呼吸波形和呼吸環(huán)在機(jī)械通氣中的意義

【作 者】張堅(jiān)，陳觀濤

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院, 上海, 200127

2 南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院， 江蘇, 南通, 226001

隨著電子技術(shù)與微型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展并滲入到醫(yī)療儀器設(shè)備，呼吸機(jī)的相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)，已經(jīng)從簡(jiǎn)單的數(shù)字檢測(cè)演變?yōu)橐噪娔X顯示屏的實(shí)時(shí)呼吸波形和呼吸環(huán)檢測(cè)為主。其優(yōu)點(diǎn)是把對(duì)機(jī)械通氣的模式，壓力，容量，流量（流速），時(shí)間，肺力學(xué)（阻力，順應(yīng)性）等相關(guān)通氣參數(shù)與呼吸作用，人機(jī)同步情況，從靜態(tài)的、有限的數(shù)字（一般為10項(xiàng)左右）演變?yōu)閯?dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的智能化檢測(cè)和分析。特別是近年來，許多學(xué)者和臨床醫(yī)生對(duì)機(jī)械通氣的副作用提出了肺保護(hù)策略，也就是在保證適當(dāng)氧合與合理通氣的前提下，用合理的通氣參數(shù)達(dá)到保護(hù)與改善肺功能，促進(jìn)病變肺的恢復(fù)，降低機(jī)械通氣可能所致的三大肺傷害（氣壓傷，容積傷，剪切傷）。如何才能做到保護(hù)性的肺通氣；如何才能做到將傳統(tǒng)的機(jī)械通氣治療理念從癥狀性治療轉(zhuǎn)換為肺保護(hù)性治療，這就需要我們?cè)诤粑鼨C(jī)的使用過程中，通過動(dòng)態(tài)的檢測(cè)并分析呼吸波形和呼吸環(huán)，為合理調(diào)整呼吸機(jī)的模式和參數(shù)提供客觀的依據(jù)。因此，呼吸波和呼吸環(huán)的檢測(cè)被稱為是用第三只眼睛里看肺的活動(dòng)和變化，不僅是動(dòng)態(tài)的觀察，還可以通過波形的凍結(jié)，測(cè)量，存儲(chǔ)，趨勢(shì)，回顧，打印等現(xiàn)代電子技術(shù)手段對(duì)機(jī)械通氣的呼吸波形和環(huán)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量分析。本文僅對(duì)呼吸波形和呼吸環(huán)的物理基礎(chǔ)加以分析闡述。

1 機(jī)械通氣的目的

從生理學(xué)角度，機(jī)械通氣的目的，首先是為了維持肺的適當(dāng)氣體交換：即維持通氣平衡PaCO2＞ 50-60 mmHg; 維持適當(dāng)?shù)膭?dòng)脈血氧合PaO2＞60 mmHg ，A-aDO2即P(A-a)O2(Fi=1.0時(shí))＞350-450 mmHg; 以及血?dú)庋獫{酸堿度平衡pH＜7.20-7.25 。其次是為了通過吸氣末擴(kuò)張和維持適當(dāng)?shù)墓δ軞垰饬浚‵RC）增加肺容積；以及為了減輕呼吸肌的負(fù)荷。

從臨床學(xué)的角度，機(jī)械通氣更是為了改善肺的氣體交換；糾正嚴(yán)重的呼吸性酸中毒；糾正嚴(yán)重的低氧血癥、緩解組織缺氧；緩解呼吸窘迫，降低呼吸氧耗，逆轉(zhuǎn)呼吸肌的疲勞。通過改善壓力-容量關(guān)系：預(yù)防和治療肺不張，改善順應(yīng)性，預(yù)防進(jìn)一步的肺損傷；保障鎮(zhèn)靜劑和肌松劑的安全應(yīng)用，降低顱內(nèi)壓，維持胸壁的穩(wěn)定性，有利于肺和氣道的愈合，避免并發(fā)癥。所以說機(jī)械通氣不僅僅為了改善氧合單一目的，因?yàn)榭蓱?yīng)用無創(chuàng)氧療(如鼻塞CPAP)等其他技術(shù)改善氧合，也就沒有必要采用有創(chuàng)傷性的機(jī)械通氣。

