呼吸力学与呼吸机
呼吸力学
床旁呼吸力学监测及其在机械通气中的应用首都医科大学附属北京朝阳医院詹庆元第一节呼吸力学发展简史呼吸力学（respiratory mechanics 或lung mechanics）是以物理力学的观点和方法对呼吸运动进行研究的一门学科。
呼吸力学发展大致经过了以下阶段：一．早期阶段（19世纪～20世纪初）1817，James Carson，发现动物肺具有弹性，被认为是现代呼吸力学的开始。
1853，Frans Cornelius Donders，用水银压力计测定肺弹性所产生的压力约为7mmHg。
1847，Ludwig，用充水球囊测定胸内压。
1844，John Hutchison，用肺量计（spirometer）测定肺活量和肺容积上述研究并没有将压力和容积联系起来对呼吸运动现象进行描述。
之后50年内无重大进展。
二．基础阶段（20世纪初～20世纪50年代）1915～1925，Fritz Rohrer，首先将复杂的呼吸运动简单化地以物理学的压力－容积的关系进行描述，开创了呼吸力学研究的新纪元。
但未引起重视。
1941，Arthur Otis等，再次发现了压力－容积的关系，并于战后公开发表。
上述两项研究为呼吸力学提供了最基本的科学理论和研究方法。
1925，Alfried Fleisch，PTG（pneumotachorgraph）。
1943，Louis Statham，发明strain-gauge manometer。
1949，Buytendijk，以食道－气囊导管间接测定胸内压。
上述三项技术为呼吸力学研究提供了硬件基础。
1958，Moran Campbell，以食道压替代跨肺压重新评价压力－容积曲线的价值，提出了著名的Campbell 图（Campbell diagram）。
使呼吸力学的理论进一步完善：将吸气肌和呼气肌做功分开，将克服弹性阻力和粘滞阻力做功分开，加深了对动态肺充气的认识。
三．发展和应用阶段（20世纪50年代～至今）随着微处理技术和高灵敏传感器的应用，呼吸力学从实验室走向临床，呼吸力学监测仪商品化。
呼吸力学
气道压力 = 流速 x 气道阻力 + 容量 /顺应性 + PEEP
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Covidien | Jun 02, 2012 | Confidential
小测试
3. 吸气流速对气道峰压产生影响，但对平台压无影响？ A. 正确 B. 错误
存在自主呼吸时
Paw + Pmus = Flow X Resistance + Volume / Compliance + PEEP
呼吸机 + 呼吸肌 = 流速 x 气道阻力 + 容量 /顺应性 + PEEP
Paw ► P1 = Flow x Resistance
P2 = Volume/Compliance P3 = PEEP
压力与容量的关系
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压力-容量曲线 （PV环）
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压力-容量曲线 （PV环）
Volume Targeted Ventilation
预设潮气量
气道压力 = 流速 x 气道阻力 + 容量 /顺应性 + PEEP
Paw ► P1 = Flow x Resistance
P2 = Volume/Compliance P3 = PEEP
呼吸机工作原理: 运动方程与波形
Paw = Flow X Resistance + Volume/Compliance + PEEP
呼吸力学的监测
汇报人：可编辑
2024-01-11
CONTENTS 目录
• 呼吸力学概述 • 呼吸力学监测的方法 • 呼吸力学监测的应用 • 呼吸力学监测的挑战与解决方案 • 未来展望
CHAPTER 01
呼吸力学概述
呼吸力学的定义
呼吸力学是一门研究呼吸过程中气体 流动和呼吸系统力学特性的科学。它 涉及到呼吸系统的气体交换、气流动 力学、呼吸肌肉力学等多个方面。
通过持续监测呼吸力学参数，可以评 估治疗措施的疗效，及时调整治疗方 案。
指导治疗
