通气病人膈肌组织萎缩与超声膈肌呼气厚度的关系

背景

短时间机械通气(MV)后膈纤维萎缩已被证实，并与与膈无力相关的危重疾病有关。在人膈肌活检中，萎缩被描述为膈纤维横截面积(CSA)的减少，但在临床上仍难以获得人体样本。近年来，超声已成为重症监护中评估膈肌解剖结构的有用工具。本研究旨在评估超声测量的膈膜呼气厚度(Tdi)预测膈膜萎缩的能力，通过膈膜活检(金标准技术)获得的膈膜纤维CSA的减少来定义通气患者。

方法

对通气供体和对照组进行膈肌活检和膈肌超声检查。评估人口学变量、共病、入院时的严重程度、治疗、实验室检测结果和进化变量。免疫组化测定CSA，超声检测呼气末Tdi，以对照组中位数作为阈值，进一步分析是否一致。计算超声Tdi截止检测组织萎缩的敏感性、特异性、阳性和阴性预测值。还评估了两名超声观察员之间的一致性。

结果

纳入35例呼吸器官供体和5例呼吸器官对照，基本特征无差异。供体的CSA和Tdi低于对照组。所有捐献者的CSA均较低，但Tdi仅较对照组低74%。下膈肌呼气厚度临界值(Tdi < 1.7 mm)对判断膈肌萎缩(CSA < 2851 μm)的敏感性为73%，特异性为67%，阳性预测值为96%，阴性预测值为17%²)．

结论

膈肌萎缩和厚度减少与MV有关。虽然横膈膜超声中较低的Tdi是诊断萎缩的好工具，但正常或增加的Tdi不能排除萎缩，这表明这两个参数不应被视为同义词。

使用机械通气(MV)后膈纤维萎缩被认为是导致危重症相关膈肌无力的一个重要因素[1，2］．根据以往的研究，它在重症监护室(ICU)通气患者中的患病率为40-80%，并与高脱机失败率、延长住院时间、增加ICU和医院死亡率有关[3.，4，5，6，7，8］．因此，其发现、诊断和评价对提高危重患者的管理水平至关重要。

动物和人体研究表明，在几个小时的MV控制或不适当的呼吸机设置导致发力能力下降后，存在组织学萎缩(即肌纤维大小减少)[9，10，11，12，13］．MV本身似乎会影响横膈膜，但许多其他因素，如炎症、营养不良和某些药物的使用都会导致ICU的这一问题。尽管肌肉活检和纤维横截面积(CSA)组织学评估仍是评估肌肉结构的最佳方法，但这是一种侵入性的操作，在常规使用中可能会导致严重的并发症，在临床实践中很少进行[14］．

近年来，超声由于其简单、无创、安全性高的特点，在ICU患者的日常管理中越来越受欢迎。它可用于评估膈肌的显著特征，如膈肌呼气厚度或Tdi，并具有较高的重现性[15，16］．早期Tdi的快速变化已被描述为MV后，超声研究中其降低已被接受为膈肌质量损失的指标[17，18］．尽管Tdi已被广泛用于描述经受过MV的危重患者膈肌萎缩，但Aarab等人在最近的动物模型中证实了Tdi变化与肌纤维萎缩之间的无关联。[19］．不幸的是，这一问题尚未在人体研究中得到验证。

我们假设Tdi将是诊断通气患者膈肌萎缩的一个很好的工具。本研究的目的是:(1)评估呼气末超声测量Tdi对通气患者膈肌纤维大小和萎缩(膈肌CSA评估)的评估能力;(2)分析MV对膜片CSA和Tdi的影响。我们还旨在为使用超声测量的下层肌肉厚度来定义萎缩提供科学和实验基础。

研究对象

在某大学医院ICU住院3年且需MV时间超过24小时的危重器官供体患者符合本研究条件。供体组包括两种类型的供体，循环性死亡供体(列入《马斯特里协定III》分类的供体)，在控制和有计划地停止维持生命的治疗后发生循环性死亡，以及脑死亡供体，根据不可逆脑损伤继发的皮层和脑干反射缺失的证据诊断为脑死亡供体。我们还纳入了一个对照组，由接受择期胸外科手术治疗局限性肺结节的患者组成。排除标准如下:年龄小于18岁，有过横膈膜手术史，难以获得横膈膜超声图像。方案由德尔马医院伦理委员会批准(2017/7183/I)，并在纳入前获得所有受试者或其近亲的知情同意。这项研究采用的程序符合《赫尔辛基宣言》的原则。关于研究捐赠者的进一步细节在Marin-Corral等人之前的一项研究中有详细描述。[11］．

