低潮气量适合所有机械通气患者吗?

自从第一次描述机械通气以来，我们对这种生命维持形式的积极和消极影响的理解不断发展。为了维持肺部的“正常”通气和“正常”的氧合，患者通常需要比健康、自主呼吸的成年人更高的气道压力和潮气量。早期机械通气的目标是使血气水平正常化，但在过去的几十年里，我们对机械通气的有害影响有了更好的认识。我们发现低潮气量实际上可能会使氧合恶化并降低二氧化碳的清除率，故可以可以通过调节呼吸参数降低机械通气造成的危害程度。这种情况在急性呼吸窘迫综合征（ARDS）中得到了最好的描述和认同，但越来越多的证据表明，在接受全身麻醉的正常肺患者或非ARDS需要机械通气的肺部疾病患者中，使用较高的潮气量是有害的。最后，自发性肺损伤的概念已经成为一种机制，通过这种机制，患者胸腔内压负压增高以获得更大的潮气量，可导致肺损伤加重。考虑到越来越多的支持性证据，我们建议所有肺损伤患者或因任何原因接受机械通气的患者应努力实现低潮气量通气。

 

 

安德烈亚斯·维萨利乌斯（Andreas Vesalius）是第一个在1543年描述人工通气的人，当时他报告说，使用一根“管子或甘蔗苇”直接插入气管，可以被吹入气管，从而使肺部“再次膨胀并呼吸空气”。尽管早期对PPV的描述，直到19世纪中期，负压通气才取得显著进展描述过了第一次广泛使用机械通气是在1928年小儿麻痹症流行期间使用负压“铁肺”。

 

正压呼吸机最早于20世纪初作为无创设备（Pulmotor；Draeger）用于煤中煤气中毒的短期抢救矿工。不过，直到20世纪40年代和50年代，侵入性PPV才得以广泛应用，到20世纪60年代，它在很大程度上取代了负压通气，用于支持呼吸衰竭患者。

 

早期PPV的目的是模拟正常人的呼吸模式，恢复接近正常的气体交换。这一目标需要开发精确的血气分析仪，并描述正常人的肺容量和呼吸模式。1846年，Hutchinson首先通过实验对肺活量与身高的明确关系进行了全面的描述。然而，在1954年李约瑟等人测量静息VT值之前，又过了一个世纪，成年男性的VT值为9.7ml/kg PBW，成年女性为10.5ml/kg PBW。在随后的几年里，基于二氧化碳产生量的推导列线图预测成人呼吸12到18次/min的基本VT值为6-8ml/kg。1967年，Stahl通过预测模型显示，不同哺乳动物的VT值与体重高度相关，从老鼠到人类，其平均值为7.69ml/kg。

 

到了20世纪中叶，许多关于PPV管理的文献都源于手术室。麻醉、瘫痪的病人容易出现肺不张和低氧血症。虽然呼气末正压（PEEP）可以改善这种情况，但血流动力学的考虑限制了它的应用。因此，20世纪中期的麻醉建议尽量减少PEEP，并使接受全麻的患者通气，VT值为10-15ml/kg PBW，通常伴有“叹息”呼吸。

 

随着ICU的发展，手术室PPV策略被转移到这些单位来管理各种呼吸病人失败。相应地，从70年代初到90年代，建议应用同样高VT值，理由是“几千名无肺损伤迹象的通气病人”

 

模式转换：从血气“正常化”到肺保护

从人工呼吸方法的起初阶段，很明显，提供不加选择的VT设置可能是有害的。1744年，约翰·福瑟吉担心使用波纹管支撑呼吸可能有害，并建议采用口对口支持，以确保呼气量不会超过救援人员的呼气量。1829年，巴黎的勒罗伊指出，“无知者手中的风箱可能会成为致命武器。”作为哈钦森测量肺容积的早期研究的一部分（前面提到），他表明，通过增加容积会导致肺部空气严重泄漏（气胸）。

 

1987年，Kolobow等人发现，在VT设置为50-70ml/kg的通气条件下，正常绵羊会因严重的肺损伤而迅速恶化和死亡，而那些以10ml/kg通气的绵羊则保持稳定。这种高VT设置实际上接近正常吸气量，并产生与总肺容量相等的吸气末肺容积。尽管在现代实践中使用如此高的VT设置似乎有些荒谬，但这个值的潜在危害在当时肯定还不清楚。在后来的关于正常绵羊的研究中（稍后将更详细地描述），马斯切罗尼和阿拉索报告说，相对于接近正常静息VT的VT设置，VT设置仅略大于正常值（9-15ml/kg PBW）会导致严重的肺损伤。

 

