Medicine

使用床旁超声测量隔膜厚度和功能

Published: November 3, 2023 doi: 10.3791/65431

Catherine A. Bellissimo¹, Idunn S. Morris^2,3,4, Jenna Wong¹, Ewan C. Goligher^1,2,3,5

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

Summary

可以使用床旁超声评估健康个体和危重患者的隔膜厚度和功能。该技术为评估隔膜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。

Abstract

横膈膜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，并使患者易患呼吸衰竭。在机械通气患者中，膈肌容易因废用和其他机制而萎缩和功能障碍。这会导致断奶失败和长期临床结果不佳。床旁超声提供了一种有效且可重复的方法，用于评估膈肌厚度和收缩活动（吸气过程中的增厚分数），临床医生和研究人员都可以很容易地使用。本文介绍了在潮汐呼吸或最大吸气期间测量隔膜厚度和量化隔膜增厚的最佳实践。一旦掌握，该技术可用于诊断和预后膈肌功能障碍，并指导和监测健康个体和急性或慢性患者对治疗的反应。

Introduction

超声波是指超出人类听觉上限的声波。超声波在医疗保健之外还有许多应用，最著名的可能是在^{第一次世界大战}中开发用于军事用途的声纳（声音导航和测距）;超声现在常规用于医学诊断和治疗。医学超声检查或诊断超声利用高频声波（>20 kHz）提供体内软组织结构的图像。这些声波以 1 到 2000 万周期/秒（兆赫兹，MHz）的频率脉冲，可以传输到体内以检查解剖结构，例如肝脏、心脏和骨骼肌。床旁超声正日益成为危重疾病评估和管理的基石。

超声波在医学上的首次应用是在 1940 年代由 Karl Dussik 博士提出的，他试图通过测量超声波束通过头部的传输来定位脑肿瘤².随着技术的进步，新技术被开发出来，包括振幅模式（A模式）和亮度模式（B模式）³，随后在1960年开发了二维扫描仪^4,5。诊断超声领域在临床实践中变得非常宝贵，因为它避免了暴露于电离辐射，并且可以在床边获得，从而避免了需要院内运输和相关风险。超声在患者中安全、耐受性良好、可靠且可重复 ^6,7。

横膈膜是一种薄的圆顶形肌肉结构，是驱动人体自主通气的主要呼吸泵。横膈膜将胸腔和腹腔分开，由三个独立的节段组成：中央肌腱、肋膈肌和小腿膈肌（图1）。膈肌的中央肌腱是一种非收缩结构，允许主要血管从胸腔穿过腹腔。肋膈肌有从肋骨或剑突到中央肌腱的纤维。小腿横膈膜插入前三个腰椎动物。在吸气过程中，肋膈肌收缩，降低膈肌的圆顶，同时扩大下肋骨。肋膈膜支撑着穹顶^8,9,10的膈肌。

膈肌经胸超声因其监测膈肌附着区厚度的能力而受到越来越多的关注（图1）11,12,13。1975 年，Haber 等人 ¹⁴ 首次用超声波观察了隔膜。吸气过程中的膈肌收缩力和肌肉缩短可以使用 M 模式超声来监测膈肌厚度（Tdi）和增厚分数（TFdi）。这种收缩力评估提供了在给定的吸气驱动力和努力水平下横膈膜肌肉性能的衡量标准。床旁超声提供安全、可重复和可靠的隔膜功能和结构测量。在机械通气患者中，膈肌厚度随时间的变化可用于评估机械通气的负面影响，包括由于过度辅助（萎缩;呼气末厚度随时间推移而减少）或辅助不足（负荷引起的损伤导致炎症、水肿;可能表现为呼气末厚度随时间增加）¹⁵ 导致的肌损伤的影响。这些变化与不良临床结局相关¹⁶.在潮汐呼吸期间测量 TFdi 可以评估潮汐膈肌活动（即吸气力）。在最大吸气力（TFdi，max）期间测量 TFdi 可以评估横膈膜强度（因为横膈膜的发力能力与其收缩和缩短的能力有关）。

