濕化高流量鼻導(dǎo)管通氣氧合機(jī)制的研究現(xiàn)狀

歐陽(yáng)利華, 彭書崚△, 黃文起

1中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院麻醉科(廣東廣州 510120)； 2中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院麻醉科(廣東廣州 510080)

氧氣是哺乳動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞的主要“燃料”，人體血液循環(huán)內(nèi)安全范圍的氧氣水平對(duì)維持正常生命活動(dòng)至關(guān)重要[1]。低氧血癥，尤其嚴(yán)重低氧血癥可導(dǎo)致器官功能衰竭、甚至死亡，而氧氣治療(氧療)可糾正低氧血癥、保護(hù)器官功能、促進(jìn)機(jī)體康復(fù)。氧療是指使用高于空氣氧體積分?jǐn)?shù)的氣體對(duì)患者進(jìn)行治療[2]。氧氣在18世紀(jì)70年代被Lavoisier、Scheele和Priestley發(fā)現(xiàn)后[3-4]，其迅速被用于對(duì)人體和動(dòng)物的治療嘗試。最初，吸入氧氣治療方式還不被人們認(rèn)識(shí)，有效的氧療方式還不清楚，多種氧療方式先后被試驗(yàn)，包括直腸、靜脈內(nèi)、腹腔內(nèi)、皮下注入氧氣等現(xiàn)在看來(lái)匪夷所思的辦法都被嘗試過(guò)[5]。經(jīng)過(guò)兩百多年的發(fā)展，鼻導(dǎo)管氧療、面罩氧療、無(wú)創(chuàng)正壓通氣氧療、機(jī)械通氣氧療、濕化高流量鼻導(dǎo)管通氣(humidified high flow nasal cannula，HFNC)等多種氧療方式應(yīng)用于臨床。其中HFNC是近10來(lái)年才發(fā)展起來(lái)的一種新的氧療方式。在國(guó)外，HFNC于 2007年開(kāi)始比較廣泛應(yīng)用于成人[6]。我國(guó)內(nèi)地報(bào)道顯示HFNC于2010年開(kāi)始應(yīng)用[7]。HFNC擁有其特有的一些優(yōu)勢(shì)，在這短短的10來(lái)年，其在臨床中得以廣泛應(yīng)用，特別是在呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科、麻醉科等學(xué)科得以廣泛應(yīng)用。下面我們就HFNC通氣氧合機(jī)制、臨床應(yīng)用和國(guó)內(nèi)優(yōu)秀產(chǎn)品進(jìn)行一一介紹。

1 HFNC定義及其通氣氧合機(jī)制

中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)呼吸危重癥醫(yī)學(xué)學(xué)組和中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)呼吸醫(yī)師分會(huì)危重癥醫(yī)學(xué)工作委員會(huì)于2019年發(fā)布的《成人經(jīng)鼻高流量濕化氧療臨床規(guī)范應(yīng)用專家共識(shí)》[8]，將HFNC定義為一種通過(guò)高流量鼻塞持續(xù)為患者提供可以調(diào)控并相對(duì)恒定吸氧濃度(21%～100%)、溫度(31～37℃)和濕度的高流量(8～80 L/min)吸入氣體的治療方式。HFNC設(shè)備由空氧混合裝置、加溫加濕裝置、呼吸連接管路以及高流量鼻塞接頭4個(gè)部分組成[9]。其中空氧混合裝置根據(jù)設(shè)定的氧濃度將氧氣和空氣進(jìn)行混合，混合后通過(guò)渦輪加速產(chǎn)生高流速氣流；加溫加濕裝置對(duì)通過(guò)氣流按照設(shè)定的溫度濕度進(jìn)行加溫加濕，然后經(jīng)過(guò)呼吸連接管路、鼻塞接頭將這些恒溫恒濕的空氧混合氣體以恒速的方式輸出到患者，發(fā)揮氧療作用。HFNC作為一種新的氧療方式，具有獨(dú)特的通氣氧合機(jī)制。自主呼吸是人體自然狀態(tài)下的生理呼吸，而機(jī)械通氣氧療是嚴(yán)重呼吸衰竭患者呼吸支持的辦法，在介紹HFNC通氣氧合機(jī)制前，我們有必要了解下自主呼吸機(jī)制和機(jī)械通氣的發(fā)展歷程。

