如何为阻塞性肺疾病和哮喘患者进行机械通气？

摘要

慢性阻塞性肺疾病（COPD）和哮喘的急性加重可能导致急性呼吸衰竭，最终需要机械通气。本文综述了针对阻塞性气道疾病患者的实用通气策略，包括通过无创通气（NIV）预防插管、有创通气的全程管理（从插管到脱机），以及预防拔管后急性呼吸衰竭的策略。同时探讨了气管切开的作用、长期预后及未来可能的辅助技术，并详细阐述了相关生理学机制。

关键词

机械通气、慢性阻塞性肺疾病、哮喘、内源性呼气末正压（PEEPi）、无创通气、脱机

引言

COPD或重症哮喘的急性加重以严重气流受限、气体陷闭、动态过度充气和内源性呼气末正压（PEEPi）为特征，可能导致急性呼吸衰竭。尽管COPD与哮喘的病理机制不同，但两者的通气支持管理策略在多方面具有相似性。

慢性阻塞性肺疾病和哮喘的急性呼吸衰竭：问题的严重性

COPD急性加重是常见的，并具有重要的临床后果，包括生活质量的急性下降、肺功能和运动能力的暂时或永久性降低、住院治疗和死亡率增加。它们还具有重大的经济影响。（侵入性或非侵入性）超过12小时，接受COPD急性加重治疗的患者比例从1998年的10%降至2016年的7%这一趋势表明，在重症监护病房（ICU）入院后，无创通气（NIV）作为第一辅助支持的使用率增加（从1998年的16%降至2017年的51%）同时，总体死亡率降低。

严重哮喘加重引起的呼吸衰竭可能导致主要机械通气相关并发症(如气压损伤、心血管衰竭、肺不张和肺炎)，可影响发病率和死亡率。严重哮喘加重大约1%的机械通气患者会住进重症监护室。这些患者使用NIV从1998年的3%增加到2016年的34%。

图1急性呼吸衰竭机械通气患者中慢性阻塞性肺疾病（COPD）急性加重和重度哮喘加重的发生率（图A）以及这两个人群中ICU死亡率（图B）和住院死亡率（图C）随时间的变化，与1998年相比，*p<0.001

呼吸系统力学与气体交换

在呼吸系统力学方面，哮喘和COPD的特征是动态过度充气的发展，定义为潮气呼气末呼吸系统舒张容积增加。在健康受试者中，呼气末肺泡和气道压力相对于大气为零，胸膜压力为负。在动态过度充气的情况下，肺泡压力在整个呼气过程中保持为正，导致自动呼气末正压（auto-PEEP）的发展，也称为内源性PEEP或PEEPi（图2）。

图2在气道开口处测量压力时呼吸系统的压力-容积（P-V）关系。在正常受试者中，（EELVNormal）是呼吸系统的舒张容积或功能残气量（FRC），其中不存在向内或向外的反冲压力（呼吸系统的压力相对于大气为0 cmH2O）。为了触发呼吸机，患者的吸气肌肉必须产生≥呼吸机上设定的触发阈值的吸气努力，由呼吸机输送的500 ml潮气量将使呼吸系统的容积增加到其吸气末肺容积（EILVNormal）。三角形面积提示正常呼吸弹性功（Wel，n）并不过量。在过度充气的COPD或哮喘患者中，呼气末肺容积（EELVHyperinfl）大于呼吸系统舒张容积（Δ表示相对于正常FRC的体积增加）;在该增加的体积下，存在向内的反冲压力，该压力称为固有呼气末正压（PEEPi），该压力通常在患者放松的情况下通过呼气末阻塞法测量。为了触发呼吸机，患者的吸气肌肉首先必须产生吸气努力，以克服呼气末呼吸系统的正向向内反冲力（7 cmH2O，PEEPi），然后在呼吸机上设置触发阈值（示例中为2 cmH2O）。有效触发呼吸机所需的压力（在本例中，触发=7+2=9 cmH2O）。如果它们不能产生此量（9 cmH2O），则无效的触发努力会导致，由呼吸机输送的类似的500 ml潮气量将使呼吸系统的容量增加到其新的吸气末肺容量（EILV hyperinfl），其中存在过度扩张（肺的应力和应变）的风险，其具有潜在的有害后遗症（如果在患者放松的情况下通过吸气末阻塞方法测量，就是平台压力）。呼吸的弹性功主要归因于PEEPi（方形阴影区域，WPEEPi），并且大大增加，导致输送的机械功率增加。

