翻译：徐继前、杨立坤 医师
引言
严重的气流阻塞是导致急性呼吸衰竭的常见原因。动态过度充气影响机械通气，增加呼吸道阻力，并导致内源性呼气末正压（auto-PEEP）。大多数哮喘和慢性阻塞性肺疾病患者在机械通气过程中会出现动态过度充气和内源性呼气末正压，导致血流动力学障碍和气压伤。通过实时观察呼吸机流速和压力波形，可以识别机械通气患者的内源性呼气末正压。在自主呼吸患者中，通过同时记录食道和流速波形来测量内源性呼气末正压。采用小潮气量和保留呼气时间，使动态过度充气和内源性PEEP最小化。对于自主呼吸的患者，为了减少呼吸功和改善人机同步，关键是设置足够的吸气流速、吸气时间、触发灵敏度和呼吸机提供的PEEP。呼吸机波形对于床边的监测和治疗决策是极具价值。
关键词：动态过度充气，内源性呼吸道正压，机械通气，呼气末正压，呼吸功，过度充气，波形
介绍
在严重的气流阻塞期间，增加呼气压力只会增加肺泡压力，而不会改善呼气气流。 在 COPD 和哮喘加重时，以增加呼吸功 (WOB）为代价来维持肺泡通气。 如果潮气量（VT）高或呼气时间短（高呼吸频率），肺不能在两次呼吸之间恢复至其通常的静息平衡容积。肺容量和肺泡压力的增加会导致以下病理生理改变：(1) 呼气末肺容积超过预测的功能残气量 （FRC），导致动态过度充气，(2) 呼吸系统顺应性降低，(3) 呼吸肌逐渐在其长度-张力曲线的不利部分工作。最后，呼吸发生在肺压力-容积关系的上部和顺应性较差的部分，接近总肺活量。 在这种情况下，即使呼吸肌没有疲劳，自主呼吸也不可能持续很长时间，患者发生呼吸骤停的风险极高。
动态过度充气和固有呼气末正压的描述
图1.流速波形显示在相同潮气量下，流速下降引起气体陷闭。当呼气时间不足以呼出所有先前的潮气量时，呼气时间的进行性缩短会产生内源性PEEP。
外在因素
大多数哮喘和COPD患者在机械通气时会出现动态过度充气和内源性PEEP。但在不限制呼气流速时，可能发生动态过度充气和内源性 PEEP。在高分钟通气量（VE)和/或设备呼气阻力增加的情况下（如粘液导致气管导管内径或热湿交换器阻塞），肺部没有足够的时间达到正常的FRC，即使气道开放，但肺泡和气道开口之间的压力差驱动的呼气流速在呼气末仍然存在。
内在因素：动态气道塌陷
弹性和阻力负荷影响呼吸功（WOB）。 当肺或胸壁顺应性降低或存在内源性 PEEP的动态过度充气时，弹性 WOB 会增加。 因气流阻塞加重，接受机械治疗的COPD患者在潮式呼吸期间会出现动态的气道塌陷和流速受限。COPD 的解剖学异常包括气道口径的区域性差异、肺弹性丧失和肺泡形态改变。小气道的压缩和严重闭合，远端气体滞留。在这种情况下，增加呼气努力会同等程度提高胸膜和肺泡压力，而不会改善呼气流速。虽然流速受限通常是一个主动过程，但如果肺泡压力超过变形小气道中的压力，它可能发生在被动通气期间（即潮式通气期间）。在接受机械通气的患者中，呼出二氧化碳斜率、呼吸系统阻力和内源性 PEEP 之间存在显著相关性，这表明动态过度充气源自缓慢的高碳酸肺泡的顺序排空。二氧化碳的消除受到气流阻力的影响，气道阻塞的程度和呼气期间 PaCO2 增加的速率相关（图2）。
图 2. 严重气流阻塞患者的流速、二氧化碳、气管压力和气道压力。 长时间呼气后，内源性呼气末正压 （auto-PEEP）仍然存在（呼气末阻断时），表明严重的动态过度充气。
肺力学：哮喘和慢性阻塞性肺病的区别
