呼吸力学监测及其临床应用

广州医学院第一附属医院呼吸疾病研究所 陈荣昌、郑则广

呼吸力学监测在临床上的应用是应用呼吸生理学指导临床诊断和治疗的重要环节。呼吸力学监测的参数包括有与呼吸相关的压力、容量、流量、顺应性、阻力和呼吸做功等。严格掌握这些参数的测定条件，结合临床分析其结果，有利于认识疾病的发病机制、诊断和指导治疗。在进行机械通气时，密切监测这些参数，有利于发现病情变化和指导呼吸机的合理应用。

一、压力

（一）呼吸相关的压力指标

呼吸运动过程中必须克服压力的变化。总的呼吸系统压力称作经呼吸系统压（Prs），包括经肺压（P_L）和经胸壁压（P_W）。在静态下（流量为零时）这些压力与肺容量之间的变化规律见图1。

1．  经肺压（P_L）

P_L是指气道开口压（Pao）与胸膜腔压（Ppl）之间的差值，即P_L= Pao-Ppl。它反映在相应的肺容量时需要克服肺的阻力，也是产生相应的肺容量变化消耗于肺的驱动压力。通常采用食道囊管法检测食道中下三分之一交界处附近的压力（Peso）来反映Ppl，即P_L= Pao-Peso。静态下P_L反映肺的弹性回缩力，动态时也包括气道阻力(R_AW)。所以，检测肺的弹性回缩力时，应该在呼吸气流为零时测定P_L。

2．  经胸壁压（P_W）

P_W是指胸膜腔压（Ppl或Peso）与体表压力（Pb）的差值，即P_W=Ppl-Pb，它反映在相应的容量时胸廓的阻力，也是产生相应的胸廓容量变化所消耗的驱动压力。Pb为大气压（参照零点），所以，PW=Ppl。由于呼吸肌肉直接附着并作用在胸壁上，呼吸肌肉的活动会直接导致胸廓的运动，从而影响P_W的测定。因此，只有在呼吸肌肉完全放松，气道阻断的条件下，Ppl才能反映P_W。

3．  经呼吸系统压（Prs）

Prs是指呼吸运动过程中所需要克服的整个呼吸系统的总体压力，为经肺压（P_L）和经胸壁压（P_W）的总和

Prs=P_L+P_W     （1）

呼吸运动过程中，这些压力不是固定的，而是动态变化的，随着肺容量和呼吸流量的改变而变化。引起肺膨胀的动力（Pinf）来源于呼吸机的外加压力（Pext）和/或患者肌肉收缩产生的压力（Pmus）。这些压力间的关系为：

Pinf= Prs=Pmus+Pext   （2）

当患者完全放松时（Pmus=0），Prs=Pext，即呼吸机克服全部的经呼吸系统压力。相反，完全自主呼吸时，Prs=Pmus，即呼吸肌肉克服全部的经呼吸系统压力。

由于经肺压（P_L）为气道开口压（Pao）与胸膜腔压（Ppl）的差值，而经胸壁压（P_W）为Ppl与体表压（Pb）的差值，公式（1）可以改写为：

Prs=P_L+P_W=（Pao-Ppl）+（Ppl-Pb）=Pao-Pb    （3）

所以，Prs的测定可以通过分别测定P_L和P_W，然后计算期总和。在呼吸肌肉完全放松的条件下，Prs=Pao-Pb。在正压通气或自主呼吸时，Pb=大气压（参考零点）。所以，Prs=Pao。可见，在呼吸肌肉完全放松和呼吸流量为零的条件下，测定Pao可以简单地检测出Prs。在不同肺容量位测定Prs可以建立Prs与肺容量的关系曲线。呼吸肌肉产生的压力对Pao有显著的影响：吸气肌肉收缩使Pao降低，而呼气肌肉收缩使Pao增加。当已知肺容量与Prs的关系曲线时，在相应的肺容量下实际的Pao与预计的Prs的差别，代表呼吸肌肉收缩所产生的压力变化。

4.气道压（Paw）

气道内压是指气道开口处的压力，常用于正压通气过程中的监测，通常在呼吸机管道近病人断或口腔处测定。 Paw在呼吸过程中动态变化，通常用气道峰压（Ppeak）、平均气道压（MPaw）和呼气末正压（PEEP）等指标来描述Paw的特征。Ppeak是指吸气过程Paw的最高值；MPaw是指呼吸周期中Paw的平均值。PEEP是指呼气相Paw。

