机械通气的呼吸力学
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肺通气是指空气进出肺部的运动。肺的主要功能是为身体提供氧气和清除二氧化碳这一新陈代谢的废物。
肺总的容积可以被分划分成较小的容积单位。这些单位是根据肺总量、肺的静息呼气末容积和几次呼吸动作创建的。共有四种基础容积，五种肺容量。肺容量是两个或多个基础肺容积的组合（参见图1）。下图显示了这些基础肺容积和肺容量构成。
图一：肺容积和肺容量
测量和区分肺容积是有用的，因为不同的呼吸系统疾病会影响不同的容积和容量。同时这些变化可以通过肺功能来测量，以帮助诊断和治疗不同的疾病。当机械通气时，了解肺容积和容量是如何被呼吸所影响的将有助于你更有效、更安全地为患者进行机械通气。
基础肺容积：
1、潮气容积（tidal volume，Vt）是在平静呼吸时每次吸入或者呼出的气量。
2、补吸气容积（inspiratory reserve volume，IRV）是在平静吸气后，继续吸气所能吸的最大气量。
3、补呼气容积（ expiratory reserve volume，ERV）是在平静呼气后，继续呼气所能呼出的最大气量。
4、残气容积（residul volume，RV）是完全呼气后肺内仍不能呼出的残留气量。
肺容量
1、深吸气量（inspiratory capacity，IC）是平静呼气后能吸入的最大气量，IC=Vt+ IRV。
2、功能残气量（functional residul capacity，FRC）是平静呼气末肺内容纳的气量，FRC=ERV+RV。
3、肺活量（vital capacity，VC）是最大吸气后能呼出的最大气量， VC=IRV +Vt +ERV或者VC=IC+ERV。
4、肺总量（total lung capacity，TLC）是深吸气后肺内所含有的总气量，TLC=IRV +Vt +ERV+RV或者TLC=IC+FRC或者TLC=VC+RV。
呼吸时压力变化
肺容积的变化是对胸部扩张和收缩产生的压力梯度的反应。呼吸过程中有四种不同的胸腔压力。Pm=口腔压，Palv=肺泡内压（肺内压），Ppl=胸膜间隙内压（胸膜内压），Pbs=体表压力
图1呼吸系统压力
为此，肺的压力将以相对大气压（0=760毫米汞柱，或1个大气压）来表示。除非对气道施加正压，否则口腔压（Pm）始终为0。除非患者使用负压呼吸机进行通气，否则体表压力（Pbs）也始终为0。肺泡压（Palv）在整个呼吸循环中都会发生变化。胸膜腔内压（Ppl）在安静呼吸时通常为负值，在整个呼吸周期中也会发生变化。
这些压力之间的差异称为压力梯度。呼吸力学中有三个关键的压力梯度：经呼吸、经肺和经胸压力梯度。如图2所示。
跨呼吸系统压力梯度是口腔压（Pm）和肺泡之间的差值，负责呼吸过程中气体进出肺泡的量。
跨肺压力梯度是肺泡和胸膜腔间的压力差，负责让肺泡膨胀。
跨胸壁压力梯度是胸膜腔压力和体表压力之间的差值，代表肺和胸壁扩张或收缩所需的总压力。
图2显示了呼吸周期中整个肺的压力和压力梯度的变化。
图2正常呼吸时肺内压力、容积和流量的变化
在吸气开始前，胸膜腔的压力为-5cmH2O，肺泡压力为0cmH2O。当肺处于静息状态时，即呼气结束时，这转化为-5厘米H2O的经肺压力梯度。这个负梯度有助于维持FRC。
当吸气开始时，吸气肌开始工作，导致胸腔扩张。胸部扩张通过引起胸膜压力下降来增加经胸压力梯度。随着胸膜压力下降，经肺压力梯度变大，导致肺泡扩张。随着肺泡扩张，肺泡压力下降低于口腔压力，这种负的经呼吸压力梯度会导致空气从口腔进入肺泡，增加肺泡容积。
随着胸腔压力在吸气结束时持续下降，肺泡压力开始与大气平衡，肺泡填充减慢，吸气流量降至零。在吸气末，跨肺内压力梯度达到最大值（约-10cm H2O），对应相应的肺潮气量。
