背景

在炎癥性水腫引起的急性呼吸衰竭（我們限定討論的內(nèi)容）中,肺部呈現(xiàn)出高度的不均一性。的確，通氣、通氣不良和實(shí)變/塌陷區(qū)在整個(gè)肺實(shí)質(zhì)中是共存的。

在發(fā)生急性炎癥性肺水腫(ARDS)時(shí)，仰臥位狀態(tài)下從胸骨到脊椎，肺部的表現(xiàn)粗略簡化為如下幾點(diǎn)：1) 少數(shù)過度通氣區(qū)域 (由于肺質(zhì)量的增加，難以用CT去定義)；2) 氣和組織比值正常的區(qū)域(通常定義為良好通氣區(qū))；3) 氣和組織比值低于正常的區(qū)域 (通常定義為氣和組織比值低于1的區(qū)域)；和4) 在大部分獨(dú)立的肺區(qū)為完全無充氣區(qū)域 (位置不同的肺高度，取決于綜合征的嚴(yán)重程度)。重要的是要認(rèn)識(shí)到，這些無充氣區(qū)域可能要么是完全塌陷的“空”肺單位 (可能可以重新開放并充滿氣體)，要么是完全實(shí)變的肺單位，內(nèi)部空間充滿固體/液體物質(zhì)。顯然，肺膨脹的差異是不均一性的信號(hào)，我們也許可就此推斷，不同肺區(qū)的氣體/組織比值(即膨脹)的不同，可能與特定區(qū)域的解剖變異，或不同的力量作用于肺實(shí)質(zhì)的相鄰結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)有關(guān)。

對(duì)ARDS肺病理生理學(xué)的關(guān)注源于對(duì)其對(duì)機(jī)械通氣的需求(在大多數(shù)患者中)。這項(xiàng)技術(shù)完全或部分替代呼吸肌，以提供肺充氣所需的能量。因此，機(jī)械通氣的可能危害來自肺實(shí)質(zhì)的解剖生理特性與作用于其上的機(jī)械能的相互作用。理想情況下，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械通氣設(shè)置應(yīng)該找到機(jī)械能和肺結(jié)構(gòu)之間的最佳平衡。在極端情況下，我們應(yīng)該在盡可能使用最低的機(jī)械能使得肺組織盡可能的達(dá)到均一性。在這篇簡短的論文中，我們將就機(jī)械能和局部肺生理之間的相互作用提出我們的看法。

肺實(shí)質(zhì)

作用于肺部的力量

值得記住的是，擴(kuò)張肺的壓力(即每體表單位的力)是跨肺壓，等于氣道壓力和胸腔壓力之差。這一術(shù)語的恰當(dāng)性最近受到質(zhì)疑。事實(shí)上，在純生理學(xué)中，氣道開放壓力是氣管導(dǎo)管內(nèi)起始處測量的氣道壓力，可分為兩部分：一部分是通過氣道輸送氣體(“阻力”分量)，另一部分是擴(kuò)張肺(“彈性”成分)。因此，在這種純粹的生理學(xué)觀點(diǎn)中，跨肺壓是氣道開放壓力與相應(yīng)胸腔壓力之差。重癥醫(yī)學(xué)科醫(yī)師(和一些生理學(xué)家)使用的術(shù)語是不同的，因?yàn)樗傅臍獾篱_口處的壓力測量值為峰壓(包括阻力和彈性部分)、平臺(tái)壓(假設(shè)等于流量為零時(shí)的肺泡壓)和呼氣末壓力。食道壓力在峰值、平臺(tái)和呼氣末正壓(PEEP)或呼氣末零壓(zero end-expiratory pressure ,ZEEP)將反應(yīng)相應(yīng)的胸腔壓力的變化。食道壓力作為胸腔壓力的替代值，其變化等于胸腔壓力的變化。必須指出的是，試圖將絕對(duì)食道壓力等同于胸腔壓力，與其說是現(xiàn)實(shí)，不如說是生理上的夢想。在數(shù)百次ARDS的CT檢查后，我們從未發(fā)現(xiàn)絕對(duì)食道壓與肺解剖特征之間有任何聯(lián)系。在本文中，根據(jù)我們和其他作者的先前研究，我們將跨肺壓定義為在靜態(tài)狀態(tài)下(平臺(tái)壓和PEEP/ZEEP，)測量的氣道壓力與相應(yīng)的食道壓力之差：

