机械通气吸气触发时的呼吸力学分析

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吸气触发的改进是呼吸机进一步智能化的标志之一，也是人机协调的一个很重要的关键点。虽然目前有相当多的文献介绍并分析了吸气触发的波形或相关问题，但仍缺乏有针对性的呼吸力学分析，也无明确的切入点，缺乏数学关系逻辑性分析。吸气触发是呼吸机工作的基本原理，也是医务工作者理解机械通气的基础，因而有必要理清其中的逻辑关系。

为便于观察和理解，现以美国柯惠公司的PB840型呼吸机和中国深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司的SV600型呼吸机为例，进行机械通气吸气触发时的呼吸力学分析。

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1　材料与方法

1.1　通气模型

1.1.1　PB840型呼吸机：

选择1台自检完好的柯惠PB840型呼吸机，将1个夹板模拟肺连接到管路的"Y"形口上。将呼吸机调整至压力支持（pressure support，PS）模式，PS设为10 cmH₂O，呼气末正压（PEEP）设为5 cmH₂O。

呼吸机屏幕调至涵盖压力 - 时间曲线与流量 - 时间曲线，曲线时长为12 s，压力刻度间隔2 cmH₂O，流量刻度间隔2 L/min。

选择流量触发模式，触发灵敏度为3 L/min，手动缓慢牵拉模拟肺外夹板，直到触发1次有效的吸气气流传送；再以中等速度牵拉模拟肺外夹板，直到触发1次有效的吸气气流传送；再以较快速度牵拉模拟肺外夹板，直到触发1次有效的吸气气流传送。将触发灵敏度调整为5 L/min，重复上述手动触发过程。

选择压力触发模式，分别在触发灵敏度为2 cmH₂O、4 cmH₂O时，重复上述手动触发过程。

1.1.2　SV600型呼吸机：

选择1台自检完好的迈瑞SV600型呼吸机，重复PB840型呼吸机操作过程（SV600型呼吸机具备锁屏输出功能）。

1.2　通气曲线分析：

每次手动触发的波形均以锁屏的形式记录，观察呼气末点（吸气努力开始点，T₀）至触发有效送气点（触发点，T_T）的压力 - 时间曲线与流量 - 时间曲线的细节；

确定在T_T点回路（"Y"形口处）的压力（P_Y）与进入气道的气流流量（Q）；

测量T_T与T₀两点间的时间跨度（ΔT）。

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1.3　观察指标：

以肺泡内压（Pa，模拟肺内压）作为研究对象，按照呼吸力学定律，根据上述曲线中观察到的触发点对应的回路压力与流量，以数学公式推导出达到T_T时刻需要的Pa，即Pa_-T。

比较不同触发条件下的Pa_-T，以及到达此Pa_-T过程中的Pa跨度（ΔP）和时间跨度（ΔT）。

2　结果

2.1　T_T时刻压力与流量的对应关系

2.1.1　流量触发（图1）：

流量 - 时间曲线显示，T_T时刻流量值正好位于横轴上方流量触发灵敏度值（V_Trig）处，这也与呼吸机流量触发原理相符（吸入量达到触发灵敏度值触发送气）^[1]。

压力 - 时间曲线显示，慢速触发时，T_T时刻回路压力仍为PEEP；中速触发时，T_T时刻回路压力较PEEP下降，设为"PEEP－Pn"（即下降幅度）；快速触发时，T_T时刻回路压力较PEEP下降，且下降幅度大于中速触发时的下降幅度，设为"PEEP－Pn'"（即下降幅度），其中Pn'>Pn。

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2.1.2　压力触发（图1）：

流量 - 时间曲线显示，T_T时刻流量值正好位于横轴上方偏流量处（PB840型呼吸机为1 L/min，SV600型呼吸机可能为2 L/min），这也与呼吸机压力触发原理相符^[2,3]。

压力 - 时间曲线显示，慢速、中速、快速触发时，T_T时刻回路压力均降至PEEP以下压力触发灵敏度值（P_Trig）处，为"PEEP－P_Trig"。

2.2　达到T_T时刻需要的Pa（即Pa_-T）：

根据物理原理与呼吸生理，管路内气流的流动取决于管路两端的压力差（ΔP），而流量（Q）则还要受管路阻力（R）的影响，三者的关系遵循欧姆定律，即ΔP＝QR^[1,4,5]。

与自然呼吸相比，机械通气过程中，气流进出气道是由回路内（"Y"形口处）的压力（P_Y）与肺泡内压（Pa）的压差及气道阻力决定。以Pa作为研究目标，进出呼吸道的气流为Q，气道阻力为R；根据上述原理，则存在"P_Y－Pa＝QR"。这样，根据上述压力与流量对应关系即可得出T_T时刻的呼吸力学关系。

