dá)(4.5±0.9)mm[17]。TFdi是一個(gè)相對(duì)值指標(biāo),它與吸氣努力、膈肌力量(最大吸氣壓和跨膈壓)以及膈肌肌電圖檢查相關(guān)。TFdi的正常值是30%～36%。在最大吸氣時(shí),如果TFdi<30%,提示膈肌無(wú)力[22],TFdi<20%,診斷膈肌麻痹[25]。

1.3 VIDD的預(yù)防

從VIDD的發(fā)生機(jī)制中,我們可以明確在機(jī)械通氣過(guò)程中完全避免VIDD的發(fā)生幾乎是不可能的。因此,現(xiàn)代呼吸支持理論認(rèn)為理想的機(jī)械通氣策略應(yīng)該是提供肺保護(hù)水平的PEEP、驅(qū)動(dòng)壓、潮氣量,使肺所受的應(yīng)力和應(yīng)變最小,并保留生理水平的患者自主呼吸努力,以減輕膈肌萎縮[18,26]。這些措施包括調(diào)節(jié)呼吸機(jī)參數(shù)和改變呼吸機(jī)通氣模式,調(diào)節(jié)參數(shù)可以保持患者適當(dāng)水平的自主呼吸[27],減少人機(jī)不同步的發(fā)生,達(dá)到減輕膈肌萎縮的目的[13,28,29]。逐漸降低PEEP值,可以使膈肌的縱向萎縮發(fā)生逆轉(zhuǎn)[16]。改變呼吸機(jī)模式包括選用負(fù)荷可調(diào)增益因子比例輔助通氣模式(proportional assisted ventilation with load-adjustable gain factors,PAV+)和神經(jīng)調(diào)節(jié)通氣輔助模式(neurally adjusted ventilatory assistance,NAVA)。這兩種模式的優(yōu)點(diǎn)在于呼吸機(jī)提供的壓力支持大小與患者自主呼吸強(qiáng)弱相關(guān),與傳統(tǒng)通氣模式相比,能更好地滿足患者的通氣需求,明顯減少人機(jī)不同步現(xiàn)象的發(fā)生[30]。

選用PAV+模式時(shí),呼吸機(jī)通過(guò)傳感器自動(dòng)測(cè)定呼吸機(jī)運(yùn)行時(shí)的壓力、流速和潮氣量等指標(biāo),然后通過(guò)軟件計(jì)算出患者呼吸系統(tǒng)的阻力和彈性以及呼吸機(jī)克服它們所需要產(chǎn)生的吸氣壓力,從而更好地適應(yīng)患者的呼吸,改善人機(jī)關(guān)系,達(dá)到肺和膈肌保護(hù)通氣的目的[14,31]。

NAVA模式則是通過(guò)呼吸機(jī)專門(mén)配備的膈肌電極,直接測(cè)量患者的膈肌肌電壓。用膈肌收縮電信號(hào)觸發(fā)呼吸機(jī),同時(shí)根據(jù)患者膈肌電信號(hào)電壓大小,成比例地提供吸氣壓力支持[32]。NAVA模式的優(yōu)勢(shì)在于:(1)由于是電信號(hào)觸發(fā)吸氣,其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)呼吸機(jī)的壓力或流速觸發(fā)速度,大大改善了在吸氣觸發(fā)階段患者與呼吸機(jī)的同步性,明顯降低膈肌肌節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)[31,33];(2)呼吸機(jī)送氣壓力值與患者膈肌電信號(hào)電壓大小成正比,膈肌電信號(hào)電壓越大,說(shuō)明患者吸氣越用力,呼吸機(jī)送氣壓力也同步增大,這樣就能更好地滿足患者的通氣需要[32]。

