Aravanan Anbu Chakkarapani a, b, Roshan Adappa a, Sanoj Karayil Mohammad Ali a, Samir Gupta a, c, Naharmal B. Soni a, Louis Chicoine a, Helmut D. Hummlera Division of Neonatology, Department of Paediatrics, Sidra Medicine, Doha, Qatar b Weill Cornell Medicine-Qatar, Doha, Qatar
c Durham University, United Kingdom
d University of Ulm, Germany
本文翻译自：Current concepts of mechanical ventilation in neonates” - Part 1:Basics; International Journal of Pediatrics and Adolescent Medicine 7(2020) 13-18
摘要：
机械通气可挽救新生儿呼吸衰竭患者的生命。机械通气的主要目的是确保充分的气体交换，包括提供充足的氧合和足够的通气量以排出二氧化碳。可以测量和输送较小的气流量和潮气量的技术，允许我们可以为最不成熟的新生儿开发非常复杂的辅助机械通气模式，如许多临床医生越来越多使用的容量目标通气。使用机械通气需要对呼吸生理学和导致呼吸衰竭疾病的病理生理学有基本的了解。了解肺力学、弹性力和阻力（顺应性和阻力）及其对吸气和呼气时间常数的影响以及气体交换机制，对于选择最佳通气模式和适当的呼吸机设置以减少肺损伤十分必要。考虑到疾病的病理生理学，可以采用以生理学为基础的方法，并在日常实践中应用这些概念来决定机械通气的模式和设置，最终目的是提供充分的气体交换并最大限度地减少肺损伤。
1. 介绍
对于患有呼吸衰竭的新生儿来说，机械通气是挽救生命的重要手段。然而，机械通气引起的呼吸机诱发肺损伤（VILI）会显著影响新生儿的发病率和死亡率。机械通气导致肺损伤的病理生理学是多因素的。机械通气的目的是为婴儿提供氧气，排出二氧化碳，同时尽量减少对肺部的损伤。一直以来正压通气是新生儿最常用的通气方法[1]。
在过去的十年中，通过使用先进技术测量小容量的呼吸气体，容量目标通气已成为新生儿的首选通气模式。此外，呼吸机技术的进步也促进了多种通气模式的发展，这些模式试图使机械通气对自主呼吸的新生儿来说更温和、更符合生理，以减少肺损伤。在本文，两篇综述文章的第一部分中，我们将讨论新生儿通气生理学的基本机制，包括新生儿有创机械通气中气体输送的基本机制、生理死腔、氧合作用、通气和灌注、粘性和气道阻力、表面张力、呼吸功、时间常数以及呼吸系统的顺应性（静态和动态）。
数百万个肺泡构成了远端呼吸系统。肺泡表面提供较大的表面积，促进气体交换。
自主的吸气是一个主动过程。在自主吸气过程中，主要由横膈膜和肋间肌产生的力量使肺扩张。这种力量导致胸膜腔内压降低，随之气体从环境大气流入肺部。与年龄较大的儿童或成人椭圆形的胸廓相比，新生儿的胸廓更像是圆筒状，且与较大孩子和成人较为倾斜的肋骨相比，新生儿的肋骨的位置更加水平。因此，新生儿在吸气时抬高肋骨以增加胸腔内容积的可能性较小。新生儿的膈肌更水平，肋间肌在吸气时只能提供很少的支持。由于这些原因，新生儿呼吸困难会增加呼吸肌疲劳的风险，进而导致呼吸衰竭。临床相关信息：早产儿自主呼吸的吸气时间约为 0.30-0.35 秒，足月儿约为 0.35-0.40 秒。研究表明，极早产儿的呼吸速度更快，吸气时间可能短至 0.2-0.27 秒 [2]。但是，如果肺部僵硬，这么短的吸气时间可能不足以实现充分的氧合和通气。通常情况下，新生儿需要 0.3-0.4 秒的吸气时间。增加吸气时间是增加氧合的可选操作方式之一。呼吸机的吸气过程是驱动气流进入肺部，从而产生压力来打开肺部并将气体（空气或氧气）充入肺部。
