湿化高流量鼻导管通气氧合机制的研究现状

欧阳利华, 彭书崚△, 黄文起

1中山大学孙逸仙纪念医院麻醉科(广东广州 510120)； 2中山大学附属第一医院麻醉科(广东广州 510080)

氧气是哺乳动物体内细胞的主要“燃料”，人体血液循环内安全范围的氧气水平对维持正常生命活动至关重要[1]。低氧血症，尤其严重低氧血症可导致器官功能衰竭、甚至死亡，而氧气治疗(氧疗)可纠正低氧血症、保护器官功能、促进机体康复。氧疗是指使用高于空气氧体积分数的气体对患者进行治疗[2]。氧气在18世纪70年代被Lavoisier、Scheele和Priestley发现后[3-4]，其迅速被用于对人体和动物的治疗尝试。最初，吸入氧气治疗方式还不被人们认识，有效的氧疗方式还不清楚，多种氧疗方式先后被试验，包括直肠、静脉内、腹腔内、皮下注入氧气等现在看来匪夷所思的办法都被尝试过[5]。经过两百多年的发展，鼻导管氧疗、面罩氧疗、无创正压通气氧疗、机械通气氧疗、湿化高流量鼻导管通气(humidified high flow nasal cannula，HFNC)等多种氧疗方式应用于临床。其中HFNC是近10来年才发展起来的一种新的氧疗方式。在国外，HFNC于 2007年开始比较广泛应用于成人[6]。我国内地报道显示HFNC于2010年开始应用[7]。HFNC拥有其特有的一些优势，在这短短的10来年，其在临床中得以广泛应用，特别是在呼吸与危重症医学科、麻醉科等学科得以广泛应用。下面我们就HFNC通气氧合机制、临床应用和国内优秀产品进行一一介绍。

1 HFNC定义及其通气氧合机制

中华医学会呼吸病学分会呼吸危重症医学学组和中国医师协会呼吸医师分会危重症医学工作委员会于2019年发布的《成人经鼻高流量湿化氧疗临床规范应用专家共识》[8]，将HFNC定义为一种通过高流量鼻塞持续为患者提供可以调控并相对恒定吸氧浓度(21%～100%)、温度(31～37℃)和湿度的高流量(8～80 L/min)吸入气体的治疗方式。HFNC设备由空氧混合装置、加温加湿装置、呼吸连接管路以及高流量鼻塞接头4个部分组成[9]。其中空氧混合装置根据设定的氧浓度将氧气和空气进行混合，混合后通过涡轮加速产生高流速气流；加温加湿装置对通过气流按照设定的温度湿度进行加温加湿，然后经过呼吸连接管路、鼻塞接头将这些恒温恒湿的空氧混合气体以恒速的方式输出到患者，发挥氧疗作用。HFNC作为一种新的氧疗方式，具有独特的通气氧合机制。自主呼吸是人体自然状态下的生理呼吸，而机械通气氧疗是严重呼吸衰竭患者呼吸支持的办法，在介绍HFNC通气氧合机制前，我们有必要了解下自主呼吸机制和机械通气的发展历程。

自主呼吸状态下，人体吸气时吸气肌(主要是膈肌和肋间外肌)收缩，其中膈肌收缩引起膈穹窿下降、胸腔上下径增大，肋间外肌收缩引起胸骨、下位肋骨上提以及肋骨下缘向外偏转，从而引起胸腔前后、左右径增大。而胸腔前后、左右及上下径增大会使肺内压力降低，当肺内压低于大气压时气体沿着呼吸道进入肺内，引起吸气运动。反之，在平静呼吸时，吸气肌的被动舒张即可引起肺内压升高，在大于大气压时产生呼气运动。可以看到，平静呼吸时，吸气是主动的，而呼气是被动完成的。假设大气压为0，在吸气时肺内压是为负值，因此自主呼吸是负压通气。从本质上看，肺内压与大气压的压力差是通气的直接动力，而呼吸肌的收缩运动是产生这个压力差的根源。

