比例压力支持PPS的原理及应用.docx

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比例压力支持PPS的原理及应用

比例压力支持（PPS）的原理及应用

上海交通大学附属第一民医院

呼吸科汪均陶编

PPS的原理和应用

目前常用的通气模式均不能矫正病人吸气力和通气效果之间的生理变化关系,以致发生人机对抗,通气不足或过度现象.近年来因计算机发展Younes等人提出了按病人瞬间吸气力大小根据设定的辅助比例,呼吸机提供同步的压力支持,从而提高机械通气质量,可能具有良好的临床前景.

1PPS和原理

1.1呼吸生理

肺的通气决定两个因素的相互作用1.是吸气的动力即使气体流动的压力.2.是阻止气体流动的阻力即吸气的阻力.（图1）

图1.气道阻力和流速:

左下图阻力不变,Paw=+5cmH2O,右下图阻力不变,因流速增加使气道压力也增加,Flow由60L/min增至120L/min,Paw即增至+10cmH2O.

R=5cmH2O

R=5cmH2O

吸气动力来源于横隔膜等吸气肌收缩使胸内压（Pmus）降低以致肺内压低于大气压,此压力差使气体进入肺内（图2）.无论负压吸气,呼吸肌肉作功（左下图）还是呼吸机加压通气,呼吸肌肉不作功（右下图）都需要使气流通过呼吸道进入肺泡.（见下图2）

V’

Paw:

气道压力Pamb:

大气压Pmus:

吸气肌力

R:

阻力C:

顺应性V’:

吸气流速V:

潮气量

图2:

呼吸肺动力机制模型

呼吸阻力（Rrs）来源于气道粘性阻力（Rrs）和肺的弹性阻力（Ers）,并随气道总阻力（Raw）而变化,气道粘性阻力（Rrs）和气体流速成正相关,而弹性阻力和肺的容积成正相关.故吸气时胸内压（Pmus）所需的压力即为克服这两个阻力之和.故

Pmus=Rrs×flow＋Ers×volume故Pmus主要决定于呼吸肌收缩力量.

当神经传导病变或呼吸肌疲劳时,Pmus下降.

当气道阻力（Rrs）或弹性阻力（Ers）增加时,Pmus下降不足以克服呼吸系统阻力使肺的吸气压力-容积曲线向右下移位,以致在正常呼吸时的下、上折返点的压力差（△P）不能引起相应的容积差（△V）变化!

即发生通气量下降.（图3）

图3.正常肺压力-容积曲线（下、上平坦部分即下、上折返点或称上、下拐点和中间的陡直段）

1.2常用的通气模式对肺吸气压力-容积曲线的影响

机械通气时吸气压力除Pmus外,尚有呼吸机提供的压力（即Paw=Pvent）.

在VCV和SIMV时,呼吸频率,流速,潮气量和通气量由呼吸机所设定,故通气量不受呼吸肌作功的影响.Paw随吸气力的增加而下降.吸气力与通气量无关.

在PCV或ASB（PS）时需设定Paw,通气量随吸气力加强而增加,此仅使原向右下移位的肺压力-容积曲线呈水平型上移（见图4）,仍无法矫正吸气力和通气效果之间的生理变化,以致易产生人机对抗,病人作功增加,通气不足或过度的机械通气副作用.

↙PEEP=FRC

1.3

PPS工作原理

肺内压

.图4.LIP=下折返点（低位拐点）UIP=上折返点（高位拐点）

（1）COPD,

（2）Asthma,（3）Normal,（4）ARDS.

自主呼吸是神经中枢周期性激活吸气肌而产生的.吸气肌收缩所产生的压力（Pmus）受a.吸气肌力大小,b.肺容积,c.吸气流速这三个因素的影响.在吸气过程中吸气力和其产生的压力（Pmus）之间关系也不断改变,当病人的吸气流速和潮气量需要辅助时,若提供一个与吸气力（Pmus）相应成比例的压力支持等于将病人的瞬间吸气力予以放大.此即是PPS.其原理如下:

