翻译 上海市公共卫生临床中心 麻醉科 俞立奇

概述

机械通气是呼吸衰竭管理中的一种拯救性干预措施。然而，它有呼吸机引起肺损伤的风险。尽管采用了肺保护性通气策略，包括较低的潮气量和压力限制，但死亡率仍然很高，这为创新方法留下了空间。机械功的概念已成为一种综合指标，包括与呼吸机诱导的肺损伤发生相关的关键呼吸机参数，包括体积、压力、流量、阻力和呼吸频率。尽管许多动物和人类研究将机械功和呼吸机诱导的肺损伤联系起来，但其在床边的实际应用受到计算挑战、缺乏相同的共识和缺乏最佳阈值的阻碍。为了克服测量静态呼吸参数的限制，建议为所有患者提供动态机械功计算，无论其通气模式如何。然而，建立因果关系对于其潜在的实施至关重要，需要进一步的研究。本综述的目的是探讨机械功在呼吸机诱导的肺损伤中的作用、其与患者预后的关系，以及实施基于机械功的通气策略的挑战和潜在益处。

关键词

正压呼吸；肺通气；呼吸窘迫综合征；呼吸功能不全；呼吸机诱导肺损伤

缩写：ARDS，急性呼吸窘迫综合征；CRS，呼吸系统顺应性；ΔP，驱动压力（Pplat-PEEP）；ΔPdyn，动态驱动压（Ppeak-PEEP）；EEAP，呼气末气道压力；EELV，呼气末肺容量；ERS，呼吸系统弹性；FRC，功能残气量；HR，危险比；J/min，焦耳每分钟；MP，机械功；OR，比值比；Paw，气道压力；PBW，预测体重；PCV，压力控制通气；PEEP，呼气末正压；Ppeak，峰值压力；Pplat，平台压力；RCT，随机对照试验；RR，呼吸频率；RRS，呼吸系统阻力；V̇，空气流量；VCV，容量控制通气；VILI，呼吸机诱导的肺损伤；VT，潮气量。

1、引言

机械通气是在治疗急性呼吸衰竭的过程中一种挽救生命的干预措施。然而，它可能导致呼吸机诱导的肺损伤（VILI），这可能会导致或加重已有的肺损伤。目前，四种主要机制被认为是VILI发病机制的原因：肺泡过度膨胀（容积伤）、跨肺泡压过度（气压伤）、周期性开放和塌陷的发生肺不张但可复张的肺泡产生的高剪切力（肺萎陷伤）和炎症（生物损伤）。这些机制会增加肺泡通透性、水肿、出血，最终导致肺泡塌陷，进一步损害气体交换。VILI患者可能面临机械通气时间延长、多器官衰竭风险增加和死亡率升高，强调需要预防或减轻VILI。

在过去的几十年里，广泛的研究试图确定与急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者VILI风险增加相关的机械通气参数。尽管实施了当代肺保护性通气策略，重点是限制潮气量（VT）和吸气压力，但ARDS患者的死亡率仍然很高，这凸显了对新策略的需求。最近，机械功（MP）已成为评估VILI风险的综合措施。MP代表呼吸机随时间传递到呼吸系统的总能量，包括所有被认为与VILI发生相关的参数，包括VT、压力、气流（V̇）、阻力和呼吸频率（RR）。研究表明，高MP与ARDS患者预后较差有关。因此，限制MP作为一种有前景的肺保护性通气方法引起了人们的关注。然而，由于计算复杂性和缺乏随机对照试验（RCT）的证据支持其在改善患者预后方面的作用，MP在临床实践中的实际实施遇到了挑战。

本综述旨在综合关于MP、其在VILI中的作用及其与患者预后的关系的现有文献。此外，我们还讨论了在床边实施MP所面临的挑战，并探索了不同的方法。

2、当前的肺部保护性通气策略

为了尽量减少VILI，肺保护性通气策略旨在减少机械通气期间施加在肺部的机械张力和应变。具有里程碑意义的ARDS-Net中较低的VT的RCT研究证明了限制VT和平台压力（Pplat）在缓解VILI方面的重要性，从而降低了死亡率（39.8%对31.0%），增加了无呼吸机天数（12±11天对10±11天）。这些结果在荟萃分析中得到了进一步支持，并使发生和未发生ARDS的患者受益，将低VT和Pplat通气确立为肺保护性通气的组成部分。受损的肺部通常会出现肺不张和肺体积减少，通常被称为“婴儿肺”。在将VT调整到预测体重（PBW）时，考虑维持正常充气的充气肺组织分数（即功能残气量（FRC））的变化至关重要，这反映了呼吸系统顺应性（CRS）。

