急性呼吸窘迫综合征通气-灌注不匹配的病理生理学和临床意义  

简介

       急性呼吸窘迫综合征（ARDS）仍然是一个重要的临床挑战，死亡率为35-45%。越来越多的事实表明，要改善疗效，需要在详细了解每个病人的病理生理学的指导下，采取有针对性的、个性化的治疗方法。在ARDS患者中，肺泡通气（V）和肺部灌注（Q）的生理匹配紊乱（V/Q不匹配）是一个典型的失调现象。塌陷或实变的肺单位的灌注会引起肺内分流和动脉低氧血症，而无灌注的肺区的通气会增加生理死腔，这可能需要增加通气量以避免高碳酸血症。除了对气体交换的影响，V/Q不匹配是ARDS患者不良后果的预测因素；最近，它在通气诱导的肺损伤和肺水肿恶化中的作用已被描述。床旁成像技术的创新，如电阻抗断层扫描，使临床医生可以随时确定V和Q的区域分布，以及它们的匹配是否充分，为ARDS患者的表型、预后和临床管理提供新的见解。本综述的目的是讨论ARDS中V/Q不匹配的病理生理学、识别、后果和治疗，采用临床和前临床研究的实验数据作为支持。

介绍

       急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是一种以炎症性肺水肿和危及生命的低氧血症为特征的异质性疾病，在需要机械通气的患者中占近25%。目前柏林对ARDS的定义是基于胸腔影像学上出现双侧肺部浸润，以及在暴露于已知的临床损伤后7天内，通气时PaO2/FiO2≤300 mmHg，呼气终末正压（PEEP）≥5 cmH2O的情况。充血性心力衰竭不应该是唯一的病因。除了实施降低潮气量和肺充气压力的 “肺保护性 “通气策略外，很少有干预措施被证明可以改善这种情况下的患者预后，其死亡率为35-45%。最近，ARDS患者的通气方式可能会导致额外的炎症和损伤受伤的肺部，这个过程被称为呼吸机诱导的肺损伤，这导致了大量的研究，探索决定的机制和评估通气是否对特定患者是最佳的。

ARDS中通气-灌注不匹配的成因

          一些病理生理学的失调引起了ARDS患者的气体交换异常。

       肺内分流导致的动脉性低氧血症是一个标志性的临床问题。1979年，Dantzker等人用多种惰性气体消除法研究了16名严重的ARDS患者，并证明近50%的心输出量分布在纯分流或极低V/Q的肺区，从而完全解释了观察到的低氧血症。这些不通气的肺区的成因是多因素的。不通气的肺组织可能由于肺泡不稳定和塌陷而产生。由于水肿肺的叠加重量，表面活性物质的产生减少，压力异常，导致肺泡不稳定和无气，这与更严重的肺部损伤和死亡率有关。这些失调部分是由于主要病因引起的炎症环境造成的，但即使在没有肺损伤的情况下，单靠机械通气也能降低从病人身上获得的支气管肺泡灌洗液中的表面活性剂水平。这种不稳定的肺单位可能会随着气道压力的增加而被 “重新打开”（复张）。在较高的气道压力水平下仍然没有充气的肺单位传统上被认为是实变的，因为它们是由于炎症性肺泡充斥着富含蛋白质的液体而发生的。

       另一方面，高吸氧量的通气可以通过冲刷肺泡内的氮气和促进漏气而使ARDS患者的分流恶化。这是因为氮气不能穿过肺泡-上皮屏障，从而起到维持呼气末肺容积的作用。无论机制如何，通气不良或不通气的肺区的灌注是动脉低氧血症的主要原因，其程度与目前ARDS严重程度的定义和临床结果有关。

       血管活性补偿机制的损害也有助于分流的程度。在正常功能的肺部，肺泡和/或混合静脉氧含量的减少会引发局部血管收缩（缺氧性肺血管收缩或HPV），使血流转向通气的肺区，从而减少功能性分流。大量的实验数据表明，由于内毒素血症和炎症介质（如血栓素和TNF-α）的作用等因素，在肺部损伤的情况下，HPV受到损害。

