中华急诊医学杂志  2019, Vol. 29 Issue (4): 409-412   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2019.04.001
急性呼吸窘迫综合征中的呼气末正压
金魁 , 徐军     
中国医学科学院北京协和医院 北京协和医院急诊科 100730

急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的概念于1967年由Ashaugh等提出[1],ARDS及其相关并发症是目前世界范围内患者死亡的重要原因,且呈逐年增加趋势[2-4]。Ashaugh等在提出ARDS概念的同时也首次提出在治疗该类患者中使用呼气末正压(PEEP)能够改善患者的低氧状态。然而,50多年过去了虽然在ARDS合理PEEP的设置方面进行了大量的研究,究竟什么是合适的PEEP, 应当怎样合理设置PEEP仍然是一个极具争议的问题。

1 为什么需要PEEP

PEEP是机械通气时呼气末气道内的压力。在机械正压通气时,气道内压力在吸气相高于肺泡压力,逐渐达到峰压。由于此时气道内压力高于肺泡压力,因此产生了吸气气流。当吸气结束后,机械通气的呼气阀门打开,呼吸管路内的压力开始释放,当不存在PEEP时管路内压力下降至大气压后呼气停止(此时管路内压力等于大气压,记为0)。而当存在呼气末正压时,气道内压力在呼气相下降至预设PEEP压力水平时,呼吸机将关闭呼气阀门而停止呼气。此时气道内的压力仍然高于大气压力(0 cmH2O,1 cmH2O=0.098 kPa),这一压力即为PEEP。

已经有动物实验研究表明ARDS时机械通气相关肺损伤的两项最为重要的机制为:过高跨肺压所导致的肺泡过度扩张与反复肺泡扩张和塌陷所导致的剪切力[5-6]。对于ARDS肺损伤的前一个机制来说,2000年Amoto等及ARDS NET里程碑式的临床研究已经在治疗方面给出了答案即:小潮气量通气(6 mL/kg体质量)较既往使用的12 mL/kg体质量的潮气量能够显著改善ARDS患者的预后[7-8]。然而对于后一个机制来说,肺泡表面活性物质丢失导致的肺泡塌陷是ARDS发病的重要原因,这种表面活性物质的丧失导致了肺泡的塌陷[9]。不仅如此,对于肺的整体来说这种肺泡的塌陷又呈不均一分布,可扩张的肺泡和塌陷的肺泡同时存在,这就导致了肺泡连接部位剪切力的产生,随着肺泡的反复扩张-塌陷导致肺损伤的进一步加重[10-11]。在动物模型中这种反复的扩张和塌陷显著增加了肺损伤的程度。在动物实验中使用较高的PEEP水平来阻止肺泡的反复开闭,显著减少了肺损伤的进展。使用CT来观察肺组织时也发现,PEEP的应用确实能够将塌陷的肺泡打开,且在呼气末能够部分的防止肺泡再次塌陷。这些动物实验和临床观察研究使得临床医师们在过去的20年间进行了几项大规模随机对照研究以回答这样一个问题:临床使用小潮气量的同时配合使用较高的PEEP能否改善ARDS患者的预后。