1.4 VIDD的治療

1.4.1 藥物治療 (1)抗氧化劑與蛋白酶抑制劑。盡管目前對(duì)引起VIDD的確切機(jī)制仍不清楚,但機(jī)械通氣可以使膈肌線粒體中氧自由基濃度增加,后者激活膈肌的4個(gè)主要蛋白酶分解系統(tǒng)(自噬、鈣蛋白酶、泛素-蛋白酶系統(tǒng)以及半胱氨酸蛋白酶3)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,在機(jī)械通氣的同時(shí)給予抗氧化劑或者蛋白酶抑制劑,雖然不能完全阻止VIDD的發(fā)生,但通過(guò)削弱蛋白分解酶系統(tǒng),可以改善膈肌收縮功能[34,35]。(2)茶堿。茶堿不僅有擴(kuò)張支氣管和抗炎作用,還可以增加最大跨膈壓,增強(qiáng)肋間肌和膈肌的耐力和力量,抑制膈肌疲勞。茶堿的這一作用甚至在低濃度時(shí)(平均茶堿濃度<5mg/L)就可以發(fā)揮作用[17,36]。(3)作用于腎素血管緊張素系統(tǒng)的藥物。在膈肌中存在著腎素血管緊張素系統(tǒng)的非經(jīng)典和經(jīng)典兩個(gè)信號(hào)通路,非經(jīng)典通路是血管緊張素1～7與Mas受體結(jié)合,防止由機(jī)械通氣引起的膈肌纖維線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激,抑制膈肌中的泛素蛋白酶和Ca++依賴蛋白酶分解系統(tǒng),從而保護(hù)膈肌,對(duì)抗由機(jī)械通氣引起的膈肌收縮功能障礙和纖維萎縮[37]。經(jīng)典通路是血漿中的血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ, AngⅡ)與膈肌肌纖維上的(angiotensin Ⅱ type 1 receptor, AT1R)結(jié)合,引起還原型輔酶Ⅱ氧化酶2激活,導(dǎo)致線粒體氧自由基產(chǎn)生增多,最終激活膈肌中的蛋白分解酶,引起肌纖維萎縮。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)使用血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(angiotensin converting enzyme inhibitor, ACEI)降低血漿AngⅡ濃度,或者用阻礙AngⅡ與膈肌肌纖維AT1R結(jié)合的藥物如厄貝沙坦并不能抑制VIDD,相反使用直接與AT1R結(jié)合并抑制其激活的藥物如奧美沙坦、氯沙坦卻可以減輕由機(jī)械通氣引起的膈肌萎縮[10,38]。(4)鈣增敏劑。左西孟旦作為鈣增敏劑早已用于心力衰竭患者的治療,實(shí)驗(yàn)研究表明,左西孟旦還可以增加膈肌肌纖維對(duì)鈣的敏感性20%～30%,從而改善膈肌的收縮效率,逆轉(zhuǎn)膈肌疲勞。但該藥還需要進(jìn)行更多的臨床研究,在當(dāng)前并不推薦用于脫機(jī)患者的治療[22,39]。

1.4.2 呼吸肌康復(fù)治療 對(duì)于已經(jīng)發(fā)生膈肌功能障礙的患者,康復(fù)治療可以增強(qiáng)膈肌收縮能力,加速脫機(jī),并防止再插管[9,40]。膈肌康復(fù)治療的方法有很多,包括膈神經(jīng)電刺激和呼吸肌力量訓(xùn)練。(1)膈神經(jīng)電刺激可以產(chǎn)生有效的膈肌收縮,從而減輕VIDD,但要注意的是電刺激必須要和呼吸機(jī)送氣同步,否則會(huì)增加人機(jī)對(duì)抗[13,41,42]。(2)呼吸肌力量訓(xùn)練可以改善膈肌的力量和耐力。訓(xùn)練方法包括閾負(fù)荷、阻力負(fù)荷和全身運(yùn)動(dòng)三種,其中前兩者主要針對(duì)呼吸肌。阻力負(fù)荷訓(xùn)練最大的缺點(diǎn)是阻力大小依賴于患者的吸氣流速,患者在訓(xùn)練時(shí)會(huì)不自覺(jué)地降低吸氣流速(因?yàn)闅饬鳟a(chǎn)生的阻力大小與氣流速度的平方成正比,流速低,阻力也低),就會(huì)影響鍛煉效果。而采用閾負(fù)荷進(jìn)行鍛煉,閾負(fù)荷大小不依賴患者的吸氣流速,患者吸氣必須達(dá)到閾值才能吸入氣體,這樣就可以精準(zhǔn)控制呼吸肌負(fù)荷,其訓(xùn)練效果要優(yōu)于阻力負(fù)荷訓(xùn)練[9,22,40]。

