呼吸机压力-时间曲线与流量-时间曲线的原理推导分析
通气曲线是机械通气状态的直接表现形式，反过来讲，通气曲线可以很好地反映机械通气的状态；其中最基本的有压力-时间曲线和流量-时间曲线。虽然目前临床上有大量关于机械通气曲线的文献资料，但鲜有从呼吸机工作原理角度去分析曲线是如何形成的。因而有必要理清此间的相关问题，这对临床医务工作者理解通气曲线的意义有一定帮助。我们以能够更好地观察通气波形细节的PB840呼吸机（美国泰科公司）为例来观察分析。
1 呼吸机的基本气路原理与通气曲线的数据来源
要弄清通气曲线是如何形成的，首先需要了解呼吸机的动力工作系统及检测（监测）系统组成。PB840动力控制系统在正常运行中主要由3个电磁阀门配合完成，包括送气端的氧气比例电磁阀V1、空气比例电磁阀V2、呼气端的主动呼气电磁阀V3；当然，除此之外还有安全阀，但其作为一种保护性阀门，仅在紧急状态下启动。检测（监测）系统由分布各处的传感器（氧气传感器不做考虑）组成，包括2个压力传感器（送气端P1、呼气端P2）和3个流量传感器（压缩氧气端Q1、压缩空气端Q2、呼气端Q3）。中央处理器（CPU）根据设置的目标指令控制各个阀门的运动，各传感器持续将监测数据传给CPU，CPU根据反馈的信息再对各阀门进行持续调节以确保目标指令的准确实现（图1）。
对于曲线而言，其本质是点在坐标轴上的集合。需要明确的是，压力-时间曲线显示的是回路压力，可以认为即为Y型口处的压力（Pc），但根据图1，此处压力并不能直接监测，根据呼吸机说明书，此处的压力是根据P1、P2处压力计算出来的。流量-时间曲线呈现的是进出患者呼吸道的气流（X），而非呼吸管路中的气流，但此处气流并不能直接测量，是根据Q1、Q2、Q3计算的（当然，部分呼吸机可以直接测量Pc与流量，如瑞士哈美顿医疗公司生产的哈美顿呼吸机）。所以，理清曲线所代表的对象后，更有助于我们根据这些曲线特点来推断回路的通气状态。
无论何种通气方式，呼吸周期可分为吸气过程、呼气过程以及两者之间的衔接（吸气转呼气、呼气转吸气）；在衔接环节，又以呼气转吸气最为复杂。
2 吸气过程
目前呼吸机的送气方式有定容、定压两种。至于通气模式，实为这两种通气方式的组合或互相转换，但最终的送气方式（定流量或定压力）对于呼吸机而言是明确的，即：要么是定容（定流量），要么是定压。
定容通气的特点是，在送气过程中呼气阀V3会完全关闭，所以流量-时间曲线各点的流量值就应该是每一时刻进入气道的气流，即XI＝Q1+Q2（图2）。定容通气的实质为定流量通气，V1、V2按照设定的或计算后的恒定气流进行送气，排除管路顺应性导致的极少量流量消耗，进入气道的气流X也相对恒定，而气道阻力R相对恒定（主要由管路长度、半径、气体黏滞系数决定，与流速无关），根据欧姆定律，肺泡内压（Pa）与Pc（也就是回路压）之间的差异ΔP＝Pc－Pa＝XR；根据公式可以看出，患者Pa的多变性会直接反映到Pc上，两者变化具有同步性，这就导致Pc既可能高于基线，也可能低于基线，甚至是负压，这取决于患者主动吸气程度造成的Pa变化程度。
压力通气的特点是，在送气过程中呼气阀V3会不断地根据所监测的Pc配合V1、V2进行开关及大小调节，以维持Pc稳定在所设置的目标压力，所以，此时流量-时间曲线各点的流量值，就应该为每一时刻进入气道的气流，即XI＝Q1+Q2－Q3（图2）。反过来讲，目标送气压力的稳定程度也体现了呼吸机调节能力（3个电磁阀的配合能力）的大小，尤其当自主呼吸较强使气道气流多变时。例如：患者在设定吸气时相内开始主动呼气，导致V1、V2提供的气流及患者呼出的气流同时涌入回路中，若V1、V2不立即减少送气流量及V3不能迅速调节开大释放，Pc便会超过目标压力，曲线呈现一个压力增高切迹；在吸气相内，患者从平稳吸气突然开始用力吸气，假如呼吸机调节不够及时（V1、V2立即调大），必然会导致Pc低于目标压力，曲线呈现一个压力下降切迹。