基于慢吐氣方法選擇急性呼吸窘迫綜合征模型呼氣末正壓的可行性

王玉妹 王 巖 周益民 徐珊珊 楊燕琳 張琳琳 周建新

(首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院重癥醫(yī)學科，北京 100070)

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是重癥醫(yī)學科常見的急性呼吸衰竭，以肺容積減少、肺順應性下降及大量肺泡塌陷為主要的病理生理學特征[1]。肺保護性通氣策略是治療ARDS患者的一項重要措施，尤其是呼氣末正壓(positive end-expiratory pressure，PEEP)的選擇是目前的難點和熱點[2]。選擇PEEP的方法有很多，如最大順應性法[3]、氧合表法[4]、分層電阻抗成像(electrical impedance tomography，EIT)技術[5-6]等。如何選擇一個較合適的PEEP水平還存在很大的爭議[2]?？紤]呼吸力學特征的同時，還需要考慮血流動力學等，使得選擇PEEP更加困難[7]。簡單的識別呼吸力學特征，再聯(lián)合血流動力學可能是更有效的方法。因此，本研究模擬了ARDS模型，應用慢吐氣(prolonged expiration)[8]的方法進行PEEP滴定，根據(jù)呼吸機常規(guī)監(jiān)測的呼出潮氣量(expired tidal volume，VTe)數(shù)據(jù)計算肺復張容積，更簡單的選擇合適的PEEP區(qū)間，并通過EIT技術進行驗證，探討應用慢吐氣及呼吸機監(jiān)測選擇PEEP的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及實驗前準備

健康雄性巴馬豬6只，體質量(38～42)kg，由北京實創(chuàng)世紀小型豬養(yǎng)殖基地提供，實驗動物使用許可證號：SYXK(京)2019-0031。本研究已經(jīng)通過了北京市神經(jīng)外科研究所動物福利倫理委員會的倫理審批(倫理審批號：201703001)。

使用氯氨酮和陸眠寧肌肉麻醉，麻醉成功后進行氣管插管，呼吸機輔助呼吸，設定容量控制通氣模式(volume control ventilation，VCV)，潮氣量(tidal volume，VT)為6 mL/kg，呼吸頻率(respiratory rate，RR)為15～25次/分，維持二氧化碳分壓(arterial partial pressure of carbon dioxide，PaCO2)在35～45 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)，吸呼比(inspiratory/expiratory ratio，I ∶E)為1∶2，吸氧濃度(inspired oxygen fraction，F(xiàn)iO2)為50%，PEEP初始設置為5 cmH2O(1 cmH2O=0.098 kPa)。

實驗前準備包括連接心電監(jiān)護監(jiān)測心率(heart rate，HR)、末梢氧飽和度(pulse oxygen saturation, SpO2)等；股動脈置管連續(xù)監(jiān)測平均動脈壓(mean arterial pressure，MAP)；股靜脈置管開放靜脈通路；綁上EIT綁帶，連接EIT設備，連續(xù)監(jiān)測EIT數(shù)據(jù)并進行離線分析。整個實驗過程中持續(xù)靜脈泵入丙泊酚鎮(zhèn)靜、 芬太尼鎮(zhèn)痛、羅庫溴銨肌松保證完全消除自主呼吸。

在整個實驗過程中以6 mL·kg-1·h-1的速度靜脈輸注0.9%(質量分數(shù))氯化鈉注射液(以下簡稱生理鹽水)。如果出現(xiàn)低血壓情況，先進行補液，若低血壓仍持續(xù)存在，可通過靜脈注射去甲腎上腺素(10 μg推注或以0.05～0.5 μg·kg-1·min-1持續(xù)輸注)進行治療，MAP維持在65 mmHg以上。

1.2 模型制備

應用鹽酸氣管滴入法建立ARDS模型：將0.1 mol/L鹽酸按照4 mL/kg由氣管內緩慢滴入，30 min內完成[9]。將PEEP設置為5 cmH2O，每10 min進行一次血氣分析，當氧合指數(shù)(arterial partial pressure of carbon dioxide/inspired oxygen fraction， PaO2/FiO2)低于200 mmHg，并穩(wěn)定維持30 min時，即模型建立成功[10]。

1.3 實驗流程

模型建立成功之后，進行一次肺復張，肺復張后采用慢吐氣的方法進行遞減的PEEP滴定過程，PEEP從20 cmH2O逐漸遞減至0 cmH2O，間隔為5 cmH2O，具體流程見圖1。每個PEEP水平維持20 min，并進行3～5 s 的吸氣末阻斷和呼氣末阻斷獲得呼吸力學參數(shù)。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flowchart△1 cmH2O=0.098 kPa; Paw： airway pressure; PEEP： positive end-expiratory pressure.