临床数据

纳入时，记录所有受试者的年龄、性别、体重指数(BMI)、中毒习惯、慢性疾病共病、慢性药物治疗和入院类型等人口统计学变量。在供体组中，也记录了入院后24小时内的严重程度评分(急性生理和慢性健康评估II或APACHE II和顺序器官衰竭评估(SOFA))，以及供体类型、ICU住院期间接受的治疗(全身皮质类固醇、镇静类型和天数、神经肌肉阻滞剂、胰岛素、肠内营养和血管活性药物的使用和天数)，入组当天的呼吸机设置和实验室检测结果。最后，还描述了ICU并发症和演变(中压天数、ICU住院时间)。

活检和纤维截面积(CSA)

在所有纳入的患者中，膈肌活检样本在手术早期获得，从右肋膈肌前，膈神经插入处外侧(图。1)．具体来说，对于供体，在器官切除过程中尽快获得活检，以确保由于低灌注引起的缺血时间最短。肌肉样本立即浸泡在乙醇-甲醛浴中，然后嵌入石蜡中。这些组织被用于组织学分析。在膜片样品中进行了形态计量学分析。CSA和表达肌球蛋白重链I (MHCI或I型，Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA)或II (MHCII或II型，Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA)的肌纤维比例在光镜下(Olympus，系列BX61, Olympus光学公司，汉堡，德国)结合图像数字相机(Olympus，系列DP71, Olympus光学公司，汉堡，德国)通过免疫组化分析进行评估，并使用特定的形态测量程序(图像J，美国国立卫生研究院，马里兰州贝塞斯达，美国)。在每个肌肉标本中测量和计数I型和II型染色的至少150根纤维。计算所有纳入患者的CSA值的平均值。有关活组织检查程序的详情可参阅别处[11］．

膈肌呼气厚度超声(Tdi)

横膈膜超声(Vivid I^®超声设备，通用电气，费尔菲尔德，CT，美国)在器官捐赠前6小时(供体组)或术前(对照组)使用，受试者以半平卧位(45º)连接MV。Tdi (mm)在呼气结束时，用位于第9 - 10肋间间隙的线性探头(10-12 MHz)测量，位于腋窝前线水平的横位，如前所述。在这个位置，横膈膜被可视化为一个三层结构，随着灵感而增厚。两个外部回声层对应于胸膜和腹膜。在两层之间，膈肌清晰可见。1)．为了测量呼气末Tdi，使用m模式获得三个不间断和明确的呼吸周期。图像以数字格式存储，用电子卡尺从内层到内层测量Tdi。使用了三个单独值的平均值。测量结果由两名有超声经验的强化医师独立分析，并评估观察者内/观察者间的一致性。

统计数据

根据Kolmogorov-Smirnov检验是否显示分布为正态或非正态，将连续变量描述为均值和标准差(SD)或中位数和四分位差[IQR(25-75)]。分类变量描述为病例数和百分比[n(%)]。卡方，Fisher检验，学生检验t-test和曼-惠特尼U采用检验对基线变量进行评价。两个超声观察者之间的一致性采用Spearman的Rho相关系数，并通过变异系数评估个体内部的变异性。

根据之前描述的对照组的特征(即CSA和Tdi的中位数)，我们在人群中建立了组织学萎缩和超声Tdi下降的截止值[20.］．采用标准公式计算超声Tdi截止值通过CSA检测组织萎缩的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值。使用社会科学15.0 BM的统计包分析数据^®SPSS统计^®，芝加哥，伊利诺伊州，美国)。p≤0.05时，差异有统计学意义。