当呼气时，胸部收缩，胸膜腔压力升高，肺泡压也随之升高，开始呼气。当肺泡压开始超过口腔压时，正向跨经呼吸压导致空气从肺中排出。呼气流量下降到零，新的呼吸循环开始。
为了通气，必须克服一些力。这些包括弹性阻力、表面张力、顺应性和阻力。
弹性阻力
由于肺实质中存在弹性纤维和胶原纤维，肺具有弹性阻力的相关特性。弹性是材料试图保持其形状并抵抗拉伸力的倾向。根据胡克定律，弹性阻力定义如下：
E = ∆P /∆V，式中∆P=施加在肺部的压力变化，∆V=肺部容积变化。
肺牵张的概念可以比作弹簧。随着施加在弹簧上的力的增加，弹簧以线性方式延长。但是，弹簧的拉伸能力是有限的。当达到最大拉伸点时，施加在弹簧上的附加力几乎不会增加长度。进一步的张力可能会使弹簧断裂。
当在基于弹性阻力的压力-容积曲线上绘制单次呼吸时，你会看到吸气和呼气的交汇点。然而，如图3所示的正常压力-容积曲线表明，在呼气期间，任何给定压力下的肺容积都大于吸气期间的肺容积。这条曲线叫做滞后现象，是由于肺泡的表面张力产生的。
图3：正常的压力容积曲线
表面张力
1929年von Neergaard首次报道了肺表面张力的性质。他观察到，当你比较一个充满盐水的肺和一个充满空气的肺时，将充满盐水的肺充气到一个给定的容积所需要的压力更小，而且肺没有表现出滞后的特性。
肺泡内部衬有一层薄薄的液体膜，形成气-液界面。拉普拉斯定律告诉我们保持球体开放所需的压力与壁面张力成正比，与球体半径成反比。这可以通过以下等式来证明：P = 2T/r ，式中P=肺膨胀所需的压力，T=肺泡壁的张力，r=肺泡半径。
顺应性
顺应性是弹性阻力的反义词和倒数。例如，顺应性低的肺需要更大的压力才能充气。以方程式的形式，顺应性定义为：C = ∆V /∆P ，∆V=体积变化（单位：L），∆P =压力变化（单位：cm H2O），C=顺应性（单位：L/cm H2O）。
肺顺应性随年龄、体位及各种病理改变而改变。正常成人肺顺应性范围为0.1-0.4L/cmH20。顺应性是在静态条件下测量的；也就是说，在没有气体流动的条件下，为了从方程中消除阻力因素。
根据其骨骼和肌肉组织的结构，胸壁和肺一样具有弹性。胸壁的正常顺应性与肺的顺应性大致相同为0.2 L/cmH20。然而，在测量时，由于肺和胸壁是共同起作用的，所以它们是在如下等式所示的等式中测量的：1/CLT=1/CL+1/CT，等式中，CLT=肺和胸部的顺应性，CL=肺的顺应性，CT=胸部顺应性。
利用这个方程，肺和胸壁的总顺应性约为0.1 L/cm H20。在机械通气病人中，顺应性可以通过潮气量除以（平台压力-总PEEP）来测量，VT (del) /PPLAT - PEEPTOT 。
阻力
肺的阻力分为两部分：肺组织阻力和气道阻力。肺组织阻力仅占总阻力的20%左右，由呼吸循环中器官和胸壁运动引起的运动阻力（摩擦）组成。
气道阻力是空气在整个呼吸系统和传导气道中运动所产生的摩擦力。
阻力公式是从观察给定流量下从管道一端到另一端的压力下降的物理学中推导出来的。这取决于流动类型（层流或湍流）、管的几何形状、气体的粘度和气体的流速。阻力公式由泊肃叶定律给出：∆P=n8lV/r4，式中∆P=驱动压力梯度，n=气体粘度，l=管道长度，V=气体流量，r=管道的半径。
在肺的气道中，使用以下方程式测量阻力：RAW=（PM-PA）/· V ，式中PM=口腔压力（单位：cmH2O）PA=肺泡压力（单位：cmH2O），V=流速，单位：L/sec，RAW=气道阻力（单位：cm H2O/L/sec）。
在自主呼吸的成人中，正常气道阻力估计为2-3cmH2O/L/S。
在机械通气病人中，阻力可通过（峰压-平台压）/流速（升/秒）来测量。
翻译：董妍 河北省中医院