功能残气量(Functional residual capacity , FRC)

【摘要】FRC是平静呼气后所有呼吸肌放松后存留在肺内的气量[1]。此时肺的弹性回缩力和胸廓向外回弹的力达到平衡，呼吸肌应该是完全放松的。在接受机械通气的危重病人，PEEP的水平决定了FRC，因此有学者认为也可以使用呼气末的肺容量(EELV) 来表示[2]。

【关键词】功能残气量(FRC)；呼气末的肺容量（EELV）；肺损伤;肺应变；

顺应性；肺血管阻力；机械功

1.FRC的正常值 

正常健康人FRC通常以坐姿或站姿测量并取决于性别、身高和年龄。显然通气患者的FRC不能与通过肺功能测试获得的FRC预测值相比较。以下公式是欧洲呼吸学会推荐的[3] ,可以很好的估计健康坐着人的FRC。

Ibanez和Raurich[4]显示，健康志愿者自发呼吸时从坐姿到仰卧姿势后FRC降低了25%.假设在5cmH2OPEEP下，健康肺的通气大约发生在FRC水平，那么我们发现机械通气但无肺部疾患的患者减少34%。这个额外的EELV降低（34%对25%）可能因为ICU患者使用镇静药物导致肌肉张力丧失。ARDS患者的FRC降低了58%，因此预测的FRC仅为42%。Dellamonica等人[5] ARDS患者的平均FRC为预测值的31%。中度至重度ARDS患者的FRC低于1.01.

2.FRC的测量技术

CT研究是FRC测定的金标准，但反复将患者运送至放射科治疗以及累积辐射暴露风险限制了连续CT的成像的使用。体积描记法价格昂贵，虽曾用于麻醉病人，但对危重患者仍不方便；氦稀释法可以广泛应用于机械通气患者，但是需要断开呼吸机的连接，病人面临肺泡塌陷的风险而且价格昂贵限制了在临床上的应用；多次呼吸洗出法由于体积庞大，吸入高浓度氧（Fi02100%)会对患者造成肺损伤。Stenqvist的团队[6]介绍的测量EELV的方法不会中断机械通气，这种简化和改良的氮气多次呼吸洗出技术已经成功的应用于儿童和成人[7]。用改良的氮气洗出/洗入技术测量EELV，Chiumello et al.[8]同CT扫描比较有很好的相关性， R2=0.89; P＜0.01。

3.FRC监测的意义

3.1应力和应变

3.1.1应力是指跨肺压；应变是指物体受力变形时，变形量与原尺寸的比值。

疾病状态下或者机械通气中不同PEEP条件下的肺容积：呼气末肺容积（EELV)；应变=潮气量/EELV，应变≠潮气量。

EELV不变，控制潮气量＝控制应变，潮气量不变，EELV降低50%，应变增加1倍。

Chiumello D,et al.2008;178(4):346.55

急性肺损伤（ALI)或急性呼吸窘迫综合征（ARDS)患者和对照组在6和12m/kg时的肺部的应变。受试者（开放圆）与ALI/ARDS（实心圆）归为一组在PEEP为5和15cmH2O时检测到肺部应变单个数值,黑色实线代表每组的平均值；虚线时肺应变为1和2画的。

3.1.2呼吸机引起的肺损伤是公认的机械通气的潜在副作用，通常归因于过度潮气量或气道压力。然而，容积伤和气压伤主要是由非生理性肺扩张或张力和应力引起的，这些应力在开放和闭合肺单位之间的界面作用于全局或局部。

Protti, Cressoni, Santini, et al.: VILI: Stress and Strain Thresholds

3.1.3机械通气患者肺的应变和生物反应。肺应变＜0.27被认为是低应变。肺组织可能对过度变形表现出生化反应，应变已被作为这种变形的标志。健康患者6名，ALI患者12名，测定BALF中的炎症因子，高应变患者（＞0.27），IL-6和IL-8是低应变者的4倍。细胞外基质的的重塑和加剧的促炎症反应为相关的发病机制。高应变组中的患者驱动压更高和更低的EELV。

研究标明患有AIL和高应变值的患者显示出肺泡炎症增加，应变的测量可能是解决生物肺对损伤和机械通气反应的相关参数。不管增加的应变是观察到的促炎症反应的原因还是结果，应变有助于识别高危患者，最严重的ALI病例可能受益于更积极地治疗。

3.1.4呼吸系统的顺应性与EELV呈正相关

Xie et al. Critical Care (2017) 21:23 DOI 10.1186/s13054-017-1600-x

应变＝VT/EELV  VS  驱动压＝VT/呼吸系统顺应性

顺应性越差，EELV越小；顺应性越好，EELV越大。驱动压与应变呈正相关，驱动压越高应变越大；在临床中EELV较难测量，我们可以用顺应性来代替EELV；顺应性与EELV具有相关性EELV≈50×顺应性；应变＝VT/50×顺应性＝1.5；VT＝13.5×顺应性。

由以上参数可知我们在优化潮气量设置时是根据顺应性来设置而不是根据理想体重6-8ml/kg,根据顺应性设置潮气量可能更具有合理性。在ARDS患者中FRC随呼吸系统的顺应性而降低。肺应变是具有不同呼吸系统顺应性水平的患者的潮气量的函数，以评估不同潮气量对不同呼吸系统顺应性水平的ARDS 患者肺应变的影响，以优化个体潮气量的设置。在呼吸系统顺应性高的患者中当潮气量达到10ml/kgPBW或更高时，应变也会超过安全范围。所以设置个体潮气量应基于呼吸系统的顺应性和应变，基于降低驱动压力的潮气量目标更合理。

