重癥監護病房膈肌功能監測研究進展

王穎 王金榮

河北醫科大學附屬哈勵遜國際和平醫院重癥醫學科,衡水 053000

有創機械通氣廣泛應用于急慢性呼吸衰竭,但其引起的相關損傷,尤其是呼吸肌失用而導致的膈肌萎縮和功能障礙已成為重要問題,與脫機困難、機械通氣時間延長、呼吸機相關并發癥 (再插管、氣管切開)和死亡有關[1-3]。目前已有多項床旁膈肌功能監測技術[4],如監測膈肌電活動 (electrical activity of the diaphragm,Edi)可以記錄呼吸驅動的傳輸過程,超聲檢查可以直接觀察膈肌運動,評估膈肌硬度和應變能力,以及正在研發的膈神經磁刺激技術,無需受試者配合便能夠提供標準化測量,尤其適于ICU 配合不佳的患者。本綜述將討論與膈肌功能障礙相關的臨床問題、膈肌功能監測的重要性以及最新研究進展。

1 膈肌功能生理學意義與監測方法

膈肌位于胸腹腔之間,吸氣時膈肌下移,呼氣時膈肌上升至原來位置,因膈肌收縮而增加的胸腔容積約占一次通氣量的4/5,是最重要的吸氣肌,但無法直接檢查 (圖1)。因此,除了研究目的外,近年來臨床實踐中很少進行膈肌功能監測。然而,隨著膈肌超聲和專用食管導管記錄Edi等技術的出現,情況發生了變化。在介紹這些技術之前,首先討論膈肌功能的含義和診斷膈肌功能障礙的參考方法。

圖1 膈肌解剖示意圖[5] A:胸壁、膈肌和膈神經示意圖;B:膈神經與周圍組織解剖毗鄰關系示意圖

1.1 膈肌增壓能力 膈肌的生理功能是縮短和產生牽引力,雖然這個力不能直接測量,但膈肌產生壓力的能力是可以測量的。當膈肌收縮時下降到腹部,同時增加腹腔壓和降低胸腔壓,產生跨膈壓 (transdiaphragmatic pressure,Pdi)。最大Pdi,即用力吸氣所產生的Pdi,是評估膈肌功能最符合生理的方法。然而,由于鎮靜或譫妄導致ICU 患者缺乏合作能力,通常不能產生最大吸氣努力。為了克服這一問題,Watson等[6]通過監測膈肌對雙側膈神經磁刺激的反應代表Pdi(顫搐性Pdi)。因膈肌僅受膈神經支配,通過刺激膈神經可以達到檢測膈肌功能的目的,刺激雙側膈神經產生的顫搐性Pdi被認為是評估膈肌收縮力的最好指標 (圖2)。雖然顫搐性Pdi對磁刺激的反應不能代替最大Pdi,但優點是無需受試者配合做努力吸氣動作,便能夠提供標準化測量,尤其適用于ICU 等主觀檢查配合不佳的患者。顫搐性Pdi＜-11 cm H2O (1 cm H2O=0.098 kPa)定義為膈肌功能障礙[5]。

圖2 壓力支持通氣患者應用膈神經刺激技術示意圖[6]

1.2 膈肌超聲檢查 過去10年,膈肌超聲在ICU 中應用越來越多,已經有數項針對成人和兒童的研究發表[7-9]。當膈肌收縮時,它會縮短、變厚、移位和變硬。超聲可以測量膈肌厚度、增厚和移動度 (圖3)。由于可行性的原因,膈肌超聲主要經劍突下和肋間2個切面,選擇右側膈肌更容易獲得數據。劍突下切面顯示右側膈肌邊緣位移,位移測量值在觀察者內和觀察者間一致性較好。最大吸氣量時,女性正常下限值＞3.6 cm,男性＞4.7 cm[11]。在健康患者中,膈肌位移與產生壓力能力的指標之間存在中度相關性[12]。而在機械通氣患者中,膈肌位移與產生壓力的指標(跨膈壓的壓力-時間乘積、Pdi、顫搐壓)相關性較差,但與脫機成功呈正相關 (位移越大,成功率越高)。

