对机械通气中呼气峰流量法计算呼气阻力公式的分析

武云珍

目前临床上针对机械通气时呼气阻力的计算方法并不多，其中呼气峰流量法是应用较为普遍的一种，也称“Jonson method”[1-2]，其表达方式为“呼气阻力=(平台压-呼气末正压)/呼气峰流量”，也即“平台压-呼气末正压=呼气阻力*呼气峰流量”。从公式可以看出，此方法认为在呼气峰流量时刻，气道两端的压力差等于“平台压-呼气末正压”。同时，从呼吸力学角度[3-5]，在呼气峰流量时刻，根据欧姆定律，应该也同时存在“气道两端的压力差=肺泡内压-回路压=呼气阻力*呼气峰流量”。所以，假如上述情况成立，在呼气峰流量时刻，则应该存在“肺泡内压-回路压=平台压-呼气末正压”。但临床上的很多迹象或现象提示这些假设可能存在问题，比如用可以冻结屏幕的呼吸机观察呼气峰流量时刻的回路压时，回路压并不是呼气末正压(Positive End Expiratory Pressure，PEEP)，而是高于PEEP。所以，进一步验证这些假设或设定，对正确理解呼气阻力的计算及临床意义很有必要。

1 资料与方法

1.1 材料与设备 夹板模拟肺一个(成人型，台湾彦大有限公司)，一次性成人呼吸机管路一套(型号REF67010，崇仁科技事业股份有限公司)，麻醉延长管一根(型号MP01850，德尔格Drager)，金属夹子一个。美敦力PB840呼吸机一台；迈瑞呼吸机SV600一台；应用呼气峰流量法(或类似方法，如湍流阻力计算方法)测量呼气阻力的某品牌的呼吸机V-X一台。

1.2 方法

1.2.1 观察呼气峰流量时刻对应的回路压，及呼气峰流量时刻与呼气开始时刻的容积差异 将一次性成人呼吸管路连接到PB840呼吸机，按流程执行开机自检。选择容量控制通气模式，设呼吸频率为每分钟16次，潮气量为350 mL，送气流速(方波)为35 L/min，平台时间为0.5 s，PEEP为5 cmH2O，氧浓度为40%。将模拟肺通过麻醉延长管连接到Y型口，开始通气。将呼吸机屏幕横轴调至最长3 s。锁屏一次通气时的压力-时间、流量-时间、容量-时间曲线。通过压力-时间曲线查看峰流量时刻对应的回路压力(Y型口处压力，PY-P)，通过容量-时间曲线对比呼气峰流量时相与呼气开始点(吸气末)的容积差别。同样的方式与迈瑞SV600呼吸机相连。容量控制通气，设呼吸频率为每分钟14次，潮气量为450 mL，送气流速(方波)为40 L/min，吸气时间为1.2 s，PEEP为5 cmH2O，氧浓度为40%。开始送气。屏幕包含压力-时间、流量-时间、容量-时间曲线。采用定标功能，将定位线定位于呼气峰流量时刻。采用拍照输出功能，输出图片。通过压力-时间曲线查看峰流量时刻对应的回路压力PY-P，通过容量-时间曲线对比呼气峰流量时刻与呼气开始时刻(吸气末)的容积差别。

1.2.2 观察呼吸回路不同部位阻力改变对呼气阻力的影响 将一次性成人呼吸管路、麻醉延长管、模拟肺连接到V-X呼吸机。容量控制通气，设呼吸频率为每分钟14次，潮气量为450 mL，送气流速为40 L/min，吸气时间为1.2 s，PEEP为5 cmH2O，氧浓度为40%。开始送气。分别用夹子夹到呼吸管路吸气支、管路呼气支、麻醉延长管的一部分(勿完全夹闭)，以增加其阻力；观察三种状态下，吸气阻力(Inspiratory Insistence,Ri)与呼气阻力(Expiratory Resistance, Re)的变化情况。

1.2.3 观察管路回缩气流对呼气峰流量的影响 在PB840与SV600呼吸机通气期间，在一次正常通气的平台期，完全夹闭Y型管后麻醉延长管，待进入呼气时刻，管路气流释放后，再松开夹闭，让模拟肺内气流排出。观察管路产生的气流是否在流量-时间曲线上呈现，及此时单纯由模拟肺回缩形成的呼气峰流量与未干预状态下的呼气峰流量的差别。

