机械通气的未来：主要原则和尚未满足的需求

摘要

有创正压通气一直存在的缺陷使其并不是一种理想的干预措施。七十多年来，临床经验和科学研究帮助确定了正压通气的一系列危害和局限性。除了气管插管造成的气道通畅度下降和下气道污染外，正压通气的主要危害可分为三大类：血流动力学损伤、通气诱发肺损伤的可能性以及呼吸肌泵损伤。为了优化治疗服务，监控和机器输出必须整合可能影响患者基本需求和/或心肺系统对通气干预反应的信息。趋势分析、及时干预以及与治疗人员更密切的沟通将限制不利的临床轨迹。从近几年的飞速发展来看，我们可以欣慰地认为，生理学研究和新兴技术能力最终可能会解决目前存在的重要缺陷。

背景

目前实施的正压机械通气旨在提供适当的调节气体和足够的通气能量，同时保持足够的肺扩张以防止肺不张及其后果。重要的是，有创通气还能监测气道压力、流量、频率和潮气量（VT）。目前，先进的在线处理技术可提供从原始数据中得出的关键指标。对于术后通气和神经肌肉衰弱等常规应用，当今的机器已经有了令人钦佩的出色表现，并在不断改进。然而，令人遗憾的是，有创正压通气目前还存在一些根本性的缺陷，对于重症患者来说并不理想，他们需要明智、及时的干预措施，考虑到其对代谢和心血管系统的潜在益处和风险，并为气体交换提供安全有效的支持。

技术和工程方面的巨大进步使呼吸机的功能和安全性得到了扩展和多样化。然而，同样重要的是，临床经验和科学研究已经帮助重症患者明确了各种通气方式的局限性和潜在危害。根据这一思路，强烈的自主呼吸努力可能会导致组织损伤（P-SILI）、患者与呼吸机不同步、呼吸肌疲劳、低氧血症和膈肌功能障碍。深度镇静和有创通气有助于缓解这些问题，但在机器设计中，受控气道正压支持的某些重要方面却很少受到关注。由于正压同时影响着心血管系统的表现，因此跟踪其净生理效应目前需要治疗人员独立检测和整合这些互不关联的信息，而治疗人员在床边的经验、专业知识和时间往往有限。及时、主动的干预往往对临床结果至关重要，但在当今的重症医学科环境中，对呼吸机的调整时断时续，而且往往是对违反临床医生设定警报的明显异常做出的反应。为了强调这些未得到充分解决的问题以及提高重症医学科生存率的可能性，我们将在下文中重点讨论对呼吸衰竭危及生命的插管患者进行通气支持，并对其进行可控的、以容量为目标的通气治疗。

除了气管插管造成的气道通畅度下降和下呼吸道污染外，正压通气的主要危害可分为三大类：血流动力学损伤、潜在的通气诱发肺损伤（VILI）和呼吸肌泵损伤。与这些问题截然不同的是，目前通过控制通气提供的支持应用不一致，而且对重症患者不断变化的需求相对不敏感。潮气量 (VT)、流量曲线和频率的控制模式一旦建立，通常会单调地循环，直到预先设置的警报响起后才会重新调整。对患者状态的监控并不是持续性的，而且监控的数据并不完整，或/或仅与实际的相关属性有松散的联系。正压通气会在多个重要器官系统之间产生复杂的相互作用。遗憾的是，治疗人员的培训和专业知识参差不齐是一个严重而普遍的问题。

虽然通气指南作为第一近似值通常很有帮助，但这还不够，因为它们是基于对疾病或综合征的不精确定义以及对固有的不同患者群体的临床试验而制定的。这些因素限制了我们进行适当个性化治疗的能力。然而，新兴技术为我们提供了一种可能性，即未来的设备可以有效地弥补在实现呼吸支持的关键目标方面存在的差距，并始终如一地实现控制通气的所有主要目标。从本质上讲，这些目标都是为了保持足够的组织氧合和二氧化碳平衡，同时避免对气体交换、血液动力学、肺部结构和呼吸肌泵产生不良副作用。由于没有一套参数适合所有患者，因此必须为这些综合目标设定个性化的优先级和 "防护栏"。我们设想由临床医生确定基本心肺变量的操作范围，而自动机器干预则在此范围内进行。

