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機械換氣[1][2]（mechanical ventilation）或機械通氣，又稱輔助換氣（assisted ventilation），是利用機械裝置（呼吸機）來代替、改善或控制自主呼吸運動，以維持通氣和換氣功能的呼吸支持技術。
機械換氣有助於空氣進出肺部，其主要目標是幫助輸送氧氣和去除二氧化碳，可糾正低氧血症和高碳酸血症及其導致的病理生理和代謝改變，對換氣或為呼吸功能不全的患者起到生命支持作用，為基礎疾病的治療創造條件。
使用機械換氣的原因有很多，包括由於機械的或神經系統的原因而要保護氣道，以便能確保肺部有足夠的氧合，或是從肺部去除多餘的二氧化碳。各種醫療衛生提供者都有使用機械換氣，而需要呼吸機的人通常都會在深切治療部接受監測。
如果機械換氣涉及在氣管內產生氣道的器械，則稱為侵入性換氣。這可以通過許多器械來實現，最常見的是通過氣管內插管[3]。對於有意識的人的非侵入性換氣，可使用面罩或鼻罩。
機械換氣的兩個主要類型包括正壓換氣和負壓換氣，前者是將空氣通過呼吸道推入肺部，後者是將空氣拉入肺部。機械換氣有許多具體的模式，其專業名稱隨着這幾十年來技術的不斷發展也在不斷修訂。
希臘醫生蓋倫有可能是第一個描述機械換氣的人：「如果你帶走一隻死去的動物，用它的喉部（通過一根蘆葦）吹氣，你會填滿它的支氣管，看着它的肺得到最大的膨脹。」在 1600 年代，羅伯特·胡克對狗進行了實驗來證明這一概念。安德雷亞斯·維薩里也通過將蘆葦或手杖插入動物的氣管來描述通風。[4]這些實驗都比發現氧氣以及氧氣在呼吸中的作用來得早。 1908 年，喬治·坡展示了他的機械呼吸器，他讓狗窒息，似乎讓它們起死回生。這些實驗都展示了正壓換氣。
要實現負壓換氣，必須有低於大氣壓的壓力才能將空氣吸入肺部。這是在19世紀後期首次實現的，那時 John Dalziel 和 Alfred Jones 獨立開發了箱式呼吸機，其中通過將患者放置在一個箱子內來實現通氣，該箱子將身體封閉在一個低於大氣壓的箱子中。[5]這台機器被通俗地稱為鐵肺，它經歷了多次迭代的發展。在1900年代小兒麻痹症流行期間，鐵肺的使用變得普遍。
早期的呼吸機的型式是沒有將控制呼吸這個功能整合在裏面，且吸氣和呼氣的比例被限制在1：1。在1970年代，間歇性強制換氣和同步間歇性強制換氣開始被引進。這些換氣方式都有控制呼吸的功能，使得病人可以在呼與吸之間進行呼吸。[6]
當患者的自主呼吸不足以維持生命時，需要進行機械換氣。它也可能在預期其他生理功能即將崩潰或肺部氣體交換無效時出現。由於機械換氣僅用於為呼吸提供幫助，並不能治癒疾病，因此應該依序確認和治療患者的潛在狀況，以便隨着時間的推移得到解決。患者入住 ICU 的主要原因之一是提供機械換氣。在機械換氣中監測患者有許多臨床應用：增強對病理生理學的理解、輔助診斷、指導患者處理、避免併發症和評估趨勢。通常，啟動機械換氣是為了保護氣道或是減少呼吸所需要的努力。
機械換氣通常是作為短期措施。如果患者患有需要長期換氣協助的慢性疾病，則可以在家中或在護理或康復機構中使用它。
機械換氣通常是一種挽救生命的干預措施，但也會帶來潛在的併發症。直接源於呼吸機設置的正壓換氣的常見併發症包括容積損傷和壓力損傷 。[13][14]這包括氣胸、皮下氣腫、縱隔氣腫和氣腹。[14][15]另一個有據可查的併發症是呼吸機相關的肺損傷，其表現為急性呼吸窘迫綜合症。[16][17][18]其他併發症包括膈肌萎縮、[19][20][21]心輸出量減少、[22]和氧中毒。機械換氣患者出現的主要併發症之一是急性肺損傷 （ALI）/急性呼吸窘迫綜合症（ARDS）。 ALI/ARDS 被認為是導致患者發病率和死亡率的重要因素。[23][24]
