作者：王蒙，赵菲璠

单位：北京大学第三医院呼吸与危重症医学科

【摘要】机械通气是呼吸衰竭患者的重要支持手段，在改善通气、氧合、缓解呼吸肌肉疲劳的同时，为原发病的治疗争取了宝贵的时间。良好的人机协调性有助于避免过度镇静，减少患者焦虑、不适及认知功能改变，降低呼吸机相关性肺损伤发生率，缩短机械通气时间。本文将从呼吸生理和呼吸机送气角度讨论人机不同步的原因。

一、人机交互与人机不同步

人机交互指患者呼吸泵（受神经肌肉系统控制、胸肺呼吸力学特征影响）与呼吸机（呼吸机参数控制）之间的相互关系。如图1所示，人机交互受多种因素影响，包括：①患者基础呼吸功能、疾病状态以及治疗措施：呼吸驱动、肌肉功能、通气需求、气道阻力、胸肺顺应性等；②人机连接方式：气管插管、气管切开、无创面罩等；③呼吸机性能及参数设置：模式、支持水平、呼吸功、潮气量、触发、吸气时间、切换设置等；④人机不同步识别与处理：症状、体征、识别能力、处理措施、报警等。

图1  人机交互的影响因素

当呼吸机送气气流与患者吸呼气动作同时发生、维持、终止且强度匹配，两者配合良好即为人机同步。而当患者的通气需求与呼吸机提供的通气辅助不匹配时，即为人机不同步。人机不同步在有创通气和无创通气过程中非常常见，发生率高达10%～85%，人机不同步指数大于10%（人机不同步指数%=100×人机不同步事件/总呼吸次数）为严重的人机不同步，与患者撤机失败、住院时间延长、住ICU时间延长以及死亡率升高密切相关。

严重的人机不同步会使患者呼吸做功增加，导致呼吸窘迫（人机对抗，图2）。真正的人机不同步一般不会如示意图上一样典型，并不能通过简单的床旁观察发现。

图2  人机对抗的夸张表现

在开始接下来的内容前，咱们首先来做个小测试，请快速分辨图3中A、B、C分别代表哪种类型的人机不同步。

图3  人机不同步波形

三

二

一

答案揭晓：

图3A为双触发，红色箭头处可见单次吸气触发了两次呼吸机送气，两次通气间呼气阶段过短，导致通气叠加。

图3B为误触发/自动触发，红色箭头处可以看到容量-时间曲线呼气相在高位直接归零，提示大量漏气导致频繁的误触发/自动触发。

图3C为无效触发，红色箭头处可见流速-时间曲线呼气相流速突然下降（绝对值下降），提示在呼气过程中患者吸气但未触发呼吸机送气。

您答对了吗？

没答对也不要灰心！

这是沙特阿拉伯一项针对人机不同步波形的问卷调查，共纳入了39家医院，411名重症从业人员（其中医生120名，呼吸治疗师152名，护士139名）[1]。最终结果出人意料，只有41人（10.2%）三道题全答对，92人（22.4%）答对两道题，174人（42.3%）只答对了一道题，有104人（25.3%）三道题全部答错。最终研究发现，人机不同步能否正确识别与职业、经验和供职医院种类都无明显相关性，仅与性别及是否接受过呼吸机波形培训有关，女性、既往接受过波形相关培训是唯二能够预测人机不同步正确识别的指标。因此，学习人机不同步是正确识别人机不同步的第一步。

在学习人机不同步之前，咱们一起来复习一下基本的呼吸生理过程及机械通气的送气过程，以便了解人机不同步发生的原因。

二、呼吸生理过程

1. 自主呼吸调节与控制

自主呼吸周期可分为由特定呼吸中枢控制的三个阶段：吸气阶段、吸气后阶段以及呼气阶段。呼吸驱动源自于呼吸中枢，呼吸中枢位于延髓和脑桥，由多组神经元组成，接受由化学、机械、行为和情感刺激而来的信息，呼吸中枢整合上述信息并产生神经信号，而神经信号的幅度决定了呼吸肌的收缩幅度。简单来说，人体对呼吸的控制包括两种基本形式，延髓控制的节律性自主呼吸以及大脑皮层控制的随意呼吸。