在一组研究中，Dreyfuss等人清楚地表明，引起肺损伤的是容积变化，而不是施加的压力。受高气道压力和正常胸壁力学影响的动物出现高VT值和严重损伤。相比之下，对照组动物有胸壁捆扎带，尽管气道压力相似，但防止了过多的VT值，而且他们没有受到伤害。这些观察结果导致了PPV应力和应变的概念.压力是施加在肺泡结构上的压力（即跨肺压力），而应力是由此产生的拉伸或容积变化。通气性肺损伤（VILI）现在被认为是过度的动态应变（VT）和过度的静态应变（吸气末肺容量）的结果。研究还涉及加速度、呼吸频率、呼气压力不足（PEEP）和血管因素受伤。在添加，VILI与细胞因子的产生有关，这些细胞因子可导致全身炎症和多器官功能障碍（biotrauma），这些概念推动了管理建议的范式转变，从“正常化”血气测量转向肺保护性通气。

 

急性呼吸窘迫综合征的病人

许多关于人类肺保护性通气策略的文献都来自于对ARDS的研究。急性呼吸窘迫综合征的特点是急性呼吸急促、缺氧和肺顺应性丧失，于1967年首次在成人中被描述。有趣的是，最初的描述对PEEP的明显益处进行了评论；然而，没有讨论这些患者接受的VT值，其范围为167到1000ml。

 

在接下来的20年里，来自不同专业团体和临床试验关于脓毒症和ARDS的建议继续推荐大的VT设置（图1），在急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征（ARDS）动物中的实验证据表明，高吸气压力和高VT值的有害影响。因此，到20世纪90年代初，越来越多的证据支持这样一个假设：限制吸气末平台压力（在接近正常胸壁力学的情况下，作为吸气末经肺动脉压的替代物），通过使用VT设置减少肺过度扩张，允许“允许的”高碳酸血症可以降低VILI，改善严重ARDS的预后。

1998年，Amato et alp发表了一项小规模随机试验，结果表明，VT值为6ml/kg对12 mL/kg患者的通气有显著的生存益处。

相比之下，其他几个小的试验评估VT策略与较少的VT分离，结果没有显著性好处。在2000年，美国国家卫生研究院ARDSnet随机试验报告了861例ARDS患者，比较了通气量为6 mL/kg PBW，平台压<30 cmH2O，而对照组为12 mL/kg PBW平台压力<40 cm H2O。在本试验中，较低VT组的死亡率。重要的是高VT值和高吸气平台压是导致死亡率增加的原因。

 

 

优化VT设置的方法继续发展。事实上，考虑到前面提到的“婴儿肺”的概念，将目标定位于与功能性通气肺相匹配的VT设置而不是一个理想的正常肺将是最好的方法。一种方法是从视觉或生理上测量功能性肺大小，并将VT值设置为功能性肺的一部分。一种更简单的策略是假设肺顺应性与功能性肺大小相关，并用它来衡量VT。VT值与静态肺顺应性（CRS）的关系是驱动压力（DP=VT/CRS=平台压力-PEEP）。在对评估机械通气管理策略的几项临床试验的回顾性再分析中，驱动压比VT值、平台压力或PEEP对生存率更为相关。如果驱动压力过大（例如>15-19 cm H2O），则即使6至8 mL/kg PBW的正常VT设置也可能过高。

 

这些概念在21世纪如何应用于ARDS患者？广泛的指南强调了VT设置为4到8 mL/kg PBW和平台压力<30 cm H2O的必要性。然而，一项对全球2813名ARDS患者的大规模调查显示，只有约三分之二的患者接受了VT设置<8 mL/kg PBW，近10%的患者VT设置>10 mL/kg PBW。此外，10%的平台压力>30 cmH2O，50%的驱动压力>15 cmH2O。

 

非ARDS患者

虽然对于ARDS患者使用低VT设置有共识，但是对于肺损伤正常或非ARDS肺损伤并正在接受机械通气的患者，如何处理？重要的是，在几乎所有这些临床情况下，潜在的损伤通常是异质性的，因此可能存在先前描述的ARDS区域性PPV过度扩张的可能性。本质上，机械通气本身可能是ARDS的一个危险因素，因此在VT较低的情况下预先处理这些患者可能是谨慎的。

 

手术患者

全身麻醉主要通过呼吸肌张力的丧失影响肺生理。如前所述，这种肌肉张力的丧失，再加上正常VT环境下的控制性潮气呼吸，会导致进行性肺不张、生理分流和动脉氧分压降低血。周期性的大容量呼吸利用足够的压力重新打开塌陷的空气空间，恢复氧合，当病人在持续的高VT环境下进行通气时，氧张力的逐渐降低就消失了。随着我们对VILI的理解不断发展，大量证据表明低VT设置的好处。

 

