呼吸衰竭的诊断
該文的醫學專家
最近審查:06.07.2025
许多现代研究方法可用于诊断呼吸衰竭,使人们能够了解呼吸衰竭的具体原因、机制和病程的严重程度、伴随的内脏器官的功能性和器质性变化、血液动力学状态、酸碱平衡等。为此,需要测定外呼吸功能、血气成分、呼吸量和每分钟通气量、血红蛋白和血细胞比容、血氧饱和度、动脉压和中心静脉压、心率、心电图,必要时还要测定肺动脉楔压 (PAWP)、进行超声心动图检查等(AP Zilber)。
外部呼吸功能评估
诊断呼吸衰竭最重要的方法是评估外呼吸功能(FVD),其主要任务可表述如下:
- 诊断呼吸功能障碍并客观评估呼吸衰竭的严重程度。
- 阻塞性和限制性肺通气障碍的鉴别诊断。
- 呼吸衰竭的致病治疗的合理性。
- 评估治疗的有效性。
这些任务是使用多种仪器和实验室方法解决的:高温测定、肺量描记法、肺活量测定法、肺弥散能力测试、通气-灌注关系违反等。检查范围由许多因素决定,包括患者病情的严重程度以及对 FVD 进行全面综合研究的可能性(和适当性!)。
研究外部呼吸功能最常用的方法是肺量测定法和肺量描记法。肺量测定法不仅可以测量,还可以图形记录平静和正常呼吸、体力活动和药物测试期间的主要通气指标。近年来,计算机肺量描记系统的使用大大简化和加快了检查速度,最重要的是,它使得测量吸气和呼气气流的体积速度与肺容量的关系成为可能,即分析流量-容积环。例如,福田(日本)和埃里希·埃格尔(德国)等公司的肺量描记器就是这类计算机系统。
研究方法。最简单的呼吸描记器由一个充气的滑动圆柱体组成,该圆柱体浸入一个盛有水的容器中,并连接到记录装置(例如,一个以一定速度旋转的校准滚筒,用于记录呼吸描记器的读数)。患者采取坐姿,通过连接到圆柱体的导管吸入空气。呼吸过程中肺容量的变化通过连接到旋转滚筒的圆柱体体积的变化来记录。研究通常采用两种模式:
- 在基础代谢条件下 - 清晨,空腹,平卧休息1小时后;应在研究前12-24小时停用药物。
- 在相对休息的条件下——早上或下午,空腹或不早于清淡早餐后2小时;检查前,需要坐姿休息15分钟。
在患者熟悉操作流程后,研究将在一间独立的、光线昏暗的房间内进行,房间温度为18-24摄氏度。在进行研究时,务必与患者保持充分的接触,因为患者对操作的消极态度和必要技能的缺乏可能会显著影响研究结果,并导致对所获数据的评估不充分。
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肺通气的主要指标
经典呼吸描记法可以确定:
- 大多数肺的体积和容量的大小,
- 肺通气的主要指标,
- 身体的氧气消耗量和通气效率。
肺有4个主要容积和4个容量。后者包括两个或两个以上的主要容积。
肺容量
- 潮气量(TV)是平静呼吸时吸入和呼出的气体量。
- 吸气储备量(IRV)是指平静吸气后可以额外吸入的最大气体量。
- 呼气储备量(ERV)是指平静呼气后可以额外呼出的最大气体量。
- 肺残气量(RV)是最大程度呼气后肺内剩余的空气量。
肺活量
- 肺活量 (VC) 是 VL、RO in和 RO exp的总和,即最大深吸气后可以呼出的最大气体量。
- 吸气量(IC)是DI(吸入量)和PO(气量)的总和,即平静呼气后可吸入的最大气体量。该吸气量表征了肺组织的伸展能力。
- 功能残气量 (FRC) 是 FRC 与 PO exp的总和,即平静呼气后肺部剩余的气体量。
- 肺总量(TLC)是最大吸气后肺内所含的气体总量。
临床实践中广泛使用的传统呼吸描记器只能测定5种肺容量:RV、RO in、RO exp、VC、EVP(或分别称为VT、IRV、ERV、VC和VC)。为了找到肺通气最重要的指标——功能残气量(FRC),并计算肺残气量(RV)和肺总容量(TLC),必须使用特殊技术,特别是氦稀释法、氮冲洗法或全身体积描记法(见下文)。
传统肺量描记法的主要指标是肺活量 (VC)。测量 VC 时,患者需在平静呼吸 (CB) 一段时间后,先进行最大吸气,然后尽可能完全呼气。在这种情况下,建议不仅评估 VC 的积分值,还要评估吸气和呼气的肺活量(分别为 VCin 和 VCex),即能够吸入或呼出的最大空气量。
传统呼吸量描记法中使用的第二种强制性技术是确定肺部用力(呼气)肺活量(FVC,即用力呼气肺活量)的测试,该测试允许人们确定用力呼气过程中肺通气的最(形成性速度指标),特别是表征肺内气道的阻塞程度。与确定 VC 的测试一样,患者尽可能深地吸气,然后与确定 VC 不同,以最大速度呼气(用力呼气)。在这种情况下,会记录到逐渐变平的自发曲线。在评估此呼气动作的呼吸量图时,会计算几个指标:
- 一秒用力呼气量 (FEV1) 是指呼气第一秒内从肺部呼出的气体量。气道阻塞(由于支气管阻力增加)和限制性疾病(由于全肺容积减少)均会导致该指标下降。
- Tiffno指数(FEV1/FVC,%)是第一秒用力呼气量(FEV1)与用力肺活量(FVC)的比值。这是用力呼气时呼气动作的主要指标。在支气管阻塞综合征中,该指数会显著下降,因为支气管阻塞导致呼气减慢,同时伴有第一秒用力呼气量(FEV1)的下降,而FVC总值没有下降或下降不显著。在限制性肺疾病中,Tiffno指数几乎保持不变,因为FEV1和FVC的下降幅度几乎相同。
- 用力肺活量达到 25%、50% 和 75% 时的最大呼气流量(MEF25、MEF50、MEF75 或 MEF25、MEF50、MEF75)。这些值的计算方法是:将用力呼气量(分别达到 FVC 的 25%、50% 和 75%)对应的容积(以升为单位)除以用力呼气过程中达到这些容积所需的时间(以秒为单位)。
