БИОМЕХАНИКА И СПОСОБЫ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ

Как отмечалось в главе 1, перемещение воздуха между внешней средой и легкими, т.е. вентиляция легких, осуще­ствляется благодаря разнице давлений во внешней среде и в альвеолах, при этом воздух всегда перемещается из области с более высоким в область с более низким давлением. При самостоятельном дыхании во время вдоха уси­лие дыхательных мышц, преодолевая эластическое сопро­тивление легких, увеличивает объем грудной клетки и соз­дает необходимую разницу давлений между внешней средой и легкими. При ИВЛ перемещение, воздуха (газовой смеси) между внешней средой и легкими совершается под воздействием внешней силы, создающей необходимую раз­ность давлений.

Существует два основных способа ИВЛ: способ вдува­ния и наружный (внешний) способ. При первом способе ИВЛ осуществляется путем подачи газовой смеси непо­средственно в верхние дыхательные пути; при втором — в результате наружного воздействия на стенки грудной по­лости: грудную клетку или диафрагму.

Можно представить, по крайней мере теоретически, еще один спо­соб ИВЛ — «способ без дыхательных движений». При этом больного (полностью) помещают в барокамеру, в которой с заданной частотой циклов меняется давление воздуха. Поскольку давление снаружи и из­нутри грудной клетки одинаково, она остается неподвижной, объем га­за в легких во время вдоха и выдоха остается постоянным. Переме­щение газа и его обновление в легких осуществляются за счет изме­нения количества газа в объеме вследствие изменения давления, т.е. за счет сжатия газа. Принимая функциональную остаточную ем­кость легких равной приблизительно 3500 мл, а дыхательный объем — 500 мл, находим, что количество воздуха в легких во время вдоха и выдоха разнится на ¹/₇. Для обеспечения таких колебаний нужно, чтобы перепад давлений в камере от вдоха к выдоху составлял при­близительно ¹/₇ величины атмосферного давления.

Некоторые авторы относят к наружному способу ИВЛ электростимуляцию дыхания, осуществляемую с помощью ритмичного электрического раздражения диафрагмального нерва или непосредственно дыхательных мышц. Нам это представляется принципиально ошибоч­ным: стимуляция спонтанного дыхания с помощью электрического или иного воздействия на центры, нервные проводники или исполнительные органы, предпринимаемая для возобновления или усиления двигатель­ной активности дыхательных мышц, — это не искусственная вентиляция легких в точном понимании данного термина. Возражать против это­го — значит логически прийти к допущению, что инъекция лобелина — это тоже метод ИВЛ.

ИВЛ наружным (внешним) способом. При этом способе перемежающееся давление в грудной полости и в легких (и связанное с этим перемещение газа между внешней средой и легкими) происходит за счет наружного воздей­ствия на грудную клетку или диафрагму.

Аппараты ИВЛ наружного действия работают на грави­тационном или пневматическом принципе. К первым отно­сится «качающаяся кровать», ко вторым — аппараты типа «железные легкие», аппараты с кирасой и аппараты с пнев­матическими нагрудными поясами.

При ИВЛ с помощью аппарата «качающаяся кровать» больного укладывают на спину на кровати, которая качается относительно своей поперечной горизон­тальной оси. При опускании головного конца кровати содержимое брюшной полости своей массой давит на диа­фрагму, благодаря чему происходит активный выдох. При поднимании головного конца кровати диафрагма опускает­ся, обеспечивая поступление воздуха в легкие. Аппараты снабжены регуляторами частоты качаний и угла наклона кровати (последним обеспечивается изменение глубины ды­хания). Применение «качающихся кроватей» удобно из-за простоты и доступности обслуживания больных. Однако, используя данный метод, невозможно обеспечить вентиля­ционные потребности при полном параличе дыхания; кро­ме того, более или менее длительное качание вызывает весьма неприятные ощущения у больного. В свое время «качающиеся кровати» нашли применение в основном у детей младшего возраста с частичном параличом дыхания и в период реконвалесценции при полиомиелите.

