床旁呼吸力学监测及其在机械通气中的应用

床旁呼吸力学监测及其在机械通气中的应用

首都医科大学附属北京朝阳医院 詹庆元 王辰北 京 呼 吸 疾 病 研 究 所

第一节现代呼吸力学发展简史

呼吸力学(respiratory mechanics或lung mechanics)是以物理力学的观点和方法对呼吸运动进行研究的一门学科。呼吸力学发展大致经过了以下阶段：

一.早期阶段(19世纪～20世纪初)

1817，James Carson，将压力计与开胸后动物的气管相连接，发现动物肺具有弹性，被认为是现代呼吸力学的开始。

1853，Frans Cornelius Donders，用水银压力计测定肺弹性所产生的压力约为7mmHg。 1847，Ludwig，用充水球囊测定胸内压。

1844，John Hutchison，用肺量计(spirometer)测定肺活量和肺容积上述研究并没有将压力和容积联系起来对呼吸运动现象进行描述。之后50年内无重大进展。

二.基础阶段(20世纪初～20世纪50年代) 医疗器械之窗www.chinamedi.cn

1915～1925，Fritz Rohrer，首先将复杂的呼吸运动简单化地以物理学的压力-容积的关系进行描述，开创了呼吸力学研究的新纪元。但未引起重视。

1941，Arthur Otis等，再次发现了压力-容积的关系，并于战后公开发表。 上述两项研究为呼吸力学提供了最基本的科学理论和研究方法。

1925，Alfried Fleisch，发明了流量描记仪(pneumotachorgraph，PTG)。 1943，Louis Statham，发明strain-gauge manometer。 1949，Buytendijk，以食道-气囊导管间接测定胸内压。 上述三项技术为呼吸力学研究提供了最基本的技术手段。

1958，Moran Campbell，以食道压替代跨肺压重新评价压力-容积曲线的价值，提出了著名的

Campbell 图(Campbell diagram)。使呼吸力学的理论进一步完善：将吸气肌和呼气肌做功分开，将克服弹性阻力和粘滞阻力做功分开，并加深了对动态肺充气(dynamic pulmonary hyperinflation)的认识。

三.发展和应用阶段(20世纪50年代～至今)

呼吸力学的发展为机械通气的发展奠定了基础,而机械通气的发展对呼吸力学提出了更高的要求，尤其是对床旁呼吸力学的监测的要求越来越高，两者相互促进，密不可分。随着微处理技术和高灵敏传感器的应用，呼吸力学监测仪已经商品化，并且呼吸机自身的呼吸力学监测功能也不断增强，为临床合理应用机械通气技术提供了重要的保证和极大的方便。

第二节呼吸力学原始指标测量的原理和方法

压力(pressure)、流速(flow)和容积(volume)是呼吸力学监测的三要素：容积的变化由压差驱动所致，通过流速的变化来反映，而其他呼吸力学指标可以通过这三类原始指标进行推算。

一.压力测量

传统采用气体或液体压力传感器，目前多采用电-机械压力传感器，即利用一对压力变化非常敏感的膈膜感受压力变化后，产生与压力变化成比例的电或磁变化，最终转化为电-数字信号并与参考数据比较后显示出实际的压力变化。

压力测量的准确性除与压力传感器的频率反应和反应时间有关外，还与压力传导介质、压力传导

管的顺应性和通畅等有关。为保持其准确性和可靠性，应定期进行定标。

二.流速的测量

流速通过流量描记仪(pneumotachorgraph，PTG)或流速仪〔flowmeter〕进行测量。不同的流速仪具有不同的测量原理，按其测量原理可分为压力式流速仪和非压力式流速仪两大类。

(一)压力式流速仪

测定原理：通过测定压力的变化反应流速的大小，即根据伯努利方程：F＝(ΔPπr4)/( 8ηl)，其中ΔP为气体流经管路两端的压力变化，π为圆周率，r为流经管路的半径，η为气体的粘滞系数，l为流经管路的长度。

压力式流速仪含有一个阻力元件(resistor)，能对气流施加一个恒定的阻力，如果保持气流处于层流状态，则通过阻力器的流速与压力变化成正比。

1.层流的建立

减少引起湍流的因素(高流速，管腔不规则，横断面的突然变化)即可获得相对稳定的层流。为此，应使流速仪管径较大，流经管道的内衬面保持光滑及过渡的锥形管道尽量长，使气流有一个较长的入口从而建立起层流状态。理想的管道其长度就是其直径的5倍，内径与流速仪内径相当。上述延长气体流经管路的方法使气管插管和Y接头之间的死腔通气增加。口径较大的流速仪能精确测量高流速的气体，但对低速敏感性差，并使死腔增加更。在保证层流的前提条件下，应选用最小的流速仪。

2.保持恒定的阻力

根据伯努利方程可知，在实际测量时，l常恒定，而r常 因水蒸气的凝结而受或多或少的影响。为了减少这种影响，可使 PTG的温度与体温相当(BTPS)。η受气体气份、湿度及温度的影响。实际应用时，需对这些因素进行较正。