呼气通常是一个被动过程。弹性回缩力是呼气时的主要驱动力。它由三个方面的力组成：a）气液界面产生的表面张力；b）肺组织弹性部分；c）肋骨的结构/发育[3]。在患有 RDS 的早产儿中，构成弹性回缩力的最主要部分是肺泡和末端气道中表面活性物质缺乏导致的表面张力。呼气末期持续的肺萎陷会导致产生肺不张。可对婴儿的气道施加呼气末正压，以抵消塌陷趋势和预防肺不张，并建立功能残气量（FRC）。临床相关信息：通过在呼气末使用有效的 PEEP 或 CPAP 来建立 FRC 和防止肺泡塌陷至关重要。呼气是一个被动的过程，但从肺部排出气体的气流如果受阻可能会导致气体潴留/气体陷闭。分泌物增多、炎症和气管/支气管畸形（如慢性肺病）都会导致这种情况的出现。
顺应性（C）是指肺扩张的难易程度。它可以描述为给定压力（P）变化所导致的容积（V）变化的程度，并使用公式（C = V/P）表述。临床相关信息：表面活性物质缺乏的肺，如呼吸窘迫综合症（RDS）的肺是僵硬的，不容易被撑开，因此顺应性低。包含有过度充气区域的肺，如支气管肺发育不良（BPD）患者的肺则容易膨胀，因此顺应性高。
在静态条件下测量的顺应性仅反映肺的弹性特性。测量静态顺应性的方法是在用已知体积的气体向肺部充气后测定跨肺压的变化[4]。静态的压力-容积曲线说明了不同肺膨胀程度时各种力之间的关系（图 1）。新生儿的胸壁顺应性很好；因此，如果肺部顺应性正常，只需很小的压力变化就能实现很大的容积变化。肺顺应性和胸壁顺应性加在一起就是呼吸系统的总顺应性。
测量持续呼吸时的顺应性称为动态顺应性。一般在临床环境中测量的都是动态顺应性，但解释动态顺应性较为困难。它的确反映了肺的弹性特性，但也受到阻力的影响。它取决于气流的大小，因此也就自然而然的依赖于新生儿的呼吸频率高低。因此，在呼吸频率较高的新生儿中，动态顺应性可能会比实际的静态顺应性要小。动态压力-容量环说明了健康肺在吸气和呼气时的压力-容量关系（图 2），在患有呼吸窘迫综合征（顺应性降低）的肺中，动态压力-容量环会更加平坦[5]。肺顺应性除以功能残余量（FRC）称为特定肺顺应性。动态压力-容量环说明了不同肺容量下的压力-容量关系（图 3）。整体顺应性曲线呈S形。在曲线的下端（低肺容量时），顺应性较低。也就是说，在一定的压力变化下，肺容量的变化很小（图 3A）。与此相对应的就是通气不足（肺不张）。在曲线的中间位置，肺容量较大，曲线较陡，因此顺应性较高；即在一定的压力变化下，肺容量的变化较大较明显（图 3B）。理想情况下，正常潮气量呼吸应发生在肺扩张曲线的这个中心位置。在曲线的上端（肺容量更大时），顺应性较低；此时同样的，在一定的压力变化下，肺容量的变化较小（图 3C）。与此相对应的就是整个肺或至少部分肺已经过度通气。我们必须明白，无论肺容量过大还太小，顺应性都会降低。不幸的是，肺部力学在疾病肺中并不是处处都是一致的，因此上述对应关系在某种程度上被简化了。临床相关信息：低肺容量常见于肺表面活性物质缺乏状态下（呼吸窘迫综合症（RDS）），而高肺容量常见于阻塞性肺疾病中，比如支气管肺发育不良症（BPD）
