1. 引言

急性呼吸窘迫综合征是(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是急性呼吸衰竭的一种常见临床综合征，由弥漫性肺部炎症和水肿引起[1]。2016年全球大型观察性研究显示，ARDS患者占ICU收住患者的10.4%，死亡率高达30%~50% [2]。ARDS可由多种原因诱发，其弥漫性肺泡–毛细血管屏障损伤的典型病理特征引起肺泡塌陷和/或肺泡水肿，造成通气–灌注不匹配和分流增加[1]。机械通气是ARDS患者的主要呼吸支持治疗之一，但其在改善肺泡塌陷或水肿的同时会加重肺损伤。因此评估通气效率在机械通气患者管理中有重要意义。死腔测量是评估通气效率的最准确的替代方法[3]，并且基于病理生理特点，死腔增加在ARDS患者普遍存在。此外研究显示死腔增加是ARDS患者死亡率增加和临床不良预后风险增加的因素之一，是ARDS死亡率的独立预测指标[3] [4]。但由于容积二氧化碳描记术(Vcap)测量方法实施受限以及计算繁琐，临床上很少进行死腔的直接测量。

通气比(ventilatory ratio, VR)是一种简单的床边测量通气效率的工具，由Sinha等人[5]首先提出，他

们定义 $\text{VR}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\times {\text{Pa}}_{{\text{CO}}_{2\text{measured}}}}{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\times {\text{Pa}}_{{\text{CO}}_{\text{2predicted}}}}$。VR是一个无单位的指标。一些研究表明，VR与死腔密切相关，其反

映ARDS患者死亡率的效能与死腔相似，可以作为死腔评估的替代方法[4] [6]。根据其生理学特性，VR受死腔和每分钟二氧化碳产量影响，并在各种临床试验及心肺模型中得到验证[3] [7] [8]。本文将就VR研究及其在ARDS中的应用进行综述，为ARDS患者通气管理及治疗提供借鉴。

2. 通气比计算公式

肺泡通气是潮气量中参与气体交换并决定通气效率的部分。人们认为高死腔通气肺单位或高通气血流比( ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\text{/Q}$)肺单位存在可能会导致高碳酸血症，而增加每分钟通气量( ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}$)能够增加体内二氧化碳清除，以维持动脉二氧化碳分压( ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ )不变[9]。说明 ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}$与 ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 之间存在密切关联。由此，Sinha等人提出了VR来描述通气效率，并定义为[5]：

$\text{VR}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\times {\text{Pa}}_{{\text{CO}}_{2\text{measured}}}}{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\times {\text{Pa}}_{{\text{CO}}_{2\text{predicted}}}}$(1)

其中 ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}=\text{PBW}\times 100\text{ml}/\min ，{\text{PaCO}}_{2\text{predicted}}=5\text{kPa}\approx 37.5\text{mmHg}$。

即对于某个患者来说，VR分母的预测值是一个固定值，则上述等式(1)可以简化为：

$\text{VR}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}\times {\text{PaCO}}_{2\text{measured}}}{\text{PBW}\times 100\times 37.5}$(2)

其次，将肺泡通气量( ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}$)占每分钟通气量中的比例定义为通气效率( $\text{E}$ )，则

$\begin{array}{c}\text{E}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}=1-\frac{{\text{V}}_{\text{D}}}{{\text{V}}_{\text{T}}}\end{array}$(3)

$\begin{array}{c}{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}{\text{E}}=\frac{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}{1-\frac{{\text{V}}_{\text{D}}}{{\text{V}}_{\text{T}}}}\end{array}$(4)

已知肺泡二氧化碳分压( ${\text{PACO}}_{\text{2}}$ )可以二氧化碳产生量( ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$)和 ${\stackrel{\dot{}}{V}}_A$ 方程表示，即

$\begin{array}{c}{\text{PACO}}_2=\frac{{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_2}{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}\times {\text{P}}_{\text{B}}\end{array}$(5)

假设 ${\text{PaCO}}_2={\text{PACO}}_2$ ，则

$\begin{array}{c}{\text{PaCO}}_{2\text{measured}}=\frac{{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{2\text{actual}}}{{}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}}\times {\text{P}}_{\text{B}}\end{array}$(6)

${\text{P}}_{\text{B}}$ ：代表大气压，对大部分患者为常数，将 ${}_{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}}$和 ${\text{PaCO}}_{2\text{measured}}$ 代入公式(2)，则

$\text{VR}=\frac{{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_2}{\text{E}}\times k=\frac{{\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_2}{1-\frac{{\text{V}}_{\text{D}}}{{\text{V}}_{\text{T}}}}\times k$(7)