自主呼吸狀態(tài)下，人體吸氣時(shí)吸氣肌(主要是膈肌和肋間外肌)收縮，其中膈肌收縮引起膈穹窿下降、胸腔上下徑增大，肋間外肌收縮引起胸骨、下位肋骨上提以及肋骨下緣向外偏轉(zhuǎn)，從而引起胸腔前后、左右徑增大。而胸腔前后、左右及上下徑增大會(huì)使肺內(nèi)壓力降低，當(dāng)肺內(nèi)壓低于大氣壓時(shí)氣體沿著呼吸道進(jìn)入肺內(nèi)，引起吸氣運(yùn)動(dòng)。反之，在平靜呼吸時(shí)，吸氣肌的被動(dòng)舒張即可引起肺內(nèi)壓升高，在大于大氣壓時(shí)產(chǎn)生呼氣運(yùn)動(dòng)。可以看到，平靜呼吸時(shí)，吸氣是主動(dòng)的，而呼氣是被動(dòng)完成的。假設(shè)大氣壓為0，在吸氣時(shí)肺內(nèi)壓是為負(fù)值，因此自主呼吸是負(fù)壓通氣。從本質(zhì)上看，肺內(nèi)壓與大氣壓的壓力差是通氣的直接動(dòng)力，而呼吸肌的收縮運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生這個(gè)壓力差的根源。

與自主呼吸不同，現(xiàn)在絕大部分機(jī)械通氣是正壓通氣，吸氣時(shí)靠正壓驅(qū)動(dòng)氣體進(jìn)入肺內(nèi)。早在1543年，解剖學(xué)創(chuàng)始人Andreas Vesalius在豬身上成功進(jìn)行氣管切開(kāi)并置入氣管內(nèi)插管，從而開(kāi)創(chuàng)人工氣道建立之先河，也證實(shí)了氣管內(nèi)插管施以正壓能使動(dòng)物的肺膨脹[10]。在1667年，Robert Hooke在狗身上成功重復(fù)了這一技術(shù)，并首次使用風(fēng)箱技術(shù)進(jìn)行了正壓通氣[11]。19世紀(jì)初，風(fēng)箱正壓通氣技術(shù)在歐洲被用于溺水患者的救治；但是當(dāng)時(shí)這一正壓通氣技術(shù)過(guò)于粗糙而且經(jīng)驗(yàn)不足，致使發(fā)生許多并發(fā)癥、甚至死亡[12]。體外負(fù)壓通氣技術(shù)在19世紀(jì)應(yīng)運(yùn)而生[10]。它主要有兩種方式，一種是“鐵肺”負(fù)壓通氣，它將患者頸部以下軀體密封于硬質(zhì)箱內(nèi)，用電泵使箱內(nèi)壓力周期性低于大氣壓從而形成負(fù)壓通氣。1876年推出第一個(gè)切實(shí)可行的“鐵肺”[10]，但它其實(shí)在1928年因成功搶救一位因?yàn)榧顾杌屹|(zhì)炎呼吸衰竭而昏迷的女孩，才被現(xiàn)場(chǎng)一位不知名的記者稱為“鐵肺”[12]。還有一種是胸甲式負(fù)壓通氣，它只將胸部密封，同樣用電泵使胸甲內(nèi)壓力周期性低于大氣壓而形成負(fù)壓通氣。20世紀(jì)50年代是機(jī)械通氣的一個(gè)分水嶺，1952年脊髓灰質(zhì)炎在丹麥哥本哈根爆發(fā)流行，當(dāng)時(shí)因脊髓灰質(zhì)炎呼吸衰竭而接受負(fù)壓機(jī)械通氣治療患者病死率超過(guò)80%；麻醉醫(yī)生Ibsen意識(shí)到患者死亡與呼吸衰竭相關(guān)，建議行氣管切開(kāi)術(shù)和正壓機(jī)械通氣，隨著正壓機(jī)械通氣的使用，脊髓灰質(zhì)炎呼吸衰竭患者病死率從超過(guò)80%降到40%[13]。此前很長(zhǎng)一段時(shí)間正壓通氣只應(yīng)用于手術(shù)室麻醉手術(shù)過(guò)程，而負(fù)壓通氣廣泛應(yīng)用于臨床，正是20世紀(jì)50年代脊髓灰質(zhì)炎的流行促使機(jī)械通氣從負(fù)壓通氣向正壓通氣過(guò)渡，從此正壓機(jī)械通氣在臨床上廣為應(yīng)用[14]?，F(xiàn)“鐵肺”已基本消失，極少數(shù)國(guó)外醫(yī)院仍存在胸甲式負(fù)壓通氣。