身為深切治療的一部分，長時間的換氣在許多醫療衛生系統中，是一種有限的資源。基於這個原因，開始換氣和取消換氣的決定可能會有倫理道德的疑慮，並且通常會涉及法律命令，例如拒絕心肺復甦術命令。[25]
機械換氣通常與許多痛苦的程序相關，並且程序本身可能會讓人不舒服。對於需要阿片類藥物治療疼痛的嬰兒，阿片類藥物的潛在副作用包括餵食問題、胃和腸道活動問題、阿片類藥物依賴的可能性和阿片類藥物耐受性。[26]
取下機械換氣的時間點——也稱為撤機——是一個重要的考慮因素。需要機械換氣的人若是能夠支持自己的換氣和氧合，則應考慮停止換氣，並應持續評估。[27][7]在考慮取下時，有幾個客觀參數需要查找，但並沒有適用於所有患者的具體標準。
快速淺呼吸指數（RSBI，呼吸頻率與潮氣量的比值（f/VT），以前稱為「Yang Tobin 指數」或「Tobin 指數」，是以Karl Yang博士和洛約拉大學醫學中心的Martin J. Tobin教授的名字命名。是研究最充分和最常被使用的撤機預測因子之一，沒有其他預測因子被證明是更好的。它在機械換氣患者的前瞻性隊列研究中得到描述，該研究發現RSBI>105次呼吸/分鐘/升與撤機失敗相關，而RSBI<105次呼吸/分鐘/升預測撤機成功，具有敏感性、特異性、陽性預測值和陰性預測值分別為97%、64%、78%、95%。[28]
進行自發呼吸試驗是為了評估病人能夠在沒有呼吸機的情況下保持穩定和自主呼吸的可能性。這是通過改變模式來實現的，在這種模式下，他們必須觸發呼吸，而呼吸支持只是為了補償氣管內管的額外阻力。[29]
袖帶泄漏測試是為了檢測是否存在氣道水腫，以顯示拔管後喘息的機會。這是通過對袖帶放氣來檢查空氣是否開始在氣管內導管周圍泄漏。[29]
肺的功能是透過氧合和換氣提供氣體的交換。這種呼吸現象涉及氣流、潮氣量、順應性、抵抗性和死腔的生理概念。[8][30]其他相關概念包括肺泡換氣、動脈 PaCO2、肺泡容積和FiO2。肺泡換氣量是單位時間內到達肺泡並參與氣體交換的氣體量。[31] PaCO2 是動脈血中二氧化碳的分壓，它決定了二氧化碳排出體外的能力。[32]肺泡體積是每分鐘進入和離開肺泡的空氣量。[33]機械死腔是呼吸機設計和功能中的另一個重要參數，定義為在機械設備中使用後再次呼吸的氣體體積。
由於人體咽、喉、食道的解剖結構和需要換氣的情況，在正壓換氣時，往往需要採取額外措施來保護氣道，以使空氣暢通無阻地進入氣管，避免空氣進入食道和胃。常用的方法是：插管，將一根管子插入氣管，這為空氣提供了一條暢通的通道。這可以是通過嘴或鼻子的自然開口插入的氣管內管，也可以是通過頸部人工開口插入的氣管切開術。在其他情況下，一些簡單的氣道操作，口咽氣道或喉罩氣道，也可以用。如果患者能夠保護自己的氣道並使用無創換氣或負壓換氣，則可能不需要氣道輔助裝置。
鴉片類藥物等止痛藥有時用於需要用在機械換氣的成人和嬰兒。但對於需要機械換氣的早產兒或足月兒，並沒有強而有力的證據表明這些程序也可以使用常規的阿片類藥物或鎮靜劑，然而，一些需要機械換氣的特定嬰兒可能需要使用阿片類藥物等止痛藥。目前尚不清楚可樂定作為需要機械換氣的早產兒和足月兒的鎮靜劑是否安全或有效。
最初當100%氧氣（1.00 FiO
2）用於成人，很容易以計算下一個需要使用的FiO
