机械能与肺保护性通气：意义、应用与局限

周永方四川大学华西医院发布于2024-09-11 浏览 1556 收藏

作者：周永方

单位：四川大学华西医院

一、呼吸机相关性肺损伤概述

机械通气导致肺损伤的因素主要有：①呼吸机参数，包括潮气量、气道压力（ΔP/PEEP/Pplat)）、流速、呼吸频率等，这些是呼吸机施加到肺的因素，可能导致肺损伤。②患者自身肺部因素：对于肺部病变比较严重、均一性差以及婴儿肺等患者，即使在相同的呼吸机参数下，患者也更容易出现肺损伤。③肺外因素，例如灌注、pH值、气体张力、温度、湿度等，也可能导致肺损伤。

二、机械能的定义、计算与临床意义

机械能主要包括动能和势能，动能与质量和速度有关，势能包括重力势能和弹性势能。能量是做功的能力，而功是力传递的能量。根据能量守恒定律，能量可以进行转化，呼吸机施加到肺部的能量可以转化为肺的弹性势能，同时肺还可以释放气体（释放能量），理论来讲，肺不应该出现损伤。但事实却并非如此。能量守恒适用于稳定、保守的体系，但呼吸系统不是一个能量保守体系。呼吸机施加到肺的能量，一部分转化为呼吸系统的弹性势能储存起来，另一部分被肺吸收，这部分能量转化改变了肺组织及其细胞形态结构(肺泡扩张, 肺泡损伤)、细胞内的生物化学能, 最终可能导致肺损伤。还有一部分能量在呼气时被释放出去, 这部分能量不会导致肺损伤。

呼吸功（work of breath，WOB）是指呼吸肌收缩克服（弹性阻力和气道阻力）实现肺通气所作的功。机械能或机械功（mechanical power，MP）是呼吸机维持患者通气所做的功，即呼吸机传递给呼吸系统或肺的能量，机械功=机械能/次×呼吸频率，单位是焦耳/分（J/min）。2016年确定的机械能的概念综合了潮气量、气道压力（PEEP和ΔP）、吸气流速、呼吸频率对呼吸机输送的总功率的贡献，其与呼吸机相关性肺损伤（VILI）风险相关。无论呼吸肌所做的呼吸功，还是呼吸机所产生的机械能，都是施加在呼吸系统上的能量，这一能量可能引起呼吸系统特别是肺组织的损伤。

机械能或机械功计算方法：功=作用力×移动距离，机械功（W）=△P×△V [单位：焦耳（J）]，机械功率=机械能/次×呼吸频率，单位：焦耳/分（J/min）。

2016年Intensive Care Med 杂志发表的一篇文章提出了一个比较复杂的公式来计算机械能。该公式的应用条件是：容量控制模式（VCV）通气，流量为方波，完全抑制自主呼吸。根据呼吸力学的经典公式：呼吸运动程式，施加于整个呼吸系统的压力（P：呼吸机+呼吸肌）由以下三部分组成：第一部分是克服气道阻力的压力，第二部分是克服呼吸系统弹性阻力的压力，第三部分是呼气末正压（PEEP），即：P=Raw.F+ ELrs.△V+PEEP。根据前述公式：机械功（W）=△P×△V，P×△V进一步转化就可以得到下图：C代表克服气道阻力所做的功，也就是阻力功；B代表驱动压×潮气量，也就是驱动功；A指的是因PEEP的作用，导致在输送潮气量时对呼吸系统的做功增加，A代表PEEP×潮气量，也就是PEEP功。

克服气道阻力的阻力功（C部分）通常都比较小，除非特殊情况如气道阻塞性疾病，临床多数患者气道阻力都不会太高。更重要的是驱动功（即B部分），就是传递潮气量引起肺的形变，肺内气体量增加，其压力也随之增加。笔者认为将其称为变力弹性功，因为肺在输送潮气量时，随着容量的增加，肺承受的压力也随之改变；而PEEP是恒定的，其导致的呼吸做功称为恒力弹性功（A部分）。所以有些文献将PEEP功称为静态功，甚至不予考虑，认为其对肺损伤没有影响。我们普遍认为驱动功对VILI有很大影响，因为它是变力功，肺承受的压力在不断变化。

如下图所示，在△P1时，机械能的总功只有A1+B1；增加到△P2时，所有颜色的阴影部分都是要做的机械功，呼吸做功从A1+B1变为A1+A2+B1+B2。当PEEP由PEEP1增加到PEEP2，呼吸做功从A1+B1变为A2+B2。所以PEEP增加导致机械能仅增加了中间的一小部分（A2-A1），而△P增加就会导致机械能有很大一部分增加（A2+B2）。所以增加潮气量或△P对VILI一定会有很大的影响。尽管PEEP增加对机械能影响不大，但仍然可能存在一定的风险。既往文献认为PPEP增加对VILI的影响可以忽略。从P-V曲线可以看到，在呼气相，即弹性功的转化过程，PEEP产生的这部分PEEP功基本上在呼气相全部被释放，所以认为其影响可能会比较小。

在机械能元素的权重分布中，呼吸机参数方面，潮气量增加20%，机械功率增加37%；呼吸频率增加20%，机械功率增加27%；PEEP增加20%，机械功率增加5.7%。在肺本身因素中，如果气道阻力和肺顺应性变差，也会导致机械能的改变，弹性阻力增加20%，机械功率增加8%；气道阻力增加20%，机械功率增加6%。