根据呼吸衰竭的类型和严重程度，呼 吸力学监测可以指导治疗措施的选择 ，如机械通气、药物治疗等。
机械通气的调节
设定通气模式
根据患者的病情和呼吸力学监测 结果，选择合适的通气模式，如
控制通气、辅助通气等。
调整参数
根据患者的生理需求和呼吸力学监 测结果，调整机械通气的参数，如 潮气量、呼吸频率、吸氧浓度等。
对呼吸力学监测数据进行动态监测和趋势分析，以便及时发现异 常变化并采取相应措施。
监测过程中的患者舒适度
设备舒适度
选择舒适度高、易于使用的呼吸力学监测设备，减少对患者造成的 不适感。
操作简便性
简化呼吸力学监测设备的操作步骤，方便医护人员快速、准确地完 成监测过程。
患者教育
对患者进行教育，告知他们如何配合呼吸力学监测，减少因操作不当 导致的不适感。
预防并发症
通过呼吸力学监测，可以及时发现 机械通气相关的并发症，如过度通 气、通气不足、气压伤等，采取相 应措施进行预防和治疗。
呼吸肌疲劳的评估
评估呼吸肌疲劳程度
通过监测呼吸力学参数，可以评估呼吸肌疲劳的程度，如肌肉收 缩力下降、肌肉疲劳等。
呼吸机的一般结构及工作原理
呼吸机得一般结构及工作原理随着医学电子技术得发展,呼吸机得种类与形式越来越多,但它们一般得主要结构与原理基本相似,或者说,它们必须具备基本结构,现分述如下:一、机械呼吸机得动力机械呼吸机得动力来源于电力、压缩气体,或二者得结合。
压缩气体由中心供气管道系统提供或由呼吸机可配备得专用空气压缩机产生。
1、气动机械呼吸机气动机械呼吸机得通气以压缩气体为动力来源,其所有控制系统也都就是靠压缩气体来启动。
由高压压缩气体所产生得压力,通过机械呼吸机内部得减压阀、高阻力活瓣,或通过射流原理等方式而得到调节,从而提供适当得通气驱动压及操纵各控制机制得驱动压。
2.电动机械呼吸机单靠电力来驱动并控制通气得呼吸机,称为电动机械呼吸机。
电动机械呼吸机也需要应用压缩氧气,但只就是为了调节吸入气得氧浓度,而不就是作为动力来源。
电可通过带动活塞往复运动得方式来产生机械通气,或通过电泵产生压缩气体,压缩气体再推动风箱运动而产生通气。
3.电-气动机械呼吸机电-气动机械呼吸机,只有在压缩气体及电力二者同时提供动力得情况下才能正常工作与运转。
通常情况就是,压缩空气及压缩氧气按不同比例混合后,既提供了适当氧浓度得吸入气体,也供给了产生机械通气得动力。
但通气得控制、调节,及各种监测、警报系统得动力则来自电力,所以这类呼吸机又称为气动-电控制呼吸机。
比较复杂得多功能定容呼吸机大多都采用这种动力提供方式。
二、供气装置贮气囊或气缸供气装置:这种供气装置常用折叠贮气囊或气缸来输送气体,其外部装有驱动装置。
供给病人得潮气量(VT)取决于贮气囊或气缸直径(D)与行程距离(L)VT=πD2/4·L驱动装置可以直线运动或旋转－直线运动。
由于气缸得顺应性小,故VT较为精确,因此,以气缸作为贮气装置得呼吸机适合于小儿科使用。
三、呼吸机得调控系统80年代以前,呼吸机得调控方式有两种形式:一种就是直流电机驱动得呼吸机,通过电压得变化,使其转速发生改变,来控制VT、E:I等参数。
呼吸力学和呼吸机波形和其临床意义
总动态顺应性是在主动吸气时测出。 它们反应容量—压力关系旳两项指标，根据流速-时间曲线、压力-时间曲线和压力-容量环也能够评估病人旳顺应性。
“管道特征”
R =
D P
D F
气道阻力
压力差 = 流速 x 管道阻力
压力差 = 流速 x 阻力
dP = Q x R
R =
8 L (visc.)
容量控制通气（PCV）
Guaranteed tidal volume, not affected by the changes in pulmonary mechanics
What is measured?
压力Pressure 时间Time 流速Flow (dV /dt ) 容量Volume (calculated)
三向弹簧
胸腔内压
气管压
近气道压
胸膜压
肺泡压
自主吸气
容量变化
气流
压力变化
机械通气
压力变化
容量变化
气流
吸气
机械通气
自主呼吸
Pressure
Time
肺泡内压力变化
术语: Flow and Volume
分钟通气量 = 潮气量 x 送气频率
Pressure
Flow
Time
潮气量
Volume
Expir.
Insp.
Expir.
