呼吸波形和呼吸環在機械通氣中的意義

【作 者】張堅，陳觀濤

1 上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院, 上海, 200127

2 南通大學醫學院附屬醫院， 江蘇, 南通, 226001

隨著電子技術與微型傳感器技術的快速發展并滲入到醫療儀器設備，呼吸機的相關參數的檢測，已經從簡單的數字檢測演變為以電腦顯示屏的實時呼吸波形和呼吸環檢測為主。其優點是把對機械通氣的模式，壓力，容量，流量（流速），時間，肺力學（阻力，順應性）等相關通氣參數與呼吸作用，人機同步情況，從靜態的、有限的數字（一般為10項左右）演變為動態的、實時的智能化檢測和分析。特別是近年來，許多學者和臨床醫生對機械通氣的副作用提出了肺保護策略，也就是在保證適當氧合與合理通氣的前提下，用合理的通氣參數達到保護與改善肺功能，促進病變肺的恢復，降低機械通氣可能所致的三大肺傷害（氣壓傷，容積傷，剪切傷）。如何才能做到保護性的肺通氣；如何才能做到將傳統的機械通氣治療理念從癥狀性治療轉換為肺保護性治療，這就需要我們在呼吸機的使用過程中，通過動態的檢測并分析呼吸波形和呼吸環，為合理調整呼吸機的模式和參數提供客觀的依據。因此，呼吸波和呼吸環的檢測被稱為是用第三只眼睛里看肺的活動和變化，不僅是動態的觀察，還可以通過波形的凍結，測量，存儲，趨勢，回顧，打印等現代電子技術手段對機械通氣的呼吸波形和環中的相關參數進行定量分析。本文僅對呼吸波形和呼吸環的物理基礎加以分析闡述。

1 機械通氣的目的

從生理學角度，機械通氣的目的，首先是為了維持肺的適當氣體交換：即維持通氣平衡PaCO2＞ 50-60 mmHg; 維持適當的動脈血氧合PaO2＞60 mmHg ，A-aDO2即P(A-a)O2(Fi=1.0時)＞350-450 mmHg; 以及血氣血漿酸堿度平衡pH＜7.20-7.25 。其次是為了通過吸氣末擴張和維持適當的功能殘氣量（FRC）增加肺容積；以及為了減輕呼吸肌的負荷。

從臨床學的角度，機械通氣更是為了改善肺的氣體交換；糾正嚴重的呼吸性酸中毒；糾正嚴重的低氧血癥、緩解組織缺氧；緩解呼吸窘迫，降低呼吸氧耗，逆轉呼吸肌的疲勞。通過改善壓力-容量關系：預防和治療肺不張，改善順應性，預防進一步的肺損傷；保障鎮靜劑和肌松劑的安全應用，降低顱內壓，維持胸壁的穩定性，有利于肺和氣道的愈合，避免并發癥。所以說機械通氣不僅僅為了改善氧合單一目的，因為可應用無創氧療(如鼻塞CPAP)等其他技術改善氧合，也就沒有必要采用有創傷性的機械通氣。

2 機械通氣的參數

機械通氣主要由四個基本參數組成：壓力，容量，流速和時間。前面的三個參數和時間可組合成壓力-時間曲線、容量-時間曲線和流速-時間曲線。三個參數之間又可互相組合成為壓力-容量環（順應性環）、壓力-流量環(阻力環)和容量-流量環(時間常數環)，這四個參數間有不可分割的聯系。例如機械通氣時的壓力梯度必然產生氣體的流動和容量的變化。容量的變化時吸氣壓力必須克服肺組織和胸壁產生的彈性回縮力。為了產生氣體流動，吸氣壓力需要克服氣道和彈性回縮阻力。所以，我們不但要動態的分析這三個控制獨立變量（壓力、容量和流量）之間的關系，更需要研究這三個參數與病人的非控制變量—氣道阻力，胸肺順應性之間肺力學的運動公式關系及臨床意義。

