引用本文： 張麗利, 于學忠, 徐軍, 余姍姍, 付陽陽, 金魁. 呼氣末二氧化碳監測技術在無效腔分析中的應用：從基礎到臨床. 中國呼吸與危重監護雜志, 2021, 20(8): 602-608. doi: 10.7507/1671-6205.201905008 復制
呼氣末二氧化碳（ETCO2）監測，是指使用二氧化碳（CO2）監測儀器對患者呼出氣體中 CO2 濃度或壓力進行監測，除實時顯示 CO2 濃度或壓力外，還能將 CO2 濃度或壓力描記成圖，結合濃度指標及波形特點進行計算，衍生出一系列 ETCO2 相關參數，以此獲取患者通換氣功能、心排血量、通氣/灌注（V/Q）情況及代謝方面的信息。因該項監測技術具有簡便、實時、無創、經濟、連續的特點，越來越廣泛地被應用于急診、麻醉、呼吸、危重病等領域，臨床應用價值不斷得到證實，并逐漸受到臨床醫生的重視[1]。隨著 ETCO2 監測技術的不斷發展，提供了一種床旁分析無效腔的可能，國外學者在不斷改良無效腔評估方法的同時，亦有無效腔應用于臨床取得進展及驗證的報道，但國內鮮有研究，臨床應用尚未普及。肺部疾病導致的 V/Q 失調，其直接后果是無效腔增加，無效腔代表了肺通氣中不參與氣體交換的體積，無效腔越大通氣效率越低，能夠實時評估肺部無效腔，才能了解肺部疾病嚴重程度及指導機械通氣參數設置，故無效腔評估在肺部疾病診療中極為重要[2]。
1 ETCO2 監測技術用于無效腔分析的理論基礎
1.1 無效腔定義及分類
每次呼吸時吸入或呼出的氣體量為潮氣量（VT）。潮氣量進入肺內并不是都參與了換氣過程，一部分抵達肺泡的氣體量稱為肺泡潮氣量（VT-ALV），另一留在氣道內的氣體不參與換氣過程稱為氣道無效腔或解剖無效腔（VT-AW）。但是，進入肺泡的氣體中也并不是所有氣體都參與交換，在肺部疾病中一部分氣體進入了非灌注肺泡或高 V/Q 區域，這些氣體顯然是被浪費的，從功能角度來看，它們與留在氣道內的氣體并沒有區別，于是將這部分氣體稱為肺泡無效腔（VD-ALV）。為了計算真正有效的氣體交換量，應以肺泡通氣量為準，它是指每分鐘吸入肺泡的新鮮空氣量，等于潮氣量與無效腔之差與呼吸頻率的乘積[3]。由上可知，潮氣量等于解剖無效腔、肺泡無效腔及單次呼吸肺泡通氣量（VA）的總和，解剖無效腔與肺泡無效腔的總和稱為生理無效腔（VD-PHYS）[4-5]。由于不同個體之間無效腔體積不同，為將這一指標均一化便于應用及個體間比較，臨床上常用無效腔分數來描述無效腔大小。生理無效腔分數（VD-PHYS/VT，簡寫為 VD/VT）為生理無效腔與潮氣量的比值，解剖無效腔分數（VT-AW/VT）為解剖無效腔與潮氣量的比值，臨床以 VD/VT 較為常用[6-8]。當 VD/VT 升高時，肺部進行有效交換的氣體量減少，常見于肺部炎癥、肺栓塞等肺部疾病。理論上，在對肺部疾病進行治療或對患者進行機械通氣支持時，其目的為增加肺泡有效換氣區域，既提高 VA 的同時避免生理無效腔擴大，以降低 VD/VT，提高換氣效率。
1.2 從 V/Q 角度理解無效腔
要深刻理解無效腔的意義就不得不提及 V/Q 這一參數。生理無效腔包括 VT-AW 及 VD-ALV，由于 VT-AW 主要由氣道內未抵達肺部的氣體組成，故 VT-AW 可準確測得。但 VD-ALV 在實際中是由已抵達肺部并未參與換氣的氣體組成，這部分體積與實際參與換氣的氣體之間并沒有嚴格界限，現有技術手段也無法真正測量到這部分氣體的確切體積，所以 VD-ALV 是估計值而非實測值[2]。現應用三種不同情況的 V/Q 來理解肺泡無效腔如何存在（圖 1）。
圖1
V/Q 失衡與無效腔形成關系示意圖
肺泡 A：“理想”V/Q；肺泡 B1：肺栓塞時，肺泡只有通氣而無血流灌注，V/Q 趨近于無窮大；肺泡 B2：肺泡過度通氣或局部血流灌注減少，使得 V/Q 遠大于 1；肺泡 C：肺泡阻塞或不張導致肺泡無通氣，V/Q 為 0。PvCO2：靜脈 CO2 分壓；PaCO2：動脈 CO2 分壓；PCO2：CO2 分壓；PECO2：平均呼氣 CO2 分壓。
理想通換氣狀態下，肺泡中的通氣與血流成一定比例，允許血流中的 CO2 完全彌散到肺泡中，同時保證氧氣（O2）的攝取，無氣體及灌注血流的浪費，這種情況稱為“理想”V/Q，將其比值看作為“1”（圖 1 A）[9]。以上這種“理想肺”的情況極其少見，V/Q 失衡主要有以下三種表現[10]：① 比值增大，此處肺泡通氣量大于血流灌注，或因局部血流灌注減少，或因血流正常但肺泡過度通氣，與灌注血流相匹配的氣體得到交換，而剩余氣體則成為無效腔氣體中的一部分（圖 1 B2）。另一種極端的情況是，肺泡通氣量正常，而完全無灌注血流，此時比值趨于無窮大，該部分肺泡通氣量與解剖無效腔中的氣體無異，常見于肺栓塞（PE），這部分栓塞的肺通氣可看作是絕對的無效腔通氣（圖 1 B1）。② 比值減小，此處肺泡通氣量小于血流灌注，可因肺泡通氣不足引起，與肺泡通氣量匹配的血流完成交換，剩余血液則成為了無用灌注。③ 比值為零，此處肺泡只有血流但沒有通氣時，灌注血流未經氧合，CO2 也無法排出，這是一種肺內的右向左分流（圖 1 C）。在實際肺通換氣中，以上三種情況并不是孤立存在，真實的肺 V/Q 失調情況更復雜一些，就算是在單個肺泡中都可能存在無數個不同 V/Q 值，而我們所能評估的是一個綜合情況，取決于哪種 V/Q 情況占優勢，所以對于肺泡無效腔的分析是一種總體估計[2, 10]。
