什么是有创呼吸机图片呼吸机：过去、现在和未来（二）
呼吸机：过去、现在和未来（二）
（一）第一代ICU呼吸机
设计用于正压有创通气的呼吸机在20世纪40年代和50年代开始使用。图11展示了一些早期的模型。这些早期有创呼吸机的关键区别特征是它们只提供容量控制通气(表1）。这些第一代ICU呼吸机不可能实现触发的通气[11，12]。然而，这些呼吸机有简单的有复杂的，Morch呼吸机是一个单回路、简单的活塞式呼吸机，这是这一组中最不复杂的一种，被设计为放置在病人的床下(见图11）。这个呼吸机没有监视器，没有警报，也没有特定的设置。必须计算呼吸频率，并用二次装置测量潮气量。气体总是以吸气/呼气比例为1：2的比例输送[12]。在图11的另一端是Engstrom呼吸机，因为它有一个双回路，可以用作麻醉机或ICU呼吸机[12]。虽然它的监测能力受到限制，但它确实包括气道压力和潮气量监测，并允许更精确的呼吸频率设置，但它仍然只提供机器触发的1：2的吸气/呼气比。Emerson呼吸机介于这两个极端之间，也是一个容量控制的呼吸机，只提供机器触发的吸气，但它有一个可调节的吸气/呼气比和压力和容量监测，但它不能用于麻醉气体的输送，因为它只有一个单一的回路[12]。
图11 呼吸机只提供容量控制，没有触发。从左上角顺时针方向：Morch呼吸机，Emerson呼吸机，Engstrom呼吸机（来自参考[12]，经许可）
表1 几代ICU呼吸机
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代 |
时间 |
区分特征 |
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第一代 |
从20世纪初到70年代中期 |
只有容量控制的通气 |
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第二代 |
从70年代中期到80年代初 |
第一次出现由患者触发通气 |
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第三代 |
从80年代初到90年代末 |
微处理器控制 |
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第四代 |
90年代末 |
提出了大量的通气模式 |
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第五代 |
只有时间会告诉 |
智能提供决策支持通气 |
这是第一代ICU呼吸机，但没有呼气末正压。直到Ashbaugh等人[24]发表了一篇具有里程碑意义的论文之后，呼气末正压成为ICU的标准治疗方法。使用这一代呼吸机，应用呼气末正压，如图12所示[25],通过将回路的呼气管路放在水下，其深度等于所需的呼气末正压。这一代呼吸机在20世纪70年代初随着Puritan Bennett MA-1呼吸机的出现而结束。
（二）第二代呼吸机
第二代呼吸机在许多方面都有不同之处。简单的病人监测被设计到呼吸机上，大多数可以监测潮气量和呼吸频率，但这一代呼吸机最显著的特征是病人触发吸气。但仍然只有容量通气系统[26]。这也是第一次具有包括气道高压、高频率和低潮气量等基本警报的呼吸机。在这一代呼吸机引入后不久，间歇性强制通气(IMV）被引入成人通气。Downs等人[27]在1973年发表了第一个使用IMV的病例系列，他们使用了一个引入呼吸机回路的外部二次IMV气体流动系统(图13）[28]。后来这一代的呼吸机增加了需求值，IMV变成了同步间歇强制通气(SIMV）[29]。除了Puritan Bennett MA-1呼吸机外，西门子Servo和Ohio 560呼吸机是这一代的典型呼吸机(图14）。在这一代呼吸机结束时，Servo 900C引入压力支持和压力控制通气[30]。
图14 从左上角顺时针方向：Puritan Bennett MA-1, Ohio 560, 西门子Servo 900