- 平均呼气流量在FVC的25~75%(AEF25-75)水平。该指标对患者自主呼吸努力的依赖性较小,更客观地反映支气管的通畅程度。
- 呼气峰值流量(PEF)是用力呼气的最大容积流量。
根据呼吸描记研究的结果,还计算出以下内容:
- 平静呼吸时的呼吸运动次数(RR 或 BF - 呼吸频率)和
- 每分钟呼吸量(MV)是平静呼吸时每分钟肺部总通气量。
流量-容量关系的调查
计算机化呼吸描记术
现代计算机肺量描记系统不仅可以自动分析上述肺量描记指标,还可以自动分析流速-容积比,即吸气和呼气过程中体积空气流速与肺容积值的依赖关系。对流速-容积环的吸气和呼气部分进行计算机自动分析是定量评估肺通气障碍最有前景的方法。虽然流速-容积环本身包含的信息与简单的肺量描记图基本相同,但体积空气流速与肺容积之间关系的清晰性使得我们能够更详细地研究上下呼吸道的功能特征。
所有现代呼吸计算机系统的核心元件都是呼吸速率描记传感器,用于记录气流的体积速度。传感器是一根粗管,患者可以通过它自由呼吸。同时,由于管子起始和终止处之间存在预先已知的微小气动阻力,会产生一定的压力差,该压力差与气流的体积速度成正比。这样,就可以记录吸气和呼气过程中气流体积速度的变化,即呼吸速率描记图。
自动积分该信号还能获得传统的呼吸描记指标——以升为单位的肺容积值。因此,在每个时间点,计算机的存储设备都会同时接收特定时刻的体积气流量和肺容积信息。这样就可以在监视器屏幕上绘制流量-容积曲线。该方法的一个显著优势在于,设备在开放系统中运行,即受试者通过开放回路中的一根管子呼吸,而不会像传统呼吸描记法那样感受到额外的呼吸阻力。
记录流量-容积曲线时进行呼吸动作的程序类似于记录常规的日常活动。经过一段时间的复杂呼吸后,患者最大程度吸气,从而记录流量-容积曲线的吸气部分。点“3”处的肺容积对应于肺总量 (TLC)。随后,患者用力呼气,并在监视器屏幕上记录流量-容积曲线的呼气部分(曲线“3-4-5-1”)。在用力呼气开始时(“3-4”),体积气流量迅速增加,达到峰值(峰值呼气流量 - PEF),然后线性下降,直至用力呼气结束,此时用力呼气曲线恢复到原始位置。
健康个体的流量-容积曲线吸气和呼气部分的形状差异显著:吸气时的最大容积流量约为肺活量(MIF50)的50%,而用力呼气时,峰值呼气流量(PEF)出现得非常早。最大吸气流量(MIF50)约为肺活量中期(Vmax50%)时最大呼气流量的1.5倍。
上述流量-容积曲线记录测试需重复进行多次,直至结果一致。大多数现代设备会自动收集最佳曲线,以便进一步处理材料。流量-容积曲线会与多项肺通气指标一起打印出来。
呼吸流量传感器记录体积空气流量曲线。通过自动积分该曲线,可以得到呼吸量曲线。
研究结果评估
无论健康患者还是肺部疾病患者,其肺容量和肺容量都取决于多种因素,包括年龄、性别、胸围、体位、训练水平等。例如,健康人群的肺活量 (VC) 会随着年龄增长而下降,而残气量 (RV) 则会上升,而肺总量 (TLC) 则几乎保持不变。VC 与胸围成正比,因此也与患者的身高成正比。女性的 VC 平均比男性低 25%。
因此,从实际角度来看,将肺活量图研究中获得的肺容量和肺活量值与统一的“标准”进行比较是不切实际的,因为由于上述和其他因素的影响,其值的波动非常大(例如,肺活量通常会在 3 到 6 升之间波动)。
评估研究期间获得的呼吸指标的最可接受的方法是将其与所谓的正常值进行比较,该正常值是在对大量健康人群进行检查时考虑到他们的年龄、性别和身高而获得的。
通气参数的所需值由特殊公式或表格确定。现代计算机呼吸描记器可自动计算所需值。每个参数的正常值限值均以相对于计算所需值的百分比给出。例如,如果 VC 或 FVC 的实际值低于计算所需值的 85%,则视为 VC 或 FVC 降低。如果该参数的实际值低于所需值的 75%,则视为 FEV1 降低;如果实际值低于所需值的 65%,则视为 FEV1/FVC 降低。
主要肺量计指标的正常值限值(占计算出的预期值的百分比)。
指标 |
规范 |
条件范数 |
偏差 |
||
缓和 |
重要的 |
锋利的 |
|||
黄色的 |
>90 |
85-89 |
70-84 |
50-69 |
<50 |
用力呼气量 |
>85 |
75-84 |
55-74 |
35-54 |
<35 |
用力呼气量/用力肺活量 |
>70 |
65-69 |
55-64 |
40-54 |
<40 |
奥利奥 |
90-125 |
126-140 |
141-175 |
176-225 |
>225 |
85-89 |
70-84 |
50-69 |
<50 |
||
职业接触限值 |
90-110 |
110-115 |
116-125 |
126-140 |
> 140 |
85-89 |
75-84 |
60-74 |
<60 |
||
油耗/油耗 |
<105 |
105-108 |
109-115 |
116-125 |
> 125 |
此外,在评估呼吸量描记结果时,有必要考虑进行研究的一些其他条件:大气压力、周围空气的温度和湿度。事实上,患者呼出的空气量通常略少于相同空气在肺部所占的体积,因为其温度和湿度通常高于周围空气。为了排除与研究条件相关的测量值的差异,所有肺容量,包括预期(计算)和实际(在特定患者中测量)都是针对体温 37°C 和水蒸气完全饱和(BTPS 系统 - 体温、压力、饱和)下的数值给出的。在现代计算机呼吸量描记器中,BTPS 系统中的肺容量的这种校正和重新计算是自动进行的。
结果解释
