急性呼吸窘迫综合征的开放压和肺萎陷伤
徐州医科大学附属医院 耿晓娟摘译
Opening pressures and atelectrauma in acute respiratory distress syndrome
Massimo Cressoni , Davide Chiumello , Ilaria Algieri , Matteo Brioni , Chiara Chiurazzi , Andrea Colombo ,Angelo Colombo , Francesco Crimella , Mariateresa Guanziroli , Ivan Tomic , Tommaso Tonetti ,Giordano Luca Vergani , Eleonora Carlesso , Vladimir Gasparovic and Luciano Gattinoni
Intensive Care Med
研究目的
ARDS的肺开放策略旨在通过最小化萎陷伤和应力分布不均以减少呼吸机诱发的肺损伤。我们的目的是评估在认为机械通气是安全的（即气道平台压力30cmH2O，PEEP 15cmH2O）状态下有多少肺组织被打开并维持开放状态。
研究方法
33例ARDS患者（5例轻度，10例中度，9例严重患者未使用体外支持，另外9例严重者使用ECMO）分别在PEEP 是5 cmH2O和15 cmH2O时进行两次低剂量呼气末CT扫描和四次吸气末CT扫描。定义复张组织为重新充气的肺组织，利用PEEP为5cmH2O和15 cmH2O的肺萎陷间的差异评估肺萎陷伤，相邻肺单位之间的通气率可以评估肺通气不均一性。
研究结果
开放压处于30cmH2O和45cmH2O之间开放的肺组织（即在平台压始终维持在30cmH2O左右）在轻度，中度，重度未使用 ECMO的和重度且使用 ECMO的ARDS患者中分别为10±29g,54±86g,162±92g和185±134g，（重度未使用 ECMO的与重度且使用 ECMO的ARDS患者差异没有统计学意义）。在PEEP 为5cmH2O和15 cmH2O时，肺内组织塌陷程度相似（在轻度ARDS患者组，63±26 vs 39±32 g，p = 0.23; 在中度ARDS患者组，92±53 vs 78±142 g，p = 0.76; 在未使用ECMO的重度ARDS患者组中，110±91 vs 89± 93，p = 0.57;在使用ECMO的重度ARDS患者组中，135±100 vs 104±80，p = 0.32）。 增加压力高达45cmH2O在轻度和中度ARDS患者中能够轻微（但不显着）降低肺通气不均一性，但不会降低重度ARDS患者的肺不均一性。
研究结论
数据显示，将PEEP高达15 cmH2O和平台压力升高到30 cmH2O并不能作为开放肺策略的先决条件。 对于有效的开放肺策略，需要更高的压力。 因此，和容积伤风险一样，肺萎陷伤风险必须评估。
背景
肺保护策略包括低VT和高PEEP的结合。这一策略的背景有三个主要来源。首先，是Mead提出的肺模型，该模型其描述了不均一肺中应力和应变的理论分布。在这些条件下，具有不同弹性的区域的界面作为压力提升器，导致局部压力的呈四倍增加。第二种观点来源于Lachmann“开放肺，维持肺开放”的里程碑式理论，多年后，Mead 的理论得到广泛认同：使用高PEEP会降低肺不均一性，防止内壁塌陷，使得肺复张。最后，开放肺理论的合理性来自于离体大鼠肺的实验，该实验中表明使用较高的PEEP通过保持肺开放并防止肺萎陷伤而降低炎症细胞因子的产生，该结果随后在ARDS患者中得到证实。
这种模式多年来基本上没被质疑。因此，全球范围内的潮气量设置已经从20世纪70年代的12-15ml/kg减少到目前的7.6ml/kg。但是“开放肺”策略尚无令人信服的证据表明其具有益处。事实上，开放肺策略的第一个组成部分（开放肺），既没有降低呼吸机相关肺损伤，也没有改善预后，而有些研究结果似乎表明更有害。开放肺策略的第二个组成部分（即更高的PEEP），用于保持肺开放的状态，在大型试验中失败，结果表明与低PEEP相比没有任何益处。此外，ARDS肺保护策略中包括超低VT和对应的较高水平的PEEP，从而达到或接近总肺容量（即高频振荡通气， HFOV），不仅没有益处，甚至有害。
