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1、呼吸力學(xué)及臨床應(yīng)用相關(guān)物理知識(shí)-基礎(chǔ)力學(xué)理想氣體 P1V1T1=P2V2T2道爾頓定律 P=P1+P2+Pn流體力學(xué)氣體從氣壓高區(qū)域流向氣壓低的區(qū)域,速率是壓力差于通道阻力的函數(shù)。氣流的形態(tài)一般描述為層流或湍流 P=kv P=kv2如果進(jìn)入層流區(qū)域的氣體成分突然發(fā)生改變,則新的氣體將進(jìn)入管道中心,其前部呈錐形。文丘里原理 通俗地講,這種效應(yīng)是指在高速流動(dòng)的流體附近會(huì)產(chǎn)生低壓,從而產(chǎn)生吸附作用文丘里面罩即氧氣經(jīng)狹窄的孔道進(jìn)入面罩時(shí)在噴射氣流的周圍產(chǎn)生負(fù)壓,攜帶一定量的空氣從開放的邊緣流入面罩,面罩邊縫的大小改變空氣與氧的比率。與呼吸相關(guān)的力學(xué)概念力物體之間的相互作用使物體獲得加速度和發(fā)生變形功力
2、使物體沿力的方向通過(guò)一段距離動(dòng)力導(dǎo)致作功的力阻力阻礙物體運(yùn)動(dòng)的力基礎(chǔ):運(yùn)動(dòng)方程示意圖M:有一定質(zhì)量物體. F:使M向前移動(dòng)的力. K:牽拉M的彈簧,因彈性回縮力而產(chǎn)生的阻力稱彈性阻力. R:M移動(dòng)時(shí)與表面摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力稱粘性阻力. 物體移動(dòng)和加速時(shí)尚有慣性阻力(在呼吸阻力中可忽略不計(jì)). F=F彈+F摩+F慣呼吸系統(tǒng): F相當(dāng)于吸氣用力. M+K=胸廓-肺,它的位移距離是肺容積變化(V).位移速度即氣體流量(V),彈性阻力K以順應(yīng)性倒數(shù)表示(1/C). 氣體流經(jīng)氣道的摩擦力是氣道阻力(R), 呼吸運(yùn)動(dòng)方程:氣體流動(dòng)靠壓力差推動(dòng). P=P摩+P彈 , Paw=RV + 1/CV.正常呼吸時(shí)
3、的力吸氣相動(dòng)力吸氣肌收縮阻力彈性回縮力(R彈)氣體與氣體、氣體與氣道摩擦(R氣道)呼氣相動(dòng)力彈性回縮力阻力R氣道被忽略的阻力:慣性阻力、粘滯阻力呼吸系統(tǒng):氣道和肺泡的阻力氣道粘性阻力(Rrs)肺泡彈性阻力(Ers)肺通氣的阻力肺通氣的動(dòng)力是氣體流速流經(jīng)氣道和進(jìn)入肺泡所需要克服粘性阻力和彈性阻力所產(chǎn)生的壓力 .非彈性阻力,包括氣道阻力,慣性阻力和組織的粘性阻力,占總阻力的30%.彈性阻力(肺和胸廓的彈性阻力),占總阻力的70%,是平靜呼吸時(shí)主要阻力.1.彈性阻力和順應(yīng)性: 彈性組織在外力作用而變形時(shí),有對(duì)抗變形和彈性回縮的傾向,為彈性阻力. 以順應(yīng)性(compliance)來(lái)測(cè)量彈性阻力。順應(yīng)性
4、是指在外力作用下彈性組織的可擴(kuò)張性.2. 彈性阻力(R)可用順應(yīng)性(C)的倒數(shù)來(lái)表示:通常以單位壓力變化引起的容積變化來(lái)表示 氣道阻力阻力R = P / flowPinPoutflowR吸氣阻力PIPPplat層流和湍流氣道對(duì)氣體流速(量)所存在的阻力,(cmH2O/L/S)呼吸機(jī)輸送氣體到肺泡所須的壓力,以克服此阻力.阻力決定于氣道的長(zhǎng)度、內(nèi)徑、分叉和內(nèi)壁情況,及氣體流速的形態(tài).形態(tài)呈層流即阻力低. 湍流產(chǎn)生漩渦而阻力高.阻力尚決定于流速大小呈正相關(guān).層流湍流吸氣阻力Hagen-Poiseuille定律P = flow x 8l/r4層流Venturi定律P = flow2 x Kl/r2湍