执业医师应该充分了解呼吸描记法研究方法的真正能力,该方法通常受限于残肺容量 (RLV)、功能残气量 (FRC) 和肺总量 (TLC) 的信息,因此无法对 TLC 结构进行全面分析。同时,呼吸描记法可以对外部呼吸状态形成总体概念,特别是:
- 发现肺活量(VC)下降;
- 识别气管支气管通畅性的侵犯,并使用现代计算机分析流量-容积环 - 在阻塞综合征发展的最早阶段;
- 在不伴有支气管通畅受损的情况下,确定是否存在肺通气限制性疾病。
现代计算机肺量描记法能够获得关于支气管阻塞综合征是否存在的可靠且完整的信息。使用肺量描记法(不使用气体分析方法评估肺气道结构)对限制性通气障碍进行或多或少可靠的检测,仅在相对简单、典型的肺顺应性受损病例中才有可能,且这些病例不伴有支气管通畅性受损。
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阻塞综合征的诊断
阻塞性综合征的主要肺量图体征是由于气道阻力增加导致用力呼气减慢。在记录典型的肺量图时,用力呼气曲线会变得拉长,FEV1 和 Tiffno 指数 (FEV1/FVC) 等指标会下降。VC 保持不变或略有下降。
支气管阻塞综合征更可靠的体征是蒂芬诺指数 (FEV1/FVC) 下降,因为 FEV1 的绝对值不仅会因支气管阻塞而下降,还会因限制性疾病而下降,因为所有肺容量和容量(包括 FEV1 和 FVC)都会成比例下降。
在阻塞性综合征发展的早期阶段,计算出的平均容积速度指标已下降至FVC的25-75%(SOC25-75%) - O“是最敏感的肺量图指标,它比其他指标更早地指示气道阻力的增加。然而,它的计算需要对FVC曲线的下降膝点进行相当精确的手动测量,而这在传统的肺量图上并不总是可行的。
使用现代计算机呼吸描记系统分析流量-容积环可以获得更准确可靠的数据。阻塞性疾病伴有流量-容积环中以呼气为主的部分的变化。如果说大多数健康人群的流量-容积环部分呈三角形,且呼气时体积空气流速几乎呈线性下降,那么支气管通畅障碍患者则会出现环呼气部分的特殊“下垂”,并且在所有肺容积值下体积空气流速都会下降。通常,由于肺容积增加,环呼气部分会向左移位。
以下肺量计参数下降:FEV1、FEV1/FVC、峰值呼气流量 (PEF )、MEF25% (MEF25)、MEF50% (MEF50)、MEF75% (MEF75) 和 FEF25-75%。
即使没有伴随的限制性疾病,肺活量 (VC) 也可能保持不变或下降。评估呼气储备量 (ERV )的值也很重要,该值在阻塞综合征中会自然下降,尤其是在支气管早期呼气关闭(塌陷)的情况下。
一些研究者认为,定量分析流量-容积环的呼气段也能让我们了解大支气管或小支气管主要的狭窄部位。一般认为,大支气管阻塞的特点是用力呼气容积流速主要在环的起始段下降,从而导致峰值容积流速(PVF)和25% FVC 时的最大容积流速(MEF25)等指标急剧下降。同时,呼气中段和末段的气体容积流速(MEF50% 和 MEF75%)也下降,但下降幅度小于 MEF exp和 MEF25%。相反,小支气管阻塞时,主要检测到 MEF50% 和 MEF75% 的下降,而 MEF exp正常或略有降低,MEF25% 中度降低。
但需要强调的是,这些规定目前似乎颇具争议,不建议在临床实践中广泛使用。无论如何,有更多的理由相信,用力呼气时体积气流量下降的不均匀性反映了支气管阻塞的程度,而不是阻塞的部位。支气管狭窄的早期阶段伴有呼气末期和中期呼气气流减慢(MEF50%、MEF75%、SEF25-75% 下降,MEF25%、FEV1/FVC 和 PEF 值略有变化),而在严重支气管阻塞的情况下,所有速度指数均会相对成比例地下降,包括 Tiffeneau 指数(FEV1/FVC)、PEF 和 MEF25%。
值得关注的是使用计算机呼吸描记器诊断上呼吸道(喉头、气管)阻塞的情况。此类阻塞有三种类型:
- 固定障碍物;
- 可变的胸外阻塞;
- 可变的胸内阻塞。
上呼吸道固定性阻塞的一个例子是气管切开术狭窄。在这些情况下,呼吸是通过一根刚性且相对较窄的管子进行的,该管子的管腔在吸气和呼气过程中不会发生变化。这种固定性阻塞会限制吸气和呼气时的气流。因此,曲线的呼气部分形状与吸气部分相似;吸气和呼气的体积速度显著降低,并且几乎相等。
然而,在临床上,人们经常会遇到两种不同形式的上呼吸道阻塞,即在吸气或呼气过程中喉头或气管的管腔发生变化,分别导致吸气或呼气气流的选择性限制。
不同类型的喉部狭窄(声带水肿、肿瘤等)均会出现不同程度的胸腔外阻塞。众所周知,在呼吸运动过程中,胸腔外气道(尤其是狭窄气道)的管腔取决于气管内压和大气压的比率。吸气时,气管内压(以及肺泡内压和胸膜内压)变为负压,即低于大气压。这导致胸腔外气道管腔变窄,吸气流量明显受限,流量-容积环的吸气部分减小(变平)。用力呼气时,气管内压明显高于大气压,因此气道直径接近正常,流量-容积环的呼气部分变化不大。气管肿瘤和气管膜部运动障碍可观察到上呼吸道不同程度的胸内阻塞。胸气道心房的直径主要取决于气管内压和胸膜内压的比值。用力呼气时,当胸膜内压显著升高,超过气管内压时,胸内气道会变窄并发生阻塞。吸气时,气管内压略微超过胸膜内负压,气管狭窄程度减轻。
因此,当上呼吸道出现不同程度的胸腔内阻塞时,呼气时气流会选择性受限,导致环路的吸气部分变平坦,而其吸气部分几乎保持不变。
当上呼吸道出现可变的胸外阻塞时,主要在吸气时观察到体积空气流速的选择性限制,而当出现胸内阻塞时,则在呼气时观察到体积空气流速的选择性限制。
