壓力支持通氣(PSV)是一種重要的機械通氣模式,PSV模式下的人機同步性分為吸氣觸發同步和呼氣觸發同步。能否很好地跟隨患者的吸氣和呼氣動作,是呼吸機性能的一個重要評價指標。在各種不同條件下(例如:不同的患者肺類型、不同的呼吸努力程度等),呼吸機都應該能夠及時響應患者的吸氣動作并給予所需氣體。同樣地,呼吸機也應該及時響應患者的呼氣動作,快速釋放肺內壓。本文在新型呼吸機E5、Servo i、Evital XL工作于PSV模式時,在主動模肺ASL5000觸發壓力或流量設置不變的情況下,改變呼吸機的吸氣/呼氣觸發靈敏度,測量流量傳遞至患者的延遲時間、PSV初始化前的最低吸氣氣道壓等參數,對PSV模式下的人機同步性能予以評價。
引用本文： 周娟, 吳昊, 曹德森. 三種新型呼吸機壓力支持模式下的人機同步性能研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 793-797. doi: 10.7507/1001-5515.20140148 復制
引言
定壓型呼吸機送氣達預設壓力并在吸氣相維持該壓力水平，潮氣量由氣道壓力與呼氣末正壓 (positive end-expiratory pressure，PEEP)之差及吸氣時間決定，并受呼吸系統順應性和氣道阻力影響[1]。
壓力支持通氣(pressure-support ventilation,PSV)是一種定壓通氣模式，是由患者觸發并設定支持壓力為目標的機械通氣模式，即由患者觸發通氣并根據自身情況控制呼吸頻率、潮氣量及吸呼比。在壓力支持模式中，控制變量是壓力，呼吸機提供必要的流量來滿足吸氣限制壓力要求。當氣道壓力達預設的壓力支持水平，且吸氣流速降低至某一閾值水平以下時，可由吸氣切換到呼氣[1-2]。如PSV設定水平適當，則少有人-機對抗，可有效地減輕呼吸功，增加患者吸氣努力的有效性。PSV對血流動力學影響較小，可應用于撤機過程[3]。
本文在ASL5000觸發壓力或流量設置不變的情況下，改變工作于PSV模式的E5、Servo i、Evital XL的吸氣/呼氣觸發靈敏度，通過測量延遲時間、最低吸氣氣道壓等參數，來評價PSV模式下的人機同步性能。
1 方法[4 -10 ]
選擇ASL5000模擬肺測量呼吸機同步觸發功能時的連接圖如圖 1所示。
圖1
呼吸機人機同步研究連接圖
Figure1.
Schematic explanation of evaluation of patient-ventilator synchrony with PSV mode
ASL5000模肺裝置由ingMar Medical公司生產，版本為SW3.2。測量時，ASL5000肺模型選擇脈沖式自主吸氣形式(無泄漏)，觸發持續時間為50 ms。模擬正常成人肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為5 cm H2O/(L·s-1)、50 mL/cm H2O。模擬正常嬰兒肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為50 cm H2O/(L·s-1)、10 mL/cm H2O。模擬急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為20 cm H2O/(L·s-1)、20 mL/cm H2O。模擬慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為20 cm H2O/(L·s-1)、100 mL/cm H2O。
呼吸機測試儀PF300由瑞士imtmedical公司生產，版本1.3。
評測呼吸機為中國深圳邁瑞公司生產的E5(SN：EE-250000057)、瑞典Maquet公司生產的Servo i(SN：108879)、德國Drager公司生產的Evital XL(SN：ASCH-0034)。呼吸機觸發靈敏度測量中，支持壓力設為20 cm H2O，PEEP設為5 cm H2O，呼氣觸發靈敏度設為25%，上升時間為0.2 s。
我們在主動模肺ASL5000的模擬軟件中設置患者的觸發壓力和觸發流量。在ASL5000的觸發壓力或流量設置不變的情況下，改變呼吸機的觸發靈敏度，通過呼吸機測試儀PF300來測量相關參數。測量時，各記錄數據定義如圖 2所示。
圖 2中，TD1為從吸氣努力開始，到壓力下降至最低點的時間。TD2為從壓力下降至最低點再返回到基線的時間。吸氣延遲時間DT為TD1與TD2之和，一般范圍在5~100 ms之間[10]。△Paw為最低吸氣氣道壓力值。壓力時間積(pressure-time product,PTP)為壓力下降到基線以下至流量送達呼吸機壓力又回到基線時的氣道壓積分。DTe為從呼氣努力開始，到氣道壓力回復至呼氣努力前平臺壓水平。吸末過沖壓力Pe為呼氣努力開始后的峰值壓力與呼氣努力前平臺壓的差值。
圖2
吸氣周期，氣道壓力-時間波形圖
Figure2.
