急性呼吸窘迫综合征机械通气的研究报告：P-V曲线、PEEP和VILI的量化预测

i本文的最新情况见最后《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页使用准静态肺P-V数据Mohsen Nabiana， Uichiro Narusawaa，ba美国马萨诸塞州波士顿东北大学机械与工业工程系b美国马萨诸塞州波士顿东北大学生物工程系A R T I C L E I N F O保留字：P-V曲线P-V模型方程机械通气复张量呼吸系统模型呼气末正压通气（PEEP）急性呼吸窘迫综合征（ARDS）呼吸机诱导的肺损伤（VILI）A B S T R A C T将准静态肺压力-容积（P-V）曲线与呼吸系统模型相结合，分析潮气压周期，模拟急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者的机械通气。通过对肺泡成分在给定的弹出-打开压力范围内的分布进行积分，分析计算了两个重要的量，包括1）潮气补充量和2）潮气高渗量。我们分析预测了四只犬受试者的潮气量，并将我们的结果与犬模型上的类似实验测量结果进行了比较。然后，我们将我们的数学模型应用于早期ARDS、深膝、晚期ARDS和婴儿肺四个阶段的ARDS人群的P-V数据，以量化潮气复张量和潮气高胰岛素化量作为呼吸机诱导的肺损伤（VILI）的指标。这些基于患者特异性P-V数据的定量预测表明，机械通气的最佳参数（包括PEEP和潮气压（容量））在ARDS人群中差异很大，主要受ARDS严重程度的影响。1. 介绍自急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的早期定义以来，已发表了大量关于以下主题的临床研究，如使用压力-容积（P-V）曲线对ARDS患者进行机械通气[22，23，35，36，46，58，66]，PEEP（呼气末正压）与PEEP（呼气末正压）。ZEEP（零呼气末压）和PEEP程度，用于有效通气[4，10，15，19也是大规模进行了ARDS通气试验[14，34，43]，以研究有效的机械通气策略，以预防高胰岛素血症和呼吸机诱导的肺损伤（VILI）[ 13，17，24，48，51，56，57，61，69]，同时保持足够的氧合。尽管这些实验研究显著有助于优化机械通气，从而降低ARDS患者的死亡率，但大多数研究调查了整个ARDS人群的许多研究[10，19，24，38，39，45，50，60]批评了这一概括，这些研究建议采用患者特异性PEEP和潮气量值来优化机械通气。呼吸系统的解析模型在文献[1]中进行了研究。[59]和[9]通过开发具有气道开口的幂律分布的以来然后，呼吸系统和/或机械通气的建模研究包括机械通气的非线性回路模型[47]，S形P-V方程的应用[65]以优化机械通气[41，60]，检查机械通气期间的肺顺应性[27]，以及根据P-V曲线开发募集函数[32]。许多先前的研究[10，18，19，24，38，39，45，50，54，60]也指出需要平衡肺泡复张和高胰岛素血症，以及需要更适用于个体而不是群体的通气策略信息。在参考文献中。[40，42]，准静态肺P-V曲线以及参考文献中开发的呼吸系统模型。[5本文将人的准静态脉搏P-V曲线与文献[1]中建立的呼吸系统模型相结合，旨在为机械通气的优化研究作出贡献。[5-我们首先分析预测了四只犬受试者的潮气量作为PEEP的函数，并将我们的结果与*通讯作者。电子邮件地址：monabiyan@gmail.com（M. Nabian）。https://doi.org/10.1016/j.imu.2018.06.003接收日期：2018年4月28日;接收日期：2018年6月5日;接受日期：2018年6月6日2018年6月1日星期一2352-9148/©2018PublisheddbyElsevierLtd.这是一个不可避免的问题，因为CCBY-NC-NDLicense（http：//creativecommons.org/licenses/BY-NC-ND/4。