还需注意的是,临床实践中,上呼吸道管腔狭窄仅伴有吸气或呼气部分扁平化的情况非常罕见。通常情况下,气流受限在呼吸的两个阶段都会出现,但在其中一个阶段,气流受限的程度会更加明显。
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限制性疾病的诊断
限制性肺通气障碍是指由于肺的呼吸面减少、部分肺无法呼吸、肺和胸部弹性下降以及肺组织伸展能力下降(炎症性或血流动力学性肺水肿、大面积肺炎、尘肺、肺硬化等)而导致肺部空气充盈受限。同时,如果限制性肺通气障碍不伴有上述支气管通畅性障碍,则气道阻力通常不会增加。
经典肺量图检查显示的限制性通气障碍的主要后果是大多数肺容量和容量几乎成比例下降:RV、VC、RO in、RO exp、FEV、FEV1等。重要的是,与阻塞性综合征不同,FEV1的下降并不伴随FEV1/FVC比率的下降。该指标保持在正常范围内,甚至由于VC的显著下降而略有升高。
在计算机肺量描记法中,流量-容积曲线是正常曲线的缩小版,由于肺容积整体减少而向右移动。呼气流量FEV1的峰值容积率 (PVR) 降低,尽管 FEV1/FVC 比值正常或升高。由于肺扩张受限,从而导致其弹性牵引力下降,即使在没有气道阻塞的情况下,流量指标(例如 PVR25-75%、MVR50%、MVR75%)在某些情况下也可能降低。
限制性通气障碍的最重要诊断标准可以将其与阻塞性障碍可靠地区分开来,这些标准是:
- 通过肺量计测量的肺容量和容量以及流量指标几乎成比例地减少,并且流量 - 容量环曲线的形状正常或略有改变,向右移动;
- Tiffeneau 指数(FEV1/FVC)值正常甚至升高;
- 吸气储备量(IRV )的减少几乎与呼气储备量(ERV )成正比。
需要再次强调的是,即使是“单纯”限制性通气障碍的诊断,也不能仅仅依赖VCF的下降,因为在严重阻塞性综合征中,该指标也可能显著下降。更可靠的鉴别诊断体征是流量-容积曲线呼气段形状无变化(尤其是FEV1/FVC值正常或升高),以及PO吸入量和PO呼出量成比例下降。
肺总量(TLC)结构的测定
如上所述,传统肺量计检查方法以及流量-容积曲线的计算机处理只能让我们了解八个肺容积和容量中的五个(VO、ROin、ROout、VC、Evd,或分别为 VT、IRV、ERV、VC 和 1C)的变化,这使得主要评估肺通气阻塞性疾病的程度成为可能。只有在限制性疾病不伴有支气管通畅性受损(即没有混合性肺通气疾病)的情况下,才能准确诊断。尽管如此,在医疗实践中最常遇到此类混合性疾病(例如,慢性阻塞性支气管炎或支气管哮喘并发肺气肿和肺硬化等)。在这些情况下,只有通过分析 OEL 的结构才能识别肺通气障碍的机制。
为了解决这个问题,需要使用其他方法来确定功能残气量 (FRC),并计算肺残气量 (RV) 和肺总量 (TLC)。由于 FRC 是最大呼气量后肺部剩余的空气量,因此只能通过间接方法(气体分析或全身体积描记法)进行测量。
气体分析方法的原理是,要么将惰性气体氦气引入肺部(稀释法),要么将肺泡气中的氮气冲洗出来,迫使患者呼吸纯氧。在这两种情况下,FRC 都是根据气体的最终浓度计算得出的(RF Schmidt,G. Thews)。
氦气稀释法。众所周知,氦气对人体是一种惰性且无害的气体,它实际上不会穿过肺泡毛细血管膜,也不参与气体交换。
稀释法基于测量密闭肺量计容器中氦气浓度,该浓度是在将气体与肺容积混合之前和之后进行的。将已知容积 (Vsp )的密闭肺量计充满由氧气和氦气组成的混合气体。氦气所占容积 (Vsp )及其初始浓度 (FHe1) 也是已知的。患者平静呼气后,开始通过肺量计呼吸,氦气在肺容积 (FRC) 和肺量计容积 (Vsp )之间均匀分布。几分钟后,整体系统(“肺量计-肺”)中的氦气浓度降低 (FHe2 )。
氮气冲洗法。在该方法中,肺量计内充满氧气。患者向肺量计的闭式回路中呼吸几分钟,然后测量呼出气体的量、肺中初始氮气含量以及肺量计中的最终氮气含量。FRC 的计算公式与氦稀释法类似。
上述两种测定荧光共振指数 (FRC) 方法的准确性取决于肺部气体混合的完全性,健康人几分钟内即可完成。然而,在某些伴有明显通气不均匀的疾病(例如阻塞性肺部疾病)中,气体浓度达到平衡需要很长时间。在这种情况下,使用上述方法测量 FRC (荧光共振指数) 可能不准确。而技术上更复杂的全身体积描记法则避免了这些缺点。
全身体积描记法。全身体积描记法是肺病学中信息量最大、最复杂的研究方法之一,用于确定肺容量、气管支气管阻力、肺组织和胸部的弹性,以及评估肺通气的一些其他参数。
一体式体积描记器是一个容积为800升的密封腔体,患者可自由放置于其中。患者通过连接到通向大气的软管的呼吸速度描记管进行呼吸。软管上有一个阀门,可在适当时刻自动关闭气流。特殊的气压传感器测量腔体压力(Pcam)和口腔压力(Pmouth)。当软管阀门关闭时,口腔压力等于肺泡内压。呼吸速度描记器可以测定气流(V)。
积分体积描记器的工作原理基于波义尔-莫里奥斯特定律,根据该定律,在恒定温度下,压力 (P) 和气体体积 (V) 之间的比率保持不变:
P1xV1=P2xV2,其中P1为初始气体压力,V1为初始气体体积,P2为改变气体体积后的压力,V2为改变气体压力后的体积。
患者位于体积描记室内,平静地吸气和呼气,之后(在FRC水平)关闭软管阀门,患者尝试“吸气”和“呼气”(“呼吸”动作)。在此“呼吸”动作过程中,肺泡内压力发生变化,体积描记器封闭室内的压力则成反比变化。在阀门关闭的情况下尝试“吸气”时,胸腔容积会增加,这一方面导致肺泡内压力降低,另一方面导致体积描记室内压力(Pcam )相应增加。相反,在尝试“呼气”时,肺泡压力会增加,胸腔容积和室内压力都会降低。