患者特点

包括40例机械通气患者，35例器官捐赠者和5例对照组。表格1显示了患者的特征。简单地说，两组之间在年龄、性别和BMI上没有显著差异。对照组吸烟患病率(60% vs 34%， p > 0.05)和慢性合并症患病率(80% vs 43%， p > 0.05)均高于对照组，但差异无统计学意义。在口服皮质类固醇、他汀类药物或胰岛素等慢性治疗方面，两组之间没有差异。大多数供体(91%)因医疗原因(神经系统疾病)住进ICU，如上所述，所有对照组因择期手术入院。

入组前供体在ICU期间的临床特征见表2．总的来说，捐献者在入院时APACHE得分中位数为29 (23-33)，SOFA得分中位数为7(5-9)。一半是脑死亡捐赠者(54%)，另一半是马斯特里赫特III(45%)。共有18例(51%)患者在ICU期间出现了一些并发症，最常见的是感染性(34%)，没有任何感染性休克的诊断。所有患者均采用可控通气模式，呼气末正压(PEEP)较低。ICU住院时间和中压持续时间相同，因为所有患者入院时均插管并连接有创中压，中位时间为5(2-9)天。

膜片截面积

供体膈肌纤维的尺寸明显小于对照组[1513 (1150-1807)μm]²Vs 2851 (1743-3587) μm²， p≤0.001]。2一个,B而且E)．对照组CSA中位数为2851 μm²)被用作定义膈肌萎缩的阈值。

膈肌呼气厚度(Tdi)

超声Tdi观察者内变异系数分别为0.93 (CI 0.8-0.96)和0.96 (CI 0.94-0.98)。Tdi的测量结果显示两个观察者之间具有良好的一致性(Rho 0.89, p≤0.001)，如图所示。3.．供体Tdi低于对照组，但差异无统计学意义[1.4 (1.3-1.7)mm vs 1.7 (1.3-1.8) mm, p > 0.05]。2C,D而且E)．对照组中位Tdi值(1.7 mm)被作为阈值，以定义末到期时较低的Tdi。

组织学萎缩与超声呼气厚度的关系

所有的通气供体均表现为组织学膈肌萎缩，而只有74%的供体在呼气末出现较低的Tdi(图。4一)。4B为所有研究人群中与膈肌CSA相关的Tdi分布。下膈肌呼气厚度临界值(Tdi < 1.7 mm)在确定膈肌萎缩存在时的敏感性为73%(56-86)，特异性为67%(10-99)，阳性预测值为96%(84-99)，阴性预测值为17%(7-34)(图7-34)。4B)。

本研究的主要发现:(1)膈肌萎缩和膈肌呼气厚度降低与MV相关;(2)超声测量膈肌呼气厚度(Tdi)可以检测膈肌萎缩，但不能完全排除膈肌萎缩;(3)膈肌超声是诊断通气患者膈肌萎缩的良好工具;该方法重现性好，易于在床边进行。

我们对通气患者膈肌萎缩的结果与以往的研究一致。与对照组患者相比，使用短时间可控MV后膈肌纤维CSA降低[13，21］．2008年，Levine等人首次在脑死亡的成人捐献者中证明了这一现象[9］．从那时起，结果在其他不同病理的通气患者组中得到了复制[11，22］．因为每一项研究都使用了自己的对照组，所以没有膈骨CSA的广义正态值。在我们的队列中，作为确定膈肌萎缩的阈值，我们考虑了对照组的CSA中值，这与之前文献中使用的阈值相似[9，21，22，23，24，25］．如前所述，我们的结果显示，我们所有的通气供体在中压下5天后，根据对照组阈值出现组织学萎缩，这可能与之前研究中观察到的萎缩与通气时间之间的时间依赖关系有关[13］．

鉴于获得膈肌活检的困难，最近的研究已使用膈肌超声作为一种可获得的工具来探索危重患者的膈肌结构。呼气期Tdi已被用作肌肉质量的替代品，并已在超声研究中被接受为对通气患者膈肌萎缩的无创评估[18，26］．机械通气患者在MV头几个小时后检测到Tdi的变化[17，27，28］．同样，在不同研究中，健康和通气患者的Tdi下限值范围很广(在1.6到2.3 mm之间)[17，19，29，30.，31，32，33，34］．从我们的对照组中获得的截止值，并用作定义较低Tdi的阈值，与之前的数据(1.7 mm)一致。在我们的队列中，控制组和供体组之间的Tdi差异没有达到统计学意义，可能是样本量小。

