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第十八章 水平律动与肺功能

肺脏是身体空洞的器官,由无数的空心肺泡所组成的,为了让表面积极大,肺泡像肥皂水吹出的气泡,表皮薄脆,因此也极为脆弱,容易破裂缺损。
  肺脏约有6到8亿个肺胞,工作量极大绝不能休息。平常人的呼吸次数每分钟 12-15下,每次换气量0.5公升,一分钟的通气量7.5公升,每天人体交换的气体达 7-9 公吨。由于与外部环境直接接触,因此肺部也是最容易生病的地方,像结核病、肺炎、气喘等,肺癌更高居男女癌症的榜首。水平律动对于肺部毛病是否有效呢?
  其实水平律动机的发明者萨克纳医师本身就是胸腔科医师,最初的动机也是为了改善肺部功能,预防婴儿猝死症。可见帄律动机的发明与基础是建立在它对于肺功能的改善。此章我们讨论水平律动对于肺功能的各种实验。

  第一个实验亚当敦医师发现小猪经过水平律动后,可以明显增加肺部的“每分钟通气量”及每次呼吸的潮气容积。而且增加的通气量会与水平律动强度呈现线性比例关系。由于“每分钟通气量”及每次呼吸的潮气容积两者都是肺功能好坏的指标。提升这两个指标就表示肺功能得到改善。为什么水平律动可以增加换气量呢?原来水平律动会造成逆式腹式呼吸。正常呼吸时是吸气时腹部胀出,吐气时腹部缩起,逆式腹式呼吸刚好相反,吸气时腹部缩小,而呼气时腹部突貣。这种呼吸会增加肺部的容积及换气量。此与中国道家的吐纳法修练不谋而合。

  第二个实验亚当敦为了了解水平律动对于换气异常的影响,小猪插上人工气管,使用呼吸器,故意将呼吸器功能调低,使得这批小猪换气不足,导致血氧浓度过低,二氧化碳浓度过高,及产生血液酸中毒。接着他将这批小猪放在水平律动机上左右振动 2 小时,他发现在水平律动 5 分钟后,就逆转了原有的换气不足导致的二氧化碳浓度过高及血液酸中毒问题,而且维持到2 小时观察结束。

  第三个实验是先将胎便灌入小猪的气管内,引发这群小猪的气管与肺发生吸入性肺炎,灌注 30 分钟后,这群小猪发生氧气浓度过低,二氧化碳浓度过高,血液酸中毒等呼吸窘迫现象。接着亚当敦将这群小猪放在水平律动机上振动观察 150 分钟,每 30 分钟抽血一次,看看效果怎样?结果发现原来呼吸窘迫现象如血液二氧化碳浓度过高及血液酸中毒问题都明显降低,而血氧浓度则明显提高。更棒的是,整个过程没有发生心跳加快或动脉压上升现象。可见水平律动对于肺功能确有助益,所以亚当敦医师在一篇文章中称水平律动为“非侵入性的移动式换气: 一种崭新的换气支持方法”。传统上的换气支持方法就是使用氧气罩或呼吸器。与传统的呼吸器比较,水平律动虽然不能取代,但却有它的优势,那就是不会造成侵入性的肺部伤害。

  第四个实验是探讨水平律动与气喘与过敏。水平律动对于呼吸道过敏气喘有效吗?亚伯拉罕医师设计了一个有趣的绵羊实验。他使用一种猪蛔虫喷雾,这种喷雾能够刺激这些绵羊气管,导致过敏与气喘。如果在诱发过敏之前,先给与绵羊一小时的水平律动,那么就可以降低“早期过敏反应”及“晚期过敏反应”,如果水平律动的频率次数增加到一天 2 次,时间 3 天,再加上诱发过敏前先做 1 小时律动,那么就不仅可以完全阻断早期及晚期的过敏反应,也能够阻断二十四小时后的迟发性过敏反应,以及呼吸道的细胞发炎反应。为什么水平律动可以阻断绵羊气管的过敏反应呢?原来是因为水平律动可以增加一氧化氮制造而抑制发炎反应。一氧化氮在过敏发炎中扮演重要角色,一方面它能够抑制 NF-κB 转录蛋白,另一方面又能够有效压制肥大细胞释放出各种过敏物质,所以可以降低缓解气管的过敏反应。
  

