经鼻高流量湿化氧疗用于气管切开患者的基础研究及改进

侯安纳 焦风伟 张黎明

首都医科大学附属北京朝阳医院呼吸与危重症医学科 北京呼吸疾病研究所100043

通信作者：张黎明，Email:cyyyzl m@sina.co m

经鼻高流量湿化氧疗 (high flo w nasal cannula oxygen therapy，HFNC)是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[1]。治疗设备主要包括空氧混合装置、电动涡轮装置(驱动形成高速气流)、加温加湿器、带加热导丝的管路及高流量鼻塞[2]。HFNC 于2014年在国内投入使用，现已广泛用于治疗急性Ⅰ型呼吸衰竭、ARDS及有创通气撤机等。气管切开患者由于丧失了上气道对吸入气体的加温湿化功能，易造成湿化不足、吸入气体温度不适合等导致痰痂形成，尤其需要吸氧的患者更存在加温湿化不足的可能。HFNC可为气管切开患者提供适合人体的基本恒定的温度、湿度及氧浓度的吸入气体，维持黏液纤毛清除系统功能，并产生一定程度的呼气末正压效应，维持肺泡开放，有利于呼气末肺泡复张和气血交换，帮助有创通气撤机。虽然HFNC 已在临床用于气管切开患者，但在不同流量及潮气量情况下，一定温度、湿度及氧浓度的气体进至气管隆突部位时的实际温度、湿度及氧浓度变化未见报道，本研究主要目的为建立经鼻高流量吸氧装置-气管-主动模拟肺装置，实时测定不同流量及潮气量情况下，一定温度、湿度及氧浓度的气体进至气管隆突部位时的实际温度、湿度及氧浓度，为临床使用HFNC提供依据，并在人工气道连接管加延长管，寻找一种更加有效的用于气管切开患者的HFNC方式。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 HFNC 装置 采用新西兰Fisher-Paykel Healt hcare公司生产的Air vo2型呼吸湿化治疗仪、配套的加热呼吸管路和人工气道连接管[富利凯医疗用品(东莞)有限公司的Veoflo®型号的一次性使用鼻氧管]。呼吸湿化治疗仪流量范围为10～60 L/min，输出气体最高温度43℃，37℃目标温度时绝对湿度＞33 mg/L。

1.1.2 模拟肺 采用美国Ing mar公司的型号为ASL5000的主动模拟肺进行研究。该模拟肺是一个由电脑控制，在气缸中活动的活塞构成的高仿真度肺部模拟器，其阻力、顺应性、吸气负压、呼吸波形等均可由使用者设置，通过模拟不同潮气量和吸气峰流速组合，从而模拟患者的各种呼吸运动。

1.1.3 氧浓度及温湿度监测 氧浓度测定仪采用杭州利华科技有限公司的型号为CY-100B 的测定仪(测量范围：0%～100%)；温湿度记录仪采用杭州路格科技有限公司的L95-2 记录仪 (测量范围：温度：-40～100℃，相对湿度：0%～100%)。温度(单位℃)、湿度 (相对湿度单位%，绝对湿度单位mg/L)及氧浓度 (单位%)监测仪末端均为测量探头，探头置入模拟气管内隆突部位。

1.1.4 中间连接管路 用于连接HFNC装置与模拟肺，长度10 c m，直径1.5 c m (模拟气管的长度与直径)，内置温度、湿度及氧浓度测定探头。

1.1.5 延长管 采用德国VBM 医疗技术有限公司的型号为65-88-130的硅胶可吸痰延长管的硅胶管部分作为延长管，该段管路长度为13.5 c m，直径1.1 c m (容积12.8 c m3)。

1.2 方法

1.2.1 建立HFNC 装置-气管-模拟肺模型HFNC装置通过中间连接路连接模拟肺，延长管连接人工气道连接管，见图1。

图1 HFNC装置-气管-模拟肺模型

1.2.2 实验基础值 实验时测定室温28.2 ℃，相对湿度34.8%，绝对湿度9.57 mg/L。启动HFNC装置及模拟肺，调节HFNC 装置设置温度37 ℃，调节HFNC装置所带氧流量表氧流量至输出氧浓度为50%。每一条件 (流量、潮气量)实验前断开模拟肺，堵塞呼气口，测定实验前设备输出气体到达隆突部位时的温度、湿度、吸氧浓度，稳定后开放呼气口，接模拟肺开始实验。

1.2.3 测量不同条件下对气管内吸入气体的温度、湿度及氧浓度的影响 HFNC 装置运行平稳后测定记录人工气道连接管出口处温度、湿度及氧浓度(初始数据)后，连接并启动模拟肺，分别设定潮气量为400 ml、800 ml，HFNC 流量20 L/min、40 L/min及60 L/min，测定不同组合下气管内温度、湿度及氧浓度的变化，观察潮气量及流量对气管内温度、湿度及氧浓度的影响。

