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浅谈呼吸机模式 我们知道，正常吸气时肺内压是低于大气压的，是负压通气；而机械通气的原理是正压通气。患者、呼吸机、管路（吸气管路中有吸气阀门，呼气管路中有呼气阀门，二者通过Y型管与患者相连）构成一个无缝的封闭管路系统。在吸气相（也即呼吸机送气）吸气阀门打开，呼气阀门关闭，气体在高于肺内压的压力驱动下进入肺内，这个过程由呼吸机做功完成；在呼气相吸气阀门关闭，呼气阀门打开，靠患者肺和胸廓的弹性回缩力呼出气体，这是个被动的过程，不消耗呼吸功。在整个呼吸过程中，呼吸机真正的作用是把气体送达患者肺内，这只是外呼吸的一部分，尤其是肺通气的一部分，而对肺泡与肺毛细血管之间的气体交换影响相对较小，所以说呼吸机的英语ventilator（通气机）应该更准确。既然呼吸机主要是对患者吸气过程的替代或支持，整个吸气过程（也即呼吸机的送气过程）是我们关注的重点。呼吸机是通过怎样一种方式把气体送到肺内的，这就是呼吸模式（modes，or breath patterns）的问题。确切地说，呼吸模式是呼吸方式与触发机制的组合。呼吸模式有很多，新的模式不断涌现，往往让初学者眼花缭乱，一头雾水，最后却发现在自己的呼吸机上根本就找不着这些模式。有位专家说得很好，之所以出现不同模式，都有是为了更好地解决实际问题，新模式多是些马甲，都是在一些基础模式上小改而成。从本质上理解了基础模式的原理，新的模式并不难。本文主要讨论各种呼吸机都会提供的四个基本模式：A/C模式、PSV模式、SIMV模式和CPAP模式。一、触发和切换既然吸气过程是我们关注的重点，那么吸气过程中以下几个问题是我们最关心的：吸气如何开始？也即呼吸机何时送气？也就是触发的问题。换句话说，吸气过程中几个指标（气道压力、潮气量、气体流速）是如何化的？吸气如何停止？也即吸气如何向呼气转换？也就是切换的问题。回答以上三个问题之前必须先弄明白触发和切换这两个概念。1、触发（Trigger）：可以理解为呼吸机获取指令并启动送气的过程。就如同射击时一旦扣动扳机，就会射出子弹，呼机机一旦触发，就会开始送气的过程。分两种情况来看：（1）时间触发：当患者没有自主呼吸的时候，呼吸机必须根据设置的呼吸频率定期地启动送气。举例来说，如果设置机器呼吸频率为20次/分，那就意味着呼吸机每3秒钟（60s/20=3s）开放吸气阀、启动送气1次，即触发1次。由于患者完全没有自主呼吸，送气由呼吸机完全按照时间指令来启动，因此称为时间触发。（2）同步触发：当患者有自主呼吸的时候，如果吸气力量足够，吸气时就会引起气道内（或者说管路内）压力或流量的变化，呼吸机会主动探测这些信号。一旦发现这种信号，呼吸机立即开放吸气阀，开始送气，以达到与患者吸气动作相同步，因此称为同步触发。这些信号的变化达到什么强度或程度呼吸机就开始送气呢？这就是触发灵敏度（trigger sensitivity）。也即患者自主吸气努力引起气道压力下降或流量达到或流量差达到的临界值。每达到或超过一次该值，呼吸机就会启动一次送气过程。触发灵敏度是呼吸机维持与患者自主呼吸同步的一项重要功能。呼吸机在同步触发时所探测的触发信号有两种，一种是压力信号，称为压力触发（Pressure Trigger）；二是流量信号，称为流量触发（Flow Trigger）。首先看压力触发。机械通气时吸气管路中有吸气阀门，呼气管路中有呼气阀门，二者通过Y型管与患者相连，形成一个无缝连接的封闭管路。呼气末时吸气阀和呼气阀都处于关闭状态，如果患者做吸气动作，呼吸机管路内压力就会降低，当这种压力降低到触发灵敏度设定的阈值时，就会触发呼吸机，开放吸气阀，开始送气。再看流量触发。在呼气末，吸气阀和呼气阀并非完全关闭，而是由一股连续气流从吸气阀送出，经过呼吸管路后，从呼气阀排出。