当呼吸机在吸气阶段控制运动方程（方程 4.1）中的一个变量时，就会发生控制机械通气 (CMV)：流量 (V) 或气道压力 (Paw)。一次只能控制一个变量（V 或 Paw）的原因是所有其他变量都已给定常数（Rrs 和 Crs 是呼吸系统的固有属性）、派生变量（容量是流量的积分），或 由独立的控制系统（吸气和呼气肌肉压力）确定。
其中 V(t) 是高于呼气末容积的瞬时容积，PEEP 是呼气末压力，Pmus 代表吸气和呼气肌产生的压力。严格控制机械通气时，Pmus为零，呼吸模式单调。
选择哪个变量来控制，就产生了经典的压力控制和容量控制模式。容量控制模式也可以被称为流量控制模式（更恰当），因为流量被控制以达到目标容量，但前一个术语更常用。
根据通气模式的选择，控制系统会收到一个不同的任务，其形式是由用户调整的呼吸机设置所定义的目标功能。在压力控制模式下，这个功能包括一个目标气道压力（包括一个可调节斜率的线性斜坡），以达到吸气压力。然后在设定的吸气时间内保持这一压力，之后压力应尽可能快地下降到用户定义的PEEP水平（图4.1a）。为了完成这项任务，呼吸机不断从压力传感器接收输入信号，通常采用”PID”控制器，根据距离目标压力的三个估计值来确定吸气阀生成的吸气流量：（1）流量与气道压力与设定气道压力之间的绝对差异成比例，（2）当这个绝对距离持续一段时间时，流量增加（积分），（3）流量还取决于误差率（导数）。这就是压力控制模式下流量自由的基础。
图 4.1 压力控制通气（PCV，面板 a）和容积控制通气（VCV，面板 b）期间的气道压力（Paw）、流量和体积波形行为。红色线表示每种模式下的目标函数。(c) 和 (d) 分别说明了在压力控制和容量控制模式下呼吸系统顺应性 (Crs) 变化的影响。在 PCV (c) 中，恶化的 Crs 减少了输送的潮气量。相比之下，在 VCV (d) 中，尽管 Crs 发生变化，但潮气量相似；然而，Paw 的变化与 Crs 的变化相反
在容量控制模式下，PID控制更直接，因为控制和目标变量是一样的。目标函数是吸气时预定形状的流量。这样，控制器将决定向比例流量阀发送多少电流以达到目标流量波形（图4.1b）。与压力控制模式类似，目标功能是呼气时的PEEP本身。
虽然没有证据表明选择控制性通气模式的结果更好，但这一决定肯定在床边有一些影响，我们将在本章中详细探讨。
压力控制通气
压力控制通气（PCV）的主要方式是在气道口应用预定的压力波形（最常见的是方形或梯形）（图4.1a）。这意味着最大的气道压力是由临床医生设定的，当限制压力被认为是保护肺部和避免血流动力学不稳定的首要任务时，这一特点可能特别有趣。例如，在PCV期间，无论呼吸系统力学如何变化，都有可能限制平台压和驱动压（图4.1），尽管这些压力会影响输送的潮气量。除了外部PEEP和吸氧量（所有模式共同的设置），只有三个参数被设置来定义目标功能：吸气压力（最大或高于外部PEEP的增量），吸气时间，无论是绝对还是分数（TI/TTOT），以及强制频率。
选择控制压力模式，就必须放弃对流量的控制，并意识到必须密切监测潮气量和分钟通气量（图4.1c），这将不可避免地根据呼吸系统的阻抗而变化。
容量控制通气
这种通气模式包括采用用户选择的预定义气流波形的吸气气道气流通气，其中最常见的波形为方形（图 4.1b）。在这种情况下，气道压力会根据呼吸力学而变化（图 4.1d）。在几项调查中，容量控制通气 (VCV) 是重症监护中最常用的通气模式，尽管最近压力控制和压力支持模式越来越多地被采用。VCV 的主要特征是提供由临床医生定义的固定潮气量。由于呼吸频率也已设定，因此每分钟通气量得到保证。
除了外部 PEEP 之外，目标函数由以下设置定义：潮气量、吸气流量、流量波形形状（方波，在某些呼吸机上也是正弦曲线或减速）和强制呼吸频率。