在诸多通气模式中，持续气道正压通气（CPAP）可能是最能反映呼吸机这种能力的模式，因为在该模式，吸气与呼气阶段，均要求呼吸机维持回路目标压力在呼气末正压（PEEP）这一直线水平（其他模式都存在吸气与呼气之间的压力落差，而非仅是一条直线），这对各个阀门的配合是一个极大的考验。从理论上讲，面对患者同样的呼吸状态，吸呼阶段的Pc与PEEP水平线（目标压力）的偏移越小，说明呼吸机的调节能力越好。当然，可能正是考虑到这种难度，PB840呼吸机会在支持压力（PS）设置为0时仍提供一个略高于PEEP的吸气支持压力。
需要注意的是，虽然流量-时间曲线吸气段反映的是进入呼吸道的气流流量，但无论哪种送气方式，因呼吸管路顺应性的存在，随着Pc的增大，管路会有所膨胀，极少一部分气体会留在管路中〔以容量为目标的通气，送气量需要进行顺应性补偿，以确保目标潮气量（VT）进入肺泡内〕；但在单个时间点，呼吸机并不能将此点消耗在管路中的瞬时流量刨除，所以，流量-时间曲线显示的送气曲线可能仍含有极少量管路膨胀所消耗的流量。虽然呼吸机无法计算瞬时流量消耗，但在汇总时，即每次送气结束后，进行实时VT计算时，呼吸机可以根据管路顺应性将管路中消耗的容积减掉。
需要说明的是，正式送气的流量起点并不为0，因为无论是流量触发还是压力触发，在呼气后期，呼吸机均会提供一个基础气流或偏流，即：V1、V2在呼气后期即已打开，正式送气时，只是阀门进一步开大了而已（这个衔接点其实为触发点，只有将纵轴拉伸方可查看到细节）。
3 呼气过程
无论定容通气，还是定压通气，其呼气阶段是相同的。呼气开始于吸气末点。
毫无疑问，患者呼气流量是从0开始的，所以，除了吸气末点流量为0的情况外，其他情况下的呼气曲线起点（流量-时间曲线纵坐标为0）与吸气末点（流量-时间曲线纵坐标不为0）不重叠，也不连续（实际显示的曲线是连续的）。
根据呼气阶段的流量数据来源，可将呼气过程分为两段（图2）：提供基础流量（或偏流）前以及提供基础流量（或偏流）过程中。在第一阶段（呼气前段），自呼气开始，送气阀V1、V2关闭，呼气阀V3打开，此时患者呼出气道的气流XE数据完全来源于Q3处，即每一时刻XE＝Q3。而第二阶段（呼气后段），除呼气阀V3仍处于开放状态外，根据PB840呼吸机说明，在呼气后段（具体什么时间不明确），送气端阀门打开提供基础气流（流量触发）或偏流（压力触发），所以此阶段的流量数据来源于Q1、Q2、Q3；针对患者的呼气数据，每一时刻XE＝Q3－（Q1+Q2），其中Q1+Q2为基础流量Ba（流量触发，等于流量触发灵敏度VT+1.5 L/min）或偏流Bi（压力触发，等于1 L/min）。所以，呼气XE的时间曲线函数X（t）由两部分组成（图3）：前段X（t）＝Q3t；后段X（t）＝Q3t－（Q1t+Q2t）＝Q3t－VT－1.5 L/min（流量触发），或者X（t）＝Q3t－（Q1t+Q2t）＝Q3t－1 L/min（压力触发）。
需要注意的是，在第一阶段（呼气前段）的超早期，呼气从0至峰流量值也需要经历一定的时间跨度（虽然时间极短），所以，呼气起点与峰流量点连线并不是一条垂直于横轴的直线；但目前临床资料多描记为一条垂直于横轴的直线，临床医务人员也多认为是一条直线，这是因为常用的呼吸机默认屏幕呈现的是这种状态，这个在前期研究中已论述。从另一方面讲，目前临床上采用的计算呼气阻力（RE）的Jonson Method公式RE＝（Pplat－PEEP）/Fpeak 可能是错误的。其中Pplat为平台压，Fpeak为呼气峰流量。因为，在峰流量时刻，气道内外口（内口为肺泡，外口为Y型口）的压力并不同时满足内口为Pa（平台压Pplat）与外口为PEEP。