与自主呼吸不同，现在绝大部分机械通气是正压通气，吸气时靠正压驱动气体进入肺内。早在1543年，解剖学创始人Andreas Vesalius在猪身上成功进行气管切开并置入气管内插管，从而开创人工气道建立之先河，也证实了气管内插管施以正压能使动物的肺膨胀[10]。在1667年，Robert Hooke在狗身上成功重复了这一技术，并首次使用风箱技术进行了正压通气[11]。19世纪初，风箱正压通气技术在欧洲被用于溺水患者的救治；但是当时这一正压通气技术过于粗糙而且经验不足，致使发生许多并发症、甚至死亡[12]。体外负压通气技术在19世纪应运而生[10]。它主要有两种方式，一种是“铁肺”负压通气，它将患者颈部以下躯体密封于硬质箱内，用电泵使箱内压力周期性低于大气压从而形成负压通气。1876年推出第一个切实可行的“铁肺”[10]，但它其实在1928年因成功抢救一位因为脊髓灰质炎呼吸衰竭而昏迷的女孩，才被现场一位不知名的记者称为“铁肺”[12]。还有一种是胸甲式负压通气，它只将胸部密封，同样用电泵使胸甲内压力周期性低于大气压而形成负压通气。20世纪50年代是机械通气的一个分水岭，1952年脊髓灰质炎在丹麦哥本哈根爆发流行，当时因脊髓灰质炎呼吸衰竭而接受负压机械通气治疗患者病死率超过80%；麻醉医生Ibsen意识到患者死亡与呼吸衰竭相关，建议行气管切开术和正压机械通气，随着正压机械通气的使用，脊髓灰质炎呼吸衰竭患者病死率从超过80%降到40%[13]。此前很长一段时间正压通气只应用于手术室麻醉手术过程，而负压通气广泛应用于临床，正是20世纪50年代脊髓灰质炎的流行促使机械通气从负压通气向正压通气过渡，从此正压机械通气在临床上广为应用[14]。现“铁肺”已基本消失，极少数国外医院仍存在胸甲式负压通气。

上面我们介绍了自主呼吸机制和机械通气的发展历程，接着我们将详细介绍HFNC通气氧合机制。

1.1 HFNC能提供恒定吸入氧浓度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛细血管氧分压差 传统鼻导管氧疗提供氧流量一般低于患者吸气流量，因此其吸入氧浓度除与输出氧流量相关，还受患者潮气量、呼吸频率、吸气流速等影响[15]。而HFNC提供的气体流量可高达80 L/min，大于患者吸气峰流量，不需额外吸入空气，可保证患者吸入氧浓度即为HFNC鼻塞接头输出气体氧浓度。Wagstaff等[16]在模型上的研究也证实高流量气体吸入氧浓度不因呼吸频率、潮气量变化而改变。因此，HFNC能提供恒定吸入氧浓度(21%～100%)。物理学知识告诉我们，气体分子运动虽然是无定向的，但是总体效应是从分压高处往分压低处扩散，分压差是气体扩散的动力，压差越大，扩散越快。而在吸空气情况下，肺泡氧分压会低于空气氧分压，而肺毛细血管血液氧分压又低于肺泡氧分压，气体从分压高处往分压低处扩散，这就是肺换气、氧合的原理。尤其HFNC甚至可提供100%浓度氧气，同时高流量的气体可冲进气道更终末端，可大大提高上呼吸道、肺泡氧分压，从而有助于和肺毛细血管血液进行氧气交换，提高机体氧合。Enghoff等[17]于1951年发现人体存在弥散性呼吸，即人体哪怕没有自主呼吸也没进行人工呼吸，只要存在充分的血液循环，同时有高浓度氧气通过通畅的气道供应到肺，那么人体在短时间内是可以摄取足够氧气而不存在缺氧。而HFNC恰恰能给终末气道提供高浓度氧气。