完全控制模式的生理特征
肺保护
在没有患者努力的情况下，PCV 和 VCV 在肺保护方面具有可比性。两种模式都可以设置为避免驱动压、平台压、潮气量和呼吸频率的高值。在限制压力方面，PCV 中的设置可以更直接，但潮气量需要密切监测，包括仔细设置呼吸机警报（图 4.1c）。相反，在 VCV 中，重要的是定期测量平台压并仔细设置压力警报（在监测中有详细说明；图 4.3）。例如，由于肺不张或粘液栓导致的 Crs 降低可能导致给定潮气量的气道压力升高（图 4.1d）。
就气道峰值压力而言，两种模式之间存在一个重要差异。由于 PCV 典型的减速气流波形，与具有方波波形的 VCV 相比，即使吸气时间和潮气量的值相同，气道峰值压力通常也较低（图 4.1a、b）。这一特征背后的机制是气道流量在 PCV 吸气开始时达到峰值，此时肺部才刚刚开始膨胀。因此，阻力压力 (Pres) 随着弹性压力 (Pel) 的升高而降低，这与以恒定 Pres 和增加 Pel 为特征的方波容量控制模式形成对比。这种较低的气道峰值压力可能很重要，尤其是在担心漏气时（例如，喉罩通气）。然而，重要的是要强调给定的潮气量将在 VCV 和 PCV 中导致相同的平台压。
肺泡通气
在 Paw 发生阶梯式变化之后，无论是触发还是循环关闭后，肺泡压力要达到平衡需要一段时间。可以使用时间常数的概念来估计完全充气或放空肺部所需的时间。简要地说，考虑到呼吸系统可以由一个弹性区和一个阻力元素足够代表，共同产生单指数衰减，时间常数可定义为 Rrs 和 Crs 的乘积。经过三到四个时间常数后，近乎完全（95-99％）的肺部充气或放空将发生。
这个概念是至关重要的，因为涉及到使用高呼吸频率的两个主要原因。首先，在高呼吸频率下获得完全的肺部充盈是不寻常的。在PCV中，吸气压力有时要比肺泡压力高得多，才能产生足够的吸气流量，以便在较短的吸气时间内提供潮气量。即使实现了这一目标，如果气道阻力突然降低，例如在使用支气管扩张剂后，这一目标也会带来提供过高潮气量的风险。在这种情况下，正确地设置潮气量警报是非常必要的。在VCV中，通过直接控制潮气量，可以更容易通过应用短暂的吸气暂停来监测平台压，从而安全地保证短的吸气时间。
第二个原因是充分设置呼吸机以避免内源性PEEP的发生（详见监测环节；图4.3）。当呼气时间过短时（少于三个时间常数），将发生不完全的肺部排空，导致内在PEEP。例如，呼吸顺应性为40 mL/cmH2O，气道阻力为20 cmH2O L-1s-1，时间常数将为0.8 s，这意味着目标呼气时间将在2.4 s以上。这里有PCV和VCV的重要区别。如果在VCV期间发生内源性PEEP，潮气量不会受到影响，因为它是由呼吸机控制的，但平台压会上升。在PCV期间，平台压仍将受到限制，但潮气量将减少。值得注意的是，当分钟量较低时，特别是低于10L/min时，对自动PEEP或内源性PEEP的担忧应该是最小的。
吸气时的模式特性
吸气努力的存在大大改变了机械通气，因为独立的控制系统（位于延髓的呼吸中心）现在会将肌肉压力（Pmus）加入到运动方程式中。呼吸机如何对吸气努力作出反应是压力和容量控制模式之间的一个重要区别，特别是关于吸气流量的输送和跨肺压的变化。
匹配吸气流量需求 在VCV期间，吸气流量是由医疗服务提供者预设的。因此，与患者的流量需求相匹配是很困难的，尤其是在为吸气量大的患者通气时。低的吸气流量峰值会增加呼吸功，并促进患者-呼吸机不同步（”空气饥饿”）（图4.2a）。
相反，在PCV中，呼吸机可以对病人的不同努力作出更自由的反应（图4.2b）。因此，病人的舒适性和与呼吸机的同步性可以更容易实现。如果在VCV中仔细调整吸气峰值流量以配合病人的需求，那么PCV和VCV之间的这种差异可以被克服，在呼吸功方面几乎没有差异。