1.2.4 测定人工气道连接管加延长管后对吸入气体的温度、湿度及氧浓度的影响 人工气道连接管加延长管后，设定潮气量为400 ml，HFNC 流量20 L/min、40 L/min及60 L/min，测定不同组合下气管内温度、湿度及氧浓度，观察延长管对气管内温度、湿度及氧浓度的影响。

1.3 统计学分析 采用SPSS 22.0软件进行数据分析。实验数据以±s 表示，温度、湿度以实测值表示，氧浓度采用人工气道连接管出口处与隆突部位氧浓度变化率表示[(人工气道连接管出口处氧浓度-隆突部位氧浓度)/人工气道连接管出口处氧浓度×100%]。符合正态分布与方差齐性的2组间计量资料比较采用两独立样本的t 检验，多组间计量资料比较符合条件采用单因素设计方差分析，组间两两比较采用LSD 法，检验标准为α=0.05。

2 结果

2.1 流量、潮气量及延长管对温度的影响 实验时测定室温28.2 ℃，机器设定温度37 ℃，流量为40 L/min、吸氧浓度为50%时人工气道连接管出口实测温度平均38.4 ℃，不同潮气量及流量组合条件下气管内隆突部位实测温度、加延长管后不同流量下气管内隆突部位实测温度见表1。

结果显示，不加延长管时，同等潮气量前提下，流量越大，到达隆突部位温度越高 (F =1 788.06、1 844.31，P 值均＜0.01)；同等流量前提下，潮气量越大，到达隆突部位温度越低 (t=4.58、31.75、5.35，P 值均＜0.01)。

加延长管后，同一潮气量条件下，流量越大，到达隆突部位温度越高 (F =1 627.64，P ＜0.01)。与加延长管前相比，同等潮气量前提下，当流量为20 L/min及40 L/min时，增加延长管可提高到达隆突部位的温度 (t = -3.99、-7.18，P 值均＜0.01)，当流量为60 L/min时，增加延长管不能提高到达隆突部位的温度 (t=-1.00，P =0.33)。

上述结果显示，当设定温度为37 ℃时，实际到达气管内的温度均低于37 ℃理想水平，加大流量或加延长管可提高到达气管内的温度。

2.2 流量、潮气量及延长管对绝对湿度的影响实验时测定室温28.2 ℃，实测室内相对湿度34.8%，绝对湿度9.57 mg/L。机器设定温度37 ℃，流量为40 L/min、吸氧浓度为50%时人工气道连接管出口实测温度平均38.4 ℃，出口实测相对湿度平均94.3%，绝对湿度44.42 mg/L。不同潮气量及流量组合条件下气管内隆突部位实测绝对湿度、加延长管后不同流量下气管内隆突部位实测绝对湿度见表2。

结果显示，不加延长管时，同等潮气量前提下，流量越大，到达隆突部位绝对湿度越高，绝对湿度下降幅度越小 (F =2 616.17、9 809.00，P值均＜0.01)；同等流量前提下，潮气量越大，到达隆突部位绝对湿度越低，绝对湿度下降幅度越大(t=34.14、22.88、2.61，P 值均＜0.01)。

加延长管后，同等潮气量条件下，当流量20 L/min及40 L/min时，流量越大，到达隆突部位绝对湿度越高 (t=-74.15，P ＜0.01)。当流量增加至60 L/min，增加流量不增加隆突部位的绝对湿度 (t=-0.31，P =0.76)；与加延长管前相比，同等潮气量及流量的前提下，增加延长管可增加到达隆突部位的绝对湿度 (t=-8.10、-29.19、-5.17，P 值均＜0.01)。

表1 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内温度 (℃，±s)

表1 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内温度 (℃，±s)

注：与无延长管且潮气量400 ml比较，a P ＜0.05

流量 (L/min) 温度无延长管，潮气量400 ml 无延长管，潮气量800 ml 有延长管，潮气量400 ml 20 32.65±0.16 32.35±0.09 a 32.90±0.08 a 40 35.30±0.08 34.10±0.08 a 35.75±0.16 a 60 36.20±0.12 35.83±0.16 a 36.26±0.13 F 值 1 788.06 1 844.31 1 627.64 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

表2 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内绝对湿度 (mg/L，±s)

表2 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内绝对湿度 (mg/L，±s)

注：与无延长管且潮气量400 ml比较，a P ＜0.05

流量 (L/min) 绝对湿度无延长管，潮气量400 ml 无延长管，潮气量800 ml 有延长管，潮气量400 ml 20 33.71±0.22 30.46±0.15 a 34.53±0.18 a 40 38.58±0.17 36.86±0.13 a 40.53±0.09 a 60 40.09±0.16 39.90±0.13a 40.55±0.20 a F 值 2 616.17 9 809.00 3 680.79 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