1.3 统计学处理 对通气曲线图片使用Photoshop CS6进行编辑。使用Excel 2013对数据进行列表分析。

2 结果

2.1 呼气峰流量时刻对应的回路压力PY-P，呼气峰流量时刻的肺泡内压(PA-P)与吸气末平台压(Platform pressure,Pplat)的关系 压力-时间曲线显示，呼气峰流量时刻对应的回路压力PY-P明显高于基线PEEP，即PY-P>PEEP(图1)。流量-时间曲线显示，自呼气开始时刻至呼气峰流量时刻，会形成一定的曲线下面积。容量-时间曲线显示，峰流量时刻的容积较呼气开始点(吸气平台期)有极少量的下降。意味着，虽然时间极短，至呼气峰流量时刻，已有部分容积的气体自呼吸系统排出；也就意味着此时肺泡内压PA-P会略低于Pplat，即PA-P

图1 呼气峰流量点对应的回路压力与容积

2.2 阻力与回路阻力关系 吸气支阻力增加时，Ri/Re均无明显变化；呼气支阻力增加时，Ri无明显变化，Re明显增加；延长管阻力增加时，Ri/Re均同时明显增加，表1。

表1 不同部位阻力变化对吸气阻力/呼气阻力计算值的影响

2.3 管路对呼气峰流量的影响 流量-时间曲线显示，管路回缩可形成较明显的瞬时呼气气流，后续模拟肺释放的呼气峰流量略低于未干预状态下的呼气峰流量，图2。

3 讨论

根据呼吸力学，按照欧姆定律，对于气道R1段，在呼气峰流量时刻，此时的肺泡内压力(PA-P)与Y型口压力(PY-P)，存在Re=(PA-P-PY-P)/Ve；而根据呼气峰流量阻力计算法，则存在“Re=(Pplat-PEEP)/Ve”。假如上述两种情况都成立，应存在Re=(Pplat-PEEP)/Ve=(PA-P-PY-P)/Ve，即Pplat-PEEP=PA-P-PY-P。为明确这个关系是否成立，本研究给予了进一步论证，图3。

图3 回路压力与阻力关系图PA：肺泡内压；PY：Y型口压力；R1：气道阻力；R2：呼气支管路及组件阻力；R′：气道与呼气支部分的总阻力；PEEP：呼气阀出口处压力；Ve：气道出口呼气峰流量；Ve′：呼气阀出口呼气峰流量

因PA无法直接监测，所以临床上多采用平台压法来评估。在吸气末段，当气道气流为0时，外部回路压力与PA持平，此时呼吸机所监测到的回路压力就等于PA，即，平台期，PA=Pplat。平台压在临床监测中非常重要[6]，其中，测量最常用的方法是容量控制通气给予平台时间测定。在呼气阶段，呼气伐瞬间打开后，气流开始释放，这个过程中呼气气流流量会从0迅速增快到峰流量时刻，但这个细节演变过程，只有在能够拉伸坐标轴的呼吸机才可以看到，这也正是此研究选择PB840呼吸机的原因。从理论上而言，无论这个时间多短，至呼气峰流量点，都会有一部分气体从肺泡中排出，所以此时PA-P0。从图1中，尤其PB840图中拉伸的压力-时间曲线而言非常清楚，显然，此时的PY-P要明显大于PEEP。当然，这个对应关系，在没有经过拉伸的视图中，还是很难辨别的；因为常规视图(图2)下，这个压力下降过程，曲线表现为一条垂直于横轴的直线，这个已在前期研究中论述[7]。可表示为PY-P=PEEP+n，n>0；即，PEEP=PY-P-n。根据以上实际情况，则Pplat-PEEP=PA-P+m-(PY-P-n)=PA-P-PY-P+(m+n)，因m+n>0，显然，Pplat-PEEP