对于获取和分析测量值的最佳方案，人们已达成实质性共识¹⁷。膈肌超声成像的能力涉及适度陡峭的学习曲线;对该技术及其潜在陷阱进行全面培训至关重要。研究表明，通过基于网络的远程培训，可以在短时间内熟练掌握膈肌超声专业知识¹⁸。因此，该协议已经过优化，以提供一致的隔膜厚度和增厚分数测量，可应用于健康和疑似呼吸系统病变^{患者 19}

Protocol

采用这种技术的研究已获得加拿大多伦多大学健康网络研究伦理委员会的伦理批准。

1. 评估潮气呼吸期间的隔膜厚度和增稠分数

识别隔膜
1. 将患者仰卧半卧位（平行 30°-45°）。从胸部右侧脱下任何衣物。
  注意：可以使用类似的程序来可视化左半膈肌;左侧通常更难可视化，据报道测量精度要低得多¹⁹.
2. 打开为便携式超声装置供电的平板电脑电源并启动相应的应用程序（请参阅 材料表）。使用高频线性阵列换能器（至少 12 MHz）开始肌肉骨骼检查。
  注意：任何超声系统都可用于执行此技术。
3. 用足量的超声凝胶覆盖线性阵列换能器的尖端，并确保超声处于 B 模式进行定位。用拇指和食指包裹探头的尖端来握住探头（图2A）。
4. 触诊胸壁表面，定位腋窝中线和前肋线之间的右侧第八、第九或第十^肋间隙，如 图 1C 和 图 2A 所示，并将探头放置在并置区域（通常围绕第八肋间隙）。
5. 在矢状面上调整换能器的角度，使其完全位于肋骨之间（图2A），并且图像中看不到肋骨伪影（图2B）。如果图像中出现肋骨，请通过向上或向下倾斜来调整探头的角度。如果肋骨仍然可见，请旋转探头，直到只有隔膜可见。如果横膈膜的可视化仍然有问题，请将探头向上或向下滑动到新的肋间隙。
6. 在超声监护仪上，识别紧邻肝脏上方的两条亮白色平行线，指示胸膜和腹膜（图2B）。在这些线之间可以看到相对低回声的肋膈肌。
7. 通过单击增加或减少深度按钮来调整图像的深度，以优化光圈的大小。确保振膜位于显示器的中央。这将确保周围结构的胸膜和腹膜线的最大分辨率。
8. 如果图像仍然不理想（即，肺部或肋骨在图像中可见，或者胸膜和腹膜不清晰可见），则通过沿肋骨空间上下移动探头、从底部来回移动探头或旋转来调整探头以获得更好的可视化效果。有关经膈膜超声检查的常见问题示例，请参见 表 1 。
优化图像
1. 一旦换能器位于正确的位置，在数据收集之前通过更改以下组件来优化图像质量。
  注意：在不同的超声单元软件上，存在型号和软件差异。在此软件中，我们执行了以下按钮单击以实现目标。
2. 在超声单元软件上，单击增益按钮以更改图像的亮度。通过单击增加按钮来增加增益，使图像看起来更亮。相反，单击减少按钮使图像变暗。如果增益太低，结构可能难以确定。如果增益太高，可能会出现无关的回波，图像会显得太亮。
3. 如果超声单元可用，请单击对焦按钮以调整焦距以更改图像质量。单击增加按钮以增加焦点，或单击减少按钮以降低焦点。
获取图像