Аппарат «железные легкие» обеспечивает про­ведение наружного способа ИВЛ путем создания циклических изменений давления воздуха вокруг всего тела боль­ного, за исключением головы. Аппарат представляет собой герметичную камеру, соединенную с воздушным насосом. Работа насоса обеспечивает периодическое нагнетание или отсасывание воздуха из камеры. Давление в камере (а сле­довательно, и характер дыхания) может меняться по одно­му из трех вариантов: активный вдох — пассивный выдох; активный выдох — пассивных вдох; активный вдох — ак­тивный выдох.

Кирасные аппараты применяются для осущест­вления ИВЛ путем создания циклических изменений дав­ления воздуха вокруг грудной клетки и верхней части жи­вота больного. Принцип их работы тот же, что и «желез­ных легких», но вентиляционный эффект меньший.

ИВЛ с помощью «железных легких» или кирас, прово­димую с активным вдохом, можно было бы считать наи­более соответствующей по биомеханике спонтанному ды­ханию (рис. 1). Однако в отличие от него разрежение при вдохе оказывает действие на все тело («железные легкие») или на значительную часть его (кирасы), что снижает ве­нозный приток к сердцу. Это является одним из важных недостатков метода. Другими недостатками являются труд­ности ухода за больными, невозможность применения ап­паратов для ИВЛ во время хирургических операций, а также громоздкость и дороговизна «железных легких».

Аппараты с пневматическими наружными поясами (манжетами) осуществляют ИВЛ путем соз­дания циклических изменений давления воздуха в поясе, накладываемом на грудную клетку или на верхнюю часть живота больного. Вентиляция осуществляется при актив­ном выдохе (нагнетание воздуха в пояс) и пассивном вдо­хе (отсасывание воздуха из пояса).

В принципе способ аналогичен ручной искусственной вентиляции по Шефферу. Такой способ едва ли можно счи­тать физиологичным, так как при его выполнении для достижения удовлетворительного вентиляционного эффек­та необходимо нагнетать воздух в пояс под значительным давлением (до 10 кПа) из-за малой поверхности соприкос­новения пояса с телом. Однако пневматические манжеты все еще применяются горноспасательной службой ввиду простоты и доступности обслуживания. Они входят в комп­лект аппаратов «Горноспасатель-6».

Введенные в практику в конце 20-х годов нашего сто­летия аппараты типа «железные легкие», а также кирасы широко применялись в начале и середине 50-х годов в связи с эпидемией полиомиелита в Европе и Америке. Однако перечисленные недостатки ИВЛ наружным способом в целом и самих аппаратов в частности послужили причиной постепенного отказа от их применения.

1. Функциональные кривые при самостоятельном дыхании и ИВЛ, выполняемой наружным способом (а), а также ИВЛ, выполняемой спо­собом вдувания (б).

V — объемная скорость вдувания газа; Рл — внутрилегочное давление; Рпл — давление в плевральной полости; Рр — давление «во рту»; Vт — дыхательный объем; t — время; Т_I — продолжительность вдоха; Т_E — продолжительность вы­доха.

ИВЛ способом вдувания. При этом способе поступление дыхательного газа в легкие обеспечивается его нагнетани­ем в легкие до создания в них на вдохе давления, превосходящего давление газа окружающей среды. Такое опре­деление справедливо для вдувания как с перемежающимся по величине или по величине и знаку давлением, так и с постоянным положительным давлением. При этой послед­ней разновидности способа замещение альвеолярного газа происходит за счет непрерывного поступления в легкие потока кислорода. Этот способ называют «апнойной оксигенацией» или «авентиляторным газотоком». Мы не счита­ем эти названия удачными. При данном способе переме­щение газа осуществляется из области с большим в об­ласть с меньшим давлением, а давление в генераторе потока постоянно, и можно говорить об ИВЛ способом вду­вания с постоянным положительным давлением.

