在双肺通气条件下进行全身麻醉时所需的FiO2水平：一项前瞻性初步研究

《Frontiers in Medicine》：FiO2 requirements during general anesthesia with dual-lung ventilation: a prospective pilot study

　　摘要
背景：在全身麻醉过程中，高氧血症和长时间暴露于氧气是很常见的现象。然而，对于接受双肺通气全身麻醉的患者而言，FiO2与PaO2之间的关系仍不明确。这项前瞻性初步研究旨在探讨这一关系。

方法：本研究招募了50名患者，采用自我对照的前瞻性初步设计。应用了标准容量控制通气策略，气管插管后立即将FiO2设定为0.3。随后FiO2逐步增加0.1，直到达到0.6，然后再增加到0.8。每个FiO2水平维持至少30分钟，之后抽取血液样本进行血气分析。

结果：Rmcorr分析显示FiO2与PaO2之间存在显著相关性（p<0.001）。相关系数（r）为0.967，模型收敛性良好，梯度值为0.00003。当FiO2为40%时，78.0%的患者PaO2保持在100–200 mmHg范围内；而在FiO2为50%时，超过68.0%的患者PaO2超过200 mmHg。Rmcorr分析还显示FiO2与PaO2/FiO2之间存在较弱但具有统计意义的相关性（r=0.290；p<0.001）。

结论：在双肺通气全身麻醉过程中，FiO2与PaO2之间存在显著的线性相关性。根据本前瞻性初步研究的结果，维持40%的FiO2通常足以使大多数患者的PaO2水平达到100–200 mmHg，除非有特定的临床需求。重要的是，在大多数接受双肺通气全身麻醉的患者中，FiO2无需超过50%。

临床试验注册：http://www.chictr.org.cn，标识符ChiCTR2500095383

引言
在全身麻醉的患者中，肺部肺不张的发生率超过90%，高吸氧分数（FiO2）被认为是主要促成因素之一（1）。最近的随机临床试验（2）和回顾性研究（1）强调了术中较高FiO2与重大呼吸并发症和死亡率增加之间的关联，这种关联往往具有剂量依赖性。这些发现表明，术中FiO2应谨慎调整至略高于维持适当动脉氧饱和度所需的水平（2）。
英国胸科学会指南（3）建议根据需要调整FiO2以达到正常PaO2水平，因为除非高FiO2有明确的临床益处，否则在患者中通常观察到超出生理范围的氧浓度。进一步的研究表明，术中PaO2应维持在100–200 mmHg范围内（4）。然而，临床实践中最常用的氧饱和度（SpO2）监测方法对动脉血氧水平（PaO2）的洞察力有限，尤其是在全身麻醉期间SpO2≥98%时（4）。此外，虽然动脉血气（ABG）分析提供有价值的信息，但它具有侵入性，并不是所有患者都必需的。
已提出多种理论模型（5–10）来预测FiO2与PaO2之间的关系。然而，这些模型大多未在临床实践中得到广泛接受，且通常适用于接受各种通气方式支持的ICU患者。
一项多中心横断面观察性研究（11）也发现，在全身麻醉过程中高氧血症和过度暴露于氧气很常见。尽管如此，接受双肺通气全身麻醉的患者中FiO2与PaO2之间的精确关系仍不清楚。因此，我们进行了这项前瞻性初步研究以进一步探究这一关系。

方法
本研究得到了浙江省人民医院伦理委员会的批准，于2025年1月7日至2月18日在该医院进行。
符合条件的患者年龄在18岁以上，美国麻醉医师学会（ASA）体力状况为I-III级，计划接受预计持续时间超过3小时的全身麻醉手术。所有患者均需进行桡动脉穿刺和中心静脉插管，且术前PaO2>60 mmHg。
排除标准包括紧急手术、既往肺部手术、需要非侵入性氧气治疗、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、急性呼吸衰竭（包括急性肺损伤、肺炎或急性呼吸窘迫综合征）、严重心脏疾病或持续的血流动力学不稳定、需要肾替代治疗（CRRT）、脓毒症或脓毒性休克、进行中的神经肌肉疾病、怀孕、参与其他临床试验或拒绝参与。

