前言
呼吸系統監測是加護病房內多項生理功能監測的一分支。臨床使用pulse oxymetry()測量血氧飽和度(O2 saturation),以及使用capnography()測量潮氣末二氧化碳分壓(end-tidal CO2)也屬呼吸系統監測的一部分,但因另有章節專論,本章僅只探討呼吸機械力學的臨床監測部分。
何謂呼吸機械力學?
呼吸機械力學簡單說就是探討空氣如何進出肺部的一門學問。舉凡空氣進出多少、多快、多順暢、及如何出入都是研究的對象。空氣進出多少代表了容積(volume),空氣進出多快代表了流量、如尖峰吸氣呼氣流量(peak inspiratory & expiratory flow),空氣進出多順暢代表了阻力(resistance)。此外,呼吸機械力學也能幫我們了解呼吸時必須作功多大,如食道壓(esophageal pressure)的測量,肋膜壓(pleural pressure)的推算,跨肺壓(transpulmonary pressure)及跨膈壓(transdiaphragmatic pressure)的測定,以及呼吸功(work of breathing)的計算等。最大跨膈壓 (Pdi max),最大吸氣壓 (Pi max)及最大呼氣壓(Pe max)則可幫助了解我們呼吸力量可達的極限在那裡?
若再深入問題,呼吸機械力學也可用以探究我們身體是多麼迫切地須要呼吸(呼吸驅動力respiratory drive, P0.1),同時也可以鑑別呼吸困難呼吸功增加的原因究竟是因氣道阻力增大還是肺或胸廓彈性係數改變的影響(流量容積曲線flow volume curve;壓力容積曲線,pressure volume curve)?此外,空氣進入肺內的充氣或排空之不規則性分布狀況(時間常數,time constant : )也是影響呼吸系統換氣及啟動呼吸器有效性因素之一。時間常數的公式為時間常數() = 氣道阻力(R) X 肺順應性(C)。
臨床呼吸系統監測
呼吸系統監測的方法很多,也各有其優缺點。以下就常用之非侵犯性及侵犯性監測方法作一簡略介紹。
非侵犯性呼吸系統監測
呼吸型態監測
阻抗性肺量計是藉由置於胸壁之皮表電極(常與心電圖電極合用)釋放高頻、低幅之持續性電流並測量另一接收電極收受之電訊號的強弱變化來評估呼吸。其原理是利用吸氣時胸廓擴大,電極間之距離增長且軟組織阻抗亦必隨之增大,接收電極收受之電訊號將減弱;而呼氣時則反之,電極收受之電訊號將增強的差異以評估呼吸型態。這是一種常在加護病房內使用的非侵犯型的監測方法,雖不能直接測得氣流流量或氣道壓力但可持續觀察呼吸次數及型態,另外、居家護理人員也常用於嬰兒猝死症的監測。
阻抗性肺量計的優點是簡單易用、可長時間觀察,其缺點則是僅能提供極少的資訊。有時阻抗性肺量計可因體態變動或心跳引起之胸壁起伏產生些微誤差,不過這都可在調整感受器敏感度後解決。臨床呼吸照護工作者最須警惕的是阻抗性肺量計在上呼吸道阻塞的情況下,譬如食物、異物哽塞或阻塞型睡眠呼吸中止症候群,可能發生致命的錯誤。這是因為在此時受測者仍有呼吸動作、胸廓起伏亦如常,但是卻無法吸入空氣,即始在造成窒息時警報器仍不會發出警告。
附帶要提的是、氣流流量亦可在氣道或鼻腔口利用溫感計原理推算出來。這也是一種非侵犯型的監測方法,常用於加護病房或睡眠檢查實驗室。其原理是氣流流經溫感計時可降低溫感計溫度,溫度降低程度越重代表氣流流量越快。
呼吸感應性體積計或被稱為呼吸型態測量儀,現已應用於臨床診斷及睡眠呼吸監測上,並已有攜帶型儀器問世。這種監測方法最大的優點是可定量,適合作長時間的觀察及分析,同時也是一種監測呼吸作功協調配合的好方法。呼吸感應性體積計是利用一對彈性帶(elastic band)分別包覆於胸廓(近乳房處)及腹壁處,利用彈性帶內所縫製之金屬線被拉扯後其電阻特性之改變而推算出胸部(RC)及腹部(AB)的截面積的相對變化(圖一),並以二者之電訊號之加總來代表潮氣容積(Vt)。以公式表示則是RC+AB=Vt。其缺點是精確度仍欠理想,使用前須有好的調校,且若受測者改變姿勢檢查者必須重新調校以獲得較正確的結果。此法可觀察當橫膈肌疲乏或麻痺時胸腹壁出現之蹺蹺板式呼吸運動(paradoxical movement),這常是病患即將進入呼吸衰竭的一個重要表徵。