因此,全身体积描记法可以高精度地计算胸内气体量 (ITG),在健康个体中,它相当精确地对应于肺功能残气量 (FRC 或 CS) 的值;ITG 和 FRC 之间的差异通常不超过 200 毫升。然而,应该记住,在支气管通畅受损和一些其他病理条件下,由于无通气和通气不良的肺泡数量增加,ITG 可能会显著超过真实的 FRC 值。在这些情况下,建议结合使用气体分析方法和全身体积描记法进行研究。顺便说一句,ITG 和 FRC 之间的差异是肺部通气不均匀的重要指标之一。
结果解释
限制性肺通气障碍的主要诊断标准是肺通气量 (OLC) 显著减少。在“单纯”限制性通气障碍(不伴有支气管阻塞)中,OLC 结构无显著改变,或 OLC/OLC 比值略有下降。如果在支气管通畅障碍(混合型通气障碍)的背景下出现限制性通气障碍,且 OLC 明显减少,则其结构会发生显著变化,这是支气管阻塞综合征的特征:OLC/OLC 比值增加(超过 35%),FRC/OLC 比值增加(超过 50%)。两种限制性通气障碍均会导致肺通气量 (VC) 显著减少。
因此,对 VC 结构的分析可以区分通气障碍的所有三种变体(阻塞性、限制性和混合性),而仅评估肺量计指标则无法可靠地区分混合变体和阻塞性变体(伴随 VC 的减少)。
阻塞性综合征的主要诊断标准是OEL结构的改变,尤其是OEL/OEL(超过35%)和FRC/OEL(超过50%)的升高。对于“纯”限制性通气障碍(不伴有阻塞),最典型的表现是OEL降低而结构无改变。混合型通气障碍的特征是OEL显著降低,OEL/OEL和FRC/OEL比值升高。
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确定肺部通气不均匀
健康人肺脏不同部位的通气存在一定的生理不均匀性,这是由于气道和肺组织的机械特性存在差异,以及存在所谓的垂直胸膜压力梯度所致。如果患者处于垂直姿势,则在呼气结束时,肺上部的胸膜压力比下部(肺底)的负压更大。压差可达 8 厘米水柱。因此,在下一次吸气开始之前,肺尖部的肺泡比下部肺底部的肺泡伸展得更大。因此,在吸气过程中,更多的空气会进入肺底部的肺泡。
肺底部肺泡的通气通常比肺尖区域更好,这与胸膜内压力的垂直梯度有关。然而,这种不均匀的通气通常不会伴有明显的气体交换中断,因为肺内的血流同样不均匀:肺底部的血流灌注比肺尖区域更好。
在某些呼吸系统疾病中,通气不均匀的程度可能会显著增加。这种病理性通气不均匀最常见的原因包括:
- 伴有呼吸道阻力不均匀增加的疾病(慢性支气管炎、支气管哮喘)。
- 肺组织区域弹性不均等的疾病(肺气肿、肺硬化)。
- 肺组织炎症(局部性肺炎)。
- 与肺泡扩张局部受限(限制性)有关的疾病和综合征——渗出性胸膜炎、胸水、肺硬化等。
多种病因常合并存在。例如,慢性阻塞性支气管炎合并肺气肿和肺硬化时,可出现局部支气管通畅度和肺组织弹性障碍。
通气不均匀时,生理死腔明显增大,气体交换无法进行或减弱,这是导致呼吸衰竭的原因之一。
气体分析法和气压法最常用于评估肺通气不均匀性。因此,可以通过分析用于测量FRC的氦气混合(稀释)曲线或氮气冲刷曲线来大致了解肺通气不均匀性。
在健康人群中,氦气会在三分钟内与肺泡空气混合或将氮气从中冲走。在支气管阻塞的情况下,通气不良的肺泡数量(体积)会急剧增加,导致混合(或冲走)时间显著增加(最长可达10-15分钟),这是肺通气不均匀的指标。
使用单次呼吸氮气冲洗试验可以获得更准确的数据。患者尽可能多地呼气,然后尽可能深地吸入纯氧。然后,他将气体缓慢地呼入配备有氮气浓度测定装置(氮分析仪)的呼吸描记器的密闭系统中。在整个呼气过程中,持续测量呼出气体混合物的体积,并测定含肺泡氮气的呼出气体混合物中氮气浓度的变化。
氮气冲洗曲线包含四个阶段。在呼气刚开始时,来自上呼吸道的空气进入呼吸描记器,100% 由前一次吸气时充满的氧气组成。这部分呼出气体中的氮气含量为零。
第二阶段的特点是氮浓度急剧增加,这是由于这种气体从解剖死腔中滤出所致。
在漫长的第三阶段,记录肺泡气中的氮气浓度。在健康人群中,此阶段曲线呈平坦状态,呈平台状(肺泡平台)。如果在此阶段通气不均匀,由于气体从通气不良的肺泡中冲刷出来(这些肺泡最后被排空),氮气浓度会升高。因此,第三阶段末期氮气冲刷曲线上升幅度越大,肺通气不均匀性就越明显。
氮气冲刷曲线的第四阶段与肺基底部小气道的呼气关闭和主要来自肺顶端的空气流动有关,其中的肺泡空气含有较高浓度的氮气。
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通气-血流灌注比评估
肺部的气体交换不仅取决于整体通气水平及其在器官各部位的不均匀程度,还取决于肺泡水平的通气与灌注比。因此,通气灌注比(VPR)的值是呼吸器官最重要的功能特征之一,最终决定了气体交换的水平。
正常情况下,全肺的VPO为0.8-1.0。当VPO低于1.0时,肺部通气不良区域的血流灌注会导致低氧血症(动脉血氧合降低)。当VPO升高超过1.0时,在血流灌注显著降低的区域,通气量保持正常或过度,这可能导致二氧化碳清除障碍——高碳酸血症。
违反VPO的原因:
- 所有引起肺部通气不均匀的疾病和综合症。
- 存在解剖和生理分流。
- 肺动脉小分支血栓栓塞。
- 肺循环血管微循环障碍和血栓形成。
二氧化碳图。目前已提出了几种检测VPO异常的方法,其中最简单易行的方法之一是二氧化碳图。该方法基于使用专用气体分析仪连续记录呼出气体混合物中的二氧化碳含量。这些设备通过测量二氧化碳在装有呼出气体的比色皿中对红外线的吸收率来测量。