ARDS发展成更大的麻醉环境问题。开始在2000年代中期，很明显在手术室使用低VT设置也有类似的好处。早期的报告中有一个病人接受了全肺切除手术。研究人员发现在其他一些小报告之后，术中保护性通气（IMPROVE）试验显示，在VT设置为10-12ml/kg且无PEEP的患者中，与接受6-8ml/kg PEEP（PEEP）为6-8cmh2o的患者相比，术后呼吸衰竭的风险更大，住院时间更长停留。随后, 对接受普通外科手术的患者进行的一项大型荟萃分析发现，术后肺部并发症的发生率与VT设置的增加之间存在剂量-反应关系。这些观察结果的推论是一项研究表明，使用肺保护策略（VT设置为6-8 mL/kg PBW，PEEP为8-10 cm H2O）。潜在的器官捐赠者与传统的策略（VT设置为10-12ml/kg PBW和PEEP为3-5cmh2o）相比，可用于移植的肺数量增加。

全世界每年有超过3亿例手术。因此，任何在全麻期间优化肺保护的增量效益都将极大地降低损伤。幸运的是，PEEP和较低VT设置在术中通气的使用在2013年已经显著增加。

 

在重症监护室

 

如果在短时间内进行较大的VT设置可以导致没有任何急性肺疾病的患者发生VILI，那么对于ICU中没有ARDS的患者也是如此。在20世纪90年代早期的一项研究中，外科重症监护室的插管患者被随机分配到12ml/kg和6ml/kgPBW的VT设置。研究人员发现，常规使用低VT设置似乎是安全。在没有ARDS的病人中，通气量较低的保护性通气与较好的临床疗效相关结果。在另一组无ARDS的患者，肺保护组的平均VT设置为6.45 mL/kg，vs 10.60控制策略为mL/kg PBW。在这项研究中，ARDS的主要危险因素是高VT环境，每ml超过6ml/kg的OR值为1.3PBW，随后的研究重申了这些结论。 

最近的一项大型试验指出，在机械性非ARDS患者中，靶向小VT和中等VT没有益处通气。因为两组VT值之间的平均差异很小，应谨慎地将这些结果外推到VT差异较大的潜在影响。 

总的来说，大部分的证据支持使用较低的VT设置来改善机械通气患者和患有多种非ARDS疾病的患者的预后。因此，在几乎所有形式的呼吸衰竭中限制VT设置是有意义的。

 

自发肺损伤

一个越来越被认可的临床挑战是机械通气和高通气需求的患者，其产生的自发或辅助VT设置大于被认为是安全的（通常>8-9 mL/kg PBW）。这种情况通常与过大的最大跨肺压（通常>25-30 cm H2O）相结合。虽然这可能是由于对患者的努力过度的呼吸机压力设置引起的（或放大的），但导致患者过度通气需求的原因可能是多因素的。其中包括代谢需求、疼痛（包括气管插管的存在）、焦虑、神经损伤、患者呼吸机不同步、呼吸系统紊乱/刺激性受体活性导致呼吸困难。全身性炎症反应综合征也可能通过对通气控制系统行为的炎症效应和旨在限制过度潮气伸展的保护性脑干反射（即Hering）的损害而参与-布劳尔反射。

 

为了帮助更好地了解自发的无辅助呼吸是否会造成肺损伤，马斯切罗尼和阿尔加夫羊在脑干中注射了一种温和的酸液，使它们的分钟通气量增加了300%。每次注射后，VT设置短暂增加至15.7 mL/kg，并且在研究期间保持>9.1 mL/kg。对照组的绵羊被给予类似的酸输液，但被麻痹以防止过度膨胀，并以8ml/kg的速度通气。高VT组的患者出现了逐渐加重的缺氧和严重的肺损伤，而那些VT设置正常的患者没有出现损伤。在兔ARDS模型中，随着呼吸频率和VT的增加，由强烈的自发呼吸产生的高跨肺压力导致肺损伤加重。

 

对患者而言，越来越清楚的是，肺泡组织上过度的潮气和最大的膨胀（动态和静态应变）即使主要是自发的（自发性肺损伤）也会导致损伤，自发性损伤的类型可能不同。积极气道压力根据区域性肺力学分布气体，并对抗优先在非独立区域运动的被动隔膜。相反，自发的努力导致膈肌收缩更均匀，胸膜压力降低，气体分布受局部胸膜和肺泡力学的影响。因此，尽管在自主呼吸或全机械呼吸时，整体肺泡压力可能相似，但在自发呼吸的患者中，特别是肺损伤明显异质性的患者中，区域性跨肺泡压可能有很大的差异。

 

在较轻的肺损伤中，自发努力的分布效应有助于改善通气-灌注匹配。然而，在更严重的肺损伤中，这些分布的努力也会产生摆动呼吸，这个这种情况可能导致相关依赖区域的显著肺复张和局部过度拉伸，以及相应的非独立区域的快速呼气。重要的是，它可能发生而不会引起整体VT值的显著变化，而且人们相信这种快速的周期性吸气-呼气加重肺损伤。

