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使用床旁超声测量膈肌厚度与功能

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DOI：

10.3791/65431

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2023年11月3日

 ,  ,  , 
1Toronto General Hospital Research Institute, 2Interdepartmental Division of Critical Care Medicine, University of Toronto, 3Department of Physiology, Faculty of Medicine, University of Toronto, 4Deparatment of Intensive Care Medicine, Nepean Hospital, 5Division of Respirology, Department of Medicine, University Health Network

本文内容

摘要

可以使用床旁超声对健康个体和危重病患者的膈肌厚度和功能进行评估。该技术为评估膈肌结构和功能提供了一种准确、可重复、可行且耐受性良好的方法。

摘要

膈肌是呼吸肌泵的主要组成部分。膈肌功能障碍可导致呼吸困难和运动不耐受，并使患者易发生呼吸衰竭。在机械通气患者中，膈肌因废用及其他机制而容易发生萎缩和功能障碍，这会导致脱机失败以及长期临床预后不良。床旁超声为评估膈肌厚度和收缩活动（吸气时的增厚分数）提供了一种有效且可重复的方法，临床医生和研究人员均可方便地应用。本文介绍了在平静呼吸或最大吸气过程中测量膈肌厚度和量化膈肌增厚的最佳实践方法。掌握该技术后，可用于诊断和判断健康个体以及急慢性病患者膈肌功能障碍的预后，并指导和监测治疗反应的动态变化。

引言

超声是指超出人类听觉上限的声波。超声的应用远不止于医疗领域，其中最著名的可能是第一次世界大战期间为军事用途开发的声呐（声音导航与测距）系统1；如今，超声已常规应用于医学诊断与治疗。医学超声成像或诊断性超声利用高频声波（>20 kHz）来获取人体内部软组织结构的图像。这些声波以每秒100万至2000万次（兆赫兹，MHz）的频率脉冲发射，可穿透人体以检查肝脏、心脏和骨骼肌等解剖结构。床旁超声在危重症评估与管理中的作用正日益成为核心。

超声在医学中的首次应用始于20世纪40年代，由卡尔·杜西克博士（Dr. Karl Dussik）尝试通过测量超声束穿过头部的透射情况来定位脑部肿瘤2。随着技术的进步，新的技术相继被开发出来，包括幅度模式（A模式）和亮度模式（B模式）3，随后在1960年发展出了二维扫描仪4,5。由于超声检查避免了电离辐射暴露，且可在床旁进行，无需将患者转运至院内其他部门从而规避相关风险，因此在临床实践中已成为不可或缺的工具。超声检查对患者而言安全、耐受性好、结果可靠且可重复6,7。

膈肌是一种薄而呈圆顶状的肌肉结构，是驱动人类自主呼吸的主要呼吸泵。膈肌分隔胸腔和腹腔，由三个独立的部分组成：中心腱、肋部膈肌和腰部膈肌（图1）。膈肌的中心腱是一种非收缩性结构，允许主要血管从中胸腔穿过至腹腔。肋部膈肌的肌纤维从肋骨或剑突延伸至中心腱。腰部膈肌则附着于前三个腰椎椎体。在吸气过程中，肋部膈肌收缩，使膈肌圆顶下降，同时扩张下部肋骨。肋部膈肌协助腰部膈肌共同完成圆顶的下降过程8,9,10。

膈肌的经胸超声检查因其能够监测膈肌贴壁区的厚度而受到越来越多的关注（图1）11,12,13。Haber 等人于1975年首次利用超声成像观察到膈肌14。通过M型超声监测膈肌厚度（Tdi）和增厚分数（TFdi），可对吸气过程中膈肌的收缩性及肌肉缩短情况进行量化评估。该收缩性评估可反映在特定吸气驱动和用力水平下膈肌的肌肉功能表现。床旁超声可安全、可重复且可靠地评估膈肌功能与结构。在机械通气患者中，随时间推移的膈肌厚度变化可用于评价机械通气的不利影响，包括因过度辅助导致的肌损伤（萎缩；表现为呼气末厚度随时间逐渐降低）或辅助不足导致的损伤（负荷诱导的炎症和水肿；可能表现为呼气末厚度随时间增加）15。这些变化与不良临床结局相关16。在潮式呼吸期间测量TFdi可用于评估潮式呼吸时的膈肌活动度（即吸气用力程度）。而在最大吸气努力期间测量TFdi（TFdi,max）则可评估膈肌力量（因为膈肌的力生成能力与其收缩和缩短能力相关）。

