一种具有对气道主动加温加湿功能的呼吸过滤器的制作及实验检测

卢毅 祁向东 路立军 李强

1 北京大学第三医院延庆医院 （北京 102100）

2 北京大学第三医院 （北京 100000）

内容提要： 目的：检测一种便携式主动加温加湿呼吸过滤器的气道湿化效率。方法：便携式主动加温加湿呼吸过滤器作为观察组，被动加温加湿呼吸过滤器作为对照组，测量观察组、对照组及未使用过滤器组模拟通气时距人工气道入口8cm、37cm处的温度及湿度。结果：观察组在两处测量的最低温度、最低湿度、最高温度、最高湿度、平均温度、平均湿度均有明显升高（P＜0.05）。结论：主动加温加湿呼吸过滤器在不增加过滤器体积的情况下明显提升人工气道的湿化效率。

水蒸气饱和含量与温度直接相关，在低温下其饱和绝对湿度相比较高温时明显降低[1]。因此良好的气道湿化需要同时对吸入气体进行加温。呼吸运动时气体经过口鼻腔、气管到达左右支气管分叉处，已经加热至37 C、相对湿度100%、绝对湿度44mg/L，这一位置称为等温饱和界面[2]。这有利于气道黏膜上皮黏液-纤毛清除系统发挥最大作用，更好地清除气道污物[3]。气管插管以及气管切开的患者丧失了口鼻腔以及部分气道对于空气的加温加湿功能，使得等温饱和界面下移，导致气道黏膜损伤、排痰能力降低、出现肺不张等并发症[1]。

1.目前国内外主要气道加温加湿设备

1.1 被动湿热交换器

保留呼出气体的温度以及湿度，对吸入气体进行加温加湿。体积小巧，不需专人伺服。缺点为存在湿化不足情况[4]。

1.2 电热恒温蒸汽发生器

如呼吸机湿化装置、经鼻高流量吸氧装置。其加温、加湿效果较被动湿热交换器明显[5]。但专用设备体积大、成本高、主要在重症监护室应用。

对于人工气道患者的湿化要求，使用湿热交换器时吸入气体绝对湿度至少应达到30mg/L，使用电恒温加湿加热装置应提供绝对湿度：33～44mg/L、温度34～41 C的吸入气体[1]。然而1项对48种湿热交换器的实验发现，仅37.5%的湿热交换器可达到30mg/L的湿化效果[6]。

2.便携式主动加温加湿呼吸过滤器结构及技术要求

2.1 技术要求

将被动湿热交换器与电热恒温蒸汽发生器的优点进行结合，制造一种小型化的、具有对气道主动加温加湿功能的呼吸过滤器。

2.2 结构设计

便携式主动加温加湿呼吸过滤器是基于一种实用新型专利（专利号ZL 2017 2 0753664.4）制造，由过滤器（1）、加热板（8）以及外接设备（14）组成。加热板固定于气管插管接口（12）上，通过外接设备控制温度。过滤器基底部与加热板接触传导热量，设有氧气接口（6）及水源接口（7）。上部包括外层（2）、中层（3）与内层（4），其可与气管插管或气管切开套管接口连接。上部的顶部中央设单向活瓣（5）。见图1。

图1.便携式主动加温加湿呼吸过滤器结构图（注：1.过滤器；2.外层；3.中层；4.内层；5.单向瓣；6.氧气接口；7.水源接口；8.加热板；9.探头；10.上部；11.基底部；12.套管接口；13.导线；14.外接设备）

2.3 技术参数

加热板与外接设备：使用可调节温度硅胶材质环形加热板，加热板内直径17mm，外直径60mm。温度调节范围38～43 C。

过滤器：外径58mm，内径17cm，高50mm，体积132cm3。外层采用疏水透气无纺布，中层采用亲水海绵材质。

3.测量方法

3.1 测量装置组成

由便携式主动加温加湿过滤器（1～3）、呼吸机与管路组成的通气组件（4～6）、肺及气管模拟组件（10～15）以及温湿度测量装置（7～9）组成，见图2。

图2.测量装置组成示意图（注：1. 过滤器；2. 加热板；3. 便携式主动加温加湿呼吸过滤器外接设备；4. 300mL 密封罐；5. 呼吸机管路；6. 呼吸机；7.T1 温度湿度监测；8.T2 温度湿度监测；9.T3 温湿度监测；10. 恒温管路；11. 湿化罐体；12.MR850 主机；13. 模拟肺；14. 温度探头；15. 连接管路）

