呼吸訓(xùn)練器在穩(wěn)定期慢性阻塞性肺疾病患者肺康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

田家偉，蔡麗婷，侯昕珩

東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬江陰醫(yī)院，江蘇江陰市214400

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是以持續(xù)氣流受限為特征的可以預(yù)防和治療的疾病，其氣流受限多呈進(jìn)行性發(fā)展，與氣道和肺組織對(duì)香煙、煙霧等有害氣體或有害顆粒的異常慢性炎癥反應(yīng)相關(guān)[1]。世界衛(wèi)生組織的評(píng)估資料顯示，全球大約6500萬人罹患COPD，僅2005年就有300萬人死亡[2]。依據(jù)改良英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)呼吸困難量表(modified British Medical Research Council Dyspnea Scale,mMRC)對(duì)癥狀、肺功能改變和急性加重風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估等，可對(duì)穩(wěn)定期COPD患者的病情嚴(yán)重程度做出綜合性評(píng)估，并選擇相應(yīng)的治療藥物[3]。2017 COPD全球倡議：COPD診斷、治療與預(yù)防全球策略[4]中就明確指出，對(duì)于2018,24(4):評(píng)估呼吸困難癥狀重和急性加重風(fēng)險(xiǎn)高的B、C和D組患者，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)其進(jìn)行肺康復(fù)訓(xùn)練。COPD的肺康復(fù)方案主要是以運(yùn)動(dòng)療法為主的綜合方案，包括運(yùn)動(dòng)療法、勸導(dǎo)戒煙、營(yíng)養(yǎng)咨詢和自我管理教育等[5-6]。呼吸訓(xùn)練在運(yùn)動(dòng)療法中占有舉足輕重的地位，除了簡(jiǎn)單的縮唇呼吸、腹式呼吸和部分呼吸法等訓(xùn)練外，利用呼吸訓(xùn)練器的強(qiáng)化呼吸肌訓(xùn)練在臨床上也廣為使用。

本文旨在系統(tǒng)地綜述呼吸訓(xùn)練器的原理，對(duì)比目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的呼吸訓(xùn)練器優(yōu)劣和臨床實(shí)際應(yīng)用后的療效，為后續(xù)呼吸訓(xùn)練器的研發(fā)創(chuàng)新和試驗(yàn)驗(yàn)證提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1 呼吸訓(xùn)練器的原理

呼吸運(yùn)動(dòng)包括吸氣和呼氣兩個(gè)過程。主要吸氣肌是膈肌和肋間外肌，主要呼氣肌為肋間內(nèi)肌和腹肌。此外，還有一些輔助吸氣肌，如斜角肌和胸鎖乳突肌。平靜呼吸時(shí)，吸氣是主動(dòng)、耗能的過程，其中膈肌起主要作用[7-8]。膈肌從胚胎學(xué)、形態(tài)學(xué)和功能上分析屬于骨骼肌，由不同類型的肌纖維混合組成。根據(jù)收縮時(shí)間和代謝特征的不同，肌纖維可分為三類：①Ⅰ型(慢肌)，即慢速氧化型肌纖維(slow oxidative,SO)，約占50%，含有豐富的毛細(xì)血管、肌紅蛋白、線粒體，有利于有氧代謝，有較高的耐疲勞能力；②ⅡA型(快A型)，即快速氧化型糖酵解纖維，約占25%，含線粒體較多，能量供應(yīng)足，也有一定的耐疲勞能力；③ⅡB型(快B型)，即快速糖酵解纖維(fast glycolytic,FG)，約占25%，該型纖維的毛細(xì)血管、肌紅蛋白及線粒體雖然較少，但卻有利于無氧酵解，故ⅡB型纖維主要決定膈肌的收縮能力，而耐疲勞能力較差[9-10]。