對呼吸波形和環的監測和分析可以獲得以下信息：

(1) 呼吸系統的動態力學特征；

(2) 呼吸系統的靜態力學特征；

(3) 病人與通氣機的相互關系。

在吸氣相的任何時候，為了平衡肺泡和胸壁的擴張力，氣道開口處的壓力Paw包括呼吸系統的彈性回縮壓力（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，高頻時不可忽視。(1) 式可以簡化為：氣道壓 Paw= Pelast+Presist

式中： Pelast = 容量x彈力= 容量(Vt) / 順應性(c)

Presist = 流量(Flow)x阻力(Raw)

容量 / 順應性的意義在于：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，與呼吸系統順應性成反比。

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：可讓醫生把壓力，容量，流量作為變量主動去設定，但順應性，阻力卻不受醫生控制。了解并研究這些參量之間的主被動的相互關系，方能靈活和有效的將呼吸機的模式和參數用活，用好。

氣道壓Paw與容量 Vt，流量Flow，阻力Raw成正比關系，與順應性C成反比關系。

若呼吸機以壓力控制器工作時（PCV模式），壓力是獨立的，主動的，恒定的。不受順應性和阻力的影響。呼吸機按醫生設定的壓力大小并在整個吸氣相期維持不變的方波波形輸送，被動變化的是容量和流量。當病人的阻力和順應性變化時，是容量和流量隨時間呈指數地升降改變（見圖1）。

圖1 PCV模式的壓-力時間，容量-時間，流速-時間曲線Fig.1 PCV mode pressure- time, capacity - time and velocity - time curve

若呼吸機以流量控制工作時（VCV模式）：流量是獨立的，主動的，恒定的。不受順應性和阻力的影響。呼吸機按醫生設定的流速大小并在整個吸氣相期維持不變的方波波形輸送，被動變化的是壓力和容量。當病人的阻力和順應性變化時，是壓力和容量隨時間呈指數地升降改變（見圖2）。

理論上，VCV模式，呼吸機的容量控制器的Vt值必須直接測定，實際上大多數機呼吸機不能直接測定的，而是通過把吸氣相的流量的積分來間接計算容量，容量控制實際上就是流量控制。但VCV的呼氣是被動的，呼出的流量受阻力和彈性的影響。

波形的橫坐標都是時間Time (sec)，分別表示吸氣相Ti，呼氣相的時間Te。在機控模式，它是由醫生主動設定的，可以直接用Ti, Te 設定，也可以通過吸呼比I-E，或頻率f 設定。

圖3是我們以一位心臟手術后的病人以容量控制V--CMV模式進行機械通氣并設定下述參數后，通過對呼吸頻率的變化引發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-力時間容量-時間，流速-時間曲線Fig.2 VCV mode pressure-time capacity-time, velocity-time curve

當Vt，Flow ，Raw，Crs 的條件不變，頻率為15breath/min時，每一周期時間應是Tc = 60 sec /15 b=4sec，吸氣時間為Ti=1.5sec，呼氣時間為Te = 2.5sec

其波形圖如3的實線（紅線）所示：

如果將設定的頻率上升為20 breath/min時，則周期時間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，吸氣時間也不能變，呼氣時間就縮短（如圖3-1B的蘭線）。當設定的頻率下降為12 breath/min時，周期時間Tc上升為60sec/12b/次=5sec/次。吸氣時間變，呼氣時間延長了（ 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的呼氣時間前后位移中可以直觀的看出：（1）吸氣波的縱坐標高度與寬度沒變，面積沒變，說明吸氣潮氣量沒變。（2）呼氣相形態沒變，但呼氣相的寬度變寬了，說明呼氣時間變長了，從臨床角度考慮，排除CO2的效果可能會更好。

通過這個實例，看波形圖應一看高，二看寬，三看形態直與彎。也就是通過比較波形在縱坐標的高度變化與橫坐標的寬度的變化與整個波形形態的變化去分析原因。為臨床治療需要合理修正相關參數。

圖3 流速-時間波形圖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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