對機械通氣中呼氣峰流量法計算呼氣阻力公式的分析

武云珍

目前臨床上針對機械通氣時呼氣阻力的計算方法并不多，其中呼氣峰流量法是應用較為普遍的一種，也稱“Jonson method”[1-2]，其表達方式為“呼氣阻力=(平臺壓-呼氣末正壓)/呼氣峰流量”，也即“平臺壓-呼氣末正壓=呼氣阻力*呼氣峰流量”。從公式可以看出，此方法認為在呼氣峰流量時刻，氣道兩端的壓力差等于“平臺壓-呼氣末正壓”。同時，從呼吸力學角度[3-5]，在呼氣峰流量時刻，根據歐姆定律，應該也同時存在“氣道兩端的壓力差=肺泡內壓-回路壓=呼氣阻力*呼氣峰流量”。所以，假如上述情況成立，在呼氣峰流量時刻，則應該存在“肺泡內壓-回路壓=平臺壓-呼氣末正壓”。但臨床上的很多跡象或現象提示這些假設可能存在問題，比如用可以凍結屏幕的呼吸機觀察呼氣峰流量時刻的回路壓時，回路壓并不是呼氣末正壓(Positive End Expiratory Pressure，PEEP)，而是高于PEEP。所以，進一步驗證這些假設或設定，對正確理解呼氣阻力的計算及臨床意義很有必要。

1 資料與方法

1.1 材料與設備 夾板模擬肺一個(成人型，臺灣彥大有限公司)，一次性成人呼吸機管路一套(型號REF67010，崇仁科技事業股份有限公司)，麻醉延長管一根(型號MP01850，德爾格Drager)，金屬夾子一個。美敦力PB840呼吸機一臺；邁瑞呼吸機SV600一臺；應用呼氣峰流量法(或類似方法，如湍流阻力計算方法)測量呼氣阻力的某品牌的呼吸機V-X一臺。

1.2 方法

1.2.1 觀察呼氣峰流量時刻對應的回路壓，及呼氣峰流量時刻與呼氣開始時刻的容積差異 將一次性成人呼吸管路連接到PB840呼吸機，按流程執行開機自檢。選擇容量控制通氣模式，設呼吸頻率為每分鐘16次，潮氣量為350 mL，送氣流速(方波)為35 L/min，平臺時間為0.5 s，PEEP為5 cmH2O，氧濃度為40%。將模擬肺通過麻醉延長管連接到Y型口，開始通氣。將呼吸機屏幕橫軸調至最長3 s。鎖屏一次通氣時的壓力-時間、流量-時間、容量-時間曲線。通過壓力-時間曲線查看峰流量時刻對應的回路壓力(Y型口處壓力，PY-P)，通過容量-時間曲線對比呼氣峰流量時相與呼氣開始點(吸氣末)的容積差別。同樣的方式與邁瑞SV600呼吸機相連。容量控制通氣，設呼吸頻率為每分鐘14次，潮氣量為450 mL，送氣流速(方波)為40 L/min，吸氣時間為1.2 s，PEEP為5 cmH2O，氧濃度為40%。開始送氣。屏幕包含壓力-時間、流量-時間、容量-時間曲線。采用定標功能，將定位線定位于呼氣峰流量時刻。采用拍照輸出功能，輸出圖片。通過壓力-時間曲線查看峰流量時刻對應的回路壓力PY-P，通過容量-時間曲線對比呼氣峰流量時刻與呼氣開始時刻(吸氣末)的容積差別。

1.2.2 觀察呼吸回路不同部位阻力改變對呼氣阻力的影響 將一次性成人呼吸管路、麻醉延長管、模擬肺連接到V-X呼吸機。容量控制通氣，設呼吸頻率為每分鐘14次，潮氣量為450 mL，送氣流速為40 L/min，吸氣時間為1.2 s，PEEP為5 cmH2O，氧濃度為40%。開始送氣。分別用夾子夾到呼吸管路吸氣支、管路呼氣支、麻醉延長管的一部分(勿完全夾閉)，以增加其阻力；觀察三種狀態下，吸氣阻力(Inspiratory Insistence,Ri)與呼氣阻力(Expiratory Resistance, Re)的變化情況。

1.2.3 觀察管路回縮氣流對呼氣峰流量的影響 在PB840與SV600呼吸機通氣期間，在一次正常通氣的平臺期，完全夾閉Y型管后麻醉延長管，待進入呼氣時刻，管路氣流釋放后，再松開夾閉，讓模擬肺內氣流排出。觀察管路產生的氣流是否在流量-時間曲線上呈現，及此時單純由模擬肺回縮形成的呼氣峰流量與未干預狀態下的呼氣峰流量的差別。