虽然呼气峰流量时刻，PA-P≈Pplat；但，PY-P与PEEP的差距却较大。既然，此时Y形口压力不为PEEP，且又很难确定其具体数值是多少；那么，我们就寻找此时回路中哪个位置的压力最有可能是PEEP。从呼吸机工作原理分析[8]，在呼气过程的早期，送气阀不需要提供基础气流，所以，此时只有一个阀门在工作，就是呼气阀；呼气阀在呼气过程中始终在背侧提供一个PEEP水平的压力(图3)，所以，此时呼气阀的正面位置压力应为PEEP。

所以，根据上述推断，呼气峰流量时刻，内口(肺泡内)压力约为PPlat，呼气阀处压力为PEEP，根据欧姆定律，目前常用的公式所计算的阻力，应该包含自Y形口至呼气阀口这段管路及组件的阻力R2(图3)。为验证这个推断，选择可能采用这种方法或类似计算方法的某一品牌呼吸机，并通过顺次改变管路阻力的方法来实施；结果证明，当R2明显增大时，Re计算值也会明显增大，所以，这个推断应该是成立的。即此公式所计算的阻力其实为R′=R1+R2。试验结果也证明，吸气阻力Ri的计算公式并不受吸气与呼气支管路阻力的影响(选择两端的压力符合欧姆定律)。

需要说明的是，在气道阻力计算公式中，当气流形式为湍流时[9]，一般不使用欧姆定律来评估，而是变为气道两端压力差ΔP=RV2。按照此计算原理，对于呼气峰流量点，气道两端压力差为“Pplat-PEEP=ReVe2”，也为“PA-P-PY-P=ReVe2”。与上相同的道理，采用这种计算方式的前提，仍然是建立在认为气道两端的压力差等于“Pplat-PEEP”的基础上，显然，这个设定仍然存在相同的问题。

当然，即使清楚了上述情况，此公式仍然存在其他问题。剩下的另一个因素，呼气峰流量是否准确、在呼气峰流量时刻，呼气端流量传感器监测到的气流Ve′是否等于经气道的气流Ve(图2、图3)，这个问题涉及到呼吸机的工作原理[7]。在呼气过程中，在无基础气流情况下，呼出气流的数据Ve′均来自呼气盒内靠近呼气阀处的流量传感器感测的数值；因为是一个瞬时气流，而不像潮气量一样是一种汇总计算(可以剔除管路顺应性导致的容积消耗)，所以，呼吸机应该难以辨别这个数值是包含来源于管路(包含吸气支与呼气支)回缩形成的气流V1，还是只有肺泡回缩形成经过气道的气流Ve。为验证这个推断，采用管路与模肺分别释放气流的方式进行鉴别，当然，最终结果说明呼吸机并不能在呼气气流中将管路回缩产生的气流剔除掉，呼气峰流量是由管路与模肺共同回缩形成，即Ve=Ve′-k，k>0。但因为管路回缩产生的气流很小，接下来由模肺产生的呼气峰流量与未干预状态下的呼气峰流量相差甚小(图2)，所以，此时可以认为监测的呼气峰流量Ve′≈Ve。

所以，呼气峰流量法计算呼气阻力，从细节及理论而言，存在着较多的瑕疵与问题；理论上应该是R1=(PA-PY)/Ve，但实际的计算值Re计算值=(Pplat-PEEP)/Ve′，其中PA-PPEEP，Ve

所以，R2越小，R1越接近Re计算值；Ve′越接近Ve，R1就越接近Re计算值。当然，即使不用欧姆定律，而是采用湍流的计算方式，不但存在与欧姆定律相同的问题，而且因阻力受流量2次方的影响，流量数值的不准确，对其计算结果干扰更大。

所以，临床医务人员要能认识到呼气阻力的计算问题，同时，更重要的是对此有一定的警惕性，避免特殊情况下的数据误导。采用层流计算方法“Re=(Pplat-PEEP)/Ve”，或湍流计算方法“Re=(Pplat-PEEP)/Ve2”计算呼气阻力，当呼吸机管路回路支及组件阻力很小时，所计算的呼气阻力可以一定程度上反映气道的阻力，但当回路支阻力明显增大时，比如回路支管路打折、管路太长或太细、回路端附加过滤器等，所显示的呼气阻力值就无法反映真实的气道阻力。从呼气峰流量准确性而言，使用顺应性越小的呼吸回路，管路对呼气峰流量的影响越小，阻力计算值也就越能反映真实的气道阻力。