区域肺内压测量用仿生胸廓-肺模拟器的研制与技术表征

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Development and technical characterization of a biomimetic thorax simulator for regional intrapulmonary pressure measurement

　　

背景：机械通气（mechanical ventilation）是呼吸衰竭治疗的基石，但区域压力分布不均可导致局部肺应力及呼吸机相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury, VILI）。为准确研究这些动态过程，需要生理学上逼真的实验平台。然而，现有实验模型或依赖简化的机械肺模拟物，或缺乏测量空间分辨的肺内压动态的能力。
方法：采用含离体猪肺（ex vivo porcine lung）的仿生胸廓-肺模拟器，在压力控制机械通气（pressure-controlled mechanical ventilation）期间测量区域肺内压。肺置于气密胸廓腔内，在名义亚大气压基线压力下运行，并连接解剖学逼真的上气道模型。在七个解剖位置同时记录压力信号，包括气管、主支气管及上、下肺区域。在保持驱动压（driving pressure）15 mbar不变的情况下，于0至20 mbar的呼气末正压（positive end-expiratory pressure, PEEP）水平进行通气。分析区域压力传输、压力轨迹滞后（pressure-trajectory hysteresis）及Poincaré派生离散度（Poincaré-derived dispersion），并结合潮气量（tidal volume, V_T）和动态系统顺应性（dynamic system compliance, C_dyn）。
结果：该平台能够在所有研究的通气设置下同时采集区域肺内压信号、气道压、流量和腔压。重复测量显示较高的样本内技术可重复性，重复的区域压力中位数差异约0.02 mbar。区域压力衰减、压力-流量指数及气管至区域回归参数作为压力传输的工程指标被推导。潮气量和动态系统顺应性由同步流量和气管压力信号重建。在所研究标本中，低PEEP下外周区域表现出比高PEEP条件更大的压力轨迹滞后和压力状态离散。
结论：所开发平台能够在受控机械通气下同步测量区域肺内压，并显示出较高的短期样本内可重复性。在所研究标本中，静态压力传输大体均匀，而区域压力轨迹动力学在中央和外周测量位点间存在差异，尤其在低PEEP时。在本标本中，PEEP升高与区域压力轨迹滞后和变异性降低相关。这些发现证明该平台的技术可行性，并为后续在更多标本中及对照独立生理参考数据进行验证提供基础。

研究背景与问题：机械通气（mechanical ventilation）是急慢性呼吸衰竭的重要治疗手段，但机械应力与应变可参与呼吸机相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury, VILI）。作用于肺组织的扩张力为跨肺压（transpulmonary pressure），即肺泡压与胸膜压之差，是肺膨胀和肺力学的重要决定因素。肺膨胀并非空间均匀，区域跨肺压梯度可由重力、解剖差异及胸廓-肺系统机械异质性产生，并导致通气分布不均及局部过度膨胀或塌陷。保护性通气策略以限制机械应力与应变为目标，低潮气量（tidal volume, V_T）通气、驱动压（driving pressure）和机械功率等指标具有临床价值，但其源于全局气道测量，不能捕捉肺内压力和应力的区域分布。食管压测量可估计胸膜压并指导呼气末正压（positive end-expiratory pressure, PEEP）和跨肺压目标滴定，但仅反映邻近食管有限区域的胸膜条件，可能不能准确代表依赖区或外周区。