跨肺压 跨肺压表示为呼吸机施加的正压与吸气肌 (Pmus) 产生的绝对压力之和。吸气肌压力的存在将不同地影响 PCV 与 VCV 中的跨肺压。
在 PCV 中，隔膜推动的负胸腔压力波动向呼吸机发出信号，以增加吸气流量和潮气量以满足患者的需求，并使气道压保持接近设定值（图 4.2b）。在这种情况下，跨肺泡压力可能高于临床医生设定的吸气压力，因为 Pmus（未测量）将添加到呼吸机产生的压力中，可能导致肺损伤。
相反，应用VCV的一个可能优点是在吸气过程中维持恒定的跨肺压。由于气流是由临床医生预设的，当患者做出努力时，气道压将会降低，但预设的潮气量仍然会维持不变 (图4.2a)。然而，这种特性并不能保证不会有跨肺压的区域性增加。这种区域性过度膨胀被证实为不同肺区域之间的呼吸周期内气体运动，导致在VCV过程中气体的不健康膨胀模式（例如，摆动和潮汐复张）持续存在。
呼吸叠加 当吸气努力比设定的吸气时间长时，PCV和VCV之间的另一个重要区别就显现出来了。长时间的吸气努力可能会产生一个连续的通气周期，被定义为双重触发不同步现象。在VCV中，双重触发可诱发伤害性的 “堆积 “容积，如果呼吸周期被短的呼气时间隔开，堆积的容积可高达设定潮气量的两倍。PCV模式可以最大限度地减少过度叠加呼吸的机会，因为输送的吸气流量取决于气道和肺泡之间的压力梯度（图4.2）。
图4.2 在控制/辅助容量控制通气（VCV，面板a）和压力控制通气（PCV，面板b）过程中，气道压力、肺泡压力（红色虚线）、肌肉压力（Pmus）、流量和容量波形。请注意，在VCV中，辅助通气时气道压力下降，吸气流量和容量固定。有限的流量可能与呼吸道不适有关，被定义为 “空气饥饿”，这增加了双重触发的风险。相反，与完全控制的通气相比，辅助-PCV与吸气流量增加有关，同时肺泡压力也较高。Pmus长于设定的吸气时间可能会产生双重触发的不同步性（面板a和b的右图）。注意在固定的Pmus下VCV和PCV之间的 “堆积 “量的差异；真正的潮气量是通过整合连续吸气周期中的流量-时间波形计算出来的。
控制性通气期间的监测
监测被动通气时呼吸系统的机械特性有助于了解呼吸衰竭的病理生理学，设置机械呼吸机，并尽量减少呼吸机引起的肺损伤。有很多方法可以评估静态（闭塞技术）、准静态（低流量压力-容积（P-V）曲线）和动态条件（应力指数）下的呼吸力学。
吸气阻力和呼吸道顺应性的静态测量
如前所述，运动方程描述了克服呼吸系统的 Pres 和 Pel 所需的机械力（方程 4.1）。在 VCV 期间应用恒定流速，吸气压力将保持近似恒定（图 4.3a）。需要吸气末闭塞 (EIO) 操作来中断气流并在吸气末保持肺容积。EIO 导致 Paw 快速衰减，从峰值吸气压力 (PIP) 到 P1，代表流量依赖性阻力消散的压力（图 4.3a）。Paw 的快速下降之后可以缓慢衰减，直到达到平台 (Pplat)。 二次衰减的大小取决于系统的粘弹性（图 4.3a）。 因此，可以得到吸气Rrs：
健康成人在控制通气下的平均Rrs是~10 cmH2O L-1s-1。在通气过程中，由于支气管痉挛、肺容量减少和粘液分泌，Rrs可能发生变化，导致气道压力增加（如果病人处于VCV状态）或VT减少（如果病人处于PCV状态）。
Crs通常表示在准静态条件下由两个压力点计算出的顺应性。EIO可以确定Pplat，即吸气末的肺泡压力，它代表呼吸系统的弹性吸气末反冲压力。呼气末闭塞（EEO）评估了呼气末肺泡压（PEEPtot）（图4.3a）。然后，Crs可以计算为：：
由于环路中的粘弹性能和不易察觉的泄漏，长时间的EIO（>2秒）可能会导致对Pplat的低估。因此，建议使用较短的EIO（≤0.5秒）。
许多呼吸机通过EIO也可以测量PCV期间的Crs（图4.3b）。在没有EIO的情况下，只有在PCV期间吸气结束时流量接近零时，吸气压力才会接近Pplat。