       通过肺内动脉-静脉吻合口的血流增加有助于分流生理学。这种分流与较高的心脏指数和增加的医院死亡率有关，与PEEP水平无关。通过卵圆孔的心内分流是ARDS患者分流的另一个原因，发生在高达20%的患者身上。心内分流与较低的PaO2/FiO2、较高的肺动脉压力和增加的死亡率有关。同样重要的是要记住，当存在明显的肺内分流时，由于心输出量的减少，混合静脉含氧量的降低会使低氧血症恶化。

       ARDS患者的另一个特征是V/Q失配，即生理死腔通气的比例增加。肺部损伤更严重的患者表现出更高的死腔分数。促成的原因包括炎症性血管内血栓形成，毛细血管微血栓在ARDS早期阶段更常见，而较大的血栓则在整个病程中出现。当出现这些病变时，与肺小动脉的低灌注有关。无灌注或灌注不足的肺区的通气会导致二氧化碳的排除受到影响，需要更大的分钟通气量来补偿高碳酸血症。过度通气会导致非依赖性肺单位的区域过度紧张。肺泡毛细血管的压缩使区域灌注减少，从而产生高的V/Q区，直接导致全身死腔分数的增加，也可能将血流重新分配到非通气的肺区，从而增加分流（图1）。

图1. V/Q不匹配的机制和它们的相互作用。

      ARDS患者的死腔增加和通气效率低下的标志物（如通气比（参见第3.2节））也与ARDS患者的死亡率增加有关。

       在COVID-19所致ARDS患者中，V/Q匹配的特异性病理生理学紊乱已有报道，包括高凝状态引起的死腔增加，以及弥漫性肺血管病伴肺通气区灌注受损。

       上述 V/Q 不匹配特征的异质性意味着一些肺单元将不通气和不灌注。值得注意的是，虽然这些病变肺单位中V和Q的匹配意味着功能分流和死腔没有增加，但这些单位远非生理，实际上通过各种机制与肺损伤有关，下文将对此进行讨论。

如何在床边评估V/Q不匹配的情况

       目前很少有有效的指数可以为临床医生提供分流分数的床边估计。因此，尽管分流分数对目前使用的死腔指数有影响，但分流定量往往被忽视。Berggren方程的经典使用方法如下：

        其中CcO2、CaO2和CvO2分别是毛细血管、动脉和混合静脉的含氧量，所得的QS/QT表示静脉混合。这种计算方法相当于经典的Riley模型中的分流部分；然而，它包括来自严格分流的肺单元的流量和来自通气不良（低V/Q）单元的 “浪费的流量 “部分。CcO2 通常由肺泡气体方程估算，而CaO2 和CvO2 (或至少是中心静脉含量CcvO2 ）则是测量的。

       如前所述，使用Berggren方程计算QS/QT代表静脉混合，或 “生理分流”，它与 “真实/解剖分流 “不同，它包括低V/Q单位的贡献。Berggren本人提出，100%的FiO2试验可以用来消除氮气冲洗后的V/Q不平等，从而可以估计真实分流的性质。必须注意的是，分流部分往往随着FiO2的增加而增加，这可能是由于氧诱导的无氧状态和/或肺血流的重新分布，这种方法已经受到批评。然而，它在预测解剖性分流方面的作用最近已通过影像学研究得到证实。鉴于ARDS患者不经常进行肺动脉导管检查，经典的计算静脉混合液的适用性是有限的。然而，已经提出了不需要混合静脉取样的方法。

       如上所述，生理性分流的定义过于简单，因为它将真正的分流、V/Q不平等和氧扩散障碍的影响混在一起。氧气吸入量和动脉血氧饱和度之间的关系可能更有参考价值，可以通过更精细的总括参数模型来充分解释，这些模型将真正的分流与V/Q不匹配和/或扩散障碍分开。这些模型是通过将动脉血气分析与无创监测和连续给予不同比例的吸入氧时的呼出气体分析相结合而得出的，这构成了一个持续10到15分钟的过程，可以在床边进行。这个系统被称为自动肺参数估计器（ALPE），它提供了一个宝贵的工具，可以在不需要肺动脉导管检查的情况下估计分流。