綜上所述，肺部疾病無論是氣道、肺實質還是肺循環受影響，都會打破 V/Q 平衡使得 VD-ALV 增大。通過評估無效腔大小，可以間接了解肺部疾病嚴重情況以及治療手段是否有效。
2 容積-CO2 分壓波形圖
對于呼氣中 CO2 的描記技術，臨床普遍采用 CO2 監測儀。ETCO2 監測方法有吸光光度法、顯色法、質譜分析法、拉曼散射分析法等[1]。吸光光度法由于能準確監測呼出氣體中 CO2 濃度，臨床較為常用。根據 CO2 監測儀采樣方式不同，可分為主流型和旁流型。目前臨床常用主流型儀器，該監測儀直接安置在人工氣道與呼吸機管路之間，呼吸氣流直接經過測量室，能較快反映出結果，受氣道內水汽及分泌物的影響較小。缺陷是由于監測儀為外置部件，明顯增加氣道管路負重及解剖無效腔，且僅用于持續監測密閉氣道[1, 11-13]。
根據對呼氣中 CO2 不同的描記方式，可分為時間-CO2 分壓波形圖（Tcap）與容積-CO2 分壓波形圖（Vcap）。Tcap 以 PCO2 為縱軸，以時間為橫軸，可根據時間推移連續顯示波形。波形分為四個時相：時相Ⅰ波形在基線，為吸氣和無效腔通氣階段；時相Ⅱ為較為陡直的上升支，是無效腔通氣和肺泡內氣體混合呼出階段；時相Ⅲ波形呈斜率較為平坦的類水平線，為肺泡氣呼出階段；時相Ⅳ為時相Ⅲ末至基線，代表下一次吸氣開始[14-15]。Vcap 同樣以 PCO2 為縱軸，但橫軸為潮氣量，隨著一次潮氣量的呼出而顯示單個波形，每一次呼氣為一個獨立波形，可根據波形特點對單次呼吸進行分析，與 Tcap 波形特點相似，但波形僅分為三個時相，分別代表氣道及肺泡氣體排空的不同階段，時相Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別與 Tcap 中所示階段一致，但缺乏時相Ⅳ，因其僅記錄至呼氣結束。時相Ⅰ：PCO2 在基線位置，表示部分吸入氣體以及早期部分無效腔氣體排出階段。時相Ⅱ：PCO2 陡然升高，表示剩余無效腔氣體及部分通氣肺泡氣體的排出階段。時相Ⅲ：PCO2 平緩上升，表示大量通氣肺泡氣體的排出階段[14]。Tcap 與 Vcap 特點詳見圖 2。
圖2
Tcap 與 Vcap 正常波形
a. Tcap，以時間為橫坐標，為連續監測波形，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個時相，時相Ⅳ和時相Ⅰ前段為吸氣段，時相Ⅰ前段及時相Ⅱ、Ⅲ為呼氣段；b. Vcap，以呼出潮氣量為橫坐標，為逐個顯示的單次呼氣波形，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個時相。PETCO2：呼氣末 CO2 分壓。
Tcap 與 Vcap 不僅僅是描記方式的不同，主要區別在于提供 ETCO2 相關參數的不同。在用作無效腔分析時，除需要 CO2 濃度參數如 PCO2 外，往往還需要呼氣流速參數，故 Vcap 更適合做無效腔分析[1, 11]。無論是主流型還是旁流型 ETCO2 監測儀，均能顯示 Tcap，因 Vcap 的描記需要氣體流速參數，所以只能采用主流型 CO2 監測儀并對流經氣體進行流速檢測獲取容積信息作圖[13]。
3 無效腔分析方法
3.1 Bohr 無效腔分數
人類利用 CO2 測量進行無效腔分析已有 100 多年歷史[16]。早在 1891 年 Bohr 就首次描述了無效腔，并提出了 Bohr 無效腔分數（VD/VT-Bohr），即以下著名的 Bohr 理論方程式：VD/VT-Bohr= （PACO2–PECO2）/PACO2。方程式中的 PACO2 代表肺泡 CO2 分壓。該方程式曾被認為是真正 VD/VT 計算方法，方程式中 VD/VT-Bohr 代表 Bohr 無效腔分數，PECO2 代表平均呼氣 CO2 分壓，過去曾使用氣體收集袋收集 30～60 L 呼出氣體，對樣品進行平均 PCO2 測量，過程繁瑣耗時且容易出錯[17]。此外，在當時的監測技術條件下 PACO2 也難以獲取。以上問題使得 VD/VT-Bohr 的計算方法既無法推廣應用，又難于驗證其準確性。
Aitken 和 Clark-Kennedy[18]第一個提出 PACO2 可以采用容積的方法來描記 CO2 而獲取，此后 Fletcher 等[19]證實了這一想法，指出 PACO2 可以從 Vcap 時相Ⅲ的中點值來表示。后來 Tusman 等[8, 20]驗證了這個方法，因為時相Ⅲ為正向斜率波形，這個方法只有在呼出時間足夠讓潮氣量排空的情況下才精確。因該公式引入的 PACO2 實際上是混合肺泡氣中的 PCO2，是將高 V/Q 區域考慮在內，故該方法評估的也并非是真正的 VD/VT。
3.2 Enghoff 改良后的 Bohr 無效腔分數
