使用呼吸器病人的做功狀態

如何評估使用呼吸器病人的做功狀態

楊思雋　　陳昌文

　　張漢煜

國立成功大學醫學院附設醫院　內科部胸腔內科　

重症加護科

摘　要

使用呼吸器最主要的原因是為了幫助氣體交換、減少呼吸功。然而，臨床醫師對於 呼吸功大都只有些籠統的概念。本篇文章主要介紹：使用呼吸器病人的做功，不但可以從 呼吸速率、每分鐘換氣量、呼吸型態及動脈血液氣體分析概略地來評估；更可以由坎貝爾 圖 (Campbell’s diagram)、 壓 力 時 間 乘 積 (pressure time product)、 呼 吸 氧 耗 (oxygen cost of breathing) 等生理方法來測量。此外，本文也回顧相關文獻，統整了臨床上、呼吸器設定上減 少病人做功的方法，期能幫忙臨床醫師給予病人最適切的呼吸器治療。

關鍵詞：呼吸功 (Work of breath)

壓力時間乘積 (Pressure-time product) 呼吸氧耗 (Oxygen cost of breathing)

前言

臨 床 上， 當 病 人 進 行 呼 吸 器 脫 離 訓 練 (weaning) 時，我們常常會聽到呼吸治療師說：

病 人 的 呼 吸 功 (work of breath) 增 加， 又 改 回 呼吸器控制模式。然而，什麼是「呼吸功」？

臨床醫師大都只有籠統的概念。使用呼吸器，

當然是要減少病人的呼吸功；然而，當病人和 呼吸器不同步等情況發生時，使用呼吸器反而 會增加呼吸功

。本篇文章主要回顧過去的文 獻，探討如何從臨床表現概略估計使用呼吸器 病人的做功大小，闡述生理測量呼吸功的方法 有哪些，並尋找臨床上降低呼吸功的方法。期 待臨床醫師藉此能更了解如何評估使用呼吸器 病人的做功狀態，讓病人獲得最舒適的呼吸器 治療。

從臨床表現來評估使用呼吸器病人 的做功

評估使用呼吸器病人的做功狀態最直接的 方法是：從理學的檢查或實驗的診斷去推斷病 人呼吸時是否費力，因為病人吸氣或呼氣時費 力意味著他的呼吸功增加。 Cohen 等學者研究七 位拔管後因呼吸衰竭重新插管的患者

，發現吸 氣肌肉的疲勞會先出現體表肌電圖的變化

，接 著伴隨呼吸速率及每分鐘換氣量的提高，之後 才出現胸腹呼吸運動反常 (abdominal paradox)，

血中二氧化碳分壓的上升及呼吸酸中毒往往出 現在呼吸速率及每分鐘換氣量開始往下降之後。

根據上述臨床表現的變化，文獻建議

：當 病人表現胸腹呼吸運動反常時，意味著吸氣肌 肉已有一定程度的疲勞，臨床醫師這時須盡可

聯絡人：陳昌文　通訊處：704 台南市勝利路 138 號　成大醫院內科部重症加護科

能地減少病人的呼吸功；而如果病人已經出現 血中二氧化碳分壓的上升或呼吸速率的下降，

立即地使用呼吸器治療則不可避免。

做功與基本的呼吸力學

在介紹生理測量呼吸功之前，我們必須先 了解何謂「做功 (work，簡稱 W)」以及基本的

「呼吸力學 (respiratory mechanics)」。

一、做功

以一定施力 (Force) 作用一段距離 (Distance) 即是做功的多寡。

W  Force  Distance... (1) 既然壓力 (pressure，簡稱 P) 等同於在單位 面積 (Area) 上的施力大小，我們可以把公式 (1) 替換成：

