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高流量鼻导管清除解剖死腔的人体研究

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高流量鼻导管深入解析。


作者 | 李宏亮 北京大学第三医院 危重医学科

来源 | 医学界急诊与重症频道


在前期的文章《走进高流量鼻导管》中,我们曾经详细介绍过高流量鼻导管(high flow nasal cannula,HFNC)的生理学机制。除了提供低水平的气道正压之外,另一重要作用就是可以持续冲刷上呼吸道解剖死腔,减少 CO2 的重复呼吸,提高呼吸效率。当时德国科学家 Moller 使用了两种模拟的上呼吸道模型,其中对 3D 打印的人体上呼吸道解剖模型,使用放射性伽玛成像技术对放射性示踪气体氪(81mKr)进行影像捕捉,以此来观察来 HFNC 对解剖死腔的影[1]。严格来说,这种静态的模型研究并不能真实地反映其在人体治疗过程中发挥的实际疗效。但鉴于对气道内气体进行定量测定的复杂性,想要研究人体的解剖死腔清除效果非常困难。


在前期研究基础上,Moller 招募了志愿者进行人体试验,再次使用动态伽玛成像技术(dynamic gamma camera imaging)评估 HFNC 对生理死腔的影响,结果发表在 2017 年 1 月出版的《应用生理学》(Journal of Applied Physiology)上[2]。由于这是第一次在人体上进行的 HFNC 生理学研究,本文将对此做详细介绍,旨在帮助临床医务人员更加深入认识 HFNC 的治疗原理,以及为对这项技术感兴趣的医生今后进行临床课题设计提供参考。



研究分两部分进行


一、借助二维伽玛照相机,使用闪烁扫描技术对 10 名无吸烟史的健康志愿者(平均年龄 55 岁,体重指数 BMI 24 kg/m2)进行 HFNC 对上呼吸道示踪气体 81mKr清除的随机交叉试验研究。志愿者首先通过鼻罩(nasal pillow)吸入 81mKr,使其充满上呼吸道,然后屏住呼吸(时长 30 秒),戴上预设好不同气流速度的鼻导管。将上呼吸道人为分成五个感兴趣的区域(regions of interest,ROI):前鼻区,后鼻区,咽部(从软腭到喉头),气管,上肺以评估 81mKr 的活性时间特性(图1A)。81mKr清除时间常数及半衰期的测定均经过 81mKr 自然衰减(T1/2 = 13 s)的校正。鼻腔清除率为鼻腔容积(VN)与清除时间常数的比率。而鼻腔容积为鼻腔和鼻咽之和(鼻窦除外),每个志愿者均行 MRI 检查来确定这一数值。


二、招募 3 名经过长期机械通气,成功脱机且不依赖氧气的气管切开患者(两例合并有慢性阻塞性肺疾病,一例为蛛网膜下腔出血合并肺部感染),进行 HFNC 减少重复呼吸的研究。脱机后,使用气管切开保持器(tracheostomy retainer)替换掉原有的气管切开管,并且患者可耐受完全经鼻呼吸。分别在使用HFNC前后(连续使用 10 分钟),将定制的探头通过气管切开保持器置入气管深处,并与呼吸过程相同步,使用容积二氧化碳图及氧测定仪分别对抽取的气体样本进行 O及 CO定量测定。通过对每一次呼吸进行分析,评估 HFNC 对吸入 O及 CO容积的影响,前者的计算基于最初吸入的 100 ml 气体,后者基于最初的 100 ml 及全部的吸入容积。使用经过校正的呼吸感应容积描计仪(respiratory inductance plethysmography,RIP)进行吸气容积的测定。研究全程监测经皮动脉血氧饱和度(SpO2)及经皮 CO


研究使用新西兰费雪派克(Fisher & Paykel)公司生产的 AIRVO 型呼吸湿化治疗仪(blower-humidifier)及 Optiflow 鼻导管来实施 HFNC,流速随机设置为15,30,45 L/min,不额外提供氧气。整个研究过程中,志愿者都保持闭口呼吸。



试验结果


一、HFNC对示踪气体的清除


结果显示,志愿者吸入 81mKr 并屏气后,HFNC 可迅速将 81mKr  从上呼吸道中驱除,且呈现出流速依赖性。如图1B显示,45 L/min 的气流在 0.5 秒内就将鼻腔中示踪气体清除干净。