哮喘发作引起的严重支气管痉挛导致肺力学的急性变化与 COPD 急性加重相似。但哮喘的病理生理学与 COPD 有很大不同。 晚期 COPD 的一个主要特征是由于肺实质的破坏和肺弹性回缩力的丧失导致萎陷气道增加，而哮喘的主要特征是气道壁增厚（炎症）和气道萎陷减少，尽管气道内径显著减少。
Auto-PEEP 对血流动力学影响
内源性 PEEP 对流速受阻患者的血流动力学影响可能等于或强于对相同PEEP对正常肺部患者的影响。顺应性良好的肺，大部分增加的肺泡压力被传递到胸腔内血管。 在Pepe 和 Marini最初的研究发现，停止机械通气时，食道压力显示至少50%的内源性PEEP下降。平均胸内压的增加，减少静脉回流，降低左右心室的前负荷。肺血管阻力的升高，会降低左心室顺应性，并可能增加右心室后负荷。 在临床实践中，肺毛细血管楔压通常被认为是左心室充盈压的可靠指标，但COPD时，尽管跨壁压力（肺毛细血管楔压-食道压力)前负荷正常，但内源性PEEP诱发的胸腔内压力的升高可能导致肺毛细血管楔压和右心房压的假性升高，从而造成血流动力学管理的错误。Rogers 等报道了一名患有严重 COPD伴有窦性心律患者， 在气管插管正压通气后，出现难治性循环衰竭。该病例说明了为什么动态过度充气的突然增加（由于呼吸机上设置的呼气时间过短）导致观察到的电机械分离（图 3）。 因此，对于严重的气流阻塞，可能需要短暂停止机械通气，以测量真正的肺毛细血管楔压或将严重的内源性 PEEP 与其他原因导致的严重低血压区分开来。
图 3. 心肺复苏期间接受手动通气的实验动物的气道压力（PAO)、食管压力（Peso）和肺容积波形。 在快速手动充气过程中，呼气时间较短，肺容积和胸腔内压力较高。ΔV=体积变化。
被动型患者自Auto-PEEP的识别与测量
简单观察呼气末气流和气道压力的实时波形是识别使用了肌松或耐受良好的患者接受机械通气时是否发生动态肺过度充气的关键。 每当呼气末流速不归零时，呼吸系统就会动态过度充气（图 4）。呼吸的流速容积环也会变化。呼气末气流的存在表明肺泡压力高于大气压或高于PEEP。Auto-PEEP 可以通过呼气末阻断或同时记录气道压力和流速来测量（见图 4）。 呼气末阻断法测得的Auto-PEEP称为静态auto-PEEP，高于通过呼气末流速和气道压力计算的auto-PEEP，称为动态auto-PEEP。动态内源性 PEEP 反映了时间常数短且呼气快速的肺单元呼气末压力，而具有长时间常数的肺单元仍在呼气。呼气末阻断的操作为不同肺区域内源性 PEEP达到平衡的时间，此时气道开放（图 5 和 6），呼气末阻断 2-3 秒后获得内源性PEEP的平均值（图 5 和 6）。呼气末暂停可以通过呼吸机软件手动进行，该方法可在呼气结束时准确地进行快速阻断。
图 4. 接受机械通气的慢性阻塞性肺病患者的流速和气道压力 （Paw）波形。 快速吸气末和呼气末阻断（箭头）允许在静态条件下评估肺泡压力。auto-PEEP=内源性PEEP。
图 5. 机械通气期间动态和静态内源性呼气末正压（auto-PEEP）概念生理学原理。动态内源性 PEEP，当气道压力大于具有较短时间常数（动态auto-PEEP 4 cm H2O）的肺区域的呼气末肺泡压力时，吸气开始。 静态内源性 PEEP，呼气末阻断，内源性 PEEP 对应于所有肺区域的平均值（静态内源性PEEP=8 cm H2O）。τ=时间常数。 R=阻力。 C=顺应性。