假設理想肺泡進行通換氣下，V/Q 平衡，血液中的 CO2 能完全從血液中彌散到肺泡內，那么 PaCO2 與 PACO2 近乎相等。在此假設基礎上，Enghoff[21]對 VD/VT-Bohr 進行了改良，即 Enghoff 改良后的 Bohr 無效腔分數（VD/VT-Engh），VD/VT-Engh 公式用 PaCO2 代替 PACO2，改良后的公式如下：VD/VT-Engh=（PaCO2–PECO2）/PaCO2。
隨著早期 ETCO2 監測技術的發展，PECO2 可通過 ETCO2 監測儀直接獲取，加之 PaCO2 抽血檢查可獲取，使得 VD/VT-Engh 床旁可得。但需注意的是，改良公式提出的前提是在 V/Q 平衡條件下，當發生肺部疾患，V/Q 失衡，血液中的 CO2 不能完全從血液中彌散到肺泡內，那么 PaCO2 與 PECO2 之間差距將增大，導致該公式計算出的無效腔分數被過高估計。因該公式引入 PaCO2 進行計算，低灌注及無灌注的分流區域也被考慮在內，故 VD/VT-Engh 也被稱為“Enghoff 氣體交換指數”[21]。由于每次使用該公式評估無效腔，需進行動脈抽血一次，故采用該種方式評估無效腔實際是一種有創且不連續的監測方式。
VD/VT-Bohr 與 VD/VT-Engh 計算方法的比較見圖 3。
圖3
VD/VT-Bohr 與 VD/VT-Engh 計算方法比較示意圖
左邊為 VD/VT-Bohr 的計算方法，該公式將 V/Q 增大的肺泡區域納入計算；右邊為 VD/VT-Engh 的計算方法，該公式除將 V/Q 增大的肺泡腔納入計算，同時還將 V/Q 降低的分流區域納入計算。
3.3 Fowler 無效腔分析
以上公式計算所評估的無效腔為 VD/VT，它們無法將 VT-AW 及 VD-ALV 區別開來。1948 年 Fowler[22]提出了一種對 Vcap 進行的區域劃分方法，能夠將 VT-AW、VD-ALV、VA 用計算機分析方法區分開來。Fowler 的無效腔計算方法為：沿時相Ⅲ做一條反向延長線（A 線），同時經 Vcap 時相Ⅱ中點作一條垂直線（B 線），將時相Ⅱ上升支曲線、A 線及 B 線形成的區域劃分成面積相等的兩個區域 a 和 b。在 Fowler 對 Vcap 劃分基礎上，使得對無效腔區域進一步分析成為可能[23]。在此后的研究中，將整個 Vcap 圖像 B 線左邊的部分表示 VT-AW（圖 4 中的 a+c），A 線以上、B 線右邊的部分表示 VD-ALV（圖 4 中的 d），A 線以下、B 線右邊的部分表示 VA（圖 4 中的 b+e），VD-PHYS 指 VT-AW 與 VD-ALV 的總和（圖 4 中的 a+c+d）。
圖4
Fowler 無效腔劃分方式
a、b、c、d、e 分別代表所在線內區域。
隨著對無效腔評估肺部疾病重要性的認識，越來越多的研究開始開發更多的無效腔參數。如 Frankenfield 等[24]在對危重患者進行無效腔監測時，將年齡、呼吸頻率等因素考慮在內，通過線性回歸分析推導出預測方程：VD/VTFrank=0.32+0.0106（PaCO2–PETCO2）+0.003（呼吸頻率）+0.0015（年齡）。另有研究通過計算肺泡無效腔與肺泡潮氣量的比值（VD-ALV/VT-ALV）評估 PE 患者病情等[25]。以上指標因臨床未廣泛使用，故在此不作過多介紹。
4 無效腔分析臨床應用
4.1 急性呼吸窘迫綜合征
急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）是由急性肺內或肺外因素導致的肺換氣功能障礙，以頑固性低氧血癥為特點的臨床綜合征，滲透性肺水腫、肺順應性下降、彌漫性肺不張、肺內分流增加以及 V/Q 失調為其主要病理特點。就 ARDS 病理特征而言，監測疾病期間 VD/VT 動態變化，可以了解疾病嚴重度及進展情況。VD/VT 與 ARDS 患者病死率相關，可在疾病早期用作預后指標。國外學者在對肺損傷及其他因素影響 ARDS 患者 VD/VT 與病死率關系的研究中發現，當用柏林定義中 ARDS 嚴重程度分級標準來評估疾病嚴重度時，VD/VT 隨 ARDS 嚴重程度升高而升高，在預測 ARDS 病死率的眾多預測因素中，VD/VT 與病死率相關相關性最高，VD/VT 每增加 0.05，死亡風險就增加 22%[26]。多個研究報道 VD/VT 可預測 ARDS 患者在疾病早中期的死亡風險，在 ARDS 診斷后前 2 天，死亡患者的 VD/VT 明顯高于存活者[27-30]。Nuckton 等[31]的研究發現，VD/VT 為 0.57 的患者病死率較高，VD/VT 每增加 0.05，死亡概率增加 45%。
4.2 PE