首先，对于气道内口压力（Pa），既然呼气流量是从0至峰流量，这个过程必然会消耗部分容积，假如这部分容积是来自肺泡内，则在峰流量时，肺泡已不再是吸气末的膨胀状态，Pa也就不再是Pplat；当然，因这个容积可能是极小的，此时Pa只可描述为近似于Pplat。其次，对于气道外口处的压力，假如在呼气相呼气阀出口处提供的压力为PEEP，而位于气路中间的Y型口处必然不是PEEP，而是高于PEEP的压力。进一步从通气原理角度分析，按照呼气阀V3的工作原理，呼气阀会在阀门处背面提供PEEP水平的压力，所以，在呼气前段的最早期部分（图2），送气端成为盲端情况下，自肺泡至气道、回路呼气支、回路出口便成为一条单向通路，并形成压力递减梯度，毫无疑问，假如出口压力为PEEP，位于回路中间部位的Y型口处压力则大于PEEP；所以，在这种假设下，目前临床上常用的RE计算公式计算的应该是气道（气道内口至Y型口）与管路呼气支以及呼气盒内部件的总阻力，但需要进一步研究证实。上述"出口压力为PEEP"的假设能否成立尚难以确定，这是因为，假如阀门背面压力始终保持在PEEP，可将阀门最早的外向运动轨迹细化为早、中、晚3期（图4）：早期（加速运动期），在正面压力（明显高于PEEP）的快速推动下V3呈现加速运动（V3受力的矢量方向指向外侧）；中期（点），阀门两侧压力达到平衡（均为PEEP水平，V3受力的矢量为0），但因阀门的惯性运动，仍有向背侧方向运动的动量，所以仍向外侧运动，但加速度为0；晚期（减速运动期），虽然V3受力的矢量方向指向内侧，但因惯性仍向背面方向做减速运动，直至阀门停止运动。所以，假如峰流量点在上述的晚期末点（此时V3开放最大），V3正面压力低于PEEP。所以，无论采用哪种计算方式，针对RE的计算公式都会存在诸多理论上的问题。
同样，另一个计算RE的Comroe Method公式RE＝（V0.5/C）/0.5也面临相同的问题（V0.5为呼气流量0.5 L/min时的肺内容积，C为在呼气末测得的呼吸系统顺应性，0.5为呼气流量0.5 L/min），此时，顺应性C＝VT/（Pplat－PEEP），其中VT为送气VT，可转换为常见的欧姆定律样式RE＝（P0.5－PEEP）/0.5，其中P0.5为呼气流量0.5 L/min时的Pa，即在呼气流量0.5 L/min的呼气时刻，即使气道内口压力为P0.5，假如呼气阀处压力为PEEP，位于中间位置的Y型口处压力还是要高于PEEP；当然，因为0.5 L/min的流量已经很小，Y型口处压力Pc非常接近于PEEP（图2）；所以，这个公式的误差应该要比Jonson Method公式小很多。当然，此公式还存在其他问题，假如C0.5≠C，则RE＝（V0.5/C0.5）/0.5，而非RE＝（V0.5/C）/0.5。
4 呼气转吸气：关于主动触发
关于PB840呼吸机触发的问题及曲线观察已在前期研究中论述，现只进一步论述目前最常用的触发方式，即流量触发。
呼气转吸气的开始点有两个可能：一是呼气完全结束后再开始进入吸气程序；二是呼气未结束便开始进入吸气程序〔存在内源性呼气末正压（PEEPi）〕。
自开始点至触发努力结束面临两个可能：一是达到触发点触动送气（有效触发）；二是未达触发点（无效触发）。
如何认识呼气转吸气开始点（图3；图5）：①假如患者呼气完全，此时呼气流量为0，当转为内向气流时（呼气气流曲线向横轴上方运动，即为吸气气流），即为吸气努力开始点（T0），相对来说比较好辨认。②假如患者呼气不完全，此时由呼气转为吸气时，原先胸廓肺自然回缩所形成的平缓呼气气流会因吸气肌肉的启动使胸廓肺的回缩速度急速减慢而导致外向的呼气气流骤减（但此时仍为外向气流），直至回缩速度为0（气道气流为0），紧接着胸廓肺向外膨胀（形成吸气气流，横轴上方），这种情况下的吸气开始点应为呼气曲线斜率骤然增大的时刻，虽然自开始点T0至0之间的流量段表示的气流是外向的，但实际代表的是吸气的启动过程。显然，这有别于我们对"吸气应该是气流进入气道"的常规认识。当然，呼气突然卡顿也会面临这种曲线的骤变，但其不会超越横轴（即不会出现内向气流），其与吸气早期的启动阶段鉴别有一定的困难（未超越横轴，意味着未形成内向气流），进一步鉴别需要结合后段气流的变化趋势，如呼气卡顿后再呼气（双呼气）曲线始终不会超越横轴，而吸气启动则可能会去向横轴上方。