上述结果显示，当设定温度为37 ℃时，实际到达气管内的绝对湿度均低于44 mg/L 的理想水平，加大流量或加延长管可提高到达气管内的气体的绝对湿度。

2.3 流量、潮气量及延长管对气管内吸入氧浓度(fraction of inspiration O2，Fi O2)的影响 设定氧浓度50%，实测人工气道连接管出口氧浓度46.8%，测定不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内Fi O2，并计算气管内Fi O2变化率 [(人工气道连接管出口处氧浓度-隆突部位氧浓度)/人工气道连接管出口处氧浓度×100%]，由于吸入气管内气体混入空气，因此，气管内Fi O2均低于人工气道连接管出口处氧浓度，变化率越大，气管内Fi O2越低。见表3。

结果显示，不加延长管时，同等潮气量前提下，流量越大，到达隆突部位Fi O2变化率越小(F =22 618.55、15 925.42，P 值均＜0.01)；同等流量前提下，潮气量越大，到达隆突部位Fi O2变化率越大 (流量20 L/min及40 L/min时t=-41.91、-3.51，P 值均＜0.01；流量60 L/min时，t=-2.51，P =0.03)。

加延长管后，同一潮气量条件下，流量越大，到达隆突部位Fi O2变化率越小 (F =4 659.56，P ＜0.01)；与加延长管前相比，当流量同为20 L/min、40 L/min时，增加延长管可降低到达隆突部位的Fi O2变化率 (t=99.80、7.86，P 值均＜0.01)，当流量达60 L/min 时，增加延长管不降低隆突部位的Fi O2变化率 (t=1.58，P =0.14)。

上述结果显示，实际到达气管内的Fi O2均低于HFNC设置的氧浓度，加大流量或加延长管可提高到达气管内的气体的Fi O2。

综上所述，气管切开患者行HFNC 时，同等潮气量条件下，流量增加，气管隆突部位的温度、湿度及Fi O2均增高；同等流量条件下，潮气量增加，气管隆突部位的温度、湿度及Fi O2均降低。加延长管后，同等潮气量条件下，当流量同为20 L/min、40 L/min时，增加延长管可增加到达隆突部位的温度、湿度及Fi O2。当流量同为60 L/min时，增加延长管可增加到达隆突部位的湿度，不增加温度及Fi O2。

3 讨论

正常呼吸时，气管内的湿度应该在36～40 mg/L，气体到达隆突时的最佳湿度水平是44 mg/L (相对湿度100%，气体温度37 ℃)。对有创通气患者进行主动湿化时，湿化装置需要达到33～44 mg/L的湿度水平，气体温度为34～41℃，相对湿度达100%来保证人工气道内分泌物的有效排出[3]。

HFNC较常规鼻导管、面罩等给氧方式，可提供相对恒定的氧浓度(21%～100%)，同时可提供更加符合人体生理情况的下呼吸道的气体温度及湿度，降低医用干冷气体对上下呼吸道黏液纤毛系统功能和黏膜的影响，维持黏液纤毛系统的清除功能[4]。同时高流速 (10～60 L/min)的气体直接冲入鼻腔，可产生并维持一定水平的呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)，利于维持肺泡开放，改善呼气末肺泡膨胀和气血交换[5]。与常规给氧方式相比，可减少急性Ⅰ型呼吸衰竭患者的气管插管率[6]。同时，由于高流速空氧混合气体，冲刷患者呼气末残留在鼻腔、口腔及咽部的解剖无效腔的气体，可明显减少患者下一次吸气时吸入的二氧化碳的含量[7]。由于其PEEP及减少上呼吸道死腔的作用，近年HFNC 用于治疗有中度高碳酸血症的COPD 急性呼吸衰竭的患者中，与无创机械通气相比，使用HFNC 并没有导致治疗失败率的增加，而HFNC 组报告的护理干预和皮肤破损事件较少，且舒适性增加[8-10]。外科术后患者，尤其是心胸外科术后患者，肺不张、坠积感染为常见并发症，HFNC 除可维持黏液纤毛系统的清除功能外，还可因其PEEP作用，防止肺膨胀不全。Corley等[11]报道HFNC 可增加心脏术后患者肺容积，促进肺复张。

表3 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内Fi O 2 变化率 (%，±s)

表3 不同流量、潮气量组合及加延长管后的气管内Fi O 2 变化率 (%，±s)