ИВЛ способом вдувания можно разделить на два основ­ных вида: вентиляцию с перемежающимся по­ложительным давлением (ВППД; intermittent positiv pressure ventilation — IPPV английских авторов), т.е. с активным вдохом и пассивным выдохом, и венти­ляцию с перемежающимся положительным-отрицательным давлением (ВППОД; intermittent positive-negative pressure ventilation — IPNPV, NEEP ан­глийских авторов), т.е. с активным вдохом и активным выдохом.

Первый вид имеет две разновидности:

а) вентиляцию с перемежающимся положительным-нуле­вым давлением (Zero end-expiratory pressure — ZEEP английских авторов), при которой пассивный выдох совершается свободно, без задержки, и легкие пациента спада­ются при выдохе до размеров функциональной остаточной емкости, и

б) вентиляцию с перемежающимся положительным — положительным давлением (Positive end-expiratory pressure — PEEvY английских авторов), при которой из-за сопротивления пассивному вы­доху (или противодавления) легкие пациента за время вы­доха не опорожняются до функциональной остаточной ем­кости. При этом возникают постоянные по знаку, но отличающиеся по величине давления в конце вдоха и выдоха.

Какое давление можно определить под маской или в тройнике аппарата во время ИВЛ, т.е. в том месте систе­мы аппарат — больной, которое принято называть «во рту»? Выше было сказано, что давление, необходимое для введениях некоторого объема воздуха в альвеолы, зависит от эластического и неэластического сопротивления.

Допустим, например, что во время искусственного вдоха, продолжающегося 1 с, подают смесь газов с постоянной скоростью 0,5 л/с больному, у которого общая растяжи­мость легких и грудной клетки составляет 0,05 л/см вод.ст. (0,5 л/кПа), а сопротивление дыхательных путей равно 2 см вод.ст./л/с (0,2 кПа*с/л). При указанных скорости и сопротивлении для поддержания газотока необходима по­стоянная разность давлений между ртом и альвеолами, равная 2 см вод.ст./л/с X 0,5 л/с=1 см вод.ст. (0,2 кПа*с/л X 0,5 л/с = 0,1 кПа).

Из скорости и времени вдоха находим, что в конце вдо­ха в альвеолы будет введено 0,5 л газовой смеси, что при­ведет, учитывая величину растяжимости, к повышению давления в альвеолах в конце вдоха до 10 см вод.ст. (1 кПа). Давление «во рту», равное в начале вдувания 1 см вод.ст. (0,1 кПа), будет составлять перед самым концом вдувания 11 см вод.ст. (1,1 кПа). Этот расчет при­близителен. Строго говоря, пик давления «во рту» возни­кает раньше «альвеолярного пика», и поэтому максималь­ное давление «во рту» будет всегда немного меньше расчетной суммы давлений. В общем виде наибольшая вели­чина давления вдоха, измеренного «во рту» (пик давления), равна давлению, необходимому для преодоления со­противления дыхательных путей плюс внутриальвеолярное давление в данный момент дыхательного цикла.

Если сопротивление дыхательных путей и скорость вдоха при ИВЛ невелики (как в нашем примере), то пик давле­ния «во рту» можно практически считать равным внутриальвеолярному давлению в конце вдоха. При большом со­противлении и высокой скорости вдоха пик давления «во рту» может намного превышать внутриальвеолярное дав­ление в конце вдувания. Нужно учитывать также, что дав­ление «во рту» очень быстро после начала выдоха воз­вращается к атмосферному, а давление в альвеолах из-за сопротивления выдоху, оказываемого дыхательными путямя больного, дольше снижается до атмосферного. При очень малом времени выдоха, например при так называе­мой высокочастотной вентиляции, возникает остаточное по­ложительное давление в легких в конце выдоха (ПДКВ), которое не может быть определено мановакуумметром ап­парата. Это следует учитывать при измерении давления на вдохе и выдохе с помощью мановакуумметра.