吸气过程中的任意瞬间向呼吸系统提供的压力（Pappl）用于对抗气管粘性阻力（Rrs）和肺弹性阻力（Ers）,至于胸廓惯性阻力可忽略不计.则

Pappl=Pres+Pela公式1

Pres代表粘性阻力,由气体流速经气道所产生,代表呼吸系统压力和流速之间的关系.即

Pres=Flow（V’）×Rrs

Pela代表肺的弹性回缩力,是由大于功能残气（FRC）的肺容积所产生.即

Pela=Volume（V）×Ers

在自主呼吸时唯一提供压力的是呼吸肌肉,因此

Pmus=Pappl=Flow×Rrs＋Volume×Ers公式2

在吸气早期,Pappl主要由粘性阻力（cmH2O/L/s）成分构成,以后逐渐下降.而弹性阻力（cmH2O/L）成分在吸气早期可忽略不计,后期逐渐增加.

而Pmus的增加形式是由产生流速的压力决定的.在吸气早期流速逐渐增加,近吸气时间中点处达到峰值,随后逐渐下降,在自主吸气末降至0.此时Pmus亦巳下降,一旦低于Pela（肺弹性回缩力）,产生流速的压力转为反向,吸气停止转为呼气.

机械通气时压力和通气量的关系相同,公式可改为

Pappl=Pmus+Paw=Flow×Rrs＋Volume×Ers公式3

公式3中Paw代表呼吸机所产生的压力.

在PAV时,呼吸机提供与病人吸气力成正比例的Paw,此时

Pappl=Pmus+Paw=Pmus+Pvent

Paw=K1×Volume＋K2×Flow

其中K1是Paw和吸气容积的比值,单位与弹性阻力相同为cmH2O/L,K2是Paw和吸气流速的比值,单位与粘性阻力相同为cmH2O/L/s.如此

Pmus=Pappl－Paw

=（Volume×Ers＋Flow×Rrs）－（K1×Volume＋K2×Flow）

PPS为辅助通气模式,不需直接设定Paw,通气量和呼吸频率,而是设定潮气量辅助时的压力（VA）（cmH2O/L）,流速辅助时的压力（FA）（cmH2O/L/s）和辅助比例K1,K2（即辅助百分比）.其中VA=Ers×K1用于克服弹性阻力;FA=Rrs×K2用于克服气道粘性阻力.

应用PPS时,患者吸气肌收缩产生Pmus,触发呼吸机送气的同时,PPS系统的流量传感器感知患者吸气瞬间产生的流速和容量,通过快速反馈以设定的辅助比例所产生的Paw支持通气.

此即公式3.所述Pmus+Paw=Flow×Rrs.＋Volume×Ers

PPS辅助通气时,吸气的每一瞬间,呼吸机提供的压力（Paw）随Pmus的增强而升高,实质为呼吸肌的吸气力按设定的辅助比例增强,Pmus减弱时,Paw也随之降低,当Pmus+Paw低于呼吸系统弹性回缩压力时,吸气终止,开始呼气,完成一个呼吸周期.Paw如此周而复始进行通气辅助.

通过Paw辅助,患者控制每一个呼吸周期的呼吸形式,而Pmus决定了呼吸机送气的开始,维持和终止.自主呼吸和呼吸机送气时相可保持良好的同步性.患者可按自身的不同通气需要相应调节呼吸形式.

1.4PPS与PS的差别

1.4.1常用的PS,呼吸机提供的PS是恒定的,呼吸肌吸气力的大小对PS并无影响,结果造成通气支持不足或支持过度（见下图）

PS

←压力支持设定后恒定不变

Paw

←患者吸气力发生变化而PS并不相应改变

Pmus

1.4.2PPS与PS（ASB）在压力支持上的本质差别

图4中左侧是通常用的压力支持（ASB）,它对插管阻力的补偿从插管顶端直至肺泡是非选择性地完全以压力支持来补偿,且主要是对肺泡的补偿（即仅用于补偿肺弹性阻力）,而用于克服气管粘性阻力并未补偿.图的右侧是选择性补偿,插管部份的插管阻力以方形波流速自动补偿.对病理性支气管阻力以相应的流速辅助耒补偿,对病理性肺泡的弹性则以容积辅助耒补偿.故PPS比ASB更为合理,并可完全取代ASB（图5）.

