刘青华
北方工业大学机械与材料工程学院，北京100041
摘要：在各种呼吸系统疾病的治疗和抢救中，呼吸机起着非常重要的作用。但是目前，人与呼吸机之间存在不同程度的人机对抗，这影响了患者的治疗效果。文章针对人机对抗问题查阅相关文献，探究了人机对抗的原因和当前人机对抗的识别和改善方法。
关键词：人机对抗；呼吸机；呼吸波形；通气模式
一、背景
呼吸机可以为无法自主呼吸和需要氧气治疗的患者的提供通气，作为一种重要的挽救生命的治疗设备。工业革命后，人们对呼吸原理的理解越来越深入，这为呼吸机的广泛使用开辟了广阔的前景。在临床上，已经发现辅助通气存在许多安全问题，例如肺损伤（与张力性气胸、撤机困难等[1]。
由呼吸设备引起的大多数安全问题是由通气过程中人与机器之间的异步引起的。当辅助呼吸机设备不能满足患者需求时，就会发生异步，人机之间严重对抗的比例达到43％。过度通气或护理不足会导致不同类型的异步，从而以不同方式影响患者[2]。
二、人机对抗原因
人机同步是指呼吸机与患者自发呼吸的同步。人机对抗发生的原因有很多：一是设备的通气控制算法不合适。二是患者自身情况改变，呼吸机无法实时调节；第三是无法充分了解患者的机械通气需求，从而导致通气参数不合适。[1]。
患者状况的变化与异步程度密切相关，尤其是在机械通气初期。焦虑和发烧等是增加通气需求并阻碍患者与呼吸机流量和体积之间平衡的一些因素，从而导致异步[3]。
通气模式的选择和通气机设置是影响异步频率的重要因素。研究人员进行了一项研究，涉及62位患者[3]，其中11位接受了体积控制通气，而51位接受了压力支持通气。在传统的容积控制通气，压力控制通气和压力维持通气中，流量触发因素可能引起异步，特别是在使用自动呼气末正压的患者中。容量通气模式通常与流量不足或潮气量引起的异步性有关。
北京朝阳医院的李春燕等通过伟康呼吸机将呼吸机设置，以串联方式将平台式呼气阀连接到管道，并使用呼吸力学监测器连续监测流量、压力和体积变化。研究表明，切换延迟与漏气密切相关。空气泄漏越大，切换延迟频率越高，最终导致人机之间的不同步[4]。
三、人机对抗的识别
人机同步是评估呼吸设备辅助通气效果的重要指标，人机同步包括三个方面：确保通气量，确保通气安全和减少人机对抗，包括识别和解决人机对抗问题[1]。
当前，最可靠的异步检测方法是将球囊导管置于食道中，以测量呼吸周期中胸腔压力的变化。为了研究通过食管导管的人机对抗[5]，研究人员可以通过食管导管直接观察患者的吸入情况。在这种情况下，检测食道压力可使我们检测到每次呼吸，这有助于我们了解患者与呼吸机之间的时间差以及它们之间如何相互作用。
通过比较呼吸肌的电活动和呼吸机的吸入时间，肌电图也已用于评估异步性。研究人员对接受压力支持的健康受试者进行了实验。肌电图记录呼气肌肉活动的时间和大小，记录腹横肌的活动。当出现人机对抗时，呼吸机和肌肉群的气流会在受试者呼吸循环中产生明显的相位差。
在临床实践中广泛使用的一种方法是通过视觉分析气道流量和压力曲线来计算异步指数（AI）。流量、体积和压力信号在患者和呼吸机之间的相互作用中会发生变化，可以用作帮助临床医生采取适当措施以改善患者呼吸机同步性的工具。
四、人机对抗的改善
由于通气系统由通风的患者组成，呼吸机和患者状态不是固定的，因此通风控制是非线性的。
大量的国际研究中PID或PI控制方法被广泛应用。
MikeBorrello等人讨论了以压力通气为目标的PI控制，使用集总参数模拟呼吸力学，并使用线性电路作为系统类比，调整PI参数，分析控制系统相位裕度与患者空气阻力和顺应性之间的关系，得到PI参数对通气效果的影响[6]。
为了确保足够的通气，RichardFisler等人开发了一种适应患者分钟通气目标的自适应通气控制器，该控制器通过调节通气频率和通气量来调节和控制呼吸设备[1,7]。
为了解决人机对抗问题，北航等人的石鹏开发了一种新的自适应通气控制策略，该方法以PID为控制方法，针对给定的潮气量控制自动调节压力和吸气持续时间，该模型以STM32微控制器为例进行了测试[8]。
五、总结
本文首先介绍了人机同步研究的背景和意义，然后回顾了呼吸机技术的历史和趋势，以及国内外人机同步研究的现状，最后在通气领域确定了几种关键技术。
六、参考文献
[1]易韦韦. 基于主动模拟肺的通气模式关键技术研究[D].国防科学技术大学,2009.
[2]de Haro, C., Ochagavia, A., López-Aguilar, J. et al. Patient-ventilatorasynchronies during mechanical ventilation: current knowledge and research priorities. ICMx 7, 43 (2019).
[3]Branson RD. Patient-ventilator interaction: the last 40 years. Respir Care. 2011;56(1):15-24. https://doi.org/10.4187/respcare.00937
[4]李春燕, 曹志新, 王辰. 管路漏气对无创呼吸机影响的研究[J]. 中华护理杂志, 2007, 42(009):805-806.
[5]GLUCK E H, BARKOVIAK M J, BALK R A ,et al. Medical effectiveness of esophageal balloon pressure manometry in weaning patients from mechanical ventilation. Crit Care Med 1995, 23: 504-509.
[6]Mike Borrello．Modeling and Control of Systems for Critical Care Ventilation[C]． Proceeding of the 2005 AmeriCan Control Conference，Portland，0It,USA， 2005：2166--21 80．
[7]Richard Fisler,Stephen D Siegel，Richard Kubicka,et．a1．．Respiratory Resistance and Compliance in COPD Measured with Forced Oscillations[C]．
[8]Shi P, Wang N, Xie F, Su H. Self-adjusting ventilator control strategy based on PID. Research Square; 2020. DOI: 10.21203/rs.3.rs-31632/v1
作者简介：刘青华，男，山东济宁人，北方工业大学机械与材料工程学院在读硕士，主要研究：基于人机复合控制的呼吸支持与肺康复技术
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