  第五个实验则探讨水平律动对于气喘病人的效果呢?坎克度医师找 15 位非抽烟者,15 位抽烟者与 15 位气喘者来做临床研究。他发现这些人使用45 分钟一次的水平律动后,都有明显一氧化氮合成与释出的血管扩张反应。其中非抽烟者的反应最好,增加 31%,而抽烟者与气喘者也有增加 13%。 (Cancado J, 2011)表示水平律动对于健康人、易感染者及有病者都一样有效果。
  从以上的研究,可以知道水平律动对于肺部的好处有五点:
(一)透过横隔膜的移动,导致逆式腹式呼吸,增加肺部的换气量;
(二)有呼吸窘迫与换气困难时,可以改善肺部二氧化碳过高及酸中毒;
(三)有吸入性肺炎时,可以改善肺部二氧化碳过高及酸中毒;
(四)没有传统呼吸器的伤害;
(五)可以改善绵羊与人体的气喘与过敏可见对于健康者、抽烟者、肺功能异常者如气喘、过敏、慢性阻塞性肺病、或发炎性的肺病人,水平律动都是一种非侵入性的预防保健治疗的好工具。 
 
肺是人体最脆弱的空洞器官
 
  人体中最脆弱的是那个部位?有人会说心脏或大脑,其实不对,答案是肺脏!肺脏是身体唯一不是实心的器官,而是由无数的空心肺泡的所组成的气囊结构。肺泡极像肥皂水吹出的气泡,表皮薄脆,很容易破裂缺损。气囊结构使得肺的表面积极大,目的是有效交换气体,摄入氧气,排出二氧化碳。肺脏拥有约 6~8 亿个肺胞,所有肺泡腔的总面积大约达 80 平方公尺。休息时人的呼吸次数每分钟约 12-15 下,每次呼吸换气量约 0.5 公升,可知一分钟的通气量为 7.5 公升。所以每天人体要交换的新鲜气体数量十分惊人,达到 7-9 公吨。
  没有食物,人或许可以支撑 1 个月,没有水支撑一周,但没有氧气供应几分钟,人就会死亡。可见呼吸系统才是维系生命的关键。病毒、细菌或各种外侵的物质,最常攻击的部位就是透过人体的呼吸道。近年来,由于工业社会的空气污染与抽烟的危害,许多人罹患慢性呼吸道的毛病。这可以说明为什么气管、支气管与肺的癌症,几乎在先进国家都高居男女性癌症的榜首。美国 2014 有 16 万人死于肺癌。台湾也是一样,肺癌遥遥领先,高居十大癌症的首位,民国 102 年有 8600 人死于肺癌,其中 85-90%都与抽烟有关。其它十分常见的肺病还有气喘、慢性阻塞性肺病、肺结核与肺炎。对于这些慢性肺病,水平律动可以提供协助吗? (图 29)
 
  的确是,在水平律动介绍一章中,我们特别提到 1996 年,发明水平律动机的萨克纳医师本身就是胸腔科医师,专长于肺部疾病,他是从观察母亲为了叫醒呼吸困难的婴儿,左右摇晃病婴得到的灵感。最初的动机原本就是为了改善肺部功能,预防婴儿猝死症。所以水平律动机刚开始的名子为非侵入性的移动式换气(Non-invasive motion ventilation, NIMV),后来才改称为周期性加速度。可见帄律动机的发明与基础是建立在它对于肺功能的改善。

  以下我们就来探讨水平律动对于肺功能的好处。

图 29:慢性阻塞性肺病(尘肺症)


 
实验 1: 水平律动改善换气量
 
  为了解水平律动对于肺功能的影响,亚当敦医师(Admas JA)使用小猪来做实验,他发现给与小猪每分钟 240 次,强度在+/-0.2 及+/-0.8g 的水平律动,可以明显增加小猪肺部的“每分钟通气量”(minute ventilation,VE) 及每次呼吸的潮气容积(tidal volume, VT) 。而且增加的通气量会与水帄律动强度呈现线性比例关系。“每分钟通气量”及每次呼吸的潮气容积两者都是肺功能好坏的指标。提升这两个指标就表示肺功能得到改善。(6)
      
水平律动类似道家的吐纳
 
  但是,为什么水平律动可以增加换气量呢?亚当敦发现原来水平律动会造成动物一种奇异的呼吸方式,这种呼吸方式称为逆式腹式呼吸。正常呼吸时是吸气时腹部胀出,吐气时腹部缩起,逆式腹式呼吸刚好相反,吸气时腹部缩小,而呼气时腹部突起。这种呼吸会增加肺部的容积及换气量。
  水平律动造成逆式腹式呼吸的原因则是因为水平律动会增加动物的肺间压(transpulmonary pressure)以及跨膈肌压(transdiaphragmatic pressure)。所谓肺间压指的是肺内外的压力差,压力差越大表示肺更容易换气;跨膈肌压则指腹内压与胸内压的差值,此差值越大也表示肺的换气更好。有趣的是中国道家的修练非常重视吐纳法,吐纳法就是一种协调的逆式腹式呼吸法,水平律动居然与道家的练气不谋而合。
 
