呼吸机波形分析入门

呼吸机波形分析入门

引 言

近10年来因微理器和有关软件的发展, 现代呼吸机除提供各种有关监测参数外, 同时能提供机械通气时压力、流速和容积的变化曲线以及各种呼吸环. 目的是根据各种不同呼吸波形曲线特征, 来指导调节呼吸机的通气参数, 如通气模式是否合适、人机对抗、气道阻塞、呼吸回路有无漏气、评估机械通气时效果、使用支气管扩张剂的疗效和呼吸机与患者在通气过程中各自所作之功等.

有效的机械通气支持或通气治疗是在通气过程中的压力、流速和容积相互的作用而达到以下目的:

a.能维持动脉血气/血pH的基本要求(即PaCO2和pH正常, PaO2达到基本期望

值如至少 > 50-60 mmHg)

b.无气压伤、容积伤或肺泡伤.

c.患者呼吸不同步情况减低到最少,减少镇静剂、肌松弛剂的应用.

d.患者呼吸肌得到适当的休息和康复.

1．呼吸机工作过程:

上图中，气源部份（Gas Source）是呼吸机的工作驱动力, 通过调节高压空气和氧气流量大小的阀门来供应混合氧气体. 气体流量经流速传感器在毫秒级时间内测定流

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量, 调整气体流量阀门(Flow Valve)的直径以控制流量。测定在流速曲线的吸气流速面积下的积分, 计算出潮气量. Vt= 流速(升/秒)×Ti(流速恒定).

图中控制器（Control Unit）是呼吸机用于控制吸气阀和呼气阀的切换,它受控于肺呼吸力学改变而引起的呼吸机动作.

吸气控制有 :

a.时间控制: 通过预设的吸气时间使吸气终止, 如PCV的设置Ti或I:E.

b.压力控制: 上呼吸道达到设置压力时使吸气终止,现巳少用, 如PCV的设

置高压报警值.

c.流速控制: 当吸气流速降至预设的峰流速%以下(即Esens), 吸气终止.

d.容量控制: 吸气达到预设潮气量时,吸气终止.

呼气控制有:

a.时间控制: 通过设置时间长短引起呼气终止(控制通气) 代表呼气流速(吸

气阀关闭, 呼气阀打开以便呼出气体), 呼气流速的波形均为同一形态.

b.病人触发: 呼吸机捡测到吸气流速到吸气终止标准时即切換呼气(Esens).

图中气体流量定量阀(Dosing Flow-Valve)是控制呼吸机输送的气体流量, 由流量传感器监测并控制, 如此气体流量经Y形管进入病人气道以克服气道粘性阻力，再进入肺泡的容积以克服肺泡弹性阻力. 通过打开和关闭呼气阀, 即控制了吸气相和呼气相. 在吸气时呼气阀是关闭的. 若压力,容量或吸气时间达到设置值, 呼气阀即打开, 排出呼出气体.

呼气阀后的PEEP阀是为了维持呼气末气道压力为正压(即0 cmH2O以上), 目的是克服內源性(PEEPi);维持肺泡的张开.

由于各厂图形处理软件不一, 故显示的波形和环稍有差别,但对波形的判断並无影响.

为便识别吸、呼气相,本波形分析一律以绿色代表吸气,以兰色代表呼气

2. 流量-时间曲线(F-T curve)

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流速定义:呼吸机在单位时间内在两点之间输送出气体的速度, 单位为cm/s或m/s.

流量:是指每单位时间内通过某一点的气体容量. 单位L/min或L/sec目前在临床上流速、流量均混用! 本文遵守习称.

流量-时间曲线的横座标代表时间(sec), 纵座标代表流速(Flow=), 流速(量)的单位通常是"升/分"(L/min或LPM).

在横座标的上部代表吸气(绿色),吸气流量(呼吸机吸气阀打开, 呼气阀关闭, 气体输送至肺),曾有八种波形(见下图).目前多使用方波和递减波.

横座标的下部代表呼气(兰色)(呼吸机吸气阀关闭, 呼气阀打开以便病人呼出气体). 呼气流量波形均为同一形态, 只有呼气流量的振幅大小和呼气流量回复到零时间上差异

.