- 阻抗性肺量計(impedance pneumography)
- 呼吸感應性體積計(respiratory inductive plethysmography)
呼吸肌功能監測
胸部X光透視是診斷單側橫膈肌麻痺的一個好方法,但是臨床卻極少應用在診斷雙側橫膈肌麻痺上。以往使用不多的原因多是醫師不熟悉及透視技術不佳導致診斷價值偏低的關係。最近的看法是採用平躺及側臥姿(lateral decubitus)之胸部X光透視應能得到較好的結果。近年以來隨著心臟手術的增多橫膈肌麻痺也出現的較多。雙側橫膈肌麻痺之病患多合併急性呼吸衰竭,且是臨床急症,須立即確定診斷。胸部X光透視仍是診斷雙側橫膈肌麻痺的一個最佳方法。
最大吸氣壓和最大呼氣壓的測量是瞭解整體呼吸肌肉功能最快且最容易作的方法之一。可資使用的工具如壓力轉換器,或市售之壓力測量表(如inspiratory force meter, Boehringer Laboratories, Inc., Norristown, PA USA)。當測量最大吸氣壓時,被測者必須先吐氣吐光(即呼氣至肺餘容積,RV)或吐氣吐至平靜呼吸末(即呼氣至功能肺餘量,FRC)之後用盡全力對著測量儀器吸氣所測得的壓力,即是最大吸氣壓。當測量最大呼氣壓時,被測者必須先吸氣吸到底(即吸氣至全肺量, TLC)之後用盡全力對著測量儀器呼氣所測得的壓力,即是最大呼氣壓。最大吸氣壓和最大呼氣壓的正常值隨性別及年齡而不同。
最大吸氣壓是測量吸氣時肌肉作功的綜合表現,而吸氣肌裡最重要的當然是橫膈肌了。除此以外,其他主要之輔助吸氣肌尚有胸鎖乳突肌,斜角肌(scalene)及外肋間肌(external intercostals)等。而較次要且臨床重要性低之輔助吸氣肌尚包括大及小胸肌(pectoralis major & minor),斜方肌(trapezii),前鋸肌(serratii)等。正常人平靜呼吸時,吸氣肌僅須使用橫膈肌即足夠了。當運動,換氣量增大,肺功能障礙,或進行最大吸氣壓的測量時,所有之吸氣肌均參與呼吸作功。呼氣肌在臨床上最重要的功能是輔助病患咳嗽和排痰,當然也能參與呼吸作功,降低吸氣時吸氣肌所承受之負載。當進行最大呼氣壓的測量時,所有之呼氣肌均參與呼吸作功。呼氣肌在腹部較重要的有腹直肌(rectus abdominis),腹橫肌(transversus abdominis),外斜肌(external oblique),內斜肌(internal oblique);在胸部較重要的有胸三角肌(triangularis sternii)和內肋間肌(internal intercostals)。因此最大吸氣壓和最大呼氣壓的數值僅能代表整體吸氣肌或呼氣肌收縮功能的表現,同時此數值也因被檢查者的合作程度及肺容積大小而受影響。
- 胸部X光透視(fluoroscopy)
- 最大吸氣壓(Pi max)和最大呼氣壓(Pe max)的測量
床邊肺功能監測
加護病房內之病患雖無法作常規的肺功能檢查,但仍可利用一些小型的呼吸計(如Haloscale Wright Respirometer ,Ferraris Development & Engineering Co., London)測量潮氣容積、呼吸頻率、每分鐘換氣量、及肺活量等。肺活量降低是很容易作的檢查,但其缺點是不具特異性,無論阻塞性,侷限性換氣障礙或受測者合作不佳均可得到此結果。反之,若肺活量正常(尤其在臥床病患)則受測者合併中或重度之呼吸肌功能異常之可能性甚低。
常規肺功能檢查一般包括流量容積曲線(flow-volume curve)及肺容積(lung volume)的測定。單純呼吸肌功能異常的病患,當未合併氣道阻塞時,常可見侷限性換氣障礙(restrictive ventilatory impairment)。肺活量(vital capacity)降低是最易發現的異常。
呼吸器病患呼吸機械力學監測