圖3 經劍突下和肋間切面進行膈肌超聲掃描[5,10] A:肋間切面測量吸氣末 (a和c)和呼氣末 (b和d)膈肌厚度;B:劍突下切面測量膈肌位移 (箭頭示);C:超聲探頭掃查示意圖

相比之下,膈肌厚度與產生壓力能力或脫機結果均未發現有顯著相關性[10]。膈肌超聲檢測到膈肌厚度減少,提示膈肌萎縮,但也有報道稱膈肌厚度會增加,考慮與呼吸過度用力有關[2],盡管這一觀察的意義尚不清楚。最近,肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者組織學上的膈肌萎縮癥與肺功能之間的關系, 得到了引人注目的結果。Guimar?es-Costa等[13]未能證明壓力產生能力的指標與膈肌萎縮的嚴重程度之間有任何顯著關系。這些發現表明,萎縮只是膈肌功能障礙的標志之一。

吸氣和呼氣之間膈肌厚度的變化可以計算增厚分數,定義為吸氣末和呼氣末膈肌厚度差與呼氣末膈肌厚度的比值,以百分比表示 (圖3)。測量膈肌增厚分數比測量厚度重復性要差。增厚分數與膈肌功能之間存在中度但非線性相關,實際上膈肌收縮是由肌肉主動牽拉引起的的三維位移[4],因此,膈肌增厚分數與產生壓力能力的指標之間僅為中等相關,范圍從健康患者的r2=0.32[14]到機械通氣患者的r=0.87[15]。這一廣泛的范圍表明,膈肌增厚分數在量化膈肌努力方面作用有限。值得注意的是,最近一項研究中,增厚分數評估膈肌力量的有效性受到了質疑,健康患者在逐步增加吸氣負荷的情況下,從0到最大吸氣壓力的50%,增厚分數保持不變[16]。作者解釋本研究操作者內部可重復性系數低,可能是增厚分數缺乏變化的原因。

在ICU 應盡可能在最低通氣條件下測量膈肌增厚分數(和膈肌位移),理想情況下將持續氣道正壓設為零或通過T 管測量,以避免低估膈肌增厚分數和位移。機械通氣患者的膈肌增厚分數低于29%與膈肌功能障礙有關,預測脫機成功 (自主呼吸試驗成功和/或拔管成功)的截斷值為25%～35%[7,17-19]。膈肌超聲和膈神經刺激進行比較發現,2種方法都能準確預測脫機結果[17]。然而各研究結果并不一致,一項針對45例接受自主呼吸試驗患者的研究發現,膈肌增厚分數無法預測脫機失敗[20]。相比之下,其他作者發現在脫機試驗失敗的患者中,膈肌增厚分數較低[7]。另一項研究納入了脫機試驗成功的患者,結果顯示拔管成功與未成功的患者在膈肌增厚或膈肌位移方面差異無統計學意義[21]。總之,這些發現強調了在脫機期間標準化使用膈肌超聲的重要性。這個使用標準需要考慮測量時間 (脫機之前或試驗期間)、目標人群 (脫機失敗風險最高的)、呼吸機模式 (非輔助通氣可以優先)和參數 (潮氣量或最大吸氣努力,取決于患者合作水平)。有作者建議將超聲參數與呼吸模式結合起來,Spadaro等[22]觀察到,在預測脫機結果時,膈肌位移與呼吸頻率之比優于呼吸淺快指數、膈肌位移和最大吸氣壓。其他作者試圖評估輔助/控制模式和自主呼吸試驗之間的位移時間指數 (膈肌位移和吸氣時間的乘積)的變化,以預測拔管結局。輔助控制模式和自主呼吸試驗之間的位移時間指數下降幅度小于3.8%,預測拔管成功的靈敏度為79.2%,特異度為75%[22-23]。