选择性补偿

非选择性补偿

P

图5.PS,TC和PPS作用部位:

不同的气道阻力和肺顺应性可选择性补偿.

1.4.3PPS支持程度与患者吸气力大小成比例（见下图）

Paw

Pmus

使用了PPS后Paw的支持程度与患者吸气力大小成比例地增加.

2PPS的应用条件

2.1呼吸中枢功能正常

与ASB（PSV）相似,PPS为辅助通气模式之一,要求患者正常自主呼吸.无自主呼吸即无PPS.因此自主呼吸不稳定患者应用PPS时,应设定呼吸暂停通气备用,并需设定呼吸暂停报警,以保证使用PPS的安全性.

2.2吸气相要位于肺压力-容积曲线的陡直段

从PPS的原理可知,吸气时Paw作用于肺压力-容积曲线的陡直段最理想,即肺泡随吸气压力的变化成等比例扩张（见图6）.因此不同病变对应用PPS也应有所不同.

图6.肺内压力-容积图（下、上平坦部分即第一、二拐点和中间陡直段）

COPD患者气道阻力增加和功能残气增加导致气道陷闭,气体阻滞产生PEEPi.吸气肌必需先克服PEEPi,打开陷闭的气道才能产生吸气气流,此时吸气正处于压力-容积曲线的平坦段（下折返点）,即吸气压力有明显变化而肺容积仅轻度增加.PPS模式若不同时设定PEEP,Pmus必需先克服PEEPi,才能触发通气,PEEPi不同程度地削弱了通气辅助.故COPD应用PPS时需加用PEEP,扩张陷闭的气道,使PPS作用于吸气压力-容积曲线的陡直段.PEEP设置应是PEEPi的80%.

ARDS患者肺泡大量萎陷,肺顺应性显著降低.吸气压力-容积曲线具有特征性的低位折返点,曲线起始段平坦,低位折返点后即变为陡直段.若不设定PEEP导致吸气早期肺泡不易扩张,同样削弱通气辅助效果.因此ARDS患者应用PPS时,PEEP需设置在低位折返点时的压力加2-3cmH2O.使PPS作用于吸气压力-容积曲线的陡直段.

3PPS的设定原则和方法

3.1根据肺的R,C计算增加的作功量

Pmus＋Pvent=R×Flow+1/C×Volume要使Pmus=0则

Pvent=R×Flow＋1/C×Volume

流速辅助容量辅肋

Flow:

表示得到一定通气量的流速PPS满足自主呼吸

Volume:

表示患者需要的通气量多少所需的流速和容量

3.1.1Evita4的CPAP+PPS设置界面

3.1.2Evita4的流速辅助（FlowAssist）和容积辅助（Volumeassist）（见下图）

流速辅助:

流速增加必导致气道压力上升（Paw）,Evita4流速辅助设置时其单位是mbar/L/s.

容积辅助:

容积增加也导致气道压力上升,Evita4容积辅助设置时其单位是mbar/L.流速、容积与压力的关系参阅下图.

然后根据期望值来设定FA和VA的大小.

压力支持成比例的吸气流速（mbar/L/s）

压力支持成比例的吸入容量（mbar/L）

3.1.3PPS-压力曲线的特点

P

P

3.1.4PPS与PS（ASB）同步性比较（见图7）

图7说明:

图左侧为ATC（插管阻力补偿＋PPS,PEEP=5mbar,VAPS=13mbar,FPPS=2mbar/L/s）

图右侧为IPS（间歇性PS-非完全同步,流量触发为33ml/s=2.0L/min,压力上升时间为26mbar/s.

图底部为呼吸机与患者自主呼吸的同步性情况,PPS完全同步,而PS虽然流量触发巳设置为最小值（成人）,但呼吸机仅能与患者间歇性同步给予压力支持.

图7PPS与PS同步性比较

3.2PPS设定的原则

3.2.1同时设定FA（流速辅助）和VA（容积辅助）

生理气流为减速气流,吸气早期阻力以气道粘性阻力（Rrs）为主.Pmus主要用于克服Rrs;而肺弹性阻力（Ers）吸气早期较低,随吸气进展和肺泡扩张而逐渐增加,故在吸气中晚期Pmus主要用于克服Ers.可见吸气过程中Pmus用于克服Rrs和Ers的比例不恒定.大多数机械通气患者除疾病本身导致Rrs和Ers增加外,尚有气管插管和呼吸机管道所产生的额外助力的增加.故应用比例辅助通气（PAV）时:

单独设定VA（用于克服弹性阻力）,因气体流速上升受限必然导致通气支持不足,患者易感气体供应不足,导致或加重呼吸窘迫.