图 6. 流速和气管压力波形，吸气开始时动态内源性呼气末正压 （auto-PEEP）和长时间呼气末暂定后的静态内源性 PEEP 的测定。
一些呼吸机可以测量动态过度充气导致的气体陷闭。在接受呼吸机PEEP 的患者中，呼气末暂停后获得的压力与设定的 PEEP 之间的差异是内源性 PEEP。 呼吸系统静态顺应性的测量需要根据内源性PEEP的存在进行校正，否则静态顺应性的真实值将被低估（图7)。
对已肌松的患者，也可以使用最小二乘拟合技术，而不需要特殊操作或特定呼吸机设置，对呼吸系统的力学进行测量。
由于应用 PEEP 或动态过度充气，若通过被动呼气、断开患者与呼吸机的连接或延长 FRC 呼气时间来测量，将导致的肺容量增加。在测量 FRC时，将患者重新连接到呼吸机会导致相反的现象：吸气 VT 将大于呼气 VT，直到肺容量稳定为止。在没有应用 PEEP 的情况下，高于 FRC 的滞留气体对应于由于动态过度充气导致的呼气末肺容积增加。在应用PEEP的情况下，呼气末高于FRC时的肺体积相当于动态过度充气所致的呼气末肺体积加上应用 PEEP 引起的肺容积增加的总和（图 8）。
图 7. 动态呼气末正压 （auto-PEEP）对接受机械通气的急性呼吸窘迫综合征患者 （n = 10）静态呼吸系统顺应性 （CRS）的影响。 在较低的 PEEP 下，CRS 被低估，除非内源性 PEEP 得到校正。由于呼气流速受限部分消除，这种影响在高 PEEP 时不太明显。corr =校正；non-corr=未校正。
图 8. 急性呼吸窘迫综合征患者的气道压力 （Paw）和肺容积 （Vol）波形，使用 15 cm H2O 的呼气末正压 （PEEP）进行通气。 在去除 PEEP 和延长呼气后，可以测量由 PEEP 引起的肺容积增加。 在功能残气量下，应用 PEEP 会增加每次呼吸的肺容积，直到基线稳定（见正文）。ΔV=体积变化。
自主呼吸患者Auto-PEEP的识别和测量
Auto-PEEP 可存在于自主呼吸的患者（即患者触发呼吸机）中。自主呼吸的患者与完全控制的机械通气相比，内源性 PEEP 导致的平均胸内压正值较低或负值较高。主要后果是人机不同步和呼吸功增加。在自主呼吸患者中，内源性 PEEP通过同时记录食道压力和气流轨迹来确定的。动态内源性 PEEP 在呼气末测量为食道压向流速零点的负偏转（图 9）。
呼气肌收缩将压力增加传递到胸腔内，进一步增加内源性呼气末正压。吸气早期，胸膜（食道）压力的降低可能部分归因于呼气肌松弛，而不是吸气肌收缩。 因此，需要从食道压的下降中减去呼气肌收缩（通过腹腔压力确定）引起的压力（图 10）。有趣的是，高内源性PEEP的 COPD 患者，其内源性PEEP 的呼气肌作用可忽略不计。接受机械通气的自主呼吸患者主动吸气以对抗肺泡内源性PEEP，呼气肌肉同时放松。当内源性 PEEP 被抵消时，触发呼吸机。
通气策略
一旦插管完成，应注意避免高内源性 PEEP。 镇静可能会降低平均动脉压，但正压通气也会影响气流受阻患者的静脉回流，插管后可能会出现循环衰竭。 因此，初始呼吸机设置应避免高水平的平均胸腔内压力和内源性 PEEP。怀疑呼吸机相关性低血压时应断开患者与呼吸机的连接，观察血压是否升高。