现有主动肺模拟器可控性高但依赖简化机械肺模拟物，难以复现解剖结构、气道分支和生物肺异质力学行为；离体生物肺保留气道几何和组织力学，但仪器和信号采集标准化不足，且多数离体肺研究采用无生理胸廓边界条件的正压通气，仅测气道压或全局呼吸力学，直接测量区域肺内压者仍少。因此，研究人员开发结合离体猪肺、受控胸外亚大气压边界条件和同步区域压力采集的仿生胸廓-肺模拟器，旨在建立并技术表征该平台，在不同PEEP下研究区域压力传输、压力轨迹滞后（pressure-trajectory hysteresis）和压力状态离散，并评估样本内重复性及全局通气派生指标；该研究为单标本技术可行性研究，不用于建立普遍生理反应或验证PEEP治疗策略。
关键技术方法（不超过250字）：研究使用单个商业保存离体猪肺标本，其组织来源于常规食品生产链，无需动物实验伦理批准。肺置于气密胸廓腔并连接解剖学上气道模型，采用Hamilton C2在DuoPAP压力控制通气模式下通气，驱动压保持15 mbar，PEEP依次为0、5、7、10、15、20 mbar，最后回到PEEP 0；每个条件记录4 min并重复3次。胸廓腔由真空泵维持约?7 mbar名义亚大气压基线。七通道PSC8压力扫描仪以100 Hz测量气管、左右主支气管及双肺上、下叶区域压力；FlowAnalyser PF 300 PRO同步记录气道压和气流；TDMS与LOG数据经互相关同步并插值至共同时间基，随后进行自动呼吸相位检测、区域压力衰减、压力-流量指数、气管至区域回归、压力轨迹滞后、Poincaré SD₁/SD₂分析，以及V_T和C_dyn重建。统计以描述性为主，重复测量视为同一标本内的技术重复。
研究结果：3.1 系统运行与同步信号采集：系统在所有通气条件下同步采集七路区域肺内压、气道压、气流和腔压；独立记录经互相关同步并插值至共同时间基，自动呼吸相位检测提供可重复的吸气和呼气段。3.2 腔压稳定性与全局通气派生指标：名义腔压约?7 mbar，三次重复的腔压总结值范围为?7.165至?7.806 mbar；呼气时接近负基线（?7.482 ± 0.232 mbar），吸气时因密封腔内肺膨胀引起短暂正向偏移，可达+1.822 ± 0.303 mbar；V_T中位数约263.5–294.1 mL，C_dyn约19.4–21.2 mL/mbar。3.3 区域肺内压动态分布：七位点同时记录，三次重复的区域压力中位数差约0.02 mbar；随PEEP升高，吸气与呼气压力均升高，PEEP 0时吸气压力约14–15 mbar，PEEP 20时约32–33 mbar；绝对肺内压空间分布大体均匀，支气管与肺叶位点差多低于约1–2 mbar；ΔP多为约12–15 mbar，低PEEP时区域间ΔP差可达约3–4 mbar，以左下叶最高，较高PEEP时区域差异变小。3.4 相对气管压的压力传输：多数区域和条件下气管至区域压力梯度较小，通常低于1 mbar，支气管位点偏差最小；低PEEP时外周区域偏差稍大，左下叶PEEP 0时吸气压力高于气管压约3.2 mbar、呼气压力低于气管压约1.0 mbar；随PEEP升高，区域压力梯度降低并更均匀。3.5 呼吸周期区域滞后：以归一化吸呼气压力轨迹间面积作为无量纲压力轨迹滞后指数；支气管位点吸呼气轨迹几乎重叠，滞后最小；肺叶区域存在可测分离，低PEEP时更明显。3.5.1 下叶：下叶滞后最明显，右下叶各条件均有分离且低PEEP最大；左下叶PEEP 0归一化滞后面积最大（0.380），PEEP 5降至0.051并在后续PEEP保持较低。3.5.2 上叶：上叶呈中等滞后，低PEEP时轻度分离，随PEEP升高逐渐对齐。3.5.3 支气管区域：左右主支气管在所有通气条件下吸呼气轨迹几乎重叠，滞后极小。