2 機(jī)械通氣的參數(shù)

機(jī)械通氣主要由四個(gè)基本參數(shù)組成：壓力，容量，流速和時(shí)間。前面的三個(gè)參數(shù)和時(shí)間可組合成壓力-時(shí)間曲線、容量-時(shí)間曲線和流速-時(shí)間曲線。三個(gè)參數(shù)之間又可互相組合成為壓力-容量環(huán)（順應(yīng)性環(huán)）、壓力-流量環(huán)(阻力環(huán))和容量-流量環(huán)(時(shí)間常數(shù)環(huán))，這四個(gè)參數(shù)間有不可分割的聯(lián)系。例如機(jī)械通氣時(shí)的壓力梯度必然產(chǎn)生氣體的流動(dòng)和容量的變化。容量的變化時(shí)吸氣壓力必須克服肺組織和胸壁產(chǎn)生的彈性回縮力。為了產(chǎn)生氣體流動(dòng)，吸氣壓力需要克服氣道和彈性回縮阻力。所以，我們不但要?jiǎng)討B(tài)的分析這三個(gè)控制獨(dú)立變量（壓力、容量和流量）之間的關(guān)系，更需要研究這三個(gè)參數(shù)與病人的非控制變量—?dú)獾雷枇Γ胤雾槕?yīng)性之間肺力學(xué)的運(yùn)動(dòng)公式關(guān)系及臨床意義。

對(duì)呼吸波形和環(huán)的監(jiān)測(cè)和分析可以獲得以下信息：

(1) 呼吸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征；

(2) 呼吸系統(tǒng)的靜態(tài)力學(xué)特征；

(3) 病人與通氣機(jī)的相互關(guān)系。

在吸氣相的任何時(shí)候，為了平衡肺泡和胸壁的擴(kuò)張力，氣道開口處的壓力Paw包括呼吸系統(tǒng)的彈性回縮壓力（Pelast），流量阻力壓力（Presist）和惰性壓力

其中的惰性壓力（Pinert）在常頻可忽略不計(jì)，高頻時(shí)不可忽視。(1) 式可以簡(jiǎn)化為：氣道壓 Paw= Pelast+Presist

式中： Pelast = 容量x彈力= 容量(Vt) / 順應(yīng)性(c)

Presist = 流量(Flow)x阻力(Raw)

容量 / 順應(yīng)性的意義在于：氣道開口處為克服高于肺功能殘氣量FRC的彈性力所須的壓力Paw 與 容量成正比，與呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性成反比。

流量x阻力的臨床意義在于：氣道開口處為克服呼吸系統(tǒng)阻力的壓力與吸氣流量成正比, 與最大的氣道阻力Raw也成正比。

研究上述公式的意義在于：可讓醫(yī)生把壓力，容量，流量作為變量主動(dòng)去設(shè)定，但順應(yīng)性，阻力卻不受醫(yī)生控制。了解并研究這些參量之間的主被動(dòng)的相互關(guān)系，方能靈活和有效的將呼吸機(jī)的模式和參數(shù)用活，用好。

氣道壓Paw與容量 Vt，流量Flow，阻力Raw成正比關(guān)系，與順應(yīng)性C成反比關(guān)系。

若呼吸機(jī)以壓力控制器工作時(shí)（PCV模式），壓力是獨(dú)立的，主動(dòng)的，恒定的。不受順應(yīng)性和阻力的影響。呼吸機(jī)按醫(yī)生設(shè)定的壓力大小并在整個(gè)吸氣相期維持不變的方波波形輸送，被動(dòng)變化的是容量和流量。當(dāng)病人的阻力和順應(yīng)性變化時(shí)，是容量和流量隨時(shí)間呈指數(shù)地升降改變（見圖1）。