在20世纪70年代末，Hewlett等人发表的一篇文章提供了对呼吸机模式的未来的初步设想[31]。如中所示图15，他们是第一个展示闭环通气概念的人。虽然他们的强制分钟通气的方法纯粹是机械的，但它确实作为一个闭环控制器，并为今天的许多模式提供了一个模型。气体进入了这个系统（请参见图15），并优先进入一个风箱，病人可以自主呼吸。如果螺纹管完全充满，气体就会进入第二个螺纹管。一旦风箱充满气体，风箱中的气体就会作为正压呼吸传递给病人。根据进入系统的气体流量、风箱容量的设置和患者自发的分钟量，所有的呼吸要么是自发的，要么是强制性的（如果患者呼吸暂停），或者是两者的混合。这个初始系统的主要问题是，患者可以以非常快速和浅的呼吸模式呼吸整个分钟的容积，但它确实提供了第一种形式的闭环控制。
（三）第三代ICU呼吸机
典型的第三代ICU呼吸机是Puritan Bennett 7200，Bear 1000，Servo 300和Hamilton Veolar型呼吸机(图16）。所有这些呼吸机共同拥有的一个最重要的单一因素是微处理器控制。这是机械呼吸机发展中的一个重大事件，因为这意味着几乎任何进行气体输送和监测的方法都是可能的。我们所需要的只是创新、工程技能和金钱！此外，气体输送的机制也得到了大大的加强。这些呼吸机对病人需求的反应明显高于前几代的机械呼吸机[32]。流量触发也成为了现实，再次减少了患者激活气体输送所需的努力。这个时代的几乎所有呼吸机都包括压力支持、压力控制、容积控制和SIMV。SIMV不仅适用于容积通气，而且在自主呼吸时也可应用压力通气和压力支持[33]。
这一代的所有呼吸机也包含了广泛的警报和监视器。他们不仅监测病人的状态，而且几乎监测呼吸机功能的各个方面。这也是呼吸机的产生，其中首先引入了压力、流量和容量的波形，以及压力-容量和流量-容量环[31]。
Stock等人[34]首次使用了气道压力释放通气。Stock等人使用的电路(图17）是一个简单的高流量系统，包括一个电磁阀和2个呼气末正压阀。该方法采用了高水平的持续气道正压(CPAP），但定期将CPAP降低到一个较低的水平，以辅助通气。该螺线管可以被编程来应用于高CPAP和低CPAP之间的任何吸气和呼气时间的比例，以及任何下降到低CPAP水平的频率。
图17 首次应用气道压力释放通气（来自参考[34]，经许可）
（四）第四代ICU呼吸机
这是目前一代ICU呼吸机，是有史以来制造的最复杂的和最通用的(图18）。在这个时代，所有类型的呼吸机的数量都明显显著增加。世界各地有许多被归类为ICU呼吸机的呼吸机。有许多被称为亚急性呼吸机，以及运输/家庭护理呼吸机和专门为NIV应用设计的呼吸机。
区分这一代呼吸机的唯一特点是可用的通气模式。此外，许多这些新的模式都是基于闭环控制的理论。关于这些新模式，我们都应该问制造商的问题是：“它们是提供了价值，还是它们只是更多的花哨功能？”用来确定一种新的通气模式是否有用的问题是：
它能使通气系统更安全吗？
它是否降低了呼吸机引起的肺损伤或血流动力学损害的可能性？
它是否能更有效地使病人通气或加氧？
它能使病人更快地摆脱通气支持吗？
它是否改善病人与呼吸机之间的同步性？
如果这些问题的答案都是否定的，那么这个模式本质上是无用的。幸运的是，大多数更新模式似乎对至少一个问题的答案是肯定的。
这些新模式在很大程度上是基于压力通气的方法。也许这些模式中最复杂的是自适应支持通气，它试图建立一个基于Otis呼吸功模型的通气模式[35]。临床医生输入患者的理想体重、所需的分钟容量和最大气道压力，呼吸机决定导致呼吸功最少的呼吸频率和潮气量组合。这种模式是由呼吸机自动调节通气压力和呼吸速率来建立的[36]。在这个模式的最新版本中，呼气末PCO2也被添加作为一个输入[37]。初步数据表明，这种模式在一些患者中很有效[38,39]。但是，就像所有这些模式一样，还需要进一步的研究来确定何时应该使用它。
