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(二)负压通气阶段
苏格兰人Dalziel在1832年首先制作成型一负压呼吸机:
患者坐在一密闭的箱子中,头颈部显露于箱外,通过在箱外操纵一内置于箱中的风箱产生负压而辅助通气。
1864年,美国人Jones申请了第一个负压呼吸机的专利,其设计与Dalziel类似。
此后,各种设计更为精致小巧的负压呼吸机相继出现,使患者的护理更加容易。
但真正成功进入临床并广泛使用的负压呼吸机是由Drinker-Shaw在1928年研制成的“铁肺(ironlung)”,这种呼吸机的使用使当时脊髓灰质炎的死亡率大大降低。
由于当时脊髓灰质炎的流行,客观上促成了铁肺的广泛应用和负压通气的发展,直至本世纪50年代正压通气的再次崛起。
(三)正压通气阶段
在本世纪50年代以前,正压通气技术,特别是人工气道技术有了长足的进步,但仅限用于麻醉科和外科的手术患者。
20世纪30和40年代在欧美发生的脊髓灰质炎的大流行对以“铁肺”为代表的负压通气提出了挑战,并为正压通气的再次崛起提供了契机。
1952年夏天,在哥本哈根市,因脊髓灰质炎所致呼吸肌麻痹而接受治疗的首批31例患者在3天内死亡27例,麻醉科医生Ibsen被请去会诊,他建议放弃负压通气,而行气管切开,采用麻醉用的压缩气囊间隙正压通气。
事实证明这种做法非常成功,以致于当时许多医学生和技术员被动员到医院操作气囊以完成手动正压通气。
哥本哈根成功的经验对正压通气的发展起了极大的推动作用,之后,正压通气方式不断增多、完善,而负压通气几乎被淘汰。
近年来负压通气重新得到重视,特别是在家庭通气方面具有重要作用。
在此主要介绍临床最为常用的正压通气技术,包括有创正压通气和无创正压通气技术,并以前者为主。
二、呼吸机的基本构造和种类
由于呼吸机的主要功能是辅助通气,而对气体交换的影响相对较少,因而称为通气机(ventilator)更符合实际情况。
本文沿用习惯叫法,称ventilator为呼吸机。
(一)呼吸机的基本构造
呼吸机本质上是一种气体开关,控制系统通过对气体流向的控制而完成辅助通气的功能。
(二)呼吸机的种类
1.依工作动力不同:
手动、气动(以压缩气体为动力)、电动(以电为动力)。
2.依吸-呼切换方式不同:
定压(压力切换)、定容(容量切换)、定时(时间切换)。
3.依调控方式不同:
简单、微电脑控制。
三、正压机械通气的生理学效应
深入认识正压机械通气的生理学效应是合理应用该技术的前提。
(一)对呼吸功能的影响
1.对通气功能的影响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机管路和呼吸系统的阻力,把一定潮气量的气源按一定频率送入肺内而获得一定量的分钟通气量。
驱动压和阻力的对比关系决定潮气量,用运动方程(equationofmotion)表示为:
P=VT/C+F×
R
P为驱动压,由自主呼吸和呼吸机共同提供。
机械通气一方面全部或部分替代呼吸肌做功,使呼吸肌得以放松、休息;
另一方面通过纠正低氧和CO2潴留,使呼吸肌做功环境得以改善。
但长期应用呼吸机会使呼吸肌出现废用性萎缩,功能降低,甚至产生呼吸机依赖。
为了避免这种情况的发生,临床上可根据病情的好转,给予适当的呼吸负荷。
VT为潮气量,与呼吸频率共同决定分钟通气量。
