閉環(huán)機(jī)械通氣控制技術(shù)應(yīng)用及前景展望

羅 熙，吳太虎，陳 鋒，余 明，袁 晶，張 廣

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津300161）

0 引言

機(jī)械通氣是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，它是在呼吸機(jī)的協(xié)助下，通過改善患者通氣和氧合情況，使患者的呼吸功能得到恢復(fù)，利用呼吸機(jī)的機(jī)械裝置來代替、控制或改變患者自主呼吸運(yùn)動的一種方式。由于患者的病情和身體情況的復(fù)雜性，機(jī)械通氣的治療范圍受限，但隨著新的通氣模式和通氣技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)械通氣技術(shù)得到迅猛發(fā)展，因此也出現(xiàn)了多種呼吸機(jī)以滿足不同的患者需求。但是在實(shí)際臨床應(yīng)用中，仍然有許多患者在危險條件（例如高潮氣量和高氣道壓力）下通氣，雖然人為因素是造成這種情況的部分原因，但患者的不同病情、病情的不同嚴(yán)重程度以及身體狀況隨時間的巨大變化也是使得某一種設(shè)置不合適的原因。

為了解決在臨床治療中存在的以上問題，呼吸機(jī)的各種工作模式、功能選擇和參數(shù)設(shè)置等都應(yīng)該嚴(yán)格按照臨床的需要做出實(shí)時的調(diào)整。計(jì)算機(jī)方案、決策支持、閉環(huán)系統(tǒng)有助于機(jī)械通氣更安全、更高效。在醫(yī)療領(lǐng)域，呼吸機(jī)閉環(huán)控制可以使控制系統(tǒng)在動態(tài)變化中促進(jìn)呼吸機(jī)各種參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)由一般的經(jīng)驗(yàn)性方法向科學(xué)性方法的轉(zhuǎn)變。在實(shí)際的臨床運(yùn)用中，呼吸機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)可以對患者的通氣情況進(jìn)行隨時跟蹤監(jiān)測和動態(tài)化的管理，隨時發(fā)現(xiàn)呼吸機(jī)在通氣運(yùn)行過程中存在的干擾性因素并及時進(jìn)行消除，最終實(shí)現(xiàn)對患者通氣質(zhì)量的有效控制。在軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)現(xiàn)場情況復(fù)雜，在沒有提供補(bǔ)給的情況下，醫(yī)療功能需要至少維持72 h。前線身受重傷的士兵需要立即運(yùn)用急救設(shè)備進(jìn)行處置和批量后送。針對前線衛(wèi)生人員專業(yè)性不強(qiáng)以及醫(yī)療資源不足的問題，呼吸機(jī)閉環(huán)控制機(jī)械通氣調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動操作，一方面可以大量節(jié)省人力資源，另一方面可對批量傷員進(jìn)行及時干預(yù)。因此，無論在醫(yī)療領(lǐng)域還是軍事領(lǐng)域，呼吸機(jī)中的閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)對于改善患者的病情至關(guān)重要。基于此，本文介紹閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的概念及應(yīng)用于呼吸機(jī)的必要性，綜述其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望閉環(huán)機(jī)械通氣控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的概念及應(yīng)用于呼吸機(jī)的必要性

1.1 閉環(huán)控制的概念

閉環(huán)控制是控制論的一個基本概念，指作為被控的輸出量以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系，帶有反饋信息的系統(tǒng)控制方式。當(dāng)操作者啟動系統(tǒng)后，通過系統(tǒng)運(yùn)行將控制信息輸向受控對象，并將受控對象的狀態(tài)信息反饋到輸入中，以修正操作過程，使系統(tǒng)的輸出符合預(yù)期要求。閉環(huán)控制是一種比較靈活、工作績效較高的控制方式，工業(yè)生產(chǎn)中的多數(shù)控制方式采用閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)，其基本原理如圖1所示。