这股持续气流就叫做基础气流（base flow）。如果患者吸气，呼气阀排出的气流就会比吸气阀送出的气流有所降低，减少的幅度达到触发阈值时，呼吸机被触发，在完全开放吸气阀的同时关闭呼气阀，送气开始。一般来说，基础气流的值至少要比流量触发值高0.5升/分，否则在患者触发呼吸机时会掺杂压力触发的成分在内。大多数呼吸机提供压力触发和流量触发供选择。灵敏度过高时呼吸机活瓣的反应时间短，可减少患者的呼吸功，但灵敏度设置过高易起误触发和自动切换（autocycling）；若触发灵敏度过低，则增加患者的呼吸功，甚至不能同步触发。恰当的吸气触发灵敏度为-2-3cmH2O，或25L/min。基础气流的形成过程：吸气开始，呼气阀关闭，吸气阀口径会变大以输出足够的流量，气体送达患者肺内；转入呼气相时，呼气阀打开，吸气阀会改变口径，由于呼气阀端阻力远远小于吸气阀端，所以呼出气从呼气阀排出，此时吸气阀没有完全关闭，吸气端流量会一直降到基础气流值为止。因此，在整个呼吸周期，吸气阀没有彻底关闭过，只要有基础流量存在，吸气阀就一直开放。如果患者不吸气，吸气阀送出的气流量就等于从呼气阀排出的气流量，都等于基础气流量。有时在呼吸机上看到的流量降到0，其实此时并不是真的没有流量，只是呼吸机将基础流量值设为基线值，表示为0，就如同我们在呼吸机上看到压力降到0的时候，那是把大气压作为基线值一样。2、切换（Cycle）呼吸机送气不可能无休无止，当送气达到一定程度或满足要求时就会转至呼气过程。切换就是由吸气相转换为呼气相的过程。我的理解是：呼吸机获取指令，调整管路阀门，终止送气，允许患者呼气的过程。吸呼切换的依据包括时间、容量、流量以及压力。（1）时间切换：设定吸气时间，呼吸机送气达到设定的吸气时间就会发生切换。如设定吸气时间为1秒，则吸气阀打开送气，持续至1秒钟时终止送气，转入呼气相（允许患者呼气）。（2）容量切换：通过设定送气容量（吸气潮气量）来实现，呼吸机送气达到设定的容量就会发生切换。早期的容量控制型呼吸机以及现代呼吸机的容量控制送气方式均采用容量切换方式。（3）压力切换：实际上是一种保护性的切换方式。预先设置一定的气道压力限值，一旦气路内压力达到该预设值，即会发生切换，不管是否达到设定的吸气时间或送气容量。如高压报警设置，一旦监测的气道压力值达到报警线，即强制发生切换，中止送气，同时呼吸阀开放，以保证患者安全。（4）流量切换（或流速切换）：呼吸机以预设压力的方式送气时，起始流量很高（峰流量），管路内压力达到预设压力时，为了保证管路压力不会超出设定压力，流量必然逐渐降低。当流量降低到某一数值时，即关闭吸气阀、开放呼气阀，完成切换，即称为流量切换。通常以峰流量的某个百分比值作为流量切换的量化指标。一般情况下，多采用峰流量的5%-25%，作为流量切换的指标。二、通气模式-A/C模式现在回到呼吸模式的讨论。首先看第一个模式：辅助控制通气模式（Assist Control Ventilation，A/C）。这是最最基本的模式。A/C模式包含A/C-Volume Control（定容A/C）和A/C-Pressure Control（定压A/C）两种。1、定容A/C顾名思义，定容，即是固定潮气量，每次通气时呼吸机都会按照预先设定的潮气量送气。比如，预设潮气量为500ml，呼吸机就会将500ml作为送气的目标，达到目标后，转换为呼气。定容A/C下，一旦启动送气，则送气过程完全由呼吸机控制，患者只能被动的接受，直到将预定的潮气量送到患者肺内，所以这是一个完全由呼吸机控制的强制通气的过程（Mandatory Breath），除了设定潮气量以外还要告诉呼吸机每分钟给几次通气，每次送气的时间是多少，以什么样的流速送气。即呼吸频率f，送气时间和流速。