PE 發生后，栓塞部位血流減少、肺動脈壓力升高，導致肺泡無效腔增大，肺內血流重新分布，V/Q 失調。且血管收縮物質的釋放和低氧血癥，誘發支氣管痙攣，肺泡表面活性物質受損引起肺不張，使肺血管阻力加大，血流進一步減少，再次加重 V/Q 失調[32]。故通過監測患者 VD/VT，可以了解患者 V/Q 失調情況，進而輔助篩查可疑 PE、評估病情嚴重程度及溶栓治療效果。早期研究報道，連續監測呼氣末 PCO2（PETCO2），間斷測量 PaCO2，計算 VD/VT-Engh 作為 PE 陽性預測指標，在肺活量正常者其值>0.4 時敏感性達 100%，當其值<0.4 作為 PE 的排除指標時，敏感性為 100% 且特異性可達 94%，與肺通氣灌注掃描相似[33]。當 VD/VT<0.2 時，PE 的可能性很小，且據此可以排除 PE，避免進一步的診斷實驗[34]。另有研究報道，通過計算 VD-ALV/VT-ALV 評估 PE 病情，發現其值<0.2 時 PE 可能性小，同時可據此來排出 PE，避免進一步的診斷檢查，升高的與 PE 病情嚴重程度、V/Q 損傷情況以及肺血管阻塞程度有關[35]。國內研究報道，大面積 PE 患者 VD/VT（0.34±0.078）明顯高于小面積 PE 患者 VD/VT（0.18±0.027），VD/VT 能夠通過反映 V/Q 失衡情況，間接提示肺血管阻塞程度，幫助臨床醫生對患者 PE 嚴重程度進行床旁評估[36]。PE 患者在經積極溶栓和（或）抗凝治療后，VD/VT 下降，對比治療前后 VD/VT 的變化，有助于判斷治療效果[37]。國外 PE 溶栓病例發現 PE 患者經藥物或手術去除血栓后，PaCO2 與 PETCO2 梯度明顯降低，VD/VT 顯著低于治療前，經肺通氣灌注核素掃描證實患者 V/Q 情況確有改善[38-39]。
4.3 指導機械通氣治療與預測脫機成功率
肺部疾病常通過引起 V/Q 失調來影響肺換氣功能，導致低氧血癥，需機械通氣支持。機械通氣治療除提供 O2 外，其主要目的在于減少低 V/Q 區域和肺血管分流，但機械通氣支持的結果往往是以增加 V/Q 及無效腔為代價的。故對機械通氣情況進行監測，有助于根據患者需要設置通氣參數。在 ARDS 的機械通氣治療中，通過對 VD/VT 的進行監測可以用來滴定 ARDS 患者呼氣末正壓的設置，同時優化患者心肺功能，監測肺復張治療避免過度擴張，幫助臨床醫生做出管理決策[40]。國外學者對 ARDS 患者肺保護性通氣策略研究發現，只有當驅動壓力增加時，呼氣末正壓的增加才會導致 VD/VT-Bohr 升高，這也是一項利用無效腔監測手段實施機械通氣參數調整的研究[41]。VD/VT 還可作為預測成功脫機的理想指標，成人患者中 VD/VT≥0.58 預示脫機失敗可能性大[42]。嬰兒及兒童患者中，VD/VT≤0.50 預示可成功脫機，而 VD/VT≥0.65 則預示脫機失敗可能性大[43]。也有研究認為，升高的 VD/VT 可能提示患者脫機拔管后需無創通氣，避免脫機拔管后未予無創機械通氣而再次插管的風險，以此優化患者機械通氣管理[44]。
無效腔是肺潮氣量的一部分，因不參與氣體交換而影響肺換氣效率，以上僅列舉了無效腔在臨床中的三種主要應用，理論上凡是可影響肺 V/Q 的疾病或臨床干預方式均可導致無效腔增加，因而其應用范圍廣，對于輔助診斷肺部疾病、評估疾病嚴重度及進展有較為重要的臨床價值。
5 注意事項
5.1 根據臨床目的選擇無效腔分析方法
本文介紹的目前臨床常用無效腔分析方法，同一患者不同無效腔計算方法得出結果不同，臨床工作者應根據患者疾病情況及監測目的選擇一種分析方法即可。VD/VT-Bohr 除將真正無效腔納入計算外，還將高 V/Q 區域計算在內。而 VD/VT-Engh 中，因使用 PaCO2 替代 PACO2，便將真正無效腔、高 V/Q 區域以及低 V/Q 和分流區域計算在內[9]。應用 Fowler 無效腔分析方法，可通過計算機對 Vcap 進行逐個分析，得出動態變化的無效腔區域劃分，其優勢在于結果簡便易得，無效腔區域劃分更加細致，但對 ETCO2 監測儀器要求較高，需帶波形計算分析功能[7]。以上三種監測方法臨床現均有應用，尚無孰優孰劣的一致性結論。
5.2 無效腔分析結果間的比較有前提
以上提到根據研究及臨床應用目的不同，所選無效腔分析方法亦有差別，故國內外文獻在利用無效腔分析進行研究報道時，所使用的無效腔分析方法也不盡相同。在閱讀文獻及尋找臨床參考指標時，需注意文獻中的無效腔監測及計算方法是否與現實臨床監測方法及使用參數一致。
5.3 動態監測更有意義
在對無效腔進行分析的三種方法中，除 VD/VT-Engh 需要抽血獲得 PaCO2 才能計算外，其他兩種分析方法均可獲得連續數據。無效腔分析相關參數除隨病情變化、治療干預及機械通氣設置等影響外，還可受到監測儀器檢測故障如痰液堵塞、水蒸氣等因素的干擾，在監測過程中出現干擾或極端異常值，需對結果進行辨別，避免誤信單次異常讀數，動態監測以多次結果平均值為準。
本文雖僅介紹了無效腔分析在三種臨床疾病和治療中的應用，但根據無效腔分析原理，凡能導致 V/Q 失衡、無效腔增加的疾病或治療，均可應用無效腔分析方法進行監測。ETCO2 作為一種發展中的監測手段，若需較準確進行無效腔分析，需在密閉管道中進行監測，故多應用于已建立高級氣道的患者。臨床無效腔分析的推廣應用，需建立在對 ETCO2 監測原理和疾病病理生理的理解掌握上，本文詳述了無效腔分析的基本原理，介紹臨床常用 ETCO2 監測方法、無效腔分析相關參數及計算方法，以及目前國內外該技術應用現狀，旨在為臨床醫生提供床旁可用的無效腔監測手段，鼓勵該項技術的臨床普及，以促進 ETCO2 監測技術用于無效腔分析的成熟與發展。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