       最后，超声心动图可以在床边用于诊断通过卵圆孔（PFO）的心内分流，这是导致ARDS患者低氧血症的一个潜在因素。

       容积式二氧化碳检测法提供了一种无创的方法来估计生理死腔。假设每次呼吸呼出的二氧化碳体积（VECO2）等于由理想灌注和通气的肺泡部分清除的二氧化碳体积（VACO2），而潮气量是到达这些肺泡的空气加上浪费在生理死腔的空气的总和，（VT = VT-ALV + VD-PHYSIO），可以得出一个方程式来计算生理死腔的分数：

      其中CcO2、CaO2和CvO2分别是毛细血管、动脉和混合静脉的含氧量，所得的QS/QT表示静脉混合。这种计算方法相当于经典的Riley模型中的分流部分；然而，它包括来自严格分流的肺单位的流量和来自通气不良（低V˙/Q）单位的 “浪费的流量 “部分。CcO2通常由肺泡气体方程估计，而CaO2和CvO2（或至少是中心静脉含量CcvO2）则要测量。

       体积毛细管图的其他特征，包括第III阶段的斜率（SIII），提供了对肺泡单位之间V/Q异质性的估计。这与应用于猪的多种惰性气体消除技术（MIGET）进行了验证，而在人类中，它与肺损伤评分评估的严重程度显示出明显的相关性，尽管这种相关性很弱。对不同形态的毛细血管图的斜率估计可以进行逐个呼吸的监测，但并不直接，这限制了这种技术的准确性。

       不幸的是，迄今为止，体积二氧化碳图在重症监护病房 (ICU) 中的使用受到限制。为了对 ARDS 试验进行二次分析，对死腔的非二氧化碳图估计进行了验证。这些依赖于静息能量消耗 (REE) 和 VCO2 的经验估计。与测量的 Bohr-Enghoff 死腔相比，其中偏差最小的可能是基于 Harris-Benedict 方程的技术，但两者之间的一致性仍然很差。

       反映 V/Q 不平等的一个简单的床边指数是通气比 (VR)。它做出了许多与 Bohr-Enghoff 方程相同的假设，并且与通气效率呈负相关；此外，它不需要二氧化碳图或 REE 估计，而仅依赖健康受试者的动脉血液采样和预测的每分钟通气量和 PaCO2。它与死腔通气的良好相关性已通过计算和临床研究得到证实；然而，关于生理死腔，分流的相对贡献没有被考虑在内。

       Gattinoni 及其同事提议使用呼气末和动脉 CO2 张力之间的比率 (PETCO2/PaCO2) 作为衡量肺作为“气体交换器”性能的指标，并且已被回顾性验证为 ARDS 严重程度的标志。由于它仅使用呼气末二氧化碳图和动脉血液采样，因此它是检测总 V/Q 不平等的有用工具。然而，它与之前的指数有同样的局限性，未能明确区分死腔和分流的相对贡献。

       最近的进步可能提供在床边评估 V/Q 不匹配的方法，并有可能分离分流和死腔的相对贡献。由于其无创性的能力，人们对胸部电阻抗断层扫描 (EIT) 实时测量通气的区域分布的兴趣正在增加。EIT 的功能是通过一组电极依次产生低压、高频交流电（例如 5 mA、50 kHz），通常通过 16 电极胸腰带。通常，两个电极提供电流，而其他非刺激电极记录电压。然后解决一个逆问题，从而重建由于潮汐通气引起的胸腔内背景电导率的变化。

       最近，EIT 监测允许通过对呼吸暂停条件下 5% 盐水推注的中心静脉推注的首过动力学建模来确定局部肺灌注。这涉及分离生理盐水团流过的心室和肺室，然后使用最大斜率法来估计肺区域的局部血流量。更多细节可以在 Borges 等人和 Kircher 等人的出版物中找到。该方法已针对计算机断层扫描 (CT) 扫描、单质子发射计算机断层扫描 (SPECT) 和正电子发射断层扫描成像进行了验证。通过叠加通气和灌注图，可以测量未匹配单元的数量。虽然 EIT 仅对一部分胸腔进行采样，但它提供了代表整个肺的区域通气和灌注数据，区分了高和低 V/Q 单元 ，并提供可用于以类似 MIGET 的方式导出连续 V/Q 分布的数据。