实验 2:水平律动改善二氧化碳过高及酸中毒
 
  为了了解水平律动对于换气异常的影响,亚当敦医师做了两个实验,第一个实验是以原本肺脏功能正常的小猪做研究,这些小猪都经过麻醉,并插上人工气管,使用呼吸器。他首先故意将原来的呼吸器功能调低,使得这批小猪换气不足,导致血氧浓度过低,二氧化碳浓度过高,及产生血液酸中毒。接着他将这批呼吸有问题的小猪放在水平律动机上左右振动120分钟,频率是4.0赫兹,强度为±0.6g,然后每30分钟抽动脉血检验。
  他发现水平律动对于肺功能的效果十分显著,在水平律动5分钟后,就逆转了原有的换气不足导致的二氧化碳浓度过高及血液酸中毒问题,而且一直到2小时观察结束,持续的血液气体检验都维持在正常值。(6)
 
实验 3:水平律动改善呼吸窘迫与换气困难
 
  亚当敦的第二个实验是先将胎便灌入小猪的气管内,引发这群小猪的气管与肺发生吸入性肺炎,灌注30分钟后,再给予这群肺脏功能异常的小猪水平律动,观察它们的反应。这群可怜气管内被塞大便的小猪,动脉血的气体检查当然很糟,也发生氧气浓度过低,二氧化碳浓度过高,血液酸中毒等呼吸窘迫现象。接着亚当敦将这群小猪放在水平律动机上振动(频率4.0赫兹,强度±0.6g),并观察 150分钟,每30分钟抽血一次,看看效果怎样?结果发现原来呼吸窘迫现象如血液二氧化碳浓度过高及血液酸中毒问题都明显降低,而血氧浓度则明显提高。更棒的是,整个过程没有发生心跳加快或动脉压上升现象。(6)
   事实上,使用胎便灌小猪气管的实验,在 1998 年亚当敦曾做过一次,那次他就发现水平律动可以对这些呼吸窘迫的小猪,提供显著的肺功能改善。差别在于那次他使用的水平律动频率为 5-7 Hz, 加速度较强。(3) 
  可见水平律动对于肺功能确有助益,所以亚当敦医师在一篇文章中称水帄律动为“非侵入性的移动式换气: 一种崭新的换气支持方法”。
 
水平律动没有传统呼吸器的肺伤害
 
  传统上的换气支持方法是使用氧气罩或呼吸器。与传统的呼吸器比较,水平律动虽然不能取代,但却有它的优势,那就是不会造成侵入性的肺部伤害。人们在呼吸困难或无法呼吸时会用到机械带动的呼吸器,无论那种类型的呼吸器,基本上是需要先做气管插管,以便建立联结到肺部的气体通路,然后施与不同频律的正压气流,(几种常见的呼吸器频率: 持续性呼吸器 0.3 赫兹,高频振荡呼吸器 12 赫兹,高频喷射呼吸器 12 赫兹,高频呼吸器 22 赫兹);这些呼吸器从外面打气,对于肺部是一种正压,使用一段时间的正压气流后,通常会对气管与肺泡壁造成组织的高压剪力,形成过高的胸内压,并造成血流动力学的恶化,导致所谓的“呼吸器引貣的肺损伤”( Ventilator-associated lung injury, VALI )。
  水平律动的频率 2.3 赫兹,仅稍高于持续性呼吸器,但比其它种类呼吸器低;更难得的是,它不需要插管,也不是从外面直接将气灌注到肺部的正压气流,而是透过横膈膜与肺肋膜间的负压剌激改善换气问题,所以不会有传统呼吸器对于肺部二度伤害。
 