膈肌功能障礙是COPD患者的主要特征之一[11]。一方面，在肺阻力和彈力增加的情況下，為保證正常的通氣需求，膈肌等呼吸肌的負(fù)荷會(huì)相應(yīng)增加；另一方面，受肺過度充氣在初長(zhǎng)度-張力關(guān)系上的影響，膈肌所能產(chǎn)生的收縮力下降；另外，炎癥和氧化應(yīng)激使膈肌肌纖維受損。縱觀國(guó)內(nèi)外COPD患者肺康復(fù)的研究[12-13]，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)研究只是從外表的癥狀緩解和肺功能改善等方面去論證肺康復(fù)的作用，并沒有某一項(xiàng)研究能從內(nèi)在基礎(chǔ)的病理生理機(jī)制上闡明呼吸訓(xùn)練器在COPD患者中作用的機(jī)理，主要原因是目前在此方面并不是很清楚。不管是在體的還是離體的呼吸肌實(shí)驗(yàn)，研究設(shè)計(jì)均存在相當(dāng)多的限制和不便。大多數(shù)研究者認(rèn)為，膈肌的收縮特性和抗疲勞性可隨其使用程度而產(chǎn)生適應(yīng)性變化，在穩(wěn)定期COPD患者中主要表現(xiàn)為FG向SO的轉(zhuǎn)變[14]，即具有神經(jīng)肌肉控制的可塑性，這是在治療肺氣腫患者時(shí)，采取兩種相反意見的主要依據(jù)。一種是加強(qiáng)訓(xùn)練吸氣肌肉的耐力；另一種是采用夜間機(jī)械通氣方法，使吸氣肌得到休息而恢復(fù)。

Ovechkin等[15]利用肌電圖等技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證膈肌等呼吸肌在COPD肺康復(fù)訓(xùn)練中的可塑性。在呼吸運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練(respiratory motor training,RMT)前，COPD患者相比于健康對(duì)照組氣道壓力低，呼吸肌運(yùn)動(dòng)并不是以膈肌和肋間肌收縮為主；RMT后，氣道壓力上升(見圖1)，且各呼吸肌的肌電圖分布與健康對(duì)照組相似(見圖2)。另外，相比于非疲勞狀態(tài)，疲勞狀態(tài)下COPD患者呼吸肌以SO(4～60 Hz)為主，經(jīng)過RMT后進(jìn)一步加強(qiáng)(見圖3)。

現(xiàn)有的呼吸訓(xùn)練器即運(yùn)用上述呼吸肌神經(jīng)肌肉控制的可塑性，在呼吸過程中適當(dāng)加壓，進(jìn)行對(duì)抗阻力呼吸訓(xùn)練，延緩呼氣過程，使氣流下降，提高氣管內(nèi)壓，從肌力和耐力等各方面重塑各呼吸肌，從而達(dá)到肺康復(fù)的目的。

2 幾種呼吸訓(xùn)練器的對(duì)比

通過閱讀大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，目前并沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各式呼吸訓(xùn)練器加以綜述和對(duì)比分析。本文從以下5個(gè)方面對(duì)其加以分類，以便于后續(xù)相互比較。

2.1 阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器

COPD患者因氣道阻力增加、呼氣期氣道陷閉和肺的彈性回縮力減弱，使得呼吸不暢且不完全，形成所謂的“動(dòng)態(tài)過度充氣狀態(tài)”，呼氣末肺泡內(nèi)滯留的氣體形成一定的正壓，稱作PEEPi，其范圍為1～19 cmH2O[16]。阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器(圖4A)即在呼吸過程中加載適當(dāng)阻力與其形成對(duì)抗。按照所加載的阻力是否可調(diào)節(jié)，又可分為定量阻力和可調(diào)阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器。

定量阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器加載的阻力常固定為3～5 cmH2O。實(shí)際的呼吸訓(xùn)練器中常以所能吹出的水量來替代此部分壓力。國(guó)內(nèi)某型定量阻力呼吸訓(xùn)練器(圖4C)，從吹氣管中向第一呼吸瓶中吹氣，使無菌注射用水從上面的連接管進(jìn)入到第二呼吸瓶；當(dāng)?shù)诙粑恐械乃a(chǎn)生的壓力超過單向壓力閥的壓力高限后，經(jīng)底部連接管回流至第一呼吸瓶[17]。

