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,、通氣不良和實變/塌陷區(qū)在整個肺實質(zhì)中是共存的。

在發(fā)生急性炎癥性肺水腫(ARDS)時,，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：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,，取決于綜合征的嚴重程度),。重要的是要認識到，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,，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質(zhì)的相鄰結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)有關(guān),。

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

肺實質(zhì)

作用于肺部的力量

值得記住的是，擴張肺的壓力(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)語的恰當性最近受到質(zhì)疑。事實上,，在純生理學中,，氣道開放壓力是氣管導管內(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),，另一部分是擴張肺(“彈性”成分),。因此，在這種純粹的生理學觀點中,，跨肺壓是氣道開放壓力與相應胸腔壓力之差,。重癥醫(yī)學科醫(yī)師(和一些生理學家)使用的術(shù)語是不同的，因為它指的氣道開口處的壓力測量值為峰壓(包括阻力和彈性部分),、平臺壓(假設等于流量為零時的肺泡壓)和呼氣末壓力,。食道壓力在峰值、平臺和呼氣末正壓(PEEP)或呼氣末零壓(zero end-expiratory pressure ,ZEEP)將反應相應的胸腔壓力的變化,。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,，試圖將絕對食道壓力等同于胸腔壓力,，與其說是現(xiàn)實,，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(平臺壓和PEEP/ZEEP,，)測量的氣道壓力與相應的食道壓力之差：

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

根據(jù)：

它得到

其中ΔPL為驅(qū)動跨肺壓,，ΔPaw為驅(qū)動氣道壓,，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患者仰臥位時的平均EL/Ers比值約為0.7,。這表明在30cmH2O的氣道平臺壓下,，跨肺壓的平臺壓大約為21cmH2O。然而,，我們發(fā)現(xiàn)單一個體中的EL/Ers比值變化于0.2到0.8之間,。這個表明，在通常被視為“安全”的機械通氣平臺壓閾值下,，跨肺壓可能低至6cmH2O（低通氣和/或塌陷的風險）和高至24cmH2O,，達到肺總?cè)莘e（TLC）的邊緣。在實驗模型中,，我們發(fā)現(xiàn)當通氣量到達肺總?cè)莘e范圍時,，則是致命的。在圖1,，我們記錄了經(jīng)典的容量-跨肺壓曲線,，重新適應于VILI情景。正如所知的,，不管初始肺的大?。ˋRDS時的“嬰兒肺”），它的吸氣容積可達到初始容積的2.5到3倍,。實際上,，300毫升的“嬰兒肺”，其總肺容積可到達750到900毫升。如果提供的潮氣量達到這么大,，它將產(chǎn)生一個高達24cmH2O的跨肺壓（即肺應力）和2.5-3.0的肺形變（即潮氣量和功能殘氣量（FRC）的比值）,，這個在動物模型上是致死性的。因此,，肺的大小應該是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致炎癥反應的發(fā)生,，當膠原完全展開時,，達到應力破裂點。在跨肺壓達到12厘米水柱時（即：特定的彈性）,，肺容量增加了一倍,。

局部應力放大

盡管在極小的“嬰兒肺”中給予的潮氣量（TV）可能會達到TLC，但這個理論機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,。實際上,，大多數(shù)到達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致局部所接受的壓力放大，繼而導致局部的應力和形變增加,。根據(jù)Mead在1970年代建立的，在1990年代被Lachmann推廣的模型,，這個可能更大程度的發(fā)生在不均一性更為嚴重的肺上,。因此，如果我們假設把10kg的負荷掛在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）導致其中一根彈性纖維不能再承擔它自己本應的重量，其余的9根彈性纖維將各自負起1.11kg的重量,。如果不均一性擴大至4根彈性纖維,，剩余的6根各自將負起1.67kg的重量，如此類推,。我們所舉的例子中的負荷代表了根據(jù)平臺壓記錄到的跨肺壓,。在理論的計算中，用到的是更加復雜的幾何模型,，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,，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,，但局部實際壓力可以高達120cmH2O,。實際上,，當我們通過對比相鄰肺區(qū)域的膨脹率來評估不均一性時，我們發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)達到了2倍,。根據(jù)ARDS的嚴重程度,，高達40%的肺組織發(fā)生局部應力集中，這表明在高達40%的肺組織中,，其跨肺壓是翻倍的,。