呼氣末二氧化碳（ETCO2）監測，是指使用二氧化碳（CO2）監測儀器對患者呼出氣體中 CO2 濃度或壓力進行監測，除實時顯示 CO2 濃度或壓力外，還能將 CO2 濃度或壓力描記成圖，結合濃度指標及波形特點進行計算，衍生出一系列 ETCO2 相關參數，以此獲取患者通換氣功能、心排血量、通氣/灌注（V/Q）情況及代謝方面的信息。因該項監測技術具有簡便、實時、無創、經濟、連續的特點，越來越廣泛地被應用于急診、麻醉、呼吸、危重病等領域，臨床應用價值不斷得到證實，并逐漸受到臨床醫生的重視[1]。隨著 ETCO2 監測技術的不斷發展，提供了一種床旁分析無效腔的可能，國外學者在不斷改良無效腔評估方法的同時，亦有無效腔應用于臨床取得進展及驗證的報道，但國內鮮有研究，臨床應用尚未普及。肺部疾病導致的 V/Q 失調，其直接后果是無效腔增加，無效腔代表了肺通氣中不參與氣體交換的體積，無效腔越大通氣效率越低，能夠實時評估肺部無效腔，才能了解肺部疾病嚴重程度及指導機械通氣參數設置，故無效腔評估在肺部疾病診療中極為重要[2]。
1 ETCO2 監測技術用于無效腔分析的理論基礎
1.1 無效腔定義及分類
每次呼吸時吸入或呼出的氣體量為潮氣量（VT）。潮氣量進入肺內并不是都參與了換氣過程，一部分抵達肺泡的氣體量稱為肺泡潮氣量（VT-ALV），另一留在氣道內的氣體不參與換氣過程稱為氣道無效腔或解剖無效腔（VT-AW）。但是，進入肺泡的氣體中也并不是所有氣體都參與交換，在肺部疾病中一部分氣體進入了非灌注肺泡或高 V/Q 區域，這些氣體顯然是被浪費的，從功能角度來看，它們與留在氣道內的氣體并沒有區別，于是將這部分氣體稱為肺泡無效腔（VD-ALV）。為了計算真正有效的氣體交換量，應以肺泡通氣量為準，它是指每分鐘吸入肺泡的新鮮空氣量，等于潮氣量與無效腔之差與呼吸頻率的乘積[3]。由上可知，潮氣量等于解剖無效腔、肺泡無效腔及單次呼吸肺泡通氣量（VA）的總和，解剖無效腔與肺泡無效腔的總和稱為生理無效腔（VD-PHYS）[4-5]。由于不同個體之間無效腔體積不同，為將這一指標均一化便于應用及個體間比較，臨床上常用無效腔分數來描述無效腔大小。生理無效腔分數（VD-PHYS/VT，簡寫為 VD/VT）為生理無效腔與潮氣量的比值，解剖無效腔分數（VT-AW/VT）為解剖無效腔與潮氣量的比值，臨床以 VD/VT 較為常用[6-8]。當 VD/VT 升高時，肺部進行有效交換的氣體量減少，常見于肺部炎癥、肺栓塞等肺部疾病。理論上，在對肺部疾病進行治療或對患者進行機械通氣支持時，其目的為增加肺泡有效換氣區域，既提高 VA 的同時避免生理無效腔擴大，以降低 VD/VT，提高換氣效率。
1.2 從 V/Q 角度理解無效腔
要深刻理解無效腔的意義就不得不提及 V/Q 這一參數。生理無效腔包括 VT-AW 及 VD-ALV，由于 VT-AW 主要由氣道內未抵達肺部的氣體組成，故 VT-AW 可準確測得。但 VD-ALV 在實際中是由已抵達肺部并未參與換氣的氣體組成，這部分體積與實際參與換氣的氣體之間并沒有嚴格界限，現有技術手段也無法真正測量到這部分氣體的確切體積，所以 VD-ALV 是估計值而非實測值[2]。現應用三種不同情況的 V/Q 來理解肺泡無效腔如何存在（圖 1）。
圖1
V/Q 失衡與無效腔形成關系示意圖
肺泡 A：“理想”V/Q；肺泡 B1：肺栓塞時，肺泡只有通氣而無血流灌注，V/Q 趨近于無窮大；肺泡 B2：肺泡過度通氣或局部血流灌注減少，使得 V/Q 遠大于 1；肺泡 C：肺泡阻塞或不張導致肺泡無通氣，V/Q 為 0。PvCO2：靜脈 CO2 分壓；PaCO2：動脈 CO2 分壓；PCO2：CO2 分壓；PECO2：平均呼氣 CO2 分壓。
理想通換氣狀態下，肺泡中的通氣與血流成一定比例，允許血流中的 CO2 完全彌散到肺泡中，同時保證氧氣（O2）的攝取，無氣體及灌注血流的浪費，這種情況稱為“理想”V/Q，將其比值看作為“1”（圖 1 A）[9]。以上這種“理想肺”的情況極其少見，V/Q 失衡主要有以下三種表現[10]：① 比值增大，此處肺泡通氣量大于血流灌注，或因局部血流灌注減少，或因血流正常但肺泡過度通氣，與灌注血流相匹配的氣體得到交換，而剩余氣體則成為無效腔氣體中的一部分（圖 1 B2）。另一種極端的情況是，肺泡通氣量正常，而完全無灌注血流，此時比值趨于無窮大，該部分肺泡通氣量與解剖無效腔中的氣體無異，常見于肺栓塞（PE），這部分栓塞的肺通氣可看作是絕對的無效腔通氣（圖 1 B1）。② 比值減小，此處肺泡通氣量小于血流灌注，可因肺泡通氣不足引起，與肺泡通氣量匹配的血流完成交換，剩余血液則成為了無用灌注。③ 比值為零，此處肺泡只有血流但沒有通氣時，灌注血流未經氧合，CO2 也無法排出，這是一種肺內的右向左分流（圖 1 C）。在實際肺通換氣中，以上三種情況并不是孤立存在，真實的肺 V/Q 失調情況更復雜一些，就算是在單個肺泡中都可能存在無數個不同 V/Q 值，而我們所能評估的是一個綜合情況，取決于哪種 V/Q 情況占優勢，所以對于肺泡無效腔的分析是一種總體估計[2, 10]。