关于获取和分析测量值的最佳方案，目前已有广泛共识17。掌握膈肌超声成像技术具有一定的学习难度，需接受充分的技术培训并了解其潜在的局限性。研究表明，通过远程网络培训，可在较短时间内掌握膈肌超声检查的专业技能18。因此，本方案已优化，旨在提供一种可重复的膈肌厚度及增厚分数测量方法，适用于健康人群以及疑似存在呼吸系统病变的患者19

方案

采用该技术的研究已获得加拿大安大略省多伦多市大学健康网络研究伦理委员会的伦理批准。

1. 在潮式呼吸期间评估膈肌厚度和增厚分数

  1. 识别膈肌
    1. 将患者置于半卧位（30°-45° 仰卧（与之前保持平行）。脱去胸部右侧的所有衣物。
      注意：可采用类似方法观察左侧膈肌半侧；但左侧通常较难观察，且据报道测量精度显著较低19.
    2. 打开为便携式超声设备供电的平板电脑，并启动相应的应用程序（参见 材料表）。使用高频线性阵列探头（频率至少12 MHz）开始肌肉骨骼检查。
      注意：可使用任何超声系统进行该技术操作。
    3. 用足量的超声耦合剂覆盖线性阵列探头的顶端，并确保超声设备处于B模式以进行定位。用手握住探头，以拇指和食指包夹探头的顶端图2A).
    4. 触诊胸壁表面，以确定右侧第八、第九或第十肋间隙的位置。th 位于腋中线与腋前线之间的肋间隙，如图所示 图1C 和 图 2A，将探头置于对合区（通常在第八肋间隙附近）。
    5. 将探头置于矢状面，使其完全位于肋骨之间（图2A）且图像中无肋骨伪影可见（图 2B）。若图像中出现肋骨，可通过上抬或下压探头调整角度。若仍可见肋骨，旋转探头直至仅显示膈肌。若膈肌显示仍不理想，可上下移动探头至新的肋间隙。
    6. 在超声监视器上，识别肝脏上方两条明亮的白色平行线，分别指示胸膜和腹膜图2B在这些线之间可以观察到回声相对较弱的肋间膈肌。
    7. 通过点击增加或减少深度按钮来调节图像深度，以优化膈肌的显示大小。确保膈肌位于显示器中央，从而最大限度地提高胸膜和腹膜线相对于周围结构的分辨率。
    8. 如果图像质量仍不理想（即图像中可见肺部或肋骨，或胸膜和腹膜未清晰显示），可通过沿肋间隙上下移动探头、从前向后移动探头或旋转探头来调整，以获得更好的可视化效果。参见 表1 膈肌超声检查中常见问题的示例。
  2. 优化图像
    1. 当换能器处于正确位置后，在数据采集前通过调整以下组件来优化图像质量。
      注意：不同超声设备的软件存在型号和软件版本差异。在本软件中，我们通过执行以下按钮操作来实现目标。
    2. 在超声设备的软件上，点击 增益 调节图像亮度的按钮。通过单击该按钮增加增益 增加 按钮，使图像更明亮。相反，单击 减少 调节增益按钮以调暗图像。若增益过低，结构可能难以辨认；若增益过高，则可能出现额外回声，且图像会显得过亮。
    3. 如果超声设备上提供，点击 焦点 按钮以调节焦距，从而改变图像质量。单击 增加 按钮以增强焦距或 减少 降低焦距的按钮
  3. 获取图像
    1. 当放置位置和图像质量优化后，通过点击将超声设置为M模式 M型超声模式 超声软件上的按钮
    2. 成像屏幕上将出现一条垂直扫描线。将该线置于胸膜线和腹膜线最清晰的区域之间。
      注意：不同超声设备在获取M型图像时可能存在一定差异。在启动M型成像前，应确保观察区域中胸膜和腹膜结构清晰可见。将扫描线置于在整个呼吸周期中胸膜和腹膜均清晰可辨的位置，且视野中无肺组织或肋骨干扰。
    3. 在潮气呼吸期间，对一整个吸气和呼气周期进行M型超声扫描，然后点击 冷冻 然后 保存 用于捕获实际状态并保存图像的按钮。如有，可通过点击调整扫描速度 扫描速度 调整采集速率按钮，以确保获得两个呼吸周期的图像。重复此过程以获取另一幅图像。
    4. 使用皮肤安全标记笔在患者身体上标记探头的位置，以确保随时间推移测量膈肌时处于完全相同的位置。这对于保持测量结果的可重复性至关重要，因为膈肌厚度在其表面积上存在差异。19.
    5. 从这些图像中可测量膈肌厚度（Tdi）和增厚分数（TFdi）。若第二幅M型图像所得数值与第一幅图像相差超过10%，则需重复M型图像采集，直至获得两幅数值差异在10%以内的图像为止。图像分析的详细信息见下文。
    6. 检查完成后，单击 结束检查 超声软件上的按钮
    7. 要导出文件，请单击 导出图像 并确保文件以 DICOM 格式导出。
    8. 若患者体侧仍有残留凝胶，应予以擦拭，并使用合适的消毒湿巾对超声设备进行消毒。
  4. 分析图像
    1. 在 MicroDicom DICOM 查看器或类似软件中打开必要的 DICOM 文件。
    2. 点击“距离工具（可能被称为 游标卡尺 或 直线并从呼气末期（Tdi,ee）的胸膜内缘向腹膜内缘画一条直线。
    3. 确保测量时未包含两片膜，且直线的两端彼此正对（垂直）放置，使标记物之间不存在时间差异，以免人为增大距离，具体方法见 图2B17.
    4. 将此数值记录为膈肌厚度（Tdi,ee）。
    5. 在同一次呼吸的吸气峰相重复步骤 4.2，以获取吸气峰相的膈肌厚度（Tdi,pi）。
    6. 如果患者看起来没有呼吸，且在吸气过程中未观察到膈肌增厚分数，则在吸气相代表膈肌厚度的位置测量 Tdi,pi（在此情况下，其值大约与 Tdi,ee 相同），如图所示。 图3.
    7. Tdi,ee 和 Tdi,pi 应从同一次呼吸中进行分析，如图所示。 图2C，以评估潮气呼吸期间的膈肌增厚分数（TFdi）。
    8. 利用 Tdi,pi 和 Tdi,ee，计算每次呼吸的 TFdi：
      TF_di 计算公式，数学表达式，用于化学分析的教学。
    9. 从同一 M 型图像中获取第二组测量值（参见 图2C).
    10. 在第二张M型图像上重复步骤1.4.1–1.4.9。此时，已获得四个Tdi,ee测量值和四个TFdi测量值。
    11. 如果第二幅M型图像的数值与第一幅图像的数值相差超过10%，则需重复获取M型图像，直至获得两幅数值彼此差异在10%以内的图像。