在COPD中，PEEPi主要由呼气流量限制引起，这是一种由于肺反冲压力降低而引起的复杂现象（肺气肿）导致小气道塌陷，从而增加气道阻力。由于呼吸频率增加和潮气量增加，呼气时间缩短会加剧这种情况，这是呼吸驱动增强的结果（因此呼气量更大）。

动态过度充气的后果取决于患者是被动通气还是触发呼吸机。在被动通气患者中，动态过度充气增加了输送的机械功率，并伴有气压伤和血流动力学损害的相关风险。在触发呼吸机的患者中，吸气流量的启动需要吸气力来克服PEEPi ，这转化为触发阶段的吸气努力增加。最终，这种增加的努力可能无法触发呼吸机，导致无效触发，这是最常见的不同步之一。在气体交换方面，COPD患者具有复杂的V/Q分布模式：低V/Q区域保持灌注，高V/Q区域和混合模式。COPD患者通常表现出少量分流（通常小于心输出量的10%）。

重度哮喘急性发作的特征是由于支气管痉挛、气道炎症和粘液导致气道阻力显著增加。呼气流量显著减少，导致主要的动态过度充气。这导致气压伤和血流动力学损害的风险增加。哮喘低氧血症的特征是存在低V/Q单位;低氧血症通常通过由低氧性血管收缩和心输出量的变化介导的血流的代偿性再分布而减弱。高碳酸血症主要是由于肺泡过度扩张导致死腔通气增加，但这一机制尚未得到证实。

机械通气COPD患者的心肺相互作用

肺系统的病理生理变化可能对心功能产生不利影响。

COPD伴有肺动脉高压、肺血管阻力增加、右心室扩张、右心室肥大，COPD患者常同时存在左心室收缩功能和左心室舒张功能受损，148例因COPD重度加重而入住ICU的患者中，31%的患者出现了与左心功能不全明确相关的急性加重，这些心脏改变是由动态过度充气和由呼吸肌产生的负胸内压的大幅度摆动引起的，以克服吸气弹性。由PEEPi引起的阈值和气道阻力增加。动态过度充气比负胸内压的大幅波动对左心室血流动力学更有害。直接心室相互作用和显著的间隔扁平化似乎是左心室舒张末期容积和每搏输出量减少的原因。动态过度充气导致右心室阻抗增加大的负性胸内压波动增加了右心室的静脉回流（前负荷效应）。

应用接近PEEPi的外源性PEEP不会导致COPD的血流动力学损害。较高的PEEP水平会降低心脏指数。然而，外源性PEEP对肺力学和血流动力学的影响取决于许多因素，如由于气道特征、肺容积、血管内容积状态、血管舒缩张力等，使得个体患者的反应难以预测。最后，COPD患者脱机困难的风险增加，特别容易发生脱机诱导的肺水肿。利尿剂和硝酸甘油可有效治疗特定COPD患者脱机诱导的肺水肿。在严重哮喘患者中，观察到类似的心肺相互作用。由于存在极其严重的过度充气，他们可能发展为严重的低血压。

无创通气治疗COPD已数十年

20世纪60年代曾尝试在CO2潴留患者中进行无创机械通气，但未被广泛接受，有创机械通气插管仍然是因呼吸衰竭入院的患者的主要治疗。

上世纪80年代末，有几个小组用面罩治疗慢性或慢性加急性高碳酸血症呼吸衰竭患者，成功主要是由于结合了呼吸衰竭机制的生理学评估（包括呼吸肌功能）（压力支持通气）。在20世纪90年代早期，几项研究证明了通常与压力支持通气和PEEP一起递送的正压通气的功效，值得注意的是，一些最好的结果是在没有任何PEEP的情况下获得的，突出了吸气期间提供的压力的重要性。随机临床试验表明，使用无创后插管率大大降低，从而改善了结局，与有创机械通气相关的并发症也较少，住院生存率提高（图3）。