5、流層流R = P / flow = 8l/r4氣道阻力新生兒30 - 50 mmHg/L/sec嬰兒20 - 30 mmHg/L/sec兒童 20 mmHg/L/sec成人 2 - 4 mmHg/L/sec非彈性阻力氣道阻力: 氣體流經(jīng)呼吸道時(shí)氣體分子間和氣體與氣道壁之間的摩擦力。主要分布于上呼吸道:鼻50% 、聲門25%、氣管和支氣管15%,細(xì)支氣管及以下10%。氣道粘性阻力包括: 粘性阻力和慣性阻力,占30%,其中氣道粘性阻力占90%以上。非彈性阻力只在氣體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生,為動(dòng)態(tài)阻力.不論吸氣還是呼氣,非彈性阻力均阻礙通氣,因此既是吸氣阻力,又是呼氣阻力。 氣道阻力產(chǎn)生一定氣流流速所需要的壓力
6、差可以反映氣道阻力 (Raw)??捎靡韵鹿奖硎荆?Raw=(口腔壓 肺泡壓)/氣道阻力的單位是以cmH2O/L/s表示。在病理情況下,如支氣管哮喘、慢性支氣管炎、肺氣腫患者,常表現(xiàn)有氣道阻力的增加,故可通過(guò)Raw了解病情的變化。而在使用呼吸機(jī)過(guò)程中若導(dǎo)管扭曲或痰液堵塞氣道阻力均增加.影響氣道阻力的因素:a.氣道半徑(r)的影響 R1/r4 b.氣流流速:流速大,阻力大。c.氣流形式:層流-阻力?。煌牧?阻力大。呼吸阻力舉例分泌物過(guò)多痙攣粘膜水腫分泌物過(guò)多花生米肺氣腫肺泡擠壓專業(yè)術(shù)語(yǔ)阻力名稱 符號(hào)存在部位物理持性臨床意義氣道阻力Raw氣道粘性直接反映氣道阻塞情況肺阻力RL氣道+肺組織粘性近似R
7、aw呼吸阻力Rrs氣道+肺組織+胸廓粘性隨Raw變化而變化呼吸總阻抗Zrs氣道+肺組織+胸廓粘性+彈性+慣性巳逐漸彼Rrs所替代肺彈性阻力Ers,EL肺組織彈性(1/C)同肺順應(yīng)性順應(yīng)性C = V / PPVttVtPplat PEEPPIP PEEP呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性新生兒 3 - 5 ml/mmHg/kg BWt嬰兒10 - 20 ml/mmHg/kg BWt兒童20 - 40 ml/mmHg/kg BWt成人70 - 100 ml/mmHg/kg BWt呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性靜態(tài)順應(yīng)性無(wú)肺部疾患的氣管插管患者50 - 70 ml/mmHg動(dòng)態(tài)順應(yīng)性極少應(yīng)用呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性導(dǎo)致順應(yīng)性下降的原因肺實(shí)質(zhì)改變
8、ARDS, (支氣管)肺炎, 肺水腫, 纖維化表面活性物質(zhì)功能障礙ARDS, 肺泡肺水腫, 肺不張, 誤吸肺容量減少氣胸, 膈肌抬高肺 順 應(yīng) 性 肺順應(yīng)性代表肺的擴(kuò)張性,它是肺容量改變隨肺泡壓力改變而變化.CL=V/PCL與壓力呈負(fù)相關(guān),與容量呈正相關(guān).靜態(tài)CL反映肺組織彈性阻力.動(dòng)態(tài)CL反映肺彈性阻力外另受氣道阻力影響.高順應(yīng)性低順應(yīng)性當(dāng)肺因彈性回力向內(nèi)的力量和胸壁向外的力量相平衡時(shí),呼吸肌完全松弛,胸腔內(nèi)凈壓力為0,此時(shí)即功能殘氣位,肺內(nèi)的含氣量即FRC。即PEEP位, PEEP增加, FRC亦增加. 病理性的肺順應(yīng)性胸內(nèi)壓、肺內(nèi)壓1.胸內(nèi)負(fù)壓 平均大約為-6.7cmH2O,隨呼吸周期變