W  P  Area  Distance ... (2) 而面積乘以距離等於體積 (volume，簡稱 V)，故公式 (2) 可被改成：

W  P  V ... (3) 所以，做功等於施予的壓力與其造成的體 積變化的積分。

W  ∫

V

P．dV ... (4) 從以上的公式我們可以很簡單地了解到：

呼吸肌等量收縮 (isometric contraction) 時，呼吸 功為零；當呼吸肌抵抗外在施力而出現位移的 收縮時，才會出現正的呼吸功。

二、基本的呼吸力學

參 照 圖 一， 首 先 定 義 幾 個 名 詞： ( 一 ) 肺 泡壓簡稱 P

，使用呼吸器的病人吸氣末暫停 (inspiratory hold) 時， 由 於 密 閉 系 統 內 無 氣 體 流動，此時的高原氣道壓 (P

) 近似於肺泡壓 P

； ( 二 ) 肋膜壓簡稱 P

，這和我們放食道球 量測到的食道壓 P

幾乎是相同的； ( 三 ) 靜態 的 胸 壁 彈 性 回 復 壓 (static elastic recoil pressure of the chest wall) 簡稱 P

，在使用呼吸器的病 人無自主呼吸胸壁肌肉放鬆時，我們先算出吸 氣末暫停和呼氣末暫停時的食道壓壓差 (P

)，

用潮氣容積變化除之 (Vt/P

) 得到靜態的胸

20

圖一：一位使用呼吸器病人的氣道壓壓差與食道壓壓差的量測

圖一：一位使用呼吸器病人的氣道壓壓差與食道壓壓差 的量測。圖為病人無自主呼吸胸壁肌肉放鬆時，呼氣末 暫停 (expiratory hold) 接著吸氣末暫停 (inspiratory hold) 的流速時間曲線 ( 上圖 )、氣道壓 (P

) 時間曲線 ( 中圖 )、

食道壓 (P

) 時間曲線 ( 下圖 )。吸氣末暫停時的高原氣

道壓 (P

) 減去呼氣末暫停時的呼氣末正壓 (PEEP) 可得

到氣道壓壓差 (P

)；同理，吸氣末暫停和呼氣末暫停

時的食道壓壓差為 P

。 P

，氣道峰壓。

壁順應性 (static chest wall compliance)，再用潮 氣容積除以靜態的胸壁順應性才能夠得到靜態 的胸壁彈性回復壓 P

； ( 四 ) 靜態的肺彈性回 復 壓 (static elastic recoil pressure of the lung) 簡 稱 P

， 我 們 必 須 先 用 吸 氣 末 暫 停 時 的 氣 道 壓 與食道壓差減去呼氣末暫停時的氣道壓與食道 壓差 (P

 P

)，拿潮氣容積變化除之 (Vt/

(P

P

)) 得 到 靜 態 的 肺 順 應 性 (static lung compliance)，再取潮氣容積除以靜態的肺順應 性的負值才得到靜態的肺彈性回復壓 P

，負值 是因為它和 P

及正壓呼吸時的氣道壓恰好是 反方向的； ( 五 ) 呼吸肌收縮造成的壓力簡稱為 P

。

在呼吸周期中的任何時間點，藉由牛頓第 一定律可知：

P

 P

 P

... (5) P

 P

 P

... (6) 由公式 (6) 可知：P

 P

 P

 P

 P

， 意即呼吸肌收縮壓等於食道壓減去靜態的胸壁 彈性回復壓。

坎貝爾圖 (Campbell’s diagram)