以流速波形方波通气为例，送气流速是恒定的，所以设定了潮气量（Vt）和流速（V峰），送气时间也就固定了。而设置面板上的吸气时间也是可以设定的，这主要是为了设置吸气末暂停用的。吸气末暂停时间=设定的吸气时间（Ti）-Vt/V峰。吸气如何开始？要分两种情况看：（1）当患者完全没有自主呼吸时为时间触发，呼吸机必须根据设置的通气频率f定期地启动送气，因此这是一个由呼吸机启动的强制通气（Ventilator-Initiated Mandatory Breath，VIMB）。（2）如果患者有自主吸气努力，则由患者触发，也就是同步触发（压力触发和/或流量触发），这是一个由患者启动的强制通气（Patient-Initiated Mandatory Breath，PIMB）。压力触发也好，流量触发也好，一旦送气过程开始，整个送气过程完全由呼吸机控制，VIMB和PIMB的送气过程是完全一样的。吸气如何进行？流速的变化：流速波形是可以设定的，如方波或减速波（只有在容量控制通气时才需要设定流速）。如流速波形为经典的方波时，吸气流速是恒定的，flow = Vt/Ti。压力的变化：由于肺和胸廓具有弹性，当气体以恒定的流速（以方波为例）送入肺内时，呼吸机管路和气道压力就不可能固定，也就是说气道压力是变化的，随着吸气的进行，气道压力逐渐升高，到送气结束时达到最高点。减速波通气时气道压力变化相对缓和一些，相同Vt下气道峰压较方波低，可以减少峰压对肺组织的伤害。若设置吸气末暂停时间（又称吸气末正压时间），则有平台压（压力平台），它在临床上的实际意义是：当呼吸机给患者按照预先设定的潮气量进行送气停止后的一段时间内，呼气阀不立即打开，而是继续保持关闭状态，使吸入的气体在患者肺内停留，同时维持气道内正压的继续存在。其目的主要是改善气体在肺内的分布，促进肺泡中氧向血液弥散，减少无效腔通气。如果吸气末正压时间过长，会使平均气道内压增加，加重心脏循环负担。吸气如何停止？由于吸气过程（送气过程）完全由呼吸机控制，吸呼转换主要是时间切换，即达到预定的吸气时间，呼气阀开放，允许患者呼气。如果没有吸气末暂停时间，则吸气时间=送气时间，若设吸气末暂停时间，则吸气时间=送气时间+吸气末暂停时间。一旦气道峰压超过设定的报警压力限值，则不管是否达到设定的吸气时间，也不管是否送达了设定的潮气量，机器立即打开呼气阀，强制切换（压力切换），以免气道损伤。2、定压A/C：A/C-Pressure Control顾名思义，定压，即是固定吸气压力，每次通气时呼吸机都会按照预先设定的吸气压力送气。呼吸机触发后会提供很高的初始气流，在很短的时间内使气道内压力达到预设水平，为维持压力的恒定，通过反馈系统使输出气流减慢，维持这一压力至吸气时间结束，转换为呼气。像容控A/C一样，一旦启动送气，则送气过程完全由呼吸机控制，患者只能被动的接受，也是一个完全由呼吸机控制的强制通气的过程（Mandatory Breath）。当然，除了设定吸气压力Pinsp以外，还要告诉呼吸机每分钟给几次通气（呼吸频率f），多长时间到达预定的压力水平，即压力上升时间。压力上升时间不等于吸气时间，它只占吸气时间的一部分，通常为100-500ms。吸气如何开始？与定容A/C一样，当患者完全没有自主呼吸时为时间触发，当患者有自主吸气努力时由患者同步触发（压力触发和/或流量触发），不再赘述。吸气如何进行？压力的变化：维持恒定的吸气压力至设定的时间（吸气时间Ti）。因此，定压A/C下吸气峰压与平台压是相等的，都等于预设的吸气压力。吸气压力的设定：吸气压力的常用范围为15-30cmH2O，但是面对具体患者时，如何确定具体值呢？a）潮气量观察法：由设置较低吸气压力（如1015cmH2O）开始，观察监测到的潮气量水平，调节吸气压力直到满足所要求的潮气量；b）平台压测量法：先按照需要的潮气量进行容量控制通气，同时采用吸气末暂停操作测定平台压，所测得的平台压数值可以作为吸气压力的初始设定值。