1.2 HFNC能产生呼气末正压(PEEP) 研究表明，HFNC提供的高流量气流对气道的持续冲刷能产生一定水平的PEEP。而PEEP能使塌陷的肺泡复张，维持肺泡开放，促进均匀通气，从而改善通气、氧合[18]。Corley等[19]的研究发现HFNC通过PEEP作用增加患者的呼气末肺容积和肺活量，改善患者氧合。Parke 等[20]的研究发现经鼻的高流量氧疗能产生一定程度的气道正压，气道压力和气体流量有关，流量越大气道压力越高，当气体流量分别为30、40、50 L/min时平均气道压力分别为(1.5±0.6)、(2.2±0.8)、(3.1±1.2)cmH2O。Groves等[21]的研究发现HFNC气体流量每增加10 L/min，患者咽喉部的PEEP就增加0.5～1 cmH2O；闭口经鼻呼吸下，当气体流量增加到60 L/min 时，可在男性咽喉部产生约5.4 cmH2O的PEEP，而在女性可产生约8.7 cmH2O的PEEP；张口呼吸情况下，男性PEEP约为2.6 cmH2O，女性PEEP约为3.1 cmH2O。Nielsen等[22]的研究也发现，HFNC产生的PEEP在张口时下降接近50%。Milesi等[23]在6月龄以内婴幼儿的研究也发现HFNC能产生持续气道正压和PEEP，≥6 L/min的气体流量即可产生持续咽部气道正压，而7 L/min的气体流量可产生4 cmH2O的平均气道压力和6.5 cmH2O的PEEP。因此我们可以看到，HFNC能提供流量依赖的气道正压和PEEP，促使塌陷肺泡复张、维持肺泡开放，有助于改善通气、氧合。但是我们要注意到，张口呼吸情况下，HFNC提供的高流量气体会从口漏出，导致气道正压和PEEP大打折扣，从而影响氧疗效果。

1.3 HFNC冲刷上呼吸道无效腔、变相减少无效腔 HFNC可提供高流量、高浓度氧气，高流量的气体可冲刷患者鼻腔、口腔、咽部，甚至气管，为这些解剖无效腔提供高浓度氧气的同时减少上一次呼气相呼出的二氧化碳，从而减少下一次吸气相吸入的二氧化碳含量。Moller等[24]的研究发现HFNC能清除上呼吸道气体，而且HFNC提供的气体流速每增加1 L/min，上呼吸道气体清除就快1.8 mL/s，从而减少呼吸无效腔。Biselli等[25]在睡眠患者的研究发现，HFNC能减少无效腔通气量、降低无效通气比例。Frizzola 等[26]在猪的研究发现，随着HFNC治疗，猪的动脉血二氧化碳分压降低、氧分压升高，且具有流量依赖性。Moller等[27]的另一项研究发现，HFNC清除上气道呼出气体的能力和其流量及佩戴时间相关，同时冲刷无效腔可以减少无效腔量和增加肺泡通气量，从而增加肺泡通气和气体交换。因此，HFNC具有冲刷上呼吸道无效腔、变相减少无效腔作用，从而改善机体氧合和降低二氧化碳分压。

1.4 HFNC能减少吸气阻力和呼吸功 生理学知识告诉我们，鼻咽腔对吸入气体有湿化、温化及过滤清洁作用，但是在人体平静呼吸时，产生于鼻咽部的气道阻力约占气道总阻力的50%。HFNC提供的高流量气体的流速可超过患者吸气峰流速，具有主动送气作用，从而减少吸气阻力，同时HFNC提供的气道正压能减少呼气末气道塌陷、减低气道阻力，从而减少呼吸功[28]。Pham等[29]认为HFNC很重要的生理学效应就是减少呼吸功，他们在婴幼儿的研究发现HFNC能有效地减少患儿的呼吸功。HFNC提供的加温加湿高流量气体在减少患者吸气阻力的同时，也不需患者额外对吸入气体加温加湿，从而减少加温加湿所需的代谢消耗，这两个方面都可以减少患者呼吸功[30]。此外，HFNC通过改善患者氧合，减少用力呼吸情况，从而减少呼吸功[31]。