另一項研究中,對慢性阻塞性肺疾病急性加重的患者使用急診膈肌超聲評估膈肌功能,預測無創通氣失敗的風險。膈肌增厚分數小于20%,無創通氣失敗的可能性更大(風險比=4.4,P＜0.001),且與入住ICU、住院期間及90 d病死率顯著相關,膈肌增厚分數與Pdi相關性好 (r=0.81,P=0.004)。膈肌增厚分數小于20%,在預測無創通氣失敗方面 (曲線下面積為0.84),比基線p H 值和無創通氣早期p H 值和PaCO2變化更有優勢[24]。

除了經典的超聲衍生指標外,膈肌的縱向縮短 (應變)也可以通過斑點跟蹤來測量[16],膈肌硬度可以通過剪切波彈性成像來測量[25]。在骨骼肌中,應變和等距收縮之間存在中到強的相關性[26]。應變與Pdi也有很強的相關性(r2=0.72,P＜0.000 1)[16]。剪切波彈性成像是一種超聲成像技術,無創測量剪切波速在目標組織中的傳播,剪切波速與硬度指數 (剪切模量)直接相關[27]。由于肌肉剪切模量與活動肌力之間存在較強的線性關系,超聲剪切波彈性成像提供了個體肌力變化的指標。在健康患者中,次最大吸氣時口腔壓和膈肌剪切模量之間存在很強的相關性 (r2＞0.95)[25],在封閉氣道等容吸氣 (r=0.82)和吸氣負荷通氣 (r=0.70)時,Pdi和剪切模量之間均有很強的相關性[27]。膈肌應變和剪切模量在評估膈肌功能方面能夠提供額外信息,但在ICU 患者中的研究尚未報道。

1.3 Edi Edi可以通過皮膚表面肌電圖或食管多電極陣列來測量。表面肌電監測膈肌功能的主要優點是連續、無創的,但經常受到心電圖或鄰近肌肉活動的影響,受電源和電磁干擾。通過專用的鼻導管、食管多電極陣列可以方便地記錄Edi,允許連續監測Edi[28-29](圖4)。然而,Edi值很難解釋,因為關于 “正常”值的數據非常有限。最近一項研究報告了健康患者在自主呼吸時,Edi峰值中位數范圍較大 (5～30μV),但通常在15μV 左右[30]。

圖4 心源性休克對Pdi和Edi的影響[29]

Edi可與呼吸模式相結合,以評估驅動 (Edi)轉化為壓力或潮氣量 (tidal volume,VT)(神經機械耦聯)的過程。Edi和Pdi之間有很強的相關性,尤其是在呼氣末關閉期,這表明神經機械效率比 (ΔPdi/ΔEdi)可以用于評估吸氣努力[31]。然而,神經機械效率比測量的可重復性最近受到了質疑,因為這些結果顯示出明顯的受試者間異質性[32]。這種較差的可重復性可能是主要限制,臨床醫師必須從中選擇異質性最小的方法,來估計Edi的吸氣肌肉力量[32]。

通過計算神經通氣效率指數 (VT/Edi),也可以研究Edi向VT 的轉化。VT/Edi比值可在早期預測自主呼吸試驗通過與否。最后,人機呼吸貢獻指數可以用來確定在總吸氣VT 中患者和呼吸機各自的貢獻,計算方法是無輔助通氣時 (無壓力支持)吸氣VT/Edi比值與輔助通氣 (有壓力支持)時吸氣VT/Edi比值進行除法計算。人機呼吸貢獻指數越高,說明患者的貢獻越大。不過使用此方法測得人機呼吸貢獻指數的可靠性仍然很差,但使用輔助呼吸和非輔助呼吸的Edi匹配算法 (選擇Edi相似的輔助呼吸和非輔助呼吸)后,可靠性顯著提高[33]。