单独设定FA（用于克服气道粘性阻力）,必然导致肺泡通气量不足或呼吸肌作功增加.故急性呼衰患者单独采用VA,患者呼吸肌作功降低,但该效果因缺乏FA而极大地被抵消.若同时采用VA和FA,患者感觉最舒服.故应用PPS时,必需同时设置VA和FA.（见图8）

8

Res和Ela所作的呼吸功（WOB）

图8为三种呼吸状态:

左图的SB=自主呼吸时的克服气道总阻力所作之功（WOBres）和克服弹性阻力所作之功（WOBela）.中图为加用40%的VA后,Vt有所增加,WOBela减少,但WOBres随之增加,WOBtotal无显著变化.右图加用50%的FA后,WOBres明显减少而WOBela轻度增加,Vt也轻度增加但WOBtotal增加幅度很小.所以VA+FA同时设置效果最佳.

3.2.2辅助比例小于100%

理论上辅助比例达100%时,患者呼吸肌作功可减小至0.但由于呼吸机本身技术隐定性的限制和由于PPS本身作用机理这两个因素易发生脱逸现象（即过度补偿）:

VA过度补偿可出现:

（a）呼吸机持续送气出现高容量报警或可见及患者主动使用呼气肌呼气,（b）是流速曲线快速上升到一个高水平后突然下降中断.FA过度补偿使呼吸机明显处于"误触发"且不能用设定流量触发来纠正.发生脱逸现象导致呼吸机持续送气,产生肺过度膨胀或气压伤.因此PPS辅助比例以低于80%以下最为安全.

3.2.3根据患者需要和病情变化适当调整辅助比例

PPS合理设定条件之一是准确测定Rrs和Ers.目前在VCV下采用肌肉松弛剂控制通气,静态测定气道阻力和胸肺总顺应性,但患者清醒后自主呼吸过程中Rrs和Ers并非固定不变,而PPS的辅助比例则是依据恒定的Rrs和Ers设定的.因此应用PPS过程中设定的辅助比例并非恒定不变,而需根据患者通气支持的舒适程度及时予以调整.

另外,在阻力增加情况下,患者增加呼吸肌的作功来提高Paw以保持所需的通气量,此易引起呼吸肌的疲劳,反而降低呼吸肌收缩做功能力,从而降低了Paw,最终导致肺泡通气量的不足.由此可见,通气辅助过程中尚需结合病情变化及时调整辅助比例.

3.3PPS设定方法

神经肌肉或肺组织等发生病变时均可采用PPS通气,但不同疾病对PPS有不同的设定要求.

3.3.1神经传导系绝和呼吸肌疾病设定方法

格林-巴利综合症,重症肌无力或呼吸肌疲劳的主要病理生理改变为Pmus降低,而Rrs和Ers正常.应用PPS时,应根据Pmus下降的程度设定辅助比例,使吸气压力恢复正常,维持正常肺泡通气量.如呼吸肌作功能力仅为正常的一半,则K1和K2应设置为50%.（Paw=K1×Volume＋K2×Flow）同等的比例补偿因病变所降低的呼吸肌作功.

3.3.2Rrs和Ers升高时设定方法

COPD,ARDS和重症肺炎,Rrs和Ers均明显升高.呼吸肌负荷加重,Pmus不能完全克服升高的阻力,使肺泡通气量降低.应用PPS时应根据升高阻力占总阻力的比例设定辅助比例,由呼吸机来完成升高的阻力功,使患者的呼吸肌仅用于克服正常情况下的阻力作功,从而在恢复肺吸气压力-容积正常变化关系和同时,防止呼吸肌疲劳.比如弹性阻力由正常情况下15cmH2O/L上升到40cmH2O/L（Ers=1/C,由此按肺顺应性降低来计算即=1/15－1/40=66.6-25=41.6ml/cmH2O,将此值与正常值比即41.6/66.6=62.5%,此即为辅助的比例）,气道阻力由4cmH2O/L/s上升到6cmH2O/L/s（即6-4=2cmH2O/L/s,将此增加值2和正常值4来比即2/4=50%）,则K1需设置为62.5%,K2为50%.