既然 P

P

P

，我們套入公式 (4) 可得：

W

 ∫

Vt

P

． dV  ∫

Vt

(P

 P

)．dV.... (7) 所以，如果我們畫一個圖形：橫軸為食道壓、

縱軸為體積，用吸呼氣的食道壓變化對相對應 的 體 積 變 化 做 積 分， 就 可 以 得 到 病 人 的 呼 吸 功，這就是鼎鼎有名的「坎貝爾圖」

，如圖二 所示。吸氣時肌肉做功主要克服的施力有兩個

6-7

：其一為肺彈性回復力 (elastic recoil forces of the lung)，其二則為氣道阻力 (resistive forces)。

胸壁彈性回復力 (elastic recoil forces of the chest wall) 在一般的潮氣容積範圍會幫助肺的撐開，

故在吸氣時反倒是減少呼吸功。而呼氣則通常 是被動的，吸氣時克服肺彈性回復力所做的功 已足以在呼氣時克服氣道阻力。

當肺或胸壁順應性變差時，吸氣時克服肺 或胸壁彈性回復力所做的功會上升，整體的呼 吸功因而增加。而內因性呼氣末正壓會造成無

效做功 (ineffective work)，所須做的功也會上升。

最後還有種情形就是：氣道的阻力很大，不僅 吸氣時克服氣道的阻力所做的功增加，吸氣時 克服肺彈性回復力所做的功已不足以在呼氣時

圖二：三位接受呼吸器脫離訓練病人的坎貝爾圖。 C

， 靜態的肺順應性線； C

，靜態的胸壁順應性線； Vt，潮 氣容積； V

，放鬆肺容積； EELV，有內因性呼氣末正壓 ( 簡 稱 PEEP

) 存在時的吐氣末肺容積。(a) 正常肺及胸壁順 應性時的呼吸功等同於 ADBCA 區塊的面積，包括了克 服氣道阻力 (ADBA 區塊 ) 與肺彈性回復力 (ABCA 區塊 ) 所做的功； (b) 胸壁順應性變差時的呼吸功，ABCA 區塊 的面積增加，病人須做更多呼吸功； (c) 同理，肺順應性 變差時 ABC’A 的區塊面積也會增加；此外，內因性呼氣 末正壓存在時增加的做功等同於斜線標記區塊的面積。

21

圖二：三位接受呼吸器脫離訓練病人的坎貝爾圖

(a)

(c) (b)

克服氣道阻力，呼氣時還要額外做個功克服它，

如圖三。

呼吸功的單位為焦耳 (joules，簡稱 J)，一 焦耳的定義是把一公升 (liter，簡稱 l) 的氣體推 過十公分水柱壓力梯度所需的能量。我們通常 用每公升換氣量的做功大小 (J/l) 來表示，也就 是用每次呼吸的做功焦耳數除以該次呼吸的潮 氣容積。正常值大概在 0.5 J/l 左右，0.3 到 0.6 J/l 之間都是可以接受的範圍

；急性呼吸窘迫症 候群與慢性阻塞性肺病患者在成功拔管前量測 到的平均值分別是 0.96 J/l 及 1.55 J/l

。另外一 種表示方法則是：每分鐘的做功大小，又稱功 率 (rate of work)，就是用每次呼吸的做功焦耳數 乘以每分鐘換氣量，單位為 J/min。正常值大概 在 2.4 J/min 左右

。 Teixeira 等學者則提出呼吸

器脫離訓練前後呼吸功增加大於 0.12 J/l 可以預 測拔管失敗

。

其它量測使用呼吸器病人做功的方法

生 理 測 量 呼 吸 功 的 方 法， 除 了 傳 統 的 坎 貝 爾 圖， 還 有 兩 種 方 式：「 壓 力 時 間 乘 積 (pressure-time product，簡稱 PTP)」及「呼吸氧 耗 (oxygen cost of breathing，簡稱 V ．O

resp)」。

分別介紹如下：

一、壓力時間乘積 (PTP)

我 們 回 過 頭 來 看 一 下 公 式 (7)：W



∫

Vt

P

． dV，假定吸氣過程中吸氣流速 (flow，

簡稱 ．) 是固定的，呼氣時又沒有額外的做功， V 該公式就可以被改成：

W

V ． ∫

Ti

P

． dtV ． ∫

Ti

(P

P

)．dt ... (8)