Внутриплевральное и внутрилегочное давления, их особенности при искусственной вентиляции легких. Внутриплевральное дав­ление при спонтанном дыхании в конце выдоха и во время экспираторной паузы равно в норме — 5 см вод.ст. Во время вдоха внутриплевральное давление понижается в среднем до — 8 см вод.ст. ( — 0,8 кПа), а во время выдоха снова повышается до — 5 см вод.ст. ( — 0,5 кПа) (см. рис. 1,а).

При ИВЛ с перемежающимся положительным давлени­ем внутриплевральное давление во время вдоха повыша­ется в среднем от — 5 см вод.ст. ( — 0,5 кПа) до 3 см вод.ст. (0,3 кПа), возвращаясь затем во время выдо­ха к — 5 см вод.ст. ( — 0,5 кПа) (см. рис. 1,6).

Внутрилегочное (внутриальвеолярное) давление во вре­мя вдоха при спонтанном дыхании снижается, обеспечивая градиент (перепад) давления, нужный для поступления воздуха в легкие. Этот градиент давления у здоровых лю­дей невелик и служит только для преодоления сопротив­ления воздухоносных путей. Эластическое сопротивление легких и грудной клетки преодолевается работой дыха­тельных мышц.

Разность давлений для обеспечения спокойного вдоха у здорового человека должна быть равной 1 — 2 см вод.ст. Разрежение внутри легких при спонтанном дыхании и со­ставляет на высоте вдоха около — 2 см вод.ст. К концу вдоха давление в легких в нормальных условиях становит­ся равным атмосферному. При спонтанном выдохе давление в легких сначала возрастает на 2 — 3 см вод.ст. выше атмосферного за счет эластической тяги спадающихся лег­ких, а затем постепенно снижается до атмосферного по мере опорожнения легких.

В отличие от этого при ИВЛ с перемежающимся поло­жительным давлением внутрилегочное давление во время вдоха увеличивается и становится выше атмосферного. Так, например, при объеме вдоха 500 мл и общей растя­жимости 0,05 л/см вод.ст. давление в альвеолах в конце вдоха становится равным +10 см вод.ст. Во время выдо­ха внутрилегочное давление снова падает до атмосферного по мере опорожнения легких (см. рис. 1,6).

Среднее внутрилегочное давление. Этот важный параметр нельзя представлять как среднюю ариф­метическую между самым высоким и самым низким давлениями во время дыхательного цикла.

На рис. 2 представлены два графика давление/время ды­хательных циклов при ИВЛ с перемежающимся положи­тельным давлением. В обоих случаях дыхательный объем, пик давления и время цикла одинаковы. Однако на рис. 2,б введенный на вдохе газ (и соответственно этому пик давления) задержан на более длительное время, чем на рис. 2,а. Понятно, что и среднее внутрилегочное давле­ние в первом случае выше, чем во втором. Рис. 2,б отли­чается от рис. 2,а большей числовой величиной отно­шения площади, ограниченной кривой давления и линией нулевого давления, к длине отрезка оси абсцисс, соответствующего времени цикла. Иными словами, величина сред­него внутрилегочного давления равна отношению площади, ограниченной кривой давления и линией нулевого давле­ния, к времени всего дыхательного цикла.

Из сравнения механики спонтанного дыхания и ИВЛ с перемежающимся давлением следует, что среднее внутри­легочное давление при спонтанном дыхании приблизитель­но равно атмосферному и всегда ниже среднего внутриле­гочного давления при ИВЛ с перемежающимся положи­тельным давлением.

2. Внутритрахеальное (сплошная линия) и внутрипищеводное (внутрилегочное) (пунктир) давление при ИВЛ с одинаковым дыхатель­ным объемом и частотой у одного и того же больного. а — аппарат РО-2; б — аппарат «Барнет-вентилятор».