其中Pawplat是氣道平臺(tái)壓力，Pawend-exp是PEEP或ZEEP下的氣道壓力，Pesplat是食道平臺(tái)壓力，Pesend-exp是PEEP或ZEEP下的食道壓力。

根據(jù)：

它得到

其中ΔPL為驅(qū)動(dòng)跨肺壓，ΔPaw為驅(qū)動(dòng)氣道壓，EL為肺彈性，Ers為呼吸系統(tǒng)的總彈性（即Ers=EL Ew，Ew為胸壁彈性）。

在一系列的研究中，我們發(fā)現(xiàn)ARDS患者仰臥位時(shí)的平均EL/Ers比值約為0.7。這表明在30cmH2O的氣道平臺(tái)壓下，跨肺壓的平臺(tái)壓大約為21cmH2O。然而，我們發(fā)現(xiàn)單一個(gè)體中的EL/Ers比值變化于0.2到0.8之間。這個(gè)表明，在通常被視為“安全”的機(jī)械通氣平臺(tái)壓閾值下，跨肺壓可能低至6cmH2O（低通氣和/或塌陷的風(fēng)險(xiǎn)）和高至24cmH2O，達(dá)到肺總?cè)莘e（TLC）的邊緣。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)通氣量到達(dá)肺總?cè)莘e范圍時(shí)，則是致命的。在圖1，我們記錄了經(jīng)典的容量-跨肺壓曲線，重新適應(yīng)于VILI情景。正如所知的，不管初始肺的大?。ˋRDS時(shí)的“嬰兒肺”），它的吸氣容積可達(dá)到初始容積的2.5到3倍。實(shí)際上，300毫升的“嬰兒肺”，其總肺容積可到達(dá)750到900毫升。如果提供的潮氣量達(dá)到這么大，它將產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)24cmH2O的跨肺壓（即肺應(yīng)力）和2.5-3.0的肺形變（即潮氣量和功能殘氣量（FRC）的比值），這個(gè)在動(dòng)物模型上是致死性的。因此，肺的大小應(yīng)該是VILI的發(fā)生首先要考慮的因素。

圖1.形變（潮氣量與功能殘氣量的比值）和TLC（y軸）與跨肺壓（x軸）之間的函數(shù)關(guān)系。在靜息狀態(tài)，膠原纖維在彈性彈簧內(nèi)折疊。隨著跨肺壓的增加，過度的形變可能最先導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)膠原完全展開時(shí)，達(dá)到應(yīng)力破裂點(diǎn)。在跨肺壓達(dá)到12厘米水柱時(shí)（即：特定的彈性），肺容量增加了一倍。