实验 4: 水平律动改善绵羊气喘与过敏
 
  停止呼吸的肺部疾病虽然严重,毕竟少见,较常见的呼吸道问题还是为过敏、气喘等毛病,那么水平律动对于呼吸道过敏气喘有效吗?
  其实在 1991 年,科学家已经发现一氧化氮是一种强的支气管扩张剂,机转可能在于增加细胞间的环磷酸鸟苷 cGMP,并导致气管的平滑肌松弛所致(23) 其它证据帮括像吸入一氧化氮气体可以解除化学物诱发的气管收缩,使用一氧化氮抑制剂 L-NAME 就会使的气管收缩更为严重,动物实验证实无法制造一氧化氮的老鼠诱发气喘时比正常老鼠严重。(167)
  亚伯拉罕医师 Abraham WM 也对于此问题感到兴趣,所以他设计了一个有趣的绵羊实验。首先,要先让这批绵羊产生气喘,他使用的方法是一种猪蛔虫喷雾,这种喷雾能够刺激这些绵羊气管,导致过敏与气喘。
  在喷蛔虫液之前,有一批绵羊先打一种药称为 L-NAME,这是一种抑制一氧化氮合成的药物。在喷过猪蛔虫液导致绵羊过敏后六小时,再利用气管冲刷法,取得绵羊支气管与肺泡的细胞来做一种特殊的“细胞核内的 kappaB 转录蛋白”(Nuclear Factor-kappaB,NF-κB)活性分析。NF-κB 是一种管制发炎细胞激素表现的重要转录蛋白,它高的时候代表身体在过敏发炎状态。
  亚伯拉罕发现:如果在诱发过敏之前,先给与绵羊一小时的水平律动,那么就可以降低“早期过敏反应”及“晚期过敏反应”,但尚无法完全阻断二十四小时后的才发作的“迟发性过敏反应”。但在水帄律动之前已经先打了 L-NAME 的绵羊,则此种保护作用完全消失,因为水平律动产生的一氧化氮合成被抑制掉了。比较 NF-kappaB 活性,在对照组是律动组的 1.9 倍,有打 L-NAME 的律动组是纯律动组的 1.8 倍。表示接受水帄律动后,绵羊气管的过敏发炎反应减少了。但如果给予 L-NAME,水平律动的抗过敏发炎反应就会消失。
  如果水平律动的频率次数增加到一天 2 次,时间 3 天,再加上诱发过敏前先做 1 小时律动,那么就不仅可以完全阻断早期及晚期的过敏反应,也能够阻断二十四小时后的迟发性过敏反应,以及呼吸道的细胞发炎反应。
  为什么水平律动可以阻断绵羊气管的过敏反应呢?分析 NF-κB 活性,便可以知道它是透过抗发炎的反应。也就是说,过敏反应本身就是一种发炎反应,而水平律动可以抑制此种发炎反应。读者或许会问,为什么水平律动能够压抑过敏的发炎反应?亚伯拉罕的研究证明是因为水平律动增加一氧化氮制造的关系。因为 L-NAME 这种一氧化氮合成酶抑制剂,可以使得水平律动的抗过敏发炎无效,表示水平律动的作用其实就是来自它刺激一氧化氮生成的保护作用。
  气喘或气管过敏虽然也是一种发炎反应,但并非发炎,而是由身体的肥大细胞(mast cell)刺激所诱发的过敏反应。肥大细胞可以释出许多像组织氨(histamine)物质的过敏物质,许多过敏反应与这些物质息息相关。一氧化氮在过敏发炎中扮演重要角色,一方面它能够抑制 NF-KB 转录蛋白,另一方面又能够有效压制肥大细胞释放出各种过敏物质,所以可以降低缓解气管的过敏反应。(2)
 
实验 5: 水平律动改人类气喘与过敏


  动物实验证明水平律动对于气管过敏与气喘有效,但对于人的效果如何呢?迈阿密米乐医学院(Miller)的坎克度医师(Jose Cancado)使用 15 位非抽烟者者,15 位抽烟者与 15 位气喘者来做临床研究。他发现这些人使用 45 分钟一次的水平律动后,都有明显一氧化氮合成与释出的血管扩张反应。其中非抽烟者的反应最好,增加 31%,而抽烟者与气喘者也有增加 13%。 (44)
  表示水平律动对于健康人、易感染者及有病者都一样有效果。
  从以上的研究,可以知道水平律动对于肺部的好处有五点:
(一)透过横隔膜的移动,导致逆式腹式呼吸,增加肺部的换气量;
(二)有呼吸窘迫与换气困难时,可以改善肺部二氧化碳过高及酸中毒;
(三)    有吸入性肺炎时,可以改善肺部二氧化碳过高及酸中毒;
(四)    没有传统呼吸器的伤害;
(五)    可以改善绵羊与人体的气喘与过敏
  可见对于健康者、抽烟者、肺功能异常者如气喘、过敏、慢性阻塞性肺病、或发炎性的肺病人,水平律动都是一种非侵入性的预防保健治疗的好工具。 

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