Schema of the airway pressure-time curve during the inspirtory phase
2 E5、Servo i、Evital XL吸氣觸發性能的比較
2.1 吸氣時，E5、Servo i壓力觸發性能的比較
ASL5000選取成人肺模型，觸發壓力、觸發流量分別為－5 cm H2O、60 L/min，呼吸機觸發靈敏度Isens為－1、－2和－3 cm H2O時，E5、Servo i的DT、△Paw、PTP等數據如圖 3~5所示(參加實驗的Evital XL只能進行流量觸發靈敏度的設置)。
圖3
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的DT值
Figure3.
Values for DT of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger Pressure is －5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
圖4
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的△Paw值
Figure4.
Values for △Paw of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger pressure is －5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
圖5
ASL5000觸發壓力為-5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的PTP值
Figure5.
Values for PTP of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger pressure is -5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
吸氣開始至流量到達患者之間，會有一個短暫的延遲。這個延遲是信號處理和驅動機械的機械遲滯引起的設備響應時間。為和患者的吸氣努力取得理想的同步，盡量縮短響應時間很重要。
PTP為呼吸肌收縮期間產生壓力的積分，是呼吸功和呼吸氧消耗的指示標志之一。PTP指示著患者觸發呼吸機的功和呼吸機克服延遲把流量傳遞至患者所需功的和。患者狀況、通氣模式選擇和/或控制設置不恰當時，PTP值會較高。圖 2中，壓力下降最低點是吸氣閥打開的時候。△Paw反映了呼吸機的通氣驅動能力。
從圖 3~5可以看出，E5、Servo i壓力觸發靈敏度Isens設置為－1 cm H2O時，壓力觸發DT較短，△Paw和PTP較小。
2.2 吸氣時，E5、Servo i、Evital XL流量觸發性能的比較
ASL5000觸發壓力設為－3 cm H2O、20 L/min，呼吸機觸發靈敏度Isens分別為2、3和4 L/min時，E5、Servo i、Evital XL的DT、△Paw、PTP等數據如圖 6~8所示。
圖6
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的DT值
Figure6.
Values for DT of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
圖7
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的△Paw值
Figure7.
Values for △Paw of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
圖8
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的PTP值
Figure8.
Values for PTP of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
從圖 6~8可以看出，呼吸機流量觸發靈敏度Isens為4 L/min時，DT、△Paw和PTP數值較小。
3 E5、Servo i、Evital XL呼氣觸發性能的比較
測量時，呼吸機流量觸發設為2 L/min，呼氣觸發靈敏度設為25%(Evital XL的呼氣觸發靈敏度不可設置，默認為25%；將E5的AutoCycle功能設置為ON)，ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O，選擇不同的肺模型(成人、小兒、ARDS、COPD)，E5、Servo i、Evital XL的DTe、Pe等數據如圖 9、10所示。
圖9
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O、呼吸機呼氣觸發靈敏度為25%時，E5、Servo i、Evital XL不同呼氣觸發下DTe值
Figure9.
Values for DTe of 25% expiration sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －5 cm H2O
圖10
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O、呼吸機呼氣觸發靈敏度為25%時，E5、Servo i、Evital XL不同呼氣觸發下Pe值
Figure10.