分析二氧化碳图时,通常计算三个指标:
- 肺泡期曲线的斜率(BC 段),
- 呼气结束时(C 点)的二氧化碳浓度值,
- 功能性死腔(FDS)与潮气量(TV)的比率-FDS/TV。
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气体扩散的测定
气体通过肺泡毛细血管膜的扩散遵循菲克定律,根据该定律,扩散速率与以下因素成正比:
- 膜两侧气体(O2 和 CO2)分压梯度(P1 - P2)和
- 肺泡毛细血管膜的弥散能力(Dm):
VG = Dm x (P1 - P2),其中 VG 是通过肺泡毛细血管膜的气体转移速率 (C),Dm 是膜的扩散能力,P1 - P2 是膜两侧气体分压的梯度。
要计算肺对氧气的弥散能力,需要测量氧气的吸收量 (VO2 )和平均氧分压梯度。VO2值可使用开放式或封闭式呼吸描记器测量。由于在临床条件下难以测量肺毛细血管中的氧分压,因此需要使用更复杂的气体分析方法来确定氧分压梯度 (P1 - P2 )。
肺弥散能力的定义通常用于氧气(O2 ),但对于一氧化碳(CO)也适用。由于一氧化碳与血红蛋白的结合活性比氧气高200倍,因此其在肺毛细血管血液中的浓度可以忽略不计。因此,要确定弥散能力(DlCO),只需测量一氧化碳穿过肺泡毛细血管膜的速率和肺泡气体的压力即可。
单次呼吸法在临床上应用最为广泛。受试者吸入含有少量CO和氦气的混合气体,深吸一口气后屏住呼吸10秒。然后通过测量CO和氦气的浓度来确定呼出气体的成分,并计算出肺对CO的弥散能力。
正常情况下,以体表面积为标准的肺氧弥散量 (DlСО) 为 18 ml/min/mm Hg/m²。肺氧弥散量 (DlО²) 通过将 DlСО 乘以系数 1.23 计算得出。
导致肺弥散能力下降的最常见疾病有以下几种。
- 肺气肿(由于肺泡毛细血管接触的表面积和毛细血管血量减少)。
- 伴有肺实质弥漫性损害和肺泡毛细血管膜增厚的疾病和综合征(大面积肺炎、炎性或血流动力学性肺水肿、弥漫性肺硬化、肺泡炎、尘肺、囊性纤维化等)。
- 伴有肺毛细血管床损伤的疾病(血管炎、肺动脉小分支栓塞等)。
为了正确解释肺弥散能力的变化,必须考虑血细胞比容指数。红细胞增多症和继发性红细胞增多症时,血细胞比容升高,肺弥散能力下降;贫血时,血细胞比容降低,肺弥散能力下降。
测量气道阻力
测量气道阻力是肺通气诊断中一个重要的参数。吸气时,空气在口腔和肺泡之间的压力梯度作用下流经气道。吸气时,胸腔扩张导致玻璃体胸膜压力下降,从而导致肺泡内压力降低,使其低于口腔内(大气)压力。结果,气流被引导进入肺部。呼气时,肺和胸腔的弹性牵引作用旨在增加肺泡内压力,使其高于口腔内压力,从而导致逆向气流。因此,压力梯度 (∆P) 是确保空气通过气道传输的主要力量。
决定流经气道的气体大小的第二个因素是气动阻力 (Raw),而气动阻力又取决于气道的间隙和长度,以及气体的粘度。
体积空气流速的大小遵循泊肃叶定律:V = ∆P / Raw,其中
- V——层流体积速度;
- ∆P——口腔和肺泡内的压力梯度;
- 原始——气道的空气动力阻力。
因此,要计算气道的空气动力阻力,必须同时测量口腔内肺泡压力 (∆P) 和体积空气流量之间的差值。
根据这一原则确定 Raw 的方法有以下几种:
- 全身体积描记法;
- 气流阻断法。
血气和酸碱平衡测定
诊断急性呼吸衰竭的主要方法是动脉血气分析,包括测量动脉血氧分压 (PaO2)、动脉血二氧化碳分压 (PaCO2) 和 pH 值。还可以测量血红蛋白的氧饱和度(氧饱和度)以及其他一些参数,特别是缓冲碱 (BB) 含量、标准碳酸氢盐 (SB) 含量以及碱过量(缺量)值 (BE)。
PaO2 和 PaCO2 指标最准确地表征了肺部使血液充满氧气(氧合)和清除二氧化碳(通气)的能力。后者的功能也由 pH 值和 BE 值决定。
为了确定重症监护病房急性呼吸衰竭患者的血液气体成分,需要采用一种复杂的侵入性技术,通过穿刺大动脉获取动脉血。桡动脉穿刺更常见,因为其并发症风险较低。手部具有良好的侧支血流,由尺动脉提供。因此,即使在穿刺或使用动脉导管时损伤桡动脉,手部的血液供应也能得到维持。
桡动脉穿刺和安装动脉导管的适应症是:
- 需要频繁测量动脉血气成分;
- 在急性呼吸衰竭的背景下严重的血流动力学不稳定,需要持续监测血流动力学参数。
艾伦试验阴性是置管的禁忌症。进行该试验时,用手指压迫尺动脉和桡动脉,以切断动脉血流;一段时间后,手部颜色会变得苍白。之后,放松尺动脉,同时继续压迫桡动脉。通常情况下,手部颜色会迅速恢复(5秒内)。如果没有恢复,则手部仍然苍白,诊断为尺动脉闭塞,试验结果为阴性,无需进行桡动脉穿刺。
如果检查结果为阳性,则固定患者的手掌和前臂。在桡动脉远端准备好术野后,触诊桡动脉搏动,在此部位施以麻醉,以45°角穿刺。导管向上推进,直至针头内出现血液。拔出针头,将导管留在动脉内。为防止出血过多,用手指按压桡动脉近端5分钟。用丝线将导管固定在皮肤上,并用无菌绷带包扎。
导管放置期间的并发症(出血、血栓引起的动脉闭塞和感染)相对罕见。
最好使用玻璃注射器而非塑料注射器采集血液进行检测。重要的是,血液样本不能与周围空气接触,也就是说,血液的采集和运输应在厌氧条件下进行。否则,周围空气进入血液样本,会影响 PaO2 水平的测定。
血气分析应在抽取动脉血后10分钟内进行。否则,血样中正在进行的代谢过程(主要由白细胞活动引发)会显著改变血气分析结果,导致PaO2和pH值降低,PaCO2升高。在白血病和白细胞增多症患者中,这些变化尤为明显。