1. 优化放置和图像质量后，通过单击超声软件上的 M 模式 按钮将超声置于 M 模式。
2. 成像屏幕上将出现一条垂直扫描线。在胸膜线和腹膜线最清晰的部分之间放置一条线。
  注意：超声设备在获取 M 模式图像方面可能存在一些差异。在开始 M 模式之前，确保清晰可见的胸膜和腹膜区域清晰可见。将扫描线放置在整个呼吸周期中胸膜和腹膜清晰可见且没有肺或肋骨进入视野的位置。
3. 在潮汐呼吸期间，在吸气和呼气的整个周期内运行 M 模式，然后单击冻结，然后单击保存按钮以捕获实际状态并保存图像。如果可用，通过单击 扫描速度 按钮来调整扫描速度以调整收集速度，以确保获得两个呼吸周期。重复此过程以获取另一个图像。
4. 使用皮肤安全标记，标记探头在患者身体上的位置，以帮助确保随着时间的推移测量隔膜的完全相同位置。这对于保持测量的可重复性至关重要，因为隔膜厚度在其表面积¹⁹ 上变化。
5. 从这些图像中，可以测量隔膜厚度（Tdi）和增稠分数（TFdi）。如果第二个 M 模式图像的值不在第一张图像的 10% 以内，请重复 M 模式图像采集，直到获得两个图像，其一组值彼此相差 10% 以内。请参阅下面有关图像分析的详细信息。
6. 检查完成后，单击超声软件上的 结束检查 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. 如果有任何残留的凝胶，请擦拭患者的一侧，并用适当的消毒湿巾对超声设备进行消毒。
分析图像
1. 在MicroDicom DICOM viewer或类似软件中打开必要的DICOM文件。
2. 单击“距离”工具（可称为卡尺或直线），并在呼气结束时从胸膜内缘到腹膜内缘画一条直线（Tdi，ee）。
3. 确保两个膜都不包括在此测量中，并且直线的两端直接（垂直）放置，以便标记之间没有时间差，这可能会人为地增加距离，如 图 2B¹⁷ 所示。
4. 将此值记录为隔膜厚度（Tdi，ee）。
5. 在同一次呼吸的峰值吸气处重复步骤4.2，以获得峰值吸气时的隔膜厚度（Tdi，pi）。
6. 如果患者似乎没有呼吸，并且在吸气过程中没有明显的膈肌增厚分数，则在吸气阶段代表膈肌厚度的位置测量 Tdi，pi（在这种情况下，它将与 Tdi，ee 大致相同），如 图 3 所示。
7. 如 图2C所示，应从同一口气分析Tdi，ee和Tdi，pi，以评估潮气（TFdi）期间的横膈膜增厚分数。
8. 使用 Tdi，pi 和 Tdi，ee，计算每次呼吸的 TFdi：
9. 从同一M模式图像获得第二对测量值（见 图2C）。
10. 在第二个 M 模式映像上重复步骤 1.4.1-1.4.9。至此，已获得 4 次 Tdi，ee 测量值和 4 次 TFdi 测量值。
11. 如果第二个 M 模式图像的值不在第一张图像的 10% 以内，请重复 M 模式图像采集，直到获得两个图像，其一组值彼此相差 10% 以内。

