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温州明州康复医院 奥克斯康复医学研究院 尤荣开（译）
呼吸机人机同步是一个复杂的问题，受呼吸机性能、患者特征和人机界面的影响。呼吸机人机交互问题包括镇静镇痛药物使用、自主呼吸恢复、最大化交互的微处理器技术和闭环控制。虽然大多数临床医生一致认为患者-呼吸机同步是可取的，但仍然没有因果数据表明异步与不良结果相关。 介绍 机械通气与溺水后的复苏和外科技术的发展密切相关。在这些情况下，显然没有必要考虑患者与呼吸机的相互作用。事实上，第一次提到呼吸机人机交互作用的这种担忧是出现在Mushin及其同事对机械呼吸机的分类中。Mushin等人提供了呼吸机分类框架，为理解患者-呼吸机相互作用奠定了基础。在最初的分类中，呼吸机是根据患者呼吸循环（现在称为触发）的能力进行分类的。在1959年最初描述时，患者触发意味着压力触发。无法响应患者努力的呼吸机被称为“控制器”，而能够被触发的呼吸机被称为“辅助呼吸机”。这个术语可能会解释一些至今仍存在的关于分类方案的混淆。Mushin及其同事没有根据患者触发做出价值判断，他们也没有在任何程度上考虑患者与呼吸机的相互作用。他们确实建议吸气流量应为40-80L/min，呼气阻力较低，但该建议似乎是出于防止空气潴留的考虑，而不是为了改善患者与呼吸机的相互作用。 Chatburn对Mushin系统的改进将用于识别机械通气的阶段，其中患者和呼吸机相互作用以产生同步或异步。 历史考量——持续正压呼吸期间患者与呼吸机的相互作用 在1930年代后期，Poulton和Oxon以及Barach及其同事，分开工作，描述了持续正压呼吸在治疗哮喘和心源性哮喘（心源性肺水肿）中的应用。今天被称为持续气道正压通气（CPAP），持续正压呼吸确实有助于检查患者与呼吸机的相互作用。两位作者都对患者与设备的交互进行了敏锐的观察，并且可能是第一批将设备操作与患者舒适度相关联的研究人员。请注意，两组均未提供通气。用于提供连续正压呼吸的设备包括一个高流量低压鼓风机和一个用于控制呼气末压力的弹簧加载阀。在许多方面，这些设备与当今使用的CPAP设备没有太大区别。 Poulton和Oxon用真空吸尘器和弹簧式压力阀构建了“肺压力机”。他们指出，高流量对于提高患者的舒适度是必要的。他们也是最早注意到吸入气体加热的重要性的人物之一，尽管不一定考虑湿度。为了让患者感到舒适，他们的建议包括在真空吸尘器的袋子隔间中放置一个热水瓶，或者将设备放置在“它从散热器或电火中吸入空气”的位置。前者可能比后者更舒服。Poulton和Oxon进一步建议，如果要使用家用真空吸尘器，请在使用前运行几分钟以“清除所有灰尘”。Barach及其同事指出，将吸气和呼气压力的波动限制在<2–3cmH2O，可提高患者的舒适度。这一发现可能激发了对CPAP系统、需求流量系统和现代呼吸机的呼吸功（WOB）的长期调查。两组都描述了患者舒适度的改善，表现为呼吸困难和呼吸频率的降低。然而，两者都没有将舒适度归因于患者与呼吸机的交互作用。 负压通气 1940年代和50年代的脊髓灰质炎流行迎来了铁肺负压通气的使用。由于脊髓灰质炎引起的呼吸衰竭是由呼吸麻痹引起的，因此未考虑患者与呼吸机相互作用的问题。曾多次与Jack Emerson讨论患者对铁肺通气的反应问题。在关于如何知道通气是否充足的讨论中，爱默生描述了“屏住呼吸”的技巧（个人交流）。基本上，患者被要求说话，如果说话变得安静，表明气体进入肺部，则认为通气是充分的。 正压通气 负压通气在1900年代初期占主导地位，直到Lassen报告了手动正压通气在治疗脊髓灰质炎方面的益处。正压通气作为一种救生技术的时代已经开始。 