如何认识吸气启动后是否启动有效触发（图3；图5）：吸气启动后面临两种结果，即有效触发和无效触发。根据触发原理，流量触发模式下，患者需吸入至少触发灵敏度VT的流量方可达到触发条件，纵坐标VT刻度水平线（意味着XI的气流量）即为有效触发水平线。以吸气努力结束时刻（TE）作为吸气努力的结束点（即吸气努力的最大吸气流量点），当其落点在VT水平线的时刻即为触发时刻（TT）。所以，吸气启动后，能达到此线水平即为有效触发，不能达到则为无效触发。根据T0及TE的不同，可将触发结果归纳为：吸气开始于呼气流量为0时，吸气努力终点引起无效触发和有效触发；吸气开始于呼气流量不为0时，吸气努力终点引起无效触发和有效触发（图3）。
但是，所有呼吸机自感应到患者吸气流量达到触发灵敏度点（感应器），CPU发出指令至送气气流进入吸气支（效应器启动），这两点之间均有一定的时间消耗（延迟），如图1所示。这个反射弧反应速度越快，说明呼吸机调节能力越强。例如：达到触发点时，机器立即送气，Pc往往不会低于PEEP；如反应不够迅速，患者吸气气流的进一步增大超过触发点流量，Pc往往会低于PEEP，即在呼气末与送气开始之间有一个凹向基线以下的压力下降切迹（尤其在吸气过快的患者）。可能正是考虑到这一点，为了保证每次呼气末点（对于有自主触发的呼吸而言，这个点即TE，虽然是吸气气流，但时相归属上，程序仍将其归为呼气相）Pc不低于所设置的PEEP（程序指令），呼吸机在呼气后期保持的实际PEEP值往往较设置的略高；同时，基础流量设置为VT+1.5 L/min也可能是基于此目的考虑，当患者吸入VT时，仍可残留1.5 L/min流量自V3中流出，即V3仍具有可进一步缩小性以维持Pc在PEEP。当然，正如研究中所述，这可能是PB840呼吸机最基本的触发程序设计，只适用于最低触发要求；实际上，内置的程序远比此复杂，这可从患者快速触发时看出，此时的有效触发点往往坐落于所设想的T0与TT之间任何一点（可能是程序根据呼气气流的变化率进行的早期预判，也可能是触发时刻太早，呼吸机尚未提供基础气流，程序以Q3处流量减小至1.5 L/min作为触发界线所致），比如临床上经常遇到的双吸气波形。
对于无效触发而言，由于呼吸节律的控制，患者在吸气尝试（至TE点）后会再进入呼气程序，所以此时患者很快会由吸气转为呼气（图3），即意味着较大量的呼气气流涌入本来已极少气流的回路，为保持呼气相Pc在PEEP水平，呼气阀V3需进一步开大释放这部分气流；这个过程，因存在反射弧导致的时相延迟（即P1/P2感应的压力高于PEEP，推动V3增大，此时Q3感应到的气流增大），压力-时间曲线往往有一个比流量-时间曲线的呼气气流增大略提前并略高于PEEP的凸形波动。
如何从呼气曲线上认识漏气问题：假如管路存在漏气，在呼气末会存在一个恒定的指向患侧的流量，这个流量可理解为患者吸入气流X（一定是内向的吸气），不过与吸气不同的是，这个气流是持续恒定的数值。这个漏气量可带来两种结果，若漏气量≥触发灵敏度，会反复触发送气；若漏气量<触发灵敏度，则在0与VT线之间形成一条水平线。假如管路存在漏气且无法排除，如气管套管气囊封闭不严，我们在设置触发灵敏度时要囊括漏气量，以避免持续的误触发。
综上，认识呼吸机通气曲线，应该熟知此呼吸机的通气原理与气路图，在此基础上，将曲线信息回归通气本质，单调的曲线转为回路中立体的、直观的通气状态（呼吸机与患者的互动状态），对分析掌握患者的通气状态、分析通气故障有一定的帮助，尤其对人机对抗的原因探究意义更大，也利于更为深入地分析呼吸力学细节。