吸气是一个主动过程，健康人自主呼吸时，呼吸中枢发放呼吸冲动，经膈神经传导至膈肌，引起膈肌收缩，此时肺容积处于功能残气位，胸肺弹性阻力与大气压处于动态平衡状态，肺泡内压为0，膈肌收缩产生的吸气动作，使胸腔内压迅速下降牵引肺部扩张，使肺内压迅速下降，从而产生肺泡和气道开口的压力差，大气中的气体可以迅速进入肺内，吸气动作和吸气气流几乎同时发生，表现出良好的同步性。吸气阶段是人机不同步主要发生的阶段，此阶段由呼吸驱动、通气需求和吸气时间这三大变量构成，当呼吸机设置不能满足患者生理需求时，就会出现人机不同步现象，包括呼吸驱动相关的触发不同步、通气需求相关的送气不同步以及吸气时间相关的切换不同步。

吸气后阶段由吸气后复合体控制，通过逐渐降低上呼吸道肌肉的兴奋性，有效降低呼气流速，延长肺容积下降至功能残气量的时间，防止肺泡过快塌陷，从而达到延长肺泡气体交换时间的效果。吸气后阶段是健康人呼吸周期的常见部分，但当吸气需求增加时，该阶段会迅速消失，有利于气体更快呼出。

在平静呼吸过程中，呼气一般是被动过程，胸肺弹性回缩驱使气体由肺泡呼出，直至肺容积达到功能残气位。

2. 呼吸机送气的四个阶段

单次机械通气分为四个阶段，包括触发阶段、送气阶段、吸呼气切换阶段以及呼气阶段。每个阶段又由不同的阶段变量控制，包括触发变量、限制变量、切换变量以及基线变量。

Phase 1，触发阶段；Phase 2，送气阶段；Phase 3，吸呼气切换阶段；Phase 4，呼气阶段。

触发变量启动送气气流，按照类型可分为时间触发、压力触发和流量触发等。控制通气时，呼吸机根据总呼吸周期和指令通气频率控制吸气开始，为时间触发。辅助通气时，当患者开始吸气产生的压力、流速或容量变化控制吸气的开始过程，统称为患者触发。当呼吸机感知到管路内气道压力下降至基线压力之下时，启动压力触发。压力触发通常设置为-0.5～-1.5 cmH₂O，换句话说，患者要想触发送气必须努力吸气使气道内压力下降至基线压力以下-0.5～-1.5 cmH₂O。当呼吸机管路内流速下降时，启动流量触发。呼吸机会在呼气过程中持续监测管路内气体流速，当流速下降值达到流量触发灵敏度时呼吸机开始送气。医务人员可以调整灵敏度设置（或触发灵敏度设置），使呼吸机能够感知患者的吸气努力。最常使用的触发方式为压力和流量触发，此外，还有膈神经触发，由膈肌电活动直接触发呼吸机送气，也被称为神经调节通气辅助（NAVA）。

送气阶段气流主要由控制变量调节，呼吸机送气过程中能控制的三个变量即为运动方程中提到的容量、流速和压力，呼吸机一次只能控制其中一个变量。限制变量指的是送气过程中某一变量不能超过某一最大值，但达到这一限值时并不会终止送气。限制变量在吸气结束前达到平台，比如当使用PCV模式时，压力在吸气结束前达到平台，此次通气即为压力限制通气。当使用方波、容量控制通气时，则流速为限制变量。