智能治疗是另一种形式的闭环控制的压力支持脱机[40]。呼吸机每2～4min自动调整压力支持水平，以维持预定呼吸频率、潮气量和呼末PCO2，分别针对COPD患者、气管插管和气管切开、以及主动和被动加湿的患者，当压力支持水平降低到预定水平时，呼吸机自动进行自主呼吸试验(SBT）[41]。如果患者的SBT检查失败，呼吸机就会自动恢复通气。如果患者通过SBT，呼吸机通知医务人员，患者应考虑拔管。最近的一项随机对照试验比较了智能治疗与临床医生执行的脱机操作，发现患者使用智能治疗脱机的速度更快[40]。这项研究受到了批评，因为在对照组中，临床应用的SBT的执行情况并不一致，有50%的时间被遗漏了。在最近的一项研究中，对照组按照该方案脱机，但发现智能治疗没有任何好处[42]。然而，在现实世界中，这种类型的模式非常有用，因为它们确保当患者满足定义的标准时，无论临床医生有多忙，都能提供适当的治疗。
在第四代呼吸机上有比例辅助通气和神经调节通气辅助，但应考虑未来的模式[43]。对于这两种模式，压力、流量、容量和时间都没有设置。设定的是病人在不强制通气模式的情况下的通气努力的比例。比例辅助通气功能是通过响应膈肌和吸气附属肌的机械输出（吸气流量和容积）[44]，而神经调节通气辅助功能是通过响应对横膈膜的神经输入（电活动）。[45]来自这些模式的生理学研究的数据表明，当患者过渡到任何一种模式时，同步性改善，潮气量减少，呼吸频率增加，峰值气道压力降低[46-51]，对气体交换或血流动力学没有不良影响。迄今为止，还没有发表过将这些模式与传统机械通气进行比较的随机试验，但预计这些模式改善患者预后的能力将在未来得到展示。
这一代几乎所有的呼吸机都包括NIV模式[22,23]，而且许多人都能够给新生儿和成人一样进行通气[52]。目前，NIV模式在这些呼吸机上的能力差别很大。有些人在补偿漏气方面做得很好，而另一些人则没有。然而，预测所有这些呼吸机最终将为NIV提供与专门为NIV设计的呼吸机相同的功效。如Marchese等人[52]所示，大多数这些呼吸机至少与传统的新生儿呼吸机一样能够满足新生儿的需求。希望他们在这个级别上的功能将随着时间的推移而得到改善。
这一代的所有呼吸机都易于升级，包括波形作为一个基本的操作功能，并提供广泛的监控。每一个变量都提供了20到40个单独变量的监测数据。许多都提供多个数据表示屏幕。几乎显示了所有可能的病人和呼吸机变量。这些单元中的大多数也有趋势数据。
其中一些呼吸机包括特定的管理/评估软件包。有些则允许临床医生对压力-容量环的性能进行编程。还有一些项目可以轻松地进行操作或减少的呼气末正压试验。其他的选择有助于评估脱机和脱机试验的性能，而其他的选择允许测量食道压力和功能残余容。当前一代的ICU呼吸机远远领先于我们在上世纪60年代或70年代使用的ICU呼吸机。考虑到过去50年里ICU呼吸机发生了多大的变化，我们可以推测ICU呼吸机的未来。
（五）未来的ICU呼吸机
未来的ICU呼吸机可能看起来与今天没有太大的不同，但有几个特点将明显区分它们与当前一代的呼吸机(表2），届时还将与其他床边技术进行集成。在几年内，所有ICU都将拥有电子图表，来自所有床边技术的数据将被传输到电子文件系统。因此，呼吸机必须能够通过电子方式与所有其他床边技术集成。
表2 未来呼吸机特点
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与其他床边技术的集成。 能够在所有环境下有效地为所有患者进行通气，无论是有创的还是无创的。 在呼吸机的基本操作中所包含的呼吸机管理草案。 在mL/kg中显示的潮气量预测了体重。 智能报警系统。 显示信息，而不是显示不相关的数据。 判定呼吸机支持力度。 呼吸机支持的大部分方面的闭环控制。 |
用于新生儿通气、NIV和运输的特定呼吸机的日子将过去，明天的ICU呼吸机将能够完成所有这些任务，或者比过去的单独呼吸机更好。现有的证据表明，一些呼吸机已经能够在多种情况下提供通气，并且在未来所有的情况下都会提供通气[22,23,52]。