2 膈肌功能監測的重要性

2.1 膈肌功能障礙臨床常見 Levine等[34]發表具有里程碑意義的一項研究,對14 例腦死亡患者 (膈肌無自主活動)進行膈肌活檢發現,機械通氣18～69 h后,膈肌纖維迅速萎縮,與膈肌蛋白水解增加相關。這一研究結果與動物試驗及最新的超聲研究結果一致,機械通氣誘發的膈肌失用與膈肌萎縮和功能障礙有關[35]。除此之外,ICU 患者膈肌功能障礙還有其他幾個危險因素 (如膿毒癥、嚴重疾病),目前很難確定機械通氣對膈肌功能障礙發生發展的具體貢獻。另外ICU 膈肌功能障礙的發病率也非常高,脫機期間或病情穩定后獲得的數據表明,發病率為23%～84%,超過2/3的機械通氣患者在首次嘗試脫機時就被診斷存在膈肌功能障礙[29]。

2.2 膈肌功能障礙與不良預后相關 首先,由于膈肌是平衡呼吸負荷/功能的主要決定因素,膈肌功能障礙可能會增加脫機失敗的風險,進而延長機械通氣時間。重要的是,膈肌功能是決定自主呼吸試驗成敗的主要因素,而不是決定能否拔管。其次,膈肌功能障礙與再次氣管插管、氣管切開、延長通氣時間、術后并發癥等有關,與ICU 病死率也密切相關[29,36-37]。以最大吸氣壓 (高值組＞30 cm H2O,低值組≤30 cm H2O)為主要觀察指標評估機械通氣患者膈肌功能,2組1年病死率分別為7%和31%,校正后發現最大吸氣壓與1年病死率獨立相關 (風險比4.41,95%CI:1.5～12.9,P=0.007)[38]。使用雙頸前膈神經磁刺激技術評估膈肌功能發現,與非存活者相比,ICU 存活者顫搐刺激后氣道壓更高 (分別為9.7 cm H2O 和7.3 cm H2O,P=0.004)[39]。

2.3 膈肌-呼吸機交互作用 某些情況下,患者可能存在呼吸機抵抗,產生人-機不同步,可能與不適、呼吸困難和預后不良有關。對于臨床醫師來說,識別不同步并非易事。雖然可以根據氣道壓、容積和流速波形大體鑒別,但不夠可靠和敏感。Soilemezi等[40]使用食道導管將胸膜壓與氣道壓、流速波形變化之間的不匹配進行可視化,發現膈肌收縮在胸膜壓變化中起著至關重要的作用,提示在關注呼吸模式的同時,監測膈肌功能有助于發現人-機不同步。

3 膈肌功能監測的適應證

考慮到輔助通氣過度增加膈肌功能障礙的風險,輔助通氣不足會加重肺損傷[41],膈肌功能監測旨在根據患者需求,呼吸機提供合適的輔助水平。已經提出一些保護肺部和減輕膈肌功能失用的策略,但需要臨床驗證后才能推廣[42]。特別是,超聲可與氣道或食道壓一起監測膈肌功能,以評估人-機同步性[40]。首先,接受深度鎮靜或神經肌肉阻斷劑治療的急性呼吸窘迫綜合征患者,超聲監測膈肌功能,可以發現隱匿不同步,但還需要不斷改進技術,才能納入臨床決策系統。另外,在出現脫機困難和延遲的患者中,膈肌監測可能特別有用,可以幫助診斷可能影響脫機的膈肌功能障礙,它可以預測拔管失敗,以實施適當的預防策略[10]。最后,對于需要延長脫機的患者,膈肌功能監測可用來評估吸氣努力,以滴定呼吸機輔助水平。但這項技術應用于日常臨床實踐之前,需要得知吸氣努力的正常范圍。

4 結論

ICU 監測膈肌功能可以幫助醫師更清楚地了解患者人-機之間的交互作用,參與呼吸機的設置決策過程,預測脫機失敗和診斷膈肌功能障礙,對脫機困難和延遲者非常有用。ICU 未來膈肌監測的研究必須注重膈肌功能標志物與超聲衍生指標、電活動之間的相關性,臨床測量的重復性也必須得到改善,機械通氣患者膈肌超聲和電活動相關指南也應標準化。

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