图1、对一例屏住呼吸的志愿者,结合冠状位 MRI,使用伽马成像对吸入的放射性示踪气体进行的影像捕捉。图A:前鼻区、后鼻区、咽部、气管及上肺部分区示意图。图B:左图为对照,右图为使用 45 L/min 的气流,500 ms 后观察到的放射性示踪气体的分布影像,对比可以看出 HFNC 对  81mKr  的清除非常高效。


如表1和图2所示,随着 HFNC 流速的增加,鼻腔、咽腔、气管内中  81mKr 的清除半衰期均呈现显著下降(Person 相关系数 cc 分别为-0.55,-0.41,-0.51,P值均< 0.01)。其中在前鼻区的清除速率又要快于后鼻区(P <  0.01),而两者之间的清除半衰期高度相关(cc = 0.55,P< 0.01),但与鼻腔容积大小之间并无相关性。基于 V和时间常数的计算,鼻腔内示踪气体的清除率在15,30,45 L/min的 HFNC 下分别达到 40.6 ± 12.3,52.5 ± 17.7,72.9 ± 21.3 ml/s,再次证实 HFNC 流速与清除率之间有很强的相关性(cc = 0.61,P< 0.01)。


在咽腔,气管等软腭以下的气道,HFNC 对  81mKr  的清除虽然也呈流速依赖性,但要慢一些,而在上肺区,则未能探测到  81mKr  的衰减。这种深至软腭以下的清除效应,是在之前的模型中未能观察到的。


表1、前后鼻区、咽腔和气管在不同流速下的示踪气体清除半衰期。每一个腔室的清除半衰期都与 HFNC 流速相关。*后鼻区与前鼻区的配对t检验 P < 0.05。


图2、图A和B分别为在前后鼻区和咽腔、气管内的示踪气体,在不同流速下的变化趋势。从左图看出前后鼻区均呈现流速依赖性,但前鼻腔始终清除效率高于后鼻区。


需要说明的是,受技术条件的限制(伽玛照相机成像速度较慢,25 帧/秒),清除试验是在屏气状态下完成的,并未能评估动态呼吸过程对清除效率的影响。软腭以下气道中的清除效率不佳,亦有可能是受试者屏气过程中无意识地关闭软腭所致。考虑到实际情况下,呼气末暂停时间较长,以及张口呼吸等因素,HFNC 对更深部的气道也应该有一定的冲刷作用,而非仅局限于鼻腔。


二、 气管切开患者的重复呼吸:


正常情况下,呼气末气道中气体的 CO的浓度约在 5%,O2 浓度约在 16% 左右,在下一次吸气开始这部分气体被重复吸入肺泡。HFNC 通过非密闭式的鼻导管提供高速新鲜气流,并将呼出的废气从气道中驱出。空气中 CO2 浓度非常低(0.04%),与呼出气体中的 CO2 浓度差较大,允许在基础及 HFNC 两种情况下的全部吸入容积中进行比较。而吸入的 O2 主要取决于吸入潮气量,为了准确测定其微量的变化,作者选取了最初吸入的 100ml 进行测定。


图3A、B分别是在基线及 45 L/min 的气流下,单次完整呼吸吸入 CO2O2 的浓度变化,其中差别最大的部分出现在吸入气体中最初的 50 和 100 ml 之间。具体到最初吸入的 100 ml 中的变化情况参见图4。可以看到,HFNC 可带来流速依赖性的吸入 CO2 浓度降低和 O2 浓度增加(图4的 A 和 B),证实了 HFNC 减少重复呼吸,减少解剖死腔的理论推测。图4C 展示了每次呼吸最初吸入的 100ml  气体中 O2 与 CO2 浓度变化量之间的线性回归分析:CO的降低伴随着 O2 的增加(cc = -0.767;r2= 0.59,P= 0.016)。图4D 展示了在基线及 HFNC 治疗时,最初吸入的 100 ml 气体中 CO2 与全部吸入的 CO的比率。与基础通气相比,HFNC显著提高这一比率(0.84 ± 0.10 vs 0.75 ± 0.12;P <  0.01)。这是因为,对上气道呼出气体的冲刷使得重复吸入的 CO2 主要集中在最初吸入的那 100 ml 气体内,而后面吸入的气体中 CO2 显著降低,造成比率无限接近 1.00。