綜上所述，肺部疾病無論是氣道、肺實質還是肺循環受影響，都會打破 V/Q 平衡使得 VD-ALV 增大。通過評估無效腔大小，可以間接了解肺部疾病嚴重情況以及治療手段是否有效。
2 容積-CO2 分壓波形圖
對于呼氣中 CO2 的描記技術，臨床普遍采用 CO2 監測儀。ETCO2 監測方法有吸光光度法、顯色法、質譜分析法、拉曼散射分析法等[1]。吸光光度法由于能準確監測呼出氣體中 CO2 濃度，臨床較為常用。根據 CO2 監測儀采樣方式不同，可分為主流型和旁流型。目前臨床常用主流型儀器，該監測儀直接安置在人工氣道與呼吸機管路之間，呼吸氣流直接經過測量室，能較快反映出結果，受氣道內水汽及分泌物的影響較小。缺陷是由于監測儀為外置部件，明顯增加氣道管路負重及解剖無效腔，且僅用于持續監測密閉氣道[1, 11-13]。
根據對呼氣中 CO2 不同的描記方式，可分為時間-CO2 分壓波形圖（Tcap）與容積-CO2 分壓波形圖（Vcap）。Tcap 以 PCO2 為縱軸，以時間為橫軸，可根據時間推移連續顯示波形。波形分為四個時相：時相Ⅰ波形在基線，為吸氣和無效腔通氣階段；時相Ⅱ為較為陡直的上升支，是無效腔通氣和肺泡內氣體混合呼出階段；時相Ⅲ波形呈斜率較為平坦的類水平線，為肺泡氣呼出階段；時相Ⅳ為時相Ⅲ末至基線，代表下一次吸氣開始[14-15]。Vcap 同樣以 PCO2 為縱軸，但橫軸為潮氣量，隨著一次潮氣量的呼出而顯示單個波形，每一次呼氣為一個獨立波形，可根據波形特點對單次呼吸進行分析，與 Tcap 波形特點相似，但波形僅分為三個時相，分別代表氣道及肺泡氣體排空的不同階段，時相Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別與 Tcap 中所示階段一致，但缺乏時相Ⅳ，因其僅記錄至呼氣結束。時相Ⅰ：PCO2 在基線位置，表示部分吸入氣體以及早期部分無效腔氣體排出階段。時相Ⅱ：PCO2 陡然升高，表示剩余無效腔氣體及部分通氣肺泡氣體的排出階段。時相Ⅲ：PCO2 平緩上升，表示大量通氣肺泡氣體的排出階段[14]。Tcap 與 Vcap 特點詳見圖 2。
圖2
Tcap 與 Vcap 正常波形
a. Tcap，以時間為橫坐標，為連續監測波形，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個時相，時相Ⅳ和時相Ⅰ前段為吸氣段，時相Ⅰ前段及時相Ⅱ、Ⅲ為呼氣段；b. Vcap，以呼出潮氣量為橫坐標，為逐個顯示的單次呼氣波形，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個時相。PETCO2：呼氣末 CO2 分壓。
Tcap 與 Vcap 不僅僅是描記方式的不同，主要區別在于提供 ETCO2 相關參數的不同。在用作無效腔分析時，除需要 CO2 濃度參數如 PCO2 外，往往還需要呼氣流速參數，故 Vcap 更適合做無效腔分析[1, 11]。無論是主流型還是旁流型 ETCO2 監測儀，均能顯示 Tcap，因 Vcap 的描記需要氣體流速參數，所以只能采用主流型 CO2 監測儀并對流經氣體進行流速檢測獲取容積信息作圖[13]。
3 無效腔分析方法
3.1 Bohr 無效腔分數
人類利用 CO2 測量進行無效腔分析已有 100 多年歷史[16]。早在 1891 年 Bohr 就首次描述了無效腔，并提出了 Bohr 無效腔分數（VD/VT-Bohr），即以下著名的 Bohr 理論方程式：VD/VT-Bohr= （PACO2–PECO2）/PACO2。方程式中的 PACO2 代表肺泡 CO2 分壓。該方程式曾被認為是真正 VD/VT 計算方法，方程式中 VD/VT-Bohr 代表 Bohr 無效腔分數，PECO2 代表平均呼氣 CO2 分壓，過去曾使用氣體收集袋收集 30～60 L 呼出氣體，對樣品進行平均 PCO2 測量，過程繁瑣耗時且容易出錯[17]。此外，在當時的監測技術條件下 PACO2 也難以獲取。以上問題使得 VD/VT-Bohr 的計算方法既無法推廣應用，又難于驗證其準確性。
Aitken 和 Clark-Kennedy[18]第一個提出 PACO2 可以采用容積的方法來描記 CO2 而獲取，此后 Fletcher 等[19]證實了這一想法，指出 PACO2 可以從 Vcap 時相Ⅲ的中點值來表示。后來 Tusman 等[8, 20]驗證了這個方法，因為時相Ⅲ為正向斜率波形，這個方法只有在呼出時間足夠讓潮氣量排空的情況下才精確。因該公式引入的 PACO2 實際上是混合肺泡氣中的 PCO2，是將高 V/Q 區域考慮在內，故該方法評估的也并非是真正的 VD/VT。
3.2 Enghoff 改良后的 Bohr 無效腔分數
假設理想肺泡進行通換氣下，V/Q 平衡，血液中的 CO2 能完全從血液中彌散到肺泡內，那么 PaCO2 與 PACO2 近乎相等。在此假設基礎上，Enghoff[21]對 VD/VT-Bohr 進行了改良，即 Enghoff 改良后的 Bohr 無效腔分數（VD/VT-Engh），VD/VT-Engh 公式用 PaCO2 代替 PACO2，改良后的公式如下：VD/VT-Engh=（PaCO2–PECO2）/PaCO2。