其中较为著名的研究包括2004的ALVEOLI研究[12],在这一前瞻性随机对照研究中所有的患者都接受小潮气量通气(6 mL/kg),纳入了549例早期(36 h内诊断ARDS)ARDS患者氧合指数PaO2/FiO2 < 300。患者被随机分组至高PEEP组和低PEEP组。这一研究中对于高PEEP和低PEEP组的定义使用了吸入氧体积分数(FiO2)和PEEP两项参数,氧合目标为经皮血氧饱和度88%~95%,根据氧合目标按照高低PEEP表格调整PEEP值与吸入氧体积分数,其中高PEEP组的PEEP不低于14 cmH2O,而低PEEP组的PEEP为8~10 cmH2O。研究的首要观察目标为住院病死率,在两组之间差异有统计学意义(27.5% vs 24.9%)。ALVEOLI研究的结果对临床实践有很大的指导意义,但同时也提出了更多挑战。其存在以下的不足,首先ALVEOLI研究在分析首先纳入的171例患者(31%)时发现高PEEP组使用的PEEP较低,随后修改了研究计划规定高PEEP组的PEEP不得低于14 cmH2O,随后纳入了378例患者,将这两部分患者整合后分析得出了研究中的结论,而随后单纯分析较晚纳入的378例患者时,低PEEP组较高PEEP组的病死率降低4.5%。另一方面,该研究中对于高PEEP组来说,其纳入患者的年龄较大,氧合指数更低,基础情况更差,这也在某种程度上使得该研究的结论需要谨慎解读。随后更多的临床医师对于这一问题进行了探讨。2008年发表在JAMA上的两个研究进一步探讨了PEEP与ARDS患者预后的关系,Meade等[13]的研究纳入了更多的患者(593例ARDS患者),控制气道压力分别为40 cmH2O和30 cmH2O,首要观察终点为患者全因院内病死率,次要观察终点为患者难治性低氧血症的发生概率,及难治性低氧血症的相关病死率。结果发现高PEEP组与低PEEP组相比,患者在首要观察终点方面两组差异无统计学意义(36.4% vs 40.4% P =0.19), 然而两组患者在难治性低氧血症发生概率及难治性低氧血症相关病死率方面差异有统计学意义,高PEEP组的难治性低氧血症发生率及相关病死率均显著低于对照组。同年Mercat等[14]发表的研究也得到了类似的结果,进一步表明高PEEP不能够改善患者的28 d或院内相关病死率,但能够显著改善患者的难治性低氧、肺顺应性、及低氧相关性病死率的发生概率。上述三项研究的首要观察终点均得出了阴性结论,认为高PEEP和低PEEP对患者预后无显著影响,分析其原因可能包括:首先上述研究纳入的ARDS严重程度低(纳入的患者以氧合指数小于300为标准)。其次,高PEEP与低PEEP组之间的PEEP水平差别或不足以对预后造成影响。后两项研究中患者的病死率均高于2004年的ALVEOLI研究,且高PEEP的应用与肺顺应性和患者氧合的改善显著相关,提示ARDS低氧程度较重的患者可能更能够从高PEEP中获益。随后的一篇Meta分析推测较高的PEEP水平可能仅能够减少严重ARDS患者的病死率(PaO2/FiO2 < 200), 而对于氧合指数大于300的患者效果较差[15]。随后发表在CCM上的一项小样本探索性研究较之前研究纳入了更严重的ARDS患者(PaO2/FiO2 < 200),并使用了更高的PEEP水平结果,观察到了病死率的下降[16]。但由于探索性研究的特点其样本量较小,研究结果难以应用于临床。

随着时间进入2017年ARDS迎来了其定义提出的50周年,巴西的ART研究团队再次对严重ARDS(定义为PaO2/FiO2 < 200)患者高PEEP应用进行了探讨[17],均使用小潮气量通气,低PEEP组使用平台压≤30 cmH2O进行通气,PEEP根据ARDSnet推荐的PEEP设置表格设置,高PEEP组使用较高的PEEP压力复张(平台压45~60 cmH2O),随后根据肺顺应性调整PEEP水平进行通气。在达到肺泡最大复张的前提下避免肺泡的过度膨胀。然而,研究的结果出人意料, 使用肺复张后高PEEP组的患者较低PEEP组患者的病死率更高(28 d病死率55.3% vs 49.3%; 60 d病死率65.3% vs 59.9%),差异有统计学意义,且低PEEP组有更短的呼吸机使用时间。问题似乎回到了原点,这一研究的结论与之前研究的结论产生了矛盾,肺复张和较高的PEEP似乎增加了病死率。