9、化。安靜吸氣時(shí)-10.6cmH2O,安靜呼氣末-2.7cmH2O. 臨床上用食管內(nèi)壓力代表胸內(nèi)壓。 胸內(nèi)負(fù)壓來(lái)源:肺組織的彈性回縮力和肺泡壁表面張力。 胸內(nèi)負(fù)壓也作用于胸腔內(nèi)的心臟和大靜脈,降低中心靜脈壓,有助于靜脈回流和右心充盈。胸內(nèi)壓、肺內(nèi)壓肺內(nèi)壓:即肺泡內(nèi)壓,正常人在呼吸暫停,聲帶開放,氣道通暢時(shí),肺內(nèi)壓與大氣壓相等。吸氣時(shí)肺內(nèi)壓低于大氣壓,呼氣時(shí)高于大氣壓。肺內(nèi)壓正 0 負(fù)吸氣 吸氣 吸氣呼氣 呼氣 呼氣正常人呼吸器官的壓力、容量關(guān)系1.肺容量在功能殘氣量(FRC)時(shí)(占肺總量40%),肺內(nèi)壓為0。2.肺容量大約等于肺總量的67%時(shí),胸廓在天然位置,不表現(xiàn)彈性力量。3.肺容量超過(guò)67%
10、以上時(shí),胸廓與肺的彈性回縮力方向相同,共同構(gòu)成擴(kuò)張阻力。4.功能殘氣量時(shí),用力呼氣,則呼吸肌的收縮力完全用于克服胸廓向外張開的彈性力量。呼吸系統(tǒng)的壓力梯度胸膜腔內(nèi)壓肺泡內(nèi)壓氣道內(nèi)壓經(jīng)胸壓經(jīng)肺壓經(jīng)胸壁壓經(jīng)氣道壓呼吸系統(tǒng)的壓力梯度1.胸膜腔內(nèi)壓 正常時(shí)功能殘氣位的胸膜腔內(nèi)壓為-5cmH2O2.肺泡內(nèi)壓 其大小決定于胸膜腔內(nèi)壓與肺向內(nèi)收縮的壓力之差 機(jī)械通氣時(shí),肺泡內(nèi)壓直接受吸氣壓力影響,故要注意避免通氣壓力過(guò)高而造成的肺損傷及對(duì)循環(huán)功能的影響。呼吸系統(tǒng)的壓力梯度3.氣道內(nèi)壓 吸氣或呼氣末,氣流停止時(shí),從肺泡到口鼻,氣道內(nèi)各處壓力相等,吸氣時(shí),從口鼻到肺泡的壓力遞減,呼氣時(shí)則遞增。呼吸運(yùn)動(dòng)中,氣道內(nèi)
11、任意二點(diǎn)間的壓力差,決定于其間氣道阻力的大小和氣流的速度。4.經(jīng)胸壓 相當(dāng)于肺泡內(nèi)壓與胸廓外大氣壓之差,是擴(kuò)張或壓縮胸廓、肺臟的總壓力。呼吸系統(tǒng)的壓力梯度5.經(jīng)肺壓 相當(dāng)于肺泡內(nèi)壓與胸膜腔內(nèi)壓之差,是擴(kuò)張或收縮肺的壓力。6.經(jīng)胸壁壓 相當(dāng)于胸膜腔內(nèi)壓與胸廓外大氣壓之差,是擴(kuò)張或收縮胸壁的壓力。7.經(jīng)氣道壓 相當(dāng)于氣道內(nèi)外壓力之差,胸腔內(nèi)氣道的經(jīng)氣道壓,也是胸膜腔內(nèi)壓與氣道內(nèi)壓之差。肺順應(yīng)性概念 物理概念,指單位壓力改變時(shí),所引起的肺容積的變化。是彈性物體的共同特性。肺的彈性E和壓力P、體積V的關(guān)系:E= P V以“順應(yīng)性(C)”表示C=1/EC= =潮氣量(L)/壓力差(kPa)反映呼吸系統(tǒng)的
