膈肌功能监测的方法与临床应用

余勍北京大学第一医院发布于2024-08-16 浏览 2287 收藏

作者：余勍

单位：北京大学第一医院呼吸与危重症医学科

一、膈肌结构及功能

1. 膈肌的形态与结构

膈肌为一圆顶形宽阔的薄肌，呈中央部较平坦、两侧向上隆凸的穹窿形，膈穹窿左低右高。膈肌中央部称中心腱，为腱膜，呈三叶状，周围部为肌纤维。膈肌如同一个机械的屏障位于胸腔与腹腔之间，并保持这两个腔的压力梯度。实际上，膈肌与其他骨骼肌一样，由四种类型的运动单元组成：慢速运动单元（S）、快速抵抗运动单元（FR）、快速中间运动单元（FI）和快速疲劳运动单元（FF），它们的不同之处在于直径逐渐增大、缩短速度更快、发力更大、抗疲劳能力更低。这是由于肌球蛋白重链的不同同分异构体表达及其组成纤维的ATP水解速率不同。运动单元以有序的方式收缩：首先招募S和FR运动单元，以完成低力量，高负荷的呼吸活动。类似咳嗽咳痰等行为需要强大的、短时间的收缩，这使得FI和FF单元有足够的时间进行疲劳恢复。

2. 膈肌的功能

无论是正常呼吸, 还是正压通气呼吸, 膈肌下移导致胸腔内压下降, 空气自动进入肺内。当胸腔内压超过大气压, 气体自动呼出。因此, 吸气是一个主动过程, 而主要发挥作用的就是膈肌, 呼气则是一个被动过程。膈肌是最重要的呼吸肌, 占静息呼吸的60%～80%。研究发现: 膈肌位移每移动1 cm, 肺容量增加约350 ml; 膈肌发生废用性萎缩的速度是其他骨骼肌的8倍。

不是所有的呼吸问题都是肺的问题！呼吸系统主要包括呼吸道、肺和呼吸肌。脓毒症休克、呼吸衰竭、机械通气、长时间使用镇静镇痛药物等因素均会加重膈肌无力。慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者膈肌的负性结构改变中。膈肌萎缩是功能障碍的重要病理基础。研究表明，轻度至中度COPD患者肌球蛋白重链含量减少30%，重度COPD患者膈肌纤维横截面积减少30%～40%。此外，膈肌纤维收缩特性降低，弹性降低，系列肌节缺失，肌纤维蛋白破坏，膈肌形态改变，上述这些变化使膈肌处于机械劣势，导致膈肌产生流量和压力的能力降低，增加呼吸功，并导致膈肌疲劳。研究表明，COPD患者的膈肌Ⅱ型纤维转变为氧化程度较高的Ⅰ型纤维，导致Ⅰ型纤维的比例增加。在某种程度上，这种转变是膈肌的积极适应。然而，超过补偿范围可能导致轻度至重度COPD患者的膈肌强度降低，因为Ⅰ型纤维比Ⅱ型纤维产生的力小。

二、膈肌功能评估

膈肌功能评估主要包括无创评估和有创评估。无创评估方法包括胸部影像学（胸部X线摄影、胸部CT、MRI）、肺功能、膈肌超声，有创评估方法包括压力测定（食道测压—跨膈压）、颤搐性跨膈压、膈肌肌电图。

1. 无创评估—影像学评估

（1）胸部X线摄影：普通胸部X线摄影包括胸片与透视。胸片为静态检测手段，常用于单侧膈肌异常的诊断，如因肌纤维薄弱扩张所致的膈膨升、胸腹腔疾患所致的压力梯度异常或膈神经麻痹等。透视可动态评估膈肌的运动功能，是对胸片的进一步补充，并以观测膈肌运动幅度为主，但由于辐射及患者配合等问题在临床中并未广泛应用。图1为冠状动脉搭桥患者手术前后的胸片，术前胸片可见膈肌正常。术后2周患者出现呼吸困难，胸片可见左侧膈肌明显抬高，可能是由于术中损伤膈神经导致膈肌麻痹所致。

图1 胸片所示冠脉搭桥术患者手术前后膈肌变化

（2）胸部CT：作为静态检测手段，胸部CT可以进行横断面扫描及三维重建，用于检测膈肌的器质性占位，三维重建能还原膈肌各部的立体结构，在残气量（RV）、功能残气量（FRC）、肺总量（TLC）等时相测量患者矢状位和冠状位的膈肌长度、表面积、膈穹隆、对合面积等，以此来量化膈肌的功能。图2所示为通过测量患者起病后第10天的膈肌宽度来估算膈肌的面积，结果发现膈肌面积缩小，提示存在膈肌萎缩及膈肌功能障碍。

