呼出气体波形分析.docx
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呼出气体波形分析
呼出气体波形分析
二氧化碳描记图是用来测量呼出气体中CO2的,近几年来已成为一项常规监测项目。
虽然有许多测量CO2的技术（例如质谱分析和Raman分析）,但大部分二氧化碳测定仪仍使用红外线吸收原理[169]。
运用这种方法在手术室和所有重症监护场所均能获得可靠和量化的生命呼吸监测信息。
呼气末PO2（PETO2）可以用来估计肺泡PO2及PaO2。
然而呼气末CO2（PETCO2）分析的应用较PO2更为广泛,这是由于A-a梯度的变异性。
正常个体A-a梯度小于10mmHg,但严重的VA/Q比例失调患者,梯度可能异常增加。
即使肺部情况正常,高吸入氧浓度也能增加A-a梯度。
因此PETO2几乎总是高估PaO2。
例如,使用100%氧进行通气的尸体,PETO2接近于700mmHg（Pbarometric-PH2O）!
除此之外,特别是当预期可能出现窒息时,呼出O2分析可在全麻诱导期间评判氮气是否已充分洗出。
临床医生通常选择的全麻诱导时机为,O2的吸入和呼出百分比线逐渐接近平台（通常小于10%）。
呼出O2的连续曲线表示氮气洗出,见图36-14。
根据气体采样技术,红外线CO2监测仪分为两类:
旁流监测——是通过从呼吸回路持续采集气体到测量模块;主流监测——一个在呼吸回路和气管内导管或者面罩之间直接骑跨的元的管道。
这两种监测仪的区别要点在于实际运用要点的细节和在监测环境的种类以及使用时间。
旁流式二氧化碳监测仪
旁流式二氧化碳监测仪的关键在采样气流,后者能从主呼吸回路气体侧方连续采集定量的气体。
气体采样速度通常在50至500mL/min之间,甚至可达2L/min。
这种持续的旁路气流可能造成严重的方法学错误。
采样气一旦超出呼出气,可产生新鲜气流污染。
气体采样泵、流量调节器、采样系统（包括从收集器到采样口的所有部分）、脱水器或水分离器等均可产生气体泄漏或溢出事件。
采样管的形状、长度及气流速度不同,气体探测也会产生不同程度的延迟（例如CO2上升时间）,在采样速度慢和采样管死腔大（例如长管道）的情况下,甚至可以达到数秒。
测量后,采样气被排入大气或者回收并通过另一管道注入呼吸回路,后者可以恢复回路的容积。
在闭合回路及需要精确测量代谢气体体积时,这个差异非常重要。
仪器分析的核心是红外线测定单元,要小心保护这单元,以免液体和颗粒进入其中,它们能吸收大量红外线,而使CO2读数错误。
主要的问题往往是由水蒸气引起的,呼出气（37℃）中必定有水蒸气,饱和蒸汽压为47mmHg。
低温（室温）时,水汽凝集在采样管管壁上。
重症监护室和手术室需要长时间监测的情况下,往往保持吸入气体的温暖和潮湿,这些措施增加了二氧化碳监测仪上水气分离系统的负担。
已有水气捕获和滤过措施来保护测量单元。
旁路采样管与病人连接越紧密,获得的二氧化碳波形越可信（见图36-15）。
未行气管插管而保持自主呼吸的患者进行呼气末CO2监测需要一些创新。
与旁流式监测仪相连的经鼻气管插管通常能提供有用的波形,但常常会被唾液及粘液堵塞,并且极不舒服。
在靠近鼻孔处连接一段静脉导管,可以估计动脉PCO2,往往能满足临床要求。
同样,也可将静脉导管插入吸氧鼻导管的共同管腔中,这样导管头端在两个鼻孔之间保持中位。
将平时与氧源连接的延长管打结,将静脉导管连接到旁流监测仪上即可[170]。