3、机械功：定义和量化

2016年，MP的创新概念成为进一步降低VILI和改善患者预后的新策略。这种方法利用控制能量传递的基本热力学原理来模拟每次呼吸时呼吸机和呼吸系统之间的能量交换。在机械通气的背景下，吸气能量表示每次呼吸期间从呼吸机转移到呼吸系统的功，可以通过数值积分吸气相气道压力和容量轴之间的面积来量化。（图1）称为几何方法，主要用于研究。总能量可分为三个部分：

1. 静态弹性部分对应于施加呼气末正压（PEEP）时仅输送一次的能量。使用弹簧类比，它表示在设定的PEEP下，从肺实质和胸壁的静息点（也称为FRC）到呼气末肺容量（EELV）的拉伸。该部分未包含在用于计算MP的数学模型或几何方法中。

2. 动态弹性部分对应于每次呼吸期间消耗的能量，以抵消呼吸系统在整个吸气动态阶段的反冲。该分量细分为PEEP引起的反冲，代表纤维的基线拉伸，以及克服体积变化（即VT）引起的呼吸系统弹性所需的能量。与弹簧相似，它说明了从PEEP到Pplat的延伸。

3. 阻力部分对应于克服与V̇相关的阻力所需的功，由气道以及将患者连接到呼吸机的管道组成。

图1 ：容量和压力控制通气期间的呼吸能。图A使用几何视图说明了呼吸能的不同组成部分：（A）PEEP设定的基线弹性静态压力，（b）弹性动态压力（PEEP），（c）弹性动态压力（ΔP），以及（d）流动阻力压力。（b）和（c）通常统一为动态弹性压力。当这些压力分量的总和乘以呼吸频率时，就会产生机械功。图B显示了根据“功率方程”计算的呼吸功，用红色轮廓表示。PEEP设定的基线弹性静压未纳入数学模型。在VCV中，呼吸能在整个吸气阶段均匀分布。在PCV中，呼吸能主要集中在吸气开始时，但如果设置了较慢的压力斜坡（Pramp），则可能会被高估。ΔP：驱动压，VT：潮气量，PEEP vol：PEEP时的肺容量，CRS：呼吸系统顺应性，PEEP：呼气末正压，Pplat：平台压，Ppeak：吸气峰压，LIP：下拐点。

MP以焦耳每分钟（J/min）为单位，通过将动态弹性部分和阻力成分相加，然后将总和乘以RR来确定。运动方程决定了在任何给定时间（t）气道中的总压力（Paw）：

V̇（t）：气体流量，L/s。RRS：呼吸系统阻力，cmH2O/L/s。VT（t）:潮气量，L.ERS：呼吸系统弹性，cmH20/L。EEAP：呼气末气道压力，cmH2O。

在吸气中融入Paw得出了Pinsp。将Pinsp乘以VT得出了呼吸能。进一步将呼吸能乘以RR得出机械功。

VT：潮气量，L.Pinsp：吸气时施加在呼吸系统上的累积阻力和弹性压力，cmH2O。RR：呼吸频率，/min。

限制MP已成为一种有前景的肺保护性通气策略，旨在减轻高能量负荷随时间推移引起的细胞和细胞外基质的破坏性变形，从而降低VILI的风险。（图2）为了在床边应用这一概念，而不依赖于呼吸机波形分析，已经提出了多个数学公式。

图2 ：VILI的发病机制和缓解VILI的靶点。说明呼吸机诱导肺损伤（VILI）的多方面发病机制和有针对性的缓解策略。PEEP：呼气末正压。VT：潮气量。PBW：预测体重。Pplat：平台压力。

