呼吸机的通气理论

一、热力学基础

1.1 热力学第一定律

  热力学系统(图1)的状态用温度T、压力p、体积V三个参数描述，称为状态，它们符合状态方程：
   (1)


  
                             图1 活塞的热力学系统


  热力学第一定理：在热力学系统中，从外界吸收的热量Q等于系统对外做功W以及系统内能增加，即：
   (2)
  热力学第一定理阐述了在一个热力学系统中，热量、做功、内能是可以相互转换的，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

1.2 等温过程

  机械通气是等温过程。根据式(1)，等温过程的状态函数有：
   (3)
  可以绘制活塞热力学系统的压力-体积图，称为p-V图，如图2所示。描述了系统从状态1(p1、V1、T1)转移到状态2(p2、V2、T2)的等温(T1=T2)过程中，压力与体积的变化，其中内能没有变化E=0。


  
                             图2 p-V图

二、通气方程与通气模型

  呼吸系统视为热力学系统，其通气模型如同活塞，如图3。通过呼吸道通气的通气流量为 ，如分钟通气量；吸气容积为VI，如潮气量，则有：
   (4)


  
                             图3 呼吸系统的通气模型


  阻碍呼吸通气的阻力主要有气道阻力Raw(非弹性阻力)，肺、胸廓变形的弹性阻力和气体流动产生的惯性阻力。

2.1. 非弹性阻力

  口腔压PM与肺泡压PA之间的压力差PR是导致气体流动的动力，呼吸道阻力R是气体流动的阻力，因此，通气流量 与PR和R符合阻抗定律：
   (5)

2.2. 弹性阻力

  肺泡压PA与胸廓外大气压Patm之间的压力差PC是导致肺和胸廓呼吸运动的动力，肺和胸廓的顺应性C气体充盈的阻力。根据呼吸系统解剖，肺顺应性和胸壁顺应性为串联结构。因此，肺气体充盈量VL与PC和C符合容抗定律：
   (6)
  式(4)代入式(6)，则肺泡压PA与胸廓外大气压Patm之间的压力差PC有：
   (7)

2.3. 惯性阻力

  呼吸气体流动中有加速和减速运动，根据牛顿第二定律，作用在气体的惯性压力PI与呼吸道惯性阻力I符合惯性定律：
   (8)

2.4. 通气方程和通气模型

  口腔压PM与胸廓外大气压Patm之间的呼吸道总压力差P与通气流量 之间的通气方程为：
   (9)
  式(9)为非弹性阻力R、弹性阻力C、惯性阻力I构成的三元件呼吸系统通气模型，如图4。


  
                             图4 呼吸系统三元件通气模型


  在正常生理中，弹性阻力和非弹性阻力是影响肺通气的主要因素，惯性阻力可以忽略，大气压恒定。这样，通气方程简化为：
   (10)

三、呼吸环与呼吸功

3.1. 呼吸环

  肺通气是在等温条件下肺不断将大气中的空气吸入肺内，形成吸气相，又将肺内气体呼出到大气，形成呼气相，如图5。这样的过程称为循环过程，在p-V图上形成的封闭曲线称为呼吸环。


  
                             图5 呼吸环p-V图

3.2. 呼吸功

   根据热力学等温过程理论，在呼吸环p-V图中，容积V沿压力线p积分的呼吸功为：
   (11)
  吸气线下的面积为吸气功，呼气线下的面积为呼气功，两者之差为呼吸功，如图6所示。呼吸环面积为呼吸系统实际做功的大小，表明呼吸所消耗的能量。在肺泡分钟通气量不变的情况下，呼吸率快，克服弹性阻力功耗减少，克服非弹性阻力功耗增多。根据这个原理，肺纤维化、肺水肿等弹性阻力大的病人，应采用高频通气。COPD等气道阻力大者，采用慢而深通气。


  
                             图6 呼吸功

四、通气方程的应用——对通气模式的理解

4.1. 通气模式类型

  通气模式是为各种呼吸障碍设计的通气方式，主要有控制、辅助、自主三种。控制通气是病人以一定通气流量、容量(或压力)被动接收气体；自主通气是病人要求一定流量的气体通气，辅助通气是采用触发方式控制呼吸机通气。控制通气适用于呼吸功小、潮气量小；辅助通气适用于呼吸功中、潮气量中；自主通气适用于呼吸功大、潮气量大，如图7所示。临床上可以根据呼吸功和潮气量来选择。