3.3.3上述两种病变同时存在时设定方法

对于存在神经传导系统,呼吸肌肉病变和阻力增高患者而言.应用PPS时设定比例产生的Paw既要补偿呼吸肌无力降低的呼吸功,同时要克服病变额外增加阻力功.同样保持患者呼吸肌仅完成正常情况下的阻力功.

3.4具体设置VA和FA的方法:

有三种

（1）根据上述气道闭合法测算结果来决定VA和FA.计算公式为Rrs=PIP－Pplat/PIF和Ers=Pplat－PEEP/Vt,在静态条件下测定的Ers和Rrs后其80%即为预设的VA和FA值,以后需结合气道峰压和潮气量来调整VA和FA的设置;CPAP则设置为PEEPi的50-80%水平,且以不提高平均气道压（Pmeab）为宜..

（2）脱逸法:

将VA和FA均设置在最小值（VA=2cmH2O/L,FA=1cmH2O/L/s）,然后逐渐增加VA,每次2cmH2O/L直至出现脱逸现象此时的VA相等或略高于Ers,其80%或脱逸时的VA减少2cmH2O/L即为预设的VA值.

调节FA,每次增加1cmH2O/L/s,当流速辅助过大时,呼吸机会出现"误触发"现象,此时的FA值即相等于Rrs,其80%为预设的FA值.FA过大时会出现压力脱逸.

（3）根据患者自觉舒适程度来调节:

呼吸系统具有极敏感的机制可觉察压力-流速关系（气道阻力变化或压力-容积关系（顺应性变化）的异常.负荷变化很小时,不会引起肌肉负荷增加,但易被患者觉察并有不适服的感觉.故用患者自身感觉来调节FA和VA是一种基本可行的方法.

4PPS的特点

4.1保持患者对呼吸模式的控制,减少人机对坑

PPS辅助呼吸时不需设定Vt,f,和气道压力等参数,而是通过自主呼吸的大小决定Paw的高低和时相.Paw水平随Pmus的增加而成比例扩大,Pmus决定了呼吸机辅助的开始、维持和终止,患者控制每一呼吸周期的呼吸形式使自主呼吸和呼吸机保持良好的同步性.

与常用通气模式相比,PPS有以下几方面优点:

（1）减少人机对抗,降低呼吸肌无效作功,防止呼吸肌疲劳.

（2）可根据患者不同通气需要随时调整呼吸形式.如发热,寒战等代谢增加在CO2产生增加情况下,患者可主动调整呼吸频率,呼吸节律和吸气力量,增加肺泡通气量以排出CO2,维持体内酸碱平衡和内环境稳定.（3）减少镇静剂和肌松剂的应用,保留呼吸道清除能力和自主呼吸,缩短机械通气时间,防止发生呼吸机依赖.

4.2降低气道峰压

正压通气可改善低氧血症和CO2滞留,但对循环功能可产生不同程度影响.主要是使中心静脉压升高,静脉回流减少,右心室后负荷增加,同时胸内压升高使其顺应性降低,心室充盈受限,心脏前负荷减低,最终使心输出量和氧输送量减少.PSV和VCV常用通气模式与PPS同属正压通气.但PSV和VCV通气时患者呼吸肌仅在早期吸缩作功,在吸气中晚期停止收缩;而PPS,在吸气过程中呼吸肌始终收缩作功,且吸气末收缩力最大产生的Pmus也相应提高,与常用通气模式比较,在潮气量相同情况下气道峰压因此相应降低,从向减少正压通气对循环功能的干扰,同时有利于发挥肺保护性通气作用.

4.3防止通气支持不足或肺泡过膨胀.