作為發(fā)生局部應力放大的概念的證據(jù)，我們假設在機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（圖2所示）。實際上,，我們發(fā)現(xiàn)在給予平均達8小時的機械通氣后,，在胸膜-肺泡的交界點就開始發(fā)生小的損傷，而這種損傷將在20個小時左右擴大至整個肺（圖3所示）,。因此,，大量有用的數(shù)據(jù)強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，引起了局部的應力放大,，這可能導致局部的應力和形變增加,。

圖3. a在2.5的形變下經(jīng)過20小時機械通氣后，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）進展到整個肺實質(zhì),。請注意，這些VILI病變幾乎完全可以復原,，這表明它們主要進展為間質(zhì)性水腫

機械能

有關(guān)VILI的文獻都主要集中在潮氣量的可能的危害上,。最近，氣道驅(qū)動壓的可能相關(guān)性（即：根據(jù)呼吸系統(tǒng)順應性標化潮氣量）得到了重視,。其它被識別出來的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,。

為了識別VILI可能的閾值,，我們對豬做了一系列的試驗，發(fā)現(xiàn)VILI是一個反映形變達到2.5時的危害程度的函數(shù)，這與Dreyfuss et al.在大鼠身上觀察到的不一樣,。實際上,，在大鼠身上VILI是在某個平臺壓下迅速發(fā)生的，與達平臺壓的方式無關(guān)（即：不論有無PEEP）,，我們發(fā)現(xiàn)當機械通氣頻率為15次/分以及形變等于2.5（即：潮氣量接近于2.5倍的FRC）時,，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）,。這使我們對其進行了猜測，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,。這個乘積（即：潮氣量乘以絕對壓力）就是傳遞至肺組織的潮汐能。實際上,，如果一個給定的能量以不同的速率給出,，每分鐘傳遞的機械能量可能完全不同。作為這個概念的證據(jù),，我們用2.5的形變（當以15次/分的頻率進行通氣時,，這是致死的）給豬分別以3、6,、9,、12和15次/分的頻率進行通氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低于一定水平的機械能時,，經(jīng)過了54小時的機械通氣仍沒有VILI發(fā)生,。因此，從呼吸系統(tǒng)的運動方程入手,，我們開發(fā)了能量方程，只需將原方程中的每個分量乘以容積變化和呼吸頻率即可,。我們在人體,、及實驗動物中均發(fā)現(xiàn)了機械能的計算值和測量值之間存在顯著的關(guān)聯(lián)（圖4所示）?？紤]到單純機械能的作用,，我們發(fā)現(xiàn)當潮氣量或氣道驅(qū)動壓(即：平臺壓減去PEEP)增加一倍時，會導致機械能增加四倍(指數(shù)2),。相比之下,，呼吸頻率增加一倍時，機械能增加2.5倍（指數(shù)1.4），而PEEP增加一倍時,，機械能增加兩倍(指數(shù)1),。

圖4.通過能量方程計算出來的機械能與通過壓力-容積環(huán)圖解分析測量出來的機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“機械假說”顯然還需要進一步的研究：1) 機械能應與跨肺壓相關(guān)；2)應根據(jù)肺的大小和可能的特定肺彈性來標準化,，以便在不同哺乳動物之間進行比較,。根據(jù)“肺導向/標化”的機械能來確定機械通氣的不安全閾值是可能，可以建立更合理的安全機械通氣方法和可能的體外支持適應癥,。

結(jié)論

機械通氣被用于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到,，這取決于肺的不均一性,。在這個框架內(nèi)，我們考慮：

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

●  提高肺部均一性(不增加機械能)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，對于一個給定的潮氣量,，PEEP增加機械能和達到VILI的解剖閾值的可能性,，即肺總?cè)莘e。