1.3 統計學處理 對通氣曲線圖片使用Photoshop CS6進行編輯。使用Excel 2013對數據進行列表分析。

2 結果

2.1 呼氣峰流量時刻對應的回路壓力PY-P，呼氣峰流量時刻的肺泡內壓(PA-P)與吸氣末平臺壓(Platform pressure,Pplat)的關系 壓力-時間曲線顯示，呼氣峰流量時刻對應的回路壓力PY-P明顯高于基線PEEP，即PY-P>PEEP(圖1)。流量-時間曲線顯示，自呼氣開始時刻至呼氣峰流量時刻，會形成一定的曲線下面積。容量-時間曲線顯示，峰流量時刻的容積較呼氣開始點(吸氣平臺期)有極少量的下降。意味著，雖然時間極短，至呼氣峰流量時刻，已有部分容積的氣體自呼吸系統排出；也就意味著此時肺泡內壓PA-P會略低于Pplat，即PA-P

圖1 呼氣峰流量點對應的回路壓力與容積

2.2 阻力與回路阻力關系 吸氣支阻力增加時，Ri/Re均無明顯變化；呼氣支阻力增加時，Ri無明顯變化，Re明顯增加；延長管阻力增加時，Ri/Re均同時明顯增加，表1。

表1 不同部位阻力變化對吸氣阻力/呼氣阻力計算值的影響

2.3 管路對呼氣峰流量的影響 流量-時間曲線顯示，管路回縮可形成較明顯的瞬時呼氣氣流，后續模擬肺釋放的呼氣峰流量略低于未干預狀態下的呼氣峰流量，圖2。

3 討論

根據呼吸力學，按照歐姆定律，對于氣道R1段，在呼氣峰流量時刻，此時的肺泡內壓力(PA-P)與Y型口壓力(PY-P)，存在Re=(PA-P-PY-P)/Ve；而根據呼氣峰流量阻力計算法，則存在“Re=(Pplat-PEEP)/Ve”。假如上述兩種情況都成立，應存在Re=(Pplat-PEEP)/Ve=(PA-P-PY-P)/Ve，即Pplat-PEEP=PA-P-PY-P。為明確這個關系是否成立，本研究給予了進一步論證，圖3。

圖3 回路壓力與阻力關系圖PA：肺泡內壓；PY：Y型口壓力；R1：氣道阻力；R2：呼氣支管路及組件阻力；R′：氣道與呼氣支部分的總阻力；PEEP：呼氣閥出口處壓力；Ve：氣道出口呼氣峰流量；Ve′：呼氣閥出口呼氣峰流量

因PA無法直接監測，所以臨床上多采用平臺壓法來評估。在吸氣末段，當氣道氣流為0時，外部回路壓力與PA持平，此時呼吸機所監測到的回路壓力就等于PA，即，平臺期，PA=Pplat。平臺壓在臨床監測中非常重要[6]，其中，測量最常用的方法是容量控制通氣給予平臺時間測定。在呼氣階段，呼氣伐瞬間打開后，氣流開始釋放，這個過程中呼氣氣流流量會從0迅速增快到峰流量時刻，但這個細節演變過程，只有在能夠拉伸坐標軸的呼吸機才可以看到，這也正是此研究選擇PB840呼吸機的原因。從理論上而言，無論這個時間多短，至呼氣峰流量點，都會有一部分氣體從肺泡中排出，所以此時PA-P0。從圖1中，尤其PB840圖中拉伸的壓力-時間曲線而言非常清楚，顯然，此時的PY-P要明顯大于PEEP。當然，這個對應關系，在沒有經過拉伸的視圖中，還是很難辨別的；因為常規視圖(圖2)下，這個壓力下降過程，曲線表現為一條垂直于橫軸的直線，這個已在前期研究中論述[7]。可表示為PY-P=PEEP+n，n>0；即，PEEP=PY-P-n。根據以上實際情況，則Pplat-PEEP=PA-P+m-(PY-P-n)=PA-P-PY-P+(m+n)，因m+n>0，顯然，Pplat-PEEP