12、 “軟”、“硬”彈性阻力正常時(shí)占總阻力的70%主要影響因素肺膠原纖維肺泡表面活性物質(zhì)肺容量(P-V曲線)肺順應(yīng)性呼吸器官總順應(yīng)性 正常人體總順應(yīng)性約:0.1L/cmH2O1肺和胸廓總順應(yīng)性=1肺順應(yīng)性+1胸廓順應(yīng)性肺順應(yīng)性臨床上,總順應(yīng)性有三種不同表示方法:靜態(tài)順應(yīng)性反映肺與胸廓的彈性動(dòng)態(tài)順應(yīng)性反映肺與胸廓的彈性外,還 包括克服阻力成分比順應(yīng)性順應(yīng)性(C)/功能殘氣量(FRC) (此值在不同性別和年齡之間大致相同) 影響肺順應(yīng)性的主要因素生理因素:肺容積、性別、年齡、身高、體位、運(yùn)動(dòng)。病理因素: 肺彈性阻力減低時(shí)順應(yīng)性增加:如肺氣腫 肺彈性阻力增加時(shí)順應(yīng)性減小:如肺水腫、炎癥、肺不張,肺間質(zhì)纖
13、維化。 肺外疾患:胸膜疾病、胸壁肌肉疾病、膈肌抬高、肥胖等。 心臟疾患:如二尖瓣狹窄、間隔缺損等。順應(yīng)性下降對(duì)病人的影響增加呼吸功造成通氣血流比失調(diào),引起低氧血癥病人的呼吸表現(xiàn)為淺而快順應(yīng)性增加對(duì)病人的影響病人在潮氣量呼吸時(shí)所需的跨肺壓較小,呼吸功也較小。但同時(shí)也可使小氣道狹窄閉鎖,增加氣道阻力導(dǎo)致肺內(nèi)氣體分布不均,嚴(yán)重限制呼氣流速。等壓點(diǎn)理論等壓點(diǎn)理論等壓點(diǎn)的位置對(duì)于正常人,等壓點(diǎn)的位置主要取決于肺容積。80-70%的肺活量的肺容積水平時(shí),等壓點(diǎn)處于肺葉支氣管;40%肺活量的肺容積水平后等壓點(diǎn)迅速向上游氣道移動(dòng)。25%肺活量水平時(shí),等壓點(diǎn)位于細(xì)支氣管水平。時(shí)間常數(shù)() 任一呼吸系統(tǒng),其容積變
14、化(V)與壓力變化(P)呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系,其函數(shù)特征可以用時(shí)間常數(shù)來(lái)表示: RC 即容積變化(V)與壓力變化(P)的相互關(guān)系取決于阻力和順應(yīng)性時(shí)間常數(shù)()正常肺的時(shí)間常數(shù)為0.2秒。時(shí)間常數(shù)決定氣體在肺內(nèi)的充盈和排空速度。假定潮氣量為1000ml,則在呼氣的0.2秒末,有630ml氣體呼出;在0.4秒末,共有865ml氣體呼出;0.6秒末,共有950ml氣體呼出,幾乎完成了呼氣相。順應(yīng)性和阻力發(fā)生變化,勢(shì)必影響到。100%37%正常COPDVT=0.2=0.9正常肺和COPD患者呼氣相時(shí)間常數(shù)()由于肺部病變的影響,使不同肺區(qū)的充盈和排空速度有所不同。 快肺區(qū)-充盈和排空速度較快的區(qū)域 慢肺區(qū)
15、充盈和排空速度較慢的區(qū)域機(jī)械通氣時(shí)的呼吸力學(xué)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)動(dòng)力監(jiān)測(cè)阻力監(jiān)測(cè)功對(duì)動(dòng)力的監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)所提供的正壓既要保證正壓通氣的療效, 又要防止其負(fù)面影響對(duì)阻力的監(jiān)測(cè)C=R彈= =平臺(tái)壓可以更好地反映肺泡內(nèi)壓R氣道=ttPF氣道峰壓氣道平臺(tái)壓吸氣相呼氣相用以克服氣道阻力(P1)用以克服彈性阻力(P2)對(duì)功的監(jiān)測(cè)W吸氣=PV壓力容量壓力容量壓力容量正常R氣道C機(jī)械通氣時(shí)呼吸力學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)及臨床應(yīng)用呼吸力學(xué)監(jiān)測(cè)的三要素 壓力(pressure,) 氣道開口壓,食道壓,隆突壓 流速(flow,) 容積(volume) 計(jì)算流量對(duì)時(shí)間的積分050100-50-100Flow(L/min)Time常用壓力指標(biāo)氣道
