具有双通道通气和恒定泄气量功能的新型无创正压通气面罩治疗慢性阻塞性肺疾病急性加重合并CO2潴留患者的临床效果研究

黄桃，罗娜，罗松，徐钦

慢性阻塞性肺疾病急性加重（acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease，AECOPD） 是 呼吸系统多发疾病，常伴显著CO2潴留。无创正压通气（noninvasive positive pressure ventilation，NPPV）是治疗AECOPD合并CO2潴留患者的重要呼吸支持技术［1-2］。但因现有NPPV面罩内存在明显无效腔效应，容易导致CO2重复呼吸［3-4］，影响AECOPD患者CO2潴留的纠正［5-6］。为有效解决NPPV面罩内无效腔效应及CO2重复呼吸问题，本课题组发明了“具有双通道通气和恒定泄气量功能（two channels and constant leakage，TCCL）的NPPV面罩”（即TCCL面罩），并获国家实用新型专利授权（专利号：ZL201822124366.6）［7］。目前已经完成TCCL面罩的发明设计、产品试制及临床应用研究，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 设计思路与结构

1.1.1 TCCL面罩设计思路及工作原理 本课题组发现，造成NPPV面罩内存在显著无效腔效应的主因是呼气阀安装部位。呼气阀是无创呼吸机的呼气通路，呼吸回路内气体通过呼气阀外排至呼吸机外。呼气阀常规安装在呼吸机管道与面罩之间，安装部位操作简单，但面罩内、面罩与呼气阀之间的管道均存在呼气流和吸气流的气流通道交叉问题；同时患者呼气时需对抗呼吸机基础气流的阻碍才能呼出气体，从而进一步增加了面罩内无效腔气体的排出难度。

为解决上述问题，本课题组创新性设计了TCCL面罩（三维模型设计见图1）。TCCL面罩将呼气阀由传统安装部位改置于面罩前端，并采用平台型呼气阀。将呼气阀改置于面罩前端可实现双通道（吸气通道、呼气通道）独立分布，可解决面罩内、面罩与呼气阀之间管道的吸呼气流通道交叉问题，并可利用呼吸机吸气流和基础气流冲刷面罩内残留的气体，从而促进无效腔气体外排；采用平台型呼气阀，可动态控制泄气孔大小以维持整个呼吸周期泄气量的相对恒定，确保面罩内吸入气体氧气浓度（fracture of inspiratory oxgen，FiO2）和减少因漏气造成的人机拮抗。

图1 TCCL面罩三维模型设计图Figure 1 The 3D diagram model for the TCCL mask

1.1.2 TCCL面罩的结构组成 TCCL面罩是在面罩本体前端一体化设计平台型呼气阀的一种口鼻罩类型。TCCL面罩包括面罩本体、吸气通道、呼气通道（即平台型呼气阀）、硅胶密封部及头带等部件。吸、呼气通道均位于面罩本体前端的中轴线，吸气通道位于面罩本体下边缘。呼气通道位于面罩本体正前端，其长度为整个面罩高度的1/4～3/4。平台型呼气阀包括呼气阀阀体、变形膜片及呼气阀泄气孔。变形膜片边缘有一个泄气孔，泄气孔经变形膜片本体与阀体外壳之间的缝隙和呼气阀泄气孔相通，即面罩内气体依次通过变形膜片泄气孔→变形膜片本体与阀体外壳之间的缝隙→阀体泄气孔的路径而排出。面罩本体利用头带将硅胶密封部与患者紧密相连。头带包括头顶固定带、后脑固定带。后脑固定带通过4个锁定扣与10个锁定柱紧密配合而固定面罩本体，定时更换头带锁定扣安装位置，有利于改变头部受压部位而减轻头部压伤。头顶固定带与锁定卡条紧密配合而固定贴合垫，见图2。