市售型号可以在供氧的同时连续监测呼气末CO2（DividedCanula,SalterLabs,Arvin,CA）。
另一种装置（Oridion,Needham,MA）同时口鼻部采样（图36-16）。
尽管适用于呼吸频率监测,但通过面罩采集CO2样本获得的PETCO2值明显低于PaCO2。
主流式二氧化碳监测仪
主流式二氧化碳监测仪的探测头与气管内导管紧密相连,测量室通常加热至40℃以免水汽积聚在测量窗上。
必须避免热敏探头与患者皮肤直接接触;它相对较重,需要支撑以防气管导管打折。
保持感应窗清洁,去除粘液和粉尘,防止读取错误;校准相对比较麻烦。
尽管存在以上问题,由于无需从呼吸回路吸收气体,它的反应时间快,不需要采样泵及吸引装置,减少机械系统的复杂性,而且不存在气体采样速度引起的不确定性。
二氧化碳监测仪必须定期校准,不同的型号校准间隔的时间不同,通常至少每天一次。
设备漂移通常是由唾液或其他外源性物质积聚在分析仪的光线通道上造成的。
校准通常是定期使用校准气体完成。
主流式监测仪常配校准采样单元,CO2和N2混合气体密封于其中。
有些装置主流式的玻璃管中采集室内空气样品,自动将CO2水平校准为“0”。
呼气末CO2有用的分析范围为0%至10%（76mmHg）,可扩展为100mmHg,后者在通气不足或恶性高热等罕见病例中有价值。
吸入CO2的范围为0至15mmHg,以便发现重复吸入并能确定峰值。
时间延迟
二氧化碳描记图是对吸入和呼出气流进行连续分析得出的。
采样分为两种,一种是主流式,将探头置于气管导管或呼吸面罩的近端;另一种是旁流式,通过连接于呼吸环路侧方的采样器采样。
旁流式采样存在明确的时间延迟现象,其程度取决于采样部位到探测器的距离和容量。
在仪器和患者的呼吸环路之间,采用高流速气体,使用管径小、长度短的采样管可以减少由于采样气体移动而引起的时间延迟。
当气体样本输送到探测器后,要进行激活,每种仪器的激活时间不一,又产生额外的时间延迟。
气体浓度改变的平方通过指数反应,产生特定的激活时间。
这个反应中,CO2的浓度瞬间由0上升到一个新的稳态（CO2ss）。
可以用下面的指数方程表示:
S=CO2ss·（1-e-t/τ）（24）公式24中,S表示时间t,e是自然对数的低（≈2.718）,τ是时间常数。
当t=τ时（如一个时间常数）,上式可以改写为S=0.63·CO2ss（或63%）。
这个方法常用于计算电路反应速度。
临床仪器的反应分数不同,反应时间（≈2.2τ）由10%到90%不等。
我们以二氧化碳描记图的方波为例,解释仪器测量最困难的部分。
假设时间常数为100ms（临床仪器的常用值）,当呼吸频率在100次/min以内时,理论上二氧化碳描记图与呼吸CO2形态相关,真实值在5%以上（准确性大于5%）。
实践发现当呼吸频率在60次/min内时,大多二氧化碳描记图是准确的。
在共同的构造上,共用质谱仪的采样管更长,呼吸频率为40次/min时,测量就明显不准确[171]。
吸呼比（I/E比）也同样影响监测的准确性。
标准的呼吸周期图谱已与临床最常用的仪器进行过比较[172]。
旁流式二氧化碳监测仪由于气体弥散可引起误差。
CO2放射性弥散出采样管可使测量值降低[173]。
这个误差与采样管的材质和样品在管中暴露长度有关（如与气体流速和采样管长度有关）。
聚乙烯和聚四氟乙烯导管比尼龙导管对CO2通透性强。
样品由富含CO2的导管进入采用管可产生轴样弥散,会影响波形的上升支和下降支。