5.内源性呼气末正压（PEEP_I） 

在正常情况下，呼气末肺容量处于功能残气位时，肺脏和胸壁的弹性回缩力大小相等、方向相反，呼吸系统的静态弹性回缩压为0，肺泡压也为0；在病理情况下，呼气末肺容量位高于功能残气容量位，此时呼吸系统的静态弹性回缩压升高，肺泡压也升高，这种升高的肺泡压称为PEEP_I。由于肺内病变的不均一性，不同区域的PEEP_I是不一致的。PEEP_I根据测定的方法分为静态内源性呼气末正压（PEEP_Istst）和动态内源性呼气末正压(PEEP_Idyn)。PEEP_Istst通常在充分镇静麻醉的前提下采用吸呼气末气道阻断法测定；PEEP_Idyn检测采用食道囊管法测定吸气流量始动前吸气肌肉产生的食道负压的变化值。理论上讲，PEEP_Idyn 比PEEP_Istst低，PEEP_Istst代表的PEEP_I平均水平；PEEP_Idyn而代表气体进入肺泡前所需克服的最低值PEEP_Istst。

（二）压力监测方法

1.气道压（Pao或Paw）的监测 

自主呼吸时，Pao的测定是通过接口器连接了压力传感器来测定。机械通气时，压力传感器的理想位置是位于呼吸机的Y型管近病人端。不同类型呼吸机压力的传感器位置不同。例如：Hamilton将压力传感器放置在送气通道、PB7200a和鸟牌6400ST放置在排气通道、熊牌5放置在气道的近端。压力传感器位置对检测结果有一定的影响，例如：位于通道的送气端，将会受到湿化器和通道阻力的影响。尽管Paw受众多因素的影响，但如果在其他因素稳定的前提下，气道压可以间接反应气道阻力和肺顺应性的变化。此外，Paw波形也有助于判断人工通气时的人机协调和指导参数的设定。

2. 胸膜腔压（Ppl）的监测 

采用食道囊管法检测食道中下三分之一交界处附近的压力，其方法是：先将囊管送至胃内，然后嘱受试者稍用力吸鼻。囊管在胃内时，示波器显示为正压。逐渐将囊管拉出，当吸鼻时，囊管的压力变为负压，提示囊管已进入食道喷门附近，再将囊管外拉10cm左右，即为常规的定位点。如果压力的基线受心跳影响较明显时，可适当调整其位置。

3.内源性呼气末正压（PEEP_I） 

PEEP_I测定方法包括有：呼气末气道阻断法（PEEP_Istst）、始动吸气流量的食道压变化值（PEEP_Idyn）、始动吸气流量的气道压的变化值（机械通气时）、延长呼气法呼气末肺容积的差值、可能增加呼气末肺容积的PEEP阈值水平等。每一种方法有其优点与不足，也有其适应范围和检测条件。目前最常用的方法是呼气末气道阻断法和食道压力监测法。

（1）呼气末气道阻断法  在机械通气患者中，在呼气末阻断气道，当流量为零时，肺泡将与气道的压力达到平衡，此时气道压等于肺泡压，即PEEP_Istst。在测定过程中患者的呼吸肌肉必须放松。为了保证准确测定，可借助自动化技术在呼气末自动阻断气道，维持5秒以上，观察到平稳的压力，才能保证结果的可信。

（2）始动吸气流量的食道压变化值  自主呼吸患者在开始吸气时，食道压下降。正常人食道压下降与吸气流量的出现几乎是同步的。当存在PEEP_I时，吸气流量的出现滞后于食道压的下降。这滞后期间的食道压下降的幅度就是PEEP_Idyn。这种方法要求在呼气末患者的呼气肌肉必须松弛。呼气肌肉的用力会导致呼气末食道压增高，影响PEEP_Idyn的检测（夸大了PEEP_Idyn）。采用同步胃内压变化修正的方法可以一定程度上减少呼气肌肉活动的影响。

（3）始动吸气流量的气道压的变化值  在机械通气患者中，当呼吸机开始送气至出现吸气气流时，气道压的变化值。这种方法仅适合于患者无吸气触发努力的条件下，而且受到呼吸机管道和传导气道的顺应性的影响。

（4）延长呼气法呼气末肺容积的差值  在机械通气的患者中，先测定呼气潮气量，然后在其他参数不变的情况下延长呼气时间，测定延长呼气的潮气量，延长呼气前后的潮气量差值与动态顺应性的比值计算出PEEP_I。这种方法要求有充足的呼气时间，一般需30-50s。足够长的呼气时间的标准是：在延长呼气末，阻断气道，气道压不增高。

（5）可能增加呼气末肺容积的PEEP阈值水平  在保持呼吸机参数不变的情况下，调节PEEP，测定呼气末肺容量的变化。随着PEEP水平的增加，当呼气末肺容量开始增加时的PEEP值反映PEEP_I。此法受到多种因素的影响，其临床意义主要是指导PEEP的合理设定。