        最后，基于模型的方法正在出现。在改变 FiO2 时自动收集数据可以估计分流和死腔，同时可以对脉搏血氧仪与呼出气体的分子流传感 (MFS) 相结合进行建模，以获得准确的连续 V/Q 分布。

      未来，ICU 患者床边有望获得大量信息。这将需要充分考虑给定工具精确区分分流与死腔并解释其临床意义的潜力。

V/Q 不匹配作为 ARDS 患者严重程度的标志

       尽管分流分数导致动脉低氧血症这一重要的临床问题，但其本身作为 ARDS 严重程度和不良后果的潜在标志物的作用尚不明确。Berggren 方程的修改与危重患者发生 ARDS 的风险和右心室负荷增加有关。重要的是，分流分数会影响死腔指数，新技术可能会增加床边分流估计的可行性。

       生理死腔的 Bohr-Enghoff 计算可以说是 ARDS 患者死亡率的最强指标之一。在 ARDS 病程早期通过容积二氧化碳图测定的死腔分数可独立于氧合、简化急性生理学评分 II (SAPS-II) 和升压药来预测死亡率。在 Nuckton 及其同事的研究中，死腔分数每增加 0.05（即 5%）（在 ARDS 诊断后的中位数 11 小时测量）与死亡率增加 45% 独立相关。此外，通过容积二氧化碳图对生理性 VD/VT 进行的系列测量已显示可识别满足 ARDS 标准后长达 6 天死亡风险增加的患者。使用 VD/VT 的阈值作为预后工具可能因不同的 ARDS 病因而异，吸入和感染性肺炎的 VD/VT 明显高于非肺脓毒症或外伤。无论病因如何，非幸存者与幸存者相比，VD/VT 显著增加。最近，还在重症 COVID-19 ARDS 患者中研究了生理死腔的预后价值，显示出与凝血的有趣关联。增加的 VD/VT 与较高的 D-二聚体水平和较低的生存出院的可能性有关。VD/VT 高于 57% 用于帮助识别独立于 PaO2/FiO2 比率的高风险患者亚组。

      根据两项前瞻性研究的二级分析，基于静息能量消耗的死腔估计被认为是能够预测死亡率的床边指标，但其他分析未能证明在加入氧合和呼吸力学的测量时能改善结果预测。然而，在应用超保护性通气时，估计的死腔分数和测量的死腔分数在预测体外清除二氧化碳降低驱动压（DP）的程度上有相似的能力，但只有测量的死腔与死亡率有关。值得注意的是，与其他经验性的死腔公式相比，Beitler及其同事提出的基于生理变量的最小角度回归的直接估计（直接估计）似乎相对偏差较小，并可能保留一些预后潜力。

       通气比是一个指标，它将患者测量的每分钟通气量和 PaCO2 与达到 37.5 mmHg PaCO2 所需的预测每分钟通气量相关联。

        这是一种易于使用的床边计算方法，它作为一种结果预测指标，与测量的生理死腔分数惊人地相似。数值越高，表明通气效率越低，死腔分数越高。它已被证明能够预测死亡率，不受氧合、休克状态、血管收缩剂使用和急性生理和慢性健康评估III（APACHEIII）评分的影响，其优势比与Nuckton及其同事的优势比相当，从而胜过经验估计，但直接估计除外。在ARDS的早期阶段，通气比的轨迹也与生存有关，在追踪病人的临床过程时可能证明是有价值的。

       有趣的是，在最近对大型（n = 927）PRoVENT-COVID研究队列的二次分析中，发现在调整后的基本风险模型中，之前讨论的死腔估计公式和通气比都不是独立的死亡预测因素。只有直接估计–在开始通气的早期测量，但不是在第二天–才有额外的预后价值。作者还认为，在COVID-19患者中，死腔可能被视为ARDS严重程度的标志，而不是独立的预后因素。尽管PETCO2/PaCO2比值明显简单，但它是本队列中唯一一个在通气开始时和第一天都与预后独立相关的指标，并且最近在一个大型回顾性队列中被验证为死亡率的预测因素。