1950年代末和1960年代初关于治疗连枷胸和肺挫伤的一系列论文代表了可能被认为是患者-呼吸机同步的对立面。事实上，同步是完美的，因为患者会出现呼吸暂停。Avery及其同事发表的具有里程碑意义的论文“严重压碎的胸部：一种通过持续机械过度通气产生碱中毒呼吸暂停和内部气动稳定的新治疗方法”集中在胸壁的治疗上。肺挫伤未被视为重要的病理特征。 巨大胸部创伤和连枷胸后的肺功能障碍被认为是胸壁反常运动和内部“摆动”存在的结果。胸壁的不稳定性被认为会导致无效呼吸和肺段之间的气体运动，从而阻碍充分的肺泡通气。Windsor和Dwyer描述了一些胸部挤压伤的治疗方法，在一名44岁的男子发生正面机动车事故并被转向柱击中胸部的案例中，他们指出： 当时他仰卧着。他半昏迷、发绀、极度呼吸困难。他患有严重的肺气肿，伴有右上前胸和胸骨区域剧烈的活塞样反常运动。已尝试通过使用连接到头顶框架并插入右上前肋骨的钩子来控制悖论。胸部X光片显示右侧血气胸，已通过右侧胸膜腔中的针进行治疗。由于分泌物引起的支气管阻塞被标记为……。脉率为每分钟100次，呼吸率为每分钟32次。给予吗非96毫克、哌替啶50毫克、哌替啶100毫克和三聚乙醛10毫升，以努力控制疼痛和烦躁不安。 其他治疗方法包括在肋骨周围放置毛巾夹，并使用钢琴钢丝将夹子悬挂在头顶牵引力上，以“夹住”肋骨。这种治疗的一个特点是深度镇静和麻痹，任意实施2-3周。令人惊奇的是，这些治疗常常是成功的。这种治疗选择可能是机械通气“脱机”的起源。瘫痪2周后，患者苏醒，无疑是呼吸肌萎缩，需要缓慢撤除呼吸机支持。在此期间，避免了患者与呼吸机的相互作用，同步性也不是问题。 触发 患者-呼吸机相互作用和触发的概念似乎首先由Harrison倡导。他在1962年发表于南非医学杂志的一篇评论中描述了“患者增强通气而触发”。哈里森指出： 一些机械通气机的触发机制在设计、灵敏度和响应时间方面的最新进展现已问世，这使得患者增强通气的触发成为当今许多需要机械通气的病例的首选方法。 他接着说，在连枷胸中使用患者触发的通气是不明智的，因为所产生的负压是禁忌的。这种担忧是基于负压会导致胸壁变形，对气体交换和肋骨愈合产生负面影响的想法。然而，Harrison很早就认识到触发和吸气流量对患者舒适度和患者触发方法中的WOB的重要性。他报告说： 对于以呼吸急促为特征的呼吸窘迫患者，为了与患者的呼吸努力相匹配，呼吸机必须具有快速响应时间并能够输送非常高的气体流速。 自主呼吸的恢复 1973年，Downs及其同事引入了间歇强制通气（IMV）作为一种促进成人脱机的方法。这种在患者和呼吸机之间分担呼吸工作的看似常识性的方法，导致了该技术的广泛使用，并将该方法应用于机械呼吸机。后者的发展可能代表了患者-呼吸机不同步的最常见原因之一。 在其初期，IMV是呼吸机的附加装置，使用带单向阀的H阀和独立的空气-氧气源以实现连续流动（图1）。这些系统很容易放置在回路中，或者在吸气支路中预加湿，或者如果干燥，则放置在加湿器之前。根据电路配置，系统被视为“开放”或“封闭”。（图2和图3）最常见的封闭系统是连接到加湿器入口的H阀和弹性储液袋。在呼吸机吸气期间，单向阀关闭，储气囊充满气体。在呼气阶段，持续的气流可用于自主呼吸。虽然这种方法避免了与触发和循环呼吸机相关的问题，但其他因素也会影响WOB，包括提供的流量、储气罐的体积和呼气阀的特性。呼气相连续流量的存在混淆了潮气量监测，如果流量设置得足够高可以增加输送的潮气量。高流量还导致高氧气用量和浪费，以及加湿器中水的快速蒸发。这些问题和不便导致了需求阀调节器的发展，并最终引入了同步间歇指令通气（SIMV）。
图1 一种早期的间歇指令通气系统，包括一个H阀和一个整体式单向阀，为自主呼吸提供连续气流。
