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机械通气模式分类及名词术语注释机械通气模式分类及名词术语注释 中华结核与呼吸杂志 作者：代 冰 赵 洪文 随着重症医学的发展，机械通气正被各级医院广泛应用。为取得良好的通气效果，减少机械通气并发症，需要正确选择和调整呼吸机的通气模式和通气参数。目前应用于临床的呼吸机至少有49款，独立命名的通气模式有54种，由此衍生出来的通气参数更是无从统计。其中存在着“一式多名”或“同名式不同”的混乱现象，使初学者困惑，给操作者带来困难，也不利于培训和交流。为此，本文以国际上比较通用的机械通气模式分类体系为基础来对机械通气模式和参数进行分类和解释，希望能有助于更好的理解其实质内容，而不是简单的名称辨析。 一、机械通气的定义和分类 机械通气(mechanical ventilation)是指当呼吸中枢或呼吸器官自身异常，导致不能维持正常的气体交换，发生(或可能发生)呼吸衰竭时，以机械装置(呼吸机，ventilator)完全代替或辅助患者自主呼吸的一种治疗措施。根据呼吸机的不同类型，分为正压通气(positive pressure ventilation)、负压通气(negative pressure ventilation)和高频通气(high-frequency ventilation)；根据是否需要建立有创人工气道(invasive artificial airway)，又可分为有创通气(invasive ventilation)和无创通气(non-invasive ventilation)。本文主要讨论有创正压通气(invasive positive pressure ventilation，IPPV)的相关概念。 二、指令呼吸和自主呼吸的定义 一次吸气开始到下一次吸气开始之间的间期为一个机械通气周期，可分解为4个时相：(I)呼气向吸气转换(触发，trigger)；(2)吸气相：呼吸机送气的过程；(3)吸气向呼气转换(切换，cycle)；(4)呼气相。如果一次呼吸的触发和切换都由患者决定，那么这次呼吸就是自主呼吸(spontaneous breath)；如果二者至少一项由呼吸机决定，这次呼吸则是指令呼吸(mandatory breath).譬如，持续气道正压通气(continuous positive airway pressure，CPAP)则是呼气末正压(positive end-expiratory pressure，PEEP)在自主呼吸下的特殊应用，整个呼吸周期内气道均保持正压，吸气的开始和结束都完全由患者决定，因此，CPAP模式下每次呼吸都是自主呼吸。相反，辅助/控制通气(assist/control ventilation，A/C)模式下，虽然吸气开始可能由患者触发，但吸气结束则由呼吸机所决定，因此，A/C模式的每次呼吸都是指令呼吸。既往可能存在一个误区，即自主呼吸是指没有呼吸机通气辅助的呼吸，实质上自主呼吸的概念与有无通气辅助无关。臂如，压力支持通气(pressure support ventilation，PSV)模式下，每次呼吸开始(触发)和结束都由患者决定，呼吸机以压力作为控制目标提供通气支持，因此PSV的每次呼吸都是自主呼吸。 三、国际上比较通用的机械通气模式分类体系 这种分类体系包括了3个层次的内容(表1)：(1)呼吸方式(breath pattern)：涉及每次呼吸的基本控制变量(primary control variable)和呼吸序贯(breath sequence)的控制方法；(2)控制类型(control type)：涉及呼吸机如何利用反馈信号来具体实现对每次或多次呼吸的控制；(3)运行算法(operational algorithms)：指呼吸机完成通气任务所采用的具体步骤或方法，涉及呼吸机控制的具体参数和策略，包括时相变量、条件变量和一些特殊的人工智能程序。对某种具体通气模式的掌握应该围绕这3个层次理解其实质。 (一)呼吸方式 1.基本控制变量：指呼吸机用来控制吸气的反馈信号，如压力或容量。简言之，如采用压力作为反馈信号，就是压力控制(pressure control，PC)；如采用容量作为反馈信号，则是容量控制(volume control，VC)。压力控制通气(pressure control ventilation，PCV)时.吸气峰压(peak inspiratory pressure，PIP)是预先设定.恒定不变，而潮气量可能随患者气道阻力和顺应性等因素变化而改变；容量控制通气(volume control ventilation，YCV)时，潮气量是预先设定，恒定不变，而吸气峰压可能随患者气道阻力和顺应性等因素改变而变化。PCV时限制吸气峰压，但不能保证潮气量；VCV时能保证潮气量，但不能限制吸气峰压。最理想的通气方式是即保证潮气量又限制吸气峰压，这样可避免低通气或气压伤。为此，呼吸机厂商研发出双重控制(dual control)通气.即指将呼吸机建立自动反馈功能，在患者气道阻力和顺应性等因素不断变化的情况下，对压力和容量进行双重控制来达到预定的目标通气量，同时限制气道峰压。实际上，呼吸机不可能在同一时间点，同时对压力和容量进行控制，所谓双重控制通气是指呼吸机在不同时间点对控制变量进行切换。