圖1 PCV模式的壓-力時(shí)間，容量-時(shí)間，流速-時(shí)間曲線Fig.1 PCV mode pressure- time, capacity - time and velocity - time curve

若呼吸機(jī)以流量控制工作時(shí)（VCV模式）：流量是獨(dú)立的，主動(dòng)的，恒定的。不受順應(yīng)性和阻力的影響。呼吸機(jī)按醫(yī)生設(shè)定的流速大小并在整個(gè)吸氣相期維持不變的方波波形輸送，被動(dòng)變化的是壓力和容量。當(dāng)病人的阻力和順應(yīng)性變化時(shí)，是壓力和容量隨時(shí)間呈指數(shù)地升降改變（見圖2）。

理論上，VCV模式，呼吸機(jī)的容量控制器的Vt值必須直接測(cè)定，實(shí)際上大多數(shù)機(jī)呼吸機(jī)不能直接測(cè)定的，而是通過把吸氣相的流量的積分來間接計(jì)算容量，容量控制實(shí)際上就是流量控制。但VCV的呼氣是被動(dòng)的，呼出的流量受阻力和彈性的影響。

波形的橫坐標(biāo)都是時(shí)間Time (sec)，分別表示吸氣相Ti，呼氣相的時(shí)間Te。在機(jī)控模式，它是由醫(yī)生主動(dòng)設(shè)定的，可以直接用Ti, Te 設(shè)定，也可以通過吸呼比I-E，或頻率f 設(shè)定。

圖3是我們以一位心臟手術(shù)后的病人以容量控制V--CMV模式進(jìn)行機(jī)械通氣并設(shè)定下述參數(shù)后，通過對(duì)呼吸頻率的變化引發(fā)的流速波形變化為例，波形的臨床意義如下：

圖2 VCV模式的壓-力時(shí)間容量-時(shí)間，流速-時(shí)間曲線Fig.2 VCV mode pressure-time capacity-time, velocity-time curve

當(dāng)Vt，F(xiàn)low ，Raw，Crs 的條件不變，頻率為15breath/min時(shí)，每一周期時(shí)間應(yīng)是Tc = 60 sec /15 b=4sec，吸氣時(shí)間為Ti=1.5sec，呼氣時(shí)間為Te = 2.5sec

其波形圖如3的實(shí)線（紅線）所示：

如果將設(shè)定的頻率上升為20 breath/min時(shí)，則周期時(shí)間Tc降為60sec/20b/次=3sec次。

在定容模式，為保證吸氣潮氣量不變，流速不變，吸氣時(shí)間也不能變，呼氣時(shí)間就縮短（如圖3-1B的蘭線）。當(dāng)設(shè)定的頻率下降為12 breath/min時(shí)，周期時(shí)間Tc上升為60sec/12b/次=5sec/次。吸氣時(shí)間變，呼氣時(shí)間延長(zhǎng)了（ 如圖3-2B的淺線所示）。

從兩張圖流速波形的陰線波形圖的橫坐標(biāo)的呼氣時(shí)間前后位移中可以直觀的看出：（1）吸氣波的縱坐標(biāo)高度與寬度沒變，面積沒變，說明吸氣潮氣量沒變。（2）呼氣相形態(tài)沒變，但呼氣相的寬度變寬了，說明呼氣時(shí)間變長(zhǎng)了，從臨床角度考慮，排除CO2的效果可能會(huì)更好。

通過這個(gè)實(shí)例，看波形圖應(yīng)一看高，二看寬，三看形態(tài)直與彎。也就是通過比較波形在縱坐標(biāo)的高度變化與橫坐標(biāo)的寬度的變化與整個(gè)波形形態(tài)的變化去分析原因。為臨床治療需要合理修正相關(guān)參數(shù)。

圖3 流速-時(shí)間波形圖Fig.3 Velocity - time waveforms

[1] Rapid interpretation 0f ventilator waveforms Copyright 2007 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey.

[2] Analysis of arway pressure, flow, and volume waveforms Bob Kacmarek Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts.

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