呼吸系统中有两种不同类型的阻力[6]。肺组织中在膨胀和萎陷时产生的阻力成为粘滞阻力。新生儿的粘滞阻力是升高的，主要原因是新生儿不成熟的肺包含相对较少数量的气管末端气腔，较高的组织密度和更多的肺间质液体，特别是在刚出生时，即早期生后过渡期间时。气道阻力是气流中运动的气体分子和呼吸系统内腔壁之间的阻力。气道阻力在新生儿中同样相对较高，这是因为新生儿肺的气道直径较小。气道阻力的大小取决于气流速度，气道的长度，粘性和气体密度，以及气道的内腔直径大小。对气流的阻力还取决于流过的气流是层流还是乱流，雷诺数（Reynolds number Re=2 r v d/n）是用于描述这一特性的指数。其中r是半径，v是流速，d为气体密度而n则是粘性。如果雷诺数高于2000，则气流很有可能是乱流（如果气道半径很大，气体流速很快，密度很大或粘性很低的情况下即如此）。如果是层流气流，对通过管道的气流的阻力即可使用泊肃叶定律（Poiseuille’s law）来描述（阻力（R）与管路长度（L）和气体粘性（n）呈正比关系，而与半径（r）的四次方呈反比关系[4]）。这样一来，在有创机械通气时就会在气体通过呼吸管路和气管导管时产生额外的阻力。阻力与管路的长度呈现线形比例关系。气管导管越短，阻力越低。阻力与气管导管的半径呈反比关系。因此，降低一半的气管导管半径就会导致阻力上升16倍，这说明气道直径是影响阻力大小的至关重要的因素。阻力通常在吸气时较低，因为此时导致肺膨胀的力量（自主呼吸时的胸腔负压或机械通气时的气道正压）增加了吸气时气管支气管系统的内腔直径。简单来说，阻力就是粘滞阻力加上气道阻力，物理定义就是迫使1升气体在1秒内通过气管所需的压力。这个压力定义为（R=（P1-P2）/V）在恒定流速（V或单位时间内的容量）条件下迫使气体通过气道所需要压力差（P1-P2）。临床相关信息：所以说，高粘滞阻力的肺需要更高的吸气跨肺压；高气道阻力的肺需要更长的吸气和呼气时间。
弹性回缩力表示的是被拉伸的物体（例如，胸廓，横膈膜和肺）倾向于返回其原始状态的力量。新生儿肺弹性回缩力的主要贡献者是表面张力。拉普朗斯定律（Laplace law P=2ST/r）说明了对抗肺支气管和终末气腔萎陷倾向，以达到呼吸系统容量稳定所需要施加的压力。稳定呼吸系统容量所需要的这种压力，与两倍的肺表面张力（2ST）呈正比关系而与内腔曲率半径（r）呈反比关系。远端支气管和终末气道中气-液界面的表面张力降低了气-液界面的表面积。肺表面活性物质是一种II型肺细胞所释放的表面活性物质，能够降低表面张力，由此就会在呼气末时防止肺容量低于静息容量时肺持续萎陷，而在吸气末肺膨胀时则反过来允许表面张力升高，从而提高肺的弹性回缩力，助力肺的弹性回缩过程，即呼气过程。临床相关信息：RDS早产婴儿，需要几天的时间来产生内源性肺表面活性物质，因此在出生后如果出现显著损害肺力学特性和气体交换的显著RDS症状时就可能需要给予外源性肺表面活性物质。
呼吸功与克服摩擦阻力和静态弹性力所需要的力成正比，摩擦阻力和静态弹性力阻止肺膨胀和气体流入和流出肺。呼吸功是压力（力）和容量（位移）的乘积。图4中的压力-容量曲线下的面积即代表呼吸功。由此可知，呼吸功取决于肺和胸壁的弹性特征，气道阻力，潮气量和呼吸频率。图4中ABCA 和ACDA的面积分别代表用于克服摩擦阻力的吸气做功和呼气做功。ABCEA的面积则代表了一次呼吸过程的总呼吸功。
临床相关信息：这样在实际情况下，顺应性和阻力都较低的僵硬的RDS肺在呼气时会快速的排空肺，有较短的时间常数，并因此可以使用较高的呼吸机通气频率或使用高频通气。然而BPD的肺，顺应性较高且阻力较高，则需要更长的时间充盈和排空，时间常数较长，机械通气时较低的呼吸机通气频率更为有用。