二、容量、流量

（一）容量监测

1、    常用的容量参数：呼吸容量的参数包括：吸气潮气量、呼气潮气量、呼气末肺容量和深吸气量。此外，在正压通气时，还应该注意呼吸机通路的压缩容量。压缩容量的大小与呼吸机管道的顺应性和吸气-呼气压力差有关。压缩容量是无效的通气量，导致病人实际接受的通气量减少。

2、    容量检测的方法：在临床上，通常采用呼吸流量与时间的积分的方法测定容量。容量监测因容量传感器安置的部位不同而有不同的内涵。在呼吸机送气端监测的容量代表进入呼吸管道压缩气体容量和进入患者呼吸系统的容量的总和；Y型接口前监测的容量代表进入患者呼吸系统的容量；呼吸机呼气端监测的容量代表患者呼出气量和呼吸机管道压缩气量的总和。

压缩容量可以通过呼吸机管道的顺应性与吸气平台压的乘积而计算。呼吸机管道的顺应性测定可以通过在管道的Y接头处阻断，观察吸入气量与管道压力的关系来计算。部分呼吸机设计有这一检测功能。

（二）流量-容量曲线监测

流量-容量曲线是反映呼吸功能的基本测定之一。通常采用呼吸流量测定的方法，计算出容量（如上述），然后以容量变化为横坐标、流量变化为纵坐标来显示流量-容量曲线。曲线除了能够反映容量和流量相关的指标以外，曲线的形态可以用药下列情况的判断。

1. PEEP_I： 呼气末持续存在呼气的流量，提示存在PEEP_I。

2. 呼气流量受限： 呼气相流量曲线表现为典型的衰减形，提示呼气流量受限的存在。

3. 判断对治疗的反应： 经过适当的药物治疗或呼吸参数调节后，观察流量-容量曲线的变化，有利于观察对治疗的反应。

4．特殊的曲线形态的意义：例如流量-容量曲线出现锯齿样改变，提示存在气道分泌物；容量环不闭合，提示存在漏气等。

三、顺应性

（一）呼吸相关的顺应性指标

顺应性(compliance, C)是指单位压力改变(△P)所产生的容量变化(△V)，是反映弹性回缩力的大小指标（弹性回缩力=1/C）。呼吸系统的顺应性（Crs）包括肺的顺应性(C_L)和胸廓顺应性(C_L)。根据其检测方法的不同，顺应性又分为动态顺应性和静态顺应性。

1. 肺顺应性(C_L)

肺顺应性(C_L)=肺容积改变（△V）/经肺压（△P_L）          （4）

与肺弹性的因素有： 肺弹性组织、表面张力和肺血容积等，其中主要是表面张力和肺弹性组织。

2. 胸壁顺应性(C_W)

胸壁顺应性(C_W)= 肺容积改变（△V）/经胸壁压（△P_W）          （5）

影响胸壁顺应性的因素有：胸壁呼吸肌张力和胸壁弹性回缩压(P_(W)stat)。

3. 呼吸系统顺应性(C_RS)

C_RS是C_L与C_W的总和。由于肺与胸壁属于串联连接，呼吸系统的弹性回缩力(E_RS)是肺弹性回缩力(E_L)和胸廓弹性回缩力(E_CW)的总和，C_RS与C_L和的关系可以通过下式表示：

1/C_RS=1/C_L+1/C_W      （6）

呼吸系统的压力-容量曲线是S形，如图1所示。在正常人，呼吸肌肉完全松弛的平衡容量位，即FRC，肺和胸廓的弹性回缩力完全平衡，即肺和胸廓的顺应性相等。正常呼吸发生的压力和容量变化处于S形曲线的中段容量区域内，其顺应性最大，呼吸克服肺弹性所做的功是最小的。在高肺容量区域，呼吸系统的顺应性减少的。

4. 静态顺应性（Cstat）

Cstat是指在呼吸周期中，气道阻断使气流量为零时测得的顺应性。

5. 动态顺应性（Cdyn）

Cdyn是指在呼吸周期中，不阻断气流的条件下，通过寻找吸气末与呼气末的零流量点而测得的顺应性。在测定Cdyn时，由于没有足够的时间让呼吸系统内的压力达到平衡，其结果不仅与呼吸系统的弹性有关，而且受气道阻力的影响，使Cdyn < Cstat。当气道阻塞严重（肺排空的时间常数延长）或呼吸频率增快（呼气时间缩短）时，这种影响尤为明显。