其中， Ti 為吸氣時間。由公式 (8) 可知：

∫

Ti

(P

 P

)．dt 便可以忠實地反映出呼吸功的大 小。而 ∫

Ti

(P

P

)．dt 也就是吸氣時的壓力時間 乘積。所以，如果我們畫一個圖形：橫軸為時 間、縱軸為壓力，用吸氣時食道壓與靜態的胸 壁彈性回復壓的壓差變化對相對應的時間變化 做積分，就可以得到病人的壓力時間乘積，如 圖四

。從圖中一樣可看出，吸氣時肌肉做功主 要得克服的施力有：氣道阻力，肺彈性回復力，

以及內因性呼氣末正壓。

傳統上，我們會計算一分鐘壓力時間乘積 的總和

，所以單位會是 cmH

O．sec/min。正 常值大概在 120 cmH

O．sec/min 左右

； Jubran 等學者則提出

：在壓力支持 (pressure support) 呼吸器脫離訓練時，要盡量將一分鐘壓力時間 乘積的總和控制在小於 125 cmH

O．sec/min。

壓力時間乘積較坎貝爾圖的壓力體積乘積 更容易繪製及計算；此外，對於有氧耗的呼吸 肌等量收縮，壓力時間乘積較坎貝爾圖更能具 體地表示呼吸肌肉的費力與否。

二、呼吸氧耗 (V ．O

resp)

呼 吸 肌 的 呼 吸 氧 耗 的 定 義 是 完 全 休 息 狀 態的全身氧耗和呼吸狀態變化後的全身氧耗的 差值 ( 簡稱 V ．O

)。我們量測全身氧耗 ( 簡稱

．O V

) 的方式是用呼吸氣體交換法 (respiratory gas 圖三：二位接受呼吸器脫離訓練病人氣道阻力增加時的

坎貝爾圖。 (a) 當 ABEA 區塊部分落在 ABCA'A 區塊外 側時，呼氣時就要另外做相當於圖中斜線標記區塊的功。

(b) 同樣地，內因性呼氣末正壓存在時，不僅要多做圖中 斜線標記區塊的功，還要加做等同於 AC’CA’ 區塊面積 的功。 C

，靜態的肺順應性線； C

，靜態的胸壁順應 性線； V

，潮氣容積； V

，放鬆肺容積； EELV，有內因 性呼氣末正壓存在時的吐氣末肺容積。

22

圖三：二位接受呼吸器脫離訓練病人氣道阻力增加時的坎貝爾圖

(a)

(b)

exchange method)，也就是如下的公式：

．O V

 F

O

． ． V

I

 F

O

． ． V

E

... (9) 其 中 F

O

和 F

O

分 別 是 吸 氣 和 呼 氣 時 量 測 到 的 氧 氣 濃 度， 而 ． V

I

和 ． V

E

分 別 是 吸 氣 和 呼 氣 時 的 每 分 鐘 換 氣 量。 坊 間 就 有 採 用 此 方法商用測量呼吸氧耗的間接熱量計 (indirect calorimeter)

。

呼吸氧耗的單位為 ml/L of ventilation，正 常 人 的 呼 吸 氧 耗 值 介 於 0.25 到 2.50 之 間

； Manthous 等學者則發現

：重症的患者往往要 高到其三至五倍之多。另外一種表示方法則是 呼吸氧耗佔了多少百分比的全身氧耗，通常要 小於 5%

； Lewis 等學者更發現

：在進行呼吸 器脫離訓練時，若呼吸氧耗小於 15% 的全身氧 耗可預測成功脫離。

呼吸氧耗和壓力時間乘積一樣，對於有氧 耗的呼吸肌等量收縮，較坎貝爾圖更能具體地 表示呼吸肌肉的費力與否；而且它不需要置放 食道球量測肋膜壓。然而，在重症患者使用高 吸氣氧氣濃度時，量測的誤差就會增加