3.2 呼出气体模拟

由电恒温加温加湿加热装置（Fisher&Paykel，MR850）+模拟肺（Dräger MP02400）组成。

3.3 吸入气体模拟

呼吸机潮气量450mL，呼吸频率15 次/min，流速6～10L/min。

3.4 温度、湿度监测点设置

距实验人工气道入口8cm处设置T1监测点，模拟气管插管连接头至门齿的距离。距入口37cm设置T2监测点，模拟气管插管接头距气管隆突的距离。在密封罐设置T3监测点。使用UNI-T UT333型温湿度监测仪，连续监测时间≥20s。

3.5 操作方法

未使用组不使用过滤器、观察组使用便携式主动加温加湿呼吸过滤器、对照组使用同材质同体积的被动湿热交换器，分别通气30min，然后每间隔10min监测T1、T2、T3监测点温湿度，共记录20次。

3.6 统计学分析

使用SPSS 23.0软件处理，计量资料使用（M±SD）表示，计量资料使用独立样本t检验及方差分析，P＜0.05时差异具有统计学意义。

4.结果

4.1 T1、T2监测点温度

观察组较对照组以及未使用组在两处监测点最低温度、最高温度、平均温度均有明显升高，P＜0.05。见表1。

表1.T1以及T2监测点温度(n=20,±s)

表1.T1以及T2监测点温度(n=20,±s)

注：a：观察组与对照组；b：未使用组与对照组；c：观察组与未使用组

温度 未使用 对照组 观察组 ta Pa tb Pb tc Pc T1最低温度( C) 27.75±0.42 28.43±0.75 30.70±0.38 -12.03 0.00 -3.52 0.00 -23.34 0.00 T1最高温度( C) 29.03±0.66 29.72±0.76 31.67±0.32 -10.62 0.00 -3.09 0.04 -16.07 0.00 T1平均温度( C) 28.39±0.50 29.08±0.75 31.19±0.31 -11.68 0.00 -3.43 0.00 -21.42 0.00 T2最低温度( C) 33.04±0.96 34.29±0.83 35.80±0.46 -7.08 0.00 -0.41 0.00 -11.55 0.00 T2最高温度( C) 34.67±0.46 35.45±0.61 36.75±0.42 -7.86 0.00 -0.45 0.00 -14.93 0.00 T2平均温度( C) 33.85±0.66 34.87±0.69 36.42±0.42 -7.79 0.00 -0.77 0.00 -13.92 0.00

4.2 T1、T2监测点湿度

观察组较对照组以及未使用组在两处监测点最低湿度、最高湿度、平均湿度均有明显升高，P＜0.05。见表2。

表2.T1以及T2监测点湿度(n=20,±s)

表2.T1以及T2监测点湿度(n=20,±s)

注：a：观察组与对照组；b：未使用组与对照组；c：观察组与未使用组

湿度 未使用 对照组 观察组 ta Pa tb Pb tc Pc T1最低湿度(mg/L) 21.07±1.26 24.24±0.77 27.91±0.62 -16.63 0.00 -9.59 0.00 -21.77 0.00 T1最高湿度(mg/L) 25.82±0.69 27.92±0.92 31.12±0.48 -13.79 0.00 -8.11 0.00 -28.21 0.00 T1平均湿度(mg/L) 23.45±0.59 26.08±0.81 29.51±0.42 -16.91 0.00 -11.76 0.00 -37.39 0.00 T2最低湿度(mg/L) 29.24±1.55 32.69±1.02 35.59±0.73 -10.38 0.00 -8.30 0.00 -16.57 0.00 T2最高湿度(mg/L) 35.77±0.71 37.93±0.76 40.25±0.63 -10.51 0.00 -9.38 0.00 -21.20 0.00 T2平均湿度(mg/L) 32.50±0.99 35.31±0.82 37.92±0.56 -11.77 0.00 -9.77 0.00 -21.22 0.00