图. 各种吸、呼气流量波形 A.指数递减波 B.方波 C.线性递增波 D.线性递减波E.正弦波 F.50%递减波 G.50%递增波 H.调整正弦波

2.1. 吸气流量波形(Fig.1)

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恒定的吸气流速是指在整个吸气时间内呼吸机输送的气体流量恒定不变, 故流速波形呈方形,( 而PCV时吸气流量均采用递减形-即流量递减), 横轴下虚线部分代表呼

气流速(在呼气流量波形另行讨论)

Fig.1吸气流量恒定的曲线形态

1: 代表呼吸机输送气体的开始:取决于a)预设呼吸周期的时间巳达到, 呼气转换为吸气(时间切换)如控制呼吸(CMV). b)患者吸气努力达到了触发阀,呼吸机开始输送气体,如辅助呼吸(AMV).

2: 吸气峰流量(PIF或PF): 在容量控制通气(VCV)时PIF是预设的, 直接决定了Ti 或I:E.

在PCV和PSV时,PIF的大小决定了潮气量大小、吸气时间长短和压力上升时间快慢.

3: 代表吸气结束, 呼吸机停止输送气体.此时巳完成预设的潮气量(VCV)或压力巳达标(PCV),输送的流量巳完成(流速切换),或吸气时间已达标(时间切换).

4→5: 代表整个呼气时间:包括从呼气开始到下一次吸气开始前这一段时间.

6: 1→4为吸气时间: 在VCV中其长短由预设的潮气量,峰流速和流速波型所决定, 它尚包含了吸气后摒气时间(VCV时摒气时间内无气体流量输送到肺,PCV时无吸气后摒气时间).

7: 代表一个呼吸周期的时间(TCT): TCT=60秒/频率.

2.1.1 吸气流量的波型(类型)(Fig.2)

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根据吸气流量的形态有方波, 递减波, 递增波, 和正弦波, 在定容型通气(VCV)中需预设频率, 潮气量和峰流量, 并选择不同形态的吸气流量波.!(见Fig.2以方波作为对比) 正弦波是自主呼吸的波形，其在呼吸机上的疗效无从证明(指在选擇流速波形时),巳少用. 雾化吸入或欲使吸气时间相对短时多数用方波.

Fig.2 吸气流速波型

图2中流速以方波作为对比(以虚线表示), 在流速,频率和潮气量均不变情况下, 方波由于流速恒定不变,故吸气时间最短, 其他波形因的递减, 递增或正弦状, 因它们的流速均非恒定不变, 故吸气时间相应延长.

方波: 是呼吸机在整个吸气时间内所输送的气体流量均按设置值恒定不变, 故吸气开始即达到峰流速, 且恒定不变持续到吸气结束才降为0. 故形态呈方形

递减波: 是呼吸机在整个吸气时间内, 起始时输送的气体流量立即达到峰流速(设置值), 然后逐渐递减至0 (吸气结束), 以压力为目标的如定压型通气(PCV)和压力支持(PSV=ASB)均采用递减波.

递增波: 与递增波相反, 目前基本不用.

正弦波: 是自主呼吸的波形. 吸气时吸气流速逐渐达到峰流速而吸气末递减至0,(比方波稍缓慢而比递减波稍快).

呼气流速波除流速振幅大小和流速回至基线(即0流速)的时间有所不同外,在形态上无差别.

2.1.2 AutoFlow(自动变流) (见Fig.3)

AutoFlow并非流速的波形, 而是呼吸机在VCV中一种功能. 呼吸机根据当前呼吸系统的顺应性和阻力及设置的潮气量, 计算出下一次通气时所需的最低气道峰压,

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自动控制吸气流量, 由起始方波改变为减速波,在预设的吸气时间内完成潮气量的输送

.

Fig.3 AutoFlow吸气流速示意图

图3左侧为控制呼吸，由原方波改变为减速波形(非递减波), 流速曲线下的面积=Vt.

图右侧当阻力或顺应性发生改变时, 每次供气时的最高气道压力变化幅度在+3 - -3 cmH2O之间, 不超过报警压力上限5cm H2O. 在平台期内允许自主呼吸, 适用于各种VCV所衍生的各种通气模式.

2.1.3 吸气流量波形(F-T curve)的临床应用

2.1.