16、峰壓(PD)氣道平臺(tái)壓(Ps)氣道平均壓(Pmean) 內(nèi)源性呼氣末正壓(PEEPi)呼氣末正壓(PEEP)tP氣道峰壓氣道平臺(tái)壓用以克服氣道阻力(P1)用以克服彈性阻力(P2)呼氣末正壓氣道峰壓(PIP)作用:用于克服胸肺粘滯阻力和彈性阻力氣道峰壓(PIP)的影響因素順應(yīng)性潮氣量PEEP氣道和氣管內(nèi)導(dǎo)管阻力吸氣流速氣道峰壓的臨床意義氣道峰壓是設(shè)置壓力報(bào)警限的根據(jù) 設(shè)置值約實(shí)際氣道峰壓之上5-10cmH2O 以不高于45cmH2O為宜氣道峰壓與氣壓傷的關(guān)系氣道峰壓增加的臨床意義不伴有平臺(tái)壓的增加 氣道問(wèn)題伴有平臺(tái)壓的增加 肺實(shí)質(zhì)或間質(zhì)問(wèn)題 或肺含氣狀態(tài)變化平臺(tái)壓(PS)作用:用于克服胸肺彈性阻
17、力。 平臺(tái)壓(PS)的影響因素順應(yīng)性PEEP潮氣量平臺(tái)壓的臨床意義計(jì)算靜態(tài)順應(yīng)性可近似代表肺泡壓的大小肺損傷的關(guān)系較氣道峰壓更為密切臨床嚴(yán)格限制平臺(tái)壓不超過(guò)35 cmH2O平均氣道壓(Pmean)數(shù)個(gè)周期中氣道壓的平均值與影響PIP的因素及吸氣時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)近似于平均肺泡壓其大小與對(duì)心血管系統(tǒng)的影響直接相關(guān)內(nèi)源性呼氣末正壓(PEEPi)在肺的彈性回縮下導(dǎo)致呼氣末肺泡內(nèi)呈正 壓,稱為PEEPi。 PEEPi的存在說(shuō)明存在動(dòng)態(tài)肺過(guò)度充氣(DPH)。PEEPi的影響因素 氣道阻力增加 呼吸系統(tǒng)彈性下降 氣道動(dòng)態(tài)塌陷 通氣量過(guò)大 呼氣時(shí)間不足 呼氣肌的作用PEEPi的類型伴有氣流受限的PEEPi不伴有氣
18、流受限的PEEPiPEEPi的直接生理學(xué)作用肺泡內(nèi)正壓增加肺容積PEEPi的臨床意義 增加呼吸功,導(dǎo)致呼吸肌疲勞,肺泡通氣量 降低 對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的影響 增加肺損傷的危險(xiǎn)性 對(duì)臨床所測(cè)呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性的影響PEEPi的監(jiān)測(cè)方法:間接觀察 胸圍增大 患者呼吸費(fèi)力 心血管功能惡化 呼氣末有持續(xù)呼氣氣流 壓力控制通氣時(shí)潮氣量或每分通氣量下降 容量控制通氣時(shí)氣道壓力升高 胸片顯示局部肺過(guò)度充氣PEEPi的監(jiān)測(cè)方法:直接測(cè)量呼氣末氣道阻斷法同步記錄食道壓力與流速法PEEPi的臨床應(yīng)用降低PEEPi:COPD,哮喘降低氣道阻力減少分鐘通氣量延長(zhǎng)呼氣時(shí)間消除呼氣肌的作用增加PEEPi:ARDS,間質(zhì)性肺病延長(zhǎng)吸氣