麻醉和监测
在麻醉诱导前，插入了颈内静脉导管和桡动脉导管。标准麻醉监测包括SpO2、ECG、动脉血压、心率（HR）、呼气末二氧化碳（EtCO2）和双谱指数（BIS），所有数据均由Datex Ohmeda S/5 Avance监测仪（GE Healthcare，芬兰赫尔辛基）记录。
输注晶体液（12–15 mL/kg/h）和血管活性药物，以将平均动脉压（MAP）维持在患者基线血压的80%-90%，基线血压是指手术前平静状态下的血压。根据需要，通过补充胶体液来补偿失血和麻醉引起的血管扩张。
常规麻醉诱导使用静脉注射右美托咪定（1 μg/kg）或咪达唑仑（0.05–0.075 mg/kg）、顺阿曲库铵（0.2 mg/kg）和丙泊酚（2–3 mg/kg）以及舒芬太尼（0.1–0.3 μg/kg）以促进气管插管。麻醉维持使用丙泊酚、乙氟醚，并通过持续输注舒芬太尼使双谱指数（BIS）维持在40–50之间，直至皮肤缝合完成。顺阿曲库铵（0.1 mg/kg）每小时给药一次，最后一次给药在手术结束前至少1小时。在停止使用舒芬太尼前，给予舒芬太尼（0.1 μg/kg）和氟比洛芬醋酸酯（50 mg）。

盲法操作
一名遵循研究方案的麻醉医师负责实施麻醉以及术前、术中和术后监护室（PACU）期间的血液采样和检测。尽管该麻醉医师了解术中通气策略，但不参与数据收集或术后随访。数据收集由专职随访人员完成，统计分析由对数据收集过程不知情的统计学家进行。

术中呼吸参数设置和调整
采用容量控制通气策略，潮气量设定为理想体重的8 mL/kg，吸呼比设置为1:2。理想体重（IBW）通过以下公式计算（12）：女性为45.5 + 0.91×（身高 - 152.4）厘米，男性为50 + 0.91×（身高 - 152.4）厘米。混合气流限制在2–3 L/min，调整呼吸频率以维持EtCO2在35–45 mmHg范围内。未应用正压呼吸末通气（PEEP），但采用了肺复张 maneuver（RMs）（13, 14），在气管插管后及研究期间每次 ventilator 中断时及时处理潜在的肺不张。

FiO2设置
气管插管后立即将FiO2设定为0.3，然后逐步增加0.1，直到达到0.6，最后增加到0.8。每个FiO2水平维持至少30分钟后再抽取血液样本。随后根据需要调整FiO2，以维持PaO2在100–200 mmHg范围内。最终FiO2值记录在麻醉机监测仪上。

血气分析（BGA）
通过桡动脉导管将血液样本收集到1 mL肝素化注射器中，并立即使用Siemens Rapidpoint 405血氧饱和度仪（Siemens，德国慕尼黑）在手术室的卫星实验室进行分析。分析仪每6小时自动校准一次。为确保准确性，血液样本在采集后迅速脱气、混合并进行分析。主要检测指标是PaO2，同时记录PaO2/FiO2比值、SpO2、血红蛋白（Hb）及其他相关参数，数据由独立研究人员收集。

样本量计算
基于先前的类似研究（4, 15），我们估计50名患者对于这项前瞻性自我对照初步研究是足够的。虽然实际只招募了50名患者，但每位患者接受了五次干预和相应的结局检测，相当于相当于250名患者的数据量。

统计分析
使用R软件（版本4.4.0）进行统计分析。正态变量表示为均值±标准差（SD），非正态分布的变量表示为中位数（四分位数范围）。多变量受限立方样条（RCS）用于评估连续变量之间的线性关系。首先使用重复测量相关系数（rmcorr）分析FiO2与PaO2之间的相关性，计算相关系数（r），并根据r值的大小评估两者之间的相关强度。为了进一步量化FiO2对PaO2的影响，构建了线性混合效应模型。模型以PaO2为因变量，FiO2为固定效应，加入患者的随机截距和FiO2的随机斜率[公式：PO2 = ~FiO2 + (1 + FiO2 ID)]，以解释个体差异和患者间的异质反应。为控制潜在混杂因素的影响，根据基本模型逐步引入了年龄、性别、PCO2、PEEP、体温、pH值、HCT以及是否为腹腔镜手术等临床相关协变量，以提高模型精度和减少残差变异。模型拟合采用受限最大似然（REML）方法。通过梯度值评估模型收敛性，收敛标准设定为最大梯度绝对值小于0.002。统计显著性设定为双侧α=0.05。连续变量表示为均值±标准差或中位数（四分位数范围），分类变量表示为频率（百分比）。

结果
最初共有73名患者被招募参与研究，最终分析包括50名患者，如图1所示。参与者平均年龄为62岁，56%为男性。大多数患者（70%）被归类为ASA体力状况II级。此外，50%的患者接受了腹腔镜手术。手术时间和机械通气时间详细见表1。

