高流量疗法的研究：作用机制

概括

最近，已经引入了使用新颖方法来调节来自外部源的呼吸气体的加热器/加湿器装置。呼吸气体中添加足够的热量和高水平的加湿使得鼻插管装置能够以更高的流量应用于患者（即高流量治疗）。本文综述了经鼻导管高流量治疗的功效背后的机制，包括冲洗鼻咽死腔、减弱与鼻咽相关的吸气阻力、改善传导和肺顺应性、轻度膨胀压和降低气体调节的能量消耗。

介绍

相对于现代机械呼吸机的进步和复杂性，有效加热和加湿呼吸源气体的技术进步一直滞后。最近，使用各种不同方法来调节来自外部源的呼吸气体的设备已被引入用于所有年龄段的患者以及临床或家庭环境中。迄今为止，加湿不足限制了通过鼻子输送的高补充气体流量的使用。为呼吸气体添加足够的热量和高水平的湿化，使得鼻导管 (NC) 设备能够以更高的流量应用于患者。从早产新生儿到成人，各个年龄段的患者现在都接受 2 至 40 L/min 的流量，以支持各种情况下的呼吸。在新生儿中，高流量装置被用于患有呼吸窘迫综合征的早产儿，以及用于缺氧性呼吸衰竭的足月新生儿的氧气输送模式。在儿科年龄范围内，高流量设备正在用于可能需要插管或 CPAP 的典型情况。从病毒性细支气管炎或细菌性肺炎等肺功能障碍的传染性原因到反应性气道疾病，现在正在使用高流量导管装置进行治疗。对于成人，这些设备用于各种临床环境，增加流速对患有呼吸道疾病的患者有益。这些成人疾病过程的范围从肺水肿到慢性阻塞性肺病（COPD）再到拔管后急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。本文回顾了此类设备背后的拟议机制。

高流量治疗 (HFT) 的作用机制

高流量治疗 (HFT) 设备在临床环境中的使用正在迅速增长。这些设备正在应用于不同年龄组、患有各种疾病的患者。HFT 设备影响呼吸系统和改变气体交换的机制仍在研究中，但越来越多的证据支持 HFT 的作用机制有5个方面。

• 1）HFT 可冲洗鼻咽死腔，这有助于建立相对于二氧化碳和氧气的肺泡气体比例的改善。

• 2）鼻咽部的扩张性对吸气提供了相对于呼气努力的显着阻力。HFT 提供足够的流速来匹配吸气流量，从而显着减弱与鼻咽相关的吸气阻力，从而消除相关的呼吸功。

• 3）与干燥、较冷的气体相比，向传导气道提供充分加热和湿润的气体可改善传导性和肺顺应性。

• 4）通过鼻咽提供充分加热和湿润的气体可以减少与气体调节相关的代谢工作。

• 5）可以滴定通过鼻咽的高流量，以为肺复张提供正膨胀压。

鼻咽死腔冲洗

HFT 的主要作用机制可能是通过冲洗鼻咽腔的死腔，从而减少总体死腔并导致肺泡通气占每分钟通气量的更大比例。因此，呼吸效率有所提高。保持无创呼吸支持模式的基本临床标准是有效的自主呼吸努力和CO 2消除。高碳酸血症或可能继发于高碳酸血症的呼吸暂停是进展为更具侵入性的通气支持形式的最常见原因。因此，如果传统无创通气（如持续气道正压通气[CPAP]）期间CO 2的滞留可以减少或消除，许多患者可以免受有创机械通气和相关的潜在肺损伤以及随后的慢性肺和气道疾病的影响。