图3:A图为一例气管切开患者单次呼吸时,气管内吸入气体的CO2浓度变化趋势。与基础通气(实线)相比, 45 L/min的HFNC(虚线)可明显减少CO2 的重复吸入。B:提供HFNC时,吸入气体的O2浓度要明显高于基础通气。这种CO2O2的差异,基本都集中在最初吸入的那0.1 L(100ml)以内。


图4、三例气管切开患者在HFNC分别为15,30,45 L/min时,最初吸入的100 ml气体中CO2(图A)和O2(图)浓度变化情况(使用HFNC 2分钟后的平均值)。图C:每次呼吸最初吸入的100 ml中,O2与CO2改变幅度之间的线性回归关系(r2 = 0.59)及95%的可信区间,可以看出CO2的下降和O2的升高之间有显著的相关性(cc = -0.767,P= 0.016)。图D:每一次呼吸最初吸入的100ml 气体中CO2与全部吸入气体中的CO2的比率。在提供HFNC时,解剖死腔的减少使得新鲜气流得以迅速进入参与气体交换的肺组织,因此重复吸入的CO2主要集中在最初吸入的那100ml 气体内。



生理学及临床意义


通过对吸气容量(潮气末 CO2 浓度约为 5%)的计算,当 HFNC 从 15 增加到 45 L/min,每次呼吸可减少 1 - 3 ml 的 CO2 重复呼吸,相应增加近似的 O2 吸入,与之对应的是减少 20 - 60 ml 的死腔。死腔的减少可在潮气量保持不变的前提下增加肺泡通气量。也可以像既往在健康志愿者睡眠过程中观察到的那[3],减慢呼吸频率,或者减少潮气量和分钟通气量。呼吸频率的下降是 HFNC 治疗过程最常观察到的现象之一,也是对潜在临床事件的一个简单而极有意义的预测指标。对于呼吸频率偏快的患者来说,HFNC减少死腔导致的呼吸频率降低可能会更为明显。


在浅快呼吸,或者肺水肿、肺栓塞及急性呼吸窘迫综合征(ARDS)等引起的肺泡死腔量增加的情况下,解剖死腔与潮气量的比率升高(呼吸效率下降),需要增加呼吸频率以维持肺泡通气量。对上述情况即使死腔的轻度减少也会导致气体交换的显著改善,继而减少分钟通气量或恢复正常的血气指标。


死腔减少的生理学意义和临床效果同样可能受到 HFNC 提供的气道正压的影响,后者会改变呼吸形式及死腔清除的效率。而呼吸频率的降低同样可以提高死腔清除率。在阻塞性/限制性肺疾病、肺功能正常的患者、呼吸窘迫或潜在呼吸衰竭患者中,HFNC 对减小死腔呈现的效应可能并不一致,但气体交换的改善都可以观察到预期中分钟通气量的降低和/或血气恢复正常。



本研究存在的主要缺陷


81mKr  的半衰期较短(13秒),从技术上无法对快速衰减的放射性示踪气体进行不间断的可视化监测,因此受试者在前一项研究中保持屏气,无法评估吸气、呼气过程对清除效果的影响。其次,现实治疗过程中,HFNC 的清除率受到多种因素的影响,例如潮气量、呼吸形式、是否张口呼吸、软腭及声带的位置、鼻导管直径/鼻翼尺寸比例及鼻导管放置的位置等等,在进行不同的研究设计时,要充分地予以考虑。但无论怎样,Moller 的研究还是从生理学层面上,再一次确认了 HFNC 具有有效冲刷上呼吸道,减少 CO2 重复呼吸,提高呼吸效率的理论推测。这对临床医生深刻理解 HFNC 的治疗机理,并选择合适的治疗适应症有极大的帮助。对于今后打算在此领域进行深入探索的研究者来说,也提供了重要的理论依据。


参考文献:   

[1] Moller W, Celik G, Feng S, Bartenstein P, Meyer G, Oliver E, Schmid O, Tatkov S: Nasal high flow clears anatomical dead space in upper airway models. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 2015, 118(12):1525-1532.

[2] Moller W, Feng S, Domanski U, Franke KJ, Celik G, Bartenstein P, Becker S, Meyer G, Schmid O, Eickelberg O et al: Nasal high flow reduces dead space. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 2017, 122(1):191-197.

[3] Mundel T, Feng S, Tatkov S, Schneider H: Mechanisms of nasal high flow on ventilation during wakefulness and sleep. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 2013, 114(8):1058-1065.



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