图3患者管理不同阶段的治疗选择，NIV无创通气，PEEP呼气末正压，NAVA神经调节呼吸机辅助; PAV比例辅助通气

将NIV付诸实践花了十多年的时间，随着时间的推移，NIV成为治疗严重COPD加重导致的急性呼吸衰竭的基准，其死亡率稳步下降。同时，从NIV过渡到有创机械通气的患者死亡风险增加。然而，值得注意的是，NIV失败并随后插管的COPD患者的死亡风险并不高于插管作为一线呼吸支持的患者。随着技术不断改进，由于医院对高效技术的需求以及家庭NIV的广泛使用，这需要更舒适和用户友好的设备。泄漏的自动化管理逐渐成为规则，ICU呼吸机最终在补偿泄漏和减少患者-呼吸机不同步方面变得与专用呼吸机一样有效。

NIV有时被认为是呼吸机辅助治疗的上限，法国的一项多中心研究表明，接受NIV治疗的“不插管”患者在出院后6个月的生活质量良好，接受NIV治疗的患者的照顾者与治疗不受限制的患者的照顾者的压力和焦虑水平相似。由于NIV缓解了呼吸困难，该技术也被用于缓解接受姑息治疗的垂死患者的呼吸困难，尽管这种方法尚未得到广泛使用。

在重度哮喘急性发作中，回顾性研究表明谨慎使用NIV与改善结局相关。然而，没有高质量的随机对照试验强调NIV在重度哮喘急性发作中的益处，并且在呼吸衰竭的情况下，风险水平可能非常高。因此，指南不建议在重度哮喘急性发作中使用NIV 。

有创通气管理

有创通气适用于急性呼吸窘迫患者，例如呼吸停止，或无创因任何原因失败，包括持续的呼吸做功增加。COPD急性加重的特征在于导致PEEP i发展的动态过度充气。如果呼气末气流未停止，应考虑存在动态过度充气和PEEPi（图4）。

图4两名机械通气患者的压力和流量记录示意图。在健康受试者（图A）中，呼气流量在呼气末停止，排除了动态过度充气；在COPD患者（图B）中，呼气流量在呼气末没有停止，这表明动态过度充气和内源性呼气末正压（PEEP i）

采用受控机械通气，在呼气末阻塞期间测量总PEEP。定量动态过度充气的参考标准技术是测量吸气末肺容量。由于这在临床实践中很麻烦，控制性机械通气期间的吸气末平台压是监测过度充气的合理替代物，尽管灵敏度较低。Pplat是在吸气末阻塞±3 s的情况下测量的，而峰值压力不是过度充气的可靠指标。

重要的是要强调，在机械通气的早期阶段，这些患者的主要目标不是使血气正常化，而是在保持pH值约为7.25-7.30的同时预防过度充气引起的并发症。

COPD插管患者使用多种呼吸机模式，然而，目前还不知道一种模式是否优于另一种模式。常见的呼吸机模式是容量辅助控制通气，使用容量辅助控制通气，可以将吸气流量波形设置为方形模式，以便于监测力学。为了限制过度充气，将分钟通气量降至最低，并且允许有足够的时间用于呼气。作为合理的起点，使用中等潮气量，约为6-8 ml/Kg，呼吸速率为12/min，以60-90 l/min的恒定吸气流量输送。已经提出保持低的吸气-呼气比，例如1：4.如果在这些呼吸机设置下，Pplat不太高，当Pplat较高（例如，<28 cmH2O）时，可以增加呼吸速率以改善气体交换。（例如>28 cmH2O），在PEEPi患者中，可通过限制潮气量和/或呼吸频率来减少每分钟通气量。（例如，通过增加吸气气流，从而减少吸气时间，保持呼吸频率和潮气量恒定）对过度充气的影响要小得多。