因此，本文研究33例严重程度不等的ARDS患者，旨在评估使用平台压力30cmH2O和PEEP15cmH2O进行机械通气能否打开肺并保持肺开放状态。
方法
33名患者持续研究天数的中位数为3（1？5天），根据柏林定义分为轻度（n = 5），中度（n = 10），重度（n = 9，未使用ECMO和n = 9，使用ECMO）。
一、压力和容积测量
所有气道压，食管压，潮气量和流量以100Hz连续取样，并在专用数据采集系统处理。所提供的数据是使用校准采集系统测量的数据，而不是呼吸机上设置的数据。主稿中的结果表示为气道压力的函数。 ESM中提供了一组完整的结果，作为肺动脉压力的函数。
二、吸气性复张
每位患者在PEEP为5cmH2O静态条件下进行呼气末CT扫描，另外分别在吸入气道平台压力为19±2,28±0和40±2 cmH2O后进行三次CT扫描。在每个气道平台压力下，吸气性复张是计算出在PEEP与平台压力下充气肺组织之间的差值。
三、肺内开放/闭合组织
为了量化开放和闭合肺组织，每位患者在5cmH2O和15cmH2O 的PEEP水平下以相同的潮气量（6-8ml/kg IBW）进行机械通气。分别在静止条件下，在呼气末（5cmH2O和15cmH2O）和在相对应的气道平台压下的吸气末（分别为19±2cmH2O和27±3cmH2O）下进行全肺CT扫描。复张/不张的组织是计算出在5cmH2O和15cmH2O的PEEP下呼气末和吸气末闭合肺组织之间的差值。
四、CT扫描分析
定制专用软件进行分析。根据其气体/组织含量对肺组织进行分类，未充气（Hounsfield单位在+100至-100之间），通气不良（Hounsfield单位数在-101和-500之间），正常充气（Hounsfield单位数在-501和-900之间），过度通气（Hounsfield单位在-901和-1000之间）。 我们将可复张性定义为在5cmH2O至45 cmH2O未膨胀肺组织之间的差值。
五、肺不均一性
通过比较相邻肺部区域的充气肺组织来测量肺不均一性：如果两个相邻区域在给定压力下完全“均匀”，则其充气肺组织量应相似，两个区域的充气比将等于1 。我们将肺不均一阈值定义为肺容量的百分比，其通气率大于1.61。
六、统计方法
一般数据用平均值±标准差表示。利用混合效应模型分析肺部复张性和肺不均一性作为研究步骤和疾病严重程度（根据柏林分类），并用Benjamini，Hochberg和Yekutieli方法进行多重比较。 将PEEP水平在5cmH2O和15cmH2O之间的肺内组织塌陷和复张的差异，应用配对t检验进行比较。
结果
表1是患者临床资料。 5例患者呈轻度，10例伴中度，18例为严重ARDS（9例未使用ECMO和9例使用ECMO）。 如图所示，大多数患者具有严重的ARDS，两个研究中心其中一个是ECMO的转诊中心。在这些患者中引起ARDS主要原因是肺炎，其次为肺外脓毒症。
一、吸气性肺复张和开放压力
图1显示了在具有严重ARDS的患者中吸气期间的随后CT扫描的代表性实例。如图所示，沿整个压力—容积曲线均发生复张性和不均一性。图2报告了轻度，中度和重度ARDS患者（使用或未使用ECMO）患者获得的平均顺应性—压力曲线。从这个数字可以看出，（a）可复张组织的总量随着ARDS严重程度的增加而增加，并且在各个吸气压力下在轻度，中度和重度ARDS之间差异很大; （b）在30cmH2O至45cmH2O（呼吸机设定参数）气道平台压下的可复张肺组织量，轻度ARDS患者（10±29 g，8±21％）中可忽略不计，中度ARDS患者（54±86 g，17±27％ ）稍增加，而在重度ARDS患者中，未使用ECMO（162±92 g，43±21％，p = 0.02 vs轻度ARDS，p <0.0001 vs中度ARDS）和ECMO（185±134 g，31±12％ ，p <0.0001 vs轻度ARDS，p <0.0001 vs中度ARDS）均明显增加。