2 WIPO

脫機(jī)對(duì)心血管系統(tǒng)而言相當(dāng)于是一個(gè)運(yùn)動(dòng)壓力測(cè)試?；颊呙撾x呼吸機(jī)后,患者的血流動(dòng)力學(xué)會(huì)發(fā)生突然變化,表現(xiàn)為肺靜脈壓升高,甚至肺間質(zhì)水腫,這大約占到整個(gè)自主呼吸試驗(yàn)失敗者的42%,且?guī)缀醵及l(fā)生在患者自主呼吸試驗(yàn)的早期[43]。

2.1 WIPO的發(fā)生機(jī)制

患者停用呼吸機(jī)后,患者的胸腔內(nèi)壓從機(jī)械通氣時(shí)的正壓轉(zhuǎn)變成負(fù)壓,靜脈回心血量大增,左心室充盈壓以及左心室后負(fù)荷增加,導(dǎo)致患者的左室射血分?jǐn)?shù)降低和左心室舒張功能障礙[21,44,45],最終形成肺間質(zhì)水腫[43,46,47]。WIPO最常見(jiàn)于以前有慢性阻塞性肺病和心臟病的患者[44],但沒(méi)有心臟病的患者也可以發(fā)生WIPO[48]。

2.2 WIPO的判斷方法

2.2.1 肺動(dòng)脈阻斷壓測(cè)定 當(dāng)脫機(jī)自主呼吸試驗(yàn)結(jié)束后,肺動(dòng)脈阻斷壓≥18mmHg(1mmHg=0.133kPa),就可以診斷WIPO,這是WIPO診斷的金標(biāo)準(zhǔn),缺點(diǎn)是該檢測(cè)方法有創(chuàng)且需要專門(mén)的設(shè)備[49]。

2.2.2 脫機(jī)試驗(yàn)前后血液指標(biāo)對(duì)比 當(dāng)WIPO發(fā)生時(shí),血漿中液體會(huì)向肺間質(zhì)轉(zhuǎn)移,血漿中蛋白質(zhì)濃度、血紅蛋白濃度以及紅細(xì)胞圧積都會(huì)明顯增大[47]。因此患者脫機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后,血漿蛋白濃度等指標(biāo)升高超過(guò)6%,就可以診斷WIPO,其靈敏度為87%,特異度為95%[49]。

2.2.3 血心房利鈉肽原脫機(jī)試驗(yàn)前后對(duì)比 當(dāng)WIPO發(fā)生時(shí),血容量增加,心臟心房利鈉肽原釋放也增加。臨床研究發(fā)現(xiàn),如果患者脫機(jī)后心房利鈉肽原水平升高超過(guò)12%,就可以診斷WIPO,其靈敏度是76%,特異度是78%[44]。

2.2.4 被動(dòng)抬腿試驗(yàn) 該試驗(yàn)是一種評(píng)估心臟前負(fù)荷和液體反應(yīng)性的試驗(yàn),也可以用來(lái)判斷脫機(jī)失敗是否由心功能障礙引起。在患者脫機(jī)試驗(yàn)開(kāi)始前,進(jìn)行被動(dòng)抬腿試驗(yàn),如果試驗(yàn)結(jié)果是陰性,則說(shuō)明患者的心功能不能很好代償容量負(fù)荷增加,患者大概率會(huì)發(fā)生WIPO,其靈敏度是97%,特異度是81%[44]。

2.2.5 床旁心臟和肺超聲檢查 WIPO患者心臟超聲檢查顯示左心室充盈壓明顯增大[50,51],肺部超聲檢查B線數(shù)量明顯增多,而B(niǎo)線是肺血管外液體積聚的肺超聲表現(xiàn)[47,52]。臨床研究發(fā)現(xiàn),B線數(shù)量≥6,就可以診斷WIPO,其靈敏度是88%,特異度是88%[52]。

2.3 WIPO的治療方法

WIPO一旦診斷,首先需要評(píng)估患者的血容量和前負(fù)荷狀態(tài),給予利尿劑治療[44]。其他治療還包括使用ACEI以及選擇性β1受體阻滯劑等,它們可以進(jìn)一步提高脫機(jī)的成功率[44]。

3 小 結(jié)

綜上,在脫機(jī)困難的患者中,VIDD和WIPO是最常見(jiàn)的兩個(gè)原因,這兩個(gè)原因要么單獨(dú)存在,要么合并存在。對(duì)其發(fā)生機(jī)制的研究,將有助于我們提高患者的脫機(jī)成功率,縮短機(jī)械通氣時(shí)間,降低與機(jī)械通氣相關(guān)的并發(fā)癥發(fā)生率。