为气流受限患者确定合适的通气策略需要了解过度充气与肺排空率之间的关系。 Hubmayr 等人研究了呼气流速不足如何在完全机械通气过程中产生动态过度充气。 假设1L 潮气量是从呼吸频率为 20 次/分钟，占空比为 0.33静态平衡容积开始，则患者有 2 秒的呼气时间。如果气流受阻且平均最大呼气流速仅为 0.25 L/s，则患者只能呼出 0.5 L（上次潮气量的一半），因此下一次呼吸将在更高的肺容量下进行。根据该患者的流速-容积关系，在新的肺容积下可以获得更高的平均呼气流量，但不足以充分排空肺部。当肺容量增加导致最大平均呼气流量为 0.5 L/s 时，将达到稳态条件，其中可用于呼气的时间 （2 s）足以呼出 1 L（图 11）。而选择 0.5 L 的 潮气量可以避免该问题。通气模式应尽量减少动态过度充气和平均胸内压，降低增加气压伤和抑制循环的风险。
图 9. 流速 （V）和食道压 （Pes）波形，无支持自主通气期间识别内源性呼气末正压（auto-PEEP）的方法。从吸气开始到流速归零的负偏转的Pes用于内源性 PEEP测量。 （经许可摘自参考文献 38）
图 10. 接受机械通气的患者因呼气肌活动而增加呼气末正压 （auto-PEEP)。 胃压 （Pga)、食道压 （Pes)、流速 （V）和膈肌 （EMGdi）和胸锁乳突肌 （EMGst）的肌电活动显示呼气肌收缩（呼气期间 Pga 大量增加）和无呼气肌松弛和吸气肌活动之间的时间差（第一条垂直线），以及呼气肌收缩和吸气流速开始之间的时间差（第二条垂直线）。 （经许可摘自参考文献 40。）
图 11. 正常肺与急性呼吸窘迫综合征 （ARDS）肺的机械通气。 曲线显示在呼气期间，在下一个潮气量 （VT）之前，肺容积恢复到功能残气量 （FRC)。 在气道阻塞的患者中，缓慢的呼气流速导致呼气不完全，进行性动态过度充气，直到达到呼出整个 VT 的肺容积。呼气末或吸气末 （VEI）时的气体陷闭会导致气压伤和心血管损害（见正文）。 Insp ti=吸气时间。 Exp= 呼气时间。（经许可摘自参考文献 42。）
哮喘和COPD的流速、潮气量和呼吸频率
通过VT、呼吸频率和吸气流速的不同组合可以获得最佳通气模式。Tuxen和Lane研究了通气模式对严重气流梗阻d患者过度充的气程度、气道压力和血流动力学的影响。他们发现，当VT增加和/或呼气时间减少时，动态过度通气可使吸气末肺容积比呼吸暂停时的功能残气量增加多达 3.6±0.4 L，无论是呼吸频率增加（当前VE）或吸气流速的减少（恒定VE）。肺过度充气与肺泡、中心静脉和食道压的增加以及低血压有关。Tuxen和Lane发现，VE恒定，流速受限的机械通气患者在高吸气流速和长呼气时间通气时，动态过度充气程度最小。较小的VT和较高的呼吸频率似乎优于较低呼吸频率下的较高VT。最重要的是，VE是过度充气的主要决定因素。通气的主要目标是确保低VE、足够长的呼气时间和峰流速以允许肺排空，但代价是气道峰压上升。尽管高吸气流速使近端支气管承受更大的压力，但峰流量的增加减少了肺泡过度充气，因此较少发生低血压。尽管测得的内源性PEEP较低，但呼气末肺泡压力使得严重哮喘患者仍可能存在过度充气，尤其是在低呼吸频率时。这种现象可能是由于广泛的气道塌陷导致无法准确评估呼气末肺泡压力。