上面我們介紹了自主呼吸機(jī)制和機(jī)械通氣的發(fā)展歷程，接著我們將詳細(xì)介紹HFNC通氣氧合機(jī)制。

1.1 HFNC能提供恒定吸入氧濃度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛細(xì)血管氧分壓差 傳統(tǒng)鼻導(dǎo)管氧療提供氧流量一般低于患者吸氣流量，因此其吸入氧濃度除與輸出氧流量相關(guān)，還受患者潮氣量、呼吸頻率、吸氣流速等影響[15]。而HFNC提供的氣體流量可高達(dá)80 L/min，大于患者吸氣峰流量，不需額外吸入空氣，可保證患者吸入氧濃度即為HFNC鼻塞接頭輸出氣體氧濃度。Wagstaff等[16]在模型上的研究也證實(shí)高流量氣體吸入氧濃度不因呼吸頻率、潮氣量變化而改變。因此，HFNC能提供恒定吸入氧濃度(21%～100%)。物理學(xué)知識(shí)告訴我們，氣體分子運(yùn)動(dòng)雖然是無(wú)定向的，但是總體效應(yīng)是從分壓高處往分壓低處擴(kuò)散，分壓差是氣體擴(kuò)散的動(dòng)力，壓差越大，擴(kuò)散越快。而在吸空氣情況下，肺泡氧分壓會(huì)低于空氣氧分壓，而肺毛細(xì)血管血液氧分壓又低于肺泡氧分壓，氣體從分壓高處往分壓低處擴(kuò)散，這就是肺換氣、氧合的原理。尤其HFNC甚至可提供100%濃度氧氣，同時(shí)高流量的氣體可沖進(jìn)氣道更終末端，可大大提高上呼吸道、肺泡氧分壓，從而有助于和肺毛細(xì)血管血液進(jìn)行氧氣交換，提高機(jī)體氧合。Enghoff等[17]于1951年發(fā)現(xiàn)人體存在彌散性呼吸，即人體哪怕沒(méi)有自主呼吸也沒(méi)進(jìn)行人工呼吸，只要存在充分的血液循環(huán)，同時(shí)有高濃度氧氣通過(guò)通暢的氣道供應(yīng)到肺，那么人體在短時(shí)間內(nèi)是可以攝取足夠氧氣而不存在缺氧。而HFNC恰恰能給終末氣道提供高濃度氧氣。

1.2 HFNC能產(chǎn)生呼氣末正壓(PEEP) 研究表明，HFNC提供的高流量氣流對(duì)氣道的持續(xù)沖刷能產(chǎn)生一定水平的PEEP。而PEEP能使塌陷的肺泡復(fù)張，維持肺泡開(kāi)放，促進(jìn)均勻通氣，從而改善通氣、氧合[18]。Corley等[19]的研究發(fā)現(xiàn)HFNC通過(guò)PEEP作用增加患者的呼氣末肺容積和肺活量，改善患者氧合。Parke 等[20]的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)鼻的高流量氧療能產(chǎn)生一定程度的氣道正壓，氣道壓力和氣體流量有關(guān)，流量越大氣道壓力越高，當(dāng)氣體流量分別為30、40、50 L/min時(shí)平均氣道壓力分別為(1.5±0.6)、(2.2±0.8)、(3.1±1.2)cmH2O。Groves等[21]的研究發(fā)現(xiàn)HFNC氣體流量每增加10 L/min，患者咽喉部的PEEP就增加0.5～1 cmH2O；閉口經(jīng)鼻呼吸下，當(dāng)氣體流量增加到60 L/min 時(shí)，可在男性咽喉部產(chǎn)生約5.4 cmH2O的PEEP，而在女性可產(chǎn)生約8.7 cmH2O的PEEP；張口呼吸情況下，男性PEEP約為2.6 cmH2O，女性PEEP約為3.1 cmH2O。Nielsen等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)，HFNC產(chǎn)生的PEEP在張口時(shí)下降接近50%。Milesi等[23]在6月齡以內(nèi)嬰幼兒的研究也發(fā)現(xiàn)HFNC能產(chǎn)生持續(xù)氣道正壓和PEEP，≥6 L/min的氣體流量即可產(chǎn)生持續(xù)咽部氣道正壓，而7 L/min的氣體流量可產(chǎn)生4 cmH2O的平均氣道壓力和6.5 cmH2O的PEEP。因此我們可以看到，HFNC能提供流量依賴的氣道正壓和PEEP，促使塌陷肺泡復(fù)張、維持肺泡開(kāi)放，有助于改善通氣、氧合。但是我們要注意到，張口呼吸情況下，HFNC提供的高流量氣體會(huì)從口漏出，導(dǎo)致氣道正壓和PEEP大打折扣，從而影響氧療效果。