0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学杂志主页：www.elsevier.com/locate/imu《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽454个P在犬类模型上进行类似的实验测量然后，我们将我们的数学模型应用于参考文献[ 42 ]中定义的ARDS的四个阶段（早期ARDS、深膝、晚期ARDS和婴儿肺），以量化潮气招募量和潮气高胰岛素化量。我们对这两个参数在不同ARDS患者中的定量预测表明，包括PEEP和潮气压（或潮气量）在内的最佳机械通气参数在很大程度上是不同的2. 背景2.1. 呼吸系统模型（RSM）一个以误差函数形式提出的P-V模型方程[5 -7 ]是（见图1）。第 1（c）段）：在ARDS人群中，ΔVΔV⎛πPARDS的严重程度V=V U− 2个以上埃尔夫⎝Λ⋅⎜⎝0−1⎟⎟⎠⎠（一）图1. （a）用于膨胀的肺泡元件：当其压力超过Pcj时，元件突然打开。 Asy0=V0（元件的弹出打开体积），AsyT=Vdistension（由于弹性壁扩张导致的体积增加）。（b）用于脱泡的肺泡成分。 上标d表示脱附性质。（c）准静态的膨胀-膨胀P-V曲线。 V U=上容量渐近线（总肺活量），V L=下容量渐近线，Δ V（=V U− V L）=肺活量，P0= P-V曲线中点处的压力，P ID=吸气和呼气曲线交点处的压力。(d)数据组1和数据组2的P-V曲线（实线=损伤前，虚线=损伤后）。（e）P = P0时肺泡成分的标准化分布。数据组3（ARDS）的数据集D、J、R、T和数据组5（健康人）的数据集rt。2《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽460⎦⎝24⎝⎠⎞⎤2000其中四个参数为VU=上渐近线（总肺活量（TLC）），ΔV（=VU−VL）=肺活量（VLC），VL=下渐近线（功能残气量（FRC）），P0=P-V曲线中点（切入点）处的压力，以及无量纲参数Λ，误差函数erf（x）定义为，表1DG1和DG 2的膨胀P-V曲线参数。ΔP0ΔV[cmH2O][L]VL[L]y=0PID[cmH2O]erf（x）=（2/flπ）πxe−t2dt，erf（∞）=1，erf（−x）= −erf（x）。 德-DG1 Bef. Inj.1.12 0.24 0.22 32Aft.Inj.2.96 20.79 0.86 0.03 0.84 32化P-V曲线也由Eq. （1）与四位一体U0下面是我们的（呼吸系统）模型的概述及其与P-V模型方程的关系[6]。 整个呼吸系统由分布在其（肺泡）开口压力Pcj上的大量肺泡元件（N =元件总数）表示。参照图 1（a）中，元件j由带有活塞弹簧系统的圆柱形腔室组成（As=活塞表面积，k=弹簧常数[N/m]，y=由于弹开机构引起的活塞位移，y=由于弹性壁膨胀引起的活塞位移）。当活塞位于气缸左端时，元件关闭一旦作用在活塞左手侧的压力达到Pcj，活塞移动到新的位置y= 0（“ 弹 出 ” 机 制= 肺 泡补 充 ） ， 其 中 V = 0 （ = As = y = 0 ） 表 示 由 于 活 塞 位 移 y = 0 而 导 致 的 基 本 体 积 增 加。压力的任何进一步变化导致活塞向右移动时体积增加表2DG3的膨胀参数ARDS患者。（0yjyT）（模拟肺泡壁的弹性扩张<<组织），直到它到达圆柱体的末端（yj=yT），作为完全扩张的元件（图1（b）显示了扩张期间的肺泡元件）。玻尔兹曼统计模型的应用（其假设每个能量状态的肺泡元素的数量没有限制）产生正态（钟形）分布作为肺泡元素在Pcj上的最可能分布，dNj/N（=一个数表3DG4的膨胀参数。ARDS患者。