Values for Pe of 25% expiration sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is－5 cm H2O
從圖 9、10中可以看出，不同肺模型在相同的呼氣觸發靈敏度設置下的呼氣觸發同步性能是不同的。對于成人(R5C50)的肺模型，25%的呼氣觸發靈敏度是恰當的，可以使得觸發延遲時間小于100 ms，吸末壓力過沖小于0.1 cm H2O。但對于COPD患者，設置25%的呼氣觸發靈敏度時，觸發延遲時間明顯增長，吸末壓力過沖也較大，其中E5在開啟AutoCycle功能后，呼氣觸發同步性要略好于其他兩種呼吸機。
4 結束語
大多數呼吸機中，強制通氣的限制壓力是相對于大氣壓力測量的。當同步呼吸是在壓力輔助下(如壓力支持模式)進行時，限制壓力測量是相對于基線PEEP壓力進行的。如，當PEEP是5 cm H2O、支持壓力水平是10 cm H2O時，峰值吸氣壓力為15 cm H2O(在大氣壓力之上)[1]。
壓力支持模式中，呼吸由患者觸發。患者控制著呼吸頻率、占空比和呼吸量，患者的呼吸同步性、舒適性得到了改進。較高的支持壓力降低了呼吸頻率，減小了呼吸肌疲勞，能消耗較少氧氣，改善和穩定了同步潮氣量。
但是，如果通氣參數設置不恰當的話，PSV通氣模式將失去其積極作用。因此觸發靈敏度的正確設置具有決定意義，若觸發靈敏度設置不合理，有可能引起較多的誤觸發，從而給患者過量送氣，引起肺損傷，也有可能造成無效觸發，增加患者所作的呼吸功，引起呼吸肌疲勞。為了避免觸發靈敏度設置不合理造成的患者損傷，呼吸機應能夠根據患者當前狀態做出智能調節，目前僅有少數呼吸機具有此功能。較短的觸發延遲時間，較小的吸氣期間下降壓力/呼氣期間過沖壓力，意味著呼吸機有良好的觸發同步性能，能給患者提供舒適的壓力支持。
此外，上升時間(呼吸機要求到達吸氣限制壓力的時間)等臨床設置同樣重要[6, 11]。上升時間太短將導致壓力過沖，過早開始和結束呼吸。上升時間太長可能無法向患者提供足夠的峰值流量造成吸氣延長。
臨床上，壓力觸發靈敏度常設為－0.5~－2.0 cm H2O，流量觸發靈敏度常設為2~5 L/min[12]。吸氣時間為0.8~1.2 s或吸呼比為1∶1.5~1[12]。臨床醫生可以根據患者病情及監測指標，結合呼吸機顯示圖表進行調節，優化人機同步。臨床醫學工程人員也可借助檢測設備的幫助更好地為臨床提供相關培訓服務。
引言
定壓型呼吸機送氣達預設壓力并在吸氣相維持該壓力水平，潮氣量由氣道壓力與呼氣末正壓 (positive end-expiratory pressure，PEEP)之差及吸氣時間決定，并受呼吸系統順應性和氣道阻力影響[1]。
壓力支持通氣(pressure-support ventilation,PSV)是一種定壓通氣模式，是由患者觸發并設定支持壓力為目標的機械通氣模式，即由患者觸發通氣并根據自身情況控制呼吸頻率、潮氣量及吸呼比。在壓力支持模式中，控制變量是壓力，呼吸機提供必要的流量來滿足吸氣限制壓力要求。當氣道壓力達預設的壓力支持水平，且吸氣流速降低至某一閾值水平以下時，可由吸氣切換到呼氣[1-2]。如PSV設定水平適當，則少有人-機對抗，可有效地減輕呼吸功，增加患者吸氣努力的有效性。PSV對血流動力學影響較小，可應用于撤機過程[3]。
本文在ASL5000觸發壓力或流量設置不變的情況下，改變工作于PSV模式的E5、Servo i、Evital XL的吸氣/呼氣觸發靈敏度，通過測量延遲時間、最低吸氣氣道壓等參數，來評價PSV模式下的人機同步性能。
1 方法[4 -10 ]
選擇ASL5000模擬肺測量呼吸機同步觸發功能時的連接圖如圖 1所示。
圖1
呼吸機人機同步研究連接圖
Figure1.