依时间点的不同，双重控制通气分为两类：一种是对每次呼吸均进行双重控制，如压力扩增(pressure augmentation，PA)模式，即每次吸气早期是PC，而吸气晚期，根据预设潮气量，必要时切换为VC；另一种是对连续多次呼吸进行双重控制，属于本分类体系中控制类型的范畴(见下文关于多次呼吸控制的描述)。 2呼吸序贯：为达到目标通气量，呼吸机不仅要控制单次呼吸，还要控制多次呼吸如何序贯发生。机械通气时，多次呼吸可以都是指令呼吸或自主呼吸，或二者兼有。CMV这个缩写在各种呼吸机上表述的意义有多种，如机械控制通气(control mechanical ventilation)、控制模式通气(control mode ventilation)、常频机械通气(conventional mechanical ventilation)等。在本分类体系中，CMV则指持续指令通气(continuous mandatory ventilation)，即每次呼吸都是指令呼吸。而完全的持续自主通气则用CSV(continuous spontaneous ventilation)来表示，每次自主呼吸可有(或无)通气辅助。间歇指令通气(intermittent mandatory ventilation，IMV)指呼吸机以预设频率、潮气量或压力进行指令呼吸，指令呼吸可由患者触发或不触发，两次指令呼吸之间，允许患者自主呼吸，相当于指令呼吸和自主呼吸的组合。目前几乎所有呼吸机都具有同步触发功能，指令呼吸时允许患者触发与呼吸机同步，因此，目前同步间歇指令通气(synchronization intermittent mandatory ventilation，SIMV)基本等同于IMV。上述3种基本控制变量(压力、容量、双重)和3种呼吸序贯(CMY，CSV，IMV)，两两组合在一起构成8种基本呼吸方式(表2)，容量控制自主呼吸模式(VC-CSV)在临床中是不可能实现的。目前所有通气模式都由这8种基本呼吸方式演变而来的。 (二控制类型 包括7种类型(表1)，但人工智能神经网络还处于研发阶段，可能不久将会应用于临床。 1.单次呼吸控制(control within breaths)：(1)静态设定值控制：如果由操作者预先设定全部的固定翰人变量，如吸气峰压、潮气量(tidal volume，V7)、峰流速(peak flow)、吸气时间(inspiratory time，Ti)、呼气时间(expiratory time，Te)、吸呼比(1：E)，流速波形(flow wave farm)和呼吸频率(frequency)等来控制呼吸叫做静态设定值控制(setpoint control)。(2)自动设定值控制：如果操作者只预先设定部分的固定输入变量(如潮气量)，呼吸机根据反馈信号即时对某些变量(如压力)进行自动调整来控制单次呼吸，叫做自动设定值控制(auto-set-point control)。譬如.容量保证压力支持(volume-assured pressure support，VAPS)就是呼吸机为了达到预先设定的目标潮气量，自动调节吸气压力或吸气流速，吸气相早期是PC，后期则自动切换为VC。(3)自动伺服反馈控制：如果操作者仅需要设定某一个特定目标，呼吸机根据实时变化的反馈信号来自动调整设定值和目标输出值，叫做自动伺服反馈控制(servo control)。譬如，自动导管补偿(automatic tube compensation，ATC)，就是操作者只需要输人气管插管的规格和要达到的补偿程度，呼吸机会自动调整流速或压力设定值，来抵消人工气道所产生的阻力；成比例辅助通气(proportion assist ventilation，PAV)能通过设定不同比例的容量辅助(VA)与流量辅助(FA)，选择性地对呼吸系统弹性阻力(Ers)与气道阻力(Rrs)进行减负，并根据患者吸气努力的大小提供与气道压成比例的压力支持。 2.多次呼吸控制(control between breaths)：(1)适应性控制(adaptive control)：指当患者呼吸力学状态发生改变时(如气道阻力变化)，呼吸机通过对连续多次呼吸监测，逐渐自动调节某一个设定值(如吸气压力)，来达到另一个目标设定值(如潮气量)的固定不变。譬如，压力调节容量控制(pressure-regulated volume control，PRVC)模式就是通过这种方式来使呼吸机自动适应患者呼吸力学状态的改变。(2)优化性控制(optimal control)：指当患者呼吸力学状态发生改变时(如气道阻力变化)，呼吸机通过对连续多次呼吸监测，逐渐自动调节一系列设定值(呼吸频率、潮气量、吸气压力等)，来达到另一个日标设定值(如分钟通气量)的固定不变.同时使通气过程优化(呼吸做功最低)。譬如，适应性支持通气(adaptive support ventilation，ASV)模式就是通过这种方式，适应患者呼吸力学状态的改变，始终以最低的气道压、最佳的通气频率和潮气量、最适宜的通气方式(指令通气或自主呼吸)来达到预定的每分通气量，使患者呼吸功(work of breath，WOB)最小，通气过程得到最大程度优化。3.不同患者间的智能控制(intelligent control between patients)智能控制可以看做是真正意义上的闭环通气(closed loop ventilation，CLV)。