C为呼吸系统的顺应性(compliance),其倒数为弹性,大小与弹性阻力有关。
正压通气可通过复张萎陷肺泡、减轻肺水肿和增加肺表面活性物质的生成,使肺顺应性改善。
若气道压过高,则肺泡过度扩张和肺表面活性物质减少,顺应性降低。
R为粘性阻力(resistance),由呼吸机管路、人工气道和呼吸系统气道阻力三部分构成。
其中人工气道使气道阻力增加较为明显,大小与人工气道的管径及长度有关。
正压通气对气道的机械性扩张作用可在一定程度上降低气道阻力。
F为气体流速。
流速大小和流速波形的不同,对通气和换气有不同的影响。
此外,机械通气使肺扩张及缺氧和C02潴留的改善,使肺牵张感受器和化学感受器传人呼吸中枢的冲动减少,自主呼吸受到抑制。
另外,胸廓和膈肌机械感受器传入冲动的改变,也可反射性地使自主呼吸抑制。
2.对换气功能的影响一般而言,正压通气对通气的影响往往是有利的,而对换气功能的影响如何,则取决于使用者能否合理地调节通气参数。
1)对通气/血流比值(V/Q)的影响
V/Q改善:
一方面通过机械性扩张作用使通气不良肺泡的肺气容积增加,并通过增加肺泡通气使低V/Q趋于正常,另一方面能使萎陷肺泡重新复张,减少分流,并通过改善低氧和CO2潴留,缓解肺血管痉挛,降低死腔通气,使高V/Q亦趋于正常。
V/Q恶化:
往往见于气道压较高和/或肺顺应性较好时,此时局部肺泡过度充气(hyperinflation),肺泡压较高,使得肺血管受压,肺血流减少;
而过高的胸内压又使回心血量减少,心输出量降低,均能导致V/Q增加;
如果潮气量较小,局部肺泡通气不足,肺泡压力低,血流增多,分流增加,会造成V/Q降低,同样不利于气体交换。
(2)对弥散功能的影响弥散功能与膜弥散能力、肺血管床容积和气体与血红蛋白的结合速率有关。
正压通气通过减轻肺水肿、增加功能残气量和提高肺泡与毛细血管之间的压力梯度,使弥散能力增加;
但回心血量减少,使肺血管床容积下降,弥散降低。
(二)对循环系统的影响(心肺交互作用)
正压通气通过对肺容积、胸内压和呼吸功耗的影响而影响循环系统的功能。
1.肺容积变化对循环系统的影响
(1)自主神经系统肺扩张反射性地引起副交感兴奋,心率和血压下降。
(2)肺血管阻力肺容积增加一方面使肺泡周围的肺泡血管(alveolarvessel)受压,阻力增加;
另一方面,受间质压力(interstitialpressure)影响的肺泡外血管(extraalveolarvessel)在肺容积增加时,由于间质弹性回缩力增加,间质压降低,其阻力下降。
但肺容积增加总的净效应往往是使肺血管阻力增加。
肺容积降低时,由于肺弹性回缩力下降,肺泡外血管阻力增加,同时使终末气道趋于陷闭,产生低氧性肺血管收缩,肺血管阻力进一步增加。
在ARDS和肺间质纤维化患者加用呼气末正压(PEEP),使功能残气量增加,在一定程度上可降低肺血管阻力。
(3)对心包腔的挤压类似心包填塞,使回心血量减少,心输出量降低。
严重时使冠脉受压,心肌供血减少,心功能受损。
2.胸内压的变化对循环系统的影响
正压通气使胸内压增加→血液回流↓→右室前负荷↓→心输出量↓;
同时,心室跨壁压(心室壁内和心室壁外压力之差)↓→左室后负荷↓→心输出量↑。
正压通气对循环系统的影响与多种因素有关:
(1)气道压力:
通常认为气道平均压在7cmH2O以上或PEEP>
5cmH2O时即可引起血流动力学变化。
(2)心脏的功能状态:
正压通气由于能减少静脉回流和左室后负荷,可能对心输出量产生一定的影响。
对于健康心脏,其心输出量的变化主要与前负荷有关,对后负荷的变化相对不敏感,因而往往使心输出量降低。
但心功能不全者对前负荷相对不敏感,主要与后负荷有关,故合理应用正压通气往往能改善其心功能。
(3)前负荷:
血容量不足的患者,对正压通气的影响非常敏感,上机前应尽量补足血容量。
(4)肺的力学性质:
肺的顺应性越好,循环系统对正压通气的反应越敏感;
反之,影响则不明显。
如在ARDS患者,由于其肺顺应性较差,可以给予很高水平的PEEP(10-20cmH2O),但心功能不会受很大的影响。
但对于肺顺应性正常的患者,即使较低水平的PEEP(5cmH2O),也可能引起心功能较明显的变化。
(5)呼吸功耗:
自主呼吸的呼吸功耗越大,心脏负担越大。
在危重病患者,由于缺血、感染等的影响,心功能常受损,在心输出量不足以代偿呼吸功耗的增加时,往往会发生呼吸肌疲劳和呼吸衰竭。
正压通气可完全或部分替代自主呼吸,使呼吸功耗降低,从而减轻心脏负担
(三)对氧输送量(DO2)的影响
DO2由呼吸、循环功能和血红蛋白水平共同决定,其大小直接决定了机械通气改善组织氧合的效果。
在临床实践中应通过调节通气模式和参数使DO2达到最佳,而不应仅仅关注某一个系统的变化。
(四)加重或减轻肺损伤
大量的研究证实,过大或过小的潮气量或PEEP都可能会对肺造成损伤,而合理应用机械通气有助于减少肺损伤。
(五)对其他脏器功能的影响
1.消化系统正压通气时胃肠道血液灌注和回流受阻,pH降低,上皮细胞受损,加之正压通气本身也可作为一种应激性刺激使胃肠道功能受损,故上机患者易并发上消化道出血(6%-30%)。
正压通气时肝脏血液灌注和回流受阻,肝功能受损,胆汁分泌亦受一定影响。
2.肾脏由于正压通气时回心血量和心输出量减少,使肾脏灌注不良,并激活肾素—血管紧张素—醛固酮系统(RAAS),同时抗利尿激素(ADH)分泌增加,从而导致水钠潴留,甚至肾功能衰竭。
但缺氧和CO2潴留的改善又有利于肾功能的恢复。
3.中枢神经系统PaCO2降低使脑血流减少,颅内压随之降低。
正压通气使颅内静脉血回流障碍,颅内压升高。
总之,正压通气对机体的影响是全身性的,其中对呼吸和循环系统的影响最为直接和重要,对其他系统的影响程度往往与当时的呼吸和循环功能有关。
此外,正压通气对机体的影响是双向的,既有利,又有弊,所以被称之为“双刃剑”。
因而在实施正压通气时,要着眼全身,注意对各脏器功能进行监测,同时又要权衡利弊,把握住矛盾的主要方面,随时调整通气模式和参数。
四、机械通气的目标和应用指征
(一)机械通气的目标
明确机械通气的目标是针对每个患者制定机械通气策略和具体调整通气参数时的出发点和依据。
一般而言,机械通气的目标包括:
为治疗原发病争取时间,改善病人的预后;
充分机械通气可用于改善很多疾病的症状。
本节中将详细介绍机械通气的目标和应用指征。
的通气和氧合;
稳定的血流动力学状态;
尽量减少和防止肺损伤。
这些目标是相互联系的,其中改善预后是贯穿机械通气始终的最高目标,也是从接触机械通气开始就必须把握的最基本的原则,在决定是否给病人上机之前,一定要充分估计原发病的可逆程度和患者可能的最终预后。
而能否达此目标,必须不断通过调整机械通气策略和通气参数以保证充分的通气和氧合,稳定的血流动力学状态,并尽量减少和防止肺损伤。