Schematic explanation of evaluation of patient-ventilator synchrony with PSV mode
ASL5000模肺裝置由ingMar Medical公司生產，版本為SW3.2。測量時，ASL5000肺模型選擇脈沖式自主吸氣形式(無泄漏)，觸發持續時間為50 ms。模擬正常成人肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為5 cm H2O/(L·s-1)、50 mL/cm H2O。模擬正常嬰兒肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為50 cm H2O/(L·s-1)、10 mL/cm H2O。模擬急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為20 cm H2O/(L·s-1)、20 mL/cm H2O。模擬慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者肺狀況時，ASL5000的R、C值設置為20 cm H2O/(L·s-1)、100 mL/cm H2O。
呼吸機測試儀PF300由瑞士imtmedical公司生產，版本1.3。
評測呼吸機為中國深圳邁瑞公司生產的E5(SN：EE-250000057)、瑞典Maquet公司生產的Servo i(SN：108879)、德國Drager公司生產的Evital XL(SN：ASCH-0034)。呼吸機觸發靈敏度測量中，支持壓力設為20 cm H2O，PEEP設為5 cm H2O，呼氣觸發靈敏度設為25%，上升時間為0.2 s。
我們在主動模肺ASL5000的模擬軟件中設置患者的觸發壓力和觸發流量。在ASL5000的觸發壓力或流量設置不變的情況下，改變呼吸機的觸發靈敏度，通過呼吸機測試儀PF300來測量相關參數。測量時，各記錄數據定義如圖 2所示。
圖 2中，TD1為從吸氣努力開始，到壓力下降至最低點的時間。TD2為從壓力下降至最低點再返回到基線的時間。吸氣延遲時間DT為TD1與TD2之和，一般范圍在5~100 ms之間[10]。△Paw為最低吸氣氣道壓力值。壓力時間積(pressure-time product,PTP)為壓力下降到基線以下至流量送達呼吸機壓力又回到基線時的氣道壓積分。DTe為從呼氣努力開始，到氣道壓力回復至呼氣努力前平臺壓水平。吸末過沖壓力Pe為呼氣努力開始后的峰值壓力與呼氣努力前平臺壓的差值。
圖2
吸氣周期，氣道壓力-時間波形圖
Figure2.
Schema of the airway pressure-time curve during the inspirtory phase
2 E5、Servo i、Evital XL吸氣觸發性能的比較
2.1 吸氣時，E5、Servo i壓力觸發性能的比較
ASL5000選取成人肺模型，觸發壓力、觸發流量分別為－5 cm H2O、60 L/min，呼吸機觸發靈敏度Isens為－1、－2和－3 cm H2O時，E5、Servo i的DT、△Paw、PTP等數據如圖 3~5所示(參加實驗的Evital XL只能進行流量觸發靈敏度的設置)。
圖3
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的DT值
Figure3.
Values for DT of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger Pressure is －5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
圖4
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的△Paw值
Figure4.
Values for △Paw of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger pressure is －5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
圖5
ASL5000觸發壓力為-5 cm H2O或觸發流量為60 L/min時，E5、Servo i不同吸氣壓力觸發下的PTP值
Figure5.
Values for PTP of different inspiration pressure sensitivity of E5 and Servo i when ASL5000 trigger pressure is -5 cm H2O or trigger flow is 60 L/min
吸氣開始至流量到達患者之間，會有一個短暫的延遲。這個延遲是信號處理和驅動機械的機械遲滯引起的設備響應時間。為和患者的吸氣努力取得理想的同步，盡量縮短響應時間很重要。
PTP為呼吸肌收縮期間產生壓力的積分，是呼吸功和呼吸氧消耗的指示標志之一。PTP指示著患者觸發呼吸機的功和呼吸機克服延遲把流量傳遞至患者所需功的和。患者狀況、通氣模式選擇和/或控制設置不恰當時，PTP值會較高。圖 2中，壓力下降最低點是吸氣閥打開的時候。△Paw反映了呼吸機的通氣驅動能力。
從圖 3~5可以看出，E5、Servo i壓力觸發靈敏度Isens設置為－1 cm H2O時，壓力觸發DT較短，△Paw和PTP較小。
2.2 吸氣時，E5、Servo i、Evital XL流量觸發性能的比較
ASL5000觸發壓力設為－3 cm H2O、20 L/min，呼吸機觸發靈敏度Isens分別為2、3和4 L/min時，E5、Servo i、Evital XL的DT、△Paw、PTP等數據如圖 6~8所示。
圖6
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的DT值
Figure6.
Values for DT of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
圖7
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的△Paw值
Figure7.