图2 胸部CT评估膈肌功能

（3）胸部MRI/动态MRI：通过胸部MRI/动态MRI可以动态评估膈肌功能。如图3所示为正常人在TLC、FRC、RV三个体位时的膈肌形态，可以发现，从FRC到TLC时，膈肌明显下移。图4所示为对肌萎缩侧索硬化（ALS）患者膈肌进行的动态监测，在正常人在吸气和呼吸时，膈肌有明显的位移。但是ALS患者出现呼吸衰竭，无论是吸气还是呼气，膈肌位移都非常不明显，提示患者可能存在膈肌麻痹。

图3 正常人在TLC、FRC、RV三个体位时的膈肌形态

图4 正常人和ALS患者吸气和呼气时膈肌变化对比

2. 无创评估—肺功能评估

临床中最简单的评估膈肌功能的方法是肺活量。当我们在临床上考虑患者可能存在膈肌功能损伤时，通常会关注其肺活量（VC）/用力肺活量（FVC）。正常情况下，立位VC/FVC约为50 ml/kg，但卧位时的VC/FVC低于立位。如果卧位VC/FVC较立位下降超过20%，考虑存在膈肌功能下降；如果卧位VC/FVC较立位下降超过30%，考虑存在膈肌麻痹。上述情况仅为“考虑”而非明确诊断，是因为肺活量的主观性比较强。膈肌分为左右两叶，肺功能监测不能发现单侧膈肌麻痹或者单侧膈肌功能下降。因为如果存在单侧膈肌麻痹，健侧膈肌功能通常会代偿，可能会导致患者肺功能是正常的。所以临床中我们会选择最大吸气压（MIP）进行监测，并且多在RV体位时进行，随着年龄的增长，MIP呈下降趋势。MIP＜60 cmH2O，考虑存在膈肌功能下降；MIP＜30 cmH2O，考虑存在膈肌麻痹。

3. 无创评估—膈肌超声

膈肌超声目前在膈肌功能评估方面得到广泛应用，它是通过测量膈肌厚度（形态）和膈肌移动度（运动）来评估膈肌功能。膈肌厚度一般通过测量吸气末膈肌厚度、呼气末膈肌厚度、膈肌厚度变异率（Tdi）获得；膈肌移动度一般通过测量平静呼吸、深吸气、吸鼻动作（Sniff动作）获得。

膈肌两侧是与胸壁贴合的肌纤维，随着膈肌随着呼气和吸气而上下移动，会导致膈肌厚度的差异（图5），进而衍生出Tdi，计算公式为：Tdi=（膈肌厚度吸气末－膈肌厚度呼气末）/膈肌厚度呼气末。并且Tdi与肺容量的匹配性非常好。现有各项研究对Tdi的正常值报道不一，目前使用较多的数值是：平均呼气末膈肌厚度：女性为1.4±0.3 mm，男性为1.9±0.4 mm。所以，若呼气末膈肌厚度＞2 mm，Tdi＞35%，判断为正常；若Tdi＜20%，则判断为膈肌麻痹。这些数据多是基于欧美人群的研究，由于体质差异等，我国人群膈肌厚度通常＜2 mm。所以我们认为在评估膈肌功能方面，Tdi比膈肌厚度更准确。

图5 超声（M模式）下呼气末和吸气末膈肌厚度

通常我们将探头置于锁骨中线与肋下缘的交界处来观测膈肌的上下位移。吸气时，膈肌下移，会贴近探头，形成向上的波形；呼气时，膈肌远离探头，形成向下的波形；由此反映出膈肌的移动。通过超声可以看到正常人在平静呼吸、Sniff动作以及深呼吸时的膈肌移动范围。如果膈肌麻痹，超声会观察到膈肌明显下移，或者当患者吸气时，膈肌不下移，反而上移，形成负向波形，出现矛盾运动，此时也考虑患者存在膈肌麻痹（图6）。

图6 超声所见正常人及膈肌麻痹患者的膈肌移动范围

膈肌移动度正常参考值：①平静呼吸时膈肌移动度：男性为1.8±0.3 cm；女性为1.6±0.3 cm；②最大深吸气时膈肌移动度：男性＞4.7 cm，女性＞3.7 cm；③Sniff动作时膈肌移动度：男性＞1.8 cm，女性＞1.6 cm；④膈肌移动度于平静呼吸时＜1 cm，提示存在膈肌功能减弱/膈肌麻痹。