6. 频率依赖性顺应性

肺Cdyn受呼吸频率的影响，在潮气量相同的情况下分别测定Cdyn与Cstat，两者的比值(Cdyn／Cstat)就是频率依赖性顺应性。正常人即使呼吸频率超过60次／分，Cdyn／Cstat能保持在0.8以上。

7.比顺应性

C_L受肺容积的影响，为了可比性，将C_L /FRC作为评价肺组织弹性的指标。

8. 呼吸系统的有效静态顺应性( effective C_RSstat)

Effective C_RSstat就是呼吸机给予的潮气量(∆V)与经呼吸系统压变化（气道平台压(P_RSplat)与PEEP的差值）的比值，即：

Effective C_RSstat= ∆V/ (P_Rsplat-PEEP)    （7）

9. 呼吸系统的有效动态顺应性(effective C_RSdyn)

Effective C_RSdyn就是呼吸机给予的潮气量(∆V)与气道峰压(Ppeak)与PEEP的差值的比值，即：

Effective C_RSdyn=∆V /( Ppeak -PEEP)      （8）

由于气道峰压包括克服气道阻力，Effective C_RSdyn同时受到呼吸系统顺应性和气道阻力的影响。

（二）顺应性监测方法

1. 大注射器法

为了获得详细的压力-容量曲线，必须镇静或麻醉，以便呼吸肌肉完全放松。首先，通过几次呼吸机的大潮气量达到吸气极限，极量开放肺单位和提供足够的肺泡内氧储备。然后脱离呼吸机，在呼气末用大注射器（1.5-2.0升）连接气管导管。每次注气50ml-200ml，间隔2-3秒使气道压力平衡后，再重复注气，总注气量为1.7升或接近肺总量位或气道压力达到40-50cmH₂O。然后以同样的方法抽气，直到气道压力为大气压。这个过程大约为60-90s，重复三次，取平均值。同时记录每次注气的Paw、Ppl和注气量，将每次注气累计总量分别与相应的气道压、经肺压和经胸壁压作图，计算其斜率就是呼吸系统、肺和胸壁的静态顺应性。

2. 肺动态顺应性(C_Ldyn)

同时记录气道压(Paw)、食道压(Peso)、潮气量和流量。在同一次呼吸周期中，吸气末和呼气末的流量均为0，分别确定吸气末和呼气末的经肺压差值(∆P_L)和肺容量变化(∆V)，计算其斜率就是C_Ldyn。

3.呼吸系统有效静态顺应性（effective C_RSstat）

需要在没有自主呼吸状态下测定。采用吸气末停顿法测定潮气量、P_Rsplat和PEEP，然后按照上式计算。

4. 呼吸系统的有效动态顺应性(effective C_RSdyn)

方法与effective C_RSstat的测定方法相似，测定Ppeak即可计算。

（三）顺应性监测临床应用

1.协助判断病理生理的变化

肺静态顺应性的降低反映肺实质的病变；动态顺应性/静态顺应性比值的降低提示气道阻塞性病变或吸气流量过大。

2.指导合理应用PEEP和潮气量

静态的压力-容积曲线通常呈S形。在低肺容量位，小气道和肺泡倾向于闭合，打开关闭气道所需的压力高，顺应性低。曲线的中段，已经开放的气道和肺泡的顺应性增加。高肺容量位，肺倾向于过度膨胀，顺应性下降。S形的曲线特点形成上下两个拐点。按照一般原则，建议将PEEP水平设定在稍高于下拐点，而吸气末肺容量低于上拐点。

3.判断病情和治疗的反应

顺应性的变化是判断病情严重程度的重要指标之一。合理的治疗和呼吸机设定后顺应性的改善也是判断疗效的重要指标之一。

4.小气道阻塞的早期诊断

如果频率依赖性顺应性(Cdyn／Cstat)低于0.8提示小气道阻力的增加，是反映早期气道阻塞的敏感指标。

四、呼吸阻力

（一）呼吸阻力指标

呼吸系统的阻力分弹性和非弹性阻力。肺和胸壁的弹性阻力通过顺应性的检测来反映。非弹性阻力包括气道阻力(R_AW)﹑惯性阻力(Rin)﹑重力(Rgr)和肺组织与胸廓的变形阻力(Rdis)。在多数情况下，气道阻力是非弹性阻力的最主要的组成部分。

1. 气道阻力(R_AW)

R_AW是指气流通过气道进出肺泡所消耗的压力，用单位流量所需要的压力差来表示。即：

R_AW=（Pao-Palv）/F      （9）

Pao为气道开口压， Palv为肺泡内压。

阻力常用的表示单位为每秒1升的气流所消耗的压力（cmH₂O/升/秒）。R_AW来源于气流与气道管壁之间相互摩擦所产生。R_AW的大小受到气流形式的影响。

2. 机械通气的总阻力(Rtot)