在COPD急性加重期选择合适的PEEP可能是复杂的，取决于患者是否触发她/他的呼吸机。一般来说，在插管的早期阶段，患者不触发他们的呼吸机。理论上，零PEEP对这些具有“纯”高气道阻力的COPD患者是最佳的，因为PEEP降低了呼气驱动压，因此预计会增加过度充气。然而，生理学表现更为复杂，PEEP对过度充气有三种可能的影响[48]：（1）在单纯呼气流量受限的患者中，过度充气没有变化（通过Pplat和呼气末肺容积的变化评估），PEEP逐渐增加直至达到阈值期间;（2）PEEP的任何增加都会增加Pplat和呼气末肺容量，以及（3）发生“矛盾反应”，因此，PEEP的增加会降低Pplat和呼气末肺容量。在呼气流量受限和高度异质性肺的患者中可能会出现反常反应。在床旁，PEEP对过度充气的影响是不可预测的，因此建议在谨慎滴定PEEP时测量Pplat。如果Pplat增加，应立即停止PEEP滴定。

在呼气流量受限的被动通气患者中，增加外部PEEP不会改变过度充气的程度或总PEEP，直到其接近原始PEEPi的80%。一旦患者能够触发呼吸机，增加中度外部PEEP以平衡PEEPi，从而减少触发呼吸机所需的努力并改善患者-呼吸机交互，值得注意的是，COPD患者易发生呼吸机引起的过度充气和不同步，如无效触发。（也称为无效的努力或浪费的努力，图5） 。

图5跟踪气道压力（Paw）、气流（Flow）、食管压力（Pes）、胃压（Pga）、慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者在急性呼吸衰竭发作期间（由于脱机期间的充血性心力衰竭）表现出显著的呼吸肌努力，而机械通气时呼气压（PEEP）为6 cmH2O，压力支持水平为8 cmH2O。该患者表现为动态过度充气（平均校正内源性PEEPi> 8 cmH2O）和呼气肌主要募集。值得注意的是，箭头所示的大量无效触发努力的存在（呼吸机呼吸速率约为18次呼吸/分钟，患者的呼吸速率约为28次呼吸/分钟）

由于PEEPi增加了触发呼吸机所需的努力，弱呼吸努力可能无法触发它。无效触发与较不敏感的吸气触发相关，更高水平的压力支持、更高的潮气量和更高的pH。在无效触发流行率高的患者中，发现显著减少压力支持或吸气持续时间以达到约6 ml/Kg理想体重的潮气量可以消除三分之二患者的无效触发。当使用压力支持时，压力支持水平不应设置过高，以限制潮气量（约6-8 ml/Kg）和随后的动态过度充气。通过降低呼气触发水平（也称为循环关闭）缩短吸气时间也有助于减少动态过度充气。

在重度哮喘急性发作时，有创机械通气与并发症风险增加和显著死亡率相关。插管后低血压常见，原因是严重的肺过度充气、低血容量和镇静。因此，插管的指征应该是仅限于危及生命的患者(呼吸停止、呼吸急促、意识改变、患者完全筋疲尽和/或有严重和恶化的高碳酸血症或严重呼吸窘迫)。由于水肿和支气管痉挛引起的气道阻塞导致呼气阻力增加，哮喘患者的肺过度充气可能非常高。治疗的关键策略是减少过度充气，最好通过减少每分钟通气量和延长呼气时间来实现（低潮气量、低呼吸率和高吸气气流率，目标是吸气-呼气时间为1：4至1：6）.低水平的外源性PEEP（≤ 5 cmH 2 O）被推荐，尽管这一策略存在争议，但必须密切监测恶性肺过度膨胀的程度（使用吸气末和呼气末保持），目的是限制Pplat并获得尽可能低的总PEEP 。与COPD一样，使用方波气流输送的容积模式可以更容易地进行监测。作为分钟通气量主要减少的影响，PaCO2可能会显著增加，降低PaCO2是次要目标。