压力-时间曲线
波形各段意义
A/ 触发: 病人 (assisted) 呼吸机 (controlled) B/ 限制: 流速 压力 C/ 切换: 容量 时间
A
B
C
切换与限制
Cycled
Pressure
Time
呼吸力学的运动方程解读
呼吸力学的运动方程解读呼吸力学的运动方程主要描述了呼吸过程中气道压力、气流速率、肺容量和肺顺应性之间的关系。
恒定流速（方波或称矩形波），设置吸气末暂停的容控的压力时间曲线能够让我们理解这些力学概念。
这对于优化机械通气参数、改善患者肺功能以及防止通气相关的损伤至关重要。
一、呼吸力学的基础概念呼吸是通过产生压力差来驱动气流的过程。
在自然呼吸时，膈肌和肋间肌的收缩和松弛导致胸腔容积的变化，从而引发肺内外压力的变化，进而产生气流。
在机械通气过程中，呼吸机通过外部压力推动气体进入肺部，形成呼吸周期。
呼吸力学的运动方程反映了在吸气和呼气期间，气道压力、气流、潮气量以及与气道阻力和肺顺应性的关系。
基本的呼吸力学方程如下：Paw = (R×V) +(VT/C)+ PEEP该方程虽然是包含了几个呼吸力学量，但主要是用P-t图中进行解释说明。
图中各点解释：A点：这是呼吸周期的起始点。
此时，气道压力为基础的PEEP值，气道中没有气流，肺内没有气体积累。
PEEP的作用是防止肺泡完全塌陷，从而保持一定的肺容积。
B点：在吸气的开始，随着气体进入肺部，气道内的压力逐渐上升，气流开始增加。
这一阶段称为“流动相”或“流量相”。
此时，气道压力主要由气流通过气道阻力（R）引起的压力梯度决定。
C点：这是气道内压力的最高点，称为峰值压力（Peak Pressure）。
在机械通气时，这个点代表气体最大流速时气道内的压力峰值。
峰值压力由气道阻力（R）和肺顺应性共同决定。
D点：设定吸气暂停后，气流减慢直至停止，气道压力开始下降，进入“平台相”。
平台压力（Plateau Pressure）是反映肺顺应性的一个重要指标，不受气道阻力的影响。
E点：平台压力的结束点，气流完全停止，气道内的压力处于相对平稳状态，此时可以准确反映肺顺应性。
压力的计算可以通过容积/肺顺应性来估算，即VT/C。
F点：呼气相结束，气道压力回到PEEP水平，准备下一次呼吸周期的开始。
呼吸力学及临床意义
Bronchodilator use
PEEP与PEEPi
肺泡
上游段
下游段
肺泡内压 (PEEPi)
临界压
气道压
肺泡内压 (PEEPi)
临界压
PEEP
PEEPi测定
PEEPi测定
谢 谢！
0 +10 +20 +20 +30
+35 +20
0 +5 +10
等压点上移
+20 +20 +25
+20
正常人用力呼气
肺气肿者用力呼气
等压点上移时用力呼气引起气道压缩而闭合
等压点学说
PEEPi
Pulmonary Hyperinflation in COPD
Sutherland ER, Cherniack RM. Management of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. N Engl J Med 2004; 350: 2689-97
如何描记P-V曲线
大注射器法 呼吸机法 低流速法 智能呼吸机描记
P-V Loops vs CL
P-V Loops vs R
High Resistance
容量控制通气时，容量 恒定，压力依据阻力和 顺应性而变化
当阻力增加时， PIP 上 升（A-B）， PV loops 变宽。该种PV loop，称 为滞后（Hysteresis）
（2）
2、Decreased Compliance —— 顺应性降低
表现：峰压和平台压均升高 原因：顺应性降低（ARDS）
呼吸力学PPT课件
• 对临床所测呼吸系统顺应性的影响
PEEPi的监测方法:间接观察
•
•
•
•
•
•
•
胸围增大
患者呼吸费力
心血管功能恶化
呼气末有持续呼气气流
压力控制通气时潮气量或每分通气量下降