目前，超声测量的Tdi是否可以作为膈肌纤维组织学大小的指标尚不清楚。在我们的研究中，尽管100%的供体有膈肌萎缩，但只有74%的供体Tdi下降。这表明这两个变量可能并不代表同一现象。Reynolds等人通过组织学和膈肌超声研究了通气猪的膈肌，评估了使用膈神经起搏后通气非起搏和通气动物的膈肌CSA和Tdi。尽管本研究的目的不是将两种测量方法联系起来，但与治疗动物相比，非起搏组的通气猪显示出CSA和Tdi的下降，这表明两者之间可能存在关联[35］．最近，Aarab等人提供了关于通气仔猪膈肌的详尽的组织学、超声和功能信息，显示横波超声弹性成像量化的膈肌刚度的降低与更小的CSA纤维有关，但与膈肌呼气厚度的降低无关[19］．我们对通气患者人群的研究结果与这些发现一致，证实超声膈膜厚度可能增加或减少，取决于其所有组成部分的变化组合，不仅包括肌肉纤维(萎缩或肥大)，还包括结缔组织、血管、炎症或脂质积累和肌肉水肿，这些也可能被经常影响危重患者的情况所改变[11，21，36，37，38］．在本研究中，我们使用组织学CSA作为评估萎缩的金标准。我们的结果表明，Tdi < 1.7 mm能够在73%的病例中检测到萎缩(敏感性)，Tdi≥1.7 mm可以排除萎缩(特异性)，在67%的病例中。我们还发现，当Tdi检测到厚度减少时，96%的病例与组织学萎缩密切相关(阳性预测值)。值得注意的是，当Tdi在正常或增加的范围内时，只有17%的病例没有萎缩，这表明存在其他机制而不是纤维大小决定肌肉厚度。然后，当膈肌呼气厚度通过其他机制增加时，包括超声评估的其他解剖结构(如水肿)，膈肌超声评估的肌肉萎缩可以被忽略。有趣的是，DiNino等人描述了拔管成功的最小Tdi值为1.7 mm [39］．

在本研究中，两名独立观察者进行了膈肌超声测量，观察者内部和观察者之间的Tdi一致接近文献中先前描述的值。这证实了膈肌超声在通气患者中是一种易于操作和可复制的床边工具[15］．

研究的局限性

目前的研究有重要的局限性。首先，与之前的几项研究一样，我们将我们自己的对照组纳入，使用其CSA和Tdi中位数作为参考或正常阈值。对照组的样本量较小，因为健康受试者的横膈膜活检很难获得，但与目前报道的相似。然而，纤维大小(CSA)和膈肌呼气厚度(Tdi)的值也在文献中先前描述的相似大小的对照组的范围内。有必要进行足够样本量的研究，以建立这些变量的正常范围，这可能需要根据年龄或性别或BMI进行分层。其次，由于我们的目的仅限于通过两种不同的方法评估同一时间点的膈肌结构，所以我们的研究没有包括两个时间点间膈肌功能和膈肌厚度变化的数据，而这两个参数都具有重要的临床价值。未来的研究应该集中在包括这些变量，以决定临床医生在他们的日常实践中使用的最佳临界值。第三，由于我们的目标是比较两种技术，我们没有检查萎缩供体缺乏较低Tdi的潜在机制。进一步的研究应该通过测量与结缔组织、炎症、脂质积累或水肿相关的一些变量来解决这个问题。第四，活检不是在超声引导下进行的，而是在所有超声都进行的情况下，通过手术可接近贴位区肋膈。 Fifth, we only measured the right hemidiaphragm expiratory thickness because, as described elsewhere, the left side tends to be poorly visualized [3.］．然而，在左侧可以清晰看到的情况下，在半膈肌之间没有差异的报道，因此仅评估其中之一不应引入偏见[16］．