4.3 T3监测点温度及湿度

观察组与未使用组在最高温度、最低温度、平均温度、最高湿度、最低湿度方面的差异具有显著性（P＜0.05）。观察组与对照组最低、最高、平均温度与湿度方面差异均有显著性（P＜0.05）。见表3。

表3.T3监测点温度及湿度(n=20,±s)

表3.T3监测点温度及湿度(n=20,±s)

注：a：观察组与对照组；b：未使用组与对照组；c：观察组与未使用组

温度/湿度 未使用 对照组 观察组 ta Pa tb Pb tc Pc最低温度( C) 25.81±0.73 25.37±0.71 26.80±0.30 -8.24 0.00 1.91 0.63 -5.63 0.00最高温度( C) 26.42±0.86 25.55±0.65 27.00±0.18 -9.55 0.00 3.62 0.00 -2.92 0.01平均温度( C) 26.11±0.74 25.45±0.63 26.90±0.20 -9.76 0.00 3.01 0.00 -4.55 0.00最低湿度(mg/L) 12.41±1.38 12.16±0.78 13.55±0.73 -5.81 0.00 0.71 0.48 -3.24 0.00最高湿度(mg/L) 16.48±0.94 14.17±0.95 14.89±0.20 -3.34 0.00 7.75 0.00 7.39 0.00平均湿度(mg/L) 14.45±0.72 13.17±0.56 14.22±0.36 -7.05 0.00 6.31 0.00 1.28 0.20

4.4 T1监测点与T3监测点绝对湿度的差值

观察组较对照组以及未使用组在最低湿度、最高湿度、平均湿度的差值均有明显升高，P＜0.05。见表4。

表4.T1与T3监测点绝对湿度差值(n=20,±s)

表4.T1与T3监测点绝对湿度差值(n=20,±s)

注：a：观察组与对照组；b：未使用组与对照组；c：观察组与未使用组

湿度 未使用 对照组 观察组 ta Pa tb Pb tc Pc最低湿度(mg/L) 8.67±1.38 12.08±1.10 14.36±1.07 6.68 0.00 10.13 0.00 -17.14 0.00最高湿度(mg/L) 9.33±0.70 13.74±0.68 16.22±0.50 13.19 0.00 20.16 0.00 -35.88 0.00平均湿度(mg/L) 9.00±0.63 12.61±0.64 15.29±0.61 13.03 0.00 19.50 0.00 -34.64 0.00

5.讨论

在本实验中，对照组较未使用组在T3监测的最高温湿度、平均温湿度更低，这由于呼气过程中过滤器存在明显的存温存湿作用导致。多项研究表明湿热交换器对吸入气体的加湿作用与其体积有关[7]。观察组与对照组使用同体积、材质的过滤器，保证了存温存湿效果的同质性。

观察组以及对照组均可以提高T1、T2监测点的温度以及湿度，但是观察组效果更明显。观察组由于使用主动加温以及加湿装置，加温与加湿效果较对照组更加明显，故主动式加温加湿设计更加有效。

本研究为实现通气过程使用了呼吸机+密封罐的设计，密封罐内的水蒸气在吸气时会进入气道影响测量数据。因此对入口8cm处与密封罐的最低湿度、最高湿度、平均湿度的差值进行比较，观察组较其他两组在均有明显升高。因此湿化罐应用不改变主动式加温加湿装置较被动湿热交换器更加有效的结论。

本研究不足之处：①实验为人工气道湿化可行性的单一设计研究，未涉及阻力问题，需要进一步研究实现。②实验使用正压通气，与脱机状态人体呼吸生理过程存在差异。