再次给ARDS最佳PEEP这一延续了50年的问题增加了更多的疑问。

2 合理PEEP设置的临床再思考

上述的5项研究似乎对PEEP的设定得出了相反的结论,那么究竟PEEP在ARDS中的地位应当怎样认识?首先,临床医师们使用PEEP试图改善ARDS患者的临床预后,然而事物往往具有其两面性,所有临床中使用的治疗手段往往都存在其潜在的风险。在动物实验和临床研究中PEEP确实能够避免肺泡的反复开合,减少肺损伤发生的概率。然而高PEEP特别是肺复张动作同样升高了胸腔内压,增加了心包腔内压力通过心肺交互作用影响了静脉回流和心脏射血,特别是在肺复张不充分时,较高的肺泡内压直接增加肺泡周围毛细血管的阻力从而增加了肺循环阻力,阻碍了右心室的射血[18-19]。对于那些右心功能本身就存在障碍的危重患者,这种阻力的增加将进一步导致其心功能的恶化,危及患者的生命[20]。在2017年ART团队的研究中[17],肺复张高PEEP组的患者需要更大剂量的血管活性药物维持血压,且有3例患者在肺复张过程中出现了心搏骤停,较高的PEEP影响了血流动力学,导致了患者的病死率增加,肺保护性通气策略或许成功保护了“肺”本身,却未能很好地保护患者。其次,ARDS患者机械通气的最大难点在于肺泡病变的不均一性[21-22]。一般来说,肺外源性原因导致的ARDS患者肺部病变倾向于呈弥漫分布,而肺内源性的ARDS患者肺部病变更趋向于非均一性分布[23-24]。然而,对于肺脏这一超过三十亿个肺泡组成的器官来说,单一高或低的PEEP水平很难改善所有肺泡的顺应性而最终使患者获益[25-26],固定单一的PEEP水平对于某些肺泡来说或许阻止了其反复的开合,而对另一些肺泡来说就可能造成了其过度扩张,从而造成了肺损伤[27]。再次,较高的PEEP可能也导致了潮气量的增加,导致了肺泡的过度膨胀,增加气压伤和容积伤的风险。也有专家指出ART团队的研究中,低PEEP组显示出的生存率改善或许是由于其更好地实现了小潮气量通气,避免了肺泡的进一步损伤[28]。最后,ART团队中纳入的患者由于限定了PaO2/FiO2 < 200,其病死率远高于之前的所有研究(28 d病死率约50%),提示其研究对象的病情危重,对于此类人群或许高或低PEEP并不是挽救患者生命的决定因素,而研究中高/低PEEP组间压力差距的均数约为3 cmH2O,难以区分出这一治疗措施是否真正有效,提示高PEEP的应用需要谨慎选择患者,并非所有的ARDS患者都适合使用高PEEP,再次强调了危重患者中的个体化通气和个体化治疗原则。

3 目前证据下的PEEP设定

那么在目前的循证医学证据中面对ARDS患者究竟应当怎样选择PEEP水平?首先,临床中应当区分那些对PEEP有反应的患者。研究表明仅约50%的ARDS患者对肺复张和较高的气道压力有反应,对于PEEP无反应的患者给予较高的PEEP水平和肺复张本身可能就是有害的[28-30]。给予肺复张和高PEEP通气前可适当增加PEEP水平观察患者氧合或循环情况,氧合改善而循环未恶化的患者才能够考虑进行肺复张和较高的PEEP通气。其次,临床中机械通气时描记的压力-容积曲线,并不能直接用于设定最佳PEEP。这是由于现代呼吸机描记的PV曲线反映的是动态的肺泡压力容积变化,受到呼吸机内管路、湿化器和气管插管的影响,并不能准确提供肺泡内压力和容积之间的关系。最后,基于目前的证据,最佳PEEP寻找可以采用寻找肺最佳顺应性的方法和ARDSnet的PEEP/FiO2图表法,但仍应当将患者的氧合和临床表现作为治疗效果最为重要的参照。