Values for △Paw of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
圖8
ASL5000觸發壓力為－3 cm H2O或觸發流量為20 L/min時，E5、Servo i、Evital XL不同吸氣流量觸發下的PTP值
Figure8.
Values for PTP of different inspiration flow sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －3 cm H2O or trigger flow is 20 L/min
從圖 6~8可以看出，呼吸機流量觸發靈敏度Isens為4 L/min時，DT、△Paw和PTP數值較小。
3 E5、Servo i、Evital XL呼氣觸發性能的比較
測量時，呼吸機流量觸發設為2 L/min，呼氣觸發靈敏度設為25%(Evital XL的呼氣觸發靈敏度不可設置，默認為25%；將E5的AutoCycle功能設置為ON)，ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O，選擇不同的肺模型(成人、小兒、ARDS、COPD)，E5、Servo i、Evital XL的DTe、Pe等數據如圖 9、10所示。
圖9
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O、呼吸機呼氣觸發靈敏度為25%時，E5、Servo i、Evital XL不同呼氣觸發下DTe值
Figure9.
Values for DTe of 25% expiration sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is －5 cm H2O
圖10
ASL5000觸發壓力為－5 cm H2O、呼吸機呼氣觸發靈敏度為25%時，E5、Servo i、Evital XL不同呼氣觸發下Pe值
Figure10.
Values for Pe of 25% expiration sensitivity of E5,Servo i and Evital XL when ASL5000 trigger pressure is－5 cm H2O
從圖 9、10中可以看出，不同肺模型在相同的呼氣觸發靈敏度設置下的呼氣觸發同步性能是不同的。對于成人(R5C50)的肺模型，25%的呼氣觸發靈敏度是恰當的，可以使得觸發延遲時間小于100 ms，吸末壓力過沖小于0.1 cm H2O。但對于COPD患者，設置25%的呼氣觸發靈敏度時，觸發延遲時間明顯增長，吸末壓力過沖也較大，其中E5在開啟AutoCycle功能后，呼氣觸發同步性要略好于其他兩種呼吸機。
4 結束語
大多數呼吸機中，強制通氣的限制壓力是相對于大氣壓力測量的。當同步呼吸是在壓力輔助下(如壓力支持模式)進行時，限制壓力測量是相對于基線PEEP壓力進行的。如，當PEEP是5 cm H2O、支持壓力水平是10 cm H2O時，峰值吸氣壓力為15 cm H2O(在大氣壓力之上)[1]。
壓力支持模式中，呼吸由患者觸發。患者控制著呼吸頻率、占空比和呼吸量，患者的呼吸同步性、舒適性得到了改進。較高的支持壓力降低了呼吸頻率，減小了呼吸肌疲勞，能消耗較少氧氣，改善和穩定了同步潮氣量。
但是，如果通氣參數設置不恰當的話，PSV通氣模式將失去其積極作用。因此觸發靈敏度的正確設置具有決定意義，若觸發靈敏度設置不合理，有可能引起較多的誤觸發，從而給患者過量送氣，引起肺損傷，也有可能造成無效觸發，增加患者所作的呼吸功，引起呼吸肌疲勞。為了避免觸發靈敏度設置不合理造成的患者損傷，呼吸機應能夠根據患者當前狀態做出智能調節，目前僅有少數呼吸機具有此功能。較短的觸發延遲時間，較小的吸氣期間下降壓力/呼氣期間過沖壓力，意味著呼吸機有良好的觸發同步性能，能給患者提供舒適的壓力支持。
此外，上升時間(呼吸機要求到達吸氣限制壓力的時間)等臨床設置同樣重要[6, 11]。上升時間太短將導致壓力過沖，過早開始和結束呼吸。上升時間太長可能無法向患者提供足夠的峰值流量造成吸氣延長。
臨床上，壓力觸發靈敏度常設為－0.5~－2.0 cm H2O，流量觸發靈敏度常設為2~5 L/min[12]。吸氣時間為0.8~1.2 s或吸呼比為1∶1.5~1[12]。臨床醫生可以根據患者病情及監測指標，結合呼吸機顯示圖表進行調節，優化人機同步。臨床醫學工程人員也可借助檢測設備的幫助更好地為臨床提供相關培訓服務。