目前尚未实现的通气支持目标

气体交换

应用气道正压替代自主呼吸会破坏通气与灌注的正常平衡。虽然机械通气可增加吸入氧分压，并可提高平均跨肺气道压，足以逆转肺不张和改善氧合，但这些益处都是有代价的。气道正压：（1）增加胸膜压力，导致血流动力学受损和体液潴留；（2）优先扩张并可能过度扩张顺应性最强的通气肺区，而无法保持其灌注比例。低于最佳方向的血流增加了通气需求，扩大了通气的浪费部分（死腔），尤其是在仰卧位时；(3) 降低呼吸肌的活动、体积和张力。

血液动力学

与自主呼吸不同，正压扩张肺部会升高胸膜内和腔内右心房压力，阻碍静脉回流，同时升高毛细血管前肺血管内的压力。右心室负荷条件的这些改变可能会影响左心室充盈。全身血压或心输出量的显著下降通常会促使治疗人员反射性地增加输液量，从而导致令人印象深刻的液体正平衡，损害肺力学和气体交换。过量的给药液体会增加肺水肿、胸腔积液和腹水的形成，从而对重力依赖性肺泡单元产生压迫力。

肺损伤

高压力通气支持可能会损伤肺部（VILI）并延迟愈合，这一点已在实验室中进行了广泛研究，但在病床边的研究则不那么严格。目前，VILI 被认为是由肺扩张能量产生的过度组织应变潮汐重复所致。疾病类型、阶段和局部环境决定了肺实质组织对拉伸力的脆弱性--应力阈值。对任何特定患者而言，这种危险的主要驱动因素是肺间隙压力（一种不精确但可测量的组织应力类似物）和通气功率，临床上将通气功率定义为循环内机械能与每分钟呼吸频率的乘积。

呼吸肌

被动肺内膨胀和气体运动所需的跨肺压力在自然自主呼吸时由呼吸肌单独产生，在被动条件下由呼吸机单独产生，在患者触发机器辅助时由两种动力源共同作用产生。持续时间过长的过度机器辅助会导致肌肉萎缩，从而延长其需求；反之，通气辅助不足会增加努力、促进疲劳并有高碳酸血症的风险。胸壁膨胀会影响吸气肌肉的功能。过度充气对呼吸肌强度的损害可能源于相对顺应性肺内的高 PEEP、通气时间与放气时间不成比例导致的肺泡排空不完全（自动 PEEP）或呼气时同步相位气道关闭（气体陷闭）。

缺失的部分是什么？

鉴于本讨论前面概述的呼吸辅助的主要目标，即使是目前最先进的呼吸机似乎也无法为呼吸衰竭危及生命的患者提供最佳支持。具体来说，正压通气会同时影响其他重要器官系统，并可能造成不良后果。通常情况下，应将 PEEP 和平均气道压降至符合临床医生主要目标的最低有效值。这样做可以降低通气需求，减少机械压力、应变和动力，同时有助于避免不必要的代偿性输液和血管活性药物（图 1）。

单调的VT 和循环间隔会导致肺不张，在健康状态下很少发生，理想的情况是通过更自然的呼吸模式和叹息来避免这种情况，尤其是以极低潮气量为目标时。此外，还应考虑到体位的改变会影响整体和区域跨肺压。未来的理想机器将监测功能残余容量、跨肺压、心血管变量、驱动通气和气体交换的能量，并通过分析呼出气体跟踪二氧化碳（CO2）的产生和死腔分数。为了应对生理上的复杂性以及治疗人员可用性和专业解释能力的差异，在 "半封闭 "形式的闭环通气中，以目标为导向的自动纠正调整将缩小目标值与观察值之间的差距，并在明显需要干预以避免病情恶化时向治疗人员发出警报。

确定肺泡压力和通气空间（"小肺"）的大小

仅监测气道压力无法评估肺膨胀或局部组织应变。有几种方法可用于估算跨肺压，而无需面对放置食管球囊导管和解释其提供的数据等实际挑战。虽然没有一种方法经过仔细评估可用于临床，但某些方法有望用于临床。了解绝对肺活量有助于评估肺力学的几个重要方面以及因呼吸机设置调整而出现的 VILI 风险。通过气体稀释确定通气量（功能残气量，FRC）可测量与 VILI 风险直接相关的关键的全局静态和动态应力和应变（例如，通过 V T/FRC 近似计算每个周期的应变，以及以通气 "婴儿 "肺的大小--"特定 "功率为参考的每分钟累积能量）。我们有理由认为，未来的呼吸机可能会有效利用跨肺压和功能残气量的估计值，以持续确定通气婴儿肺的绝对尺寸。

