濕化高流量鼻導管通氣氧合機制的研究現(xiàn)狀

歐陽利華, 彭書崚△, 黃文起

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

氧氣是哺乳動物體內(nèi)細胞的主要“燃料”，人體血液循環(huán)內(nèi)安全范圍的氧氣水平對維持正常生命活動至關重要[1]。低氧血癥，尤其嚴重低氧血癥可導致器官功能衰竭、甚至死亡，而氧氣治療(氧療)可糾正低氧血癥、保護器官功能、促進機體康復。氧療是指使用高于空氣氧體積分數(shù)的氣體對患者進行治療[2]。氧氣在18世紀70年代被Lavoisier、Scheele和Priestley發(fā)現(xiàn)后[3-4]，其迅速被用于對人體和動物的治療嘗試。最初，吸入氧氣治療方式還不被人們認識，有效的氧療方式還不清楚，多種氧療方式先后被試驗，包括直腸、靜脈內(nèi)、腹腔內(nèi)、皮下注入氧氣等現(xiàn)在看來匪夷所思的辦法都被嘗試過[5]。經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，鼻導管氧療、面罩氧療、無創(chuàng)正壓通氣氧療、機械通氣氧療、濕化高流量鼻導管通氣(humidified high flow nasal cannula，HFNC)等多種氧療方式應用于臨床。其中HFNC是近10來年才發(fā)展起來的一種新的氧療方式。在國外，HFNC于 2007年開始比較廣泛應用于成人[6]。我國內(nèi)地報道顯示HFNC于2010年開始應用[7]。HFNC擁有其特有的一些優(yōu)勢，在這短短的10來年，其在臨床中得以廣泛應用，特別是在呼吸與危重癥醫(yī)學科、麻醉科等學科得以廣泛應用。下面我們就HFNC通氣氧合機制、臨床應用和國內(nèi)優(yōu)秀產(chǎn)品進行一一介紹。

1 HFNC定義及其通氣氧合機制

中華醫(yī)學會呼吸病學分會呼吸危重癥醫(yī)學學組和中國醫(yī)師協(xié)會呼吸醫(yī)師分會危重癥醫(yī)學工作委員會于2019年發(fā)布的《成人經(jīng)鼻高流量濕化氧療臨床規(guī)范應用專家共識》[8]，將HFNC定義為一種通過高流量鼻塞持續(xù)為患者提供可以調(diào)控并相對恒定吸氧濃度(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個部分組成[9]。其中空氧混合裝置根據(jù)設定的氧濃度將氧氣和空氣進行混合，混合后通過渦輪加速產(chǎn)生高流速氣流；加溫加濕裝置對通過氣流按照設定的溫度濕度進行加溫加濕，然后經(jīng)過呼吸連接管路、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，具有獨特的通氣氧合機制。自主呼吸是人體自然狀態(tài)下的生理呼吸，而機械通氣氧療是嚴重呼吸衰竭患者呼吸支持的辦法，在介紹HFNC通氣氧合機制前，我們有必要了解下自主呼吸機制和機械通氣的發(fā)展歷程。

自主呼吸狀態(tài)下，人體吸氣時吸氣肌(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，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使肺內(nèi)壓力降低，當肺內(nèi)壓低于大氣壓時氣體沿著呼吸道進入肺內(nèi)，引起吸氣運動。反之，在平靜呼吸時，吸氣肌的被動舒張即可引起肺內(nèi)壓升高，在大于大氣壓時產(chǎn)生呼氣運動。可以看到，平靜呼吸時，吸氣是主動的，而呼氣是被動完成的。假設大氣壓為0，在吸氣時肺內(nèi)壓是為負值，因此自主呼吸是負壓通氣。從本質上看，肺內(nèi)壓與大氣壓的壓力差是通氣的直接動力，而呼吸肌的收縮運動是產(chǎn)生這個壓力差的根源。