隨著早期 ETCO2 監測技術的發展，PECO2 可通過 ETCO2 監測儀直接獲取，加之 PaCO2 抽血檢查可獲取，使得 VD/VT-Engh 床旁可得。但需注意的是，改良公式提出的前提是在 V/Q 平衡條件下，當發生肺部疾患，V/Q 失衡，血液中的 CO2 不能完全從血液中彌散到肺泡內，那么 PaCO2 與 PECO2 之間差距將增大，導致該公式計算出的無效腔分數被過高估計。因該公式引入 PaCO2 進行計算，低灌注及無灌注的分流區域也被考慮在內，故 VD/VT-Engh 也被稱為“Enghoff 氣體交換指數”[21]。由于每次使用該公式評估無效腔，需進行動脈抽血一次，故采用該種方式評估無效腔實際是一種有創且不連續的監測方式。
VD/VT-Bohr 與 VD/VT-Engh 計算方法的比較見圖 3。
圖3
VD/VT-Bohr 與 VD/VT-Engh 計算方法比較示意圖
左邊為 VD/VT-Bohr 的計算方法，該公式將 V/Q 增大的肺泡區域納入計算；右邊為 VD/VT-Engh 的計算方法，該公式除將 V/Q 增大的肺泡腔納入計算，同時還將 V/Q 降低的分流區域納入計算。
3.3 Fowler 無效腔分析
以上公式計算所評估的無效腔為 VD/VT，它們無法將 VT-AW 及 VD-ALV 區別開來。1948 年 Fowler[22]提出了一種對 Vcap 進行的區域劃分方法，能夠將 VT-AW、VD-ALV、VA 用計算機分析方法區分開來。Fowler 的無效腔計算方法為：沿時相Ⅲ做一條反向延長線（A 線），同時經 Vcap 時相Ⅱ中點作一條垂直線（B 線），將時相Ⅱ上升支曲線、A 線及 B 線形成的區域劃分成面積相等的兩個區域 a 和 b。在 Fowler 對 Vcap 劃分基礎上，使得對無效腔區域進一步分析成為可能[23]。在此后的研究中，將整個 Vcap 圖像 B 線左邊的部分表示 VT-AW（圖 4 中的 a+c），A 線以上、B 線右邊的部分表示 VD-ALV（圖 4 中的 d），A 線以下、B 線右邊的部分表示 VA（圖 4 中的 b+e），VD-PHYS 指 VT-AW 與 VD-ALV 的總和（圖 4 中的 a+c+d）。
圖4
Fowler 無效腔劃分方式
a、b、c、d、e 分別代表所在線內區域。
隨著對無效腔評估肺部疾病重要性的認識，越來越多的研究開始開發更多的無效腔參數。如 Frankenfield 等[24]在對危重患者進行無效腔監測時，將年齡、呼吸頻率等因素考慮在內，通過線性回歸分析推導出預測方程：VD/VTFrank=0.32+0.0106（PaCO2–PETCO2）+0.003（呼吸頻率）+0.0015（年齡）。另有研究通過計算肺泡無效腔與肺泡潮氣量的比值（VD-ALV/VT-ALV）評估 PE 患者病情等[25]。以上指標因臨床未廣泛使用，故在此不作過多介紹。
4 無效腔分析臨床應用
4.1 急性呼吸窘迫綜合征
急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）是由急性肺內或肺外因素導致的肺換氣功能障礙，以頑固性低氧血癥為特點的臨床綜合征，滲透性肺水腫、肺順應性下降、彌漫性肺不張、肺內分流增加以及 V/Q 失調為其主要病理特點。就 ARDS 病理特征而言，監測疾病期間 VD/VT 動態變化，可以了解疾病嚴重度及進展情況。VD/VT 與 ARDS 患者病死率相關，可在疾病早期用作預后指標。國外學者在對肺損傷及其他因素影響 ARDS 患者 VD/VT 與病死率關系的研究中發現，當用柏林定義中 ARDS 嚴重程度分級標準來評估疾病嚴重度時，VD/VT 隨 ARDS 嚴重程度升高而升高，在預測 ARDS 病死率的眾多預測因素中，VD/VT 與病死率相關相關性最高，VD/VT 每增加 0.05，死亡風險就增加 22%[26]。多個研究報道 VD/VT 可預測 ARDS 患者在疾病早中期的死亡風險，在 ARDS 診斷后前 2 天，死亡患者的 VD/VT 明顯高于存活者[27-30]。Nuckton 等[31]的研究發現，VD/VT 為 0.57 的患者病死率較高，VD/VT 每增加 0.05，死亡概率增加 45%。
4.2 PE