将PEEP纳入MP仍然是一个持续讨论的话题，主要是由于以下两点：（1）PEEP是一种静压，不会导致动态容积变化，（2）当前的数学模型假设PEEP和MP之间存在正线性关系（在保持所有其他变量不变的情况下），而没有考虑PEEP和VILI之间的U形关系。通过将FRC升高到EELV，PEEP可以抵消小气道周期性打开和关闭的影响（剪切应力），并防止肺泡塌陷（肺萎陷伤）。这一过程有助于改善通气肺的均匀性，从而导致CRS增加。当CRS的变化引起压力或体积变化时，它们会影响MP值。在容量控制通气（VCV）中，PEEP影响Pplat，而在压力控制通气（PCV）中，PEEP影响VT，进一步影响MP。这突显了PEEP和MP之间的相互依存关系，突显了其融入VILI理解的复杂性。为了解决这个问题，一种方法是将呼吸系统概念化为弹簧，其静止点位于肺实质和胸壁之间相反的弹性反冲力的平衡点（即FRC处）。任何抵消这种平衡的额外力，如弹簧施加的功，都应纳入MP概念，这意味着决定VILI的是引入呼吸系统的绝对压力，而不是压力的变化。

传统肺保护性通气方法中通常未考虑的其他因素，包括峰值压力（Ppeak）和RR，也被纳入MP概念，也可能在VILI中发挥作用。尽管Ppeak的能量主要以热量的形式在近端气道中消散，但研究表明，超过45-50cmH2O的高Ppeak会导致微血管通透性的改变，并与更差的患者预后有关。RR对VILI的影响也是一个正在进行的研究领域。由于每分钟通气量取决于RR和VT，后者通常仅限于遵循肺部保护的建议，而以高RR为代价。实验研究表明，RR越高，肺部越容易发生VILI。先前的工作已经确定，通气兔肺中较低的RR可以减少水肿形成和血管周围出血，从而改善肺组织病理学并降低VILI。在LUNG SAFE研究中，RR被确定为与医院死亡率独立相关的可改变因素，目前的ARDS-Net建议保持RR≤每分钟35次。

3.1. 容量控制通气（VCV）期间的MP

在患有正常肺部和ARDS的患者中，使用几何方法在VCV中验证了原始的“功率方程”。（表1）除了其复杂性外，该方程的局限性在于它依赖于吸气和呼气暂停来区分阻力和弹性气道压力，以及CRS和呼吸系统阻力（RRS）的计算，这阻碍了其在床边的实时适用性。为了提高其临床实用性，开发了两个方程来计算恒定吸气V̇下VCV中的MP。（1） “简化功率方程”最初是为根据床边通过呼吸机获得的特定肺部特征先验计算MP而设计的。然而，这种方法仍然需要气流暂停，并假设CRS和RRS恒定。（2） 最近，一种基于V̇测量值而不是Pplat的实用替代方程能够逐呼吸地计算MP。然而，它假设RRS恒定在10 cmH2O×sec/L。这两个方程与参考标准几何方法高度相关，一致性极限在2 J/min以内。

3.2. 压力控制通气（PCV）期间的MP

由于PCV中的减速气流模式，最高的能量输送率出现在吸气开始时。当V̇达到零时，Ppeak等于Pplat。几个扩展方程模拟了这种减速气流模式。参考几何方法，可以在每次呼吸时计算出一个简化的替代方程，而不需要吸气暂停，其精度与更复杂的方程相似。然而，该方程的准确性取决于加压速率。当从PEEP到Ppeak的加压是瞬时的（方波）时，该方程与通过呼吸能的数值积分获得的值相对应。相反，较慢的压力斜坡的存在会导致对呼吸能的高估，从而导致对MP的高估。

表1 ：用于计算容量和压力控制通气中机械功的关键床边方程。为床边使用设计了四个计算机械功的方程。对用户最友好和最稳健的方程是“简化功率方程”。通过利用该方程，并进一步将ΔP替换为ΔPdyn，它能够对机械功进行逐呼吸评估，有效地克服了与手动流量暂停相关的问题。VT：潮气量，ERS：呼吸系统弹性，RR：呼吸频率，I/E：吸气与呼气时间比，RRS：呼吸系统阻力，PEEP：呼气末正压，Ppeak：吸气峰值压力，ΔP：驱动压力（Pplat-PEEP），V̇：气流，ΔPdyn：动态驱动压（P peak-PEEP，CRS：呼吸系统顺应性。