       通过叠加 EIT 衍生的通气和灌注图获得的非灌注通气和灌注非通气肺单位（不匹配单位）的百分比总和最近已被证明能够独立预测 ARDS 患者的死亡率。27% 的不匹配单位值预测死亡率，阳性预测值为 67%，阴性预测值为 91%。仅灌注单位的百分比（即分流的估计值）与 PaO2/FiO2 比值和背侧通气分数显著负相关。这些发现代表了在床边评估 ARDS 严重程度的另一种方法，并为更高级的分析奠定了基础。EIT 成像提供了区分死腔和分流部分的潜力，可能弥合床边措施和呼吸病理生理学之间的差距。

缺氧性肺血管收缩和 V/Q 不匹配作为 VILI 的机制

        除了导致气体交换受损外，V/Q 不匹配和对不匹配的生理反应也与 ARDS 患者肺损伤的发展和进展有关。相应的解释机制摘要见表1。

       HPV是对肺泡缺氧和/或混合静脉氧含量降低的生理反应，可将肺血流从通气不良区转移到通气更正常的肺区，从而平衡健康肺中低V/Q和分流肺区的灌注，从而改善V/Q 匹配和气体交换。HPV已在实验研究中进行了广泛的研究。在大肠杆菌内毒素和油酸输注诱导的ARDS模型中，HPV似乎受到抑制，导致分流增加和氧合恶化。在其他模型中，主要由油酸输注诱导，HPV得以保留。在急性呼吸窘迫综合征患者中，HPV 的有效性可能因病因、血流动力学状态、药物给药和先前存在的肺部疾病而异。然而，实验和临床对低氧血症和酸中毒引起的急性肺动脉高压恶化以及静脉血管扩张剂的低氧血症作用的观察都表明，大多数ARDS患者保留了HPV。

      肺内分流和生理性 HPV 重新分配肺灌注的观察结果揭示了肺区灌注不足对 ARDS 肺损伤发生和/或进展的潜在有害影响。对健康肺的研究表明，HPV可优化气体交换，但也可能限制分流肺区的氧气和营养物质供应。在存在肺不张的情况下，充气肺的大小减小，从而增加通气区过度扩张和气压伤的风险，从而促进炎症。对接受单肺通气90分钟后进行TLV通气的猪的SPECT分析显示，通气肺过度充气和过度灌注，导致肺泡室弥漫性损伤。 然而，文献中对OLV模型的研究大多只进行了几个小时，并集中在TLV恢复后的肺部损伤的发展（缺血再灌注损伤）。最近，我们小组在猪身上研究了在不恢复TLV的情况下，较高和较低VT的OLV 24小时的影响（图2）。

图2.在4个实验猪研究组中通过电阻抗断层扫描进行通气，灌注和通气-灌注匹配。左侧图像显示区域通气，中间图像描绘区域灌注，通过在呼吸暂停条件下推注高渗盐水获得（见文字），右侧图像描绘通气-灌注匹配，表示为通气和灌注图的叠加。四个象限中每个象限的通气和灌注百分比分别在右侧面板上标注为蓝色和红色数字。字母R和L分别表示右肺和左肺。OLV排除左肺，潮气量为15mL/kg（图A）和7.5mL/kg（图B）[83]。在两个潮气量时，左肺没有通气，灌注似乎重新分配到通气肺。较高潮气量的OLV（图A）引起双侧肺损伤（右肺肺组织学评分5±2，左肺10±2）;将其与双肺通气对照组（右肺肺组织学评分3±1分和左肺3±1分）进行比较。有趣的是，尽管通气和灌注的总体分布没有变化（右肺方差分析p ≤ 0.01，左肺 p ≤ 0.001），但将潮气量降低至 7.5 mL/kg（图B）可减轻炎症和肺损伤（右肺肺组织学评分 3 ± 1，左肺 7 ± 1）。（图C和D）来自一项选择性左肺动脉结扎术的研究[84]。（图C）代表单独连接，而（图D）代表连接+5%吸入CO2.两组在通气和灌注分布方面差异显著：结扎组仅灌注存在于右肺，通气也转移到右肺，总肺组织学评分为11±3。在连接+吸入CO2组，双肺通气和灌注分布更均匀，肺组织学总评分降至4±2（方差分析p ≤ 0.0001）。吸入CO2的结扎肺灌注发生被认为是由于支气管循环流量增加而发生的。