  
                             图7 通气模式选择

4.2. 控制通气模式

   控制通气是在病人没有任何呼吸能力时，采用呼吸机完全替代患者自主呼吸，提供全部呼吸功的一种通气方式。适用于呼气停止或微弱病人，如术后病人、昏迷病人和小肺损伤病人。当无呼吸能力时，胸膜压PPL等于大气压Patms，通气方程为：
   (12)
  控制通气模式的特点是：口腔压PM变化，胸膜压PPL不变，即口腔压PM为正压动力，胸膜腔内压PPL为大气压Patm。例如，在呼吸肌麻痹、呼吸衰竭等疾病状态，肺通气动力完全依靠呼吸机提供，口腔压PA为呼吸机所提供的动力。正压通气为非正常生理状态，胸内压和腹压上升都可以造成呼吸泵作用丧失，回心血量降低，心排量降低，组织灌注减少，血压下低，出现了心肺对抗。心肺对抗是造成呼吸机依赖的根源。

4.3. 辅助通气模式

   辅助通气是病人有自主呼吸能力，但通气不足，可以依靠病人吸气努力触发呼吸机的一种通气方式。当有胸膜压PPL，但通气流量 不足，需要加大口腔压PM，其通气方程为：
   (13)
  辅助通气模式的特点是：口腔压PM和胸膜压PPL均变化，即口腔压PM为正压动力，胸膜腔内压PPL为负压动力。这种情况为有自主呼吸意识，但无通气能力，需要呼吸机辅助通气。根据式(13)，只有PM与PPL相对稳定，才有稳定的通气流量 。然而，胸膜压PPL是按生理性呼吸节律运动。这样，口腔压PM必须与PPL呼吸节律同步，否则，出现呼吸机对抗。呼吸机压力与自主呼吸节律不一致是呼吸机对抗的根源。

4.4. 自主通气模式

  自主通气是病人有自主呼吸能力，但由于呼吸系统疾病，如肺顺应性差、功能余气量大等原因，机械通气供氧不足。自主呼吸时，口腔压PM等于大气压Patms，胸膜压PPL是通气的动力源，其通气方程为：
   (14)
  自主通气模式的特点是：口腔压PM不变，胸膜压PPL变化，即口腔压PM为大气压Patm，胸膜腔内压PPL来源于胸廓运动。自主通气是撤机前的最后一种通气模式。

五、通气方程的应用——呼吸环的应用

5.1. 顺应性判断

  在不考虑呼吸道阻力R=0的前提下，根据通气方程式(11)，p-V关系为：
   (15)
或
   (16)
  理论上，呼吸环上每一点的顺应性均不同。实际应用中，可以用平均顺应性表示。将吸气末和呼气末两点连成的直线称为顺应性线(虚线)，图5所示，平均顺应性C即为该顺应性线的斜率。顺应性C大，则顺应性线陡立。反之，顺应性线平坦。请在图8的p-V中判断蓝色与遏色呼吸环，哪一个顺应性更大？


  
                             图8 顺应性判断

5.2. 呼吸道阻力判断

  在不考虑肺体积变化V=0的前提下，如图9红线。根据通气方程式(10)，p-V关系为：
   (17)
  呼吸道阻力R越大，相应地，口腔压PM与胸膜压PPL的压力差P =PM PPL也越大。反映在图9中，呼吸环越胖。请在图9的p-V中判断蓝色与遏色呼吸环，哪一个呼吸道阻力更大？


  
                             图9 呼吸道阻力判断

5.3. 系统漏气判断

  当呼吸机通气系统气路由破损或连接不当，人工气道充气不足或患者有气胸，呼气末曲线没有回到原点，而是保留一个容积值，表明吸入气与呼出气有差异，这部分差值是系统泄漏所致，如图10。


  
                             图10 系统漏气判断

5.4. 自主呼吸判断

  当呼吸环逆时针循环，即吸气线在呼气线下方，根据热力学第二定律，表明呼吸系统需要外力做功，即需要用呼吸机推动的机械通气。当呼吸环顺时针循环，即吸气线在呼气线上方，表明呼吸系统自身可以做功，即自主通气。呼吸环的循环方向、大小和位置可以分析和判断呼吸的功耗、做功的能力，对通气治疗具有重要意义。