数据ΛP0[cmH2O]ΔV[L]VL[L]y0元素的分数，其Pc j的大小范围在Pc j和Pc j+dPcj）1.07 0.03 0.609 4.92 27.82 1.14dNj=f（P），f（P）=Λexp−π Λ2 <$Pcj−（P-P0）2<$11 1.73 18.45 3.86 0.56 0.5924 2.69 20.53 1.47NdPcj4名P0⎜⎠⎢⎣P0（二）30 3.40 22.18 2.87 0.0432 2.00 18.07 1.72 0.22在 给定 的 压强P 下 ，平 均 分布 为 P-P0 ， 标准 差σ D= （8/π ） 1P/Λ<$1.596<$P/Λ。因此，P控制平均值（较高的P0，较低的平均值），并且Λ控制肺泡开口压力（Pcj）上的正态概率分布函数的标准偏差（较高的Λ，较低的标准偏差）。用无因次体积（V）和无因次压力（P）表示的EX压力为 [5]。在整个P-区[5，7]内，对内包封和去包封P-V曲线进行了近似。2.2. 数据组本报告中的分析使用了5个数据组，均来自先前发表的数据集[42]这些数据集是通过VπV−（VU−ΔV/2）P满足动物护理和使用要求的程序=erf⎝ 4ΛP与V=ΔV/2，P=P0−1（三）潜在的机构。这些数据组的说明如下：dNj=F（P），F（P）Λexp⎜⎛π2PP]2⎟(1) 数据组1 [53]：之前的急性肺损伤犬模型（数据纳德·帕齐=400−4Λ[cj−（四）组1损伤前）和油酸诱导的损伤后（数据第1组受伤后）其中Pcj =Pcj/P0，标准差为σ=（8/π）1/Λ。应该注意的是，归一化的P-V方程和归一化的分布都取决于单个无量纲参数的大小。（4）对于选定的ARDS患者和健康人，P=P0通过对所有开放元件上的每个元件的体积求和（积分），该模型产生两个P-V方程，一个用于低P区域，另一个用于高P区域[6]。高P区的方程是误差函数P-V方程（=Eq. （1））。然而，Eq。（1）四个调节参数的优化设计，(2) 数据组2 [23]：通过盐水灌洗的急性肺损伤犬模型;对照（损伤前数据组2）与肺损伤后（损伤后数据组2），(3) 数据组3 [67]：ARDS患者的P-V曲线(4) 数据组4 [1，2，3]：ARDS患者的P-V曲线(5) 数据组5 [52，55]：健康人的P-V曲线表1-4所选的P-V吸收曲线如图所示。 2.⎝⎠参数由Vd的相应描述参数代替，DG2对照品1.108.361.500.340.1030Δ Vd、Pd和Λd。（见图1（d）中的各种反折-反折环。）Aft.Inj.5.4022.291.120.020.7635数据Λ均p0[cmH2O]ΔV[L]VL[L]y0一2.9622.402.370.070.347D1.6313.323.160.570.379G1.7320.163.100.360.447J2.7926.213.730.160.474K2.4317.891.340.100.440L1.2511.591.250.280.695O1.9518.371.880.240.389R1.1713.992.070.510.406不5.4730.041.770.010.289《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽47表4DG4的膨胀参数ARDS患者。数据Λ均p0ΔVVL[cmH2O][L][L]EC1.3413.476.402.06GF1.056.446.521.66hh1.2311.045.102.12JK1.159.416.241.47RT1.107.955.351.31数据来自参考文献[23]。表5数据组1、数据组2的微分P-V曲线参数0升表6数据组3例ARDS患者的呼吸机参数。0图3.第三章。ΔVvs. 对于来自数据组3（患有ARDS的患者）的所有数据集，（患有ARDS的患者）和5（健康人）。从健康人到早期ARDS的深膝表现为ΔV降低、Λ增加;而从深膝经晚期ARDS到婴儿肺的路径由表7数据组4的定义参数。ARDS患者。02.3. ARDS分期见参考文件[42]，根据呼吸P-V曲线（Λ和ΔV）的参数确定和定义了ARDS的四个阶段（早期ARDS、深膝、图3摘自参考文献[42]，描绘了ΔV（VLC）与A，示出了从健康人（高ΔV，低Δ）到ARDS的四个阶段的过程;早期ARDS（与健康人的数据集相比，降低的Δ V，具有较高的Δ值），深膝（低Δ V，高Δ，在呼吸P-V曲线上具有非常低的起始顺应性），晚期ARDS（低Δ V，中Δ）和婴儿肺（低Δ V，低Δ）。