(二)机械通气的应用指征
1.应用范围机械通气可用于改善具有下述病理生理状态的疾病:
通气泵衰竭为主的疾病:
COPD、支气管哮喘、重症肌无力、格林—巴利综合症,胸廓畸形、胸部外伤或胸部手术后等所致外周呼吸泵衰竭,脑部炎症、外伤、肿瘤、脑血管意外、药物中毒等所致中枢性呼衰。
换气功能障碍为主的疾病:
ARDS、肺炎、间质性肺病、肺栓塞等。
需强化气道管理者:
保持气道通畅,防止室息;
使用某些有呼吸抑制的药物时。
禁忌和相对禁忌:
气胸及纵隔气肿未行引流者,肺大疱和肺囊肿,低血容量性休克未补充血容量者,严重肺出血,气管食管瘘,缺血性心脏病及充血性心力衰竭。
2.机械通气时机判断是否行机械通气可参考以下条件:
(1)针对呼吸衰竭的一般治疗方法效果不明显,而病情有恶化趋势;
(2)呼吸形式严重异常:
呼吸频率35~40次/分或<
6~8次/分,或呼吸节律异常,或自主呼吸微弱或消失;
(3)意识障碍;
(4)PaO2<
50mmHg,尤其是吸氧后仍<
50mmHg;
(5)PaCO2进行性升高,pH动态下降。
具体各病种的上机指征可参见相关章节。
判断是否行机械通气除参考以上因素外,还应注意:
(1)动态观察病情变化,尤其是呼吸形式和神志的变化。
若使用常规治疗方法仍不能防止病情进行性发展,应及早上机。
(2)在出现致命性通气和氧合障碍时,机械通气无绝对禁忌证。
(3)撤机的可能性。
(4)社会和经济因素。
近年来,随着无创正压通气(NPPV)技术的巨大进步,正压通气的适应证和应用范围在进一步扩大,除一部分以往需行有创通气的患者可以改用无创通气替代外,另外一部分病人,即传统概念中不需上机的患者也可以应用无创通气来改善其呼吸—循环系统病理生理状态,甚至长期预后。
也正因NPPV的有效应用,使得把握使用有创通气的时机也与以往有所变化。
上述上机指征主要适用于有创通气,有关无创通气的具体应用指征和操作技术可参见相关章节
。
呼吸机是一个肺通气装置(Lungventilator),因为它只能起到将气体送到肺内和排出肺外的作用,而并没有参与呼吸的全过程,它并不能代替肺的全部功能(指换气功能)。
所以有人认为将其称之为通气机更为确切,我们所谈到的呼吸机的功能实际上是指它的通气功能。
呼吸机的功能可分为几大类:
主要功能、次要功能、特殊功能、辅助功能。
(一)主要功能
(1)调节通气气压或通气容积:
定压型呼吸机优先设定压力,通气量决定于通气压力的大小,而定容型呼吸机优先设定通气量,通气压力的大小决定于通气量的大小。
现在较高档的多功能呼吸机两种功能兼而有之,但因定压型呼吸机在机械通气时,气道内压力保持恒定,而其通气量与肺顺应性成正比,当呼吸道有分泌物或气道痉挛致阻力增大,以及肺有实变或纤维增生顺应性不良时,其通气量不够恒定,掌握比较困难,现已逐步被淘汰。
(2)调节呼吸频率或呼吸周期:
大多数呼吸机可直接设定通气频率,但也有的呼吸机则通过设定通气周期来达到改变通气频率的目的。
通气周期指完成一次吸气、呼气加静止期所需要的时间总和,如设定通气周期为3s,则每分钟呼吸频率为20次。
目前有些高档呼吸机的呼吸频率可以调节得很快,达100~3000次/min,远远高于人的正常呼吸频率,这种功能可以应付一些特殊情况,如气管插管困难、做支气管镜检查、人工气道严重漏气、肺叶切除术后及气胸病人等。
(3)调节吸/呼比值:
机械通气时的吸/呼比值取决于三个因素,即通气频率、通气容积(或压力)、吸气流速,在设定通气频率及通气容积的前提下,可通过调节吸气流速来改变吸/呼比值。
比较特殊的例子象反比通气(IRV),即吸气时间长于呼气时间,它适用于肺硬化或纤维化病人。
(4)调节辅助通气的灵敏度:
敏感度的高低通常取决于吸气时回路中负压的大小,所以设定的负压越大则敏感度越低,反之则越高。
成人辅助通气的敏感度应0~-3cm水柱之间进行调节。
(二)次要功能
(1)调节吸入气体中的氧浓度:
用空气中氧混合器将100%的纯氧和压缩空气进行混合,可将吸入氧浓度调至21~100%,该装置所调的氧浓度恒定,多用于间接驱动呼吸机;
而直接驱动呼吸机多用文丘里装置,即用纯氧射流的速度,将周围的空气吸入,以降低氧浓度,但所调的氧浓度不恒定,必须有氧浓度的直接监测手段,以防氧中毒。
(2)对吸入气体进行加湿、加温:
大多数的呼吸机采用热湿化器将水加温后产生蒸汽,混进吸入气中,混入吸入气体中,同时起到加温加热的作用,一般调节温度为32~35℃。
但也有的呼吸机不具备加温功能。
(三)特殊功能
(1)呼气末正压(PEEP):
此功能可对小气道及肺泡起到顶托作用,使内压在呼气末仍保持在高于大气压的水平,防止小气道及肺泡的萎陷,并能使功能残气量增加,肺顺应性增加,从而改善了肺的弥漫功能。
多用于ARDS(急性呼吸窘迫综合症)患者及肺不张患者。
(2)持续气道正压(CPAP):
其作用与PEEP相似,可防止和逆转小气道的闭合及肺泡萎陷,使胸内压增加,吸气省力,自觉舒服。
(3)压力支持(PSV):
这是一种辅助通气压力功能,即患者先触发通气,呼吸机在呼气时给患者一定水平的正压支持,以减少患者吸气时的作功,有利于呼吸肌功能的恢复,患者易于接受。
可使呼吸频率减慢,是撤离呼吸机的一种手段。
(4)叹息功能(SIGH):
此功能仅用于长时间间歇正压通气(IPPV)时,可使肺泡充分扩张,但容易造成气压伤,对有肺大泡的患者应慎用。
(5)间歇强制通气(IMV)和同步间歇强制通气(SIMV):
可以使自主呼吸和IPPV有机结合,保证病人的有效通气量,呼衰早期病人易于接受SIMV,无人机对抗。
和CPAP同用,治疗ARDS。
这两项功能一般用于自主呼吸较好的患者,多用于脱机之前。
(6)分钟指令性通气(MMV):
该功能保证每分钟通气量,如自主通气量低于设定指,不足部分则由呼吸机自动补给,如自主通气量大于设定值或等于设定值,则呼吸机自动停止气体供给。
最适用于自主呼吸不稳定的患者。
(7)呼吸机代替通气(BUV):
呼吸机运转时,如其自检系统发现系统性错误或呼吸机电源电压低于额定电压的90%即会自动转为BUV。
呼吸机替代通气条件由呼吸机厂方预先设定,在转为呼吸机替代通气时,呼吸机自动按所设定的条件进行通气。
(8)分隔肺通气(DLV、ILV):
用双腔插管将两肺分隔开,给予不同形式的通气,称为分隔肺通气。
主要用于一侧肺有严重肺大泡或肺脓疡患者,而另一侧肺正常的病人,也多用于开胸手术中。
(9)双水平气道正压通气(BiPAP):
分别调节两个压力水平和时间,两个压力均为压力控制,气流速度可变。
这是一种较新的通气方式,开发的前景较大。
(10)安全活瓣打开(SVO):
当电源中断或呼吸机发现严重错误时,安全活瓣自动打开,病人仍可呼吸空气。
(四)辅助功能
(1)监测功能:
现代呼吸机有较完备的监测功能,除进行呼吸机频率、潮气量、气道压力等呼吸机基本通气功能监测外,还可以进行血氧饱和度、气道阻力、肺顺应性以及肺活量等方面的监测。
使医务人员能比较及时地掌握呼吸机的工作状况和病人的病情变化。
(2)报警功能:
多功能呼吸机采用光学与声学相结合的方法进行报警,报警的内容一般包括电源、气源状况,呼吸频率,潮气量;
气道压力,温度、呼/吸比值等。
(3)记录功能:
高档多功能呼吸机还具有记录功能,可直接与打印机连接,能回顾并打印过去12h内机械通气的重要参数、波形、趋势图及图表等,并可与监护系统相联以储存显示并记录临床资料。
PEEP为机械呼吸机在吸气相产生正压,气体进入肺部,在呼气末气道开放时,气道压力仍保持高于大气压的一种通气类型。
一、PEEP的功能
PEEP在ARDS中的应用,主要从下列方面改善肺功能和气体交换:
①增加功能残气量:
PEEP通过扩张肺泡、复原塌陷的肺泡,使功能残气量增加;
②改变小气道关闭时的肺容量:
PEEP在呼气时使气道内保持正压,故可防止小气道和肺泡早期关闭,并可使关闭的小气道重新充气;
③改善肺部顺应性,降低呼吸功;
④改善动脉血氧合,使吸氧浓度低于50%,防止氧中毒;
⑤改善通气和血流分布,减少肺内分流。
PEEP治疗的各种机械通气类型
(1)CPPV,持续正压通气,PEEP用于接受正压通气(PPV)、进行完全通气支持的患者;
(2)IMV+CPAP,部分通气支持的患者应用CPAP;
(3)CPAP,持续气道正压,PEEP用于自主呼吸的患者,吸气和呼气时的气道压力均高于大气压;
(4)EPAP,呼气末气道正压,PEEP用于自主呼吸的患者,在吸气相,气道压力低于大气压。
二、PEEP治疗的通气模式PEEP可用于各种机械通气治疗模式(CMV、AMV、IMV、SIMV及自主呼吸),产生以下几种通气类型。
三、PEEP和CPAP的适应证
(一)ARDSPEEP可防止肺泡萎陷,增加气体分布和交换,减少肺内分流从而提高PaO2。
(二)新生儿透明膜病连续气道正压治疗可缩短病程和减少病死率。
(三)术后呼吸支持患者麻醉及术后仰卧时,功能残气量减少,肺内分流增加,可产生低氧血症,PEEP有一定治疗作用。
(四)治疗左心衰竭和肺水肿PEEP使胸内压升高,左心室后负荷降低,可改善左心室功能。
(五)横膈麻痹膈神经麻痹为心胸手术并发症,横膈反常运动,通气量减少,可引起低氧血症和增加呼吸功。
PEEP或CPAP能增加肺容量和防止反常呼吸。
(六)阻塞性呼吸睡眠暂停通过鼻腔,用CPAP(0.294~0.981kPa),可防止气道萎陷。
(七)预防性应用PEEP/CPAP可防止肺泡表面活性物质灭活及肺泡萎陷,但能否降低ARDS的发生率尚有争论。
四、PEEP的应用方式
(一)PEEP的常用水平为0.981~2.94kPa(10~30cmH2O)。
应用时需注意①PEEP的增加或减少应小量进行,通常以增加或减少0.49kPa(5cmH2O)为宜。
每次增减之前,应测血气、血压、必要时监测心输出量;
②适当的心室充盈(前负荷)对有效的PEEP治疗是必不可少的,故须保证适当的液体入量;
③如有心输出量降低的证据(如低血压等),虽已适当增加心脏前负荷及运用心脏正性药物,但仍然无效,则应降低PEEP水平;
④吸入氧浓度的改变不要与PEEP水平的改变同时进行;
⑤PEEP水平较高时
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