目前的推荐是，急性哮喘患者的通气策略为相对较小的VT和较高的吸气流速，以保证呼气时间并最大限度地减少过度充气、气压伤和低血压。该目标可以通过80-100 L/min的吸气流速、6-10 mL/kg的VT、40-45 cmH2O的气道峰压和不高于25-30 cmH2O的肺泡平台压来实现。呼吸频率应为 8 –12 次/分钟，以实现尽可能最少的过度充气（内源性PEEP＜10 cmH2O），并尽可能将pH值维持在可接受的范围内。对于COPD急性加重患者，有创机械通气的指征和通气策略与哮喘相似，但COPD患者需要通气支持时的结构性气流梗阻通常比哮喘患者的少。在大多数情况下，辅助/控制模式，VT为9-10 mL/kg且呼吸频率为14-16次/分钟的患者可以得到充分休息。在COPD和哮喘中，呼吸机触发敏感性应该最低的。
急性呼吸窘迫综合征的特点
ARDS Network研究发现，6 mL/kg的VT（与12 mL/kg的VT相比）可使ARDS患者的死亡率降低22%。ARDS Network中的低VT策略意味着增加通气支持（提高呼吸频率）以将二氧化碳清除率维持在正常水平。迄今为止，3项未能精确重复ARDS Network研究的文章表明，增加呼吸频率（以避免VT降低导致高碳酸血症）可能会导致ARDS患者大量气体陷闭和内源性PEEP（图13）。因此，对于呼气流速受限和呼气时间短的ARDS患者，有必要特别注意监测压力和流速波形，避免忽视总PEEP过高。
图12 呼气末压力为0（ZEEP）时的对照和呼气负压测试呼吸的流速-容积环，显示呼气末的呼气流速限制（EFL）。 6.5 cmH2O的外源性PEEP可以逆转呼气流速限制。
图13 接受机械通气的急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者的生理变量（根据 ARDS Network的传统VT策略和低VT策略设置呼吸机）。相较于传统VT策略，使用低VT策略时呼吸频率增加，导致更高的功能残气量（FRC），且增加的总呼气末正压（PEEPtotal）高于呼吸机上设定的PEEP。Paw＝气道压力。PEEPExternal＝呼吸机施加的PEEP（与PEEPnominal相同）。EELV＝呼气末肺容积。Vr＝静息容积。
外源性PEEP的作用
图14 慢性阻塞性肺病导致气流梗阻患者的气体流速和气道压力（Paw）波形。与静态固有PEEP（内源性PEEP）相等的外源性PEEP不会增加肺容积（监测到Paw峰值和呼气流速没有改变）。将外源性PEEP增加到高于内源性PEEP后会提高胸腔内压力（高Paw），从而增加肺容量（增加呼气峰流速）。 ZEEP＝呼气末压力为0。
动态过度充气和人机交互作用
图15 严重慢性阻塞性肺病、接受压力支持通气的患者的气体流速、气道压力（Paw）和食道压（Pes）波形。在机械吸气和呼气期间都会发生无效的吸气努力，可以通过流速波形（箭头）轻松识别。
图16 气道压力（Paw）、流速（V）、食道压（Pes）和胃内压力（Pga）波形，来自一名典型的慢性阻塞性肺疾病患者、接受呼气末正压为0的机械通气时（左侧）和PEEP为5 cmH2O时（右侧）。在PEEP为0通气期间，吸气相食管摆动和呼吸功最大。此外，还发现了无效的吸气努力。外源性PEEP可显著减少吸气努力、内源性PEEP和人机不同步。
内源性PEEP和脱机失败
总结
动态过度充气和内源性PEEP是接受完全或部分通气支持的患者以及准备脱离呼吸机患者的常见问题。临床医生需要充分了解动态过度充气和内源性PEEP的生理学机制，以选择合适的呼吸机设置。呼吸机波形对于机械通气患者的监测和治疗决策具有重要意义。