在机械通气过程中，气管插管的阻力(Rtube)通常与呼吸系统的阻力(R_RS)一样大甚至比后者大。气管插管和呼吸系统的阻力呈串联和相加的关系。因此机械通气时的总阻力(Rtot)为：

Rtot=R_RS +Rtube      （10）

（二）呼吸阻力监测方法

由于Pao和F的检测容易，Palv的测定是R_AW检测的关键。测定的方法有：气道阻断法，食道压监测法，气道压监测法，吸气末停顿法和体积描记法。

1.气道阻断法

在呼吸过程中，应用快速开闭的阀门，使气道突然关闭和开放。当气道阻断的瞬间，流量为零时，肺泡压与气道开口压达到平衡，可以检测Pao来代表Palv。测定关闭时瞬间(0.1秒)的压力（反映Palv）与关闭前或刚开放瞬间(0.1秒)的流量的比值计算出P_AW。此检查方法虽然简便，但要求阻断阀门的反应足够快，阻断后的瞬间受试者的呼吸形式没有改变，否则结果会有明显的偏差。由于实际检查过程中难以保证阻断前后患者呼吸形式和呼吸肌肉用力程度保持一致，结果的重复性和可靠性较差。

2.食道压监测法

通过食道囊管法测定胸膜腔压（Ppl或Peso）。P_L=Pao-Ppl。当有呼吸气流时，P_L包含肺的弹性回缩力和气道阻力。当气流为零时，PL反映肺的弹性回缩力。通过P_L的检测，减去反映弹性回缩力部分，可以计算出用于克服气道阻力的压力消耗（见图2）。在P_L与时间或肺容量的曲线上寻找吸气开始和吸气末气流为零的时间点作连线。这一连线反映克服肺弹性阻力的压力，而这一连线与实际的曲线的压力差值反映克服气道阻力所消耗的压力（Pao-Palv）。此法可以在自主呼吸，无需阻断气道的条件下检测气道阻力，但由于需要放置食道囊管，限制了临床的普及应用。

3.气道压力检测法

此法仅适用于正压机械通气的患者。在正压机械通气时，检测气道压与肺容量的关系曲线。在曲线上寻找吸气开始和吸气末气流为零的时间点作连线（其检测原理与食道囊管法相似）。这一连线与实际的压力曲线的差值反映克服呼吸气流的阻力所消耗的压力，主要是气道阻力。此法受自主呼吸的影响，必须在镇静麻醉或明确没有自主呼吸肌肉活动的前提下检测。

4.吸气末停顿法

在正压机械通气时，通常在采用恒定流量和定容控制呼吸的条件下，在吸气末阻断气道。由于气流立即降为零，气道峰值压（Ppeak）下降，逐渐出现压力的平台（平台压，Pplat）（见图3）。Ppeak与Pplat的差值反映克服气道阻力所消耗的压力。气道阻力等于此压力差值除以流量。此法检测的前提条件与气道压力检测法相同。

5.体积描记法

在体积描记箱内进行呼吸可以推算出Palv（详细的原理略）。通过Palv与流量的关系计算出气道阻力。此法需要比较昂贵的设备，检查过程中需要受试者作浅快的呼吸方式的配合和需要受试者坐在密闭的箱内。适合于肺功能室中的应用，而不适合于危重监护病人中的使用。

（三）呼吸阻力监测临床应用

1. 诊断气道病变

（1）在R_AW检测时，如果将流量控制在一定的范围（0.5-1.0升/秒之间），则R_AW的大小可以反映气道半径的变化。所以，R_AW的检测可用于发现气道的病变。

（2）在机械通气时，及时发现气道阻力增高的常见原因  根据动态观察气道阻力的变化，如气道阻力突然增高，要注意支气管痉挛、分泌物阻塞；如气道阻力逐渐增高，要注意呼吸道黏膜的水肿、充血；如果气道阻力一直很高，且与胸片的表现不符合时，要注意气管插管管径小、痰痂形成或接口过细。

2.指导呼吸机的参数调节

（1）I:E  由于呼吸时气道半径变化，呼气阻力大于吸气，机械通气时应适当减少I:E比值，延长呼气时间，保证充分呼气。

（2）PEEP  气道萎陷时，阻力增加，应用PEEP后，减轻气道萎陷，阻力减少，呼吸阻力的监测有利于调节合适的PEEP。

3. 观察治疗效果

比较治疗前后的气道阻力，判断疗效。

五、呼吸做功