雖然呼氣峰流量時刻，PA-P≈Pplat；但，PY-P與PEEP的差距卻較大。既然，此時Y形口壓力不為PEEP，且又很難確定其具體數值是多少；那么，我們就尋找此時回路中哪個位置的壓力最有可能是PEEP。從呼吸機工作原理分析[8]，在呼氣過程的早期，送氣閥不需要提供基礎氣流，所以，此時只有一個閥門在工作，就是呼氣閥；呼氣閥在呼氣過程中始終在背側提供一個PEEP水平的壓力(圖3)，所以，此時呼氣閥的正面位置壓力應為PEEP。

所以，根據上述推斷，呼氣峰流量時刻，內口(肺泡內)壓力約為PPlat，呼氣閥處壓力為PEEP，根據歐姆定律，目前常用的公式所計算的阻力，應該包含自Y形口至呼氣閥口這段管路及組件的阻力R2(圖3)。為驗證這個推斷，選擇可能采用這種方法或類似計算方法的某一品牌呼吸機，并通過順次改變管路阻力的方法來實施；結果證明，當R2明顯增大時，Re計算值也會明顯增大，所以，這個推斷應該是成立的。即此公式所計算的阻力其實為R′=R1+R2。試驗結果也證明，吸氣阻力Ri的計算公式并不受吸氣與呼氣支管路阻力的影響(選擇兩端的壓力符合歐姆定律)。

需要說明的是，在氣道阻力計算公式中，當氣流形式為湍流時[9]，一般不使用歐姆定律來評估，而是變為氣道兩端壓力差ΔP=RV2。按照此計算原理，對于呼氣峰流量點，氣道兩端壓力差為“Pplat-PEEP=ReVe2”，也為“PA-P-PY-P=ReVe2”。與上相同的道理，采用這種計算方式的前提，仍然是建立在認為氣道兩端的壓力差等于“Pplat-PEEP”的基礎上，顯然，這個設定仍然存在相同的問題。

當然，即使清楚了上述情況，此公式仍然存在其他問題。剩下的另一個因素，呼氣峰流量是否準確、在呼氣峰流量時刻，呼氣端流量傳感器監測到的氣流Ve′是否等于經氣道的氣流Ve(圖2、圖3)，這個問題涉及到呼吸機的工作原理[7]。在呼氣過程中，在無基礎氣流情況下，呼出氣流的數據Ve′均來自呼氣盒內靠近呼氣閥處的流量傳感器感測的數值；因為是一個瞬時氣流，而不像潮氣量一樣是一種匯總計算(可以剔除管路順應性導致的容積消耗)，所以，呼吸機應該難以辨別這個數值是包含來源于管路(包含吸氣支與呼氣支)回縮形成的氣流V1，還是只有肺泡回縮形成經過氣道的氣流Ve。為驗證這個推斷，采用管路與模肺分別釋放氣流的方式進行鑒別，當然，最終結果說明呼吸機并不能在呼氣氣流中將管路回縮產生的氣流剔除掉，呼氣峰流量是由管路與模肺共同回縮形成，即Ve=Ve′-k，k>0。但因為管路回縮產生的氣流很小，接下來由模肺產生的呼氣峰流量與未干預狀態下的呼氣峰流量相差甚小(圖2)，所以，此時可以認為監測的呼氣峰流量Ve′≈Ve。

所以，呼氣峰流量法計算呼氣阻力，從細節及理論而言，存在著較多的瑕疵與問題；理論上應該是R1=(PA-PY)/Ve，但實際的計算值Re計算值=(Pplat-PEEP)/Ve′，其中PA-PPEEP，Ve

所以，R2越小，R1越接近Re計算值；Ve′越接近Ve，R1就越接近Re計算值。當然，即使不用歐姆定律，而是采用湍流的計算方式，不但存在與歐姆定律相同的問題，而且因阻力受流量2次方的影響，流量數值的不準確，對其計算結果干擾更大。

所以，臨床醫務人員要能認識到呼氣阻力的計算問題，同時，更重要的是對此有一定的警惕性，避免特殊情況下的數據誤導。采用層流計算方法“Re=(Pplat-PEEP)/Ve”，或湍流計算方法“Re=(Pplat-PEEP)/Ve2”計算呼氣阻力，當呼吸機管路回路支及組件阻力很小時，所計算的呼氣阻力可以一定程度上反映氣道的阻力，但當回路支阻力明顯增大時，比如回路支管路打折、管路太長或太細、回路端附加過濾器等，所顯示的呼氣阻力值就無法反映真實的氣道阻力。從呼氣峰流量準確性而言，使用順應性越小的呼吸回路，管路對呼氣峰流量的影響越小，阻力計算值也就越能反映真實的氣道阻力。