1.5 HFNC能保护气道黏膜、维持黏液纤毛清除功能 HFNC可对吸入气流按照预设温度、湿度进行加温、加湿，为机体提供符合人体正常生理情况的温化、湿化气体，减少对气道黏膜的刺激。湿化的气体能改善气道黏膜表面的纤毛运动，加强气道分泌物的清除，减少肺不张的形成，从而发挥改善通气/血流比例和氧合的作用[32]。Cuquemelle等[33]的研究发现，与传统氧疗相比，HFNC能降低患者鼻腔、口腔和咽喉部的干燥评分，提高患者氧疗舒适度，能维持呼吸道黏液纤毛功能，稀释痰液、促进排痰，减少下呼吸道感染发生率。Hasani等[34]的研究发现，在对14例支气管扩张患者进行每天3 h持续7 d的HFNC治疗后，支气管的沉积物显著减少，肺黏液纤毛清除能力显著提高。

1.6 HFNC有可能产生涡流、改善通气氧合 高流速气流在经过变狭窄管路时，靠近管壁的外层气流会不断进入内层，形成涡流。而下呼吸道的气管、支气管、细支气管，越往终末呼吸道走，管径往往越细。因此我们推测，HFNC产生的高流量气体在经过渐渐变细的呼吸道时可能会产生许多小涡流，把近端呼吸道内富含氧气的新鲜气体往更终末呼吸道送的同时使更终末呼吸道内富含二氧化碳的气体往近端呼吸道回流，从而有助于改善患者的通气氧合。不过该机制目前未见直接文献支持，有待进一步研究探讨。

2 HFNC的临床应用

国内HFNC专家共识[8]建议HFNC可以应用于以下三大方面：一是急性Ⅰ型呼吸衰竭，包括合并急性Ⅰ型呼吸衰竭的重症肺炎、氧合指数200～300的轻度急性呼吸窘迫综合征(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、间质性肺疾病急性加重、免疫抑制继发的急性Ⅰ型呼吸衰竭。二是有创机械通气撤机，包括重症监护病房有创机械通气和外科术后机械通气的撤机续惯治疗。三是Ⅱ型呼吸衰竭：对于意识清楚的Ⅱ型呼吸衰竭患者，密切监测下可尝试HFNC，如治疗1 h后病情加重，则改气管插管机械通气，不建议作为一线治疗的选择；对于慢性阻塞性肺疾病稳定期患者，存在长期氧疗指征的，可尝试使用HFNC改善患者的运动耐力和生活质量。但是，也有研究[35]认为HFNC改善患者动脉血二氧化碳分压(PaCO2)的能力相比传统面罩氧疗没有优势。甚至有的研究[36]认为在慢性阻塞性肺疾病急性发作期患者使用HFNC有可能引起高碳酸血症、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在麻醉科也有极大应用价值。Patel等[37]的研究发现HFNC能延长困难气道患者麻醉诱导呼吸暂停时间，25例困难气道患者中位呼吸暂停时间14(5～65)min，脉搏血氧饱和度全程不低于90%，没有缺氧情况发生，这主要因为在这里HFNC很好地结合了经典的弥散呼吸和持续的气道正压、高流量冲洗无效腔这两方面优势，从而很好地满足受试者的需氧量。但是要注意到，呼吸暂停时长达65 min的患者的呼气末二氧化碳分压高达15.3 kPa，即HFNC并不能阻止呼吸暂停时二氧化碳浓度可能迅速升高而带来的危险。康茵等[38]的研究发现，相比传统鼻导管吸氧，在无痛消化内镜麻醉手术过程中使用HFNC可改善患者氧合以及降低气道干预的需求。

3 小结

HFNC是一种新的氧疗方式，是一种通过鼻塞持续为患者提供可以调控并相对恒定吸氧浓度、温度和湿度的高流量吸入气体的治疗方式。HFNC主要的通气氧合机制有：提供恒定吸入氧浓度，形成上呼吸道-肺泡-肺毛细血管氧分压差；产生PEEP；冲刷上呼吸道无效腔、变相减少无效腔；减少吸气阻力和呼吸功；保护气道黏膜、维持黏液纤毛清除功能；有可能产生涡流、改善通气氧合。HFNC对呼吸衰竭，尤其轻中度Ⅰ型呼吸衰竭有较积极治疗作用，在麻醉学科也有比较广泛的应用前景。国内HFNC产品虽然起步较晚，但是具有自己独特的亮点、功能更强大。