膈肌解剖图，显示区域、中心腱、膈脚及超声探头设置。
图1：膈肌解剖结构及超声探头放置示意图。（A）肋部膈肌超声检查的相关解剖结构。膈肌由中心腱、肋部膈肌和膈脚组成。（B,C）为在超声上显示附着区的肋部膈肌，患者取半卧位，定位第八、第九或第10th肋间。使用高频（>12 MHz）线阵超声探头，沿腋中线肋间与肋骨平行放置，以获得肋部膈肌的横断面图像。请点击此处查看此图的放大版本。

超声诊断，显示探头放置位置、超声图像及膈肌运动测量。
图2：潮气呼吸期间膈肌厚度及增厚的超声评估。 (A探针置于第八、第九或第十th 肋间隙以横断面显示膈肌。B在B型图像中，白色箭头指示高回声的胸膜和腹膜。CM 型图像显示了特定点位膈肌厚度随时间的变化。从左到右，黄色标线分别测量第一次呼吸时呼气末的膈肌厚度（Tdi,ee）和吸气峰值时的膈肌厚度（Tdi,pi），红色标线表示第二次呼吸对应的测量值。在一名健康男性受试者中，膈肌厚度（Tdi,ee）分别为 1.20 和 1.25 mm，厚增分数（TFdi）分别为 26% 和 23%。 请点击此处以查看此图的放大版本。