图1
报告规范整合流程图

表1
术前特征
n = 50
年龄（岁）62 ± 12
性别（男）[n (%)] 28 (56)
体重（kg）61 ± 11
身高（cm）164 ± 8
ASA等级（I/II/III）[n] 3/35/12
共病 [n (%)]
高血压 20 (40)
糖尿病 3 (6)
贫血 1 (2)
手术类型（%）
腹部手术 16 (32)
神经外科 4 (8)
妇科 2 (4)
泌尿外科 7 (14)
骨科 21 (42)
腹腔镜手术（%）25 (50)
机器人辅助腹腔镜手术（%）7 (14)

手术特征
机械通气时间（分钟）183 ± 52
手术时间（分钟）165 ± 46
总静脉输液量（ml）1075 ± 249
失血量 310 ± 383

全身麻醉患者的基线特征（n = 50）

FiO2与PaO2之间的关系
Rmcorr分析显示FiO2与PaO2之间存在显著相关性（p<0.001）（表2）。相关系数（r）为0.967，表明预测准确性超过80%。FiO2与PaO2之间的关系由线性混合效应模型描述：Y = –18.4 + 4.8×X（其中Y=PaO2，X=FiO2）（图2和表2）。研究发现，FiO2在25%–46%范围内可维持PaO2在100–200 mmHg范围内。模型收敛性良好，梯度值为0.00003。模型协变量的固定效应总结见补充表S1。

表2
腹腔镜手术 非腹腔镜手术
Rmcorr分析
r 0.967 0.944
0.988
95% CI 0.956–0.975 0.926–0.958
0.985–0.991
df 19 11 89
p值 <0.001 <0.001 <0.001
LMM: PO2 ~ FiO2 + (1 + FiO2|ID)
p值 <0.001 <0.001 <0.001
FiO2斜率 4.809 74.38
4.384 5.218
截距 –18.449 –3.911 –32.406

预测方程
Y = –18.4 + 4.8×X
Y = –3.9 + 4.4×X
Y = –32.4 + 5.2×X
梯度值 0.00003 0.00003 0.00003

图2
FiO2与PaO2之间的rmcorr相关性分析

当FiO2为40%时，78.0%的患者PaO2保持在100–200 mmHg范围内；而在FiO2为21%时，82.2%的患者的PaO2低于100 mmHg；而在FiO2为50%时，超过68.0%的患者的PaO2超过200 mmHg（表3，图3A）。

表3
FiO2 (mmHg) n (%)
PaO2 (mmHg) n (%)
<100 37 (82.2%)
100–200 8 (17.8%)
>200 0 (0%)
300–400 17 (37.8%)
400–500 24 (53.3%)
>500 13 (26.5%)

FiO2与PaO2/FiO2的关系
Rmcorr分析显示FiO2与PaO2/FiO2之间存在弱但具有统计意义的相关性（r=0.290；95% CI：0.155–0.414；df=191；p<0.001；图4A）。调整后的受限立方样条（RCS）分析显示FiO2与PaO2/FiO2之间没有显著的非线性关联（P值=0.255；图4B）。

图4
(A) FiO2与PaO2之间的rmcorr相关性分析；
(B) FiO2与PaO2/FiO2的RCS分析

在FiO2为40%时，78.0%的患者PaO2保持在100–200 mmHg范围内；而在FiO2为21%时，82.2%的患者的PaO2低于100 mmHg；而在FiO2为50%时，超过68.0%的患者的PaO2超过200 mmHg（表3，图3A）。

表3
不同FiO2水平下的PaO2和PaO2/FiO2分布

腹腔镜手术与非腹腔镜手术的比较
在腹腔镜手术患者中，描述FiO2与PaO2关系的线性混合效应模型为：Y = –3.9 + 4.4×X。FiO2在24%–46%范围内可维持PaO2在100–200 mmHg范围内。
对于非腹腔镜手术，关系为：Y = –32.4 + 5.2×X。FiO2在25%–45%范围内也能实现类似的PaO2控制（表2）。两种模型的收敛性均良好（梯度=0.00003）。

FiO2与PaO2/FiO2之间的关系
Rmcorr分析显示FiO2与PaO2/FiO2之间存在弱但具有统计意义的相关性（r=0.290；95% CI：0.155–0.414；df=191；p<0.001；图4A）。调整后的受限立方样条（RCS）分析未显示FiO2与PaO2/FiO2之间有显著的非线性关联（P值=0.255；图4B）。