容量控制通气时气道压力升高
胸片显示局部肺过度充气
PEEPi的监测方法:直接测量
•
•
2.肺泡内压
其大小决定于胸膜腔内压与肺向内收缩的压力之
差
机械通气时，肺泡内压直接受吸气压力影响，故
要注意避免通气压力过高而造成的肺损伤及对循
环功能的影响。
呼吸系统的压力梯度
3.气道内压
吸气或呼气末，气流停止时，从肺泡到口鼻，
气道内各处压力相等，吸气时，从口鼻到肺泡的
压力递减，呼气时则递增。呼吸运动中，气道内
–
鼻和声门占R气道的75%
–
小气道占R气道的10%
峰压力-平台压
机械通气时
————
气体流量
R气道=
气道阻力(Raw)
•
Hagen-Poiseuille(哈根-泊肃叶定律）
8ηl
Raw=——
πr4
（η为流体黏度；r为管的半径；l为管道长度）
气道直径是影响阻力的重要因素。
呼吸道阻力的正常值在成人：1-3cmH2O/L/S.发生于直
R气道↑
压力
容量
容量
正常
压力
C↓
压力
机械通气时呼吸力学指标的监测
及临床应用
•
呼吸力学监测的三
Flow(L/min)
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Time Flow Rate
Volume
切换 vs. 限制
Pressure
Pressure
限制
切换
Time
Time
容量控制通气（PCV）
◆ ◆ ◆ ◆ 流量恒定 恒定的潮气量 不受肺阻力影响 变化的压力
Pressure
Flow
Time
容量控制通气（PCV）
Guaranteed tidal volume, not affected by the changes in pulmonary mechanics
Inspiration + Exhalation
术语: PEEP, I:E Ratio
Pressure
PIP
Positive End Expiratory Pr.
PEEP PIP
T insp. T exp.
I:E=1:2
PEEP
Time
T insp.
I:E=4:1
术语: Flow and Volume
Pplat
肺泡膨胀 (recoil) 压力差 (Pdis)
PEEP
time
基本计算
dP = R x Flow + dV / C st
Cst = dV / (Pplat-PEEP)
Pressure
PIP
R = (PIP-Pplat) / Flow
Pplat
PEEP
time
慢速冲气法
◆ 慢吸气流速S (5-10 lpm) 大 Vt 和 ZEEP ◆ 动态 P-V 环 接近静态曲线 ◆ 由流速阻抗产生的压力减小
Paw
cmH20
1
Expiration
Expiration
Sec
2
3
4
5
6
V
.
30
Pressure Time Curve 压力-时间曲线
Volume
Volume Pressure
Paw
cmH20
1 2
Expiration
Inspiration
Sec
3 4 5 6
.
V
30
Pressure Time Curve 压力-时间曲线
◆在辅助通气主要影响病人呼吸作功 的因素是最大吸气流速(peak flow) ◆在低流速时病人呼吸功达到总吸气 作功的65% ◆当送气流速增加时WOB 减少
Ward, et al.: Anaesthesiology 69:29;1988 Sassoon, et al.: Chest 93:571;1988
静态和动态顺应性
Volume
静态顺应性曲线
TV 动态顺应性曲线
Pressure
Plateau Pr.
Peak Pr.
动力学特性
动力特点: Cdyn = dV / dP Volume Hysteresis
dV
dP Pressure
静态和动态压力
Pressure
PIP
流速阻抗 压力差 (Pres)
Air Starvation
Paw
cmH 20
1 2 3 4 5 6
Sec
-10
What options do we have?