局部應(yīng)力放大

盡管在極小的“嬰兒肺”中給予的潮氣量（TV）可能會(huì)達(dá)到TLC，但這個(gè)理論機(jī)制還不能解釋在人體ARDS中使用12ml/kg潮氣量所觀察到的損傷。實(shí)際上，大多數(shù)到達(dá)TLC的ARDS患者需求的潮氣量是大于12ml/kg的。把接受12ml/kg潮氣量的ARDS機(jī)械通氣患者與接受6ml/kg的患者相比，觀察到了前者所發(fā)生的損傷，其可能的解釋是存在局部因素導(dǎo)致局部所接受的壓力放大，繼而導(dǎo)致局部的應(yīng)力和形變增加。根據(jù)Mead在1970年代建立的，在1990年代被Lachmann推廣的模型，這個(gè)可能更大程度的發(fā)生在不均一性更為嚴(yán)重的肺上。因此，如果我們假設(shè)把10kg的負(fù)荷掛在10根彈性纖維上，每根纖維將承重1kg。如果因某些原因（比如肺不張）導(dǎo)致其中一根彈性纖維不能再承擔(dān)它自己本應(yīng)的重量，其余的9根彈性纖維將各自負(fù)起1.11kg的重量。如果不均一性擴(kuò)大至4根彈性纖維，剩余的6根各自將負(fù)起1.67kg的重量，如此類推。我們所舉的例子中的負(fù)荷代表了根據(jù)平臺(tái)壓記錄到的跨肺壓。在理論的計(jì)算中，用到的是更加復(fù)雜的幾何模型，Mead發(fā)現(xiàn)在完全塌陷（容積為1）和完全膨脹（容積為10）的肺單元的交界點(diǎn)，其壓力放大的倍數(shù)等于：

可見，我們經(jīng)常被聲稱壓力為30cmH2O，但局部實(shí)際壓力可以高達(dá)120cmH2O。實(shí)際上，當(dāng)我們通過對(duì)比相鄰肺區(qū)域的膨脹率來評(píng)估不均一性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)達(dá)到了2倍。根據(jù)ARDS的嚴(yán)重程度，高達(dá)40%的肺組織發(fā)生局部應(yīng)力集中，這表明在高達(dá)40%的肺組織中，其跨肺壓是翻倍的。

作為發(fā)生局部應(yīng)力放大的概念的證據(jù)，我們假設(shè)在機(jī)械通氣期間的損傷將首先發(fā)生在彈性不同的區(qū)域的交界處，而在健康的肺部，大多出現(xiàn)在臟層胸膜和胸膜下肺泡的交界點(diǎn)（圖2所示）。實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)在給予平均達(dá)8小時(shí)的機(jī)械通氣后，在胸膜-肺泡的交界點(diǎn)就開始發(fā)生小的損傷，而這種損傷將在20個(gè)小時(shí)左右擴(kuò)大至整個(gè)肺（圖3所示）。因此，大量有用的數(shù)據(jù)強(qiáng)烈提示有指征通過合適的策略（本質(zhì)上為俯臥位姿勢），盡可能的減少中-重度和重度ARDS肺的不均一性。

圖2.臟層胸膜上一個(gè)肺泡壁已破裂。臟層胸膜和肺泡壁之間的彈性不同，引起了局部的應(yīng)力放大，這可能導(dǎo)致局部的應(yīng)力和形變增加。

圖3. a在2.5的形變下經(jīng)過20小時(shí)機(jī)械通氣后，臟層胸膜與肺泡壁的界面下先出現(xiàn)了紐扣樣高密度影（箭頭），（b）進(jìn)展到整個(gè)肺實(shí)質(zhì)。請(qǐng)注意，這些VILI病變幾乎完全可以復(fù)原，這表明它們主要進(jìn)展為間質(zhì)性水腫

機(jī)械能

有關(guān)VILI的文獻(xiàn)都主要集中在潮氣量的可能的危害上。最近，氣道驅(qū)動(dòng)壓的可能相關(guān)性（即：根據(jù)呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性標(biāo)化潮氣量）得到了重視。其它被識(shí)別出來的VILI的可能原因有呼吸頻率和吸氣流速。另外的因素，比如總體/局部灌注、局部酸中毒和溫度可能在控制VILI中存在作用，但為了簡單起見，將不在這里做探討。