脱机策略

根据指南，需要每天对准备脱机的患者进行筛选（图3）。准备脱机的患者进行自主呼吸试验，使用T型管或压力支持通气。

在耐受自主呼吸试验的患者中，可以拔管，在COPD患者中，预防性拔管后NIV和使用高流量氧疗均降低了急性呼吸衰竭和随后再次插管的发生率（图3）。在使用高流量氧疗时增加NIV疗程似乎比单独使用高流量氧疗更有效地防止再次插管。最后，NIV还可以加速自主呼吸试验反复失败的COPD患者的脱机。

在208例因高碳酸血症呼吸衰竭而插管的患者中，4.4%的患者在出院时需要通过气管切开术进行通气。选择气管切开术的决定是基于对手术风险与预期但未经证实的益处的考虑。对于难以脱机的患者，气管切开术的可能性应多学科讨论，必须告知患者及其家属，气管切开术不会改变病因疾病的预后。虽然气管切开术可以改善舒适度，但可能会过度延长与基础疾病相关的痛苦。在慢性呼吸衰竭的情况下，在进行气管切开术之前，必须仔细考虑这些伦理因素，并与患者及其家属进行讨论

长期预后

在一个需要长期机械通气（>21天）的COPD患者的小系列中，2年生存率为40%（撤机患者为68%，未撤机患者为22%）。在另一个需要在撤机中心进行长期通气的患者队列中（59%的COPD患者），1年生存率为49% 。

一项前瞻性纵向研究调查了315例各种原因呼吸衰竭患者长期机械通气对生存率和生活质量的影响（95例COPD是呼吸衰竭的主要或次要原因）。在存活的患者中，出院时54%脱离呼吸机，30%仍与呼吸机连接，1年生存率分别为63%和22%。

生存率不受呼吸衰竭的潜在原因（包括COPD）的影响。到12个月时，SF 36身体总结评分和精神总结评分恢复至患病前值，85%的患者表示愿意再次接受通气。

中低收入国家的挑战

由于室内/室外空气污染严重，低资源国家的COPD和哮喘负担非常高（吸烟、室内煤炭暴露和工作场所粉尘暴露）。慢性呼吸道疾病造成的死亡人数是发展中国家公共卫生系统面临的一个真实的挑战，因为据观察，死于非传染性疾病的风险最高的是中低收入国家。

此外，在大多数低收入和中等收入国家，ICU稀缺，资源有限。尤其是有创机械通气的可用性有限，其使用与高死亡风险相关，特别是呼吸机相关肺炎。在高收入国家，NIV应优于有创通气，特别是在COPD急性加重的情况下。最近的一项荟萃分析总结了这些国家的NIV经验，报告了成人的中度死亡风险（16%），该人群中成人的平均NIV失败率为28.5%。对于COPD急性加重，使用NIV作为主要治疗模式的比例从2000年的29%增加到2012年的97%，这些数据表明，关于优先使用NIV治疗的指导方针并不专门针对高收入国家，也应该适用于低收入和中等收入国家。

新技术与研究方向

NIV有众所周知的缺点。病人的耐受度可能因患者不适、呼吸困难、皮肤损伤和幽闭恐惧症而表现不佳。此外，护理人员的技能对这项技术的成功也很重要。经鼻高速流氧疗可能是另一种方法，在最近的一项研究中，对12名患有轻度至中度急性加重的高碳酸血症COPD患者进行了研究，这些患者最初需要NIV，在短时间内以30 l/min的速度应用高流量鼻插管可减少吸气努力，其效果与中等压力支持下的NIV相似。此外，经鼻高速流氧疗是一种比NIV更舒适的技术。

考虑到大约15%的COPD患者NIV失败的事实，研究已经尝试提高NIV的功效。这些尝试包括吸入氦气和氧气混合气体，这需要复杂的设置和特定的呼吸机。由于与空气相比其密度低，氦气/氧气显著增强了NIV减少患者努力和改善气体交换的能力。然而，尽管一些生理变量得到了改善，但随机对照试验并未显示使用氦/氧混合物的临床益处（即插管率或死亡率的降低）。单独使用NIV实现的插管率相对较低，这可能解释了氦/氧混合物缺乏益处的原因。

