呼吸波形和呼吸环在机械通气中的意义

【作 者】张坚，陈观涛

1 上海交通大学医学院附属仁济医院, 上海, 200127

2 南通大学医学院附属医院， 江苏, 南通, 226001

随着电子技术与微型传感器技术的快速发展并渗入到医疗仪器设备，呼吸机的相关参数的检测，已经从简单的数字检测演变为以电脑显示屏的实时呼吸波形和呼吸环检测为主。其优点是把对机械通气的模式，压力，容量，流量（流速），时间，肺力学（阻力，顺应性）等相关通气参数与呼吸作用，人机同步情况，从静态的、有限的数字（一般为10项左右）演变为动态的、实时的智能化检测和分析。特别是近年来，许多学者和临床医生对机械通气的副作用提出了肺保护策略，也就是在保证适当氧合与合理通气的前提下，用合理的通气参数达到保护与改善肺功能，促进病变肺的恢复，降低机械通气可能所致的三大肺伤害（气压伤，容积伤，剪切伤）。如何才能做到保护性的肺通气；如何才能做到将传统的机械通气治疗理念从症状性治疗转换为肺保护性治疗，这就需要我们在呼吸机的使用过程中，通过动态的检测并分析呼吸波形和呼吸环，为合理调整呼吸机的模式和参数提供客观的依据。因此，呼吸波和呼吸环的检测被称为是用第三只眼睛里看肺的活动和变化，不仅是动态的观察，还可以通过波形的冻结，测量，存储，趋势，回顾，打印等现代电子技术手段对机械通气的呼吸波形和环中的相关参数进行定量分析。本文仅对呼吸波形和呼吸环的物理基础加以分析阐述。

1 机械通气的目的

从生理学角度，机械通气的目的，首先是为了维持肺的适当气体交换：即维持通气平衡PaCO2＞ 50-60 mmHg; 维持适当的动脉血氧合PaO2＞60 mmHg ，A-aDO2即P(A-a)O2(Fi=1.0时)＞350-450 mmHg; 以及血气血浆酸碱度平衡pH＜7.20-7.25 。其次是为了通过吸气末扩张和维持适当的功能残气量（FRC）增加肺容积；以及为了减轻呼吸肌的负荷。

从临床学的角度，机械通气更是为了改善肺的气体交换；纠正严重的呼吸性酸中毒；纠正严重的低氧血症、缓解组织缺氧；缓解呼吸窘迫，降低呼吸氧耗，逆转呼吸肌的疲劳。通过改善压力-容量关系：预防和治疗肺不张，改善顺应性，预防进一步的肺损伤；保障镇静剂和肌松剂的安全应用，降低颅内压，维持胸壁的稳定性，有利于肺和气道的愈合，避免并发症。所以说机械通气不仅仅为了改善氧合单一目的，因为可应用无创氧疗(如鼻塞CPAP)等其他技术改善氧合，也就没有必要采用有创伤性的机械通气。

2 机械通气的参数

机械通气主要由四个基本参数组成：压力，容量，流速和时间。前面的三个参数和时间可组合成压力-时间曲线、容量-时间曲线和流速-时间曲线。三个参数之间又可互相组合成为压力-容量环（顺应性环）、压力-流量环(阻力环)和容量-流量环(时间常数环)，这四个参数间有不可分割的联系。例如机械通气时的压力梯度必然产生气体的流动和容量的变化。容量的变化时吸气压力必须克服肺组织和胸壁产生的弹性回缩力。为了产生气体流动，吸气压力需要克服气道和弹性回缩阻力。所以，我们不但要动态的分析这三个控制独立变量（压力、容量和流量）之间的关系，更需要研究这三个参数与病人的非控制变量—气道阻力，胸肺顺应性之间肺力学的运动公式关系及临床意义。

对呼吸波形和环的监测和分析可以获得以下信息：

(1) 呼吸系统的动态力学特征；

(2) 呼吸系统的静态力学特征；

(3) 病人与通气机的相互关系。

在吸气相的任何时候，为了平衡肺泡和胸壁的扩张力，气道开口处的压力Paw包括呼吸系统的弹性回缩压力（Pelast），流量阻力压力（Presist）和惰性压力

其中的惰性压力（Pinert）在常频可忽略不计，高频时不可忽视。(1) 式可以简化为：气道压 Paw= Pelast+Presist

式中： Pelast = 容量x弹力= 容量(Vt) / 顺应性(c)

