呼吸运动的物理特性及呼吸机的应用与维修

第五节　呼吸运动的物理特性

一、呼吸机的特性

（一）呼吸机的特性公式

呼吸机的力学特性包括呼吸气流的速度、流量、压力、容量的变化规律及它们之间的相互关系。根据流体力学理论，可以推导出气道压力Paw（t）、肺泡压力PA（t）、气体流速v（t）之间的关系式：

Paw（t）＝PA（t）＋kpv2（t）/2

（1）式中k为气道、呼吸管道、气管导管、呼气阀的总的阻力系数。

（2）吸气流速和呼气流速的气体流速v（t）的方向相反，通常取吸气流速为负值。

一般呼吸机能够测量气道压力和流速（大小）的实际波形，以及其他更复杂的通气波形。

（二）呼吸机的特性的机电模拟

早在1969年，Peslin就曾经提出呼吸机与电工学的类比学说。该学说用电学参数与呼吸机的机械参数作类比：

呼吸机参数　　　　电学参数

吸呼容量　　　　　电量Q　　

流速电流　　　　　强度I　　

压强　　　　　　　电压U　　

压力　　　　　　　电动势E　

呼吸阻力　　　　　电阻R　　

顺应性　　　　　　电容C　　

该学说还提出，机械通气中的压强、流速和阻力之间的关系，与电压、电流强度和电阻之间的关系。并且将呼吸机用电学中的恒压源进行类比（适用于定压型呼吸机）。

1979年，我国学者进一步提出了呼吸机的恒流源模型，可以解释多种呼吸机的物理特性。

二、呼吸系统的物理运动公式

呼吸系统的物理运动公式是一个关于压力、容量、流量等变量与胸肺顺应性、气道阻力等参数之间关系的公式，它不仅是正常呼吸时的物理规律，也支配着机械通气的规律。呼吸的压力、容量、流量等变量可以由医生来控制，而胸肺顺应性、气道阻力等参数则不受医生的直接控制，而是由压力、容量、流量间接影响。

运动公式的一般表达方式为：

气道压力＝吸气容量/肺和胸廓顺应性＋气道阻力×吸气流量

运动公式的标准单位为：

cmH2O＝ml/（ml/cmH2O）＋（cmH2O·sec./ml）＋（mlse/c.）

在公式中，“吸气容量/肺和胸廓顺应性”是为了克服高于功能残气量的弹性力所必需的压力，属于胸肺的弹性组成部分。“气道阻力×吸气流量”是为了克服呼吸系统阻力所必需的压力，属于气道的阻力组成部分。

在上述运动公式中，压力、容量和流速可以由医生来直接控制，所以属于变量。而顺应性和阻力则不受医生控制，但它们与3个变量会互相影响。控制不同的变量决定了呼吸机不同的通气模式。

三、流量—时间曲线

流量—时间曲线以时间为横坐标（单位为秒），流量为纵坐标（单位为LPM）。曲线位于横轴基线以上的部分为吸气流量，位于横轴基线以下的部分为呼气流量。它反映了一个通气周期中吸气相和呼气相的气体流量变化。当患者存在阻塞性通气障碍时，呼气时间延长，可在流量曲线上反映出来。呼吸机的流量传感器的测量范围应能达到-300～＋150LPM。

利用流量—时间曲线可以完成以下的临床工作：

1.鉴别呼吸类型

可以根据波形判断出指令通气、自主呼吸、压力支持等呼吸类型。

2.判断是否存在内源性PEEP

如果呼气末流量不是零，即在下一次吸气开始前曲线未能返回零位，呼气时间短于至少3倍呼气时间常数，说明存在内源性PEEP。较高的呼气末流量，说明存在较高的内源性PEEP，较低的呼气末流量，说明存在较低的内源性PEEP。