在高呼吸频率时,这种弥散对呼气末CO2波形的干扰非常明显。
二氧化碳描记图
时间二氧化碳描记图
最常用的形式是时间二氧化碳描记图。
通常将二氧化碳分析仪波形分为多个相。
吸气全过程及呼气最初阶段,仅呼出死腔气,而不含CO2（I相）。
随着呼气的继续,呼出CO2增加,接近肺泡平台,形成CO2波形的上升支,持续时间很短（II相）（见图36-17A）。
这两相的分界有多种说法,最常用的是以气道中是否混有肺泡CO2为标准。
III相常也称为肺
泡平台期,CO2波形保持一个常数或者呈轻度升高。
虽然呼气流速在呼气开始阶段最大,在以后的3个呼气时相以指数形式逐渐减少,在时间二氧化碳描记图中,肺泡平台期所占的时间最长（见图36-17）。
呼气的前半段时间内,被动呼吸时呼出的大部分容积被排出气道（气管或麻醉面罩）。
CO2波形在III相达到峰值,通常在呼气的终末期获得,因此被称为呼气末CO2分压（PETCO2）。
在正常个体,PETCO2通常比PaCO2低2至3mmHg,。
慢性肺部疾病和急性VA/Q比例失调可以使此值增加,可达多个mmHg。
当哮喘急性发作或慢性梗阻性肺病时缓慢呼吸,肺泡弹性回缩力下降,使肺泡平台斜率增加（见图36-18D）。
为何弥漫性气道梗阻患者肺泡平台期呈坡状呢?
有多种解释。
完美的肺通气-血流比例匹配（VA/Q=1）。
然而,弥漫性气道梗阻患者病变不均一,各个气体交换单位VA/Q范围大。
VA/Q高的部位过度通气,灌注不足,这些通气单位的肺泡气PCO2很低;VA/Q低的部位通气不足,灌注相对过剩,肺泡气PCO2很高。
在呼气时,这些肺泡通气单位排空的速度不同,未梗阻的单位（正常或高VA/Q）排空快,之后才是梗阻的部位。
因此,呼气早期呼出气中PCO2低,后期增高。
CO2浓度逐渐升高的另一个解释是在呼气过程中,CO2以一个恒定的分子速度由肺毛细血管扩散至肺泡。
与呼吸过程相比,CO2进入肺内相对缓慢,因此CO2浓度逐渐升高。
由于这个原因,若呼气延长,即使肺部情况正常也有上升的肺泡平台（见图36-18C）。
图36-19解释了这两种因素。
PETCO2可能超过动脉PCO2[174-177]。
除了计算错误之外,最常见的原因是呼吸频率过慢或混合静脉血PCO2过高。
在这些情况下,肺泡PCO2内的循环变异（通常肺泡PCO2值在动脉和混合静脉血之间）可能相对较大,从而使PETCO2比动脉高很多。
当病人侧卧位全麻时,通气侧肺通气不均,非通气肺灌注减少,因此,肺泡气体差异范围增加,肺泡平台呈上升状态。
在侧卧位机械通气的患者,使用两个支气管导管分别通气,各自采样,可以证明以上讨论。
有时呼气时间延长,使肺容量在闭合容量以下,肺泡平台末期呼出CO2浓度可能明显升高,这与使用100%O2进行充氧去氮时N2的浓度改变相似[178]。
产生此现象可能的一个原因是,至少在自主呼吸的患者,气道趋向闭合,使肺单位保持充气状态,可以在低PaCO2水平保持肺泡气不流动。
这些气道闭合,使富含CO2的气体更大量地进入上呼吸道,引起CO2浓度波形的突然上升。
另一个假设是在呼气过程中,通气良好的肺单位的PCO2呈进行性、非线性、斜形上升,而通气不良的（趋向闭合的）肺单位PCO2为线性上升。
当气道闭合时,通气良好的肺单位占优势,二氧化碳描记图波形突然上升[179]。
使用单次呼吸清除曲线的术语,二氧化碳描记图的这一部分偶尔被称为IV相。
二氧化碳描记图的最后一段由吸气开始,CO2浓度迅速下降,达到吸气水平。