       OLV造成了双侧肺部损伤，有趣的是，降低VT可以防止通气肺的损伤，但这种保护在不通气的肺中只是部分的。EIT分析表明，肺部应激（经典的VILI机制）是通气肺的主要损伤机制，但塌陷和低灌注则与非通气肺有关。值得注意的是，在非通气肺中测得的炎症通过减少对侧通气肺的VT而被抑制，表明肺部之间可能存在基于炎症的串扰作用。

         V/Q 不匹配的另一个极端表现为具有高和无限 V/Q（死腔）的区域，这些区域已在实验环境中进行研究，主要通过血管内闭塞或肺动脉手术结扎。通气非灌注肺泡中的肺泡低碳酸血症似乎是导致局部肺损伤的原因，部分原因是表面活性剂系统的改变导致肺泡损伤和细胞凋亡。如心肺分流和保持通气的模型所示，无灌注的通气区可发生出血性梗死。我们研究了健康猪肺在区域性肺血管闭塞的情况下，通过计算机断层扫描评估VT从无灌注区向灌注区的局部转移。这种通气分流似乎是一种有效限制V/Q不匹配的补偿机制，但也是由于过度滞留和灌注通气区损伤的间接机制（表1和图2，面板C）。与灌注的HPV一样，低血压支气管收缩可以转移通气，改善V/Q匹配，并通过将VT重新分配到灌注较好的肺部区域来优化气体交换；另一方面，由于同时存在的高通气和高灌注，它可能有助于这些区域的损伤发展。在大肠杆菌内毒素诱导的绵羊肺动脉高压模型中，研究表明，当毛细血管通透性增加时，水肿的形成没有阈值；任何肺血流或压力的增加都会增加水肿。这一发现支持了这样的假设：在局部损伤的条件下，区域性肺灌注的增加（例如，由于过度通气引起的肺部压力增加）会导致水肿形成而进一步损伤。此外，狗在单侧肺动脉闭塞后出现的轻度双侧肺损伤，其特点是内皮细胞异常和血管周围水肿。Broccard等人观察到，在仰卧的大型动物中，以高VT通气的VILI的依赖性分布可能是由血流和血管压力的区域差异所解释的，这表明通气模式之间的差异可能是由于，至少部分是由于血流动力学的差异。

       自20世纪60年代以来，通过研究单侧肺动脉结扎（UPAL）模型中吸入CO2的影响，证明了肺泡低碳酸血症在无灌注通气肺单位的肺损伤发展中的作用。Edmunds等人首先发现结扎后的肺部无渗漏现象明显减少，吸入的二氧化碳引起局部通气量增加，这使他们假设二氧化碳或[H+]对支气管肺泡细胞和表面活性剂有直接影响。Kolobow等人观察到，在全心肺分流加上吸入CO2的过程中，自主呼吸的羔羊出血性梗死减少，肺泡和毛细血管损伤降低。在早产羔羊身上也研究了高PCO2吸入的效果；结果是肺部气体量增加，组织学损伤和炎症减少。最近，我们小组描述了在控制性机械通气期间给予5%的吸入性二氧化碳，可以明显减少由于左侧UPAL造成的双肺损伤（图2）。我们的研究结果证实了结扎肺的保护作用，但也强调了吸入的二氧化碳对未结扎肺的保护作用，由于EIT评估的通气分布更均匀，所以过度的情况更少。我们小组还研究了在UPAL引起的双侧肺损伤的情况下，吸入二氧化碳的保护作用是由于PaCO2的增加还是由于吸入二氧化碳的局部效应。我们证明，与通过其他方法获得的血浆性高碳酸血症相比，吸入二氧化碳可以更有效地保护双侧肺部。

       总之，在死腔分数升高的情况下，通气的无灌注单位可以通过抑制表面活性剂的产生和功能、诱导细胞凋亡、局部缺血以及来自残余的高通气和高灌注肺的炎症串联而受到损害。

减少ARDS患者V/Q不匹配的策略

         可以改善ARDS患者V/Q匹配的临床策略包括静脉注射或吸入血管活性药物，优化通气设置，以及实施俯卧位（图3）。

图3. 使用电阻抗断层扫描在床边评估通气和灌注图。左侧蓝色面板显示通气的区域分布。红色的中间面板显示灌注的区域分布（详见文字）。右侧面板显示通气和灌注图的轮廓的叠加。四个象限的通气量和灌注量的百分比分别以蓝色和红色数字标注。(A行)是从一个仰卧位通气的COVID-19相关的急性呼吸窘迫综合症(ARDS)患者身上得到的。(B行)显示的地图来自同一病人在俯卧位通气时获得的，从而减少了通气-灌注不匹配。(C行)显示的是一个ARDS病人在仰卧位，PEEP设定为5cmH2O。(D行)是同一病人在仰卧位时，PEEP增加到15 cmH2O后获得的，导致通气区域的大小增加，通气和灌注图的叠加得到改善。