二、塌陷和复张
表2报告了在PEEP为5cmH2O和15cmH2O下测量的轻度，中度和重度ARDS（有和没有ECMO）未膨胀肺组织的量。如图所示，在PEEP为5和15cmH2O之间的不张肺组织（即两个PEEP水平的未充盈组织之间的差值），轻度ARDS患者中是不显著的（56±50g），在中度ARDS中显著增加（116±71 g），并且在重度ARDS患者中未使用ECMO患者达236±202g 和使用ECMO的重度ARDS患者达231±177 g。表2的下表显示了轻度，中度和重度ARDS患者中以相似的潮气量（6-8ml / kg IBW）进行机械通气时，在PEEP为 5cmH2O和15 cmH2O时每分钟15次的规律地开放和塌陷的组织量。如图所示，塌陷和复张肺组织的数量从轻度到中度到严重的ARDS逐渐增加，并且在同一严重程度的ARDS患者中不同的PEEP 5cmH2O和15 cmH2O之间的严重程度差异不显著。在ESM中报告了PEEP从5 cmH2O增加到15 cmH2O（根据在CT扫描前在ICU进行的PEEP测试）时气体交换和呼吸力学的变化。
三、肺不均一性
表3报告了在不同吸气末和呼气末压力下估计轻度，中度和重度ARDS患者的肺不均匀程度。如图所示，（a）在每个测试压力下，从轻度至中度和重度ARDS患者的肺不均一性程度增加（但不显著）; （b）在ARDS严重程度相同的情况下，中度ARDS患者和使用ECMO的重度ARDS患者的肺不均一性降低，气道平台压力升高具有统计学意义;（c）在ARDS严重程度相同的范围内，将PEEP从5cmH2O增加至15 cmH2O，显著降低了轻度和中度ARDS的肺不均一性，而严重ARDS组肺不均一性则没有改变。 肺不均一性的变异性和程度随PEEP水平变化的如图3所示。如图所示，在一些中度或重度ARDS患者中，PEEP的增加与肺不均一性的增加有关。
四、其他结果
在ESM中报告了呼吸性肺复张和开放/闭合压力作为肺动脉压力的函数，以及气道和肺动脉压之间的关系。 在每个实验条件下获得的完整的CT扫描数据集也报告在ESM中。
讨论
在早期ARDS患者中，我们发现（a）在机械通气的普遍接受的安全阈值30cmH2O时，10-30％的潜在可复张的肺组织在中度和重度ARDS患者中始终闭合;（b）对病人进行机械通气时，呼气容量设为6-8ml / kg和15cmH2O的PEEP的不足以防止呼吸循环中肺组织的打开和关闭;（c）轻度和中度ARDS中增加PEEP水平，能够降低肺不均一性的总体肺容积的3-4％，而在重度ARDS组中，PEEP不能改变肺不均一性。
面对开放肺策略的假定的益处,这些数据必须拿来讨论，因为：（a）为了最小化开放和闭合的肺之间的界面，肺的完全开放是必要的; （b）维持肺开放状态，高PEEP水平是必要的; （c）打开和保持肺组织的开放联合作用将增加肺的均一性，降低VILI的可能性。实际上，将机械通气设定在通常接受的30 cmH2O平台压力极限和与保护性潮气量相关的约15cmH2O的 PEEP不符合开放肺战略（“开放和保持开放”）的任何理论先决条件，也不能达到预期优点（降低肺不均一性）。
开放萎缩的肺组织需要足够的压力来克服以下定义的反作用力之和：（a）由于肺重量增加引起的压缩力;（b）由于空气/液体界面从小气道向肺泡空间移动而引起的表面张力；（c）抬起胸壁所需的压力。值得提醒的是，开放压力是系统的“集中性”功能，即在轻度，中度和严重的ARDS中需要相同的开放压来打开特定的塌陷单元（压缩，表面张力，胸壁弹性）。 可以恢复的组织的数量是系统的“广泛性”属性，因此，它与肺大小，疾病的严重程度以及肺水肿的分布成比例。