这种死腔冲洗机制的合理比较是气管气体吹入（TGI）。大量研究证明，通过 TGI 进行死腔冲洗可通过促进 CO 2消除来增强每分钟通气量。通过减少死腔，TGI 促进肺部气体交换并降低呼吸机压力和容量要求。对急性肺损伤幼年动物模型的研究表明，TGI 采用新型气管导管设计，可减少机械通气期间的生理死腔。支持气体交换的压力和容量要求均低于传统机械通气 (CMV)。重要的是，与具有较低吸气峰值压力的 CMV 相比，肺结构的相应生物标志物得到了改善，肺部和全身炎症的生物标志物得到了减弱。这些研究表明，死腔冲洗具有作为发育中肺部急性损伤的肺保护策略的潜力，并且可能是呼吸管理的有用临床辅助手段。

在机械通气研究之后，Nakos及其同事调查了TGI在自主呼吸患者中的应用，并证明了PaCO2、潮气量、分钟通气量和死腔的减少。这些结果在撤离机械通气的成人COPD患者中得到证明。这种方法也在早期发展中得到了评估。在这方面，TGI与CPAP一起用于插管动物，使用特殊设计的气管导管以允许充气气体流动（编号6501.30；Vygon，Ecouen，法国）。结果显示，油酸诱导的轻度呼吸窘迫的自发呼吸仔猪的二氧化碳潴留减少，是强有力的。然而，这项研究的影响是有限的，因为小猪需要插管以完成Vygon气管导管的TGI。从理论上讲，应用这种疗法将大大增加无需机械通气就能维持的婴儿数量，或更早撤机。

已发表的临床研究数据支持HFT消除死腔的理论，因为它对通气率有直接影响。Dewan和Bell的研究调查了接受经气管导管（TTC）呼吸支持的COPD患者的运动耐受力，并比较了通过鼻导管的低流量和高流量与通过TTC的低流量和高流量。Dewan和Bell的研究表明，无论用什么方法给药，高流量的运动耐力都比低流量的大（P<0.01），但通过鼻插管的高流量对死腔冲洗的效果与TTC一样。这些数据证实，死腔冲洗是HFT期间的主要作用机制。

Holleman-Duray等人完成的一项早期拔管方案的新生儿试验显示，与其他无创支持模式相比，拔管使用HFT的婴儿的呼吸机速率明显更高（33±8 vs 28±8次/分钟；P<0.05）。在另一个例子中，一份关于小儿烧伤患者的已发表案例报告显示，开始使用Vapotherm HFT后呼吸率立即下降（63-38次/分钟），短时间后心率也随之持续下降（175-144次/分钟）。

消除死腔对氧合也有影响。来自Chatila及其同事的数据显示，在运动中的成年慢性阻塞性肺病（COPD）患者中，与传统的低流量鼻锥相比，HFT增强了氧合。在匹配的工作量和匹配的吸气氧分中，运动中的患者在使用HFNC时，尽管呼吸频率降低（P<0.05），但仍能保持更大的动脉氧气张力（P<0.001）。当使用HFT时，这些病人能够运动更长时间（10±2对8±4分钟；p<0.05），而且这些病人还能保持动脉二氧化碳和pH值，同时呼吸频率降低，潮气量没有变化。

以摘要形式发表的几项研究通过评估气道和肺部的氧浓度加强了鼻咽冲洗效应。使用台式模型显示，通过鼻腔插管使用HFT与非呼吸面罩相比，气道氧分数更高。 此外，对正常人的研究显示，流速越高，鼻咽部的氧浓度越大，如果病人张嘴，则氧浓度更大。

通过提供足够的流量来减少吸气阻力（呼吸功）

鼻咽部的设计有利于通过与大面积的表面接触而使吸入的气体加湿和升温。根据定义，这种大的湿表面积和鼻咽部的气体容量可以说明对气体流动的明显阻力。此外，Shepard和Burger在分析了鼻腔和口腔的流量-体积循环后，发现鼻咽部有一种扩张性，有助于产生可变的阻力。当吸气气体被吸入这个大的表面区域时，鼻咽部边界的回缩导致吸气阻力比呼气阻力显著增加。CPAP已被证明可以通过机械地夹住气道来减少这种声门上的阻力，最高可达60%。然而，HFT最可能通过提供与病人的峰值吸气流量相匹配或超过的鼻咽部气体流量，将与鼻咽部相关的吸气阻力降到最低。这种阻力的变化转化为呼吸阻力功的减少。