二氧化碳描记图吸气相显示的是吸气时CO2浓度,与呼吸环路的种类、吸气流量和新鲜气流量关系最为密切。
吸气CO2浓度值超出基线水平最常见原因是重复吸入死腔气体（见图36-18E）,去除死腔即可纠正。
CO2吸收剂失效也会引起吸气PCO2增高（见图36-18G）。
若二氧化碳描记图形态多个特征受影响时,则需将旁流采样式监测仪的采样流速计算在内。
通常,样品的流速是不同的,在50至400ml/min之间,成年患者平均最佳流量为约200ml/min。
一旦呼吸气流下降至旁流气体采样流量之下,气体样本的特征会发生改变;采样器不再采集主气流的一部分进行分析,采样气流将参与呼吸环路的气体交换。
在小儿装置中,低流量麻醉期间和极低呼吸频率下进行二氧化碳描记图分析时,这个问题更加明显。
如,呼气时间延长或呼气末暂停,气道内的气流速可达到零水平,监护仪的采样装置将由气管和吸气管道吸收气体样品。
图36-18M显示的是心源性震颤（cardiogenicoscillation）图形,心源性震颤表明了这个
波形改变的原因。
缓慢呼气、心脏活动引起不同肺区气体机械震荡均可引起肺血流改变,其与引起波动的肺血流一起,在呼气肺泡平台期常可观察到与心跳同步的重复图形。
对心源性震动波的解释通常是深部肺组织机械震荡,与心跳同步地排出富含二氧化碳的气体。
当气体取样于深部气管和支气管时,心源性震动波型更明显。
当取样口远离气道或使用PEEP使肺容量增加时,该波动常变为比较平滑。
观察整个波型,而不仅是数字化测定呼气和吸气末的峰值,能改进该曲线的范围和解释。
当二氧化碳波型在快速卷屏的示波器或快速走纸上显示各期的全部特征时,才有可能识别出有诊断价值的几个特征。
当波型在慢速走纸上显示或仅显示吸气和PETCO2数值的趋势时,仍可以识别出关于吸气和呼气时CO2升高或降低的重要临床信息。
图36-18显示了各种二氧化碳波型例子,在英特网（）上可找到另外的波型例子和训练资料。
正常的呼气末CO2分压为35至45mmHg。
由于受多种因素影响,高于该水平（如高碳酸血症）可能是由于外部信息光线干扰:
1二氧化碳产生增加,如发热或恶性高热。
2呼吸中枢的抑制,伴随总通气量降低和呼气末二氧化碳升高。
3部分麻痹,神经性疾病,高位脊髓麻醉,呼吸肌无力或急性呼吸窘迫引起的通气量减低。
机械通气时通气不足首先表现为呼气末二氧化碳升高。
若总通气量恒定,呼气末二氧化碳有增高趋势,则必需测定患者的体温以排除高热的可能。
呼气末二氧化碳短暂升高的其他常见原因有:
止血带松开时缺血区域的再灌注、松开主动脉钳闭器、静脉给予碳酸氢盐（图36-20）、腹腔镜手术时腹腔内充入二氧化碳气体以及急性机械通气系统故障等。
呼气末二氧化碳分压异常降低（<35mmHg）常反映通气量过高,也可能由PaCO2正常时死腔量增加引起。
比如从无血流的肺组织区域（局部无二氧化碳交换）呼出的肺泡气稀释了呼出气体,从而降低了与PaCO2相关的PETCO2。
低碳酸血症可能是假的,增加新鲜气流量使旁流式监测仪取样率增高可以造成这样的结果。
低PETCO2表示二氧化碳降低（心脏停搏时PETCO2为零）。
PETCO2突然降低最常见的原因是心输出量下降、肺栓塞引起的肺区域性低灌注及管道脱开或气道阻塞。
同样,有灌注无通气的肺组织（如肺不张）,由于混合静脉血掺杂,局部PaCO2较高,动脉CO2与呼气末CO2差（PaCO2-PETCO2）增大,这一点已成为机械通气患者最适合PEEP的标准[180]。