总之,PEEP在ARDS中的应用已经超过50年。ARDS中的PEEP设置仍然没有答案。未来的研究可能更需要关注ARDS的个体化治疗,选择出那些真正能够从较高PEEP水平中获益的患者。又或者与小潮气量相比,PEEP本身在ARDS的治疗中并非预后的决定因素,即使存在不可复张的肺组织,也不会对患者的预后造成进一步的影响而应当将进一步降低潮气量避免肺组织的过度扩张作为ARDS治疗的重点。什么是最佳PEEP,仍需要进一步的研究和探索。

参考文献
[1] Ashbaugh D, Boyd Bigelow D, Petty T, et al. Acute respiratory distress in adults[J]. Lancet, 1967, 290(7511): 319-323. DOI:10.1016/s0140-6736(67)90168-7
[2] Pham T, Rubenfeld GD. Fifty years of research in ARDS.The epidemiology of acute respiratory distress syndrome. a 50th birthday review[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2017, 195(7): 860-870. DOI:10.1164/rccm.201609-1773cp
[3] Johnson NJ, Caldwell E, Carlbom DJ, et al. The acute respiratory distress syndrome after out-of-hospital cardiac arrest: Incidence, risk factors, and outcomes[J]. Resuscitation, 2019, 135: 37-44. DOI:10.1016/j.resuscitation.2019.01.009
[4] Famous KR, Delucchi K, Ware LB, et al. Acute respiratory distress syndrome subphenotypes respond differently to randomized fluid management strategy[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2017, 195(3): 331-338. DOI:10.1164/rccm.201603-0645oc
[5] Tremblay LN, Slutsky AS. Ventilator-induced injury: from barotrauma to biotrauma[J]. Proc Assoc Am Physicians, 1998, 50(5): 482-488.
[6] Hey EN, Lloyd BB, Cunningham DJC, et al. Effects of various respiratory stimuli on the depth and frequency of breathing in man[J]. Respiration Physiology, 1966, 1(2): 193-205. DOI:10.1016/0034-5687(66)90016-8
[7] Amato MBP, Barbas CSV, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the acute respiratory distress syndrome[J]. N Engl J Med, 1998, 338(6): 347-354. DOI:10.1056/nejm199802053380602
[8] Acute Respiratory Distress Syndrome Network. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome[J]. N Engl J Med, 2000, 342(18): 1301-1308. DOI:10.1056/nejm200005043421801
[9] Gao XW, Qian PY, Cen D, et al. Synthesis of phosphatidylcholine in rats with oleic acid-induced pulmonary edema and effect of exogenous pulmonary surfactant on its De Novo synthesis[J]. PLoS One, 2018, 13(3): e0193719. DOI:10.1371/journal.pone.0193719
[10] Kiefmann M, Tank S, Tritt MO, et al. Dead space ventilation promotes alveolar hypocapnia reducing surfactant secretion by altering mitochondrial function[J]. Thorax, 2019, 74(3): 219-228. DOI:10.1136/thoraxjnl-2018-211864
[11] Autilio C, Pérez-Gil J. Understanding the principle biophysics concepts of pulmonary surfactant in health and disease[J]. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed, 2018: fetalneonatal-2018-315413. DOI:10.1136/archdischild-2018-315413
[12] Brower RG1, Lanken PN, MacIntyre N. Higher versus lower positive end-expiratory pressures in patients with the acute respiratory distress syndrome[J]. N Engl J Med, 2004, 351(4): 327-336. DOI:10.1056/nejmoa032193
[13] Meade MO, Cook DJ, Guyatt GH, et al. Ventilation strategy using low tidal volumes, recruitment maneuvers, and high positive end-expiratory pressure for acute lung injury and acute respiratory distress syndrome: a randomized controlled trial[J]. JAMA, 2008, 299(6): 637-645. DOI:10.1001/jama.299.6.637
[14] Mercat A, Richard JCM, Vielle B, et al. Positive end-expiratory pressure setting in adults with acute lung injury and acute respiratory distress syndrome[J]. JAMA, 2008, 299(6): 646-655. DOI:10.1001/jama.299.6.646