        将非通气肺区的灌注重新分配到通气良好的肺区，可以减少肺内分流并改善氧合。同样，恢复通气但无灌注的肺区的灌注可减少肺泡死腔，从而提高通气效率。除了改善气体交换外，可能更重要的是，由于预防了上述机制，减少分流和死腔可能导致更有效的肺保护性通气。

       几十年的临床研究已经证明，气体交换可以通过药物操纵V/Q分布来改善。静脉注射阿米林，一种选择性的肺血管收缩剂，通过加强血液从未通气的肺区的重新分布来提高HPV，而吸入一氧化氮（iNO）是一种选择性的肺血管扩张剂，优先增加通气良好的肺区的灌注。

       1987年，Reyes等人用MIGET研究了9名ARDS患者在服用阿米林之前和期间的情况。阿米林将Qs/Qt从29±11%降至17±11%，并增加了正常V/Q肺区的灌注（63±9%至73±6%），导致PaO2从78±15mmHg增至138±52mmHg。单独给药，阿米林会增加肺动脉压力，如果输液时间过长，不通气、灌注不良的区域的发展会使低氧血症恶化。

     1998年，Gallart等人对48名ARDS患者单独或同时进行静脉注射阿米林和iNO[108]。当单独给予阿米汀时，他们也报告了与基线相比Qs/Qt的下降（38±1至33±1%），并发现同时给予iNO导致Qs/Qt的进一步下降（30±1%），并使肺动脉压力保持在基线值。

       Rossaint等人对10名严重ARDS患者施用iNO，并使用MIGET证明肺内分流从36±5％降至31±5％（P = 0.028），PaO2/FiO2得到改善。

      最近，Wang和Zhong使用EIT灌注成像技术对一名通气量以腹侧为主的严重ARDS患者进行了研究，证明iNO导致了区域性灌注向腹侧肺部的重新分配，使仅有灌注的肺单位比例从14%降至9%，并极大地提高了PaO2/FiO2。

       在因COVID-19引起的严重ARDS患者中，Bagate等人对仰卧位通气的患者单独或与静脉注射阿米林联合使用iNO，并将这些干预措施与没有血管活性疗法的俯卧位进行比较。有趣的是，在iNO和almitrine联合治疗期间观察到PaO2/FiO2的最大改善，超过了俯卧位时观察到的氧合度的增加，这表明在COVID-19患者中，V/Q匹配的障碍可能是不同的。

      尽管证明了气体交换的改善，但这两种药物都没有与ARDS患者的死亡率有关，也许是由于非通气性缺血区域的灌注进一步减少。

       在机械通气的ARDS患者中，适当设置呼气末正压（PEEP）可以稳定灌注的、无渗漏的肺单位的重新开放，减少分流。过高的PEEP与肺单位的过度膨胀有关，它增加了死腔，并将灌注重新分配到不通气的肺区，从而增加分流。尽管一些大型的国际随机对照试验未能证明与设定PEEP的特定策略有关的死亡率效益，但许多研究已经说明了PEEP的滴定对V/Q匹配的好处。

      1985年，Ralph等人在一次PEEP试验中用MIGET研究了16名ARDS患者。与基线相比，PEEP引起的PaO2增加>10 mmHg，与低V/Q肺区的分流和灌注减少有关。偶尔，较高的PEEP增加了肺区的通气量，V/Q比值>10，这表明肺泡过度扩张。

      最近，Karbing等人对12名ARDS患者进行了CT扫描和V/Q分析，在PEEP为5，然后是15或20cmH2O时进行研究。使用ALPE方法评估了V/Q失配，该方法依赖于潮气末和血气分析的测量。较高的PEEP导致了肺内分流的减少，这与通过CT扫描看到的正常通气的肺组织的增加相关联。有趣的是，在四名患者的子集中，在较高的PEEP下，分流和高V/Q都有所增加，这表明肺泡过度膨胀效应占主导地位。