病人呼吸系统的时间常数用于表示肺充盈和排空的速度，也就是说肺泡内压和近端气道压力达到平衡所需要的时间。时间常数受到弹性变化和阻力变化两者的影响。呼吸系统的呼气时间常数（Kt）与肺顺应性（CL），即弹性回缩力的倒数，和气道阻力（Raw）两者直接相关。呼吸系统的一个时间常数定义为肺泡通过气道将63%的潮气量排出到口腔或呼吸机所需要的时间。在三个时间常数结束后，肺能够排出95%的潮气量。吸气时间常数比呼气时间常数要短，大部分是因为在吸气时的气道直径增大了。了解时间常数的知识有助于针对病人个体在特定疾病病程中需要使用辅助通气时，选择最安全和最有效的呼吸机设置。呼吸机显示的气体流速曲线可以用于判断当前选择的吸气和呼气时间是否足以让肺内外压力达到平衡。临床相关信息：这样在实际情况下，顺应性和阻力都较低的僵硬的RDS肺在呼气时会快速的排空肺，有较短的时间常数，并因此可以使用较高的呼吸机通气频率或使用高频通气。然而BPD的肺，顺应性较高且阻力较高，则需要更长的时间充盈和排空，时间常数较长，机械通气时较低的呼吸机通气频率更为有用。
气体输送的主要原理是压力梯度和浓度梯度。在气道中，吸气时气体传输的原理是沿着气体输送的起源地（外部正压大气压力）和目的地（负压胸膜腔内压）之前的压力差异方向，由压力差异驱动的对流和整体气流。对于肺泡和肺毛细血管而言，气体交换（获取氧气和去除二氧化碳）的原理是相邻空间之间气体浓度差异所驱动的布朗运动分子弥散。菲克定律（Fick’s equation）确定了气体通过半透膜扩散的运动（dQ/dt=k ´ A ´ dC/dl）。其中dQ/dt是扩散速率ml/min，k气体的扩散常数，A是可用于扩散的空间，dC则是膜两侧的分子浓度差异，dl是扩散通道/路径的长度。必须要注意的是，自主呼吸或负压通气产生的胸腔内负压有助于心脏的静脉回流。正压通气则对正常生理学产生扰动，不可避免的在某种程度上阻碍了静脉回流，对心输出量产生负面影响。然而正压通气导致左心室后负荷降低，这可能在左心衰竭时有所帮助。
单次自主呼吸所产生的，或者由单次机械通气通过气管导管所输送到病人的气体量称为潮气量（VT）。新生儿的平均潮气量认为是4-6ml/kg。分钟通气量（VE）是以毫升计算的潮气量（VT）乘以一分钟内的通气次数或呼吸频率（f）所得的乘积。健康新生儿大约是0.2-0.3 L/min/kg。临床相关信息：如果使用容量目标通气模式，所瞄准的目标潮气量应当为4-6mL/kg，分钟通气量的报警界上下限分别设置在分钟通气量设置值0.2-0.3 L/min/kg之上和之下10%-20%[7-10]。
部分的潮气量VT进入肺后没有到达呼吸性气管和肺泡的位置，而是停留在传导气道中，填充了称为解剖死腔的空间。死腔容量取决于胎龄和体重，大约为1.5 ml/kg。考虑到呼吸机设备所增加的设备死腔（管路接头，流量传感器，Y形接口）通常是固定不变的，所以总和的，以公斤体重计算的死腔量（解剖死腔+设备死腔），极低出生体重婴儿通常要比较为成熟的婴儿要大[11]。
一部分的潮气量可能会进入没有灌注或低灌注的肺泡。因为这种情况下这些肺泡不会发生气体交换，那么进入这些肺泡所构成的空间也被称为肺泡死腔。
解剖死腔和肺泡死腔合在一起总称为总死腔或生理死腔（VDS）。生理死腔量比潮气量（VDS/VT）定义了无效通气，即潮气量中未实际参与气体交换的比率。总的来说，浅快呼吸之所以是没有效率的，正是因为浅快呼吸的VDS比VT的比值高。临床相关信息：23孕周500g早产儿的公斤体重死腔量可能是较大的，因此在进行容量保证通气时，应当使用5ml/kg潮气量作为通气的起始参数，相对而言，足月儿则可以使用4ml/kg作为目标潮气量，因为公斤体重死腔量较小