19、時(shí)間呼氣末正壓(PEEP)PEEP與CPAP的概念 在呼氣末期將氣道壓力維持在高于大氣壓的水平,稱為呼氣末正壓(positive end expiratory pressure,PEEP) 機(jī)械通氣時(shí)的呼氣末正壓稱為PEEP 自主呼吸時(shí)應(yīng)用呼氣末正壓稱為CPAP呼氣末正壓(PEEP)PEEP的生理學(xué)效應(yīng)1.COPD:減少呼吸功,防止氣道動(dòng)態(tài)塌陷2.哮喘:有爭(zhēng)議3.ARDS:使萎陷肺泡復(fù)張/防止肺泡再萎陷,減少分流,改善V/Q比值和順應(yīng)性呼氣末正壓(PEEP)PEEP=0PEEP=12低位拐點(diǎn)、高位拐點(diǎn)PEEP高于低位拐點(diǎn)2-3cmH2OPIP不超過(guò)高位拐點(diǎn)傳統(tǒng)通氣保護(hù)性通氣胸內(nèi)壓(Ppl)/食
20、道壓(Pes)胸內(nèi)壓與食道壓的關(guān)系食道內(nèi)壓能較好地反映胸內(nèi)壓絕對(duì)值有一定的差別兩者的變化幅度和趨勢(shì)一致測(cè)量方法:食道球囊法食道壓測(cè)定的臨床應(yīng)用反映胸內(nèi)壓反映自主呼吸努力計(jì)算跨膈壓阻力和順應(yīng)性的測(cè)定方法:阻斷法吸氣末阻斷法呼氣末阻斷法氣道阻力計(jì)算公式Raw=(PIP-Ps)/F氣道阻力增加的原因與氣管內(nèi)導(dǎo)管有關(guān)管腔狹小,扭曲,牙齒咬合,痰痂形成 與氣道有關(guān)氣道痙攣,分泌物增加順應(yīng)性計(jì)算公式總靜態(tài)順應(yīng)性(Cst)=VT/(Ps-PEEP-PEEPi)總動(dòng)態(tài)順應(yīng)性(Cdyn)=VT/(PD-PEEP-PEEPi)肺靜態(tài)順應(yīng)性(Clst)= VT/(Ps-Ppl-PEEP-PEEPi)胸壁順應(yīng)性總順應(yīng)
21、性肺順應(yīng)性順應(yīng)性改變?cè)蚍谓┯玻悍嗡[,實(shí)變,纖維化,肺不張胸壁僵硬:脊柱側(cè)彎或其他胸壁畸形,肥胖,腹水或腹脹肺受壓:氣胸、胸腔積液動(dòng)態(tài)肺充氣呼吸力學(xué)曲線(環(huán))推算指標(biāo):順應(yīng)性、呼吸功氣流受限和肺過(guò)度充氣的判斷確定潮氣量和最佳PEEP判斷觸發(fā)靈敏度是否合適人機(jī)協(xié)調(diào)的監(jiān)測(cè)氣道分泌物過(guò)多的判斷支擴(kuò)藥物效果的判斷呼吸機(jī)管道系統(tǒng)密閉性的判斷壓力容積環(huán)(P-V環(huán))靜態(tài)PV環(huán)壓力導(dǎo)致的容積變化只與彈性阻力有關(guān)動(dòng)態(tài)PV環(huán)壓力導(dǎo)致的容積變化與彈性及氣道阻力有關(guān)臨床應(yīng)用 調(diào)節(jié)PEEP:LIP+23 cmH2O 計(jì)算呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性(Crs) 調(diào)節(jié)潮氣量:使氣道壓低于UIP 判斷肺泡復(fù)張的潛在可能性 測(cè)定肺泡復(fù)張容積呼吸功能不全或衰竭的病理生理改變呼吸力學(xué)改變模 式參 數(shù)通 氣 策 略有創(chuàng)通氣無(wú)創(chuàng)通氣以呼吸力學(xué)為核心的機(jī)械通氣以呼吸力學(xué)為核心的機(jī)械通氣COPD急性加重合并呼吸衰竭COPD的病理改變(1)內(nèi)徑2mm的中央氣道內(nèi)徑2mm的外周氣道氣道纖維化和膠原沉積氣道狹窄、氣流
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