4、机械功：实验和临床发现

许多动物和人类研究将较高的MP与VILI联系起来。在一项猪研究中，评估了接受体外生命支持治疗的ARDS患者中近窒息通气与VILI之间的关联，较高的MP与组织学肺损伤和纤维增殖评分增加有关。在一项随机对照试验的二次分析中，较高的MP与发生ARDS的风险增加有关（比值比[OR]为1.03 每1 J/min MP（95%置信区间[CI]:1.00，1.06））。最近一项涉及新冠肺炎患者的回顾性研究显示，在机械通气的最初24小时内，MP中位数每增加1个标准偏差（相当于7.1 J/min），30天死亡率就会增加（OR 1.26[95%CI:1.09，1.46]）。无论新冠肺炎诊断结果如何，这种关联都成立。最后，回顾性数据发现，即使在低风险手术患者中，术中MP与术后肺部并发症之间也存在关联。这些研究表明，在不同的患者群体中，MP、VILI和死亡率之间存在关联。

4.1. 动态机械功

为了规避测量静态呼吸参数的限制，提出了用Ppeak-PEEP表示的动态ΔP（ΔPdyn）来评估VILI的风险。动态参数是有利的，因为它们在每次呼吸过程中由呼吸机自动显示，允许持续监测随时间推移的生理变化。在VCV下，ΔP的静态和动态测量值可能会因气道阻力（主要是气管内导管）而异。相比之下，在PCV下，这种差异很小。静态和动态ΔP似乎提供了类似的信息。通过采用修改后的“简化功率方程”，动态MP可以计算为：

ΔPdyn：吸气时气道压力的变化（Ppeak PEEP），cmH2O。0.098：从L/cmH2O到焦耳的转换系数。

动态MP的使用对临床医生很有吸引力，因为它简化了所有机械通气患者的床边计算，无论他们的通气模式如何。一项研究报告称，急性呼吸衰竭患者的动态MP每增加一天，其30天死亡风险就会增加（风险比[HR]1.06[95%可信区间：1.053，1.066]），而无论其通气模式如何。另一项研究发现，每增加1 J/min的动态MP，其死亡风险都会显著增加（HR 1.12[95%CI:1.01，1.36]）。在手术中，动态MP与腹部手术患者的术后肺部并发症有关，动态MP的增加归因于ΔPdyn以外的因素。这些发现支持动态MP在了解VILI风险方面的潜在重要作用，表明早期监测和限制长期暴露于高动态MP可以通过减轻不良反应的累积来降低死亡率。

5、机械功：局限性和悬而未决的问题

是否存在导致VILI发生的特定MP阈值仍不确定。在一项涉及健康仔猪的实验研究中，跨肺MP>12 J/min与VILI的发展有关（通过基于计算机断层扫描识别的水肿进行评估），而与设定的VT或RR无关。>25 J/min的水平会导致潜在的致命肺损伤。在探索MP与血管淤血之间关系作为VILI标志物的猪模型中，结果表明，即使在3 J/min时，肺重量、肺湿干比也会升高，组织学肺损伤参数也会恶化。在对两项ARDS患者随机对照试验的二次分析中，机械通气24小时后MP>12 J/min的患者90天死亡率较高。对来自两个队列的ARDS患者的回顾性分析报告，MP>17 J/min时，住院时间和死亡率增加。重要的是，两个队列都注意到MP从第一天到第二天有所下降，这表明肺损伤或呼吸机设置的调整可能会有所改善。最后，一项前瞻性ARDS筛查计划发现，接受有创机械通气>24小时的患者中MP>22 J/min与较少的无呼吸机天数和较高的28天和3年死亡率有关。从这些研究中，尚未确定导致VILI的明确和一致的MP阈值。此外，缺乏普遍接受的MP计算公式使阈值确定更加复杂。

传统的肺部保护管理依赖于通过手动流量暂停获得的静态呼吸机参数来评估VILI的风险。这些参数允许呼吸系统静息和体积和膨胀压力的重新分布，在被视为标准的稳定条件下提供测量。然而，使用Pplat对CRS和ΔP进行静态测量可能会低估异质性肺动态充气过程中易损肺单位所经历的最大压力。存在更准确估计肺泡压力和张力的替代方法，但需要人工干预，在重症监护室（ICU）中并不常用。因此，Pplat测量不常见，主要针对有严重呼吸支持需求的重症患者，这将MP的应用限制在已经增加VILI风险的特定亚群患者身上。此外，目前用于MP计算的数学方程依赖于没有自主呼吸努力。