圖1 閉環(huán)控制原理

1.2 閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的概念

閉環(huán)機(jī)械通氣控制是一種顯式計(jì)算機(jī)協(xié)議（explicit computerized protocol，ECP），具體是指在特定時間給予特定患者的應(yīng)用指導(dǎo)。建立ECP 的方式有不同的形式，包括對生理和病理過程的建模、模仿臨床醫(yī)生的決策過程以及將其結(jié)合運(yùn)用[1-2]。ECP 的最終輸出可以是建議或決策。在開環(huán)模式下，ECP 輸出的是一個建議，醫(yī)務(wù)人員仍然保留申請或不申請?jiān)摻ㄗh的最終決定權(quán)。這類系統(tǒng)也稱為臨床決策支持系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈冎С值粓?zhí)行決策[3]。在閉環(huán)模式下，系統(tǒng)不僅會給出建議，還會做出決策并采取行動，即自動調(diào)整呼吸機(jī)的設(shè)置，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)。因此，臨床決策支持系統(tǒng)可以給臨床醫(yī)生提供設(shè)計(jì)方案，閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)在臨床醫(yī)生的監(jiān)督下根據(jù)患者的條件和在一定安全限制下采取一系列措施，其基本原理如圖2 所示。

1.3 閉環(huán)機(jī)械通氣控制應(yīng)用于呼吸機(jī)的必要性

閉環(huán)機(jī)械通氣控制應(yīng)用于呼吸機(jī)的必要性主要表現(xiàn)在3 個方面：安全性、實(shí)時性、便捷性。（1）安全性[4-5]。人類大腦在整合數(shù)據(jù)和信息以做出決定方面的能力有限，這種能力在夜間或壓力下更差[6]，在機(jī)械通氣方面尤其如此。人類的信息處理能力與需要整合的大量數(shù)據(jù)和信息之間的不匹配必定會導(dǎo)致臨床實(shí)踐的可變性，因此可能最終導(dǎo)致一些醫(yī)療事故的發(fā)生。（2）實(shí)時性。在最近的一項(xiàng)調(diào)查中，患者在常規(guī)通氣的4 h 內(nèi)（由醫(yī)務(wù)人員根據(jù)書面建議設(shè)置）最佳通氣時間僅為12%[7]。盡管有明確的指南作為依據(jù)，仍有大量患者使用非推薦設(shè)置參數(shù)進(jìn)行通氣[8-9]?；颊叩那闆r十分復(fù)雜，醫(yī)務(wù)人員也不是總能在床旁根據(jù)患者的情況不斷調(diào)整呼吸機(jī)的參數(shù)。為了使機(jī)械通氣盡可能安全，防止肺在某次呼吸中受到損傷，實(shí)時調(diào)整呼吸機(jī)的設(shè)置顯得至關(guān)重要。（3）便捷性。在戰(zhàn)場環(huán)境中，有限的人員和供給、戰(zhàn)場環(huán)境的高噪聲以及高強(qiáng)度振動均給傷員的救治帶來困難。閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境中的目的就是盡量縮短從發(fā)現(xiàn)危及生命的情況到采取糾正或治療行動之間的時間。計(jì)算機(jī)監(jiān)控與呼吸生命支持設(shè)備內(nèi)置的數(shù)字控制相結(jié)合，提供了自動實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的機(jī)會，同時也提供了顯著提高生命支持系統(tǒng)響應(yīng)能力的可能性，這將為救援人員提供更多的便利并大大提高戰(zhàn)救效率。

圖2 機(jī)械通氣設(shè)置決策過程的不同方法

2 閉環(huán)機(jī)械通氣控制的應(yīng)用

2.1 閉環(huán)機(jī)械通氣控制技術(shù)

閉環(huán)通氣控制最初是由Hewlett 以指令分鐘通氣（mandatory minute ventilation，MMV）的形式引入[10]，由Tehrani 提出[11]。1957 年Saxton 和Myers 發(fā)表了第一篇在多發(fā)性骨髓炎患者身上使用閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)調(diào)整呼吸末二氧化碳分壓的文章，通過調(diào)整呼吸機(jī)的負(fù)壓來調(diào)整呼吸末二氧化碳分壓[12]。兒科醫(yī)生很快開始關(guān)注如何嚴(yán)格調(diào)整吸入氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)（fraction of inspiration O2，F(xiàn)iO2），以避免出現(xiàn)低氧/高氧血癥及其相關(guān)的副作用[13-14]。Dugdale 等[15]以及Claure 等[16]的初步研究結(jié)果顯示，自動與手動調(diào)整FiO2的時間相比較，使用自動調(diào)整的最佳氧合時間明顯更長。Claure 等[16-17]進(jìn)行了一項(xiàng)研究，旨在開發(fā)使用血氧飽和度（SpO2）信號的閉環(huán)FiO2調(diào)節(jié)。Claure 等[18]還完成了一項(xiàng)多中心隨機(jī)臨床試驗(yàn)，患者進(jìn)行連續(xù)2 次24 h 通氣，其中一次由醫(yī)務(wù)人員調(diào)整FiO2，另一次由自動化系統(tǒng)按隨機(jī)順序進(jìn)行FiO2調(diào)整，自動FiO2調(diào)整使SpO2更頻繁地保持在預(yù)定范圍內(nèi)，并減少了高SpO2的時間。