控制通气
Volume Ventilation
Pressure
Pressure Ventilation
Pressure
Flow
time
Flow
time
Assist/Control
Sec
3
4
5
6
-10
压力曲线的临床应用
压力-时间曲线的临床意义
◆ 区别各种通气模式和特殊通气方式 ◆ 估计触发的做功 ◆ 计算吸-呼时比，估计呼气时间是否充足。 ◆ 估计是否达到充分的平台压 ◆ 观察压力上升速度估计所用吸气流速是否适合 ◆ 测定静态呼吸力学参数 ◆ 显示压力波型形态
30
病人呼吸机同步
ti
WOB意义
病人作功是呼吸机依赖最敏感的指标。 比较呼吸机和病人的功在脱机过程中非 常有用。 顺应性和阻力变化 、吸气努力、压力 支持水平、PEEP、不适合的吸气时间 、灵敏度的改变模式的变化WOB可以 改变。 WOB提高提示脱机过程有不当。
P-V 环和 WOB
V
顺应性正常阻力增加
胸腔内压
近气道压
气管压
胸膜压
肺泡压
自主吸气
容量变化
压力改变 气流
机械通气
压力变化
气流
容量改变
肺泡内压力变化
Pressure
机械通气
Time
自主呼吸
吸气
术语: Flow and Volume
分钟通气量 = 潮气量 x 送气频率
Flow
潮气量
Pressure
Time
Volume = Flow X Time
p
r4
顺应性和阻力
DP R= DF
D V C= D P
阻力和回缩力
动态特性
dP = dV / Cdyn
阻力
DPresistive = R x Flow
静态顺应性
dPdistensive = dV / Cst
dP = dPresist. + dP dist. dP = R x Flow + dV / C st
流速 压力 容量 时间 病人 (assisted) 呼吸机 (controlled)
C B A
◆ C/ 切换:
切换与限制
Pressure
Pressure
Limited
Cycled
Time
Time
在吸气相所记录的测量值
图2. 在吸气相和呼气相中所评估的变量
30
压力-时间曲线
顺应性降低阻力正常
P V
顺应性和阻力正常
V
P
P
Methods of Rrs Measurement
◆ 同容量法 (Krieger) ◆ 弹性减小法 (Neergard) ◆ 被动呼气法 (Comroe) ◆ 峰呼气法 (Jonson) ◆ 呼气时间常数法 (Bergman) ◆ 加力振动法 (Goldman) ◆ 吸气压 / 流速 法 (Suter)
Volume
◆ 容易做, 省时 和相对舒服
Servillo: AJRCCM 1997 Lu: AJRCCM 1999
UPIflex
LPIflex
Pressure
顺应性
◆ 顺应性描述呼吸系统各个部分的弹性特征。 ◆ 顺应性为容量改变除以压力变化。 ◆ 顺应性（C）=容量变化（ΔV）/压力变化（ΔP ）或 顺应性=ml/cmH2O ◆ 呼吸系统的顺应性包括胸壁顺应性和肺顺应性。 ◆ 总静态顺应性是在吸气末和呼气末均无主动的呼 吸气流时测出。
顺应性
增加吸气压力
Volume
Pressure
What is measured?
◆ 压力Pressure ◆ 时间Time ◆ 流速Flow (dV /dt ) ◆ 容量Volume
(calculated)
time
Flow Volume
顺应性
Volume
D V C= D P
DV
DP
Pressure
Paw
cmH20
1 2 3 4 5 6
Sec
-10
30
Pressure Time Curve 压力-时间曲线
Volume
Volume
Paw
cmH20
1
Inspiration
Expiration
Sec
2
3
4
5
6
. V
30
Pressure Time Curve 压力-时间曲线
Volume
Volume
Assist Window
SIMV 5 bpm
12 sec
A/C 5 bpm
如何影响 MAP
Pressure
A = PIP
B = Rise Time
D = Frequency
C = Base Line Time
◆保证和维持适当的气体交换 ◆尽可能减小肺损伤的危险 ◆减小病人的呼吸功 ◆尽可能使得病人的痛苦减少
理想的呼吸状态
◆理想呼吸的界定:
呼吸机与病人自主吸气和呼气同步 尽可能在低气道压下维持适当及恒定的 潮气量和分钟通气量 对肺的力学变化和病人的需求迅速反应 保证最低的呼吸作功
辅助机械通气时的WOB
呼吸力学与呼吸机波形 及其临床意义
自主呼吸
呼
气
吸
气
呼吸
O2 CO2
◆氧气和二 CO2 氧化碳在组 织间与外界 环境的交换 O2
呼吸
◆通气
机械运动 压力差
◆弥散
分子运动
呼吸道
◆ 管道 + 气囊的模型 ◆ 气道 (管子) ◆ 肺泡 (气囊)
三向弹簧
胸膜腔压力
Paw
cmH 20
1 2 3 4 5 6
Sec
-10
30
病人呼吸机同步
Volume ventilation delivering a preset flow and volume
Adequate Flow
Paw
cmH20
1 2 3 4 5 6
Sec
-10
30
病人呼吸机同步
The patient is outbreathing the set flow
◆在高水平的机械通气支持下，相当 的病人的呼吸功是高的 ◆在辅助通气下仍病人用力的吸气 ◆病人的WOB 增加可以导致或加重 呼吸肌疲劳和呼吸困难