1.3 HFNC沖刷上呼吸道無(wú)效腔、變相減少無(wú)效腔 HFNC可提供高流量、高濃度氧氣，高流量的氣體可沖刷患者鼻腔、口腔、咽部，甚至氣管，為這些解剖無(wú)效腔提供高濃度氧氣的同時(shí)減少上一次呼氣相呼出的二氧化碳，從而減少下一次吸氣相吸入的二氧化碳含量。Moller等[24]的研究發(fā)現(xiàn)HFNC能清除上呼吸道氣體，而且HFNC提供的氣體流速每增加1 L/min，上呼吸道氣體清除就快1.8 mL/s，從而減少呼吸無(wú)效腔。Biselli等[25]在睡眠患者的研究發(fā)現(xiàn)，HFNC能減少無(wú)效腔通氣量、降低無(wú)效通氣比例。Frizzola 等[26]在豬的研究發(fā)現(xiàn)，隨著HFNC治療，豬的動(dòng)脈血二氧化碳分壓降低、氧分壓升高，且具有流量依賴性。Moller等[27]的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，HFNC清除上氣道呼出氣體的能力和其流量及佩戴時(shí)間相關(guān)，同時(shí)沖刷無(wú)效腔可以減少無(wú)效腔量和增加肺泡通氣量，從而增加肺泡通氣和氣體交換。因此，HFNC具有沖刷上呼吸道無(wú)效腔、變相減少無(wú)效腔作用，從而改善機(jī)體氧合和降低二氧化碳分壓。

1.4 HFNC能減少吸氣阻力和呼吸功 生理學(xué)知識(shí)告訴我們，鼻咽腔對(duì)吸入氣體有濕化、溫化及過(guò)濾清潔作用，但是在人體平靜呼吸時(shí)，產(chǎn)生于鼻咽部的氣道阻力約占?xì)獾揽傋枇Φ?0%。HFNC提供的高流量氣體的流速可超過(guò)患者吸氣峰流速，具有主動(dòng)送氣作用，從而減少吸氣阻力，同時(shí)HFNC提供的氣道正壓能減少呼氣末氣道塌陷、減低氣道阻力，從而減少呼吸功[28]。Pham等[29]認(rèn)為HFNC很重要的生理學(xué)效應(yīng)就是減少呼吸功，他們?cè)趮胗變旱难芯堪l(fā)現(xiàn)HFNC能有效地減少患兒的呼吸功。HFNC提供的加溫加濕高流量氣體在減少患者吸氣阻力的同時(shí)，也不需患者額外對(duì)吸入氣體加溫加濕，從而減少加溫加濕所需的代謝消耗，這兩個(gè)方面都可以減少患者呼吸功[30]。此外，HFNC通過(guò)改善患者氧合，減少用力呼吸情況，從而減少呼吸功[31]。

1.5 HFNC能保護(hù)氣道黏膜、維持黏液纖毛清除功能 HFNC可對(duì)吸入氣流按照預(yù)設(shè)溫度、濕度進(jìn)行加溫、加濕，為機(jī)體提供符合人體正常生理情況的溫化、濕化氣體，減少對(duì)氣道黏膜的刺激。濕化的氣體能改善氣道黏膜表面的纖毛運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)氣道分泌物的清除，減少肺不張的形成，從而發(fā)揮改善通氣/血流比例和氧合的作用[32]。Cuquemelle等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)氧療相比，HFNC能降低患者鼻腔、口腔和咽喉部的干燥評(píng)分，提高患者氧療舒適度，能維持呼吸道黏液纖毛功能，稀釋痰液、促進(jìn)排痰，減少下呼吸道感染發(fā)生率。Hasani等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)14例支氣管擴(kuò)張患者進(jìn)行每天3 h持續(xù)7 d的HFNC治療后，支氣管的沉積物顯著減少，肺黏液纖毛清除能力顯著提高。