與自主呼吸不同，現(xiàn)在絕大部分機械通氣是正壓通氣，吸氣時靠正壓驅動氣體進入肺內(nèi)。早在1543年，解剖學創(chuàng)始人Andreas Vesalius在豬身上成功進行氣管切開并置入氣管內(nèi)插管，從而開創(chuàng)人工氣道建立之先河，也證實了氣管內(nèi)插管施以正壓能使動物的肺膨脹[10]。在1667年，Robert Hooke在狗身上成功重復了這一技術，并首次使用風箱技術進行了正壓通氣[11]。19世紀初，風箱正壓通氣技術在歐洲被用于溺水患者的救治；但是當時這一正壓通氣技術過于粗糙而且經(jīng)驗不足，致使發(fā)生許多并發(fā)癥、甚至死亡[12]。體外負壓通氣技術在19世紀應運而生[10]。它主要有兩種方式，一種是“鐵肺”負壓通氣，它將患者頸部以下軀體密封于硬質箱內(nèi)，用電泵使箱內(nèi)壓力周期性低于大氣壓從而形成負壓通氣。1876年推出第一個切實可行的“鐵肺”[10]，但它其實在1928年因成功搶救一位因為脊髓灰質炎呼吸衰竭而昏迷的女孩，才被現(xiàn)場一位不知名的記者稱為“鐵肺”[12]。還有一種是胸甲式負壓通氣，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壓通氣。20世紀50年代是機械通氣的一個分水嶺，1952年脊髓灰質炎在丹麥哥本哈根爆發(fā)流行，當時因脊髓灰質炎呼吸衰竭而接受負壓機械通氣治療患者病死率超過80%；麻醉醫(yī)生Ibsen意識到患者死亡與呼吸衰竭相關，建議行氣管切開術和正壓機械通氣，隨著正壓機械通氣的使用，脊髓灰質炎呼吸衰竭患者病死率從超過80%降到40%[13]。此前很長一段時間正壓通氣只應用于手術室麻醉手術過程，而負壓通氣廣泛應用于臨床，正是20世紀50年代脊髓灰質炎的流行促使機械通氣從負壓通氣向正壓通氣過渡，從此正壓機械通氣在臨床上廣為應用[14]。現(xiàn)“鐵肺”已基本消失，極少數(shù)國外醫(yī)院仍存在胸甲式負壓通氣。

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

1.1 HFNC能提供恒定吸入氧濃度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛細血管氧分壓差 傳統(tǒng)鼻導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，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%)。物理學知識告訴我們，氣體分子運動雖然是無定向的，但是總體效應是從分壓高處往分壓低處擴散，分壓差是氣體擴散的動力，壓差越大，擴散越快。而在吸空氣情況下，肺泡氧分壓會低于空氣氧分壓，而肺毛細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，同時高流量的氣體可沖進氣道更終末端，可大大提高上呼吸道、肺泡氧分壓，從而有助于和肺毛細血管血液進行氧氣交換，提高機體氧合。Enghoff等[17]于1951年發(fā)現(xiàn)人體存在彌散性呼吸，即人體哪怕沒有自主呼吸也沒進行人工呼吸，只要存在充分的血液循環(huán)，同時有高濃度氧氣通過通暢的氣道供應到肺，那么人體在短時間內(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能使塌陷的肺泡復張，維持肺泡開放，促進均勻通氣，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，流量越大氣道壓力越高，當氣體流量分別為30、40、50 L/min時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，當氣體流量增加到60 L/min 時，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，促使塌陷肺泡復張、維持肺泡開放，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從口漏出，導致氣道正壓和PEEP大打折扣，從而影響氧療效果。