PE 發生后，栓塞部位血流減少、肺動脈壓力升高，導致肺泡無效腔增大，肺內血流重新分布，V/Q 失調。且血管收縮物質的釋放和低氧血癥，誘發支氣管痙攣，肺泡表面活性物質受損引起肺不張，使肺血管阻力加大，血流進一步減少，再次加重 V/Q 失調[32]。故通過監測患者 VD/VT，可以了解患者 V/Q 失調情況，進而輔助篩查可疑 PE、評估病情嚴重程度及溶栓治療效果。早期研究報道，連續監測呼氣末 PCO2（PETCO2），間斷測量 PaCO2，計算 VD/VT-Engh 作為 PE 陽性預測指標，在肺活量正常者其值>0.4 時敏感性達 100%，當其值<0.4 作為 PE 的排除指標時，敏感性為 100% 且特異性可達 94%，與肺通氣灌注掃描相似[33]。當 VD/VT<0.2 時，PE 的可能性很小，且據此可以排除 PE，避免進一步的診斷實驗[34]。另有研究報道，通過計算 VD-ALV/VT-ALV 評估 PE 病情，發現其值<0.2 時 PE 可能性小，同時可據此來排出 PE，避免進一步的診斷檢查，升高的與 PE 病情嚴重程度、V/Q 損傷情況以及肺血管阻塞程度有關[35]。國內研究報道，大面積 PE 患者 VD/VT（0.34±0.078）明顯高于小面積 PE 患者 VD/VT（0.18±0.027），VD/VT 能夠通過反映 V/Q 失衡情況，間接提示肺血管阻塞程度，幫助臨床醫生對患者 PE 嚴重程度進行床旁評估[36]。PE 患者在經積極溶栓和（或）抗凝治療后，VD/VT 下降，對比治療前后 VD/VT 的變化，有助于判斷治療效果[37]。國外 PE 溶栓病例發現 PE 患者經藥物或手術去除血栓后，PaCO2 與 PETCO2 梯度明顯降低，VD/VT 顯著低于治療前，經肺通氣灌注核素掃描證實患者 V/Q 情況確有改善[38-39]。
4.3 指導機械通氣治療與預測脫機成功率
肺部疾病常通過引起 V/Q 失調來影響肺換氣功能，導致低氧血癥，需機械通氣支持。機械通氣治療除提供 O2 外，其主要目的在于減少低 V/Q 區域和肺血管分流，但機械通氣支持的結果往往是以增加 V/Q 及無效腔為代價的。故對機械通氣情況進行監測，有助于根據患者需要設置通氣參數。在 ARDS 的機械通氣治療中，通過對 VD/VT 的進行監測可以用來滴定 ARDS 患者呼氣末正壓的設置，同時優化患者心肺功能，監測肺復張治療避免過度擴張，幫助臨床醫生做出管理決策[40]。國外學者對 ARDS 患者肺保護性通氣策略研究發現，只有當驅動壓力增加時，呼氣末正壓的增加才會導致 VD/VT-Bohr 升高，這也是一項利用無效腔監測手段實施機械通氣參數調整的研究[41]。VD/VT 還可作為預測成功脫機的理想指標，成人患者中 VD/VT≥0.58 預示脫機失敗可能性大[42]。嬰兒及兒童患者中，VD/VT≤0.50 預示可成功脫機，而 VD/VT≥0.65 則預示脫機失敗可能性大[43]。也有研究認為，升高的 VD/VT 可能提示患者脫機拔管后需無創通氣，避免脫機拔管后未予無創機械通氣而再次插管的風險，以此優化患者機械通氣管理[44]。
無效腔是肺潮氣量的一部分，因不參與氣體交換而影響肺換氣效率，以上僅列舉了無效腔在臨床中的三種主要應用，理論上凡是可影響肺 V/Q 的疾病或臨床干預方式均可導致無效腔增加，因而其應用范圍廣，對于輔助診斷肺部疾病、評估疾病嚴重度及進展有較為重要的臨床價值。
5 注意事項
5.1 根據臨床目的選擇無效腔分析方法
本文介紹的目前臨床常用無效腔分析方法，同一患者不同無效腔計算方法得出結果不同，臨床工作者應根據患者疾病情況及監測目的選擇一種分析方法即可。VD/VT-Bohr 除將真正無效腔納入計算外，還將高 V/Q 區域計算在內。而 VD/VT-Engh 中，因使用 PaCO2 替代 PACO2，便將真正無效腔、高 V/Q 區域以及低 V/Q 和分流區域計算在內[9]。應用 Fowler 無效腔分析方法，可通過計算機對 Vcap 進行逐個分析，得出動態變化的無效腔區域劃分，其優勢在于結果簡便易得，無效腔區域劃分更加細致，但對 ETCO2 監測儀器要求較高，需帶波形計算分析功能[7]。以上三種監測方法臨床現均有應用，尚無孰優孰劣的一致性結論。
5.2 無效腔分析結果間的比較有前提
以上提到根據研究及臨床應用目的不同，所選無效腔分析方法亦有差別，故國內外文獻在利用無效腔分析進行研究報道時，所使用的無效腔分析方法也不盡相同。在閱讀文獻及尋找臨床參考指標時，需注意文獻中的無效腔監測及計算方法是否與現實臨床監測方法及使用參數一致。
5.3 動態監測更有意義
在對無效腔進行分析的三種方法中，除 VD/VT-Engh 需要抽血獲得 PaCO2 才能計算外，其他兩種分析方法均可獲得連續數據。無效腔分析相關參數除隨病情變化、治療干預及機械通氣設置等影響外，還可受到監測儀器檢測故障如痰液堵塞、水蒸氣等因素的干擾，在監測過程中出現干擾或極端異常值，需對結果進行辨別，避免誤信單次異常讀數，動態監測以多次結果平均值為準。
本文雖僅介紹了無效腔分析在三種臨床疾病和治療中的應用，但根據無效腔分析原理，凡能導致 V/Q 失衡、無效腔增加的疾病或治療，均可應用無效腔分析方法進行監測。ETCO2 作為一種發展中的監測手段，若需較準確進行無效腔分析，需在密閉管道中進行監測，故多應用于已建立高級氣道的患者。臨床無效腔分析的推廣應用，需建立在對 ETCO2 監測原理和疾病病理生理的理解掌握上，本文詳述了無效腔分析的基本原理，介紹臨床常用 ETCO2 監測方法、無效腔分析相關參數及計算方法，以及目前國內外該技術應用現狀，旨在為臨床醫生提供床旁可用的無效腔監測手段，鼓勵該項技術的臨床普及，以促進 ETCO2 監測技術用于無效腔分析的成熟與發展。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