希望随着PEEP水平增加,可以改善这些区域肺不张情况,降低PaCO2-PETCO2。
正常肺组织,过度膨胀可使血流灌注受损,而使局部PaCO2-PETCO2增高。
最适PEEP被定义为达到平衡状态。
机械因素可突然改变肺泡排空的形式,这时,可观察到肺泡平台期的不规则波形,比如在呼气中期,外科医生的手臂压迫患者胸部。
二氧化碳描记图上的裂隙或切迹提示小潮气量的自主呼吸,其可以把通过采样部位的吸入气体移除一小部分。
产生这样现象的解释通常是,麻醉苏醒期患者呼吸中枢被激活或手术区域刺激突然增加引起呼吸活动。
也可表示从机械通气转变为自主通气时吸气力量不足以及需要拮抗神经肌肉阻滞药作用的最初征象。
然而,也可以从相反的一面解释为需要增加总通气量以减少患者的窒息感。
需要慎重考虑二氧化碳描记图肺泡平台期的切迹,与外科状况、患者用药史及麻醉计划有关。
呼出气中代谢性二氧化碳是即刻且连续出现的,通过测量可排除疑惑,即时证实气管内插管,这是麻醉中二氧化碳描记图信号最主要的用途。
食管内插管在呼气相也可产生一次或几次含有二氧化碳的呼吸,但是从胃内呼出的二氧化碳浓度很快降为零。
照这样,呼气相二氧化碳持续出现很快被认为是正确气管内插管的标准。
这种信号的另一个主要用途是在控制通气中确定正确的通气需要量（如每分钟通气量）。
这种用途易被用于连续监测自主呼吸
通气量及定量使用抑制通气的麻醉药物时监测合适的通气量。
在部分重复吸入环路和低流量麻醉中,使用二氧化碳描记图便于调整新鲜气流量,后者可增加每分钟通气量,是二氧化碳水平的主要决定因素。
部分重复吸入的二氧化碳描记图图形变异很大,受通气频率和潮气量的影响。
所有这些用途中,二氧化碳描记图的感应探头或气体采样部位最好接近气管导管,尽可能减少与死腔装置的连接。
这样容易发现呼吸环路脱开或机械通气异常运行。
部分重复吸入回路系统包括二氧化碳吸收装置,其耗竭表现为高碳酸血症。
高碳酸血症的临床症状可能只能慢慢被发现,而使用二氧化碳描记仪能立即发现吸入气二氧化碳的增加。
单次呼气就能发现呼气末二氧化碳的突然改变。
在一种不同装置中,二氧化碳描记仪安装在心肺转流人工模肺的排气端,用来追踪不同体温时二氧化碳的排出情况。
二氧化碳容量描记图
若同时测量呼出气容量与PCO2,可将呼出气PCO2与呼出气容量关系作图（见图36-17）。
二氧化碳容量描记图较二氧化碳时间描记图有几个优点。
首先,可以将CO2图像积分,获得每次呼出CO2的量,能实时测量CO2。
其次,传统时间二氧化碳描记图无法探测到的呼吸波形显著的形态改变可以在二氧化碳容量描记图观察到（归因于PEEP）[181]。
第三,死腔可以被分成各个感兴趣的部分。
因此,总生理死腔（VDPHYS）可以通过动脉PCO2与方程12（Bohr方程,假设PACO2=PaCO2）计算得到。
解剖死腔（VDANAT）,包括呼吸环路中重复呼吸的气体,如气管内导管,被动湿化装置,或是Y型管,可以直接通过二氧化碳容量描记图得到（见图36-17B）。
因此肺泡死腔（VDALV）与VDPHYS、VDANAT是不同的概念,根据方程25,其与肺泡和动脉PaCO2之差有相关性:
VDALV=（VT-VDANAT）（1-PACO2/PaCO2）（25）通常,肺泡PCO2可以通过二氧化碳时间描记图上的PETCO2得到,表示为PACO2。
然而,当肺泡平台显著下斜时,PETCO2可以超过PaCO2[174-177],从二氧化碳容量描记图得到的平均肺泡PCO2（见图36-17）成为更适当的测量手段。