方案将成为ICU呼吸机基本操作的一部分。随着越来越多的证据表明，我们应该如何提供肺保护性通气，以及我们应该如何管理特定的疾病，呼吸机将能够将循证医学集成到它们的基本操作方法中。我们应该根据病人的预测体重来设置潮气量。未来的呼吸机将要求我们输入患者的身高和性别，其体积除表示绝对体积外，还将预测的体重以mL/kg表示。急性呼吸窘迫综合征的方案[53]，以及执行肺补充操作的不同方法[54]、PEEP设置等[55]，将会在未来的呼吸机上进行选择。这些方法仍然需要临床医生设置基本参数，但呼吸机将提供指导，以确保在当前最佳的循证指南下进行通气。
重症监护室里的大部分噪音污染都是由警报造成的。然而，在绝大多数情况下，这些警报都是错误的。因此，医务人员往往忽略警报（“警报疲劳”）。未来的呼吸机将会纠正这个问题。智能警报器将取代我们现有的系统。例如，高压警报不需要每次压力超过设定水平时发出。明天的呼吸机将能够识别出警报的模式。
我们将以不同的方式解释以下3种情况，没有理由为什么呼吸机不能做同样的事情。首先，气道压力的周期性增加，偶尔会超过设定的水平。第二，在潮气量不变的数小时内缓慢增加的峰值压力。第三，气道压力随着每次呼吸而增加和传递的潮气量，一旦达到极限，随着每次呼吸而变小。所有这3种情况都代表了具有不同反应紧急程度的潜在临床情况。
第一种很可能是由于患者气道中的分泌物或呼吸机回路中的水导致气道压力峰值升高。这不是一个紧急情况。第二种情况描述了患者肺力学的变化，要求临床医生确定原因，并有可能调整通气入路。但这并不是一种紧急情况。然而，第三种情况是出现了紧急情况。这可能表明张力性气胸已经发展，需要立即处理。显然，这三种情况下的警报条件应该会有明显的不同。明天的呼吸机将能够解释这些模式。
明天的呼吸机不会列出对临床医生没什么用处的不相关数据清单。一个人只能处理有限的单个数据片段。下一代的呼吸机将提供信息：而不仅仅是数据线，而是易于解释的图表或图形，允许临床医生快速确定患者的状态是否已经改变。使用图形来表示患者状态的变化已经在至少一个呼吸机上使用[56]。重要的相关变量将被提出，以便临床医生可以迅速确定是否发生了变化。例如，潮气量和气道压力将以一种可以很容易地理解这些变量的趋势的方式呈现。此外，还将提供传统上没有提供的资料。异步指数将被计算和显示，以及错过触发，双触发，或有异常短或长吸气或呼气时间的呼吸次数。将识别和显示与自动呼气末正压发展相关的条件的存在。
这款新一代呼吸机最重要的事情是提供决策支持。每个报警条件都将列出潜在原因和潜在解决方案。将识别呼吸机变量的变化，并通知临床医生该变化、潜在原因和可能的解决方案。可以从呼吸机屏幕上访问一个信息库，从呼吸机的操作手册到支持推荐操作的证据。
所有通气模式均可提供通气的闭环控制。这些新的呼吸机将能够调整气体输送，以改善患者与呼吸机的同步性。他们将能够解释容量通气和压力通气过程中的气道压力和流量波形，并自动调整流量波形、峰值吸气流量、上升时间和终止标准，以确保气体输送与患者的愿望同步。这是呼吸机功能中一个越来越重要的因素，因为我们发现患者的预后可能会受到异步性的显著影响[57,58]。在至少一个呼吸机上已经可以自动调整终止标准[59]。
所有这些预期的变化都意味着，未来的机械呼吸机的用户将必须比今天的用户做得更好。他们必须详细了解这些新功能的操作复杂性。它们必须能够确定一个特性何时优于另一个特性。他们必须确保呼吸机确实做了它期望做的事情，病人对干预的反应是预期的。未来管理这些病人-呼吸机系统的临床医生将需要比当前的操作员更有能力。
机械呼吸机的历史发展确实是一段非凡的旅程。在短短的50年里，我们已经从一个相对粗糙的、完全机械的设备变成了一个高度进化的微处理器控制系统，能够提供任何形式的通气支持。机械呼吸机的发展反映了呼吸治疗专业和重症医学专业的发展，甚至可能是呼吸治疗发展到现状的主要原因。最后，用来记录下一代机械呼吸机的最具描述性的术语将是智能的。
我们从学术研究中学到的是知识，我们从经验中学到的是智慧。
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