可調(diào)阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器相比于定量負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器，在阻力上可根據(jù)不同COPD患者的個(gè)體情況調(diào)節(jié)阻力，有一定改進(jìn)，但是同時(shí)也增加了制造成本和COPD患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。也有某型可調(diào)阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器[18-19](圖4D)可根據(jù)COPD患者基礎(chǔ)情況，通過增加或減少含活塞球的腔體數(shù)量，以及撥動(dòng)底部調(diào)節(jié)板調(diào)整換氣孔大小來調(diào)節(jié)呼吸訓(xùn)練時(shí)的阻力，增減難度，完成訓(xùn)練。

2.2 閾值負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器

按照流體的泊肅葉定律[20]，呼吸氣的氣流流量Q等于兩點(diǎn)間的壓力差ΔP和阻力差ΔR的比值，即Q=ΔP/ΔR。阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器即依據(jù)上述原理，其所能提供的阻力依賴于呼吸氣氣流，限制的氣流越小，產(chǎn)生阻力越大。而閾值負(fù)荷訓(xùn)練器并不依賴于呼吸氣流的限制，當(dāng)經(jīng)口壓超過預(yù)設(shè)的壓力閾值后，通道開放，呼吸氣開始流動(dòng)。圖4B所示為閾值負(fù)荷訓(xùn)練器，可通過內(nèi)置的彈簧緊張度的調(diào)節(jié)設(shè)定出不同的壓力閾值，以供呼吸訓(xùn)練。

2.3 腹式呼吸訓(xùn)練器

胸式呼吸常不使用膈肌，而是借助于胸部肌肉，相比腹式呼吸缺乏效率，不能獲得充足的氧氣，滿足各組織器官對(duì)氧的需求。腹式呼吸主要使用膈肌，最大限度地?cái)U(kuò)張肺組織，使肺組織得到鍛煉，也有基于此原理的腹式呼吸訓(xùn)練器[21](圖4E)。其原理是通過充氣泵和壓力傳感器，周而復(fù)始地向壓力腹帶中充放氣，一方面模擬腹式呼吸，另一方面也促進(jìn)腸蠕動(dòng)。臨床使用中，從COPD患者使用的舒適性和便利性上比較，腹式呼吸訓(xùn)練器較阻力負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器和閾值負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器等胸式呼吸訓(xùn)練器差。

圖1 健康對(duì)照與COPD患者RMT前后用力呼吸時(shí)氣道壓力的比較

圖2 健康對(duì)照與COPD患者RMT前后各呼吸機(jī)肌電圖變化的比較

圖3 COPD患者非疲勞狀態(tài)下與疲勞狀態(tài)下RMT前后肌電圖組成的比較

圖4 呼吸訓(xùn)練器

2.4 多功能呼吸訓(xùn)練器

多功能呼吸訓(xùn)練器除具備主要的呼吸訓(xùn)練功能外，往往利用其自身特點(diǎn)附加開發(fā)一些另外的功能，例如帶排痰功能的呼吸訓(xùn)練器[22]。正常呼吸道纖毛擺動(dòng)頻率為10～15 Hz，此頻率可有效將異物排除，并通過咳嗽和吞咽動(dòng)作將異物徹底排出呼吸道[23]。但是由于人體聲帶結(jié)構(gòu)及肺部容積大小的影響，人體難以發(fā)出此類振動(dòng)。此呼吸訓(xùn)練器在滿足呼吸訓(xùn)練的同時(shí)，通過附帶的低頻振動(dòng)發(fā)生單元，諧振增強(qiáng)呼吸道纖毛的活力，增加異物排除效率，起到多重的臨床效果。