1.4 數(shù)據(jù)收集

每個PEEP水平通氣結束后，分別記錄以下數(shù)據(jù)再降低PEEP：

1)采集動脈血進行血氣分析，記錄氧分壓(arterial partial pressure of oxygen，PaO2)和PaCO2。

2)記錄血流動力學指標，如HR、MAP等。

3)通過呼吸機監(jiān)測，記錄降低PEEP前后一口氣的VTe、平臺壓(plateau pressure，Pplat)、呼吸系統(tǒng)順應性(compliance of respiratory system，Crs)、驅動壓(driving pressure)等，計算每二個PEEP水平之間的復張容積(recruitment volume，Vrec)：

復張容積=(低PEEP的VTe-高PEEP的VTe)-

最小預測復張容積=(低PEEP的VTe-

高PEEP的VTe)-低PEEP的Crs*ΔPEEP

4)實驗過程中連續(xù)進行EIT監(jiān)測，離線分析數(shù)據(jù)，將肺從腹側到背側均分為二個區(qū)域:非重力依賴區(qū)和重力依賴區(qū)，計算每個分區(qū)的VT和Crs[11]，同時計算過度膨脹/萎陷(overdistention/collapse)的比例[12]及均一指數(shù)(the global inhomogeneity index，GI指數(shù))[13]。

1.5 統(tǒng)計學方法

2 結果

2.1 模型的建立

所有的實驗動物在造模后均達到了ARDS的標準，造模前的氧合指數(shù)為(412.6±65.6) mmHg，造模后氧合指數(shù)為(141.2±10.1) mmHg(t=10.016，P=0.000)。造模成功后Crs較基礎值明顯下降[造模前(74.5±13.0) mL/cmH2O，造模后(32.1±12.3) mL/cmH2O，t= 5.803，P=0.000]，符合ARDS模型的生理學特點。在PEEP滴定過程中，在PEEP為15、20 cmH2O 的通氣過程中時，實驗動物均應用了一定劑量的去甲腎上腺素維持MAP在65 mmHg以上。

2.2 不同方法選擇的較合適PEEP區(qū)間的比較

基于慢吐氣方法計算的每兩個PEEP水平間的Vrec與PEEP的關系如圖2A， PEEP由10 cmH2O降至5 cmH2O時的Vrec最大，即較合適的PEEP區(qū)間在5～10 cmH2O。

由EIT計算的每個PEEP水平的過度膨脹/萎陷比例如圖2B，在PEEP遞減過程中，過度膨脹的比例越來越小，萎陷的比例越來越大，二者之和最小值在PEEP為5和10 cmH2O之間，即較合適的PEEP水平在5和10 cmH2O之間。

圖2 不同方法選擇的較合適PEEP的比較Fig.2 The comparison of optimal positive end-expiratory pressure (PEEP) selection by different methodsA: the change of recruitment volume with PEEP level using prolonged expiration; B: the percentage of overdistension and collapse at different PEEP level calculated by electrical impedance tomography (EIT). △1 cmH2O=0.098 kPa; PEEP： positive end-expiratory pressure.

2.3 不同PEEP水平之間其他參數(shù)的比較

在PEEP滴定過程中，不同PEEP水平之間血流動力學、呼吸力學及EIT參數(shù)之間的比較如圖3。隨著PEEP水平的降低，氧合指數(shù)逐漸降低，在PEEP 10、15和20 cmH2O三個水平時氧合指數(shù)大于300 mmHg。MAP和PaCO2在滴定過程中無明顯變化，但在PEEP為15和20 cmH2O時，應用了血管活性藥物維持血壓。心率在實驗中稍有波動，在PEEP為5 cmH2O時心率最低。整體的Crs在PEEP為10 cmH2O 時最高，此時驅動壓也是最低的；非重力依賴區(qū)Crs在10 cmH2O時最高，而重力依賴區(qū)Crs在15 cmH2O時最高，有一定的差異。隨著PEEP水平的降低，重力依賴區(qū)的VT越來越多，而非重力依賴區(qū)越來越少。GI指數(shù)在PEEP為10 cmH2O時最低，此時通氣最均一。

圖3 不同PEEP水平之間各參數(shù)的比較Fig.3 Comparison of other parameters in different positive end-expiratory pressure (PEEP) levels PEEP： positive end-expiratory pressure; PaO2/FiO2： arterial partial pressure of oxygen/inspired oxygen fraction; PaCO2: arterial partial pressure of carbon dioxide; Crs: compliance of respiratory system; △1 cmH2O=0.098 kPa; ▲1 mmHg=0.133 kPa.