      Perier等人使用EIT灌注监测研究了9名继发于COVID-19的ARDS患者，PEEP为6、12和18cmH2O。更高的PEEP与增加氧合度有关，但肺和呼吸系统的顺应性下降。更高的PEEP导致通气量的腹侧分布减少，表明区域性过度紧张，这也伴随着腹侧灌注的减少。在依赖肺中，较高的PEEP与背侧EIT测量的分流减少有关。

      我们之前研究了10名继发于COVID-19的ARDS患者，使用EIT监测，PEEP为5和15cmH2O。更高的PEEP增加了PaO2/FiO2和通气量在依赖肺的分布，表明肺泡的复张。然而，较高的PEEP也导致了较高的PaCO2和通气比，表明死腔通气量同时增加。

       后来，我们用EIT灌注成像研究了15名ARDS患者在2个PEEP水平（5和15cmH2O）的区域V/Q匹配（图3）。根据基于EIT的R/I比值0.62-2.67的范围，这一人群的特点是肺部复张的潜力更大。EIT显示，较高的PEEP与非依赖性肺的浪费通气（V/Q比值>1的肺区的通气）的减少和依赖性肺的浪费灌注（V/Q比值<1的肺区的灌注）的减少有关。有趣的是，以一种可能与以前的研究结果相统一的方式，V/Q失配的改善与可招募性相关，进一步强调了基于这一特点的PEEP个性化的理由。使用 “类似MIGET “的方法对EIT灌注数据进行的高级分析表明，较高的PEEP使非依赖性肺的通气和灌注的平均分布（平均V和平均Q）向V/Q比为1的方向移动。

       俯卧位是一种与改善V/Q匹配和死亡率有关的临床干预。在Perier的研究中，俯卧位引起了依赖性通气的重新分布，而灌注主要是背向分布的，这种分布不受俯卧位的影响。这导致依赖性肺的分流和低V/Q肺区的灌注减少，PaO2/FiO2的改善。

       2022 年，我们使用 CT 扫描和 EIT 灌注监测研究了 21 名在仰卧位和俯卧位通气期间继发于 COVID-19 的 ARDS 患者（图 3）。俯卧位导致通过 CT 扫描测量的背肺复张，增加 PaO2/FiO2 比率，并减少测量的静脉混合。EIT 显示仅通气肺单位的非依赖性减少和死腔与分流比的减少，表明 V/Q 匹配有所改善。

       俯卧位也被证明可以增加每分钟通气量除以 PaCO2 的比率，这表明死腔减少。在一项针对 225 名 ARDS 患者的前瞻性研究中，俯卧位后该比率的增加与死亡率的降低有关 。有趣的是，改善氧合作用与任何死亡率益处无关。

      在插管、自主呼吸的 COVID-19 患者中，Pierrakos 等人表明俯卧位改善了通气均匀性并增加了背侧呼吸系统顺应性，这是使用 EIT  测量的。PaO2/FiO2 没有变化，观察到的力学益处在患者恢复仰卧位后很快消失。

       初步数据还表明，俯卧位在单侧肺实变和严重低氧血症的情况下具有生理益处。在这种情况下，俯卧位时健康肺的通气分布更均匀，有利于从受影响的肺向未受影响的肺重新分配灌注，并降低实变肺中非通气灌注肺单位的百分比，从而降低计算的 静脉混合和改善气体交换。

结论

       通气-灌注不匹配是由决定 ARDS 严重程度的相同机制（塌陷、过度扩张、血管异常和改变的局部力学）产生的。此外，V/Q 不匹配（分流和死腔占优势的表型）的存在会加重肺损伤。由于这些原因，V/Q 不匹配可能是 ARDS 结果的准确标志，也是指导个性化干预的有用工具，例如为更多可复张患者设置更高的 PEEP。

来源：

• Slobod. Pathophysiology and Clinical Meaning of Ventilation-Perfusion Mismatch in the Acute Respiratory Distress Syndrome. Biology 2023;12:67