市售有结合容量二氧化碳测定仪监护仪。
二氧化碳流量描记图中的错误
主要的错误来源是水蒸气,因此许多“脱水”装置或是加热吸引管被用于传输除湿气体至读数室。
可以计算气体温度的影响。
假设体温为37℃,PaCO2=PETCO2=40mmHg。
若保持采样管和探测器温度在37℃以上,那么水不会凝集或“清除”,测得的PCO2将是40mmHg。
然而呼出气可被降至室温（20℃）,水在采样管中凝集,新的水蒸气压力（PH2O）下降至室温时饱和PH2O（通常为20mmHg）。
若在采样管中使用干燥剂,PH2O将降至零。
不管何种情况,测得的PCO2都将轻度增加。
氧气和二氧化碳交换的监测
测量O2摄入（VO2）和CO2排出（VCO2）最直接的方法是吸入（I）和呼出（E）气体浓度分析。
若同时测量分钟通气量与吸入和呼出的O2和CO2浓度,VCO2可根据下式计算:
VCO2=VE×FECO2-VI×FICO2（26）方程26中,VE和VI分别是呼出和吸入的分钟通气量,FECO2和FICO2分别是混合呼出和吸入CO2浓度。
O2消耗量和CO2排出量很少完全相同,因此VE和VI稍有不同。
FICO2通常为零,因此方程26可被简化为以下形式:
VCO2=VE-FECO2（27）同样,O2耗量的计算公式为:
VO2=VI×FICO2-VE×FECO2（28）实际上,以必要的精确度测量分钟通气量来区分VI和VE的细微差别是非常困难的,因为惰性气体的交换（如吸入非O2及CO2的混合气体）通常为零,VI可按以下计算:
VI=VE×（FEinert/FIinert）（29）
FIinert=1-FIO2（30）
FEinert=1-（FEO2+FECO2）（31）
方程28可改写为:
VO2=VE×（FIO2×FEinert/FIinert-FEO2）（32）当吸入O2分数大于50%时使用该方程计算VO2准确性越来越低。
FIO2较高时,FIinert变小,FIinert的测量误差导致更大的O2测量误差。
FIO2=1时,该方程完全不成立。
Viale等[182]使用这种方法进行了麻醉状态下VO2和VCO2的测量。
有人设计了自控式分析仪[183,184]。
经证实,在重症监护环境下,使用这些仪器进行气体交换监测非常令人满意。
一个实际的问题是,带有氧化锆感受器的监测系统对低浓度含氟麻醉气体极其敏感,可造成严重的故障。
结合FIO2-FEO2与呼气容量,可以实时测量VO2和VCO2[185]。
一种使用使用快速温度和湿度感应分析仪测量VO2,可以适当纠正,允许在高FIO2情况下实时监测[186]。
一种替代方法（如反Fick定律）通过比较动静脉O2含量差和温度稀释心输出量来计算O2耗量:
VO2=（CaO2-CVO2）×QT（33）方程33中,CaO2和CVO2分别是动脉和混合静脉血氧含量（ml/L）,QT是指心输出量,血氧含量根据方程10计算得到;当使用方程31时,用方程10计算得到的氧含量值需乘以10方能获得O2正确的单位。
对临床而言,反向Fick定律的应用是令人满意的,虽然在高心排量和低动静脉氧差时,它会变得不太精确。
VO2测量值可能被直接低估30~60ml/min[187~189]。
这个差别归因于肺氧耗量,反Fick定律没有测量这一部分。
连续温度稀释心排量监测与间断注射相比,前者误差小[190]。
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