图 1：横膈膜解剖结构和超声探头放置概述。 （A）肋膈肌超声的解剖结构。膈肌由中央肌腱、肋膈肌和小腿膈肌组成。（乙、丙）为了在超声上观察附着区的肋膈肌，将患者置于半卧位，并位于^第 8、9 或第 10 肋间隙。将高频（>12 MHz）线性阵列超声探头沿腋中线平行放置在肋间隙的肋骨上，以将肋膈肌可视化为横截面。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2：潮气呼吸期间超声隔膜厚度和增厚。 （A）将探头放置在第 8、9 或 10^肋间隙，以将横膈膜可视化为横截面。（B）在 B 模式图像中，白色箭头表示高回声胸膜和腹膜。（C） M模式图像投射了特定点的振膜厚度随时间的变化。从左到右，黄线测量呼气结束时的隔膜厚度（Tdi，ee）和第一次呼吸高峰吸气时的隔膜厚度（Tdi，pi），红线表示第二次呼吸的隔膜厚度。在健康男性受试者中，隔膜厚度（Tdi，ee）分别为 1.20 和 1.25 mm，TFdi 分别为 26% 和 23%。请点击这里查看此图的较大版本.

表1：经膈膜超声检查的常见问题 请按此下载此表。

2. 评估最大隔膜增厚分数

注意：在与隔膜厚度相同的实验过程中，可以评估最大隔膜增厚分数。

获取图像
1. 使用与上述相同的方法，使用 B 模式超声识别隔膜并相应地进行优化。
2. 在机械通气患者中，通过测量呼吸机上的气道阻塞压力（P_0.1）来确保有足够的呼吸驱动来评估膈肌功能。P_0.1 应至少为 2 cm H₂O 才能继续。如果小于 2 cm H₂O，则考虑在超声成像前减少镇静或通气支持以增加呼吸驱动。
3. 在机械通气的患者中，一旦呼吸驱动足够，将通气支持降低到最低水平（例如，压力支持通气（PSV）：0 cm H₂O;呼气末正压（PEEP）：0 cm H₂O;如果需要进行气体交换，可以维持适度的 PSV 或 PEEP 水平）以暂时增强膈肌收缩力。
  注意：移除通气支持可增加呼吸驱动力和努力，以促进膈肌功能的评估。
通过单击 M 模式 按钮将超声波置于 M 模式。
在运行 M 模式时，指导参与者对 非阻塞 气道进行最大意志吸气努力（即吸气能力操作），如果可以，指导参与者“大口吸气”。
1. 如果患者无法遵循命令进行最大的吸气努力，请进行短暂的气道阻塞动作（Marini 动作）²⁰ 长达 20 秒，以刺激增加呼吸努力。然后，释放遮挡并在释放遮挡后测量TFdi，max。
冻结录制并保存图像。
再重复步骤 2.1-2.4 两次，以获得总共三个 M 模式图像进行分析，或直到超声医师确信患者已做出最大的意志努力。
以 DICOM 格式导出 M 模式图像，以便进行仔细的离线盲法分析。
擦拭患者一侧以清洁任何残留的凝胶，并使用适当的消毒湿巾对超声设备进行消毒。
分析图像
1. 在MicroDicom DICOM viewer或类似软件中打开必要的DICOM文件。
2. 单击距离工具（可称为卡尺或直线），并在最大吸气试验期间从胸膜内缘到呼气末期（Tdi，ee）和峰值吸气（Tdi，pi）从胸膜内缘到腹膜内缘画一条直线，如 图 3B 所示。
3. 确保所有测量都排除胸膜和腹膜，并且直线的两端彼此直接交叉（垂直），这样就没有时间差。
4. 每次呼吸的 TFdi，max 计算公式为：
5. 将至少三次一致尝试的最高值记录为 TFdi，max。

图 3：最小和最大隔膜增厚分数的示例。 （A）在膈肌收缩最小的情况下测量超声隔膜厚度（Tdi）和增厚分数（TFdi）。如有必要，调整扫描速度;两次呼吸用于评估 TFdi。在没有明确的峰值吸气厚度的情况下，吸气努力的时间是在临床上在床边确定的。这里的 TFdi 计算为 11%，但会在另外两次呼吸中取平均值（在两张图像中总共捕获四次呼吸）。（B）在最大吸气努力（TFdi，max）期间测量的最大膈肌增厚分数是通过指导患者做出最大的意志努力来刺激的，或者如果患者无法接受指导并且有 P_0.1 >2 cm H₂O. TFdi，max 在这里计算为 208%，但是，在几次（至少三次）尝试后获得的最大值将被记录为 TFdi，max。与最小吸气量（A）相比，最大吸气（B）期间的 TFdi 和 Tdi 存在显着差异。请点击这里查看此图的较大版本.