3.对支气管扩张药物的疗效评价

支气管扩张后，呼气峰流速增大，流量返回为零（即流量曲线回零），也就是呼气完成的时间减少。

4.评价压力控制通气时吸气时间对患者的影响

在吸气相结束时，流量曲线返回零位，即流量为零，说明吸气时间合适。如果吸气相结束时，流量曲线未能返回零位，即流量没有减少到零，说明吸气时间不足。

5.检查流量触发时回路的漏气量

在呼气流量返回零位时，存在一个较低的恒定的吸气流量，说明存在回路漏气。流量的水平越高，说明漏气越严重。

6.区分流量波形

通过流量—时间曲线可以看出流量方式为方波、减速波或正弦波。

四、压力—时间曲线

压力—时间曲线以时间为横坐标（单位为秒），压力为纵坐标（单位为cmH2O）。曲线位于横轴基线以上的部分为正压通气，位于横轴基线以下的部分为负压通气。它反映通气周期中吸气相和呼气相的气道压力随时间的周期性变化。当气道压力变化时，可实时地、直观地反映出吸气峰压、平台压力等压力参数的变化情况。呼吸周期、I：E、呼吸频率，可在曲线上直观地反映出来。存在内源性PEEP升高的患者，也可在曲线上直观地反映出来。

利用压力—时间曲线可以完成以下的临床工作：

1.区别各种通气模式和特殊的通气方式

（1）控制通气（CMV）：无吸气触发，压力上升前没有负向的小波，各呼吸周期的波形一致，为时间指令通气。

（2）辅助控制通气（AC）：在压力上升前出现负向的小波，说明患者的吸气用力触发了机械通气。(www.xing528.com)

（3）间隙指令通气（IMV）：呼吸机以预设的频率输送固定的潮气量，在两次指令通气的间隙期间，允许患者有自主呼吸。在指令通气的压力上升前不出现负向的小波，但在两次指令通气的间隙期间出现低幅度的自主呼吸波形。

（4）同步间隙指令通气（SIMV）：在指令通气的压力上升前常常出现负向的小波，说明患者的吸气用力触发了机械通气。在两次指令通气的间隙期间出现低幅度的自主呼吸波形。

（5）反比通气（IRV）：吸气时间大于呼气时间。

（6）气道压力释放通气（APRV）：患者接受恒定压力水平的正压和自主呼吸，正压按照预设的频率周期性地释放和立即重建。

（7）压力支持通气（PSV）：每次通气由患者触发，触发后呼吸机马上输送出预设的压力，并维持一定的时间，通气频率由患者自己决定，潮气量取决于压力支持水平和患者的吸气用力。

（8）呼吸末正压（PEEP）：呼吸机将呼气末的气道正压保持为预设的正压水平。

（9）持续气道正压（CPAP）：呼吸机为自主呼吸的患者提供持续的预设的正压水平。

2.其他用途

（1）估算患者触发呼吸机时做功的大小：压力上升前出现的基于基线的负向小波，是患者的吸气努力，波形下降的程度和延续的时间，表明患者吸气用力的程度。

（2）计算I：E。

（3）观察是否达到理想的平台压力。

（4）观察压力上升速度，判断峰流速的设置是否合适。

（5）计算静态呼吸力学参数。

五、容量—时间曲线

容量—时间曲线以时间为横坐标（单位为秒），容量为纵坐标（单位为升）。它反映通气周期中容量随时间的变化。容量一般是通过对流量的积分和吸气时间计算出来的。波形上升的部分表示给患者送气，波形下降的部分表示患者呼气。

波形上升的部分对时间的积分表示给患者送气的量，波形下降的部分对时间的积分表示患者呼气的量。

正常的呼吸波形，送气的量和呼气的量应该相等。如果送气量和呼气量不相等，排除掉测量误差，就可能存在患者肺内气体陷闭和回路的漏气。由于婴幼儿使用的是无气囊的插管，常常存在一定程度的漏气，因此送气量往往大于呼气量，可以计算出漏气的比例。