图2 封闭式间歇强制通气系统示意图
图3 开放式间歇强制通气系统示意图 IMV与SIMV SIMV作为机械呼吸机的组成部分引入，有望减少气体用量、准确测量呼气潮气量并防止气体潴留。在作为设备批准和测试的经典故事中，Shapiro等人评估了Puritan Bennett MA-1的间歇需求阀。评估由一组麻醉师通过呼吸机呼吸，有或没有间歇需求阀控制器，通过咬嘴。所有研究对象都更喜欢间歇需求阀控制器。这是引入SIMV之前的研究。Heenan等人随后进行的动物试验发现IMV和SIMV之间没有重要差异。SIMV期间的吸气峰压略高，但差异<1.5cmH2O。Aoki等人描述了SIMV，甚至可以适用于气动呼吸机，并提出了一个优势，但我没有发现该设备商业化的证据。 值得注意的是，在IMV的发明者Downs、Kirby和Klein的手中，呼吸10次/分钟的设定呼吸机频率被认为是高的。触发自主呼吸的工作、患者可用的流量以及呼吸循环都是设备之间存在争议和差异的领域。这些最初的观察最终产生了响应时间、上升时间和流速终止等术语。 连续与需求流量 一些研究人员在1970年代后期和80年代期间评估了连续流量IMV和需求流量IMV期间的WOB。在Barach的领导下，Gherini及其同事将正常志愿者的自主呼吸与PEEP和CPAP进行了比较，并在一篇雄辩的论文中证明，将吸气-呼气压力差降至最低可增加功能残气量并降低WOB。 Schlobohm等人还发现，与呼气气道正压相比，CPAP在自主呼吸期间改善了PaO2和功能残气量。同一组敏锐地注意到拔管前呼气气道正压为零对功能残气量PaO2的负面影响和患者的WOB。不幸的是，许多人似乎都错过了关于低水平PEEP对所有机械通气患者的重要性的精妙而开创性的工作。 Gibney等人比较了连续流量Emerson系统与Bear1和Puritan Bennett MA-2的需求流系统之间的WOB。他们与10名健康的医生志愿者一起证明了需求系统的WOB大约是连续流动系统的两倍。Christopher等人使用肺模型研究峰值负压以启动吸气流量和2个连续流量系统和4个需求阀系统的呼气阻力。他们将IMV Emerson和带H阀系统的Puritan Bennett MA-1与带间歇需求阀的Puritan Bennett MA-1、Bear1、Monaghan225和Servo 900B进行了比较，发现负值存在很大差异触发呼吸所需的压力：Servo900B和PuritanBennettMA-1需要6cmH 2O，与连续流动系统只有2cmH 2 O相比。他们还注意到呼气阻力对自主呼吸的重要性，并证明了呼吸机之间以及一次性和非一次性呼吸机呼气阀之间的巨大差异。Katz等人测量了几种新型呼吸机的WOB，包括微处理器控制的设备。他们发现了操作上的显着差异，并率先证明了新型微处理器控制的呼吸机经常会超过PEEP水平并提供少量压力支持。他们还指出，呼吸机在启动流量所需的压力（现在称为预触发阶段）和呼吸检测后的流量和压力（现在称为触发后阶段）方面存在差异。在过去3年中，数十篇论文用新设备重复了这些研究。主要含义是呼吸机性能可以对WOB和患者-呼吸机同步性产生积极或消极的影响。 机械通气过程中的呼吸功和同步性 1986年，Marini及其同事发表了一篇关于机械通气期间WOB的经典论文。随后对正常志愿者和患者进行的研究表明，适当的灵敏度和吸气流量是降低WOB的关键因素。一项SIMV后续研究表明，患者无法适应呼吸间呼吸类型（强制性与自发性）的变化。这些观察是对我们理解强制呼吸期间患者-呼吸机相互作用的最早贡献之一。 