肺应变随潮气量的增加的变化取决于EELV的变化。

 图1               图2                         

图1急性肺损伤（ALI)或急性呼吸窘迫综合征（ARDS)患者和对照组肺部压力和应变的关系。健康受试者（开放圆）和ALI/ARDS（实心圆）分到一组，平均数据点的一致性强调了这两个人群应力与应变关系的一致性。控制应力等于控制应变。

图2急性肺损伤（ALI)或急性呼吸窘迫综合征（ARDS)患者肺应力与应变在不同FRC分数（0-50%）下的关系。实心圆表示0%FRC的数值；开放圆10%FRC的数值；倒实心三角形20%FRC的数值；开放三角形30%FRC数值；实心方块40%FRC的数值；开放方块50%FRC数值。

由此我们可以根据FRC来优化呼吸机参数的设置，更精确的实施ARDS/ALI患者肺保护性通气策略。

3.2肺血管阻力（PVR）与功能残气量（FRC)

肺血管阻力（PVR)是右室后负荷主要决定因素。PVR受肺泡内血管和肺泡外血管阻力的共同影响。肺泡内血管主要是肺泡毛细血管，感知肺泡压作为其周围压；肺泡外血管主要指肺间质的小血管感知肺间质的压力二者均受肺容积的直接影响，却产生不同的效应。吸气时肺容积增加，肺泡血管产生的PVR升高，肺泡外血管产生的PVR降低，因此PVR取决于肺泡内外血管阻力的平衡：当肺容积处于功能残气位（FRC)时PVR最小。

肺泡内外血管与肺容积的关系     肺血管阻力与肺容积的关系

3.3机械功( Mechanical Power)与FRC

VILI的程度与机械呼吸机在一定时间内转移到呼吸系统的能量有关，也就是所谓的机械功率。在有控制的机械通气过程中，机械功率由临床医生在床边设置的参数组成。认识到机械功率可能反映导致VILI参数的组合，是优化重症患者机械通气重要的一步。导致VILI的主要机制是对肺泡毛细血管膜和细胞外基质(ECM)的直接损伤，以及机械转导，即将机械刺激转化为细胞内生化和分子信号。直接损伤和机械转导的程度可能取决于从机械呼吸机转移到患者肺部的功率大小。

通过改变EELV,PEEP能改变接受机械通气呼吸机释放的压力的肺表面积。机械功率对呼吸系统力学的影响可能取决于患者肺部的复张能力，如果PEEP的增加会导致驱动压力和呼吸系统的弹性降低，那么机械功率最终会下降；如果PEEP水平的增加并不能降低甚至增加驱动压力和呼吸系统的弹性阻力，机械功就会增加。

通过改变EELV, PEEP有能力改变能够接受机械呼吸机释放的压力的肺表面积。事实上，机械功率对呼吸系统力学的影响可能取决于患者肺部的招募能力。如果呼气末正压的增加会导致驱动压力和呼吸系统弹性的降低，那么机械功率最终会下降，反之亦然:如果PEEP水平的增加并不能降低甚至增加驾驶压力和呼吸系统弹性，机械动力就会增加。

 小结：FRC的监测在限制性通气障碍患者的机械通气过中有显著的治疗意义。通过结合呼吸力学监测可以有效地指导我们呼吸机参数的调整，优化呼吸机参数的设置，减少ARDS患者呼吸机相关性肺损伤的发生更好的指导肺复张及最PEEP的选择。

[1] Wanger J, Clausen JL, Coates A,et,al. Standardisation of the measurement of lung volumes. Eur Respir J. 2005 Sep;26(3):511-22.

[2] Bikker IG, van Bommel J, Reis Miranda D, Bakker J, Gommers D. End-expiratory lung volume during mechanical ventilation: a comparison with reference values and the effect of positive end-expiratory pressure in intensive care unit patients with different lung conditions. Crit Care 2008; 12: R145

[3]Stocks J, Quanjer PH. Reference values for residual volume, functional residual capacity and total volume measurements. Official Statement of The European Respiratory Society. Eur Respir J 1995; 8:492–506.

[4]Ibanez J, Raurich JM. Normal values of functional residual capacity in the sitting and supine positions. Intensive Care Med 1982; 8:173–177.

[5]Dellamonica J, Lerolle N, Sargentini C, et al. PEEP-induced changes in lung volume in acute respiratory distress syndrome. Two methods to estimate alveolar recruitment. Intensive Care Med 2011; 37:1595–1604.

[6]Olegard C, Sondergaard S, Houltz E, et al. Estimation of functional residual capacity at the bedside using standard monitoring equipment: a modified nitrogen washout/washin technique requiring a small change of the inspired oxygen fraction. Anesth Analg 2005; 101:206–212.

[7] Blankman P, Gommers D.Lung monitoring at the bedside in mechanically ventilated patients.Current  Opinion in Critical Care. 2012 Jun;18(3):261-6.

[8]Chiumello D, Cressoni M, Chierichetti M, et al. Nitrogen washout/washin,helium dilution and computed tomography in the assessment of end expiratory lung volume. Crit Care 2008; 12:R150.