3.1 吸气流速曲线分析--鉴别通气类型(Fig.4)

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Fig.4 根据吸气流速波形型鉴别通气类型

图4左侧和右侧可为VCV的强制通气时, 由操作者预选吸气流速的波形，方波或递减波.

中图为自主呼吸的正弦波. 吸气、呼气峰流速比机械通气的正弦波均小得多.

右侧图若是压力支持流速波, 形态是递减波, 但吸气流速可未递减至0, 而突然下降至0, 这是由于在吸气过程中吸气流速递减至呼气灵敏度(Esens)的阈值, 使吸气切换为呼气所致, 压力支持(PS) 只能在自主呼吸基础上才有作用. 这三种呼吸类型的呼气流速形态相似, 差别仅是呼气流速大小和持续时间长短不一.

2.1.

3.2 判断指令通气在吸气过程中有无自主呼吸(Fig.5)

Fig.5 指令通气过程中有自主呼吸

图5中A为指令通气吸气流速波, B、C为在指令吸气过程中在吸气流速波出现切迹,提示有自主呼吸.人机不同步, 在吸气流速前有微小呼气流速且在指令吸气近结束时又出现切迹, (自主呼吸)使呼气流速减少.

2.1.

3.2评估吸气时间(Fig.6)

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Fig.6 评估吸气时间

图6是VCV采用递减波的吸气时间:

A:是吸气末流速巳降至0说明吸气时间合适且稍长, 在VCV中设置了”摒气时间”.( 注意在PCV无吸气后摒气时间).

B:的吸气末流速突然降至0说明吸气时间不足或是由于自主呼吸的呼气灵敏度(Esens)巳达标(下述), 切换为呼气. 只有相应增加吸气时间才能不增加吸气压力情况下使潮气量增加.

2.1.

3.4从吸气流速检查有泄漏(Fig.7)

Fig.7 呼吸回路有泄漏

当呼吸回路存在较大泄漏,(如气管插管气囊泄漏,NIV面罩漏气,回路连接有泄漏)而流量触发值又小于泄漏速度,使吸气流速曲线基线(即0升/分)向上移位(即图中浅绿色部分)为实际泄漏速度, 使下一次吸气间隔期延长, 此时宜适当加大流量触发值以补偿泄漏量，在CMV或NIV中,因回路连接, 面罩或插管气囊漏气可見及.

2.1.

3.5 根据吸气流速调节呼气灵敏度(Esens)(Fig.8)

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Fig.8 根据吸气峰流速调节呼气灵敏度

左图为自主呼吸时, 当吸气流速降至原峰流速10→25%或实际吸气流速降至10升/分时, 呼气阀门打开呼吸机切换为呼气. 此时的吸气流速即为呼气灵敏度(即Esens).

现代的呼吸机呼气灵敏度可供用户调节(Fig.8右侧). 右侧图A因回路存在泄漏或预设的Esens过低, 以致呼吸机持续送气, 使吸气时间过长. B适当地将Esens调高及时切换为呼气, 但过高的Esens使切换呼气过早, 无法满足吸气的需要. 故在PSV中Esens需和压力上升时间一起来调节, 根据F-T,和P-T波形来调节更理想.

2.1.

3.6 Esens的作用(Fig.9)

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Fig.9 Esens 的作用

图9为自主呼吸+PS, 原PS 设置15 cmH 2O, Esens 为10%. 中图因呼吸频率过快、压力上升时间太短, 而Esens 设置太低, 吸气峰流速过高以致PS 过冲超过目标压,呼吸机持续送气,T I 延长,人机易对抗. 经将Esens 调高至30%, 减少T I ,解决了压力过冲, 此Esens 符合病人实际情况.

2.2 呼气流速波形和临床意义

呼气流速波形其形态基本是相似的,其差别在呼气波形的振幅和呼气流速持续时间时的长短, 它取决于肺顺应性,气道阻力(由病变情况而定)和病人是主动或被动地呼气.(见

Fig.10)

1:代表呼气开始.

2:为呼气峰流速:正压呼气峰流速比自主呼吸的稍大一点.