流速的变化：与定容不同，定压A/C下流速波形无法设定。吸气开始后，呼吸机会提供很高的初始气流，在很短的时间内使气道内压力达到预设水平。如果初始流量超过患者的需要，初始压力就会超过设置水平；如果初始流量低于患者的需要，压力的上升会非常缓慢。在压力达到预设水平后，为维持压力的恒定，其流速随着吸气时间的继续呈指数下降（指数减速波），直至吸气时间Ti结束。流速下降的速度取决于预设压力水平、患者的阻力和顺应性。如果延长吸气时间，流速会继续降低，甚至会出现流量降低为0的状况。在这样的情况下，相当于吸气末暂停（或称为吸气屏气）。如果每次呼吸都出现吸气屏气，患者有自主呼吸时可能会出现人机不同步。潮气量的变化：潮气量等于流量曲线下面积。受系统顺应性和粘性阻力以及吸气时间的影响，吸气潮气量较难保持恒定。因此通气过程中应密切监测潮气量的变化。吸气如何停止？由于吸气过程完全由呼吸机控制，吸呼转换主要是时间切换，即达到预定的吸气时间，呼气阀开放，允许患者呼气。定压A/C设置相对简单，不用设吸气末暂停时间（可通过延长吸气时间或改变吸呼比来实现，因同时受到患者本身因素的影响，吸气末暂停时间不固定）。一旦气道峰压超过设定的报警压力限值，则不管是否达到设定的吸气时间，机器立即打开呼气阀，强制切换到呼气相（压力切换），以免气道损伤。3、总结：A/C模式一般应用于没有自主呼吸或者自主呼吸能力极弱的患者。它虽然允许患者有自主呼吸的存在，然而患者的吸气努力仅仅是触发呼吸机而已。不管是时间触发还是患者同步触发呼吸机，整个送气过程是完全一样的，都是完全由机器控制的强制通气，患者只能被动地接受。用一句概括：苍白的民主，绝对的专制！A/C模式下需要设置呼吸机的通气频率，即设定f值。所设定的f值实际上是当患者完全没有自主呼吸时的最低通气频率，以保证实际呼吸频率不会低于设定的机械通气频率。如果患者自主吸气努力触发一次强制通气，之后的呼吸周期将以这次通气为起点按照设定的f重新计算，当患者自主吸气努力的频率高于设定的f时，每次吸气努力都会在下一周期到来之前触发呼吸机，所以A/C模式下如果呼吸机监测显示实际呼吸频率高于设定f时，那么实际上都是PIMB。如果自主呼吸频率低于设定的f时，那么实际频率就是f，自主呼吸将被全部抑制掉。三、通气模式-PSV模式再来看第二个模式：压力支持通气（Pressure Support Ventilation，PSV）。PSV是指患者自主呼吸时，开始吸气后呼吸机即提供预设气道正压，以帮助患者克服吸气阻力和扩张肺脏。当吸气流速降至最高吸气流速（Peak Inspiratory Flow，PIF）的某一百分比时，呼吸机终止送气，允许患者呼气。PSV最重要的特点就是能较好地与患者的吸气流速相配合，从而减少患者所作的呼吸功。1、吸气如何开始？PSV模式是自主呼吸下的一种支持模式，毫无疑问，肯定是由患者同步触发。患者吸气努力达到触发阈值（压力触发或流量触发），触发后送气活瓣开放（往往有50200ms的延迟），呼吸机开始送气，吸气开始。2、吸气如何进行？压力的变化：触发后呼吸机提供高速气流，使气道压很快达到预置的辅助压力水平以克服吸气阻力和扩张肺脏，并在吸气过程中维持此压力。与之密切相关的参数就是压力支持水平和压力上升时间。压力支持水平：常用的PS水平为530cmH2O，某些呼吸机甚至可提供高达70100cmH2O的PS。选用PS的高低取决于患者的通气需要、自主呼吸能力、气道阻力和肺顺应性。通常调整PS使潮气量达到810ml/kg，呼吸频率1525次/min，并观察患者有无呼吸困难的体征，及时调整PS。过高的PS可导致通气过度和呼吸暂停，过低的PS则会引起患者呼吸困难和呼吸肌疲劳，导致CO2潴留和低O2血症。