；此外，

它和壓力時間乘積及坎貝爾圖不同的是它的值 較會受到病人體重輕重、交感神經興奮、發燒 等情況的影響；最後，呼吸氧耗通常只佔全身 氧耗的一小部分，也就是說它算起來比較容易 有誤差。

如何減少使用呼吸器病人的做功

會 增 加 使 用 呼 吸 器 病 人 呼 吸 功 的 因 素 很 多，茲整理成表一。其中除了病人的因素須積 極的治療疾病本身外，我們將分點探討呼吸器 的設定上能否幫助減少病人的做功。

一、氣管內管的口徑大小

Brochard 等學者的研究比較插管的患者使 用壓力支持為零、 T 型管 (T-piece) 及患者拔管 後自發性呼吸

，發現前兩者較後者的呼吸功 率 分 別 增 加 32% 及 26%，這影響不僅和氣管 內管的有無，還跟呼吸器的管路有關。此外，

Bersten 等學者則認為選擇愈大口徑的氣管內管 對於呼吸功的減少是有幫助的

。而氣切管又相 較於氣管內管更能減少呼吸功

。

圖四：一位接受呼吸器脫離訓練病人吸氣時的壓力時間 乘積圖。上圖為流速時間曲線，下圖為食道壓 (P

) 時間 曲線；靜態的胸壁彈性回復壓 (P

) 與肺彈性回復壓 (P

) 時間曲線也一併被繪出 ( 方法詳見內文 )；縱軸的虛線代 表吸呼氣交界流速等於零的時候。上界 (upper bound) 與下界 (lower bound) 的胸壁彈性回復壓時間曲線是平 行的，只是起點不同。上界胸壁彈性回復壓 (P

-UB) 時 間曲線的起點是食道壓開始往下掉的時候，下界胸壁彈 性回復壓 (P

-LB) 時間曲線的起點則是流速等於零的時 候。圖中橫線標記區塊等同於克服內因性呼氣末正壓所 需的壓力時間乘積；白色區塊等同於克服靜態的肺彈性 回復力所需的壓力時間乘積；縱線標記區塊等同於克服 氣道阻力所需的壓力時間乘積。

23

圖四：一位接受呼吸器脫離訓練病人吸氣時的壓力時間乘積圖

二、呼吸器管路或潮溼器

呼吸器管路的影響已如前述。潮濕器會不 會 對 呼 吸 功 造 成 影 響 呢？ Iotti 等學者研究指 出

：人工鼻 (heat and moisture exchanger) 較之 加熱潮濕器 (heated humidifier) 更增加呼吸功。

三、呼吸器內鍵的設定

( 一 ) 潮氣容積或壓力支持的程度

理 論 上， 急 性 呼 吸 窘 迫 症 候 群 或 急 性 肺 損 傷 的 患 者 應 該 要 使 用 肺 保 護 性 通 氣 (lung protective ventilation)，也就是潮氣容積的給予要 盡可能的小。然而，在肺保護性通氣所容許的 潮氣容積區間內，潮氣容積的大小會不會影響 病人的做功呢？ Kallet 等學者研究十位急性呼 吸窘迫症候群或急性肺損傷的病人發現

：當給 予的潮氣容積小於 7 ml/kg 時，病人的呼吸功便 有顯著地增加。

同樣地，在病人進行呼吸器脫離訓練時，

壓 力 支 持 程 度 的 提 高， 會 讓 病 人 的 呼 吸 功 減 少

；反之，如果壓力支持的程度不足，病人的 呼吸功就會明顯地增加。

( 二 ) 呼氣末正壓

Smith 等學者對十位存在內因性呼氣末正壓 的病人的研究指出

：適當的給予呼氣末正壓可 以降低病人的呼吸功。

( 三 ) 壓力驅動與流速驅動 (flow trigger)