美國陸軍正在開發(fā)的自動重癥監(jiān)護(hù)生命支持系統(tǒng)（automated critical care life support，ACCLS）采用自動化計(jì)算機(jī)驅(qū)動的閉環(huán)控制通氣技術(shù)，對液體、藥物和氧氣進(jìn)行管理。這種生命支持的閉環(huán)方法不僅可以優(yōu)化患者的生命支持效果，而且可以顯著節(jié)約靜脈輸液量和氧氣資源[19]。ACCLS 中進(jìn)行患者液體管理的靜脈輸液泵如圖3 所示。

圖3 靜脈輸液泵[19]

2.2 新型閉環(huán)機(jī)械通氣模式

由于計(jì)算機(jī)和人工智能領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，一些具有復(fù)雜閉環(huán)的“智能模式”已經(jīng)被開發(fā)出來。如比例輔助通氣（proportional assist ventilation，PAV）、神經(jīng)調(diào)節(jié)輔助通氣（neurally adjusted ventilatory assist，NAVA）、自適應(yīng)支持通氣（adaptive support ventilation，ASV）以及像SmartCare 系統(tǒng)一樣可以產(chǎn)生臨床推理的通氣模式。

PAV[20]和NAVA[21]可以提供與患者瞬時呼吸成比例的通氣；在ASV[1]通氣模式下，閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)可以根據(jù)患者情況判斷何時撤機(jī)。這些新型通氣模式的共同特點(diǎn)是對患者的適應(yīng)性好，患者與呼吸機(jī)交互作用得到改善。

2.2.1 PAV

PAV 在壓力支持通氣模式被提出幾年后才被提出[1，20]。雖然對PAV 進(jìn)行了大量的臨床研究，但迄今為止其還沒有被推廣到日常應(yīng)用中。這種通氣模式可用于多種呼吸機(jī)如PB840 呼吸機(jī)（如圖4 所示）[22]和Evita4 呼吸機(jī)（如圖5 所示）[23]。與壓力支持通氣不同，輸送給PAV 患者的壓力不是恒定的，可能在每個周期發(fā)生變化。在PAV 過程中，氣道壓力與患者的瞬時呼吸成正比，并根據(jù)患者的呼吸力學(xué)（肺部順應(yīng)性和氣道阻力）特點(diǎn)和選擇的輔助水平進(jìn)行放大。PAV 模式具有適應(yīng)通氣需求的優(yōu)點(diǎn)，理論上可自動適應(yīng)患者通氣負(fù)荷的任何變化。一項(xiàng)生理學(xué)研究表明[24]，PAV 模式與壓力支持模式相比，更好的舒適度和更大的可變性使患者能夠獲得更多的呼吸生理方面的好處。Branson 等[25]、Mols 等[26]、Wrigge 等[27]及Wyscocki 等[28]的研究表明，與壓力支持模式相比，PAV 模式改善了有創(chuàng)機(jī)械通氣患者的睡眠質(zhì)量，患者蘇醒的次數(shù)與患者-呼吸機(jī)不同步有關(guān)。PAV 模式的主要缺點(diǎn)是相對復(fù)雜，其在呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)置方面需要評估患者的肺部順應(yīng)性和氣道阻力。此外，由于呼吸力學(xué)特性頻繁變化，應(yīng)定期測量，以更好地調(diào)整和適應(yīng)這種模式。

圖4 PB840 呼吸機(jī)[22]