由此通过每分钟通气量及动脉血气结果即可得到VR值。

可见，VR将因二氧化碳产生量( ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$)和生理死腔分数(VD/VT)的变化而变化，VR增加表示二氧化碳产量增加，死腔增大(通气效率降低)，或两者兼有。Sinha等人还分别就上述公式进行ICU患者、ARDS患者和生理模型进行验证，其结果与上述推论一致，且发现高VR与死亡率和不良结局正相关[3]-[5]。VR有希望作为床边预测的简易指标。

3. VR的影响因素

3.1. VD/VT和 $\stackrel{\dot{}}{V}C{O}_2$

根据VR的生理特性与方程意义，VR受到二氧化碳产量以及死腔的影响。根据公式(7)，当VD/VT恒定时，VR与 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$呈线性关系；当 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$恒定，即二氧化碳稳定产生时，VR与VD/VT呈近指数关系[3] [4] [10]。同时Sinha发现VR受VD/VT影响更大[7] [8]， ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$的影响相对较小。正常生理下，二氧化碳增加可以通过增加每分钟通气量来清除，但在ARDS中受到限制。这与ARDS患者每分钟通气受损或因肺保护而通气受限有关[10]。另外，使用体外支持技术如ECMO、ECCO 2 R时，体内大部分二氧化碳被清除，此时 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$的影响可能会增大，VR可能正常或减小，不能完全反映此时的死腔通气[10]。由于数学耦合的复杂性，VR与VD/VT之间的关系尚不能量化[11]，虽然VR可以评估通气效率，但不能作为估计死腔的替代方式。

3.2. 肺内分流(静脉混合)

由于肺泡二氧化碳分压( ${\text{PACO}}_{\text{2}}$ )近似于动脉二氧化碳分压( ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ )是VD/VT (Enghoff-Bohr)和VR共有的假设(见公式5)，忽略了静脉混合( ${\text{Q}}_{\text{va}}\text{/Q}$ )的影响，VR可能被高估[3] [4]。在健康成人中， ${\text{PACO}}_{\text{2}}$ 和 ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 仅相差0.1~0.4 kPa，但在ARDS中，由于分流， ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 可能远远大于 ${\text{PACO}}_{\text{2}}$ 。并且Maj等人发现这种 ${\text{PACO}}_{\text{2}}$ 与 ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 的差异随着 ${\text{Q}}_{\text{va}}\text{/Q}$ 和 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$的增加而增加，因此对于疾病严重程度更高的患者中，这种影响可能是主要因素[10]。

3.3. 呼吸末正压

呼吸末正压(PEEP)通过诱导的肺复张引起VR变化。对于肺复张潜力低的患者，在高PEEP时 ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 增加，VR增大。在肺复张不良的情况下，由于肺血管受压，肺泡死腔增加[12]，并且由于呼吸回路和气道中的气体压缩，气道死腔增加[13]。对于复张潜力高的患者，不适宜潮气量引起的过度通气可以通过复张得到缓解，从而改善通气–灌注不匹配，VR降低。

3.4. 氧合指标——PaO₂/FiO₂

PaO₂/FiO₂(P/F)是柏林定义中ARDS分级依据，反应肺部氧合功能。根据氧合与气体交换的密切相关性，氧合与二氧化碳清除之间存在相似生理学反应。机械通气FiO₂设置一定时，氧合降低引起PaO₂下降，肺内血管收缩，导致肺泡死腔增大，VR升高。相应的，ARDS的病理生理学特征表明通气受损是低氧血症的致病机制[14]。但研究表明PaO₂/FiO₂与VR相关性较差[3] [7]，VR可能反映肺部性能的其他信息。此外VR反映ARDS患者效能与柏林定义的标准相似，且相较于PaO₂/FiO₂对ARDS预测效果更好，有望鉴定ARDS患者的亚表型。

4. 通气比在急性呼吸窘迫综合征的应用

4.1. 作为结局预测指标

已有大量研究证明，VR是ARDS患者死亡率和预后的独立预测指标[3]-[5] [7] [8] [11]。在成人ARDS患者中，VR大于2可能与较高的死亡率相关[4] [7]。尽管受到肺内分流和 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$的影响，VR被高估，但结合Jayasimhan等人的荟萃分析[15]，我们认为VR对死亡率的预测价值仍存在。此外，另有研究发现VR早期变化轨迹也有助于判断ARDS患者预后[16]-[18]，并且VR与死亡率的这种关联在长期机械通气患者中仍成立[19]。由此可见，VR是一个相对稳健的临床床边评估指标。

4.2. 评估ARDS严重程度

越来越多的临床研究表明，VR与ARDS患者严重程度相关，将其纳入柏林定义可能会优化ARDS分层，增加预后预测可靠性[3] [4] [11] [20]。虽然目前缺乏大型随机对照试验验证，但其为我们提供了一个优化可能指标。当评估ARDS严重程度时，纳入VR可能帮助我们更好了解患者氧合受损与通气受损，更加全面地评估疾病严重程度。