3.流速补偿

对超过设计范围内的流速需进行校正。

常见压力式流速仪的类型：

◆Fleisch PTG：阻力元件为毛细管，长期应用会被冷凝水等阻塞，一般不用于机械通气。为流速测量的金标准。

◆金属网式(Screen-type)PTG：死腔下降，频率反应增加，也可因长期应用发生阻塞而影响准确性。

◆贲口式(Orifice)PTG：能克服上述两种流速仪中冷凝水对测量的影响。

固定口式：产生涡流，压力与流速呈非线性关系。

可变口式：涡流产生减少。

(二)非压力式流速仪

1.涡轮式(turbine)流速仪

基于“风车”原理。气流通过带动与测定仪相连的涡轮而得到测定。优点是轻便、价廉、但不够精确。新式的流速仪可将涡轮转动转变成数字信号，而无需将涡轮与测定仪进行物理连接，从而提高了精度。

2.涡流式(votex shedding)流速仪

通过支架(strut)使层流变为湍流，湍流使空气产生涡流。涡流引起的超声速的变化而产生的电脉冲的数量与流速成比例。因为此项技高度依赖于湍流的产生，故对低流速不敏感。这种流速仪不会使死腔增加太多，但对气体成份的变化相对不敏感，并且水蒸气在支架上的凝结会影响测定结果。

3.非涡流式超声流速仪：超声束与气流方向平行，超声束传导速度的变化反映出气体流速的不同，这种流速仪可双向测定，不受气体凝结及粘度的影响。

4.热金属丝(hot wire)型流速仪：将一很的加热金属丝放置在气流之中，使金属丝的温度保持恒定所需的额外电流与气体流速成比例,通过测量额外电流的变化来测定气体流速。其测量精度受室内、海拔高度、湿度、气体密度及湍流的影响。 常用呼吸机或监测仪的流速仪类型及其灵敏度

呼吸机或监 测 仪NPB7200Servo300Drager EvitaHamilton VeolarBicore CP-100

流速仪类型热金属丝金属网热金属丝可变贲口可变贲口

精 度±20%±6%±10%±3%±3%

三.容积

包括绝对测量(如功能残气量，死腔量)和相对测量(如潮气量等)。目前尚无满意的测定机械通气患者绝对肺气容积的常规方法。

(一)肺量计

(二)计算流量对时间的积分，最常用。

(三)呼吸电抗体描法(respiratory inductive plethysmogrophy，RIP)：将一内置有电子线圈的弹性宽带缚于胸部和腹部，通过线圈的电流频率随着胸部和腹部体积的变化而变化，据此可反映胸腔容积的变化。这种方法有一定的应用价值，但属非定量测量，欠准确，与肺量计的误差为±10%。

(四)通过一个单向阀，使患者进行8-10个潮气量的连续呼吸，可用于测定补呼气容积(ERV)和补吸气量(IC)。使用之前必须予以较高浓度的氧气，对危重患者不宜。

(五)强迫振荡法(forced oscillation technique)；可进行绝对测量，但尚处于研究阶段。

(六)气体稀释法：可进行绝对测量，但临床操作不方便，主要用于科研。 医疗器械之窗www.chinamedi.cn

第三节机械通气时呼吸力学指标的监测及其临床意义

机械通气的主要目的是通过提供一定的驱动压以克服呼吸系统的阻力和呼吸机管路的阻力，把一定潮气量的气源按一定频率送入肺内。这种压力和容积变化的关系可以从力学的角度进行描述，以运动方程(equation of motion)可表达为：

P＝PEEPi+VT/Crs+F×R+I×dV/dt

其中P为驱动压力，PEEPi为内源性呼气末正压，VT为潮气量，Crs为呼吸顺应性，R为粘滞阻力，F为流速，I为惯性阻力，dV/dt为加速度。

运动方程是整个呼吸力学研究的基础。在获得上述压力、流速和容积三要素后就可以推算出反映呼吸系统弹性特性和流量-阻力特性的指标，包括静态和动态顺应性以及呼吸系阻力。

一.压力

(一)气道压

1.气道峰压(peak dynamic pressure，PD)

用于克服胸肺粘滞阻力和弹性阻力。与吸气流速、潮气量、气道阻力、胸肺顺应性和呼气末正压(PEEP)有关。

2.平台压(peak static pressure或plateau pressure, PS)

用于克服胸肺弹性阻力。与潮气量、胸肺顺应性和呼气末正压有关。若吸入气体在体内有足够的平衡时间，可代表肺泡压。 平台压与气压伤的关系最为密切，临床应尽可能控制在30～35cmH2O。 医疗器械之窗www.chinamedi.cn

3.气道平均压(mean airway pressure, Pmean)

为数个周期中气道压的平均值。 与影响PD的因素及吸气时间长短有关，近似于平均肺泡压，其大小与对机械通气心血管系统的影响直接相关。通常认为气道平均压在7cmH2O以上即可引起血流动力学变化。

4.最大吸气压(MIP)

是指在残气位(RV)或功能残气位(FRV)，气道阻断时，用最大努力吸气能产生的最大口腔或气道压，反映所有吸气肌产生的肌力的总和。MIP0.1秒，因而不必阻断。

临床应用

(1)监测呼吸中枢的化学感受反应

(2)调节压力支持通气(PSV)的压力支持水平 (3)指导撤机

影响因素

(1)呼气末肺容积 (2)时间常数

(3)呼吸肌长度和收缩速度 (4)胸壁变形 (5)呼气肌用力 (6)气道压力波形

(7)压力-流速时象滞后