与同步相关的呼吸机操作 Mushin及其同事描述了呼吸机操作，他们使用了一个由4个阶段组成的系统：从呼气阶段到吸气阶段的变化（触发）；吸气相（限制和控制）；从吸气相到呼气相的变化（循环）；和呼气相（PEEP）。该系统由Chatburn更新以消除术语的冗余（Mushin使用循环来表示灵感的开始和结束），我将在下一个讨论中使用Chatburn的术语。 鉴于患者对呼吸的自主控制与呼吸机操作之间存在多重相互作用，因此患者-呼吸机同步通常是例外而不是规则也就不足为奇了。图4描述了呼吸系统的运动方程和呼吸机输出的多种患者反应，这通过肌肉压力和时间的变化来体现，以及呼吸机对患者的反应，通过气道压力的变化来体现。该图出现了呼吸机操作中的一些重要问题。这不仅仅是患者开始呼吸然后进行被动通气。控制通气驱动的输入数量（其中一些与患者需求或呼吸机无关）会影响患者与呼吸机的交互。这方面的很好的例子是戒酒患者的躁动和脑病患者的呼吸急促。这两个问题都不能通过呼吸机设置或模式来解决。呼吸机根据其控制、触发、限制、和周期变量，通过气道压力的操纵。患者还通过控制肌肉压力对呼吸机的输出做出反应。这些互补且有时相互竞争的压力进一步受到时间和数量的影响。患者与呼吸机的相互作用比简单观察所暗示的要复杂得多。
图4 运动方程、机械呼吸机输出、患者因素和呼吸肌输出之间的关系 另一个重点是肺模型研究的数据。虽然肺模型可以模拟多种呼吸模式以及顺应性和阻力条件，但它无法根据呼吸困难的缓解情况做出反应。肺模型不根据神经、行为或化学反馈进行修改。一个完美的例子是压力支持期间的上升时间。在肺模型中，最快的上升时间（即最快上升到峰值压力）通常会导致测量的WOB最低，但在患者中并非总是如此，中等上升时间通常会导致最佳的患者-呼吸机同步。工作和同步并不总是齐头并进。 触发 患者-呼吸机同步可能会受到触发变量的影响。曾经只能基于测量压力、体积或流量的触发，现在可以基于其他信号，包括运动、波形触发、经膈压和肌电图。 触发后阶段 一旦检测到患者努力，后触发阶段反映了呼吸机的响应。呼吸机在触发后阶段的操作受目标（压力或容量）和限制变量、呼吸机的驱动系统、流量设置和流量模式（容量控制通气）以及上升时间（压力-控制通气）。 驱动系统和驱动系统的控制对于达到所需的流量或压力很重要。基于鼓风机和基于涡轮的呼吸机与活塞式呼吸机相比具有优势。在重症监护呼吸机中，使用压缩气体作为通气动力，比例电磁阀和其他流量控制装置同样有效。图5比较了鼓风机、涡轮机和活塞式呼吸机的压力/时间曲线。通过测试肺模拟自主呼吸，将4个呼吸机（3个鼓风机和1个微型活塞）设置为5cmH2O的PEEP和20cmH2的压力支持。鼓风呼吸机通常提供较低的恒定流量，因此在检测到触发时它们已经在运行。活塞在触发前是静止不动的，必须克服惯性才能达到所需的正压，因此活塞式呼吸机的响应时间比鼓风式呼吸机慢。
图5 模拟触发期间3台呼吸机（1台涡轮机、1台活塞和1台鼓风机）的压力/时间曲线，PEEP为5cmH2O，压力支持为20cmH2O。活塞式呼吸机在达到设定压力。 呼吸环路 Yamada和Du描述了在压力支持期间自动确定最佳循环，并在Newport呼吸机中实现了商业化。虽然该系统似乎具有优势，但与固定或临床医生可调整的周期标准相比，很少有临床研究支持自动确定周期标准。 结论 呼吸机人机同步是一个复杂的问题，受呼吸机性能、患者特征和人机界面的影响。患者-呼吸机交互的历史包括瘫痪、自主呼吸、微处理器技术以最大化交互以及闭环控制（图6）。虽然大多数临床医生同意患者-呼吸机同步是可取的，但仍然没有因果数据表明异步与不良结果相关。
图6 患者呼吸机交互的时间表 |
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