1.3 HFNC沖刷上呼吸道無效腔、變相減少無效腔 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，為這些解剖無效腔提供高濃度氧氣的同時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，從而減少呼吸無效腔。Biselli等[25]在睡眠患者的研究發(fā)現(xiàn)，HFNC能減少無效腔通氣量、降低無效通氣比例。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間相關，同時沖刷無效腔可以減少無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效腔、變相減少無效腔作用，從而改善機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 生理學知識告訴我們，鼻咽腔對吸入氣體有濕化、溫化及過濾清潔作用，但是在人體平靜呼吸時，產(chǎn)生于鼻咽部的氣道阻力約占氣道總阻力的50%。HFNC提供的高流量氣體的流速可超過患者吸氣峰流速，具有主動送氣作用，從而減少吸氣阻力，同時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]認為HFNC很重要的生理學效應就是減少呼吸功，他們在嬰幼兒的研究發(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，也不需患者額外對吸入氣體加溫加濕，從而減少加溫加濕所需的代謝消耗，這兩個方面都可以減少患者呼吸功[30]。此外，HFNC通過改善患者氧合，減少用力呼吸情況，從而減少呼吸功[31]。

1.5 HFNC能保護氣道黏膜、維持黏液纖毛清除功能 HFNC可對吸入氣流按照預設溫度、濕度進行加溫、加濕，為機體提供符合人體正常生理情況的溫化、濕化氣體，減少對氣道黏膜的刺激。濕化的氣體能改善氣道黏膜表面的纖毛運動，加強氣道分泌物的清除，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14例支氣管擴張患者進行每天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)過變狹窄管路時，靠近管壁的外層氣流會不斷進入內(nèi)層，形成渦流。而下呼吸道的氣管、支氣管、細支氣管，越往終末呼吸道走，管徑往往越細。因此我們推測，HFNC產(chǎn)生的高流量氣體在經(jīng)過漸漸變細的呼吸道時可能會產(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。不過該機制目前未見直接文獻支持，有待進一步研究探討。

2 HFNC的臨床應用

國內(nèi)HFNC專家共識[8]建議HFNC可以應用于以下三大方面：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)機械通氣撤機，包括重癥監(jiān)護病房有創(chuàng)機械通氣和外科術后機械通氣的撤機續(xù)慣治療。三是Ⅱ型呼吸衰竭：對于意識清楚的Ⅱ型呼吸衰竭患者，密切監(jiān)測下可嘗試HFNC，如治療1 h后病情加重，則改氣管插管機械通氣，不建議作為一線治療的選擇；對于慢性阻塞性肺疾病穩(wěn)定期患者，存在長期氧療指征的，可嘗試使用HFNC改善患者的運動耐力和生活質量。但是，也有研究[35]認為HFNC改善患者動脈血二氧化碳分壓(PaCO2)的能力相比傳統(tǒng)面罩氧療沒有優(yōu)勢。甚至有的研究[36]認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用價值。Patel等[37]的研究發(fā)現(xiàn)HFNC能延長困難氣道患者麻醉誘導呼吸暫停時間，25例困難氣道患者中位呼吸暫停時間14(5～65)min，脈搏血氧飽和度全程不低于90%，沒有缺氧情況發(fā)生，這主要因為在這里HFNC很好地結合了經(jīng)典的彌散呼吸和持續(xù)的氣道正壓、高流量沖洗無效腔這兩方面優(yōu)勢，從而很好地滿足受試者的需氧量。但是要注意到，呼吸暫停時長達65 min的患者的呼氣末二氧化碳分壓高達15.3 kPa，即HFNC并不能阻止呼吸暫停時二氧化碳濃度可能迅速升高而帶來的危險。康茵等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)鼻導管吸氧，在無痛消化內(nèi)鏡麻醉手術過程中使用HFNC可改善患者氧合以及降低氣道干預的需求。

3 小結

HFNC是一種新的氧療方式，是一種通過鼻塞持續(xù)為患者提供可以調(diào)控并相對恒定吸氧濃度、溫度和濕度的高流量吸入氣體的治療方式。HFNC主要的通氣氧合機制有：提供恒定吸入氧濃度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛細血管氧分壓差；產(chǎn)生PEEP；沖刷上呼吸道無效腔、變相減少無效腔；減少吸氣阻力和呼吸功；保護氣道黏膜、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，在麻醉學科也有比較廣泛的應用前景。國內(nèi)HFNC產(chǎn)品雖然起步較晚，但是具有自己獨特的亮點、功能更強大。