3:代表呼气的结束时间(即流速回复到0),

4:即1 – 3的呼气时间

5:包含有效呼气时间4, 至下一次吸气流速的开始即为整个呼气时间,结合吸气时间可算出I:E.

TCT:代表一个呼吸周期 = 吸气时间+呼气时间

2.2.1 初步判断支气管情况和主动或被动呼气(Fig.11)

图11左侧图虚线反映气道阻力正常, 呼气峰流速大,呼气时间稍短, 实线反映呼气阻力增加, 呼气峰流速稍小,呼气时延长.

右侧图虚线反映是病人的自然被动呼气, 而实线反映了是患者主动用力呼气, 单纯从本图较难判断它们之间差别和性质. 尚需结合压力-时间曲线一起判断即可了解其性质.

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2.2.2 判断有无内源性呼气末正压(Auto-PEEP/PEEPi)的存在(Fig.12)

Fig.12 为三种不同的Auto-PEEP呼气流速波形

图12吸气流速选用方波,呼气流速波形在下一个吸气相开始之前呼气流速突然回到0, 这是由于小气道在呼气时过早地关闭, 以致吸入的潮气量未完全呼出,使部分气体阻滞在肺泡内产生正压而引起Auto-PEEP( PEEPi). 注意图中的A,B和C, 其突然降至0时呼气流速高低不一, B最高,依次为A, C. 实测Auto-PEEP压力大小也与波形相符合.

Auto-PEEP在新生儿, 幼婴儿和45岁以上正常人平卧位时为3.0 cmH2O. 呼气时间设置不适当, 反比通气, 肺部疾病(COPD)或肥胖者均可引起PEEPi.

临床上医源性PEEP= 所测PEEPi × 0.8. 如此即打开过早关闭的小气道而又不增加肺容积.

2.2.3 评估支气管扩张剂的疗效(Fig.13)

Fig.13 呼气流速波形对支气扩大剂疗效评估

图13中支气管扩张剂治疗前后在呼气流速波上的变化, A: 呼出气的峰流速, B:

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从峰流速逐渐降至0的时间. 图右侧治疗后呼气峰流速A增加, B有效呼出时间缩短, 说明用药后支气管情况改善. 另尚可监测Auto-PEEP有无改善作为佐证.

3.压力-时间曲线

3.1 VCV的压力-时间曲线(P-T curve)(Fig.14)

呼吸周期由吸气相和呼气相所组成. 在VCV中吸气相尚有无流速期是无气体进入肺内(即吸气后摒气期-吸气后平台), PCV的吸气相是始终为有流速期(无吸气后摒气). 在呼气时均有呼气流速. 在压力-时间曲线上吸气相和呼气相的基线压力为0或0以上(即PEEP).

压力-时间曲线反映了气道压力(Paw)的逐步变化(Fig.14), 纵轴为气道压力,单位是cmH2O (1 cmH2O=0.981 mbar), 横轴是时间以秒(sec)为单位, 基线压力为0 cmH2O. 横轴上正压, 横轴下为负压.

Fig.14 VCV的压力-时间曲线示意图

图14为VCV,流速恒定(方波)时气道压力-时间曲线, 气道压力等于肺泡压和所有气道阻力的总和, 并受呼吸机和肺的阻力及顺应性的影响. 当呼吸机阻力和顺应性恒定不变时, 压力-时间曲线却反映了肺部情况的变化.

A至B点反映了吸气起始时所需克服通气机和呼吸系统的所有阻力,A至B的压力差(△P)等于气道粘性阻力和流速之乘积(△P=R×), 阻力越高或选择的流速越大, 则从A上升至B点的压力也越大,反之亦然.

B点后呈直线状增加至C点为气道峰压(PIP),是气体流量打开肺泡时的压力,在C 点时通气机输送预设潮气量的气道峰压.

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A至C点的吸气时间(Ti)是有流速期, D至E点为吸气相内”吸气后摒气”为无流速期.

与B至C点压力曲线的平行的斜率线(即A-D), 其∆P=VtｘErs(肺弹性阻力), Ers=1/C即静态顺应性的倒数, Ers=V T/Cstat).

C点后压力快速下降至D点, 其下降速度与从A上升至B点速度相等. C至D点的压力差主要是由气管插管的内径所决定, 内径越小C-D压差越大.