图4(A) FiO2与PaO2/FiO2之间的rmcorr相关性分析；
(B) FiO2与PaO2/FiO2的RCS分析

在FiO2为30%时，12.2%的患者的PaO2/FiO2比值低于300 mmHg，表明存在肺气体交换功能障碍；在FiO2为50%时为6.0%；在FiO2为60%时仅为2.0%。然而，PaO2/FiO2在正常范围（400–500 mmHg）内的患者比例并未随FiO2升高而显著增加（p>0.05），在40%–80%范围内保持在46.0%–59.1%之间。当FiO2 ≥50%时，超过26.0%的患者表现出PaO2/FiO2值超过500 mmHg（表3，图3B）。血气分析（BGA）的详细结果见于补充表S2。在不同FiO2组中观察到了PaO2的显著差异。

讨论
我们观察到，在使用双肺通气的全身麻醉过程中，FiO2与PaO2之间存在显著的线性相关关系。在FiO2为40%时，78.0%的患者PaO2保持在100至200 mmHg之间；而在FiO2为50%时，超过68.0%的患者PaO2超过了200 mmHg。我们的研究结果表明，对于大多数患者来说，维持FiO2在40%通常足以达到PaO2水平在100–200 mmHg之间，除非有特定的临床条件需要其他设置。重要的是，在使用双肺通气的多数全身麻醉患者中，FiO2不必超过50%。

健康成年人的正常PaO2通常在80至100 mmHg之间，这是检测手术中组织和器官缺氧的关键指标。根据氧解离曲线，当SpO2达到99%–100%时，PaO2约为160 mmHg。正常人肺的氧合指数为400–500（PaO2/FiO2），这意味着需要理论上的FiO2在32%–40%之间才能使PaO2达到约160 mmHg。我们的研究结果进一步表明，维持FiO2在25%至46%之间可以有效将PaO2保持在100–200 mmHg范围内。

一项多中心横断面研究（11）指出，在全身麻醉期间高氧血症和过度氧暴露较为普遍。世界卫生组织（WHO）和疾病控制与预防中心（CDC）最近建议在手术期间及术后立即将FiO2维持在80%，以降低手术部位感染（SSI）的风险（16）。然而，人们对高FiO2的潜在不良影响表示担忧，一些指南现在建议将FiO2维持≤0.4（17）。《Miller’s Anesthesiology》（18）指出，无论是自发通气还是机械通气，麻醉通常都会损害肺功能。传统的做法是在机械通气期间将FiO2维持在0.3至0.4之间，因为较高的浓度可能导致肺不张。

我们的研究支持了这种方法，表明将FiO2维持在中等范围内可以防止过度氧暴露并优化氧合。我们的分析显示FiO2与PaO2之间存在显著的线性相关关系，rmcorr分析中的R值为0.967。一些理论模型（5–8）试图预测FiO2与PaO2之间的关系，但这些模型大多是为接受各种通气模式（例如，容量控制、压力控制通气）的ICU患者设计的。这些模型可能不直接适用于术中环境，因为在术中不同的通气策略可能会影响通气/灌注匹配、心输出量和静脉氧饱和度（SvO2），这可能会影响预测的准确性。此外，像Al-Otaibi和Hardman这样的模型关注的是较窄的FiO2范围（40%–60%）（9, 10），并且没有研究系统地探讨过术中氧治疗的保守方法。我们的临床发现为此提供了有价值的数据，证实了全身麻醉期间FiO2与PaO2之间的线性关系。我们还注意到，尽管FiO2发生了变化，SpO2仍然保持在较高水平并且接近饱和度，这突显了SpO2监测的局限性，但也表明仅依赖SpO2可能会掩盖高氧血症的情况。

在这项研究中，我们在重复测量和限制性三次样条分析中观察到FiO2与PaO2/FiO2之间的相关性较弱。首先，PaO2/FiO2比率在评估肺气体交换方面更具信息量，特别是在存在通气-灌注（V/Q）不匹配或扩散障碍的患者中。在这种情况下，PaO2可能不会随着FiO2的增加而相应增加，这表明可能存在扩散限制或肺泡分流，而不是氧气输送不足。其次，较高FiO2水平下PaO2/FiO2没有线性增加，可能反映了生理饱和效应，包括氧-血红蛋白解离曲线的平台期。类似的发现也出现在围手术期和重症监护研究中，这些研究表明增加FiO2往往不能按比例改善PaO2，甚至可能加剧V/Q不匹配（19, 20）。