3 討論

ARDS是重癥醫(yī)學科內比較常見的一種急性呼吸衰竭，機械通氣是治療ARDS的一項重要手段，其設置仍然是研究的重點，尤其是如何選擇PEEP是重點和難點[14-15]?！白罴选钡腜EEP水平其實并不存在，臨床醫(yī)生需要一個比較合適的PEEP水平，該PEEP能夠提供較好的順應性、較高的氧合指數(shù)、比較低的無效腔量、更多的復張肺泡避免過度膨脹等[2]，通過呼吸力學情況，可以選擇一個比較合理的PEEP區(qū)間，然后根據(jù)血流動力學及其他指標進一步選擇出更合適的PEEP水平。選擇PEEP的方法有很多，大部分需要特殊的操作或復雜的工具，因此本研究提出通過慢吐氣的方法結合呼吸機常規(guī)監(jiān)測簡單的選擇一個PEEP區(qū)間，再通過血流動力學及其他指標選擇合適的PEEP。

慢吐氣是通過單次呼吸簡化PEEP遞減的過程，簡單計算高PEEP降至低PEEP的去復張容積或Vrec[8]。在PEEP遞減的同時，通過延長呼氣時間，一般為6～9 s，利用高PEEP降至低PEEP的單口氣計算Vrec。由于吸氣的VT不變，呼氣時間足夠長，降低PEEP后單口氣立即顯示的呼出VT與改變PEEP前的呼出VT之間的差值就是PEEP水平改變導致的總肺容積的變化，即PEEP產生的容積變化。再計算出最小預測復張容積(minimal predicted volume，MPV)就能夠計算出Vrec，當PEEP產生的容積變化大于MPV時，表示此次肺出現(xiàn)了復張[8]；反之小于MPV時，過度膨脹占主導地位。因此，通過慢吐氣的方法，結合呼吸機監(jiān)測的呼出VT能夠簡單計算降低PEEP時的Vrec，Vrec最大的PEEP區(qū)間就認為是較合適的PEEP區(qū)間[16]，再結合血流動力學及其他指標選擇合理的PEEP水平。

比較合適的PEEP水平是在此PEEP水平下，最大程度的打開萎陷的肺泡，并且使得過度膨脹的肺泡最小化。計算萎陷和過度膨脹肺泡的方法，金標準是電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)，但是由于CT的復雜性、射線、轉運風險等，目前CT很少用于臨床評估復張和過度膨脹。本研究采用EIT的方法計算過度膨脹及萎陷肺泡的比例，從而評估該PEEP水平區(qū)間。EIT是一種無創(chuàng)、能夠連續(xù)監(jiān)測、床旁、直觀的監(jiān)測肺容積的方法[17]，與CT具有很好的相關性，是目前比較常用的一種影像手段。EIT能夠將肺通氣的區(qū)域分成許多不同的像素點，通過計算每個像素點順應性的變化，計算出過度膨脹和萎陷的肺泡比例[12]。這種方法也被用來選擇合適的PEEP水平[5]，選擇過度膨脹和萎陷的比例之和最小時的PEEP水平即為較合適的PEEP水平。本研究通過EIT計算出過度膨脹及萎陷的肺泡比例，驗證慢吐氣方法選擇的合適PEEP區(qū)間。慢吐氣方法得到的較合適的PEEP區(qū)間是5～10 cmH2O，而EIT計算的過度膨脹和萎陷比例之和最小的位置也在5～10 cmH2O，二者是一致的。

通過慢吐氣方法簡單判斷出合適的PEEP區(qū)間后，本研究也結合血流動力學及EIT提供的分區(qū)情況進行了一定程度上的驗證。在PEEP為5和10 cmH2O時，氧合指數(shù)均在200 mmHg以上。雖然15和20 cmH2O 時氧合指數(shù)更高，但是此時MAP降低，并應用了血管活性藥物，且驅動壓比較高可能容易產生呼吸機相關性肺損傷，重力依賴區(qū)的潮氣量很小，通氣的均一性較差，此時的PEEP并不合適。PEEP低于5 cmH2O時，生理情況下肺即有3～5 cmH2O的PEEP，低于此水平是違背生理學的；此外，低于5 cmH2O 時，氧合指數(shù)也不算高，重力依賴區(qū)的萎陷程度非常嚴重，VT過小，通氣均一性也較差。因此在5～10 cmH2O區(qū)間的PEEP水平是較合適的，這與慢吐氣方法選擇的PEEP區(qū)間是一致的。

本研究有一定的局限性，一是PEEP滴定過程中，PEEP水平的間隔為5 cmH2O較大，可以應用更小的間隔，如2 cmH2O，能夠更縮短此區(qū)間的范圍，更能準確地選擇合適的PEEP水平。再者，本研究為動物研究，仍需要大型臨床實驗和數(shù)據(jù)進行支持和驗證。

綜上所述，應用慢吐氣方法聯(lián)合呼吸機常規(guī)監(jiān)測選擇合適的PEEP區(qū)間是簡便易行的，具有可行性。選擇出此PEEP區(qū)間后，再結合血流動力學及其他指標進一步選擇更合適的PEEP水平也是至關重要的。