在呼吸器部分輔助模式時，使用流速驅動 較之壓力驅動更能減少病人的呼吸功已經是個

共識

。而設定的驅動敏感度不夠，或著閾值

過高，也會讓病人的呼吸功增加

。 ( 四 ) 高峰流速與吸氣上升時間

高峰流速與吸氣上升時間是連帶影響的。

當吸氣上升時間減少，高峰流速就會增加。吸氣 時高峰流速增加並不是件壞事，但要小心氣道 峰 壓 (peak airway pressure) 過 高。Bonmarchand 等學者研究十一位慢性阻塞性肺病使用壓力支 持呼吸器脫離訓練的病人

，發現高峰流速或吸 氣上升時間愈快，病人的呼吸功愈小。另外，

Chiumello 等學者研究急性肺損傷進入呼吸器脫 離訓練的病人

，也有類似的結論。

( 五 ) 吸氣終結標準 (cycling-off criteria)

在病人使用壓力支持呼吸器脫離訓練時，

有些呼吸器必須設定吸氣終結標準，也就是當 吸氣的流速降至最高流速的多少百分比時，呼 吸 器 會 自 動 由 吸 氣 轉 成 呼 氣。 Tokioka 等學者 收集了八位急性肺損傷或急性呼吸窘迫症候群 的病人

，都分別使用 1%、5%、20%、35%、

40% 的吸氣終結標準，發現吸氣終結標準為 35% 或 40% 時，病人的吸氣做功有顯著的上升。

Chiumello 等學者則對十三位慢性阻塞性肺病因 肺炎而呼吸衰竭的病人做研究

，卻發現相反的 結果，無論壓力支持為 5 或 15 cmH

O，吸器終 結標準為 40% 較之 5% 時的吸氣之壓力時間乘 積為低，其原因可能與存在內因性呼氣末正壓 有關。

結　論

雖然坎貝爾圖、壓力時間乘積和呼吸氧耗 較少臨床上的應用；但是從研究的立場來看，

它們可以幫忙臨床醫師給予病人最適切的治療 和最佳的呼吸器設定

。此外，了解它們後，臨 床醫師對「呼吸功」就不再只是個籠統的了解。

期待未來有更多的研究探討如何降低使用呼吸 器病人的做功，進而增加呼吸器脫離率、減少 呼吸器使用天數，甚至減少死亡率。

表一：增加使用呼吸器病人呼吸功的因素 病人本身的因素

　肺 或胸壁順應性差 ( 如：急性呼吸窘迫症候群、大量 胸腹水等 )

　氣道阻力高 ( 如：阻塞性肺疾等 ) 　存在內因性呼氣末正壓

氣管內管口徑過小 呼吸器管路或潮溼器因素 呼吸器內鍵的設定

　潮氣容積

或壓力支持的程度不足 　呼氣末正壓設定不足

　使用壓力驅動 (pressure trigger) 或驅動敏感度不足 　高 峰流速 (peak flow) 或吸氣上升時間 (inspiratory rise

time) 過慢

　吸氣終結標準 (cycling-off criteria) 過高或過低

a指在肺保護性通氣所容許的潮氣容積區間內。

b對於存在內因性呼氣末正壓的病人。

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How to Evaluate the Work of Breath in Mechanically Ventilated Patients?

Szu-Chun Yang, Chang-Wen Chen

, and Han-Yu Chang

Division of Pulmonary Medicine, ¹Critical Care Medicine, Department of Internal Medicine, National Cheng-Kung University Hospital, Tainan, Taiwan

The main goal of mechanical ventilation is to restore the gas exchange and to reduce the work of breathing (WOB). However, most clinicians have only some general concepts for WOB. The WOB in mechanically ventilated patients can not only be evaluated from clinical presentations, but also from physiological methods such as the Campbell’s diagram, the pressure time product, and the oxygen cost of breathing. In addition, we also review the literatures and integrate ways to reduce the WOB in order to help clinicians providing the most effective use of mechanical ventilation. (J Intern Med Taiwan 2011; 22: 91-98)