 

强烈的吸气可能会有其他负面影响。如果呼吸频率太快，吸入气体无法在两次呼吸之间完全排空，则VT值会产生空气滞留，这会导致进一步的肺泡过度呼吸。伴随着用力增加的膈肌刺激，特别是在呼吸机患者不同步的情况下，会导致呼吸肌疲劳和损伤。最后，吸气引起的跨壁肺血管压力波动的增加可能加重血管渗漏。

 

PEEP不足可通过区域性肺不张导致VLI，在VT传送过程中产生周期性肺泡开放/塌陷损伤。在区域性呼气相跨极压为负的情况下积极的努力会使这种情况进一步恶化损伤。肺泡塌陷还可增加呼吸驱动力，产生大量的负肺泡内压，将水肿液吸入肺泡，进而加重损伤的异质性。综上所述，这些概念和越来越多的证据表明，VLI是一个真正的现象，不仅是由过度的VT设置驱动的，而且还受到强烈的负性胸膜压波动的影响。

 

自发性肺损伤不仅存在于插管患者，而且存在于接受无创通气（NIV）的患者中。对于NIV，几乎不可能控制患者接受的VT，而对于ARDS患者，高过期VT值与NIV独立相关失败。病人肺损伤时常有一个增加的死腔分数，这导致更高的分钟通气量，以达到充分的肺泡通气。NIV不能减少这种死腔，但加热、加湿的高流量鼻插管（HFNC）被认为是一种冲洗和减少生理性死腔的方法。事实上，通过HFNC吸氧的ARDS患者与接受氧气的患者相比，呼吸困难和呼吸频率降低。而且他们的插管率和死亡率都降低了。目前尚不清楚这些发现是否代表了更好的设备耐受性和更少的呼吸机相关并发症，还是死亡空间的减少导致了较低的VT设置和较低的自发性肺损伤。

 

肺是否有可能适应表面上过度的拉伸并减少受伤的可能性？例如，高海拔地区的居民肺泡通气量比海平面居民高25%或更多，VT超过8ml/kgPBW。类似慢性脊髓损伤的患者似乎也能忍受数十年的高VT模式。动物实验中的另一个有趣的观察是，在非常低的流量下进行的高VT设置比使用生理性吸气的高VT设置具有更小的伤害可能性。这一发现可能表明肺泡毛细血管结构有能力适应更大的拉伸，如果给予时间和/或适当的通气模式。虽然这是一个有吸引力的概念，但缺乏证据证明在短期ICU环境下适应高VT。

 

在辅助呼吸过程中，对于机械通气要求高VT设置的患者，临床医生应该怎么做？首先，临床医生应该解决可固定的问题：减少不必要的吸气压力，尽可能使VT设定与患者的努力同步，优化PEEP，减少过度驱动的原因（如疼痛、激动、气管插管刺激、代谢需求、酸中毒）。对于无插管的病人，使用HFNC可能比NIV更好，以减少死腔通气，从而减少呼吸驱动。

 

一旦所有这些问题都解决了，临床上的选择是要么在药理学上减少（或消除）呼吸驱动（如镇静剂、阿片类药物、神经肌肉阻滞），要么“适应”高VT设置。呼吸驱动力的药理学减少（或消除）伴随着另一系列并发症，这些并发症可能延长机械通气时间，损害长期肌肉功能。因此，选择本质上是决定两害孰轻孰轻。如果潜在伤害不严重，平台压和驱动压力较低，且VT升高适中（即#10 mL/kg PBW），则可选择容忍过高的VT设置。相反，严重肺损伤伴高跨肺驱动或平台压力和/或VT设置为12ml/kg PBW可能是呼吸驱动减弱的指征。另一个正在研究的方法是使用低流量体外二氧化碳清除系统来减少肺泡通气的需要。

 

结论

机械通气可维持急性呼吸衰竭患者的生命。然而，机械通气患者的一个主要问题是，VILI在很大程度上是由过度的动态和静态应变驱动的。限制VT设置可以改善这种损伤，但实际上可能导致气体交换恶化。迄今为止的证据表明，这种低VT的权衡对ARDS是有利的，对其他形式的呼吸衰竭甚至正常肺（如麻醉手术病人）也可能有利。因此，目前几乎所有患者的VT设置的“默认”设置应在正常生理范围内（6-8 mL/kg PBW）。可能存在例外情况，例如，过度驱动或平台压力的患者可能显示VT设置更低。相反，如果跨肺压力不太大，有强烈呼吸驱动要求较高VT设置的患者可允许适度增加VT，以避免镇静/麻痹。

---Chest. 2019 Oct;156(4):783-791. doi: 10.1016/j.chest.2019.06.007.