Λ的数量级递减，其中ΔV限于窄范围。3. 分析方法在本节中，我们首先介绍了两种基本的机械通风策略。一种起始于P-V曲线的膨胀段，称为FRC膨胀（IFRC），另一种起始于TLC膨胀段，称为DTLC膨胀。所有其他机械通气策略可以被视为这两种基本策略的某些组合[23]。其次，基于呼吸系统模型，我们给出了每种机械通气策略（IFRC或DTLC）的潮气复张量和潮气高通气量作为PEEP和潮气压的函数的定量推导3.1. 潮汐环分析：IFRC与DTLC机械通气策略必须根据ARDS的严重程度进行优化。对高压（峰值）和低压（PEEP（ZEEP）=呼气末正压（零））之间的循环吸气-呼气环路（称为潮气环路，模拟机械通气）进行了分析。ΛdPd[cmH2O]ΔVd[L]Vd[L]图2. 从数据组3（ARDS数据集A、D、J、K、R、T）、数据组4（ARDS数据集6、11、24）和数据组5（健康人数据集）中选择的呼吸曲线中的P-V。室温）数据组1Bef.Inj.0.282.01.43-0.40Aft.Inj.0.403.81.11-0.33数据组2Bef.Inj.0.221.32.02-0.90Aft.Inj.1.459.81.19-0.14数据没有ΛdPd[cmH2O]ΔVd[L]VdL[L]一1.4711.411.92-0.15D1.086.852.70-0.61G0.988.141.280.05J1.6613.401.890.03K1.069.781.51-0.37L0.313.151.39-0.81O1.0610.971.87-0.32R0.868.141.83负0.49不4.5123.621.170.11数据ΛdPd[cmH2O]ΔVd[L]VdL[L]62.3814.711.09-0.0695.6421.770.90-0.25110.9812.032.40-1.00241.8915.891.52-0.14302.9614.012.27-0.45321.2511.861.76-0.26《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽48ππ0MTDMTD33K图4.分析了两种模式的潮汐循环：（a）IFRC（从功能残气量恢复后的潮汐循环），（b）DTLC（从总肺容量恢复后的潮汐循环）。沿着特定的膨胀和膨胀的包络P-V曲线。那里是机械通风的小容量潮汐回路的两种基本模式，与主要（膨胀和膨胀）P-V曲线有关[23]。预测在潮压中的潮补充或潮去补充量环可以由肺泡开/闭压力（Pcj/Pd）上的元素分布构成。膨胀的Pcj和膨胀的Pd分别为：CJ CJ是的，(1) 从FRC（IFRC）中恢复后进行的潮汐循环，(2) 从TLC（DTLC）中分离后进行潮汐循环。相互独立的随机变量的信息-和解扩散分布[6]。因此，肺泡上皮细胞的数量分数在从P i到P e的转化过程中被补充，随后在从P d的转化过程中被补充的成分 P d 可能是前-I e这两种模式在图中被描绘出来。 4（a）和（b）。在IFRC（图4（a））中，从P=0到某一（潮）峰压的收缩后，潮环开始于主潮收缩肢（MTD），随后是潮收缩肢，然后是潮收缩肢，其潮压为ΔPTDL=Peak-PEEP。在由增量和增量分布函数的乘积表示的联合分布中受压。(See用于推导下面给出的方程。3.2.1.1. 案例：红十字与红新月联会。对于IFRC（从FRC中分离后的潮汐回路），如图所示。 4（a），另一方面，在DTLC（图4（b））中，在从某个高压，PID，之前是一个主要的蒸发过程，第一次潮汐V记录红新月联会PEEP（PEEP和Peak之间的IFRC招募循环开始作为潮汐的膨胀，随后是潮汐的膨胀;因此，在图中。 