2.2.1　流量触发时的呼吸力学关系：

在3种触发状态下，吸入流量均为"Q＝V_Trig"。

①慢速触发：因为P_Y＝PEEP，所以P_Y－Pa_-T＝QR＝PEEP－Pa_-T＝V_TrigR，即Pa_-T＝PEEP－V_TrigR；

②中速触发：因为P_Y＝PEEP－Pn，所以P_Y－Pa_-T＝QR＝PEEP－Pn－Pa_-T＝V_TrigR，即Pa_-T＝PEEP－Pn－V_TrigR；

③快速触发：因为P_Y＝PEEP－Pn'，所以P_Y－Pa_-T＝QR＝PEEP－Pn'－Pa_-T＝V_TrigR，即Pa_-T＝PEEP－Pn'－V_TrigR。

2.2.2　压力触发时的呼吸力学关系：

在3种触发状态下，吸入流量均为"Q＝1 L/min"（SV600型呼吸机可能为2 L/min），因为P_Y＝PEEP－P_Trig，所以P_Y－Pa_-T＝QR＝PEEP－P_Trig－Pa_-T＝1R，即Pa_-T＝PEEP－P_Trig－1R。

2.3　从T₀至T_T的Pa跨度（ΔP）：

根据常识，当患者无PEEP时，即无内源性PEEP（intrinsic PEEP，PEEPi）时，T₀时刻的Pa＝PEEP；当患者有PEEPi时，则Pa＝PEEPi。所以，可以得出从T₀至T_T的Pa跨度（ΔP）。

2.3.1　流量触发时的ΔP：

①慢速触发：如无PEEPi，则ΔP＝PEEP－ （PEEP－V_TrigR）＝V_TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－ （PEEP－V_TrigR）＝PEEPi－PEEP+V_TrigR。

②中速触发：如无PEEPi，则ΔP＝PEEP－ （PEEP－Pn－V_TrigR） ＝Pn+V_TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－ （PEEP－Pn－V_TrigR） ＝PEEPi－PEEP+Pn+V_TrigR。

③快速触发：如无PEEPi，则ΔP＝PEEP－ （PEEP－Pn'－V_TrigR） ＝ Pn'+V_TrigR；如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－ （PEEP－Pn'－V_TrigR） ＝PEEPi－PEEP+Pn'+V_TrigR。

2.3.2　压力触发时的ΔP：

如无PEEPi，则ΔP＝PEEP－（PEEP－P_Trig－1R）＝P_Trig+1R；

如有PEEPi，则ΔP＝PEEPi－（PEEP－P_Trig－1R）＝PEEPi－PEEP+P_Trig+1R。

2.4　Pa的压力时间变化率（F_P）：

设F_P＝ΔP/ΔT。图1显示，ΔT并不完全相同，在压力变化（ΔP）相同的情况下，ΔT越短，说明触发越快；同样，在ΔT相同的情况下，ΔP越大，意味着触发能力或触发努力程度越大。F_P更能反映患者的触发能力或触发努力程度。

图2为根据图1进行归纳后的模式图，能更清晰地展示吸气触发期间压力与流量波形的特点及对应关系。

图3为根据呼吸机通气原理进行归纳后的气路图。

设呼吸机在压力触发模式下提供的呼气相偏流为Vn，则上述计算结果可汇总为表1。

3　讨论

流量触发和压力触发是所有呼吸机的通气基础及基本设置，PB840型呼吸机和SV600型呼吸机也不例外^[2,3]。对于流量触发而言，达到触发条件的最低要求是患者正好吸入所设置的流量触发灵敏度的流量；对于压力触发而言，达到触发条件的最低要求是患者吸气使回路压力降低到"PEEP－P_Trig"的水平，当然，此时在呼气相存在于管路中的偏流（PB840型呼吸机为1 L/min，SV600型呼吸机可能为2 L/min）便被首先吸入。

从呼吸生理可以得出，无论是哪种触发模式，首先必须是患者吸气努力使肺泡内压下降，与"Y"形口形成压力差，才会出现内向气流，"Y"形口处的压力才会进一步下降；进而才能达到触发阈值，引发触发送气^[1]。因此，所谓的触发，其本质其实是患者努力吸气使肺泡内压下降。也就是说，这个肺泡内压才是我们的研究对象，也是患者吸气所作努力的真正落脚点。

当然，触发时刻，"Y"形口的压力是首先需要明确的。对于流量触发而言，即使患者吸入的流量是相同的（即均为V_Trig），在不同的触发力度下，触发点的回路压力也是有区别的：缓慢触发时，回路压力仍能保持在设定的PEEP水平；而快速触发时，回路压力则低于设定的PEEP水平。这种与触发力度有关的压力差异，其实反映了呼气阀的调节能力。在呼气期间，主动呼气阀的主要作用就是维持回路压力在设定的PEEP水平，可以通过调节开放程度来保持回路压力的恒定。从PB840型呼吸机操作手册^[2]的描述中可以得到，在呼气末患者没有呼气气流时，自呼气阀处流出的气流即为呼吸机提供的基础气流（V_Trig+1.5 L/min）；随着患者的吸气窃流，流经呼气阀的气流流量会逐渐减小，直至患者吸入V_Trig的流量到达吸气触发点，而此时，呼气阀处仍然残留1.5 L/min的气流可以流出。在这个过程中，呼气阀可以通过缩小阀门间隙来努力维持回路压力，即使达到触发点，也仍存有继续缩小的能力。所以，当吸气窃流较慢时，呼气阀的调节速度可以满足气流的减小速度，回路压力可以始终维持在设定的PEEP水平；但当吸气较快时，呼气阀的调节速度便不能匹配气流的减小速度，回路压力便不能维持在设定的PEEP水平，出现与触发力度有关的压力波动，即"Pn、Pn'"。反过来讲，对于不同的呼吸机，在各呼吸机流量触发原理差异不大的情况下，同样的触发力度或速度，"Pn、Pn'"越小，说明该呼吸机的呼气阀调节能力越好，或者反馈调节越灵敏。当然，对于压力触发而言，触发点的回路压力是确定的，均为PEEP－P_Trig。