表1：膈肌超声检查中的常见问题 请点击此处下载该表格。

2. 评估膈肌最大增厚分数

注意：膈肌最大增厚分数可在与膈肌厚度相同的实验过程中进行评估。

  1. 获取图像
    1. 采用与上述相同的方法，使用B型超声识别膈肌，并进行相应优化。
    2. 对于接受机械通气的患者，通过测量呼吸机上的气道阻断压（P0.1）来确保其具备足够的呼吸驱动，以进行膈肌功能评估。P0.1应至少达到2 cm H2O方可继续操作。若低于2 cm H2O，可考虑减少镇静或通气支持，以增强呼吸驱动，再进行超声成像。
    3. 当机械通气患者的呼吸驱动足够时，将通气支持降至最低水平（例如：压力支持通气（PSV）：0 cm H2O；呼气末正压（PEEP）：0 cm H2O；若为维持气体交换所需，可保留较低水平的PSV或PEEP），以暂时增强膈肌收缩力。
      ​注意：撤除通气支持可增加呼吸驱动和呼吸做功，有助于膈肌功能的评估。
  2. 点击M-mode按钮，将超声切换至M型模式。
  3. 在运行M型模式时，指导受试者对非阻塞气道进行最大自主吸气努力（即吸气容量动作），如条件允许，可指导其“用力深吸一口气”。
    1. 若患者无法遵从指令完成最大吸气努力，可实施短暂的气道阻断操作（Marini操作法）20，持续不超过20秒，以激发呼吸努力增强。随后解除阻断，并在解除后测量TFdi,max 之后的数值。
  4. 冻结图像记录并保存图像。
  5. 重复步骤2.1–2.4共两次，以获得总共三幅M型图像用于分析，或直至超声操作者确认患者已实现最大自主吸气努力。
  6. 以DICOM格式导出M型图像，用于后续离线盲法分析。
  7. 擦拭患者体侧以清除残留的耦合剂，并使用适当的消毒湿巾对超声设备进行消毒。
  8. 图像分析
    1. 在MicroDicom DICOM查看器或类似软件中打开必要的DICOM文件。
    2. 点击距离工具（可能称为卡尺或直线），在最大吸气试验期间的呼气末（Tdi,ee）和吸气峰（Tdi,pi）时，从胸膜膜内缘垂直画至腹膜膜内缘，如图3B所示。
    3. 确保所有测量均排除胸膜和腹膜结构，且直线两端彼此正对（垂直），无时间差异。
    4. 每次呼吸的TFdi,max计算公式为：
      静力平衡方程，TF_di,max (%)，用于教育研究中的百分比计算。
    5. 记录至少三次一致尝试中的最高值作为TFdi,max。

比较组织层的超声图像，显示用于诊断分析的速度和距离指标。
图3：膈肌增厚分数的最小值与最大值示例。（A）在膈肌收缩较弱的情况下测量超声下的膈肌厚度（Tdi）和增厚分数（TFdi）。如有必要，可调整扫描速度；使用两次呼吸来评估TFdi。若无法明确识别吸气峰值时的厚度，则在床旁根据临床判断确定吸气用力的时机。此处计算的TFdi为11%，但需再取接下来两次呼吸的测量值进行平均（共四次呼吸，记录于两张图像中）。（B）在最大吸气努力期间测得的最大膈肌增厚分数（TFdi,max），可通过指导患者主动尽力吸气来诱发；若患者无法配合指导，且P0.1 >2 cm H2O，则可通过Marini手法诱发。此处计算的TFdi,max为208%，但应以多次（至少三次）尝试中获得的最大值作为最终记录的TFdi,max。在最大吸气（B）与最小吸气努力（A）期间，TFdi和Tdi存在显著差异。请点击此处查看该图的放大版本。

结果

按照本方案，可通过测量膈肌厚度和增厚分数来无创、可重复地评估膈肌的结构与功能。这些测量可在床旁进行，并保存用于盲法离线分析。此外，可在不同时间点重复获取上述指标，以纵向评估膈肌结构和功能的变化。