2.5 新式呼吸訓(xùn)練器

隨著智能穿戴設(shè)備的大量開發(fā)，在呼吸訓(xùn)練器領(lǐng)域，逐步出現(xiàn)許多可穿戴的智能呼吸訓(xùn)練器[24]，即新式呼吸訓(xùn)練器。此類呼吸訓(xùn)練器可通過無線通訊，將實(shí)時(shí)訓(xùn)練的各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在智能手持終端上，并回傳到醫(yī)療機(jī)構(gòu)的云服務(wù)器上，有效增加使用者呼吸訓(xùn)練的興趣，從而有效提高使用者呼吸訓(xùn)練效果；另一方面也便于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的臨床工作者實(shí)時(shí)掌握使用者肺康復(fù)訓(xùn)練的具體情況。類似于上述依托于物聯(lián)網(wǎng)思維的肺康復(fù)訓(xùn)練也在大量開展[25-26]。

3 相關(guān)臨床應(yīng)用研究

通過檢索各大數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)有大量關(guān)于COPD患者肺康復(fù)方面的臨床研究，但單獨(dú)以呼吸訓(xùn)練器作為干預(yù)措施的很少。近期發(fā)表的一篇COPD患者肺康復(fù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的文章中，Hakamy等[27]檢索了OVID、Medline、EMBASE和ClincalTrials.gov數(shù)據(jù)庫從1980年1月至2015年10月的文獻(xiàn)，初步得到3216篇，但按照自己所要研究的肺康復(fù)對(duì)穩(wěn)定期COPD患者死亡率等方面影響的條件篩選后，僅剩下7篇。同樣，在PubMed中，以“COPD”、“pulmonary rehabilitation”和“breathing trainer”為關(guān)鍵詞檢索，僅有3篇早些年的相關(guān)文獻(xiàn)[28-30]。相關(guān)影響因素也不除外部分研究者直接用所使用呼吸訓(xùn)練器的注冊(cè)商品名稱發(fā)表文章。時(shí)間較近的一篇文章是Lisboa等[29]回顧一些隨機(jī)對(duì)照的研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究都證實(shí)呼吸訓(xùn)練器在COPD肺康復(fù)中對(duì)吸氣肌功能的積極作用。有限的可用數(shù)據(jù)顯示，可提高COPD患者6～12 min內(nèi)步行距離，以及夜間的血氧飽和度(SaO2)，并最終總結(jié)呼吸訓(xùn)練器是一種很有幫助的治療方法。

在國(guó)內(nèi)，宮巧俐等[31]曾對(duì)60例門診穩(wěn)定期的COPD患者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練器干預(yù)，發(fā)現(xiàn)使用呼吸訓(xùn)練組在肺功能、血?dú)夥治鲅醴謮汉蚐aO2方面均有顯著改善。另外，在注冊(cè)的臨床研究方面，ClincalTrials.gov數(shù)據(jù)庫中，廣州呼吸疾病研究所呼吸疾病國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室陳榮昌曾在2014年主持過類似的前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究(ClinicalTrials.gov identifier:NCT02278523)，以Threshold IMT?呼吸訓(xùn)練器為干預(yù)措施，對(duì)比訓(xùn)練前后COPD患者肺功能(FEV1、FEV1/Pred%、FVC、FVC/Pred%和FEV1/FVC%)和呼吸力學(xué)指標(biāo)(經(jīng)口壓、食道壓、胃內(nèi)壓、跨膈壓、呼吸氣流速、潮氣量和食道膈肌肌電)的變化，但是未見相關(guān)結(jié)果發(fā)表，后經(jīng)了解他們進(jìn)行了另一項(xiàng)有意義且已有結(jié)果發(fā)表的研究(ClinicalTrials.gov identifier:NCT03017300)[32]，即將我們上述所說的阻力負(fù)荷訓(xùn)練器和閾值負(fù)荷訓(xùn)練器進(jìn)行對(duì)比研究，相比之下閾值負(fù)荷訓(xùn)練器更利于膈肌的動(dòng)員，產(chǎn)生大的跨膈壓，更適合于COPD患者的肺康復(fù)鍛煉。