臨床上若要能適當且正確的使用呼吸器,呼吸機械力學的監測是重要的依據,也唯有依賴監測的結果調整呼吸器設定,才能發揮最大的治療效果。呼吸器使用中之病患常須監測的項目如氣道壓力、氣流流量、容積及其波形等,有時也須作呼吸功、氣道阻力、auto-PEEP、或P0.1的測定。Bicore cp-100及Med-ScienceVentrak是目前已上市專作呼吸器使用中之病患呼吸機械力學監測的儀器。
氣道壓力及其波形可說是呼吸監測單項指標裡最重要的一項,因此近年來新出廠的精密型呼吸器多有氣道壓力及波形監測功能。氣道壓力監測可提供諸如,病患自發性呼吸用力的程度、與呼吸器的配合情形、肺順應性及氣道阻力的變化、及發生壓力傷害(barotrauma)的可能性。臨床常測的氣道壓力有尖峰吸氣壓(peak inspiratory pressure, PIP)和高原期吸氣壓(plateau pressure, Pplat)。在容積控制呼吸模式使用時,尖峰吸氣壓之高低與潮氣容積、吸氣期尖峰流量及波形、氣道阻力、肺及胸廓順應性、人工氣道直徑和呼吸器管路均有關。同時當病患有自發性呼吸動作時,尖峰吸氣壓可能就和無自發呼吸者不同,可能增高或降低,端看與呼吸器配合的程度。高原期吸氣壓也是臨床常測之壓力,測量時最好須有1.5-2.0秒的氣流終止期,當無法測得時必須考慮管路漏氣的可能性。高原期吸氣壓與潮氣容積、肺及胸廓順應性及PEEP有關,它可代表尖峰肺泡壓。當吸氣末氣流終止且呼氣瓣尚未開啟時,尖峰吸氣壓可立即降低至高原期吸氣壓,此降低速度也與局部時間常數()有關。整體而言,在容積控制呼吸模式使用時,尖峰吸氣壓反應出呼吸系統整體阻抗大小,高原期吸氣壓代表了肺及胸廓順應性,而二者之差(PIP-Pplat)則說明了呼吸道對於該吸氣氣流產生之氣道阻力的大小。因此,當急性呼吸窘迫症候群發生時,可預期高原期吸氣壓必然增高。在氣喘或氣道痰液阻塞時,尖峰吸氣壓與高原期吸氣壓之差必然增大。
近年來新型呼吸器多也具有螢幕顯示氣流流量及波形監測的功能。當然也可使用Bicore cp-100及Med-ScienceVentrak等監測器或直接用流量轉能器(pneumotachography)來測得。臨床常測的氣流流量有尖峰吸氣流量(PIF)和尖峰呼氣流量(PEF)。尖峰吸氣流量在容積控制呼吸模式使用時,雖是呼吸器設定項目,但也可能設定欠妥而增加病患呼吸功。常見問題是設定太低,此時伴隨之氣道壓波形可見吸氣初期氣道壓過低或緩步上升(圖二)。可想而知,病患呼吸作功將因此增加,這對於病情及日後之戒離呼吸器皆有不好的影響。尖峰吸氣流量設定太高則易產生高尖峰吸氣壓。尖峰呼氣流量的臨床價值在於能粗略評估氣道阻力的大小,當氣道阻力增大時尖峰呼氣流量將會降低,這對於病史不明之呼吸衰竭病患、氣道或異物阻塞狀況發生時有立即的診斷參考價值。
目前市售之精密型呼吸器或呼吸監測器均無法直接測得容積。容積僅能借由氣流流量和時間的積分求得,因此其準確度頗受呼吸器或監測器內之流量轉能器之影響。流量轉能器有不同之設計,如常見之Fleisch式、篩孔式(Siemens Servo 900 )、開口式(Bird 8400ST, Bicore CP-100)、熱感式(Puritan-Bennett 7200)、漩渦式(Bear)及渦輪式流量轉能器。臨床最常遇見的問題是水珠、痰液或分泌物造成的流量轉能器功能障礙。
氣道阻力可分為吸氣期與呼氣期氣道阻力兩項。吸氣期氣道阻力極易求出,公式為Raw = (PIP - Pplat) / insp. flow,此時氣流流量給予必須設定為方形波才行。但是,臨床上真正重要的是呼氣期氣道阻力。呼氣期氣道阻力的測定必須讓病患完全平靜且在被動式呼吸時才較準確,公式為Raw = (Pplat - PEEP) / peak exp. flow。最好的方法是利用呼氣氣流漸進中斷法(interrupter technique)11,不僅結果更可靠且能獲得壓力容積曲線及壓力流量曲線,這對於呼吸機械力學的了解有極大之幫忙。此方法也常用於評估呼吸器使用中之病患使用支氣管擴張劑之療效。
- 氣道壓力
- 氣流流量
- 容積
- 氣道阻力
呼吸驅動力監測