CLV是指呼吸机模拟医生实施机械通气的全过程，即获取患者的通气需要和各种相关资料，自动监测各项指标、分析监测结果并及时自动调整呼吸机参数。智能控制时，不仅呼吸机设定值根据患者呼吸力学状态而动态改变，而且呼吸机按照一种动态的模型进行通气(如神经肌肉疾病模型或慢性阻塞性肺疾病模型等)。这种动态通气模型的基础可能是知识库系统(knowledge-teased；来源于重症治疗领域的专著和专家的临床专业知识)或人工智能神经网络(artificial neural network；计算机的自我完善功能)。SmartCare模式可以看做以知识库系统为基础的智能控制，它根据不同类型患者制订不同的撤机方案，随时调整吸气压力使患者的自主呼吸频率、潮气量、呼气末二氧化碳稳定于正常范围，一旦稳定，便逐步调低吸气压力直至撤机；神经调节辅助通气(neurally adjusted ventilatory assist，NAVA)模式可以看做是以人工智能神经网络为基础的智能控制方式的一种雏形。 (三)运行算法 1.时相变量(phase variables)；(1)触发：患者触发包括压力触发(pressure trigger)和流量触发(flow trigger)两种常用机制。流量触发指在呼气向吸气转换时，呼吸机探测到患者主动吸气产生的气道内流量变化达到预定的某一闭值(也叫敏感度，sensitivity)，便向患者送气；压力触发指在呼气向吸气转换时，呼吸机探测到患者主动吸气产生的气道内压力变化达到预定的某一阐值，便向患者送气。如果在特定的触发时间窗(trigger window)内，患者不能触发呼吸机，呼吸机则按预先设定的频率和其他参数开始送气(吸气开始)。为了追求更好的人机同步性，一些特效的触发机制也开始或即将用于临床，如通过识别胸廓运动、跨胸廓阻抗、食管压或隔肌电位等方式来实现触发。(2)限制(limit)：指通过限制条件使某些变量(压力、流速或容量)在吸气结束之前达到但不超过预设的水平。限制并不涉及如何结束吸气。(3)切换(cycle)：指结束吸气而转为呼气。切换变量包括压力、流速、容量和时间，也称压力切换(pressure cycling)、流速切换(flow cycling)、容量切换(volume cycling)和时间切换(time cycling)。压力切换指气道压力达到所设定的阑值，吸气结束切换为呼气。流速切换指吸气相后期流速下降到某一阐值时，吸气结束转为呼气，常用呼气触发敏感度(expiratory trigger sensitivity，ETS)来表示流速切换的阑值。时间切换指吸气时间达到预定值后吸气转为呼气。容量切换指机械通气的容量达到预定值后，吸气结束转为呼气。(4)基线(baseline)：压力控制水平在不同呼吸机上由于相对于不同的基线，表示为不同值。在有些呼吸机上，把基线视为大气压，压力控制水平是指大气压作为0点的压力值；而有些呼吸机，把基线视为PEEP水平，压力控制水平是指以PEEP作为0点的压力值。在临床应用中，一定要分清。基线可以是动态变化的，如双相气道正压通气(biphasic positive airway pressure，BIPAP)设置两个基线压力水平，定时切换，压力波形如同PCV，但差别在于允许患者在两个基线水平都能作自主呼吸，在两个基线水平之间转换所产生的潮气量和患者的自主呼吸潮气量共同组成了分钟通气量。其相应的通气参数为高气道压、低气道压、高气道压相时间和低气道压相时间，均可独立调节。如果设置吸气时间大于或等于呼气时间.则为反比通气(inverse ratio ventilation，IRV)。气道压力释放通气(airway pressure release ventilation，APRV)就是反比BIPAP的一种形式，即吸气时间，所有的自主呼吸均发生在高压力水平上，按照预设的呼吸频率间断在低压力水平释放压力，在低压力水平时间只允许肺容量降低，随后再立即回到高压力水平。因此，APRV除有CPAP所具备的能改善肺部力学和氧合作用之外，还能增加患者的肺泡通气。 2.条件变量(conditional variables)：虽然呼吸机通过智能化控制更多的取代了操作者的工作，但要使呼吸模式真正的物尽其用，我们仍需要清楚呼吸机是如何来控制呼吸过程。条件参数本是程序设计中使用一个概念，应用在本分类体系中，来详细描述呼吸机的控制过程。譬如最小分钟通气量(minimize minute ventilation，MMV)模式条件参数设定为：只要监测到的分钟通气量(minute ventilation，MV)满足或超过临床设置的MMV水平并且无窒息报警，后备呼吸支持就不启动。然而如果监测到的分钟通气量低于临床设置的MMV水平或窒息报警产生，则MMV功能启动，呼吸机将按一定颇率执行容控呼吸直至所监测到的分钟通气量达到MMV水平。 3.人工智能(computational logic)：机械通气的发展趋势之一就是更高程度的智能化，把复杂的人机交互作用的处理更多由呼吸机独立完成。SmartCare、NAVA和ASV模式等在这方面做出了很多的尝试，但临床有效性和实用性仍需进一步研究。 随着微电子技术的迅猛发展，以及呼吸生理学认识的提高，机械通气也日臻完善，新技术、新模式不断涌现。我们在学习和应用各种通气模式时，不能仅停留在名称上，而是要了解其原理，明确其实质内容，才能更好地使用好呼吸机。