Saslow及其同事发表的新生儿数据表明，使用3至5升/分钟的HFT的呼吸功与鼻腔CPAP设置为6 cmH2O的呼吸功相当。尽管食道压力明显较低（1.32±0.77与1.76±1.46 cmH2O；P<0.05），但仍显示出这种等效性；因此，除了膨胀压力影响HFT的呼吸功外，还有一种作用机制。

高鼻腔气体流量对呼气的影响不甚明了；然而，与其他设备的比较支持一些关于在呼气阶段发生什么的假设。婴幼儿气流CPAP驱动器在呼气期间切换气流时结合了科恩达效应，因此患者在呼气期间经历了呼气气体的夹带效应。在这方面，人们可能会推测，在HFT期间，吸气气流被分割，因此一部分气流进入气管，另一部分从口腔排出。在呼气过程中，有可能从气管排出的气体通过破坏边界层将气流从鼻咽后壁分离出来，从而帮助从口中呼气，类似于婴儿流动装置。因此，在呼气过程中，患者的鼻咽部会出现科恩达效应，并有可能协助呼气工作。

通过提供充分加热和湿润的气体来改进机械性能

在呼吸道的正常生理功能下，鼻腔空气通道将吸入的空气从环境温度加热到37℃，并将进入的空气加湿到100%的相对湿度（RH）。29, 30, 31尽管参与这一过程的许多因素不清楚或不容易确定，但我们认为可以确定，气体调节的过程有一些重要的能量成本。

根据定义，在水滴开始自发形成之前，100%相对湿度的气体可以容纳尽可能多的水。此外，道尔顿定律规定，随着气体温度的升高，在任何百分比的相对湿度下，每单位体积的水蒸气都会增加。因此，当气体被鼻粘膜调节时，不仅需要热能来温暖空气，而且还需要将水汽化到空气中。这个水汽化的过程需要大量的热能，就像在温暖的日子里出汗冷却我们的身体一样32。然而，当气体调节带来最大的热挑战时，周围的空气比较凉爽和干燥，因此身体的热量通常没有储备。在这方面，鼻腔粘膜组织很可能需要产生这种热量，用于升温和水汽化。

燃气调节的能量需求的最简单的公式表示为：

这里，Etotal/L是指每升吸入气体所需的总能量，Eg是指将1L气体提高1℃所需的能量（大约为1.2J），Evap是指将1mg水从37℃提高到100℃所需的能量，加上1mg水的汽化潜热（分别为0.263+2.260J）。Tamb代表环境气体温度，从体温（37℃）中减去。AHamb代表每升环境气体的绝对湿度，并从体温和饱和气体的绝对湿度（44 mgH2O/L）中减去。

作为一个典型的例子，考虑激发室温（21℃）和50%RH（含9毫克水/升）的环境空气。每升空气需要升高16°C，并有35毫克的水蒸气进入，每升吸入的气体需要107.5J（26卡路里）。因此，一个典型的500毫升潮气量、呼吸频率为12次/分钟的成人可能需要大约156卡/分钟的调节气体的热量。另外，请注意，产生粘液和移动水必须有一些代谢成本。

假设鼻腔呼吸道能非常有效地从呼出的气体中捕捉热量和水分，并在随后的吸气中循环利用。尽管如此，如果没有100%的效率，估计调节吸入的空气会有一些能量成本。此外，随着肺部病变，分钟通气量增加，需要调节的气体量也随之增加，目前的非侵入性疗法可以向鼻腔提供气体流量，超过吸入肺部的分钟量。在这方面，利用HFT与一个完全温暖和湿润吸气的设备，可能会通过减少这种能量需求来影响氧气需求和二氧化碳的产生。这一推测得到了临床数据的支持，这些数据表明，与使用传统CPAP支持的婴儿相比，使用Vapotherm的婴儿体重增加了。