2，並且容易估計分流比率。[34]估計的分流比率是指未被吸收到循環中的氧氣量。[34]在正常生理中，氧氣和二氧化碳的氣體交換發生在肺泡階段。分流的存在是指阻礙這種氣體交換的任何過程，導致吸入的氧氣被浪費，未含氧的血液流回左心室，它是最終為去氧的血液提供空間的地方。[34]當使用100%氧氣時，分流度估計為700mmHg - 從測量PaO
2得到的值。對於每100 mmHg的差異，分流比率為5%。[34]超過25%的分流應促使尋找這種低氧血症的原因，例如主幹插管或氣胸，並應進行相應的治療。如果不存在此類併發症，則必須尋找其他原因，並且應使用呼氣末期正壓（PEEP）治療這種肺內分流。[34]其他導致分流的原因包括：
機械換氣利用幾個獨立的系統進行換氣，稱作是模式。模式有許多不同的交付的概念，但所有模式都屬於三個類別之一；體積循環、壓力循環、自發循環。[35][27]一種相對較新的通風模式是流控（flow-controlled）通風（FCV）。[36]FCV是一種完全動態的模式，沒有明顯的 "無流量 "時期。它的基礎是創造一個穩定的氣流進入或流出病人的肺部，分別產生一個吸氣或呼氣。這導致了氣管內壓力的線性增加和減少。與傳統的換氣模式相比，由於有控制的呼氣，沒有突然的胸內壓下降。[37]此外，這種模式允許使用細的氣管導管（約2-10毫米內徑）為病人換氣，因為呼氣得到積極的支持。[38]一般來說，為特定患者選擇使用哪種機械換氣模式取決於臨床醫生們對模式的熟悉程度以及某個機構中的某項設備的可用性。[39]
現代的正壓呼吸機的設計，主要是基於二戰期間軍方為高空戰鬥機飛行員提供氧氣的技術發展。隨着帶有大容量低壓力的袖帶的安全氣管內管被開發出來，這種呼吸機取代了鐵肺。在1950年代的斯堪的納維亞半島[40][41]和美國的小兒麻痹症流行期間，正壓呼吸機的普及率上升，是現代換氣治療的開端。通過氣管切開管，由人工供應50%氧氣的正壓降低了小兒麻痹症和呼吸麻痹患者的死亡率。然而，由於這種人工干預需要大量的人力，機械正壓呼吸機變得越來越流行。[4]
正壓呼吸機的工作原理是通過氣管內管或氣管造口管增加患者的氣道裏的壓力。正壓會讓空氣流入氣道，直到呼吸機的這次呼吸結束。然後，氣道裏的壓力降至零，此時胸壁和肺部裏彈性的反彈力就會推動潮氣量——透過被動呼氣的哈氣。
負壓機械呼吸機製造時有小型、現場型和大型等等形式。[42]小型設備的著名設計被稱為胸甲，這是一種殼狀物，使用合適的外殼和軟氣囊的組合僅對胸部產生負壓。近年來，該設備已使用具有多個密封件的各種尺寸的聚碳酸酯外殼和高壓振盪泵製造，以進行雙相胸甲換氣。[43]它的主要用途是用於具有一些殘餘肌肉功能的神經肌肉疾病患者。[44]後來，有更大的型式可以用，特別是在英國的小兒麻痹症醫院，如倫敦的聖托馬斯醫院和牛津的約翰拉德克利夫醫院。[4]
較大的裝置起源於鐵肺，也稱為Drinker and Shaw箱，它由J.H Emerson公司於1928年開發，是最早用於長期通風的負壓機器之一。[6][43]它在20世紀得到大幅地改進和使用，主要是由於1940年代席捲世界的小兒麻痹症流行。該機器實際上是一個大型細長水箱，將患者包裹到頸部。[5]頸部用橡膠墊圈密封，使患者的臉部（和氣道）暴露在室內空氣中。雖然氧氣和二氧化碳在血液和肺部空隙之間的交換是通過擴散作用進行的，不需要做任何外部工作，但空氣必須被移入和移出肺部以使其可用於氣體交換過程。在自主呼吸中，由呼吸肌在胸膜腔內產生負壓，由此在大氣壓力和胸腔內的壓力之間產生梯度，因而產生了氣流。在鐵肺中，通過泵，空氣被機械抽出，使槽內產生真空，因而產生負壓。[43]這種負壓會導致胸部擴張，從而導致肺內壓降低，並增加環境空氣進入肺部的流量。隨着真空的釋放，槽內的壓力與環境壓力相等，胸部和肺部的彈性反彈力導致被動呼氣。然而，當真空產生時，腹部也會隨着肺一起擴張，切斷回流到心臟的靜脈，導致靜脈血在下肢匯集。患者可以正常說話和吃飯，並且可以通過一系列精心佈置的鏡子看到世界。有些人可以非常成功地在這些鐵肺中維持數年。[5]