1.6 HFNC有可能產(chǎn)生渦流、改善通氣氧合 高流速氣流在經(jīng)過(guò)變狹窄管路時(shí)，靠近管壁的外層氣流會(huì)不斷進(jìn)入內(nèi)層，形成渦流。而下呼吸道的氣管、支氣管、細(xì)支氣管，越往終末呼吸道走，管徑往往越細(xì)。因此我們推測(cè)，HFNC產(chǎn)生的高流量氣體在經(jīng)過(guò)漸漸變細(xì)的呼吸道時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生許多小渦流，把近端呼吸道內(nèi)富含氧氣的新鮮氣體往更終末呼吸道送的同時(shí)使更終末呼吸道內(nèi)富含二氧化碳的氣體往近端呼吸道回流，從而有助于改善患者的通氣氧合。不過(guò)該機(jī)制目前未見(jiàn)直接文獻(xiàn)支持，有待進(jìn)一步研究探討。

2 HFNC的臨床應(yīng)用

國(guó)內(nèi)HFNC專家共識(shí)[8]建議HFNC可以應(yīng)用于以下三大方面：一是急性Ⅰ型呼吸衰竭，包括合并急性Ⅰ型呼吸衰竭的重癥肺炎、氧合指數(shù)200～300的輕度急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)以及其他Ⅰ型呼吸衰竭疾病，比如急性心源性呼吸衰竭、間質(zhì)性肺疾病急性加重、免疫抑制繼發(fā)的急性Ⅰ型呼吸衰竭。二是有創(chuàng)機(jī)械通氣撤機(jī)，包括重癥監(jiān)護(hù)病房有創(chuàng)機(jī)械通氣和外科術(shù)后機(jī)械通氣的撤機(jī)續(xù)慣治療。三是Ⅱ型呼吸衰竭：對(duì)于意識(shí)清楚的Ⅱ型呼吸衰竭患者，密切監(jiān)測(cè)下可嘗試HFNC，如治療1 h后病情加重，則改氣管插管機(jī)械通氣，不建議作為一線治療的選擇；對(duì)于慢性阻塞性肺疾病穩(wěn)定期患者，存在長(zhǎng)期氧療指征的，可嘗試使用HFNC改善患者的運(yùn)動(dòng)耐力和生活質(zhì)量。但是，也有研究[35]認(rèn)為HFNC改善患者動(dòng)脈血二氧化碳分壓(PaCO2)的能力相比傳統(tǒng)面罩氧療沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。甚至有的研究[36]認(rèn)為在慢性阻塞性肺疾病急性發(fā)作期患者使用HFNC有可能引起高碳酸血癥、呼吸性酸中毒、病死率升高。因此，在Ⅱ型呼吸衰竭中要慎用HFNC。

此外， HFNC在麻醉科也有極大應(yīng)用價(jià)值。Patel等[37]的研究發(fā)現(xiàn)HFNC能延長(zhǎng)困難氣道患者麻醉誘導(dǎo)呼吸暫停時(shí)間，25例困難氣道患者中位呼吸暫停時(shí)間14(5～65)min，脈搏血氧飽和度全程不低于90%，沒(méi)有缺氧情況發(fā)生，這主要因?yàn)樵谶@里HFNC很好地結(jié)合了經(jīng)典的彌散呼吸和持續(xù)的氣道正壓、高流量沖洗無(wú)效腔這兩方面優(yōu)勢(shì)，從而很好地滿足受試者的需氧量。但是要注意到，呼吸暫停時(shí)長(zhǎng)達(dá)65 min的患者的呼氣末二氧化碳分壓高達(dá)15.3 kPa，即HFNC并不能阻止呼吸暫停時(shí)二氧化碳濃度可能迅速升高而帶來(lái)的危險(xiǎn)?？狄鸬萚38]的研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)鼻導(dǎo)管吸氧，在無(wú)痛消化內(nèi)鏡麻醉手術(shù)過(guò)程中使用HFNC可改善患者氧合以及降低氣道干預(yù)的需求。

3 小結(jié)

HFNC是一種新的氧療方式，是一種通過(guò)鼻塞持續(xù)為患者提供可以調(diào)控并相對(duì)恒定吸氧濃度、溫度和濕度的高流量吸入氣體的治療方式。HFNC主要的通氣氧合機(jī)制有：提供恒定吸入氧濃度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛細(xì)血管氧分壓差；產(chǎn)生PEEP；沖刷上呼吸道無(wú)效腔、變相減少無(wú)效腔；減少吸氣阻力和呼吸功；保護(hù)氣道黏膜、維持黏液纖毛清除功能；有可能產(chǎn)生渦流、改善通氣氧合。HFNC對(duì)呼吸衰竭，尤其輕中度Ⅰ型呼吸衰竭有較積極治療作用，在麻醉學(xué)科也有比較廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)HFNC產(chǎn)品雖然起步較晚，但是具有自己獨(dú)特的亮點(diǎn)、功能更強(qiáng)大。