提供扩张性压力

在新生儿重症监护环境中最常见的无创呼吸支持形式是持续气道正压(CPAP)。据认为，向肺部提供膨胀压力可通过优化肺部顺应性改善通气力学，并通过维持肺泡的通畅性协助气体交换。虽然HFT不一定是为了提供CPAP，但如果气体流量和鼻刺尺寸根据病人的尺寸适当设置，可以实现膨胀压力。

鼻插管的尺寸是决定CPAP产生的关键因素，因为它与插管刺周围的空气泄漏有关。洛克博士及其同事表明，使用外径为2.0厘米的鼻插管进行常规氧气治疗（>2升/分钟）不会产生明显的食道压力或影响呼吸模式；然而，在同一婴儿中使用较大的外径为3.0厘米的插管，在气体流量和食道压力之间产生了关联（r=0.92），在2.0升/分钟的流量下，平均压力达到9.8cmH2O。因此，鼻插管和呼吸气体流量提供的膨胀压力取决于泄漏率，由鼻咽部解剖结构以及鼻刺大小和鼻腔之间的关系决定。事实上，Kahn和他的同事最近的一项研究表明，当鼻孔大小相对于鼻腔允许有太少的泄漏时，即使是气泡式CPAP也会导致咽部压力明显过高，而太多的泄漏基本上否定了预期咽部压力的产生。

通常情况下，在NICU环境下，通过鼻插管产生的CPAP是以大约1-3L/min的流量进行的，有足够的鼻刺尺寸（相对于鼻腔内部尺寸），并且闭口创造高达8cmH2O的咽部压力。当流量和阻力成分得到相应的管理时，Limauro及其同事提出的基准数据表明，除非婴儿的嘴被关闭，鼻腔周围的泄漏最小，否则HFT鼻插管不可能提供临床上相关水平的CPAP。在一项后续的临床研究中，这些作者表明，16名接受HFT的婴儿的口腔压力只有在最小的婴儿和嘴巴关闭时才有临床意义。Spence及其同事表明，HFT可以有效地用于提供CPAP（在这项研究中<5 cmH2O）。

Wilkinson及其同事最近表明，婴儿的HFT可以导致临床相关的咽部压力增加，咽部压力与流量直接相关，但与婴儿的大小成反比。这项研究提供了证据，支持压力和流量之间的基本关系，即压力与流量和阻力成正比（P∼F×R）。因此，随着婴儿体型变小，由于较小的解剖结构提供的阻力，任何流速产生的压力都会增加。在这方面，该研究的主要局限性是，鼻刺的大小（影响鼻刺周围的泄漏）并没有随着婴儿体型的减小而减少，以使阻力正常化，而且流速也没有得到优化。就后一点而言，较小的婴儿可能不需要像较大的婴儿那样多的流量来实现死腔冲洗和支持吸气努力。

概括

通过鼻插管进行 HFT 现在是一种可行的选择，因为设备可以将吸入气体完全加热和加湿至体温和 100% 饱和度。适当调节的气体可以使患者感到舒适并最大限度地减少鼻咽结构的恶化。HFT 的作用机制有五重：HFT 1) 冲洗鼻咽腔的死腔，从而实现更好的通气和氧合，2) 提供足以支持吸气的流量，从而减少呼吸的吸气功，3) 改善肺功能通过消除干燥/冷却的影响来改善气道力学，4) 减少或消除气体调节的代谢成本，5) 可用于提供末端扩张压力。许多研究表明，鼻插管HFT在急性护理环境中的安全性和有效性，许多研究证明了HFT在常规氧合支持之外的疗效方面的潜力。