那么，这个触发所需要的最低肺泡内压是由哪些因素决定的呢？根据本次分析中的公式"Pa_-T＝PEEP－Pn'－V_TrigR"或"Pa_-T＝PEEP－P_Trig－VnR"可以得出，无论患者的初始状态如何，肺泡内压都是由设置的PEEP、触发模式、触发灵敏度及气道阻力所决定的：PEEP越大，肺泡内压越大；触发越快（Pn'越大），肺泡内压越小（越负）；触发灵敏度越大，肺泡内压越小；气道阻力越大，肺泡内压越小。这种"小"，其实是需要吸气努力来实现的，达到的肺泡内压越小，实际付出的努力越大。也就是说，设置的PEEP越低、触发越快、触发灵敏度越高、气道阻力越大，触发难度就越大。在这些因素中需要注意的是，此处的气道阻力包含人工管路（气管导管及延长管）的阻力；对于气管导管而言，除本身的阻力外，其管壁痰栓会导致阻力进一步增大，如痰栓阻塞导致的无法触发（R无穷大）便是最极端的表现。

最低肺泡内压只是最终结果，并未将患者的初始状态涵盖在内。与最低肺泡内压相比，肺泡内压在整个触发期间的压力跨度（ΔP）可能更能说明问题。这个增加了患者的起始状态因素，即PEEPi。根据本次分析中的公式"ΔP＝PEEPi－PEEP+Pn'+V_TrigR"或"ΔP＝PEEPi－PEEP+P_Trig+VnR"也可以看出，假定其他条件均相同，有PEEPi（指基于呼吸机设置PEEP水平时的PEEPi）的患者，其ΔP要大于没有PEEPi的患者，其中最具有代表性的疾病是慢性阻塞性肺疾病（COPD）^[6,7,8,9]。COPD患者明显的高PEEPi及往往伴随的较大气道阻力，使其触发所需要的ΔP更大，使得本就吸气力量严重受限的患者要去克服更大的压力跨度，这种难度的增加可能是COPD患者更容易出现无效触发的原因^[10,11,12]。所以，对于COPD患者而言，可以采取相应的措施降低其吸气触发难度，如降低触发灵敏度、降低气道阻力（选择管径较大的气管导管、缩短导管长度、避免应用麻醉延长管等）、将PEEP提高至PEEPi水平（当然，随着PEEP的提高，其基于外源性PEEP的PEEPi也出现相应的改变，但数学关系复杂）等。

需要注意的是，在描述吸气触发能力时，除涉及压力跨度外，还包括时间的成分，所以，以肺泡内压的压力时间变化率"F_P＝ΔP/ΔT"来评价触发能力可能更加合适。例如：有些患者需要的压力跨度相同，但经历的时间却不相同；显然，经历的时间越短，触发能力越大。如果患者不能达到要求的压力跨度，显然不能有效触发；但有些患者虽然能达到有效触发的压力跨度，却耗费了很长的吸气过程（如慢速触发），即使启动了送气程序，但呼吸机的送气过程与其呼吸节律形成了冲突（患者的呼吸节律已进入呼气程序），也会造成人机不协调。

当然，除患者本身存在的问题外，外部叠加因素也要注意。如管路漏气，当漏气量达到V_Trig时也会触发送气，导致误触发^[1,12]；回路里增加一个额外气流也会造成触发难度的增加，如雾化^[12]。

综上所述，通过以肺泡内压作为研究对象，对呼吸机吸气触发波形与通气原理进行细致分析后，建立的最低肺泡内压、肺泡内压的压力跨度及其压力时间变化率3个呼吸力学关系公式模型，可以将吸气触发努力所有的相关因素以数学关系的方式直观呈现，明确了其中的逻辑关系，对临床分析有一定的帮助。当然，本次分析中进行不同程度触发时是采用手动触发，完全凭手部感觉进行慢速、中速、快速的调整，如果采用机械性的更客观的吸气力量数据（如用多少N的力量、持续多长时间），会更加容易掌控。同时，本次分析是基于模拟肺模型，而非真实患者。但需要明确的是，所有的呼吸力学中，体外模型是基础，只有在体外模型中得到验证，才会适用于更复杂的人体；而非相反的程序。这也是基本的数学逻辑。

引用: 武云珍, 盖娜, 张静静. 机械通气吸气触发时的呼吸力学分析 [J] . 中华危重病急救医学, 2023, 35(10) : 1116-1120.

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