强迫振荡技术应用于慢性阻塞性肺疾病无创通气患者的临床研究进展

发布于2024-02-29 浏览 1025 收藏

作者：李梁远，李宇祺，欧雪梅，梁斌苗

单位：四川大学华西医院呼吸与危重症医学科

来源：《中国呼吸与危重监护杂志》2023年第22卷第12期

慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）患者，尤其是GOLD Ⅲ期和Ⅳ期的慢阻肺患者，多存在平静呼吸状态下的呼气相气流受限（expiratory flow limitation，EFL），即患者在潮气呼吸时便达到最大呼气气流，此为胸内气流阻塞的特征表现。EFL的存在引起了肺动态过度充气和内源性呼气末正压（intrinsic positive end-expiratory pressure，PEEPi）的产生，增加呼吸做功，对吸气肌造成机械性和功能性损害，并影响血流动力学，导致患者呼吸困难和活动受限。研究表明，EFL对呼吸困难症状严重程度的预测好于第1秒用力呼气容积（forced expiratory volume in the first second，FEV₁）。

无创通气现在已广泛应用于发生急性呼吸衰竭的慢阻肺患者。无论是持续气道正压（continuous positive airway pressure，CPAP）还是双水平气道正压（bilevel positive airway pressure，BiPAP）模式，无创呼吸机提供的外源性呼气末正压（positive end-expiratory pressure，PEEP）可以对抗患者自身产生的PEEPi，减少呼吸做功。此时，对PEEP水平的选择就十分重要，PEEP水平不足无法充分对抗PEEPi，减轻甚至消除EFL，而过高的PEEP水平则有可能造成呼气末肺容积的进一步升高，加重肺动态过度充气并对循环造成影响。目前临床上对于无创呼吸机参数的调节通常是依据患者的耐受程度、呼吸困难缓解程度、血氧饱和度和动脉血气结果等进行经验性调节，缺乏能够实时反映肺部力学信息的直接指标来作为依据。因此，若能对患者个体的肺部阻力、EFL情况等进行实时监测，从而指导无创呼吸机参数的及时精确调整，对改善人机同步、充分发挥无创呼吸机的有利作用具有十分重要的意义。

强迫振荡技术（forced oscillation technique，FOT）可在自主呼吸和无创通气条件下检测患者是否存在EFL，从而调节PEEP至“最理想水平”，即能够消除EFL的最低水平。本文旨在总结FOT用于检测慢阻肺患者EFL及指导其无创通气PEEP水平设置的原理、可行性、真实性与可靠性，在优化无创呼吸机参数方面的应用价值。

一. FOT检测EFL的原理

FOT检测呼吸阻力的原理示意图见图1，其通过一个振荡泵产生特定频率和振幅的压力振荡，振荡波叠加于患者产生的呼吸气流之上，随气流进入气道和肺组织，将经气道和肺组织吸收并折射的振荡压力和流量信号进行采集后，利用频谱分析（快速傅里叶转化）技术，计算获得呼吸系统的总阻抗（impedance，Zrs）。不同频率的振荡波因其传导距离不同，可反映不同部位的阻力特征，高频的振荡波波长短，能量少，仅能到达中心部位的较大气道；反之，低频振荡波波长更长，能量多，传播距离更远，可到达呼吸系统的外周部分。Zrs可用公式表达为：Zrs=Rrs+jXrs。其中，Rrs（resistance）为阻抗，是压力和流量曲线中同相位成分，即“实部”，高频阻抗主要反映中心气道黏性阻力大小，低频阻抗反映了所有气道黏性阻力大小；Xrs（reactance）为电抗，是压力和流量曲线中不同相位成分，即“虚部”，代表了气道和胸肺组织的弹性阻力和惯性阻力，高频时主要反映大气道和胸廓的惯性阻力，低频时则主要反映肺组织和细小支气管的弹性阻力。当存在EFL时，振荡波无法通过气流阻塞点到达肺泡，使顺应性明显下降，反映为Xrs的降低。

图1 FOT检测原理示意图

通过FOT监测到的呼气相Xrs下降来证明EFL的存在，具有良好的敏感性和特异性。呼气负压技术（negative expiratory pressure，NEP）被认为是检测EFL的“金标准”。Akita等和Dellacà等将FOT与NEP以检测EFL为目的进行比较，前者得出的FOT技术的敏感性和特异性最高可达93.3%和91.7%，后者则为93%和91%。Dellacà等对15例慢阻肺患者和7位健康志愿者使用FOT来检测EFL，同时应用Mead and Whittenberger（M-W）法通过食道压的测量，观察跨肺压与流速的相应变化来判断EFL是否存在，对两种方法进行比较，最终得出检测各呼吸周期中EFL敏感性和特异性最强（均为100%）的指标为ΔX—rs（吸气相Xrs均值与呼气相Xrs均值之差，即X—insp-X—exp），其阈值为2.8 cm H2O·s/L。因此，在没有呼吸支持条件下正常呼吸的慢阻肺患者，FOT检测EFL具有良好的敏感性和特异性，同时相较于NEP与M-W法，其又具备无需患者配合及非侵入性的优势。