压力上升时间（rise time）：是指呼吸机辅助压力由低水平（基线水平，即0或CPAP/PEEP）上升到预设水平所需的时间。设定时间短，起始流速大，反映压力波形就陡直，设定时间长，起始流速就小，反映压力波形就平缓。过高的气流可产生过高的平均气道压（MAP），患者可能难以耐受；起始流速小虽不致于使顺应性好的肺泡单位快速膨胀而与顺应性差的肺泡单位之间产生剪切力（shear force），但有时患者会感到气短。因此只能通过观察患者通气舒适度，才能调出最佳的上升时间。流速的变化：开始吸气后呼吸机会提供高速气流，使气道压很快达到预置的辅助压力水平，以帮助患者克服吸气阻力和扩张肺脏。在压力达到预设水平后，为维持压力的恒定，其流速随着吸气时间的继续呈指数下降（指数减速波）。当流速降至最高吸气流速（Peak Inspiratory Flow，PIF）的某一百分比时，呼吸机终止送气，允许患者呼气。潮气量的变化：PSV最大的不足就是潮气量不稳定。潮气量不仅与PSV压力水平有关，还与肺顺应性、气道阻力、患者吸气力量、人机协调性等因素有关。因此，对自主呼吸能力较差或呼吸节律不稳定者，易发生触发失败和通气不足，应持续监测潮气量。3、吸气如何停止？当吸气进行到一定程度，达到某一临界值，呼吸机停止送气，允许患者呼气。主要是流速切换。PSV时呼吸机提供的初始流速很高，并随着送气的进行逐渐下降，大多数呼吸机在吸入流速降低到峰值流速的2025%时或实际流速为5L/分时，呼吸机停止送气。这个流速临界值即是呼气触发灵敏度（Expiratory Trigger Sensitivity，ETS or Esens）。以往的呼吸机Esens由厂家设定，临床医师无法改变。固定的Esens可能会产生一些不良后果，如在呼吸机停止送气后患者仍存在吸气时就会增加吸气肌肉的负荷，而在有泄漏存在时，患者终止吸气时呼吸机却仍在继续送气，造成不必要的呼气做功并导致人机不同步。目前已有多种呼吸机的呼气灵敏度可供临床医师自行设定，不同品牌的呼吸机设定也不一样。除了流速切换以外，当出现以下几种情况之中的某一种或一种以上时，PSV亦由吸气转为呼气。（1）吸气压力超过CPAP/PEEP+PS以上13cmH2O时（因呼吸机而异）；（2）吸气时间超过最大允许吸气时间；（3）实际潮气量超过最大允许值。4、总结优点：（1）患者完全自主呼吸，可根据PaCO2的高低自行决定吸气流速方式、呼吸深度、吸气时间和呼气时间，舒适性好，人机对抗少。（2）Vt的大小取决于PS水平的高低和自主吸气的强度。PS20cmH2O时，Vt多由患者自主获得；PS越大，潮气量就越大，相应的呼吸频率就越低；PS30cmH2O时，Vt多由呼吸机提供。（3）PSV能有效克服呼吸机管路产生的阻力，减少患者额外做功，有利于呼吸肌疲劳的恢复。（4）PS为512cmH2O时呼吸机做功可完全克服气管插管和按需阀附加的阻力，PS越大，患者做功越少，呼吸机做功越多。通过调节PSV压力支持水平，患者完全可以不做功，也可逐渐增加做功水平，有利于呼吸肌锻炼。（5）有助于撤机困难的患者尽早撤机。缺点：PSV最大的不足就是潮气量不稳定。另外，压力支持水平设置不当，可发生通气不足或过度。四、通气模式-SIMV模式理解了A/C模式和PSV模式，就很好理解SIMV模式，即同步间歇指令通气（Synchronous Intermittent Mandatory Ventilation，SIMV）。从理论上来讲，SIMV模式并不是一个独立模式，它相当于A/C模式与自主呼吸/PSV的混合呼吸模式。SIMV模式间断（或者表述为“间歇地”）地给予强制通气（指令通气，VIMB or PIMB），以保证患者有一个最低的通气支持，并且强制通气能够与患者的自主呼吸同步，较好地改善人机关系。