在新生儿常频有创机械通气中，增加肺氧摄取的因素主要有：A）通过增加吸入氧浓度分数（FiO2）提高PAO2，B）优化肺容量（优化通气（V）灌注（Q）比，和通过增加平均气道压来增加气体交换表面积），C）最大化肺血流（避免血流通过肺外从右到左分流）临床相关信息：图5中显示了文献中说明的，在常频机械通气中提高平均气道压的五种不同的方法。任何增加曲线（a）下面积的方法都会改善肺泡性肺疾病，如RDS，新生儿的氧合。这些方法包括：1）增加吸气流速，产生更为方正的吸气波形；2）增加吸气峰值压力；3）增加吸气时间；4）增加PEEP和5）通过降低呼气时间，不改变吸气时间的方式增加呼吸频率。干预措施2和/或5都可能意外导致过度通气，这也是机械通气的不利情况。逆转吸呼比或在不改变呼吸频率的情况下延长吸气时间（措施3）是具有风险性的措施，现今已经很少使用了。增加呼气末正压PEEP可能是最安全，最有效且最广泛使用的方法，可以达到更高的平均气道压，打开肺容量并由此改善肺泡性肺疾病的氧合结果。
通气是从肺内移除二氧化碳的过程。二氧化碳潴留会导致呼吸性酸中毒和pH值恶化。然而，过于积极的清除二氧化碳到非常低的水平也是同样有害的，可能会降低早产儿脑血流导致脑出血，尤其是急性发生时。临床相关信息：有创新生儿机械通气过程中的二氧化碳去除可以通过增加潮气量（Vt）或增加呼吸机通气频率（通常要么是直接控制调节，或时通过调节吸气和/或呼气时间间接调节）的方法实现。呼吸机使用不同的方法控制潮气量，容量控制型的呼吸机直接控制进入呼吸管路的气体容量以达到控制潮气量的目的，这种类型呼吸机的潮气量主要会受到气管导管周围漏气的影响。压力控制型呼吸机则是通过控制吸气峰压和呼气末正压之间的压力差（delta P）来控制潮气量，这种类型的呼吸机调整潮气量的方法是首先检测呼气潮气量，然后根据测量结果调整压力差（delta P）。
优化的肺容量同时也降低了肺血管阻力，增加肺血流。在肺内有两种类型的肺血管：A）肺泡血管，主要是毛细血管，这些毛细血管的直径大小主要受到肺泡内压和毛细血管内流体静压的影响，和B）肺泡外血管，主要是肺间质组织中的动脉和静脉，他们的直径主要受到肺容量的影响。肺不张和过度膨胀都会通过改变肺容量的方式影响肺的顺应性，肺顺应性的改变随后就会增加肺血管阻力。在缺氧的病例中，增加肺泡内氧分压（PAO2）和动脉氧分压（PaO2）会增加肺灌注。低氧血增会增加肺血管阻力。在自主呼吸时，通气（V）和灌注（P）比在下肺页（从属性的）中要比上肺页（非从属性的）高。理想情况下，这个比值应当为1。如果一个肺区域通气不足但是灌注正常，或通气正常却过度灌注都会导致这个比值低于1。相反如果一个肺区域过度通气却灌注正常，或通气正常但是低灌注时，这个比值就会高于1。临床相关信息：X光胸片可以用于检查过度通气的肺或肺区域。给予肺表面活性物质后，改善中的RDS肺出现无法解释的PCO2升高，可能是因为过度膨胀，随后就会导致通气降低和CO2去除降低，以及静脉回心血量降低导致的血压降低。
总结来说，对基础生理学良好的理解，特别是对新生儿肺生理学概念的理解是做到成功呼吸支持的基础。 对这些概念的理解让生理学为基础的解决方案和概念应用在日常操作中帮助选择正确的呼吸模式和参数设置，终极目标无外乎是提供适当的气体交换和最小化肺损伤。我们使用的治疗策略最终会影响短期和长程的肺发育结局。
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