评估酸碱平衡的方法
测量血液pH值
血浆的pH值可以通过两种方法测定:
- 指示剂法是基于用作指示剂的某些弱酸或弱碱在一定的pH值下发生离解,从而改变颜色的特性。
- pH 测定法使用特殊的极谱电极,可以更准确、更快速地测定氢离子的浓度,当将极谱电极浸入溶液中时,电极表面会产生电位差,具体取决于所研究介质的 pH 值。
其中一个电极为活性电极或测量电极,由贵金属(铂或金)制成。另一个电极(参比电极)用作比较电极。铂电极通过一层仅允许氢离子 (H + ) 透过的玻璃膜与系统其他部分隔开。电极内部充满缓冲溶液。
电极浸入待测溶液(例如血液)中,并由电流源极化。结果,在闭合电路中产生电流。由于铂(活性)电极与电解质溶液之间还隔着一层仅允许H +离子透过的玻璃膜,因此该玻璃膜两侧的压力与血液的pH值成正比。
通常,酸碱平衡是使用 microAstrup 设备上的 Astrup 方法评估的。该方法可确定 BB、BE 和 PaCO2 指标。将两份待检查的动脉血与两种已知成分的混合气体(CO2 分压不同)混合,使其达到平衡状态。测量每份血液的 pH 值。将每份血液的 pH 值和 PaCO2 值绘制为列线图上的两个点。通过列线图上标记的两个点绘制一条直线,直到它与标准 BB 和 BE 图相交,即可确定这些指标的实际值。然后测量待检查血液的 pH 值,并在所得直线上找到与该测得 pH 值相对应的点。血液中 CO2 的实际压力 (PaCO2) 由该点在纵轴上的投影确定。
直接测量二氧化碳压力(PaCO2)
近年来,用于 pH 测量的极谱电极的改进已用于直接测量小体积内的 PaCO2。两个电极(活性电极和参比电极)均浸入电解质溶液中,该溶液由另一层仅可透过气体但不透过氢离子的膜与血液隔开。血液中扩散通过该膜的 CO2 分子会改变溶液的 pH 值。如上所述,活性电极还由一层仅可透过 H +离子的玻璃膜与 NaHCO3 溶液隔开。将电极浸入测试溶液(例如血液)后,该膜两侧的压力与电解质(NaHCO3)的 pH 值成正比。反过来,NaHCO3 溶液的 pH 值取决于血液中 CO2 的浓度。因此,回路中的压力与血液中的 PaCO2 成正比。
极谱法也用于测定动脉血中的 PaO2。
通过直接测量 pH 值和 PaCO2 来确定 BE
直接测定血液的pH值和PaCO2可以显著简化酸碱平衡的第三个指标——过量碱(BE)的测定方法。最后一个指标可以使用特殊的列线图来确定。直接测量pH值和PaCO2后,将这些指标的实际值绘制在列线图的相应刻度上。这些点用直线连接,直至与BE刻度相交。
这种确定酸碱平衡主要指标的方法不需要像使用经典的阿斯特鲁普方法那样用气体混合物来平衡血液。
结果解释
动脉血中O2和CO2的分压
PaO2和PaCO2是呼吸衰竭的主要客观指标。健康成年人呼吸氧浓度为21%(FiO2 = 0.21)的室内空气,在正常大气压(760毫米汞柱)下,PaO2为90-95毫米汞柱。随着气压、环境温度等条件的变化,健康人的PaO2可达80毫米汞柱。
PaO2 值较低(低于 80 毫米汞柱)可视为低氧血症的初期表现,尤其是在肺、胸、呼吸肌或呼吸中枢调节功能出现急性或慢性损伤的情况下。PaO2 降至 70 毫米汞柱,在大多数情况下提示代偿性呼吸衰竭,并通常伴有外部呼吸系统功能下降的临床体征:
- 轻微心动过速;
- 呼吸困难、呼吸不适,主要出现在体力活动时,尽管静息时呼吸频率不超过每分钟20-22次;
- 运动耐受力明显下降;
- 辅助呼吸肌参与呼吸等。
乍一看,这些动脉低氧血症的标准与E. Campbell对呼吸衰竭的定义相矛盾:“呼吸衰竭的特征是PaO2降至60毫米汞柱以下……”。然而,如前所述,该定义指的是失代偿性呼吸衰竭,其表现为大量的临床和仪器体征。事实上,PaO2降至60毫米汞柱以下通常表明严重的失代偿性呼吸衰竭,并伴有静息呼吸困难、呼吸运动次数增加至每分钟24-30次、发绀、心动过速、呼吸肌压力显著升高等症状。PaO2低于40-45毫米汞柱通常会出现神经系统疾病和其他器官缺氧的症状。
PaO2 在 80 至 61 毫米汞柱之间,尤其是在肺部和外部呼吸系统急性或慢性损伤的背景下,应被视为动脉低氧血症的初期表现。在大多数情况下,这提示轻度代偿性呼吸衰竭的形成。PaO2降至 60 毫米汞柱以下,提示中度或重度代偿前呼吸衰竭,其临床表现清晰。
正常情况下,动脉血二氧化碳分压 (PaCO2 )为 35-45 毫米汞柱。当 PaCO2 超过 45 毫米汞柱时,诊断为高碳酸血症。PaCO2 值超过 50 毫米汞柱通常对应严重通气性(或混合性)呼吸衰竭的临床表现,而超过 60 毫米汞柱则需要进行机械通气以恢复每分钟呼吸量。
各种形式的呼吸衰竭(通气性、实质性等)的诊断基于对患者的全面检查结果 - 疾病的临床表现、外部呼吸功能的确定结果、胸部X光检查、实验室检查,包括对血液中气体成分的评估。
上文已指出呼吸性呼吸衰竭和实质性呼吸衰竭中PaO 2和 PaCO 2变化的一些特点。我们回顾一下,呼吸性呼吸衰竭是指体内CO 2释放过程主要在肺部发生中断,其特征是高碳酸血症(PaCO2高于 45-50 mm Hg),常伴有代偿性或失代偿性呼吸性酸中毒。同时,肺泡进行性通气不足自然会导致肺泡空气的氧合和动脉血液中O 2的压力 (PaO2 ) 下降,从而导致低氧血症。因此,呼吸性呼吸衰竭的具体表现是同时伴有高碳酸血症和加重的低氧血症。