整合肺部、心脏和肾脏监测

当今重症医学人员面临的一项艰巨挑战是对影响决策的多个重要变量进行密切监测并采取行动。由于胸腔内压力的变化不仅会影响肺功能，还会影响心血管系统的功能，因此优化通气处方的能力应考虑到监测到的血液动力学变量以及体液平衡。动脉脉搏轮廓、心率和中心静脉血氧饱和度及压力的输入可提供连续且潜在的有用信息，用于整合和显示与心脏功能和通气反应相关的信息。如果能从超声和阻抗断层扫描获得心肺成像数据，这些数据也将有助于确定区域组织扩张情况以及气道压力增加或降低可能造成的血流动力学后果。理想情况下，尿量和电解质成分也会被跟踪并显示在临床上。

信息趋势

目标变量随时间变化的趋势是最重要但却被忽视的床旁观察指标之一，可用于跟踪疾病进程或对诊断程序、治疗干预或机器设置更改的反应。由于轮班需要更换治疗人员，因此对病人重要但微妙的状态变化的认识尤其具有挑战性。然而，及时评估趋势数据并在必要时进行早期干预，对于审慎决策和优化治疗非常重要。例如，由于机械通气往往在患者病程中过早或过晚撤出，过早或延迟解除通气支持（"脱机"）可能会对患者的重要预后造成严重后果。未来的呼吸机可能会持续跟踪与心肺功能状态有关的多个变量，并确定和报告恢复或恶化的轨迹。我们设想根据这种丰富的信息流进行预防性监控，甚至进行自动调整。由于在机械辅助通气过程中可能需要收集的信息数量庞大且种类繁多，这些信息涉及气体交换、肺力学、血液动力学、肾功能等。机器学习（人工智能）在识别指导 "个性化 "通气治疗的模式方面可能会发挥更大的作用。

优化与治疗人员的沟通

由训练有素的人员保持临床警惕的必要性已得到广泛认可，但实施起来却十分困难。在当今的临床实践中，自发负责多名患者的治疗人员通常会对每个人的病床进行反复但零星的探视，同时需要在病情恶化导致警报启动之前随时了解发生的重要变化。与此同时，不必要的警报目前是所有床旁人员公认的烦恼和负担。未来的智能呼吸机将自动纠正轻微和短暂的变化，但会传达趋势数据，预示可能发生的具有重大临床意义的变化。无论治疗人员身在何处，这样的机器都能通过无线方式评估并及时向治疗人员传递重要的心肺状态更新信息。这种功能将提供必要的决策支持，使更多知情的治疗人员能够自信地做出判断，并有助于人员之间的信息传递更加顺畅。

实施的可行性和障碍

我们认为，支持危及生命的呼吸衰竭的首要需求是整合重要信息流、根据临床目标自动进行中途修正，以及与治疗人员进行更密切、更适当的互动。虽然这些需求在我们看来很明确，但未来先进的呼吸机如何以可接受的经济成本实现这些目标却并不清楚。当然，我们不会试图提出一个详细的路线图，说明如何立即采取行动来实现这些目标。不过，面对成本问题，我们强调，并非所有呼吸机都必须像现在一样，能够支持那些生理需求最不稳定的患者。对于那些没有生命危险的病人，较简单、成本较低的呼吸机也能很好地满足他们的需求。

图 1 未来呼吸机的理想特征。理想情况下，通过对影响变量的综合监控和感知，呼吸机可以不断优化和调节通气处方，以实现护理目标。趋势分析和与治疗人员的及时沟通可追踪进展情况，并在问题恶化前发出警告。

结论

从当今实践的角度来看，上述叙述似乎只是一份不可能实现的 "愿望清单"。事实上，这种担忧在近期内可能仍然存在。但是，未来是开放的；从更长的时间尺度来看，前景要光明得多。作为一门学科，我们已经缓慢但坚定地朝着正确的方向前进，而且从近年来电子能力和连接性的飞速发展来看，我们可以欣慰地认为，生理学研究的洞察力和新兴的技术能力最终可能会实现这份 "愿望清单 "的重要方面。例如，无线通信和几乎无限容量的数字记忆和存储，如今几乎无处不在，但直到最近几年才出现。将临床医生的目标与多变量控制相结合的近似 "闭环 "通气系统，虽然目前在范围和能力上受到限制，但已经投入使用。部分自动支持协议已经得到应用。人工（增强）智能方法的明智应用最终可能会实现数据整合和深入评估，从而促进我们许多理想目标的实现。