[15] Walkey AJ, del Sorbo L, Hodgson CL, et al. Higher PEEP versus lower PEEP strategies for patients with acute respiratory distress syndrome. a systematic review and meta-analysis[J]. Annals ATS, 2017, 14(Supplement_4): S297-303. DOI:10.1513/annalsats.201704-338ot
[16] Kacmarek RM, Villar J, Sulemanji D, et al. Open lung approach for the acute respiratory distress syndrome[J]. Criti Care Med, 2016, 44(1): 32-42. DOI:10.1097/ccm.0000000000001383
[17] Writing Group for the Alveolar Recruitment for Acute Respiratory Distress Syndrome Trial (ART) Investigators. Effect of lung recruitment and titrated positive end-expiratory pressure (PEEP) vs low PEEP on mortality in patients with acute respiratory distress syndrome[J]. JAMA, 2017, 318(14): 1335-1345. DOI:10.1001/jama.2017.14171
[18] Lodato RF. Oxygen toxicity [M]. Principles and practice of mechanical ventilation, 1994, 837-856.
[19] Singh I, Pinsky MR. Heart-Lung Interactions[M]//Singh I, Pinsky MR. eds. Mechanical ventilation. Elsevier, 2008: 173-184. DOI: 10.1016/b978-0-7216-0186-1.50019-3.
[20] Vieillard-Baron A, Schmitt JM, Augarde R, et al. Acute cor pulmonale in acute respiratory distress syndrome submitted to protective ventilation: Incidence, clinical implications, and prognosis[J]. Crit Care Med, 2001, 29(8): 1551-1555. DOI:10.1097/00003246-200108000-00009
[21] Parker JC, Hernandez LA, Peevy KJ. Mechanisms of ventilator-induced lung injury[J]. Crit Care Med, 1993, 21(1): 131-143. DOI:10.1097/00003246-199301000-00024
[22] Carmichae LC, Dorinsky PM, Higgins SB, et al. Diagnosis and therapy of acute respiratory distress syndrome in adults: An international survey[J]. J Crit Care, 1996, 11(1): 9-18. DOI:10.1016/s0883-9441(96)90015-5
[23] Brochard L, Roudot-Thoraval F, Roupie E, et al. Tidal volume reduction for prevention of ventilator-induced lung injury in Acute Respiratory distress syndrome[J]. Am J Respir Crit Care Med, 1998, 158(6): 1831-1838. DOI:10.1164/ajrccm.158.6.9801044
[24] Dreyfuss D, Saumon G. Ventilator-induced lung injury[J]. Am J Respir Crit Care Med, 1998, 157(1): 294-323. DOI:10.1164/ajrccm.157.1.9604014
[25] Tounh T J K, Saharia P, Mitzner WA, et al. The beneficial and harmful effects of positive end expiratory pressure[J]. Surgery Gynecology and Obstetrics, 1978, 147(4): 518-524.
[26] Mead J, Takishima T, Leith D. Stress distribution in lungs: a model of pulmonary elasticity[J]. J Appl Phys, 1970, 28(5): 596-608. DOI:10.1152/jappl.1970.28.5.596
[27] Thompson BT, Hayden D, Matthay MA, et al. Clinicians' approaches to mechanical ventilation in acute lung injury and ARDS[J]. Chest, 2001, 120(5): 1622-1627. DOI:10.1378/chest.120.5.1622
[28] Younes M. Patient-ventilator interaction with pressure-assisted modalities of ventilatory support[J]. Semin Respir Crit Care Med, 1993, 14(4): 299-322. DOI:10.1055/s-2007-1006331
[29] Goligher EC, Dres M, Fan E, et al. Mechanical ventilation–induced diaphragm atrophy strongly impacts clinical outcomes[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2018, 197(2): 204-213. DOI:10.1164/rccm.201703-0536oc
[30] Yoshida T, Nakamura MAM, Morais CCA, et al. Reverse triggering causes an injurious inflation pattern during mechanical ventilation[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2018, 198(8): 1096-1099. DOI:10.1164/rccm.201804-0649le