4（b），从P = 0到完全发展的潮汐的路径为ΔV4（1+y≥0）300万美元DMTDDΔV3MTD（五）回路可以被表示作为[路径O（原点）→a→b→ID ]=哪里K3=I3（峰值）−I3（PEEP），Kd=（Id（Peak）−Id（PEEP）），主膨胀，[路径ID → c → d ]= 主要去极化， 【路径d→ e】VN=总体积3MTD3、MTD3、MTD=潮汐膨胀1，[路径e →f ] =潮汐收缩1，[路径f →g] =0可供招募，3=D潮汐膨胀2，[路径g→ h ]=潮汐收缩2。根据主辐散和主辐散的参数，可以定量分析DTLC情况下的潮汐环流补充另一方面，对红十字与红新月联会来说，erf（C（P/P0−1）），I3MTD（P）=erf（Cd（P/PdMTD−1）），C=Λ/4，Cd =Λd/4。3.2.1.2. 案例DTLC。对于DTLC（从TLC分离后的潮汐回路），如图所示。 4（b），估计四个参数，定义为ΛdD0MTDDU，MTD，ΔVd，图中B → C过程所对应的主要潮汐畸变。 4（a）V记录DTLC肺容量（PEEP和峰值之间DTLC中招募的体积）当Peak在Peak = Δ P TDL（即，ZEEP的情况）和Peak = PID。 这四个参数由以下四个参数估计为ΔVK3Id（PID）−Id（Peak）电压ΔVdKdDdd4（1+yT0） Id（PID）−Id（PEEP）ΔV第三章（六）关系式：（1）ΛMTD=Λ，（2）VMTD（P=峰值）=V（P=峰值）（体积⎣3 3⎦主入潮和主潮汐差相等，其中K d=（I d（Peak）-I d（PEEP）），Id（P）=erf（Cd（P/Pd -1））。P=峰值） （三）Vd在 方面 的 的 在分离中 参数，（4）3 3 3 3 0dMTDU，MTD（P=0）=指定（对于在治疗期间没有气道闭合的情况，为零）有许多关于机械通气优化的报道，有时是相互矛盾的，例如（1）高PEEP用于高REEP;主要的潮汐衰减）。第一个关系意味着，对于一个特定的呼吸系统，所有主要潮汐衰减曲线的归一化分布形状相似3.2. 机械通气3.2.1. 潮气量补充量根据呼吸系统模型，吸气（呼气）过程的P-V曲线与肺泡元件在其打开（关闭）压力上的分布有关（等式10）。（2））。了理论ΔV，P，VV《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽49克鲁尼[10，21，45]，（2）低潮气量保护呼吸机诱导的肺损伤（VILI）[43]，（3）高PEEP是VILI的原因[4，24，29，50，51]。在这里，作为VILI的指标，我们提出了在PEEP和Peak之间的机械通气3.2.2. 潮汐高胰岛素血症潮式高充盈体积是在整个潮式周期中完全扩张的肺泡成分的总体积在这里，我们提供了它的推导IFRC和TDLC的情况《医疗器械临床研究报告》第1卷第2期（2018年）44-55页M. 纳比安、U. 鸣泽500 的t0CJ1MTD1MTD12D3.2.2.1. 案例：红十字与红新月联会。红十字与红新月联会（图 证明了VHIIFRC2=ΔV（y<$T0/（1+y<$T0））<$NFHIIFRC2ifΔPTDL≥P0y<$T0，其中Pcj=0的肺泡成分（=在P= 0NF时突然打开的成分2=1（I（PEEP+P y）） I（PEEP））Δ VdKD=数量（图 1（a）完全膨胀（即，活塞到达其冲程极限红十字与红新月联会430 T 03MTDΔV3MTD在我们的元素模型中（图 1（a））在P = P0y T0[6]。因此，在沿着主膨胀的P=Peak处（图4（a）中的位置B），具有0≤Pcj≤Peak-P0yT0的元件暴露于比完全膨胀的压力更高的压力（被称为在PEEP和Peak之间的通气过程中，元件的一部分经历弹出-打开-完全膨胀-弹出-关闭的循环3.2.2.2. 案例DTLC。 对于DTLC（图4（b）），采用类似的方法：hyperinflation）。关于MTD（ B C的退化分支）的类似论证OinFig. 4（a））表示Pd=PEEP−Pdyd的元素开始于案例1. PID

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