最后，先前的研究表明，在ICU患者中，FiO2变化后通常需要5–10分钟的时间让PaO2达到平衡（21）。在这项研究中，每个FiO2水平至少保持了30分钟，为PaO2在FiO2变化后稳定提供了充足的时间。

一项涉及350,647名患者的大型观察性队列研究显示，手术期间暴露于高于生理浓度的氧气与肾脏、心肌和肺部损伤的发生率增加有关（22）。许多研究还将高术中FiO2与心脏（23）和肺部并发症（24）的风险增加联系起来，而其他研究则没有发现这种关联（16, 25）。即使在麻醉诱导期间常规使用100%的氧气进行预充氧，也可能导致肺不张（26），因此建议在诱导后降低FiO2以减轻进一步的肺不张形成（27）。如果术中FiO2超过了维持适当SpO2所需的水平，高FiO2可能会掩盖氧合状况的恶化（28）。几项回顾性研究还表明，术中FiO2与术后呼吸并发症或30天死亡率之间存在剂量依赖性关系（1, 29）。然而，当前研究并未探讨FiO2对临床结果的影响，因为这超出了当前研究的范围。

该研究重点关注FiO2–PaO2的相关性，但未评估以患者为中心的结果（例如，术后肺不张、SSI或呼吸死亡率），因此对临床氧治疗决策提供的指导有限。然而，最近的随机临床试验（2）和回顾性研究（1）强调了术中FiO2升高与主要呼吸并发症和死亡率增加之间的关联，这种关联通常是剂量依赖性的。因此，这项前瞻性试点研究旨在探索使用体积控制通气策略进行全身麻醉的患者中FiO2与PaO2之间的生理相关性。

临床上，这些结果强调了个性化氧治疗的必要性，而不是在麻醉和机械通气期间常规使用高FiO2。将PaO2目标维持在100至200 mmHg之间可能既能提供足够的氧合，又能最小化高氧相关的损伤。未来的研究应旨在开发基于生理学的实时FiO2调整策略，结合连续气体交换监测、动态顺应性和分流估计，以优化术期的氧输送。

局限性
这项研究有几个局限性。首先，它是在一个中心进行的，并且涵盖了相对特定的患者群体（ASA身体状况I–III级、选择性手术和双肺通气），这限制了研究结果在更广泛临床环境中的普遍性，包括急诊手术或重症患者。此外，由于排除了肺部疾病的患者，因此结果不能推广到那些肺功能受损的个体，这些个体往往更容易出现氧合异常。未来的研究应包括这类患者，以确定吸入氧分数（FiO2）与动脉氧张力（PaO2）之间的关系是否在肺功能受损的患者中有所不同。值得注意的是，动脉血气（ABG）分析通常在重症患者或肺部疾病患者中进行，这可能有助于更精确地调整FiO2以达到正常氧合。

其次，尽管对体温、血红蛋白浓度和pH值进行了调整，但其他重要的生理变量（如心输出量、肺顺应性和通气-灌注不匹配）没有进行评估，这些变量可能会影响PaO2的测量结果。尽管如此，这是一项自我对照研究，每位患者在不同的FiO2条件下都作为自己的对照，从而最小化了个体间差异。因此，基线临床特征（包括吸烟史、动态肺顺应性、肺内分流分数和术中麻醉设置）在每个FiO2条件下保持一致。

第三，结果可能与其他通气模式（压力控制、自主呼吸）不同，但体积控制通气策略是最常用的模式。第四，在这项研究中，FiO2是从0.3逐步增加到0.8的。因此，无法评估超出这一范围的FiO2与PaO2之间的关系。最后，作为一项仅有50名患者的单中心试点研究，结果的外部有效性可能有限。尽管只招募了50名参与者，但每位患者都进行了六次血气评估，共获得300个数据点，这为构建可靠的模型提供了足够的统计功效。需要多中心研究，涉及更多患者群体和临床环境，以及添加术后呼吸并发症、机械通气持续时间或肺损伤标志物，以将生理发现与临床相关性联系起来。

结论
在使用双肺通气的全身麻醉过程中，FiO2与PaO2之间存在显著的线性相关关系。在这项前瞻性试点研究中，我们的研究结果表明，对于大多数患者来说，维持FiO2在40%通常足以达到PaO2水平在100–200 mmHg之间，除非有特定的临床条件需要其他设置。重要的是，在使用双肺通气的多数全身麻醉患者中，FiO2不必超过50%。