近期Leelarungrayub等[33]利用呼吸訓(xùn)練器將被研究者隨機(jī)分為對(duì)照組、標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練組和呼吸器訓(xùn)練組，對(duì)比6周訓(xùn)練后三組呼吸肌強(qiáng)度(最大吸氣壓PIMax和最大呼氣壓PEMax)、肺功能(FVC、FVC/Pred%、FEV1、FEV1/Pred%、FEV1/FVC%)、6 min步行試驗(yàn)(6-minute walking distance,6MWD)、生活質(zhì)量評(píng)分、氧化應(yīng)激標(biāo)志物(谷胱甘肽)、丙二醛和呼出氣一氧化氮測(cè)定，以及呼吸困難評(píng)分，發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行呼吸訓(xùn)練的對(duì)照組，上述指標(biāo)在6周前后無明顯變化，而經(jīng)呼吸訓(xùn)練器訓(xùn)練后的標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練組和呼吸器訓(xùn)練組在6周前后，上述指標(biāo)除FVC/Pred%、FEV1、FEV1/Pred%、6MWD和谷胱甘肽外，均發(fā)生有意義的變化。另外，研究還表明，其所用的新的簡(jiǎn)式呼吸訓(xùn)練器優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練組所用的呼吸訓(xùn)練器(Portex?)。

呼吸肌訓(xùn)練除可應(yīng)用于COPD外，還可用于脊髓損傷、系統(tǒng)性硬化、帕金森病和失聲等患者的康復(fù)訓(xùn)練。有綜述[34]闡述，對(duì)于COPD患者，由于PEEPi的存在，吸氣肌的訓(xùn)練相對(duì)于呼氣肌更有益處；采用閾值負(fù)荷訓(xùn)練器進(jìn)行呼氣肌的訓(xùn)練可改善咳嗽、吞咽和發(fā)聲的功能，有利于形成新的神經(jīng)肌肉可塑性。另一方面，也有研究者對(duì)上述結(jié)果持懷疑態(tài)度。Wlodarczyk等[35]為了去驗(yàn)證呼吸訓(xùn)練器(SpiroTiger?)在胸外科患者術(shù)后康復(fù)的積極作用，以“spirotiger”或“spiro tiger”檢索了Academic Search Complete、Medline、Ebscohost和 PubMed 數(shù)據(jù)庫，最終找到涉及COPD的相關(guān)文獻(xiàn)僅1篇。在這篇文獻(xiàn)里分析的5個(gè)研究，僅2項(xiàng)研究證明SpiroTiger?可以提高6MWD測(cè)試成績(jī)，改善呼吸肌疲勞和提高活動(dòng)耐量，文章認(rèn)為就目前分析，呼吸訓(xùn)練器的積極作用是不明確的。

綜上所述，以呼吸訓(xùn)練器為媒介的呼吸肌康復(fù)訓(xùn)練在穩(wěn)定期COPD患者肺康復(fù)中非常重要，但其具體作用機(jī)制仍不明確，考慮與呼吸肌的神經(jīng)肌肉控制可塑性相關(guān)?，F(xiàn)有的呼吸訓(xùn)練器大體可分為阻力或閾值負(fù)荷呼吸訓(xùn)練器、腹式呼吸訓(xùn)練器、多功能呼吸訓(xùn)練器和新式呼吸訓(xùn)練器等5類。相關(guān)研究中，以呼吸訓(xùn)練器作為干預(yù)措施的穩(wěn)定期COPD肺康復(fù)，存在一定程度的積極作用，但由于相關(guān)優(yōu)質(zhì)文獻(xiàn)較少，目前確切作用尚不明確，同時(shí)也值得更進(jìn)一步的深入研究。

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