PSV等传统通气模式无法恢复吸气压力和肺容积之间的生理变化关系,由前图3可知,每一呼吸周期中,仅某一吸气压力对应的肺容积与生理情况相符,其余吸气压力对应的容积均低于或高于生理情况下两者间的对应关系,故易产生肺泡通气不足或通气过度.而PPS可恢复吸气压力和肺容积之间正常变化关系.患者控制每一呼吸周期的呼吸形式,在辅助比例一定的前提下,患者根据自身需求而调节吸气之力,进而改变Paw辅助水平,调整潮气量的大小,防止肺泡过度膨胀,以免发生气压伤,发挥重要的肺保护作用.

5PPS的应用研究

近年来,PPS在不同领域的应用研究取得了长足进展

5.1PPS在不同疾病患者中的应用研究

限制性通气障碍:

MolsG等人对正常束缚其胸、腹部人为造成限制性功能障碍,导致呼吸系统顺应性降低,分别进行PSV和PPV通气,其中PPS只给予VA辅助.结果与PSV相比,在PPS模式下病人感觉最舒服;同一患者应用PPS的不同呼吸周期中,潮气量,呼吸肌作功和峰流速的变化较PSV时明显.说明PPS不仅协调吸气力和通气效果之间关系,而且患者可根据自身需要调整呼吸形式.

急性呼吸衰竭:

NavalesiP着重探讨自主呼吸与PPS不同辅助比例（20%,40%,60%,80%的VA,合并或不合并固定比例的FA时患者呼吸形式和呼吸肌作功差别.结果表明高于40%VA合并FA呼吸频率显著降低,呼吸肌作功显著下降;这些效应髓VA辅助比例升尚而增加.提示急性呼吸衰竭患者应用PPS时需同时设定VA和FA,不仅改善肺泡通气且显著降低呼吸作功.

阻塞性通气功能障碍:

以COPD为对象,AppendiniL等比较了自主呼吸,CPAP,PPS及CPAP+PPS对患者呼吸形式和呼吸肌作功的差别.结果显示其中以PPS+CPAP可显著增加潮气量,分钟通气量,和I/E比,明显降低呼吸频率.和自主呼吸比:

CPAP,PPS及CPAP+PPS均可明显降低PEEPi和呼吸肌作功,但以CPAP+PPS效果最显著,提示PPS同样适用于COPD患者.（参阅图9）

图9.PPS与CPAP的波形比较

5.2PPS与传统通气模式的比较研究

PPS与PSV同属正压辅助通气.叶哨比较了PSV和PPS对COPD患者的通气效果,结果是这两种模式下的动脉氧合相同,与PSV相比,PPS使患者感觉舒服;吸气峰压和呼吸肌作功显著减少.（见图10）

图10.PSV与PPS的波形比较

图10为PSV与PPS比较,图中A其潮气量为0.2升,B其潮气量为0.7升,呼吸系统的Ers=13.7cmH2O/L,Rrs+6.8cmH2O/L/s.三条曲线

（1）为自主呼吸.

（2）为PPS辅助比例为50%.（3）PS=6cmH2O.从中可发现流速变化（上图）PPS时的流速更接近患者的实际,在低潮气量（A）,PPS时气道峰压低于PSV（下图）.而在高潮气量（B）时,PPS的胸内压变化程度最小（中图）.

GrassoS对机械通气患者分别进行了PSV和PPS通气,设置如下:

（a）并以同等程度降低呼吸肌作功为依据,分别没定了PSV的压力和PPS的辅助比例,（b）通过束缚患者胸腹部以增加呼吸系统的Ers.比较这两种通气效果.结果表明:

（1）Ers升高时呼吸肌作功均增加,但PSV显著高于PPS,且患者有明显窒息感.

（2）PPS辅助压力增加而PSV压力支持恒定;PSV时潮气量降低,通过反馈增加呼吸频率以维持恒定的分钟通气量;而PPS时潮气量和呼吸频率变化幅度均明显低于PSV,分钟通气量增加.（3）PSV时压力容积曲线的斜率同阻力增加之前的0.08降至0.03,PPS时增加到0.3提示通气效果显著改善.

SIMV与PPS比较:

YouneM研究表明:

应用PPS时患者感觉舒服,潮气量增加,呼吸频率和峰压明显降低,而血气分析无显著差异（PO2,PCO2）.

上述比较研究PPS更符合生理通气机制,保证了通气目标同时具有重要的肺保护作用.