二、FOT在无创通气慢阻肺患者中的临床应用进展

FOT作为一种简便易行的非侵入性技术，能够对患者EFL情况进行实时的监测与反映，且不需要患者的配合，这些都是获得无创通气患者肺部力学信息从而指导呼吸机参数设置的理想条件。目前，整合了FOT技术来自动滴定压力水平的CPAP无创呼吸机已被成熟应用于阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）患者，其与多导睡眠图配合可确定中重度OSAS患者的标准CPAP水平。这主要是由于OSAS患者所使用的CPAP模式压力恒定，对振荡发生器的影响小，且大气道阻力的变化易于检测，可靠性好。若将其应用于慢阻肺患者，传感器和呼吸机的内置程序算法可能对于各种呼吸事件的监测不够敏感，因此对于FOT在慢阻肺无创通气患者中的应用，还需要探究装置的稳定性、测量结果的真实性与可靠性等，目前已有多项以此为目的的临床研究，其基本信息如表1。

注：RL（lung resistance）为M-W法测出的肺阻力；FL（flow limitation）为气流受限，non-FL 为无气流受限；AXV（Xrs-V loop area）为电抗-容积环面积，ΔXI（XeE-XeI，reactance at end-expiration – reactance at end-inspiration）为呼气末与吸气末电抗之差；SpO2（pulse oximetry）为外周血氧饱和度；TcCO（transcutaneous CO2）为经皮二氧化碳分压；PEEPo（optimal PEEP）为恰好消除EFL的最低PEEP；PSG（Polysomnography）为多导睡眠图；IE（ineffective effort）为吸气无效努力；PtcCO2（transcutaneous partial pressure of carbon dioxide）为经皮二氧化碳分压；NRD（Neural respiratory drive）为呼吸中枢驱动，通过膈肌和肋间肌肌电图测量；ΔPdi，（transdiaphragmatic inspiratory pressure swings）为跨膈吸气压；PTPdi（transdiaphragmatic pressure-time product）为跨膈压力时间乘积；PEEPi为内源性PEEP。

2.1 FOT与无创呼吸机连接的装置

FOT应用于无创呼吸机，需要将振荡发生器并联于无创呼吸机的管路中，并通过压力转换器监测患者经鼻压力（若用面罩则为口腔压力），流量仪监测经鼻/口气体流速即呼吸管路中的气体流速。装置连接示意图见图2。

图2 FOT连接无创呼吸机的装置示意图

振荡发生器产生的正弦压力波经鼻罩/面罩进入患者呼吸道，其后部需要有一个完全密闭的箱体，利用密闭气体的高惯性来代偿无创呼吸机产生的正压气流的影响。流量和压力信号经采集分析后用来反映胸肺系统的呼吸力学信息。Milesi等已经设计出整合了FOT技术从而能够自动滴定PEEP的无创呼吸机模型，该呼吸机能够对EFL指数（即ΔX—rs）进行实时的监测和计算，当监测到的ΔX—rs大于/小于预设的阈值时，自动以0.1 cmH2O的梯度增大/减小PEEP水平，直到调整至恰好能够消除EFL的最低PEEP水平，即“最理想PEEP”（optimal PEEP，PEEPo），但PEEP最低不会小于4 cmH2O，同时保持吸气压力支持水平即吸气相正压（inspiratory positive airway pressure，IPAP）与PEEP之间的差值为预设值不变。

2.2 FOT用于检测慢阻肺无创通气患者EFL的真实性与可靠性

FOT作为一种新型的肺功能检测方法，为我们探究小气道疾病（尤其是哮喘和慢阻肺）的机制提供了更多更可靠的依据。其用于检测无创通气患者的呼吸力学信息，同样具有良好的敏感性和特异性。Farre等用FOT和M-W法同时测量CPAP条件下患者的气道阻力情况，FOT得出的Rrs指标和M-W法得出的RL指标具有高度相关性，其相关系数范围为0.92～0.96（P<0.001），且无论是调整CPAP水平还是改变体位的情况下，两者的变化都具有高度一致性。Dellacà等同样是在CPAP条件下以M-W法作为参照对每个呼吸周期是否存在EFL进行分类，而同时进行的FOT法的正确分类率高达94.8%。在所有以M-W法作为参照的研究中，FOT法检测无创通气慢阻肺患者EFL的敏感性和特异性都在90%以上。