D至E点即平台压是肺泡扩张进行气体交换时的压力, 取决于顺应性和潮气量的大小. D-E的压力若轻微下降可能是吸入气体在不同时间常数的肺泡区再分佈过程, 或整个系统(指通气机和呼吸系统)有泄漏. 通过静态平台压测定, 即可计算出气道阻力(R)和顺应性(C), PCV时只能计算顺应性而无阻力计算.

E点开始是呼气开始, 依靠胸廓、肺弹性回缩力使肺内气体排出体外(被动呼气), 呼气结束气道压力回复到基线压力的水平(0或PEEP). PEEP是呼气结束维持肺泡开放避免萎陷的压力.

3.1.1平均气道压(mean Paw 或Pmean)( Fig.15)

Fig.15 平均气道压

平均气道压(MAP)在正压通气时与肺泡充盈效果和心脏灌注效果相关(即气体交换),在一定的时间间隔内计算N个压力曲线下的区域面积而得, 直接受吸气时间影响. 气道峰压, PEEP, 吸/呼比和肺含水量均影响它的升降. 图中A-B为吸气时间, B-C为呼气时间, PIP=吸气峰压,呼吸基线=0或PEEP. 一般平均气道压=10-15cmH2O, 不大于30cmH2O.

3.1.2 在VCV中根据压力曲线调节峰流速(即调整吸/呼比) (Fig.16)

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VCV通气时, 调节吸气峰流速即调正吸气时间(Ti)或I/E比. 图16中A处因吸气流速设置太低, 吸气时间稍长, 故吸气峰压也稍低. 在B处设置的吸气流速较大, 吸气时间也短, 以致压力也稍高, 故在VCV时调节峰流速既要考虑Ti, I/E比和Vt, 也要考虑压力上限. 结合流速,压力曲线调节峰流速即可达到预置的目的.

3.2 PCV的压力-时间曲线(Fig.17)

Fig.17 PCV的压力-时间曲线

虚线为VCV, 实线为PCV的压力曲线. 与VCV压力-时间曲线不同, PCV的气道压力在吸气开始时从基线压力(0或PEEP) 增至预设水平呈平台样並保持恒定, 是受预设压力上升时间控制. PCV的气体流量在预设吸气时间内均呈递减形. 在呼气相, 压力下降和VCV一样回复至基线压力水平, 本图提示了在相同频率、吸气时间、和潮气量情况下PCV的平台样压力比VCV吸气末平台压稍低. 呼吸回路有泄漏时气道压将无法达到预置水平.

3.2.1 压力上升时间(压力上升斜率或梯度)(Fig.18)

以压力为目标的通气(如PCV, PSV), 压力上升时间是在吸气时间内使预设的气道压力达到目标压力所需的时间, 事实上是呼吸机通过调节吸气流速的大小, 使达到预设压力的时间缩短或延长.

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Fig.18 PCV和PSV压力上升时间与吸气流速的关系

图18是PCV或PSV(ASB)压力上升时间在压力,流速曲线上的表现. a,b,c分别代表三种不同的压力上升时间, 快慢不一. 调节上升时间即是调节呼吸机吸气流速的增加或减少, a,b,c流速高低不一, 导致压力上升时间快慢也不一. 吸气流速越大, 压力达标时间越短(上图)，相应的潮气量亦增加. 反之亦然. 流速图a有短小的呼气流速波是由于达到目标压有压力过冲, 主动呼气阀释放压力过冲所致, 压力上升时间的名称和所用单位各厂设置不一.如Evita 设定的是时间0.05-2.0s(4), PB-840是流速加速%FAP50-100%, 而Servo-i为占吸气时间的%.

3.3 临床意义

3.3.1 评估吸气触发阈和吸气作功大小(Fig.19)

Fig.19 评估吸气作功大小

图19为CPAP模式, 根据吸气负压高低和吸气相内负压触发面积(PTP=压力时间乘积), 可初步對患者吸气用力是否达到预置触发阈和作功大小作定性判断. 负压幅度越大,引起触发时间越长,PTP越大,病人吸气作功越大. 图中a. 吸气负压小, 吸气时间短, 吸气相面积小, 吸气作功也小. b. c. 吸气负压大, 吸气时间长, 吸气相面积大, 吸气作功也大.