尽管有其优势，动态MP仍有许多潜在的局限性。ΔPdyn取决于通气模式；在VCV中，RRS的增加会提高Ppeak，导致ΔPdyn和ΔP之间的差距更大，从而低估MP值。在PCV中，该方程仅提供弹性动态部分的估计。在压力支持中，与Pplat相比，膈肌收缩降低了Ppeak，从而降低了ΔPdyn，导致MP值被高估。尽管存在这些限制，但动态MP可能是估计所有通气模式下VILI风险的最准确的单一方程，而与患者的努力无关。未来的验证研究至关重要，在受控和自主呼吸模型中都采用几何方法。

目前的MP概念量化了肺膨胀期间的能量输送，忽略了肺收缩期间的能量消耗。为了解决这个问题，研究人员提出实施呼气流量控制作为进一步减少呼吸周期压力并最终降低VILI风险的额外策略。

从MP方程可以看出，许多包含的变量彼此之间存在很强的相关性，很难确定每个变量对MP的单独影响，因此也很难确定VILI。在三项ARDS随机对照试验中检查MP、ΔP和60天住院死亡率之间的关联时，结果发现ΔP（HR 1.44[95%CI:1.28，1.62]）和MP（HR 1.39[95%CI=1.28，1.52]）之间存在显著关联。然而，当两个变量都包含在同一模型中时，HR降低（ΔP为1.2[95%CI:1.03，1.40]；MP为1.26[95%CI:1.11，1.43]），这表明由于它们之间的相互关系，潜在的风险信息重叠，因为ΔP是MP方程的一个组成部分。有趣的是，最近的数据表明，ΔP在预测死亡率方面比RR重要四倍，并且（4×ΔP）+RR方程在有和没有ARDS的患者中表现出与MP相当的预测能力。

目前的MP概念因遗漏了标准肺容量（标准化为患者身高）而受到批评，因为MP受到可用于潮气通气的充气肺组织数量（标准化至CRS或FRC）的影响。在ARDS患者中，低CRS与死亡率增加有关。一项研究发现，在复张操作后20分钟测量的MP最初与患者预后无关。然而，当标准化为充气良好的组织（通过胸部成像评估）或标准化为CRS时，它变得相关。然而，一项研究表明，与ARDS患者的绝对MP相比，MP，无论是标准化为PBW还是CRS，都显示出类似的预测性判断。目前，对于MP是否应该常态化测量，还没有达成共识。

6、临床意义和未来研究

虽然较高的MP与其对ICU死亡率的累积影响之间的关联已经建立，但没有随机对照试验证明以限制MP为重点的通气策略的有效性。缺乏明确的VILI缓解阈值，再加上计算方法的变化，为设计在这种随机对照试验中实施的简单策略带来了额外的复杂性。因此，关于MP常规使用的具体临床建议仍然为时过早。

在等待随机对照试验的过程中，下一步包括进一步探索MP与以患者为中心的结果之间的关系，并探索MP计算中每个变量的各自影响。一个特别感兴趣的领域是探索动态MP与患者结局之间的关联，因为所有机械通气患者都可以随时获得必要的参数。此外，未来的研究应考虑在更广泛的急性低氧性呼吸衰竭患者群体中探索MP，这些患者与ARDS患者相似，也具有较高的VILI和死亡率风险。这些研究有可能简化和扩展MP对更多危重患者的适用性。

7、结论

尽管肺保护性通气策略取得了进展，但呼吸衰竭患者仍有预后不良的风险。MP的概念是一个综合指标，量化了随着时间的推移从呼吸机传递到呼吸系统的能量。虽然有望作为进一步缓解VILI的目标，但由于在计算方法、相关阈值和证明这种方法有效性的随机对照试验方面缺乏共识，其临床应用受到限制。在呼吸机使用地理测量方法整合MP测量之前，动态MP为评估VILI风险提供了一种实用且连续的替代方案。虽然MP有可能提高患者的治疗效果，但还需要进一步的研究。

原文地址：

https://doi.org/10.1016/j.jcrc.2024.154902

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编辑：Michel.米萱

校对：MiSuper.米超

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