2.3 FOT用于无创通气慢阻肺患者时调整PEEP水平的依据

FOT能够实时监测无创通气慢阻肺患者的EFL指标，使我们可以依据这些指标及时对PEEP水平进行调整以消除EFL。Dellacà等得出检测正常呼吸条件下慢阻肺患者EFL是否存在的最佳指标为ΔX—rs，因此多项研究都以此指标作为判断EFL是否存在以及调整PEEP水平的依据。研究发现，随着CPAP水平升高，ΔX—rs下降，患者呼气气流受限程度减弱，当患者不再存在EFL时，CPAP水平的升高不会再对ΔX—rs产生影响；但各项研究所得出检测EFL的敏感性与特异性最高的ΔX—rs阈值各不相同，其范围在1.83～2.61 cmH2O·s/L，可能与装置的设计差异、患者病情及人种的差异等有关。

Lorx等则发现除了ΔX—rs外，AXV（area with the reactance versus volume loops，电抗−容积环的区域面积）和ΔXI（XeE−XeI，呼气末Xrs−吸气末Xrs）也与CPAP水平有强烈的依存关系（P<0.001），随着CPAP水平的增加，AXV逐渐减少。EFL的存在使慢阻肺患者的Xrs-V图呈现吸气支与呼气支的分离，导致了AXV和ΔX—rs的增加，而后两者之间也存在强烈的相关关系（r2=0.79）。未来尚需更多研究进一步探寻指导慢阻肺患者无创通气参数水平设置的最佳FOT指标及其最佳阈值。

2.4 FOT用于慢阻肺无创通气患者的影响因素

FOT用于慢阻肺无创通气患者检测EFL和调整PEEP水平仍然存在一些问题，如鼻罩/口鼻罩的漏气导致Rrs和Xrs的下降。Dellacà等发现尽管将漏气量控制在最小程度，CPAP水平为4、8和12 cmH2O时，仍存在分别为35、66和105 ml/s的平均漏气量，相应的阻抗平均下降量为117 cmH2O·s/L，但在该研究分析的372个呼吸周期中仅有1例为假阴性，提示若将漏气量控制在一定的水平，对FOT检测结果的影响可以忽略不计。此外，由于流量仪可以敏感地监测到漏气量，也就可以提示存在异常漏气量的呼吸周期所检测的EFL可能是不可靠的。

噪声和呼吸机阀门的开合也会对装置造成干扰，影响肺阻力测量的准确性。因此仍需要对装置进行优化，将呼吸机的干扰降低到最小程度，尽可能控制漏气量，或建立分流补偿机制来提高测量准确性。

虽然将FOT用于慢阻肺无创通气患者，是为了监测EFL以调整PEEP至恰好能够消除EFL的最低水平，使PEEP在不加重肺动态过度充气和影响循环的前提下充分发挥其对抗PEEPi、改善气体交换的作用，但由EFL指标（如ΔX—rs）阈值所滴定出的PEEP并不一定是所谓的“最理想PEEP”。多元线性回归分析并没有发现任何能够预测PEEPo的指标组合，这表明消除EFL所需的压力是人体测量的差异与疾病引起的功能变化之间复杂相互作用的结果。而确定PEEP水平时还需综合考虑该压力水平在临床症状改善、呼气末肺容积减少和血流动力学变化等方面的影响。

三、小结

综上所述，FOT作为一种简便无创、无需配合的技术，用于检测慢阻肺无创通气患者的EFL情况具有高度敏感性和特异性。目前对于应用无创通气慢阻肺患者的呼吸机参数设置，都是基于临床症状和血气结果等间接指标进行的经验性调整。将FOT技术用于无创呼吸机实现了基于患者呼吸力学信息而直接调节参数的可能，能够在患者的体位、肺容积、呼吸模式和临床病情等发生变化时即时地优化PEEP水平，充分发挥正压通气治疗效果的同时尽可能减少过高的外部正压带来的副作用。但用于慢阻肺患者的联合FOT技术的“个性化”无创呼吸机尚处于研究阶段，其装置仍需进一步优化以提高测量结果的准确性与可靠性、减少对患者通气的影响，用于监测慢阻肺患者EFL的FOT指标也有待进一步的大样本研究，以找到调整PEEP水平的最佳依据指标及其最敏感的阈值。同时未来仍需更多设计严谨的大型临床研究来探究这种个性化的通气模式是否能带来具体的临床益处，如是否能改善血气结果、人机同步性、睡眠质量、急性加重情况等。

参考文献略

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