最近，体外CO2清除被认为是NIV的可能辅助手段，以避免对NIV无反应的患者插管。结合直接去除CO2的NIV被认为可以改善肺泡通气，减少呼吸肌工作负载。体外CO2清除也可用于加速气管插管的脱机，因为它可以防止无效的浅呼吸模式，并通过在无支持呼吸期间保持稳定的PaCO2水平来减少吸气功。尽管这些装置有效地消除了二氧化碳，但证明其对COPD患者有效性的实验证据有限。

改善COPD患者预后的另一个策略是优化患者-呼吸机交互

与压力支持通气相反，比例通气模式通过提供与患者吸气努力成比例的辅助水平来辅助患者通气。有两种比例模式：神经调节辅助通气（NAVA）和比例辅助通气（PAV）。NAVA是一种模式，根据呼吸肌电信号循环和调节吸气气流。在呼吸机辅助期间，PEEPi没有影响，因为它从患者自己的呼吸努力开始;此外，由于更好的患者-呼吸机相互作用，NIV期间应该没有泄漏的影响。几项研究表明，与压力支持通气相比，NAVA改善了患者-呼吸机相互作用、隔膜效率和患者舒适度。然而，尽管NAVA可能对困难的脱机有益，但没有证明NAVA相对于PAV的明显临床优势。使用PAV时，吸气辅助与吸气肌的活动成比例，其使用呼吸系统运动方程根据测量的流量和体积计算。PAV可防止潮气量过高和随后的动态过度充气，与压力支持通气相比，PAV的使用与较短的脱机时间相关。

接受NIV或有创通气治疗的患者的一个显着特征是ICU或医院再入院率高。至少50%在ICU住院中幸存的患者将在一年内再入院，在某些研究中这一比例可达到80%。两个因素可能解释了这一高比率。首先，患者可能继续需要在家通气，但是这种做法还没有得到广泛的发展。最近对ICU入院后幸存的患者进行的家庭NIV试验表明了重要的潜在益处。其次，这些患者中的许多人患有未经治疗或未诊断的合并症，特别是睡眠相关的呼吸障碍和心功能障碍.需要采取新的办法来降低这种高再入院率。

超声可用于评估呼吸肌功能并帮助管理机械通气患者，因为它可以粗略估计膈肌功能。在急诊室中出现COPD急性加重的患者中，膈肌功能障碍与NIV失败相关，但这些结果尚未得到前瞻性验证。横膈膜功能障碍也与更高的脱机失败风险相关，超声还可用于检查肺外吸气肌功能，例如，肋间胸骨旁肌（图6）。

图6胸骨旁肋间肌的示意图（A）和超声图像，B模式（B）和时间运动模式允许测量吸气和呼气厚度（C）

胸骨旁肋间活动增加与膈肌功能障碍和脱机失败有关。超声也可用于COPD患者的肺部成像，可能有助于鉴别这些患者急性呼吸困难的原因，它还有助于识别气胸、胸腔积液、实变或心源性水肿。呼吸肌的超声成像是否能改善患者预后则仍有待确定。此外，需要培训和技能以确保安全和值得实施。

总结

机械通气是COPD和哮喘患者出现危及生命的呼吸衰竭的治疗基础，尽管NIV可以防止大多数COPD急性加重患者随后需要的有创通气，但未来的努力应集中在提高NIV的疗效和评价经鼻高流量氧疗技术上。

有创机械通气主要用于NIV失败后需插管的患者，其主要目的是限制过度充气;这是通过减少每分钟通气量，使用低潮气量和延长呼气时间来实现的。血气正常化是次要的治疗目标。低水平的外源性PEEP可用于帮助患者触发，哮喘的机械通气患者遵循相同的规则。脱机应尽快进行，每天进行筛选试验，然后进行自主呼吸试验。在选定的患者中，预防性拔管后使用NIV可预防拔管后患者急性呼吸衰竭和随后的再插管。经鼻高流量氧疗似乎与NIV一样可以有效地防止再次插管，且NIV和经鼻高流量氧疗的组合使用可能更有效。最后，气管切开术应该是多学科讨论的主题。