Representative Results

按照该协议，隔膜厚度和增厚分数可以作为评估隔膜结构和功能的非侵入性和可重复性手段进行测量。可以在床边进行测量，并保存以供盲法离线分析。这些测量值可以随着时间的推移反复获得，以纵向评估隔膜结构和功能的变化。

在健康成人中，静息呼气末隔膜厚度范围为 1.5 mm 至 5.0 mm，具体取决于身高、性别和探头位置²¹。在休息时呼吸的健康成年人中，潮气TFdi通常在15%-30%之间。在最大吸气努力期间，TFdi，max 通常在 30% 和 130%13,21,22 之间。最大 TFdi <20% 可诊断为严重膈肌功能障碍^13,21。表 2 总结了健康和危重症隔膜厚度和增厚分数。

表2：隔膜厚度和增稠分数¹¹^、¹³^、¹⁹^、²¹^、²²^、²³^、²⁴^、²⁵^、²⁶^、²⁷^、²⁸^、²⁹^、³⁰^、³¹^、³²的参考值。请按此下载此表格。

在接受有创机械通气的危重患者中，在呼吸衰竭开始时测量的基线膈肌厚度与临床结果相关（基线 Tdi 越高，死亡率越低，机械通气越快）。在这些患者中，Tdi随时间推移的后续演变在患者之间差异很大。大约 40%-50% 的患者在机械通气的第一周内出现萎缩（Tdi 较基线下降 10% 以上）¹⁵。一小部分患者表现出 Tdi 的早期快速升高，超过基线的 10%，可能表明肌肉损伤、炎症或水肿（但不是肌肉肥大，因为肥大需要数周才能发生）。TFdi，max <30% 预测机械通气断奶失败的风险更高²³.

在 图2A所示的示例中，第一次呼吸时（黄色）的隔膜厚度在呼气结束时为1.20 mm，在吸气高峰时为1.51 mm。然后可以使用下面的公式计算增稠分数，并以百分比表示。
Equation 3
Equation 4
Equation 5

Discussion

膈肌超声提供了一种无创、可靠和有效的技术来监测健康受试者和危重病人的膈肌结构和功能。膈肌增厚分数提供了膈肌收缩活动和功能的床边测量，这比磁抽搐跨膈肌压力测量（评估膈肌功能的传统金标准方法）更可行³³。通过床旁超声监测膈肌功能和厚度提供了一种检测膈肌萎缩的方法。因此，专家建议至少进行 15 次单独的经膈肌超声检查和分析，以培养能力¹⁷。

为确保测量的可重复性和精确性，必须标记探头位置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 模式图像。如果可能，应调整所用超声波的扫描速度，以便在捕获的图像内获得至少两次呼吸。最后，应重复测量，直到获得一致的值（在 10% 以内）。

与获得 Tdi 和 TFdi 相关的一些困难是线性探头的位置和方向。 表 1 突出显示了一些常见方案以及用户应采取的相关故障排除措施。

需要注意这种超声技术的一些局限性。首先，患者之间的隔膜厚度差异很大，并且需要参考基线值（例如，诊断萎缩）的厚度随时间的变化。其次，尽管技术很简单，但需要培训以确保能力。基于网络的在线培训平台已经过验证，可以达到技术^{方面的能力 18}.第三，所描述的超声技术提供的关于肌肉结构（质量）和功能（收缩力）的数据有限。剪切超声和超声弹性成像等新技术可以提供有关肌肉僵硬和纤维化的额外信息34,35,36,37,38。

总之，经膈肌超声检查提供了膈肌结构和功能的关键测量，可以很容易地在健康和危重患者中进行。考虑到经过充分培训的合格用户，该技术是可靠且有效的。本文概述了如何进行经膈肌超声，并提醒用户在数据采集前接受充分的培训。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10-15 MHz linear array transducer	Philips	L12-4	Any 10-15MHz linear array transducer may be used
Any DICOM viewer software Example: MicroDicom DICOM viewer	MicroDicom		Free for non-commerical use analysis software: https://www.microdicom.com/company.html
Lumify Ultrasound Application	Philips		Other systems will use their own software
Lumify Ultrasound System	Philips		Any ultrasound system may be used
Skin Safe Marker	Viscot	1450XL	Used for marking location of probe
Ultrasound Gel	Wavelength	NTPC201X	Any ultrasound gel may be used