低流量的压力-容积（P-V）曲线
早期使用 P-V 曲线是通过将超级注射器连接到气管导管来执行的，由于设备复杂，并且存在因环路断开而导致肺萎陷的风险。如今，一些呼吸机提供了执行自动 P-V 曲线的工具（图 4.4a），通常在长时间呼气后具有 ≤5 L/min 的恒定吸气流量。低吸气流量使阻力压力最小化，因此可以在充分镇静甚至肌松的患者中精确估计弹性压力。
在ARDS患者中，P-V曲线可能呈现乙字形，在低充气压力下向上凹陷，在高充气压力下向下凹陷（图4.4a）。对ARDS患者的生理学研究表明，在低于 “下拐点”（LIP）的压力水平下有肺塌陷的风险，在高于 “上拐点”（UIP）时有过度的肺泡变形（应变）（图4.4a）。一些研究建议使用P-V曲线将呼吸机设置在高顺应性区域，根据LIP设置PEEP。然而，没有证据表明P-V曲线法比其他PEEP滴定方法优越，如为最大Crs的递减PEEP试验，使用呼气末正跨肺压，以及根据吸氧分数调整PEEP（PEEP/FiO2表）。
最近，低流量P-V曲线被描述为识别气道完全关闭（图4.4b）。作者观察到大约四分之一的中度/重度ARDS患者在控制下的机械通气下气道关闭。这一发现表明，当PEEP不足以克服气道开放压力时，误解呼吸力学的风险增加。
图4.4 (a)急性呼吸窘迫综合征（ARDS）模型的压力-容积曲线。下拐点(LIP)和上拐点(UIP)是由曲线第一次开始偏离最大顺应性线(红色虚线)的地方定义的。(b) 气道关闭模型中的低流量充气压力-容积曲线。注意P-V曲线开始时的斜率极低，随后在气道开放压力（AOP）~15 cmH2O以上时顺应性突然改变。气道关闭现象会导致呼吸系统顺应性（Crs）的错误计算。(c) 固定吸气流量下的动态压力-时间曲线的说明。左边，向下的凹陷（应力指数[SI]<1）表示呼吸过程中的复张。中间，压力和时间之间的线性关系（SI = 1），表明没有复张或过度拉伸。右边，向上凹陷（SI>1）表示呼吸过程中过度膨胀。
应力指数
应力指数 (SI) 是从恒定吸气流量期间的气道压力与时间曲线得出的值。 假设吸气期间 Rrs 恒定，压力-时间信号的斜率可以识别 Crs 随肺容量增加的动态变化。 SI 计算基于以下应用于 Paw 与时间曲线的方程式：
其中，b是SI参数，反映了Paw对时间曲线的形状，arep代表t=1s时Paw对时间的斜率，系数c是t=0s时的压力。对于系数b<1的值，Paw对时间曲线将呈现向下的凹陷，表明顺应性随时间增加，而对于系数b>1的值，顺应性随时间减少，产生向上的凹陷。系数b=1的值表示Paw与时间的关系是直线，顺应性恒定（图4.4c）。
在ARDS的实验模型中，SI范围在0.90-1.10之间通风的肺部呈现出与非通气肺部观察到的炎症生物标志物水平相似。尽管作为一种检测损伤性肺部模式的无创方法，SI的使用在过去是有限的，因为必须使用专用软件。然而，最近的一项研究发现，用视觉检查来检测向下和向上的凹陷有很好的敏感性和特异性。
结论
随着对控制模式及其影响的充分了解，在被动通气时，PCV和VCV非常相似。然而，如果肌肉用力，这些模式就会呈现出明显的不同特征，这可能会影响患者的舒适度和施加在肺部的跨肺压。尽管有证据表明，在受控通气过程中，PCV和VCV在临床上是等同的，但正在进行的研究侧重于患者与呼吸机的互动以及机械通气过程中对自主呼吸的监测，这将为这些模式之间的差异带来新的认识。
来源：
Mechanical Ventilation from Pathophysiology to Clinical Evidence；
Giacomo Bellani
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