实质性呼吸衰竭的早期阶段以PaO2下降(低氧血症)为特征,在大多数情况下伴有明显的肺泡过度换气(呼吸急促)以及由此导致的低碳酸血症和呼吸性碱中毒。如果这种情况无法缓解,则会逐渐出现通气量、每分钟呼吸量进行性减少和高碳酸血症(PaCO2 大于 45-50 mm Hg)的体征。这表明由于呼吸肌疲劳、气道严重阻塞或功能性肺泡容积严重下降而合并有通气性呼吸衰竭。因此,实质性呼吸衰竭的后期阶段以 PaO2 进行性下降(低氧血症)并发高碳酸血症为特征。
根据疾病发展的个体特征和呼吸衰竭某些病理生理机制的优势,可能出现其他低氧血症和高碳酸血症组合,这将在以下章节中讨论。
酸碱失衡
在大多数情况下,为了准确诊断呼吸性和非呼吸性酸中毒和碱中毒,以及评估这些疾病的代偿程度,只需确定血液 pH 值、pCO2、BE 和 SB 就足够了。
在失代偿期,血液pH值会下降;在碱中毒时,酸碱平衡的判断方法很简单:酸性条件下,pH值升高。通过实验室指标也很容易判断这些疾病是呼吸性还是非呼吸性:这两种类型的pCO 2和BE的变化方向不同。
在酸碱平衡失调的代偿期(血液pH值保持不变)评估酸碱平衡参数时,情况会更加复杂。因此,无论是在非呼吸性(代谢性)酸中毒还是呼吸性碱中毒中,都可以观察到pCO 2和BE的下降。在这些情况下,评估整体临床状况会有所帮助,这使我们能够了解pCO2或BE的相应变化是原发性的还是继发性的(代偿性的)。
代偿性呼吸性碱中毒的特征是二氧化碳分压 (PaCO2) 的原发性升高,这才是酸碱平衡紊乱的根本原因;在这种情况下,相应的生物钟 (BE) 变化是继发性的,也就是说,它们反映了各种旨在降低碱浓度的代偿机制的介入。相反,对于代偿性代谢性酸中毒,BE 的变化是原发性的,而二氧化碳分压 (pCO2) 的变化反映了肺部的代偿性过度换气(如果可能的话)。
因此,在大多数情况下,将酸碱失衡的参数与疾病的临床表现进行比较,即使在代偿期,也能对失衡的性质做出相当可靠的诊断。评估血液电解质成分的变化也有助于在这些病例中做出正确的诊断。呼吸性和代谢性酸中毒常伴有高钠血症(或正常Na +浓度)和高钾血症,而呼吸性碱中毒则伴有低钠血症(或正常Na+浓度)和低钾血症。
脉搏血氧测定
外周器官和组织的氧气供应不仅取决于动脉血中D2 压力的绝对值,还取决于血红蛋白在肺部结合氧气并在组织中释放氧气的能力。这种能力由氧合血红蛋白解离曲线的 S 形形式描述。这种解离曲线形式的生物学含义是高 O2 压力值区域对应于该曲线的水平部分。因此,即使动脉血氧分压从 95 波动到 60-70 mm Hg,血红蛋白的氧饱和度 (SaO2 )仍保持在足够高的水平。因此,在健康的年轻人中,当 PaO2 = 95 mm Hg 时,血红蛋白的氧饱和度为 97%,当 PaO2 = 60 mm Hg 时,则为 90%。氧合血红蛋白解离曲线中段的陡峭斜率表明组织中释放氧气的条件非常有利。
在某些因素(体温升高、高碳酸血症、酸中毒)的影响下,解离曲线向右移动,这表明血红蛋白对氧的亲和力降低,并且更容易在组织中释放。图中显示,在这些情况下,需要更高的PaO2才能将血红蛋白的氧饱和度维持在相同水平。
氧合血红蛋白解离曲线左移表明血红蛋白对O2的亲和力增加,其释放到组织中减少。这种变化发生在低碳酸血症、碱中毒和低温的影响下。在这些情况下,即使在较低的PaO2值下也能维持较高的血红蛋白氧饱和度。
因此,在呼吸衰竭中,血红蛋白氧饱和度的值获得了一个独立的值,用于表征外周组织供氧情况。测定该指标最常见的非侵入性方法是脉搏血氧饱和度测定。
现代脉搏血氧仪包含一个微处理器,该微处理器连接到一个包含发光二极管的传感器以及位于发光二极管对面的光敏传感器。通常使用两种波长的辐射:660 nm(红光)和 940 nm(红外线)。血氧饱和度分别由还原血红蛋白 (Hb) 和氧合血红蛋白 (HbJ2) 对红光和红外光的吸收来测定。结果显示为 SaO2(通过脉搏血氧仪获得的饱和度)。
正常情况下,血氧饱和度超过90%。当出现低氧血症或PaO2低于60毫米汞柱时,该指标会下降。
在评估脉搏血氧仪结果时,应注意该方法的误差较大,可达±4-5%。还应注意,间接测定血氧饱和度的结果还取决于许多其他因素。例如,受试者指甲上是否有指甲油。指甲油会吸收部分波长为 660 nm 的阳极辐射,从而低估 SaO2 指标的数值。
脉搏血氧仪读数会受到血红蛋白解离曲线偏移的影响,而这种偏移会受到多种因素的影响(体温、血液pH值、PaCO2水平)、皮肤色素沉着、血红蛋白水平低于50-60克/升的贫血等。例如,pH值的微小波动会导致SaO2指标发生显著变化;在碱中毒(例如,在过度换气的背景下发生的呼吸性碱中毒)时,SaO2会被高估,而在酸中毒时,SaO2会被低估。
此外,该技术无法检测外周血中出现的病理类型的血红蛋白——碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白,它们吸收与氧合血红蛋白相同波长的光,从而导致对 SaO2 值的高估。
尽管如此,脉搏血氧仪目前在临床实践中被广泛应用,特别是在重症监护室和复苏科室,用于简单、指示性地动态监测血红蛋白氧饱和度状态。
血流动力学参数评估
为了全面分析急性呼吸衰竭的临床情况,需要动态确定一些血流动力学参数:
- 血压;
- 心率(HR);
- 中心静脉压(CVP);
- 肺动脉楔压(PAWP);
- 心输出量;
- 心电图监测(包括及时发现心律失常)。
许多参数(血压、心率、血氧饱和度、心电图等)可以通过重症监护和复苏科室的现代监护设备进行测量。对于重症患者,建议在右心室植入临时漂浮心导管,以测量中心静脉压 (CVP) 和肺动脉瓣闭合性 (PAOP)。