圖5 Evita4 呼吸機(jī)[23]

2.2.2 NAVA

NAVA 是一種新型通氣模式，已在Servo-i 呼吸機(jī)（如圖6 所示）[29]上得到應(yīng)用并上市。NAVA 的主要特點(diǎn)是：呼吸機(jī)用來提供協(xié)助的信號是由放置在食管導(dǎo)管上的電極收集的膈肌肌電圖（diaphragmatic electromyographic，EMGdi）信號，而不是壓力信號。與基于氣道壓力的“氣動”模式不同，在啟動呼吸機(jī)循環(huán)時不存在可能的自動呼氣末正壓（positive end expiratory pressure，PEEP）的影響，因?yàn)橐坏z測到EMGdi 信號，輔助通氣即與患者的呼吸同時開始[30-31]。在NAVA 模式下，患者與輔助通氣之間的同步性更好。NAVA 模式的設(shè)置相對簡單，不需要了解患者的呼吸力學(xué)特點(diǎn)，只設(shè)置了一個“增益”，表示EMGdi信號放大的強(qiáng)度。盡管NAVA 具有以上優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在以下問題，如放置食管導(dǎo)管記錄EMGdi 信號的易用性以及該信號在較長通氣時間內(nèi)的質(zhì)量和穩(wěn)定性均未得到有效論證。另一方面，目前還不確定患者-呼吸機(jī)同步改善是否會帶來臨床效益。

2.2.3 ASV

ASV 是瑞士哈美頓醫(yī)療公司的S1 呼吸機(jī)（如圖7 所示）[32]所應(yīng)用的一種通氣模式，是一種壓力循環(huán)控制模式。壓力循環(huán)控制模式的應(yīng)用與臨床醫(yī)生設(shè)定的分鐘通氣目標(biāo)和患者呼吸力學(xué)的自動測量有關(guān)[1]。ASV 模式的工作原理是：在一定的肺泡通氣水平下，呼吸速率和潮氣量在最小呼吸功作用下存在一種最佳組合[33-34]。ASV 是一種閉環(huán)通氣模式，以逐漸靠近患者所需的分鐘通氣量為目標(biāo)，通過自動調(diào)節(jié)吸氣壓力、吸呼比和呼吸速率來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在患者被動呼吸時使用ASV 模式，呼吸機(jī)提供的吸氣壓力最低，可以通過調(diào)節(jié)吸氣壓力和機(jī)器通氣頻率來達(dá)到目標(biāo)值。肺保護(hù)策略保證了ASV的安全性。ASV 試圖引導(dǎo)患者使用舒適的呼吸形式，避免潛在的有害形式，如淺快呼吸、過度死腔通氣、呼吸堆積（無意引起的PEEP）和過度呼吸。

但ASV 并非取代了臨床工作者的作用，而是減少了對繁重工作的需要和對呼吸機(jī)的反復(fù)調(diào)節(jié)。因此，ASV 對臨床工作者而言是一種現(xiàn)代化工具。盡管如此，ASV 并不作出臨床決策，而是執(zhí)行臨床工作者的全面指令，并且臨床工作者能夠修改它。

圖6 Servo-i 呼吸機(jī)[29]

圖7 哈美頓S1 呼吸機(jī)[32]

3 閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 友好的圖形用戶界面

機(jī)械通氣和所有相關(guān)的監(jiān)測信息變得越來越復(fù)雜，產(chǎn)生了大量的數(shù)字和曲線，在一般情況下非專業(yè)人士無法理解這些數(shù)字和曲線，而多數(shù)情況下，又沒有床旁閱讀材料或分析手冊，因此需要一個更清晰的圖形用戶界面。閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)還存在一個額外的問題稱為“黑盒效應(yīng)”：如果醫(yī)務(wù)人員不能看到并快速理解呼吸機(jī)的內(nèi)部機(jī)制，那么其將不愿意相信該設(shè)備。因此，在使圖形用戶界面更直觀和更容易理解方面[35]，仍需要做大量的工作，未來應(yīng)用于呼吸機(jī)中的閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)將會具有更好的人機(jī)交互性。