Presist = 流量(Flow)x阻力(Raw)

容量 / 顺应性的意义在于：气道开口处为克服高于肺功能残气量FRC的弹性力所须的压力Paw 与 容量成正比，与呼吸系统顺应性成反比。

流量x阻力的临床意义在于：气道开口处为克服呼吸系统阻力的压力与吸气流量成正比, 与最大的气道阻力Raw也成正比。

研究上述公式的意义在于：可让医生把压力，容量，流量作为变量主动去设定，但顺应性，阻力却不受医生控制。了解并研究这些参量之间的主被动的相互关系，方能灵活和有效的将呼吸机的模式和参数用活，用好。

气道压Paw与容量 Vt，流量Flow，阻力Raw成正比关系，与顺应性C成反比关系。

若呼吸机以压力控制器工作时（PCV模式），压力是独立的，主动的，恒定的。不受顺应性和阻力的影响。呼吸机按医生设定的压力大小并在整个吸气相期维持不变的方波波形输送，被动变化的是容量和流量。当病人的阻力和顺应性变化时，是容量和流量随时间呈指数地升降改变（见图1）。

图1 PCV模式的压-力时间，容量-时间，流速-时间曲线Fig.1 PCV mode pressure- time, capacity - time and velocity - time curve

若呼吸机以流量控制工作时（VCV模式）：流量是独立的，主动的，恒定的。不受顺应性和阻力的影响。呼吸机按医生设定的流速大小并在整个吸气相期维持不变的方波波形输送，被动变化的是压力和容量。当病人的阻力和顺应性变化时，是压力和容量随时间呈指数地升降改变（见图2）。

理论上，VCV模式，呼吸机的容量控制器的Vt值必须直接测定，实际上大多数机呼吸机不能直接测定的，而是通过把吸气相的流量的积分来间接计算容量，容量控制实际上就是流量控制。但VCV的呼气是被动的，呼出的流量受阻力和弹性的影响。

波形的横坐标都是时间Time (sec)，分别表示吸气相Ti，呼气相的时间Te。在机控模式，它是由医生主动设定的，可以直接用Ti, Te 设定，也可以通过吸呼比I-E，或频率f 设定。

图3是我们以一位心脏手术后的病人以容量控制V--CMV模式进行机械通气并设定下述参数后，通过对呼吸频率的变化引发的流速波形变化为例，波形的临床意义如下：

图2 VCV模式的压-力时间容量-时间，流速-时间曲线Fig.2 VCV mode pressure-time capacity-time, velocity-time curve

当Vt，Flow ，Raw，Crs 的条件不变，频率为15breath/min时，每一周期时间应是Tc = 60 sec /15 b=4sec，吸气时间为Ti=1.5sec，呼气时间为Te = 2.5sec

其波形图如3的实线（红线）所示：

如果将设定的频率上升为20 breath/min时，则周期时间Tc降为60sec/20b/次=3sec次。

在定容模式，为保证吸气潮气量不变，流速不变，吸气时间也不能变，呼气时间就缩短（如图3-1B的兰线）。当设定的频率下降为12 breath/min时，周期时间Tc上升为60sec/12b/次=5sec/次。吸气时间变，呼气时间延长了（ 如图3-2B的浅线所示）。

从两张图流速波形的阴线波形图的横坐标的呼气时间前后位移中可以直观的看出：（1）吸气波的纵坐标高度与宽度没变，面积没变，说明吸气潮气量没变。（2）呼气相形态没变，但呼气相的宽度变宽了，说明呼气时间变长了，从临床角度考虑，排除CO2的效果可能会更好。

通过这个实例，看波形图应一看高，二看宽，三看形态直与弯。也就是通过比较波形在纵坐标的高度变化与横坐标的宽度的变化与整个波形形态的变化去分析原因。为临床治疗需要合理修正相关参数。

图3 流速-时间波形图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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