4.3. 确定ARDS亚型的潜在能力

众所周知，ARDS患者通气管理的困难在于其存在广泛异质性。2023年7月发布的ARDS全球新定义扩充了柏林定义对ARDS的鉴定，新增了SpO₂/FiO₂作为诊断标准之一，并根据影像学(局灶性和弥漫性)、炎症反应(高炎症型和低炎症型)、呼吸力学等将ARDS分为不同亚表型，但对如何快速准确的分类没有给出标准[21]。有学者发现P/F无法鉴别局灶性与非局灶性ARDS，而当VR > 1.2时，可以帮助排除局灶性综合征，而P/F无法鉴别[22]。另有研究通过多种模型分析，发现在机械通气最初几天，存在VR和机械功率(MP)稳定轨迹和上升轨迹的两种亚型，且上升轨迹的ARDS患者对应更高的死亡率、更长机械通气时间以及更高静脉血栓风险，这可能与肺部更严重的灌注缺损匹配[23]。纳入VR确定ARDS亚表型可能有助于更加个体化的机械通气与治疗。

4.4. ARDS呼吸管理

俯卧位是目前中重度ARDS患者强烈推荐的治疗方法之一[24]，可以有效促进肺泡复张，减少腹侧肺泡死腔，从而改善氧合及高碳酸血症[25] [26]。但也可能带来血流动力学改变、压力性损伤、导管移位等并发症，增加疾病负担。因此，评估俯卧位通气有效性尤为重要。目前主要以P/F比值的改善来评价俯卧位有效性，但研究发现其可靠性较低，存在一定局限性。Tisminetzky等人发现接受俯卧位通气的ARDS患者24小时内通气比的相对下降与较低的ICU死亡率相关，而PaO₂/FiO₂、动态驱动压和 ${\text{PaCO}}_{\text{2}}$ 的变化未发现相关性[18]。此外，俯卧位4小时内VR的变化似乎与入ICU后28天呼吸机撤机独立相关[17]。即使对于普通机械通气患者，较高的VR也与机械通气时间延长有关，VR < 2似乎是无辅助呼吸所必需的[27]。可见，床边监测VR有助于临床医生判断俯卧位反应性，评估机械通气患者自主呼吸能力，帮助呼吸机撤机。

4.5. COVID-19相关ARDS应用

在COVID-19爆发后，15%~30%的人会继续发展为COVID-19相关的急性呼吸窘迫综合征(CARDS) [28]，由此引发学者对COVID-19相关ARDS的研究。CARDS患者的尸检发现与ARDS一致的弥漫性肺泡损伤，但肺毛细血管中的血栓负荷较高，放射学与形态测量分析也发现显著的肺血管变化[29]。在CARDS早期观察到高死腔通气[30]，这与其肺部渗出和肺血管微栓塞形成相符，并且更高的VR和上升趋势与更高的CARDS死亡率相关[29] [31] [32]。此外，在使用低潮气量CARDS患者中常出现高碳酸血症，此时VR增大，说明肺死腔增大和通气不足[33]。因此对于出现高碳酸血症的CARDS患者要高度怀疑肺死腔增大，此时可适当增加潮气量设置来纠正。

5. 通气比局限性

VR作为反映通气受损的评价指标，侧面反映死腔大小，但不是估计死腔分数的替代公式。正如前文所述，VR受到 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$、肺内分流等影响，尽管学者认为对早期ARDS患者来说，死腔作用大于 ${\stackrel{\dot{}}{\text{V}}CO}_{\text{2}}$，但在疾病严重程度高的患者中，由于代谢、药物、体外支持治疗等，这种影响不可忽略。另外，对于VR基于预测体重与理想二氧化碳分压的假设存在异质性，尤其对儿童来说，其生理参数随年龄和发育阶段变化较大，不能简单用预测体重来估算[34]。因此不同个体及病理状态下理想分钟通气量可能受到显著影响，导致VR准确性下降。

6. 小结

通气比是一个简易且可靠的床边评估通气效率的指标，对急性呼吸窘迫综合征患者的结局有较高的预测能力。与其他死腔替代指标相比，VR可以在床边快速获取，其简便性与有效性具有很大优势。尽管其存在一定局限性，将VR纳入常规管理有助于病情评估和更加个体化的通气管理与治疗。当然，目前VR在ARDS中的应用仍处于起步阶段，需要更多的临床研究进一步明确VR的可靠性，探索最佳阈值，以及联合其他指标的通气管理对ARDS预后的潜在有益性。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献