為了識(shí)別VILI可能的閾值，我們對(duì)豬做了一系列的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)VILI是一個(gè)反映形變達(dá)到2.5時(shí)的危害程度的函數(shù)，這與Dreyfuss et al.在大鼠身上觀察到的不一樣。實(shí)際上，在大鼠身上VILI是在某個(gè)平臺(tái)壓下迅速發(fā)生的，與達(dá)平臺(tái)壓的方式無關(guān)（即：不論有無PEEP），我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)械通氣頻率為15次/分以及形變等于2.5（即：潮氣量接近于2.5倍的FRC）時(shí)，如果提供完全的潮氣量，那是致死性的，而在增加的這部分容積中，如果75%是由PEEP提供，其余的25%是以潮氣量的形式給予，那就完全無害（沒有任何危害）。這使我們對(duì)其進(jìn)行了猜測，損傷并不是由潮氣量本身引起的，而是潮氣量與壓力的乘積引起的。這個(gè)乘積（即：潮氣量乘以絕對(duì)壓力）就是傳遞至肺組織的潮汐能。實(shí)際上，如果一個(gè)給定的能量以不同的速率給出，每分鐘傳遞的機(jī)械能量可能完全不同。作為這個(gè)概念的證據(jù)，我們用2.5的形變（當(dāng)以15次/分的頻率進(jìn)行通氣時(shí)，這是致死的）給豬分別以3、6、9、12和15次/分的頻率進(jìn)行通氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低于一定水平的機(jī)械能時(shí)，經(jīng)過了54小時(shí)的機(jī)械通氣仍沒有VILI發(fā)生。因此，從呼吸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程入手，我們開發(fā)了能量方程，只需將原方程中的每個(gè)分量乘以容積變化和呼吸頻率即可。我們在人體、及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中均發(fā)現(xiàn)了機(jī)械能的計(jì)算值和測量值之間存在顯著的關(guān)聯(lián)（圖4所示）?？紤]到單純機(jī)械能的作用，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)潮氣量或氣道驅(qū)動(dòng)壓(即：平臺(tái)壓減去PEEP)增加一倍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械能增加四倍(指數(shù)2)。相比之下，呼吸頻率增加一倍時(shí)，機(jī)械能增加2.5倍（指數(shù)1.4），而PEEP增加一倍時(shí)，機(jī)械能增加兩倍(指數(shù)1)。

圖4.通過能量方程計(jì)算出來的機(jī)械能與通過壓力-容積環(huán)圖解分析測量出來的機(jī)械能這二者之間的關(guān)系。如圖所示，這二者的關(guān)系（p＜0.001）是接近幾乎完全的線性關(guān)系。

這一“機(jī)械假說”顯然還需要進(jìn)一步的研究：1) 機(jī)械能應(yīng)與跨肺壓相關(guān)；2)應(yīng)根據(jù)肺的大小和可能的特定肺彈性來標(biāo)準(zhǔn)化，以便在不同哺乳動(dòng)物之間進(jìn)行比較。根據(jù)“肺導(dǎo)向/標(biāo)化”的機(jī)械能來確定機(jī)械通氣的不安全閾值是可能，可以建立更合理的安全機(jī)械通氣方法和可能的體外支持適應(yīng)癥。

結(jié)論

機(jī)械通氣被用于ARDS肺（“嬰兒肺”）可通氣的那一部分。解剖閾值很可能由肺總?cè)莘e來表示，肺容積可以通過局部壓力升高而達(dá)到，這取決于肺的不均一性。在這個(gè)框架內(nèi)，我們考慮：

●  不管機(jī)械能降低多少（由于其任何成分的減少），都應(yīng)降低呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷的可能性。

●  提高肺部均一性(不增加機(jī)械能)的最佳策略是俯臥位。這在中-重度ARDS患者中表現(xiàn)明顯，他們的肺不均一性程度最高。

●  PEEP有雙重作用：一方面，它可以減少肺的不均一性，至少可以大大減少肺塌陷患者的肺不均一性。另一方面，對(duì)于一個(gè)給定的潮氣量，PEEP增加機(jī)械能和達(dá)到VILI的解剖閾值的可能性，即肺總?cè)莘e。