健康人群膈肌收缩功能的联合多指标评估：可行性、效度与信度研究

《EXPERIMENTAL PHYSIOLOGY》：Combined multi-metric assessment of diaphragm contractile function in healthy humans: Feasibility, validity and reliability

本研究为一项原创性研究，通过结合肋下超声与呼吸压力测量技术，首次全面评估了一种用于量化膈肌收缩功能（力量、速度和功率）的新综合方法。文章系统探讨了该方法在非自主性（神经磁刺激）、自主性（最大嗅吸）及反射性（CO2复吸）呼吸扰动中的技术可行性、结构效度和日内重测信度。研究发现该方法具有高可行性（分析成功率>95%）、良好的结构效度（如功率随刺激频率显著增加，膈肌偏移与潮气量强相关）及可接受的信度（尤其在高频刺激和峰值反应中），为膈肌功能评估提供了新的多维度工具，在基础机制研究与临床转化应用中具有重要潜力。

　　

1 引言

膈肌是主要的吸气肌，其功能障碍与多种急慢性疾病相关。准确评估膈肌功能对生理研究、临床诊断和患者监测至关重要。跨膈压(P_di)是评估膈肌功能的金标准，但它主要反映力量生成，对整体收缩性能（尤其是功率输出）的评估有限。超声检查提供了一种非侵入性、实用的评估膈肌厚度、增厚和偏移的方法。以往的研究多采用肋间入路评估基于厚度的指标，但这些指标与P_di的关联性较弱。相比之下，肋下超声入路可以直接量化膈肌的头尾向偏移，并推导出缩短速度，与压力测量结合可估算膈肌功率输出(P_di× 速度)。然而，该综合方法的可行性、效度和信度尚未得到系统评估。本研究旨在探究肋下超声与呼吸压力测量法结合用于评估健康成人膈肌收缩功能的可行性、结构效度和日内重测信度。

2 材料与方法

本研究包含两个独立的实验组。实验1（n=10）评估了单侧膈神经磁刺激（非强直和强直单收缩、10-100 Hz配对刺激）和最大嗅吸期间的膈肌功能。实验2（n=8）评估了渐进式CO₂复吸期间的膈肌功能。所有方案均在休息20分钟后重复进行，以评估重测信度。

参与者：两组健康、业余活动的年轻成年人，无吸烟史或心肺疾病史，肺功能正常。

实验概述：参与者参加两次实验室访视。访视1进行筛查、基线评估和程序熟悉。访视2进行实验环节，参与者接受实验1或实验2的测试。参与者需在测试前避免剧烈运动、酒精、咖啡因和大餐。

基线特征和熟悉：评估了人体测量学、肺功能和膈肌特征，包括使用肋间超声测量膈肌厚度和增厚分数，以及使用肋下入路测量最大偏移。

实验1 - 膈神经刺激：在半卧位下，使用磁刺激器对右侧膈神经进行单侧磁刺激，包括非强直单收缩、不同频率（10、50、100 Hz）的配对刺激、最大嗅吸和最大Müller用力动作后的强直单收缩。膈肌偏移通过肋下超声（使用相控阵探头）测量，P_di通过食管和胃内球囊导管测量。

实验2 - CO₂复吸：参与者通过口件重复呼吸含95% O₂和5% CO₂的混合气体，直到呼气末CO₂分压(P_ETCO₂)达到55 mmHg。在此过程中，使用曲线阵列探头进行肋下超声成像，并使用集成微传感器的定制导管测量P_oe和P_ga。

数据采集与处理：超声图像与呼吸压力、通气及气体交换数据同步采集。膈肌偏移速度计算为偏移量除以收缩时间，膈肌功率计算为压力(P_di)与偏移速度的乘积。使用标准误测量(SEM)、变异系数(CV)和组内相关系数(ICC)评估重测信度。

3 结果

3.1 实验1结果

3.1.1 技术可行性：在超过95%的诱发单收缩和97%的自主嗅吸中获得了清晰稳定的图像，成功实现了分析。

3.1.2 结构效度：

• •
  单收缩：强直单收缩比非强直单收缩引发了显著更大的P_di,tw（+28%）、偏移量（+27%）和功率（+59%），效应量大。
• •
  频率响应：P_di,tw和偏移量随刺激频率增加而渐进性增加（偏移量在50 Hz时达到平台期）。偏移速度和功率在1至10 Hz之间保持稳定，但在50和100 Hz时显著增加（分别增加57%–76%和67%–110%）。收缩性指标（速度和功率）表现出最强的频率依赖性。

3.1.3 重测信度：

• •
  信度随着强直化和高频刺激而改善。
• •
  对于强直单收缩，偏移速度表现出“优秀”的信度(ICC=0.94)，偏移量和偏移时间表现出“良好”信度。
• •
  在100 Hz配对刺激时，偏移速度信度“优秀”(ICC=0.94)，偏移量、偏移时间和功率信度“良好”。
• •
  对于最大嗅吸，偏移时间信度“优秀”，P_di,sn和功率信度“良好”。

3.2 实验2结果

3.2.1 通气和压力反应：CO₂复吸耐受性良好，未发生不良事件。随P_ETCO₂升高，每分钟吸气量(V?_I)线性增加，主要由吸气潮气量(V_TI)和呼吸频率(f_R)驱动，后者得益于吸气时间(t_I)的逐渐缩短。平均吸气跨膈压(P?_di)的增加主要归因于平均吸气食管压(P?_oe)的降低。

3.2.2 技术可行性：在采集的206个动态图像中，204个（99%）可分析，表明在整个通气反应范围内具有很高的成功率。

3.2.3 结构效度：从静息到峰值，膈肌偏移量增加了1.6倍，偏移速度增加了1.5倍，膈肌功率增加了3.2倍。偏移时间保持不变。峰值时，膈肌偏移量达到最大值的约75%。膈肌偏移量与V_TI呈强相关(r=0.83)，膈肌偏移速度与平均吸气流速(V_TI/t_I)呈强相关(r=0.69)。

3.2.4 重测信度：通气指标显示出“中等至良好”的信度。对于基于斜率的测量，信度普遍较差（ICC ≤ 0.20）。然而，峰值反应的信度从“中等”到“优秀”不等：膈肌偏移量、偏移速度、膈肌功率和P?_di均表现出“良好”至“优秀”的信度(ICC_{3, k}= 0.70–0.94)。

4 讨论与结论

本研究表明，结合肋下超声和呼吸压力测量的方法在评估健康成年人膈肌收缩功能方面是可行的、有效的，并且在大多数指标上具有可接受的重测信度。该方法能够在多种收缩状态下（非自主、自主和反射性）对膈肌功能进行全面评估。

• •
  技术可行性：该方法在不同生理条件下（从单个神经刺激到反射性高通气）均能可靠地获取高质量的超声图像。
• •
  结构效度：该方法能够检测出预期的生理差异（例如，强直化与高频刺激引起的反应增强），并且超声衍生的指标与既定的通气指标（V_TI和V_TI/t_I）高度相关。
• •
  重测信度：信度在强直刺激、高频刺激和最大自主努力（嗅吸）时最佳，尤其是在测量峰值反应时。基于斜率的测量信度较差，可能反映了生理反应固有的变异性。
  总之，这种综合的多指标方法为膈肌的收缩特性（力量、速度、功率）提供了新的见解，超越了传统的压力测量。它具有用于膈肌功能障碍的机制研究和临床评估的转化潜力，特别是在需要评估不同收缩状态和功率输出的情况下。未来的研究应致力于将该方法应用于患者人群，并进一步优化其在动态和更具挑战性的生理条件下的应用。