注：Fi O2 为吸入氧浓度；与无延长管且潮气量400 ml比较，a P ＜0.05

流量 (L/min) Fi O2 变化率无延长管，潮气量400 ml 无延长管，潮气量800 ml 有延长管，潮气量400 ml 20 20.36±0.13 22.79±0.10 a 14.29±0.11 a 40 3.63±0.19 4.01±0.25a 2.29±0.44 a 60 0.76±0.26 1.16±0.37 a 0.55±0.28 F 值 22 618.55 15 925.42 4 659.56 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

既往报道HFNC 治疗呼吸衰竭、术后防止肺不张等均为经鼻实施HFNC，其气体动力学原理及临床研究较多。在临床上气管切开患者由于丧失了上呼吸道对吸入气体的加温湿化功能，易造成湿化不足、吸入气体温度不适合等导致痰痂形成，尤其在需要吸氧的患者，医用干冷气体的吸入更加重加温湿化不足的程度。同时，气管切开患者也失去了鼻腔对细菌等病原微生物的滤过作用。HFNC装置可提供适合呼吸道需要的加温湿化气体，维持黏液纤毛系统的清除功能，轻度PEEP可维持呼气末肺泡膨胀，防止肺泡塌陷，改善氧合。同时由于定期更换的空气过滤片 (细菌过滤效率＞99.999 99%，病毒过滤效率99.99%)对细菌等病原微生物的滤过作用也减少了继发感染的机会。HFNC装置已有成熟的商用人工气道连接管用于气管切开的患者，但一定温度、湿度及氧浓度的气体经鼻进入气管与经气管切开导管进入气管不同，进入气管后的温度、湿度及氧浓度的变化规律尚未见报道。

本研究通过建立高流量加温湿化吸氧装置-气管-主动模拟肺装置，并通过放置于模拟气管隆突位置的温度、湿度及氧浓度探头，实时测定不同流量及潮气量情况下，一定温度、湿度及氧浓度的气体进至气管隆突部位时的实际温度、湿度及氧浓度，为临床应用提供指导，并探索改进方法，以提高加温、加湿及氧疗的效率。本研究证实，在气管切开的患者，设定温度37 ℃、潮气量400 ml、氧浓度50%时，当流量设定为20 L/min时，进入至隆突部位的温度下降15% (由38.4 ℃降至32.65 ℃)，绝对湿度下降24% (由44.42 mg/L降至33.71 mg/L)，氧浓度下降20.36%。不能满足人体最佳温度 (37 ℃)、湿度要求 (44 mg/L)，氧浓度下降幅度过大，不利于临床病情观察(如利用设定的50%Fi O2计算氧合指数，会造成病情误判)。在同等潮气量条件下，流量增加，气管隆突部位的温度、湿度及Fi O2均增高；当流量设定为40 L/min，气管隆突部位的温度为35.3 ℃，绝对湿度为38.58 mg/L，更接近人体最佳温度、湿度要求，且氧浓度下降只有3.63%，更利于临床病情观察。同时我们也观察到，在同等流量条件下，潮气量增加，气管隆突部位的温度、湿度及Fi O2均降低。其主要原因考虑为在给予高流量加温湿化氧疗时，吸入到气管的气体为高流量氧疗设备输出的气体及空气的混合体，当输出流量增大时，进入气管的加温湿化气体比例增加，空气比例减少，因此温度、湿度及氧浓度下降幅度减低。同样，流量不变的情况下，潮气量加大，进入气管的空气比例增加，温度、湿度及氧浓度下降幅度增大。

为减少空气的吸入，增加加温、加湿及氧疗的效果，我们在呼气口加长13.5 c m、容积为12.5 c m3的ICU 常用的可吸痰延长管，以减少吸气时空气的吸入，同时由于高流量气体持续冲洗作用，不会增加吸气阻力及呼出气的重复吸入。结果显示加延长管后，同等潮气量条件下，当流量同为20 L/min、40 L/min时，增加延长管可增加到达隆突部位的温度、湿度及Fi O2，更接近人体最佳温度、湿度要求及对病情的观察。当流量同为60 L/min时，增加延长管可增加到达隆突部位的湿度，不增加温度及Fi O2。

根据上述实验结果，在气管切开患者使用高流量氧疗时，建议选择40 L/min的流量，并加延长管，既能获得更接近人体生理需要的温度和湿度，减少温度、湿度及氧浓度的下降，又可避免过高流量如60 L/min 时患者舒适度降低、设备功耗增加。

总之，本研究证实HFNC 装置用于气管切开患者时进入隆突部位的气体温度、湿度及氧浓度受潮气量、流量的影响，为临床精确观察病情变化提供帮助；人工气道连接管加延长管后可通过降低吸气时吸入空气比例进而提高HFNC 效率。37 ℃、40 L/min的流量、加延长管是气管切开患者使用HFNC的较好选择。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突