六、压力—容量环

压力—容量曲线以压力为横坐标，容量为纵坐标。它构成一个以原点或点（PEEP、FRC）为起点的闭合回路，一般称为压力—容量环。压力—容量环上最有意义的是拐点，下拐点是容积随压力变化的一个特殊点，该点的斜率变化最大，在拐点之前，肺容量随压力的增加变化不大，一过拐点之后，肺容量随压力的增加而快速增大。通俗地讲，拐点是肺一下子张开的起始点。一般将拐点以上2cmH2O作为最佳的PEEP值。

（一）控制通气、 自主呼吸和辅助通气的压力—容量环

1.控制呼吸

控制通气的压力—容量环，全部位于纵轴的右边，是一个逆时针方向描记的吸气到呼气的过程。整个呼吸周期都没有产生负压（在纵轴左边没有曲线），说明患者没有自主呼吸，全部为控制呼吸。

2.自主呼吸

自主呼吸的压力—容量环的吸气面积部分位于纵轴的左边，而右边全为呼气部分，说明全部是气负压，表明患者全是自主呼吸。

3.辅助通气

辅助通气由患者自主触发，然后呼吸机启动送气，PV环反映了这一过程。患者自主吸气时，出现过短暂的吸气负压，但触发呼吸机送气后，绝大部分吸气时间是呼吸机正压通气。辅助通气的压力—容量环，绝大部分位于纵轴的右边。

（二）临床应用

（1）吸气面积的计算。压力—容积环的面积为呼吸机通气时的呼吸做功。它包括克服气道阻力的做功和克服胸肺顺应性的做功。

（2）估算流量触发（Flow-by）的作用。

（3）估算肺顺应性。

（4）估算气道阻力。

（5）观察肺的过度膨胀。

（6）衡量压力支持水平及其做功的情况。

（三）低流量压力—容量环

低流量（Low Inflation）压力—容量（P—V）环是一项独特的技术，只有德国Drger Evita XL和ä法国Taema Horus 等少数几种呼吸机上才有的技术。低流量P—V环测量技术的目的，是为了在床旁得到相当于静态（准静态）的压力—容量曲线（P—V环）。通过以微量而且恒定的流量使肺部缓慢充气的方式，来测定P—V环。若流量足够小，这个准静态的方法与“大注射器法”或“阻塞法”都有很好的相关性。

一般呼吸机只能自动描记动态P—V环，而动态P—V环不是单一的顺应性曲线，而是含有阻力成分，不能完全直接反映患者的顺应性情况。

根据肺动力学的测定，可以通过很多方法优化通气设置。通过这些方法可避免肺泡的重复萎陷和充盈，以及可能出现的肺过度充气。

进行低流量测量过程中，可能出现较长时间的持续较高胸内压，可能导致患者血压降低或气胸。因此，在测定前必须考虑到患者的状况，患者必须有稳定的血流动力学状况，所提供的压力和流量必须适合患者的条件。在整个测定过程中，必须密切监测和记录生命体征参数。

测定后若胸内压迅速降低，所带来的相当高的回心静脉血，可能过度增加心脏负荷。即使只进行吸气枝的测定，呼气过程也应该以一定的压力梯度结束。

为避免过多影响气体交换，最好在完成雾化、吸痰或前一次的低流量P—V环测定60s后，才开始测定过程。

七、流量—容量环

流量—容量曲线以容量为横坐标，流量为纵坐标。它构成一个以原点为起点的闭合回路，一般称为压力—容量环。每个曲线环的横轴以下部分表示给患者吸气，横轴以上部分表示患者呼气。在吸气相反映出设定的流量类型，如恒流、递减、正弦波形。在呼气相反映出患者可能出现的气道阻力增大（如COPD）、气体陷闭、管道漏气。

临床应用：

（1）评价支持管扩张药物的疗效。

（2）评估有无漏气或气体陷闭。

（3）表明吸气阻力增加和呼气流量受限。