在健康成人中，静息呼气末膈肌厚度可介于1.5 mm至5.0 mm之间，具体数值取决于身高、性别及探头位置21。健康成人静息呼吸时，潮气相膈肌增厚分数（TFdi）通常在15%–30%之间。在最大吸气努力期间，TFdi,max通常介于30%至130%之间13,21,22。最大TFdi＜20%可诊断为严重膈肌功能障碍13,21。表2总结了健康人群与危重病患者的膈肌厚度及增厚分数。

表2：膈肌厚度和增厚分数的参考值11,13,19,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32。 请点击此处下载该表格。

对于接受有创机械通气的危重症患者，呼吸衰竭初期测得的膈肌基础厚度与临床结局相关（较高的基础膈肌厚度（Tdi）提示较低的死亡率及更快脱离机械通气）。在这些患者中，Tdi 随时间的后续变化在个体间差异显著。约40%-50%的患者在机械通气的第一周内出现膈肌萎缩（Tdi 较基线下降超过10%）15。少数患者表现出Tdi在早期迅速增加，超过基线10%以上，可能提示肌肉损伤、炎症或水肿（但并非肌肉肥大，因肥大需数周才能发生）。最大膈肌增厚分数（TFdi,max）<30% 可预测更高的机械通气撤机失败风险23。

如图2A所示，第一次呼吸（黄色部分）中膈肌厚度在呼气末为1.20 mm，在吸气峰值时为1.51 mm。随后可使用以下公式计算增厚分数，并以百分比表示。
增厚分数计算公式、示意图、温度波动分析、简洁的公式表示
静态平衡公式、TF_di计算、数据分析中百分比变化的公式
传递函数公式、TF_di=26%、用于控制系统中的公式表示

讨论

膈肌超声为健康受试者和危重患者提供了一种无创、可靠且有效的膈肌结构与功能监测技术。膈肌增厚分数可作为床旁评估膈肌收缩活动和功能的指标，相较于传统的评估膈肌功能金标准方法——磁刺激诱发的跨膈压测量，其可行性更高33。通过床旁超声监测膈肌功能和厚度，可有效检测膈肌萎缩。因此，专家建议应至少完成并分析15次独立的跨膈肌超声检查，以达到熟练操作的最低要求17。

为确保测量结果具有可重复性和精确性，必须标记探头放置位置19。应通过调整探头位置以及仪器的深度、增益和焦点来优化B型图像。应调节所用超声的扫描速度，以在捕获的图像中尽可能包含至少两次呼吸周期。最后，应重复测量，直至获得一致的数值（误差在10%以内）。

获取Tdi和TFdi时可能遇到的一些困难包括线性探头的放置和方向问题。表1列出了某些常见情况以及用户应采取的相应故障排除措施。

需要注意这种超声技术的一些局限性。首先，患者之间的膈肌厚度差异较大，且厚度随时间的变化需要参照基线值进行评估（例如用于诊断萎缩）。其次，尽管该技术操作简便，但仍需经过培训以确保操作者具备足够的能力；已有研究验证基于网络的在线培训平台可有效提升操作者的技术熟练度18。第三，本文所述的超声技术在肌肉结构（质量）和功能（收缩性）方面提供的信息有限。新兴技术如剪切波超声和超声弹性成像可进一步提供关于肌肉硬度和纤维化的额外信息34,35,36,37,38。

总之，膈肌超声检查可提供评估膈肌结构和功能的关键指标，且可在健康个体和危重患者中轻松实施。对于经过充分培训且具备操作能力的使用者而言，该技术具有良好的可靠性和有效性。本文概述了如何进行膈肌超声检查，并提醒操作者在采集数据前必须接受充分的培训。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10-15 MHz 线阵探头 PhilipsL12-4可使用任何 10-15 MHz 线阵探头
任意 DICOM 图像查看软件  示例：MicroDicom DICOM 查看器MicroDicom供非商业用途的免费分析软件：https://www.microdicom.com/company.html
Lumify 超声应用软件Philips 其他系统将使用其专用软件
Lumify 超声系统Philips可使用任何超声系统
皮肤安全标记笔 Viscot1450XL用于标记探头位置
超声耦合凝胶Wavelength NTPC201X 可使用任何超声耦合凝胶

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