3.2 有效的報(bào)警機(jī)制

機(jī)械通氣可以產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的報(bào)警，其中大多數(shù)是無效的或容易被忽略的[36]。與閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)一樣，復(fù)雜的技術(shù)可以生成更多的報(bào)警，最終導(dǎo)致報(bào)警疲勞，從而生成錯誤的信息和決策[37]。因此，應(yīng)為閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更好的報(bào)警策略。重要的是，監(jiān)測變量和報(bào)警應(yīng)該從不同的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)分鐘通氣量超過或低于某一定值時，應(yīng)報(bào)警并通知用戶。對于SpO2-FiO2閉環(huán)也是如此，SpO2/FiO2比值可以用于急性呼吸窘迫綜合征的診斷和分級，有助于急性呼吸窘迫綜合征的早期診斷和治療；如果FiO2增加，即使SpO2保持在安全值內(nèi)，也應(yīng)該通知醫(yī)務(wù)人員。綜上所述，在不影響醫(yī)務(wù)人員正常工作的情況下，保證報(bào)警的有效性是未來呼吸機(jī)發(fā)展的趨勢之一。

3.3 減少技術(shù)相關(guān)安全問題

為減少人為因素相關(guān)的安全問題，同時為了保證患者的安全，應(yīng)該意識到與技術(shù)相關(guān)的錯誤可能是閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的一個潛在缺點(diǎn)。雖然機(jī)械通氣的閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)還沒有被調(diào)查驗(yàn)證，但已經(jīng)有一些文獻(xiàn)表明，開發(fā)不良的閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)可能導(dǎo)致這些與技術(shù)相關(guān)的錯誤[38]。此外，雖然在論文和實(shí)驗(yàn)平臺上設(shè)計(jì)良好，但臨床調(diào)查需要確保閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)是絕對安全的，并在最常見的臨床情況下做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。未來在開發(fā)閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)時，安全性細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)顯得更為重要。

3.4 考慮倫理和法律問題

機(jī)械通氣是一種“敏感”的技術(shù)，因?yàn)樗怯脕磉M(jìn)行生命支持的技術(shù)，容錯率低。醫(yī)生負(fù)責(zé)設(shè)置呼吸機(jī)的工作方式，根據(jù)患者情況，如果設(shè)置是“不典型的”（如潮氣量高于公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)醫(yī)生能夠證明其選擇是正確的。使用閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)時，責(zé)任則轉(zhuǎn)移到設(shè)備上，更準(zhǔn)確地說，是轉(zhuǎn)移到?jīng)]有能力超越醫(yī)療決策的制造商身上。未來，律師、倫理學(xué)家、醫(yī)生和制造企業(yè)之間的沖突必然會發(fā)生，健全相關(guān)法律則被提上日程。更重要的是，企業(yè)對閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的投資以及獲得更多的相關(guān)市場批準(zhǔn)是大勢所趨，最終目的是讓更多的醫(yī)務(wù)人員使用閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

閉環(huán)機(jī)械通氣技術(shù)和設(shè)備正在迅速發(fā)展，閉環(huán)通氣模式也越來越多。閉環(huán)通氣模式會根據(jù)計(jì)算機(jī)算法和患者的生理輸入自動調(diào)整某些呼吸設(shè)置，如FiO2、SpO2、呼氣末二氧化碳分壓水平和呼吸系統(tǒng)阻力等。考慮到越來越多的患者需要進(jìn)行機(jī)械通氣，而醫(yī)療資源和專業(yè)知識豐富的醫(yī)療團(tuán)隊(duì)又相對缺乏，閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)越來越受歡迎，一些制造商已經(jīng)將非常復(fù)雜的閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)投放市場。初步的臨床研究顯示，與傳統(tǒng)方法相比，使用閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)的患者進(jìn)行安全通氣的時間增加，并且可以更早撤機(jī)。此外還需要進(jìn)一步地研究閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)是否影響臨床結(jié)果，如發(fā)病率和死亡率。在測試成本效益和醫(yī)療系統(tǒng)的角度，閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)存在有益的影響。同時，為了使閉環(huán)機(jī)械通氣控制系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對圖形用戶界面、報(bào)警和培訓(xùn)等的全面改進(jìn)和調(diào)整，以及關(guān)于法律和道德方面的明確聲明。