肺的压缩力不能超过肺的顶点压力，通常在10-15cmH2O，ARDS的肺表面张力估计在15-20cmH2O，胸壁弹性大约在5-10cmH2O，因此，在ARDS患者中，开放压力必须克服压缩，表面张力和胸壁弹性的总和，因此它们在30和45cmH2O之间。 在一些患者中，更高的气道开放压（高达60cmH2O），可能导致严重的高碳酸血症，酸中毒和需要血流动力学支持，而恢复的肺组织很少。 现有数据证实，在45 cmH2O的设定压力下，轻度，中度和重度ARDS之间的恢复量显著不同。 然而，如果平台压限制在30cmH2O，那么在整个呼吸周期中，很大一部分可恢复的肺部保持关闭，特别是在中度和重度ARDS。
开放肺方法意味着在呼气期间，在平台压下恢复的组织保持打开，否则将导致“萎陷伤”。为了维持肺开放，必须提供足够高的PEEP。随机试验中提出了几种“较高PEEP”方法。一些是基于氧合（在ALVEOLI和LOV试验中应用，导致平均PEEP分别为13.2和14.6 cmH2O）;一些是基于呼吸力学（如ExPress试验，导致PEEP平均值为14.6 cmH2O）。其他研究是专门设计用于测试开放肺部策略，并且基于在P-V曲线的呼气端观察到的氧合或呼吸力学变化（导致平均PEEP为15.8cmH2O）。基于经肺压力的方法导致平均PEEP为17cmH2O。在比较同一患者中“较高PEEP”选择（即氧合，呼吸力学，经肺压力）的不同方法的研究中，所得PEEP值没有统计学差异，平均值为14.5cmH2O。因此，大部分数据表明，大约15cmH2O的PEEP值被认为是“适当的”，以使肺部在“平均”ARDS群体中开放（显然不一定在单个患者中）。
在以往的工作中，我们从P-V曲线估计了吸气末的未膨胀组织（而不是像现在的工作那样从CT扫描中测量），我们发现在平均肺组织重约1700g的患者中， 可复性高的比可复性低的人显著减少141至63g。 在目前的研究中，我们发现严重ARDS患者（平均肺重量约为2000g），PEEP在5至15cmH2O之间,开放并关闭的肺组织由123降至96g。 尽管这两项研究都表明，PEEP增加到15 cmH2O会降低开闭组织，但仍然与严重ARDS患者相关。 因此，这些水平的PEEP似乎不足以在低潮气量通气（6-8ml / kg IBW）期间保持肺完全打开。
肺的不均一性
基于米德理论的开放肺战略的结果应该是减少肺不均一性，以及肺组织中更平均的负荷。这种“同质性”模式意味着，一个陷闭的区域，当打开和保持开放时，具有与相邻已经开放区域的相同的力学和膨胀。这将取消“压力升高”及其对肺完整性的破坏性后果。不幸的是，这种看法很可能是一个过度简化。实际上，在这项研究中，我们发现轻度，中度和重度ARDS（无ECMO）的不均一性减少仅限于几个百分点，尽管在严重的ARDS中尽管持续恢复，但并没有改变。这种明显的悖论可以由不良充气组织来解释，这是不均一性的决定性因素。最后的结果是均一性的增加比理论预期要少的多。
我们认为我们的数据可能会引起对当前机械通气的设置的一些问题，并且可能对剪切力的临床相关性产生疑问。肺开放大量应用于ARDS。我们的数据表明，在轻度ARDS下，在呼吸机上设置45cmH2O以恢复肺组织是不必要的，因为在30cmH2O的平台压力下，大多数肺组织已经恢复。相比之下，在这个压力范围（30-45cmH2O）中，可以在中度和重度ARDS中达到相同的效果。然而，这种恢复的组织取决于在恢复后如何设置呼吸机。将平台压力限制在30 cmH2O，PEEP在15 cmH2O时会导致30至45 cmH2O之间恢复的组织塌陷。为了保持这一部分可恢复的组织，可以使用两种选择：叹气通气，或者PEEP水平远远大于目前使用的水平。
因此，我们应该在以下两种方案选择：要么在30cmH2O平台压和PEEP 15cmH2O之间通气，高达30％的肺会保持关闭，并且总是存在一小部分的肺萎陷；或者使用比通常应用的更高的PEEP水平。 临床上的问题是由于增加的PEEP，那么萎陷伤带来的伤害是否比容积伤小？ 在我们看来，可用的理论和实验数据表明，萎陷伤可能比容积伤更安全。