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是否达到触发阈在压力曲线上,可見及触发是否引起吸气同步.

3.3.2 评估平台压(Fig.20)

Fig.20 评估平台压

在PCV或PSV时, 若压力曲线显示无平台样压力, 如图20 A所示, PCV的吸气时间巳消逝, 但压力曲线始终未出现平台样压力. 应先排除压力上升时间是否设置太长, 呼吸回路有无漏气. 如为VCV时,设置的吸气流速是否符合病人需要或未设置吸气后摒气(需同时检查流速曲线和呼出潮气量是否达标以查明原因). 此外有的呼吸机因吸气流速不稳定, 也会出现这种情况

3.3.3 呼吸机持续气流对呼吸作功的影响 (Fig.21)

Fig.21 持续气流对呼吸作功的影响

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图21中, 呼吸机提供的持续气流增加时, Paw在自主呼吸中基线压力下是降低的, 同时呼气压力增加(因呼气时持续气流使阻力增加). 正确使用持续流速使吸气作功最小, 而在呼气压力并无过份增加, 在本病例中,当持续气流为10-20 L/min时, 在吸气作功最小, 呼气压力稍有增加.

但持续气流增至30 L/min则呼气作功明显增加. 本图是患者自主呼吸(CPAP=5cmH2O), 流速波形为正弦波, 图中的病人呼吸流速和潮气量均无变化.

3.3.4 识别通气模式

通过压力-时间曲线可识别通气模式, 如CMV/AMV, SIMV, SPONT(CPAP), BIPAP 等.

3.3.

4.1自主呼吸(SPONT/CPAP)的吸气用力和压力支持通气(PSV/ASB) (Fig.22)

Fig.22 自主呼吸和压力支持通气的压力-时间曲线

图22均为自主呼吸使用了PEEP, 在A处曲线在基线处向下折返代表吸气, 而B处曲线向上折返代表呼气, 此即是自主呼吸, 若基线压力大于0的自主呼吸称之为CPAP.

右侧图吸气开始时有向下折返波以后压力上升, 第一个为PCV-AMV, 第二个为自主呼吸+PSV, PS一般无平台样波形出现(除非呼吸频率较慢且压力上升较快), 注意压力支持通气是必需在患者自主呼吸基础上才可有压力支持, 而自主呼吸的吸气时间并非恒定不变, 因此根据吸气时间和肺部情况同时需调节压力上升时间和呼气灵敏度.

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3.3.

4.2 控制机械通气(CMV)和辅助机械通气(AMV)的压力-时间曲线, Fig.23

Fig.23 CMV(左侧)和AMV(右侧)的压力-时间曲线

图中基线压力未回复到0, 是由于使用了PEEP. 且患者触发呼吸机是使用了压力触发, 左侧图在基线压力均无向下折返小波(A), 呼吸机完全控制患者呼吸, 为CMV 模式.

右侧在吸气开始均有向下折返的压力小波, 这是患者吸气努力达到触发阈使呼吸机进行了一次辅助通气, 为AMV模式. 若使用了流速触发, 则不论是CMV或AMV, 在基线压力可能无向下折返小波, 这需视设置的流量触发值而定.

3.3.

4.3 同步间歇指令通气(SIMV) Fig.24.

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Fig.24 SIMV的压力波形示意图

SIMV在一个呼吸周期有强制通气期和自主呼吸期.触发窗有在自主呼吸末端(呼吸周期末端), 也有触发窗位于强制通气起始端(呼吸周期起始端).若病人的呼吸努力在触发窗达到触发阈, 呼吸机即同步强制通气. 在隨后的自主呼吸的吸气用力即使达到触发阈也仅给于PS(需预设).

若在触发窗无同步触发且强制呼吸频率的周期巳逝过, 则在下一个呼吸周期自动给于一次强制通气. 因触发窗缩短了有效的SIMV时间, 即图中所示∆T, 由此可避免SIMV的频率增加. 图24的触发窗是在呼吸周期末端!

触发窗在强制通气期或在自主呼吸期末, 各厂设计不一, 触发窗时限也不一. 图24a是触发窗在强制通气期(即呼吸周期起始端）

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