吸呼气切换阶段（吸气终止阶段）的阶段变量被称为切换变量，包括压力切换、时间切换、容量切换和流速切换。当达到预设压力时吸气气流结束、呼气气流开始，即为压力切换通气。压力切换通气并不是ICU呼吸机常用的切换方式。需要注意压力控制通气并不是压力切换通气，在PCV模式中，在吸气结束前就已经达到了预设压力，所以压力控制通气实际上是通过时间进行切换的。当时间为终止吸气并开始呼气的阶段变量时，即为时间切换通气。医务人员需要设置吸气时间以决定吸气的长短。使用容量通气时，呼吸机会将气体送至患者肺内，当达到预设的潮气量时，吸气气流结束、呼气开始。大部分呼吸机会在特定时间内按特定流速输送气体，当基于流速和时间计算得到的潮气量达到目标值后，吸气结束，此时为容量切换通气。流量切换是吸呼气切换的另一种类型，当呼吸机监测到流速达到特定值时，就会结束送气。压力支持通气（PSV）是使用流量切换的最常见的模式。在PSV模式中，当呼吸机监测到流速下降至峰流速的某一百分比时，就会结束送气。

正常来说，当吸气气流逐渐停止时呼气阀开放，患者被动呼气气流得以呼出。呼气阶段指的是吸气结束与下一次吸气开始之间的时间。因此基线变量指的是呼吸机在呼气阶段控制的变量，即基线压力，当基线压力高于0时通常称为PEEP或CPAP。

3. 人机交互如何实现

机械通气过程中的呼吸力学变化可以用运动方程来描述，简单来说运动方程就是一个数学模型，代表吸气（呼气）时患者与呼吸机之间的相互作用。

运动方程将复杂的呼吸系统简化为气道阻力（包括自然气道和人工气道阻力）和弹性阻力（包括肺和胸壁弹性阻力）。将气体送入肺部需要克服的力包括两种，一种是气体通过气道所需的压力（流速阻力），另一种是扩张肺部和胸腔所需的压力（弹性回缩力），可由呼吸肌（肌肉收缩力）和/或呼吸机（呼吸机压力）提供。在机械通气过程中，肺膨胀所需的力由呼吸机产生的力和患者呼吸肌收缩产生的力共同完成。因此，人机交互可以用运动方程来表示：

肌肉收缩压力 + 呼吸机压力 = 弹性回缩力+ 流速阻力

可以缩写为：

P_患者 + P_呼吸机 = P_气道阻力 + P_弹性回缩 + PEEP

=V_流速xR_气道阻力 + Vt_潮气量/C_顺应性 + PEEP

在没有呼吸支持的自主呼吸下，呼吸做功完全由患者呼吸肌肉完成，患者自身控制整个吸气过程；而在完全控制通气时，呼吸机根据总呼吸周期和指令通气频率控制吸气开始（时间触发），呼吸做功完全由呼吸机承担，呼吸机控制患者的整个通气过程，基本不会出现不同步（除了反向触发）。

在患者触发、呼吸机送气的辅助通气时，呼吸机与患者共同完成呼吸做功，此时患者呼吸的各个阶段会同呼吸机送气的各个阶段产生交互。对于单次呼吸，呼吸系统的顺应性和阻力不会发生显著变化，但容量、压力、流速和时间是变化的，且由呼吸机进行调节。因此，当参数设置不能满足患者需求或设置不合适时，极易出现人机不同步。常见人机不同步类型主要包括触发阶段不同步、送气阶段不同步以及吸呼气切换阶段不同步，我们将在下一节内容中进行详细讲解。

参考文献

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作者简介

王蒙

• 北京大学第三医院呼吸与危重症医学科呼吸治疗师
• 主要从事呼吸支持、气道管理、血流动力学监测、CRRT以及重症超声等
• 中国残疾人康复协会肺康复专业委员会ICU肺康复专业学组委员
• 北京大学重症医学系呼吸治疗学组委员

赵菲璠

• 北京大学第三医院呼吸与危重症医学科呼吸治疗师
• 主要从事重症患者呼吸支持、气道管理、血流动力学监测、CRRT等
• 北京大学重症医学系呼吸治疗学组委员

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