4. 有创评估—跨膈压

跨膈压（Pdi）计算公式为：Pdi=胸膜压（Ppl）－腹内压（Pab）。临床中可以用食道囊管和多功能胃管分别留置于食道中下1/3与胃内来监测食道压（Pes，等同于Ppl）和胃内压（Pag，等同于Pab）（图7）。Pdi正常值为3～12 cmH2O。

图7 跨膈压的测量

5. 有创评估—膈肌肌电图（图8）

由于存在穿刺过程中发生气胸的风险，因此膈肌肌电图在临床应用并不普遍。

图8 膈肌肌电图

三、膈肌功能评估临床应用

膈肌功能评估主要涉及ICU患者和普通病房患者。对于ICU患者，膈肌功能评估主要用于指导膈肌保护性通气策略的制定，呼吸机相关性膈肌功能障碍的评估，以及撤机的评估。对于普通病房患者，膈肌功能评估的主要目的是寻找呼吸衰竭患者的病因，以及评估呼吸衰竭患者是否需要呼吸支持。

近年来有研究提出了膈肌保护性通气策略。无论是吸气不足，还是吸气过度，都会导致膈肌结构和功能变化，使呼吸机依赖性永久化，并恶化临床结果。PEEP增加了呼气肺容积，从而改变了液体和气体的比例，导致检测到的肺部超声波模式发生变化（从B型变为A型）。此外，PEEP还会导致膈肌缩短，从而使呼气末肌肉变厚，收缩效率可能降低。

2018年发表在AJRCCM 杂志的一项研究分析了机械通气过程中膈肌萎缩是否会导致通气时间延长，研究将7天内Tdi与基线水平进行比较，如果患者Tdi较基线明显下降，患者病死率和并发症（再插管、气管切开等）发生风险均增加；而如果患者Tdi较基线明显升高，病死率和并发症也明显增加。基于此研究结果，如果Tdi波动于15%～30%，患者的拔管时间明显缩短，ICU住院时间和并发症发生风险也最低，病死率明显下降。因此，通过监测患者Tdi的变化，能够指导膈肌保护性通气的实施，缩短机械通气时间。

对于已经插管的重症患者，跨肺压的监测简单易行，其监测流程为：在1 h的前2 min内测量患者Pdi，如果Pdi＜3 cmH2O，提示支持过度，降低PS，观察是否满足临床标准（潮气量＞4 ml/kg，呼吸频率＜40次/min，pH＞7.25）；如果Pdi＞12 cmH2O，提示支持不足，增加PS；若上述调整依然达不到效果，再继续调整。所以，设置合适的呼吸机模式与参数，维持Pdi在3～12 cmH2O安全范围内，进行膈肌保护性通气。指南也推荐对Pdi以及Tdi进行监测，便于指导膈肌保护性通气。

多项研究通过测量Tdi和膈肌移动度来指导拔管撤机。Tdi的cut off值在20%～30%时，拔管失败的风险最低。膈肌移动度的cut off值＜1 cm，存在拔管失败风险。但上述数值比较宽泛且个体差异较大，因此有研究提出了膈肌浅快呼吸指数（D-RSBI）这一指标【D-RSBI=呼吸频率/膈肌活动度】。临床中通常采用浅快呼吸指数（RSBI）评估患者是否存在拔管失败风险。研究发现，与传统的RSBI相比，D-RSBI的敏感性和特异性更好。此外，我国学者提出了膈肌变异率呼吸浅快指数（DTF-RSBI）【DTF-RSBI=膈肌厚度变异率/膈肌活动度】，也得出相同结论，即DTF-RSBI的敏感性和特异性优于传统RSBI。通过这些指标，可以更好地指导患者的临床评估和治疗。

膈肌超声能够获得对危重患者的全面评估。对于神经肌肉疾病患者，通过膈肌超声能够尽早发现患者膈肌功能异常。此外，在面肩肱型肌营养不良（FSHD）患者中呼吸功能障碍非常多见，且存在腹部肌肉受累。在FSHD中，肺活量和最大呼吸压力的测量可能很困难，因为面部肌肉无力导致口周漏气。因此，膈肌超声检查在许多FSHD病例中可能非常有用。此外，膈肌超声也可以指导COPD患者康复以及是否是需要无创通气。

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作者介绍

余勍

医学博士，主治医师，北京大学第一医院呼吸与危重症医学科专科医师，北京医学会呼吸病学分会间质病学组委员；主要研究方向为慢性呼吸系统疾病、间质性肺疾病；以第一作者在CHEST、BMJ 等权威期刊发表多篇论文。

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