全身設計的一些問題是，比如無法控制吸氣和呼氣的比例以及流速。這種設計還導致血液積聚在腿部。[6]
另一種類型是間歇性腹壓呼吸機，它藉由一個膨脹的氣囊從外部施加壓力，強制呼氣，有時稱為吐氣。第一個這樣的裝置是布保二氏人工呼吸器（Bragg-Paul pulsator）。[45][46]由Puritan Bennett所製造的Pneumobelt是一種此類設備的名稱，它在一定程度上已成為該類型的通用名稱。[46][47]
最常用的高頻呼吸機和唯一在美國被批准的是Vyaire Medical公司的3100A。它的工作原理是通過設置振幅和以赫茲為單位的高頻率，使用非常小的潮氣量。這種類型的換氣主要用於常規換氣失敗的新生兒和兒科病人。[48]
第一種為新生兒製造的高頻呼吸機，也是唯一的噴射式呼吸機，是由Bunnell公司所製造。它與單獨的持續強制通氣呼吸機（CMV）配合使用，為控制呼吸和PEEP增加脈衝空氣。[48]
病人被送入ICU的主要原因之一是為了進行機械換氣。監測機械換氣的病人有許多臨床應用：加強對病理生理學的理解、幫助診斷、指導病人管理、避免併發症、並評估趨勢。
換氣的患者之中，在滴定FIO2時通常使用脈搏血氧儀。 Spo2的可靠目標是大於95%。[49]
病人的總PEEP可以通過在呼吸機上做呼氣保持來確定。如果它高於設定的PEEP，這表明有空氣滯留。
高原壓力可以通過做吸氣保持來發現。這顯示了病人的肺部所經歷的實際壓力。
循環可以用來觀察病人肺部發生的情況。這包括流量-容積和壓力-容積循環。它們可以顯示順應性和阻力的變化。
功能餘氣量可以在使用奇異工作站時被決定。
大多數現代呼吸機都有基本的監測工具。也有獨立於呼吸機工作的監視器，允許在移除呼吸機後對患者進行測量，例如氣管測試。
呼吸機有許多不同的樣式和方法來呼吸以維持生命。[8]有手動呼吸機，例如袋瓣罩甦醒球和麻醉袋呼吸機，需要用戶將呼吸機放在面部或人工氣道上，並用手保持呼吸。機械呼吸機是不需要操作員氣力的呼吸機，通常是電腦控制或氣動控制的。[27]機械呼吸機通常需要通過電池或牆壁插座（直流或交流）供電，儘管有一些呼吸機是在氣動系統上工作，是不需要電源的。有多種可用於通風的技術，分為兩大類（然後是次要的一類），這兩類是較早的負壓機制技術和較常見的正壓類型。
常見的正壓機械呼吸機包括有：
導致機械呼吸機輸送呼吸即是觸發。呼吸可以由患者自己呼吸、或是呼吸機操作員按下手動呼吸按鈕、或是由呼吸機根據設定的呼吸速率和換氣模式觸發。
循環是導致呼吸從吸氣階段過渡到呼氣階段的原因。當達到設定時間時，或者當根據呼吸類型和設置達到預設流量或在呼吸期間輸送的最大流量的百分比時，可以通過機械呼吸機循環呼吸。當達到高壓限值等警報條件時，也可以循環呼吸，這是壓力調節容積控制的主要策略。
限制是指呼吸的控制方式。呼吸可能被限定在一個預先設定的最大迴路壓力或一個預先設定的最大流量。
機械換氣中的呼氣，幾乎都是完全被動的。呼吸機的呼氣閥打開，允許呼氣流量，直到達到基線壓力(PEEP)。呼氣流量由患者因素決定，例如順應性和抵抗性。
有多種程序和機械裝置可以防止氣道塌陷、漏氣和誤吸：
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