氣道閉塞壓(airway occlusion pressure)之測量是目前臨床已知最佳之呼吸驅動力監測方法。氣道閉塞壓常簡稱P 0.1,取其測定氣道壓力在0.1秒時之變化。其方法為在病患不自知呼吸氣道已經人為阻塞之狀況下、測量該病患吸氣起始後第0.1秒時之氣道壓力變化。此壓力為負壓,一般而言介於-2至-4 cmH2O間,若所得之P 0.1壓力變化低於-6 cmH2O常表示病患呼吸驅動力過強、不容易戒離呼吸器。除了專司測量氣道閉塞壓之儀器外,Bicore cp-100及Med-ScienceVentrak等呼吸機械力學監測器亦可測出P 0.1。少數先進之電腦呼吸器亦有此功能,但其精確性仍須評估。
侵犯性呼吸系統監測
若欲定量病患呼吸用力的大小及呼吸功(work of breathing, WOB)之值,必須要作食道壓測量。這也是欲精確計算出肺順應性或動態性auto-PEEP必作的項目。測量時有兩件事要特別注意,第一是食道氣囊(balloon)之選擇,第二是食道氣囊之置放位置是否正確。目前認為氣囊長度約10 cm,周長為3.5 cm,氣囊厚度為0.06 mm,測量時氣囊之容積尚餘 0.5 ml是最佳的選擇。其次,食道氣囊之置放位置最好放在中段食道處,且儘量避免平躺姿式(坐姿或半躺臥姿式較佳)。要判斷或調整食道氣囊之位置時可請被檢查者緊閉氣道並作用力吸氣動作,同時觀查食道壓及氣道壓變化之相關性。若兩者之差異小於10%,則此食道壓之測量可得較準確之結果。目前已有檢查儀器上市(如 Bicore cp-100; Med-ScienceVentrak),廠商並且生產了附加上食道氣囊的鼻胃管因此使得此工作可很容易的進行。目前國內醫學中心多已使用此類儀器並用以監測呼吸器使用病患之呼吸機械力學變化。
跨膈壓測量是評估橫膈肌功能最準確的方法,但其缺點則是須自行組裝儀器,因此比較耗時費事。檢查時須藉由食道及胃內氣囊之置放以測得食道壓(Peso, 即約略可代表肋膜壓Ppl) 及胃內壓(Pga, 即約略可代表腹內壓Pab),並據以求出跨膈壓 (Pdi ,即是Pga-Peso)。跨膈壓測量可在受測者呼吸或用力以鼻吸氣(sniff)時的自發性呼吸動作時測定之,亦可給予膈神經直接電剌激或頸椎磁刺激(cervical magnetic stimulation)。膈神經電剌激包括單一電剌激 (twitch) 及多發性電刺激(tetanic stimulation),後者並可給予不同之頻率。藉此法可同時觀察比較Pdi,Pdi twitch及Pdi max壓力之大小,及其壓力曲線的變化或其壓力衰減速率(relaxation rate)等,這是了解呼吸肌疲乏的重要檢查。
用力以鼻吸氣時測定之跨膈壓一般而言比起用力自發性呼吸所測得之壓力為高,且臨床重覆性(reproducibility)亦較佳(表二)8。所測得之食道內壓(即肋膜壓為縱軸)及胃內壓(即腹內壓為橫軸)之壓力變化可畫出一個XY軸曲線,此稱作Macklem diagram,也是一監測呼吸機械力學及協調配合特性的工具。胃內壓 (Pga)在正常吸氣時之升降幅度比食道壓 (Peso) 為大,因此 Pga / Peso 比值小於或等於 -1,正常人約 -1.95 0.86(SD)。總而言之,Pga / Peso 比值負值愈大,間接表示橫膈肌收縮參與吸氣程度愈強。當橫膈肌開始無力時,其他輔助吸氣肌的參與可使得Peso下降較顯著,Pga / Peso 比值將介於0 與 -1 之間10。等到橫膈肌已進入疲乏時,Pga / Peso 比值會大於0,也將出現胸腹異動之呼吸型態。最後等到橫膈肌完全疲乏時比值會趨近 +1。
- 食道壓(esophageal pressure)測量
- 跨膈壓測量(transdiaphragmatic pressure, Pdi)
結語
呼吸系統監測能深入了解病患呼吸系統整體病生理特性,並進而增進臨床呼吸照護工作的品質,其重要性是顯而易見的。臨床呼吸照護工作者不僅須要具備呼吸機械力學的知識,也要熟悉各式呼吸器及監測器用於呼吸機械力學監測的原理,如此才能了解所獲得的檢查數據之可靠性、精確性及其限制。
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