横膈膜超声测量的横膈膜CSA和Tdi降低与MV有关。横膈膜超声似乎是诊断萎缩的一个很好的工具，但术语CSA和Tdi并不代表相同的肌肉结构解剖，不应该同义词使用。因为正常或增加的Tdi不能排除膈肌萎缩，因此保护膈肌压策略应应用于所有通气患者，而不仅仅是Tdi较低的患者。未来的研究应寻求澄清这些结构发现和功能变量之间的联系，以避免膈肌损伤，从而改善预后。

本研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。

MV:

机械通风

加护病房:

加护病房

客服人员:

横截面积

Tdi:

膈肌呼气厚度

APACHE II:

急性生理和慢性健康评价2

沙发:

顺序器官衰竭评估

窥:

呼气末正压

MHCI:

肌球蛋白重链I

MHCII:

肌球蛋白重链II

SD:

标准偏差

差:

四分位范围

我们感谢Marta Gas的行政和技术支持，感谢del Mar医院的移植协调和移植护理和泌尿科团队帮助获取样本。我们还要感谢Judit Bigas对实验的支持和Victor Boutonnet对人物设计的帮助。最后，我们感谢所有的家庭和患者，他们同意我们在非常困难的情绪情况下使用生物样本进行研究。

本研究得到了Carlos III-Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) (PI18/00025)和加泰罗尼亚危重症护理学会(SOCMIC 2018)的资助。研究发起人在研究设计、数据收集、数据分析、数据解释或报告撰写中没有任何作用。通讯作者(JMC)有权访问研究中的所有数据，并对提交发表的决定负有最终责任。

作者指出

1. Irene Dot和Purificación Pérez-Terán对这项工作做出了同样的贡献

2. Joan Ramon Masclans和Judith Marin-Corral对这项工作做出了同样的贡献

作者和隶属关系

1. 西班牙巴塞罗那德尔马医院重症监护室

   Irene Dot, Purificación Pérez-Terán, Yolanda Díaz, Clara Vilà-Vilardell, Anna Salazar-Degracia, Joan Ramon Masclans & Judith Marin-Corral

2. 西班牙巴塞罗那德尔马尔调查医院研究所Mèdiques (IMIM)危重疾病研究组

   Irene Dot, Purificación Pérez-Terán, Yolanda Díaz, Clara Vilà-Vilardell, Anna Salazar-Degracia, Joan Ramon Masclans & Judith Marin-Corral

3. 西班牙巴塞罗那德尔马医院泌尿科

   阿尔伯特·弗朗西丝

4. 呼吸医学部-慢性呼吸疾病和肺癌中的肌肉损耗和恶病质研究组，德尔马尔调查研究所医院mèdiques (IMIM)，西班牙巴塞罗那

   Roberto Chalela, Esther Barreiro & Alberto Rodriguez-Fuster

5. 西班牙巴塞罗那，卡洛斯三研究所(ISCIII)， Investigación en Red de Enfermedades呼吸器中心(cieres)

   埃斯特·巴雷罗和阿尔贝托·罗德里格斯-福斯特

6. 西班牙巴塞罗那庞贝法布拉大学保健和实验科学系

   Yolanda Díaz, Roberto Chalela, Esther Barreiro和Joan Ramon Masclans

7. 西班牙巴塞罗那德尔马医院胸外科

   阿尔贝托Rodriguez-Fuster

8. 美国德克萨斯州圣安东尼奥市德克萨斯大学卫生学院肺部疾病与重症医学部

   Judith Marin-Corral

9. 西班牙巴塞罗那德尔玛医院呼吸科

   Roberto Chalela & Esther Barreiro

贡献

本次研究由ID、JMC、PPT和JRM共同构思和设计。ID、AF、RC、ARF和YD有助于患者招募和活检获得。ASD和JMC有助于活检实验分析。ID和PPT行横膈膜超声。ID、CVV和PPT有助于数据采集和分析。ID、JMC、PPT、EB、JRM做出了重要的智力贡献，积极参与了数据的解读。ID和JMC撰写了论文。所有作者都为论文的重要知识内容和最终稿件的批准做出了贡献。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Judith Marin-Corral．

伦理批准和同意参与

PSMAR机构审查委员会批准了原始研究(IRB Ref 2017/7183/I)。在纳入前，所有受试者或其近亲均获得知情同意。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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