理论上，我们认为驱动功对VILI的影响更大。但动物实验证明弹力功（驱动功+PEEP功）而非驱动功是VILI的关键促进因素。所以PEEP的作用在VILI过程中是不能被忽视的。因此我们要滴定最佳PEEP，不能过高或者过低，否则可能都会对VILI有所影响。

动物实验发现如果机械能超过12 J/min，肺损伤就会明显增加。那么机械功的阈值究竟是多少才与VILI有关？研究发现，进行机械通气的实验动物，只要使用了麻醉/肌松，即使是正常肺，也会出现肺损伤，机械通气（麻醉/肌松）增加肺重量，加重了肺组织损伤，但这与机械功率无关。所以为什么临床中我们要尽早拔管撤机，因为机械通气是非生理的，会对肺产生损伤。另外，该研究还发现，与机械能7和12 J/min相比，3 J/min通气的肺组织损伤相关指标更好，但生理指标更差。这一结果似乎提示我们，机械能越低越好。但如果太低，势必会导致呼吸机参数过低，不能满足通气和氧合的需求。况且动物实验中的阈值并不能推及到患者，所以动物实验并没有解决机械功阈值的问题。

还有一个问题是，相同的机械能，肺损伤是否相同？动物实验将潮气量设定为功能残气量（FRC）的2倍，PEEP为25 cmH2O，呼吸频率为40次/min。如果给相同的大潮气量，然后调节另外两个参数，使其保持相同的机械能。结果发现无论机械能是高还是低，都发生了肺损伤，而且结果相似。从这一角度来说，呼吸周期的每一个参数（潮气量、呼吸频率、PEEP等），只要不在安全范围，都会导致肺损伤；而且无论机械能的高低，均会发生肺损伤。所以，所谓的“机械能越低，对肺的保护作用越好”，前提条件是呼吸机的参数必须要在安全范围内。另外，血流动力学在VILI中也发挥关键作用。

在轻中度ARDS实验模型中，相同低水平的机械功，大潮气量加重肺损伤程度，为了减轻VILI，控制潮气量似乎比呼吸频率更重要。所以，在ARDS肺保护性通气中，我们将控制潮气量作为第一个优化的参数。

关于PEEP的定位。PEEP的困惑在于类似“最佳PEEP”的滴定。如前所述，PEEP增加会导致机械能增加，尽管这种改变并不显著，但PEEP在肺损伤发生中也发挥了一定作用。但问题是PEEP太低，可能会导致肺萎陷。动物研究显示：PEEP<7 cmH2O，增加肺损伤；机械功阈值>13 J/min，PEEP可能导致严重肺损伤和血流动力学损害。假如PEEP增加能够改善肺的均一性，并且其导致的机械能增加仍然在安全范围，则结果是安全的。

三、机械能的临床应用

定容通气模式，吸气流量为方波，镇痛镇静完全抑制自主呼吸，吸气屏气测定呼吸力学指标：Ppeak/Pplat，总呼吸频率、PEEP和潮气量，简化公式如下：

MP=0.098.RR.Vt.[Peak -½（Pplat-PEEP）]

简化的机械能计算公式与复杂公式以及计算机积分法计算出的结果相关性非常好且可靠。

PCV简化公式如下：

PSV机械能计算公式目前没有文献报道有简化公式，但笔者认为可以推算：ΔP=PS+ Pmus。PSV模式下监测食道压，或采用吸气末阻断法测定Pplat，计算Pmus，按吸气暂停键测定平台压：Pplat =PEEP+PS+Pmus，ΔP = Pplat - PEEP，MP=0.098.RR.Vt.Pplat。

机械能计算值与计算机实测值相关性很好。理想情况是呼吸机能够智能实时监测机械能。

目前的临床研究提示我们，机械能越高对临床预后越不利。但各项研究的阈值差异较大（12～22 J/min）。研究发现机械能的归一化/标准化与患者预后的相关性更好。还有研究分析了机械能导向的个体化机械通气策略，使用AI技术或许可以改善患者预后。虽然机械能与患者预后有关，但也可能是疾病严重程度的标志。

四、机械能的应用局限

机械能能否作为指导实施机械通气的通气目标、通气安全的预警限制、疾病严重程度的标志？机械能的阈值究竟是多少，其中要考虑众多因素，包括患者肺的大小、年龄、性别、身高、体重、肺部病变严重程度、均一性、FRC、顺应性，以及监测跨肺压，计算施加于肺部的机械能等。另外还有机械能效率的问题，类似推导通气效率，实测机械能与维持正常二氧化碳清除的机械能预计值之比。希望未来能够将生理学的大数据进行整合分析，以发现和验证机械能的安全阈值，指导个体化呼吸机参数设置。

参考文献

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作者介绍

周永方

四川大学华西医院，主任技师，呼吸治疗与危重症监护学士、重症医学硕士、医学技术（呼吸）博士研究生、美国梅奥医学中心重症医学科/呼吸治疗中心访问学者。研究方向：呼吸衰竭与肺保护基础与临床研究、机械通气与镇痛镇静、呼吸支持相关器材开发研究。主持或第一主研参加国家、省部级及其他课题10余项。在国际顶级期刊ICM, CCM, CC等发表论文20余篇，被6项国际重症指南引用，BMC Pulmonary Medicine等10余种SCI期刊审稿人。

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