3.5.4 Poincaré派生区域压力离散：以ΔSD=SD₁/SD₂描述压力状态离散；低PEEP时外周分布较宽，随PEEP升高变窄；左下叶PEEP 0时SD₁=2.612 mbar、SD₂=4.352 mbar、ΔSD=0.600，PEEP 5–20时ΔSD仅0.049–0.059；右下叶亦有较小降低，上叶变化较小，支气管分布紧凑。3.5.5 先前高PEEP暴露对区域压力滞后的影响：PEEP 20后回到PEEP 0，外周区域滞后降低，左下叶归一化滞后面积由0.380降至0.042，吸呼气轨迹近乎重叠；上叶和支气管变化小，右下叶降低较小；在相同名义PEEP下区域压力行为依赖先前机械历史，原文认为这与历史依赖机械效应一致，可能反映先前不稳定外周肺腔的持续开放或复张，但未直接测量肺泡复张。
讨论总结与研究结论：讨论认为，本研究建立了受控机械通气下同步测量区域肺内压的技术平台，结合生物气道解剖、区域压力传感、同步气流测量和定义胸外压环境，可直接表征离体肺空间压力传输；应将其解释为系统开发和可行性研究，而非肺模型的生理验证。平台可推导区域压力衰减、压力-流量指数、气管至区域回归参数、压力轨迹滞后、Poincaré派生离散度、V_T和C_dyn等工程指标。由于全部测量来自单一样本且无独立体内参考标准，结果不建立生物重复性或普遍生理有效性，区域差异应视为标本特异性技术观察。在所研究标本中，静态压力传输相对均匀，动态压力轨迹行为在中央与外周区域不同；PEEP升高与区域压力差减小、压力轨迹滞后降低及Poincaré离散改变相关。区域压力传输方面，胸廓腔提供定义明确的工程边界条件，而非复现生理胸膜压波形；多数位点与气管压耦合紧密，低PEEP时外周偏差最大，但不能归因于特定生理机制，其随PEEP升高而减小及高PEEP后持续变化与历史依赖外周肺力学一致。滞后和变异性方面，滞后指标为无量纲指数，不代表机械功或能量耗散，不能与常规压力-容积滞后定量比较；其方向与既往离体肺和ARDS区域开放/关闭压研究定性一致，Poincaré结果仅作压力状态离散的探索性描述。高PEEP后效应方面，PEEP 20后回到0时左下叶滞后明显降低，符合历史依赖机械效应，可能反映先前不稳定外周肺腔持续开放或复张。综合而言，平台能区分区域压力传输的静态和动态方面，支持技术敏感性和生理合理性，但不建立普遍复张或去复张机制。局限包括离体模型缺乏肺灌注、细胞代谢、呼吸肌活动和生理胸壁力学，保存标本可能改变组织顺应性、黏弹性和区域力学，气密腔缺乏液体耦合胸膜界面，离散位点不能捕获连续空间压力分布，未直接测区域肺容积、肺泡开放和组织变形，滞后和Poincaré指标为工程或探索性指标，且单标本重复仅代表技术样本内重复性。研究结论翻译：本研究证明仿生离体胸廓-肺模拟器用于受控机械通气期间同步区域肺内压测量的技术可行性。测量系统实现稳定的多通道压力采集、独立记录的压力与气流信号同步、V_T和C_dyn重建，以及不同PEEP条件下可重复的样本内测量。重复测量显示较高的短期技术可重复性，重复的区域压力中位数差约0.02 mbar。腔压监测显示约?7 mbar的可重复亚大气压基线，并叠加呼吸周期依赖的压力偏移。在所研究标本中，绝对压力传输相对均匀，而动态压力行为在中央和外周测量区域间不同；低PEEP时外周区域表现出更大的压力轨迹滞后和Poincaré派生压力状态离散，二者在较高PEEP下降低。先前暴露于PEEP 20 mbar后，回到PEEP 0 mbar时区域压力行为仍发生改变，提示外周肺力学存在历史依赖性变化；该发现可能与先前不稳定外周腔的持续开放或复张一致，但未直接测量肺泡复张。所观察到的压力依赖性和历史依赖性变化与既往肺滞后及复张相关机械行为的实验观察定性一致；然而，由于本研究使用单个保存离体猪肺标本且无独立生理参考标准，这些观察应解释为标本特异性技术发现，而非普遍生理机制证据。该平台为后续涉及多个生物标本、互补区域影像或体积测量、疾病模型及对照独立离体或体内参考数据的验证研究提供技术和方法学基础。