在两次强制通的间歇期，允许患者“自由呼吸”，使得患者的呼吸肌得到锻炼和维持，并能自我调节酸碱失衡状态。A/C在患者没有自主呼吸时，SIMV=A/C，患者获得的都是VIMB。患者有自主呼吸时，SIMV相当于A/CPSV。触发窗是SIMV最具特色的地方。由于这个触发窗的存在，一定程度上减少了两种不同呼吸形态（强制通气和支持通气）并存时给患者带来的困扰，改善了人机关系。试着表述一下SIMV的原理：设定呼吸机的通气频率f，则每个SIMV周期=60s/f，呼吸机会将每个SIMV周期按一定比例分成2部分，前半部分为触发窗，后半部分为自主呼吸窗。在不同品牌和型号的呼吸机上触发窗和自主呼吸窗所占的比例有所不同。在触发窗内，呼吸机会探测患者有没有自主呼吸，如查探测不到患者的自主吸气努力，就会在触发窗结束时启动一次VIMB，也就是一次由时间触发的强制通气；如果在触发窗内呼吸机探测到患者有自主吸气努力，就会启动一次PIMB，即由患者同步触发（压力或流量）的强制通气。如果患者自主呼吸的频率比较快，在一个触发窗内有多次触发，呼吸机仅在第一次触发时给予强制通气（PIMB），触发窗内的再次触发就属于自主呼吸或仅给予一定的支持（PSV）。在自主呼吸窗口内，允许患者自由地呼吸，如果设定了PS，则自主窗口内的每次通气都是由患者同步触发的，都是PSV，如果在自主窗口内患者没有自主吸气努力（或没有自主呼吸），则此窗口内是没有通气的。 因此，SIMV实际上是A/C模式和PSV的巧妙的混合模式。SIMV模式下需要设置呼吸机的通气频率，即设定f值。所设定的f值实际上是当患者完全没有自主呼吸时的最低通气频率，以保证实际呼吸频率不会低于设定的机械通气频率。与A/C模式不同的是SIMV周期不存在重新计算的问题，患者的自主呼吸对之后的SIMV周期没有影响。现在再回到先前提出的三个问题：1、吸气如何开始？2、吸气如何进行？吸气如何结束？SIMV模式下触发窗内的第一次通气过程同于A/C模式，即VIMB或者PIMB，都是强制通气。可以是容控，也可以是压控，其参数设置同于A/C，不再赘述。一个SIMV周期内的其它通气都是PSV，不再赘述。五、通气模式-CPAPCPAP是持续气道正压（continuous positive airway pressure），是患者自主呼吸时气道内（不管是吸气相还是呼气相）始终维持一定的正压水平（高于大气压）。CPAP可通过两种系统来实施：（1）按需阀系统：大多数呼吸机使用这种系统。患者自主呼吸触发按需流量阀（Demand-flow valve）开放（压力触发或流量触发），提供可以满足通气需要的高速气流，流速一般为120L/min以上且能根据患者的需要增加或减少，以保持管路内的压力在预设的CPAP水平。吸气时，呼气活瓣关闭，通过感知管降低隔膜上腔的压力，隔膜上移幅度大，供气流增加；呼气时，隔膜上腔压力增加，隔膜下移，关闭吸入气流；呼出气从呼气活瓣排出，并保留PEEP值。按需阀的优点是呼吸机可监测患者自主呼吸的潮气量和气道压力，缺点是增加患者的呼吸功。（2）恒流系统：经过特殊设计的CPAP装置使呼吸环路中持续存在高流速压缩气体（恒流系统），配合呼气端呼气阻力系统产生CPAP。空气和氧气混合后经流量表注入一个呼吸囊内。吸气时，吸气活瓣开放，吸入气经过热加湿器进入肺内；呼气时，呼出气从带有PEEP阀的呼气活瓣排出。呼吸机对呼吸环路中的吸气流量和呼气流量不断进行测定和比较，两者的差别可提示患者正处于吸气或呼气过程，从而调整供气流速。负荷弹簧阀的压力稍高于CPAP压力，以排出多余的呼吸囊内气体。该系统能明显降低患者呼吸功，但往往缺乏监测。CPAP能保持气道内正压，增加功能残气量，使闭陷的肺泡开放，减少分流，改善氧合。1、吸气如何开始？患者的主动吸气努力，同步触发（压力或流量触发）呼吸机，与PSV模式一样。2、吸气如何进行