图2 TCCL面罩结构图Figure 2 Structure diagram of the TCCL mask

1.2 TCCL面罩的临床应用与评价

1.2.1 临床应用 选择重庆医科大学附属第一医院重症医学科2020—2021年收治的30例AECOPD合并Ⅱ型呼吸衰竭行NPPV治疗的患者为研究对象。纳入标准：患者均符合《慢性阻塞性肺疾病急性加重（AECOPD）诊治中国专家共识（2017年更新版）》的AECOPD定义标准［8］，并且符合Ⅱ型呼吸衰竭合并高碳酸血症诊断标准，即动脉血氧分压（PaO2）<60 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa）且二氧化碳分压（PaCO2）>50 mm Hg。排除标准：痰多且无有效排痰能力，存在高误吸风险者；呼吸浅快、不规则，存在误触发风险者；合并其他器官功能衰竭者（恶性心律失常、血流动力学不稳定、严重脑部疾病、消化道穿孔/大出血等）。30例患者男18例，女12例；年龄40～67岁。收集所有患者的性别、年龄、治疗前急性生理与慢性健康评分（APACHEⅡ）、呼吸频率、动脉血气分析〔动脉血酸碱度（pH）、PaO2、PaCO2〕等资料。根据不同NPPV面罩类型，采用计算机随机数字法将入选的30例患者随机分成试验组和对照组，各15例；试验组采用M号TCCL面罩（无效腔容量约为240 ml），对照组采用M号传统NPPV面罩即ClassicStar SE口鼻面罩（无效腔容量约为240 ml），侧孔型呼气阀安装在呼吸机管道与面罩之间。本研究经重庆医科大学附属第一医院伦理委员会批准（伦理编号：20213101），患者均签署知情同意书。

1.2.2 治疗方法 两组患者均进行呼吸道感染控制、解痉、祛痰等基础治疗，以及利用Philips V60无创呼吸机实施NPPV。其中，呼吸机参数设置为：自主/时间控制模式（S/T）模式；呼吸频率为10～20次/min；吸气相压力（IPAP）初始参数为5～7 cm H2O；呼气相压力（EPAP）初始参数为2～3 cm H2O，经过5～10 min逐渐调至适应的参数水平，IPAP平均为（12±7）cm H2O，EPAP平 均 为（7±2）cm H2O； 氧 浓 度 35%～50%；Patient Leak漏气率<35 L/min。NPPV治疗10～15 h/d，间断辅以鼻导管吸氧3～5 L/min。调整呼吸机参数，使患者达到以下治疗指标：呼吸频率<25次/min，吸气潮气量6～8 ml/kg，维持血氧饱和度（SpO2）>90%。

1.2.3 数据监测及采集 利用美国GEM Premier 3000型血气分析仪检测NPPV治疗前（0 h）、治疗后4 h、8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h患者的PaO2和PaCO2数值。GEM Premier 3000型血气分析仪与Philips重症信息系统（H.02.02版本）进行设备集成及信息化集成，从而通过Philips重症信息系统自动抓取GEM Premier 3000型血气分析仪相应时间节点PaO2和PaCO2检测数值。

1.3 统计学方法 采用 SPSS 25.0统计学软件进行数据分析。符合正态分布的计量资料采用（±s）描述，两组间比较采用两独立样本t检验；重复测量资料采用重复测量方差分析，组内不同时间点之间比较采用配对t检验。计数资料以相对数表示，组间比较采用Fisher's确切概率法。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者治疗前临床资料比较 NPPV治疗前，两组性别、年龄、APACHEⅡ评分、呼吸频率及动脉血气分析比较，差异无统计学意义（P>0.05），见表1。

表1 两组患者临床资料比较Table 1 Comparison of clinical data between two groups

2.2 两组患者NPPV治疗前、后的动脉血气分析比较

采用两因素重复测量方差分析比较两组患者NPPV治疗前、后PaO2、PaCO2水平，结果显示，时间和组间对PaO2、PaCO2不存在交互作用（P>0.05），时间对PaO2、PaCO2主效应显著（P<0.001），组间对PaO2主效应不显著（F组间=0.153，P组间=0.699），组间对PaCO2主效应显著（F组间=5.129，P组间=0.031）。

两组治疗0 h的PaO2水平均低于治疗4 h、8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；两组治疗4 h的PaO2水平均低于治疗8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；两组治疗8 h的PaO2水平均低于治疗48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；对照组治疗24 h的PaO2水平低于治疗48 h，差异有统计学意义（P<0.05）；试验组治疗24 h的PaO2水平低于治疗48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）。相同时间点两组间PaO2水平比较，差异无统计学意义（P>0.05）。

两组治疗0 h、48 h、停止NPPV 24 h的PaCO2水平比较，差异无统计学意义（P>0.05）；试验组治疗4 h、8 h、24 h的PaCO2水平低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。两组治疗0 h时PaCO2水平高于治疗4 h、8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；两组治疗4 h时PaCO2水平高于治疗8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；两组治疗8 h的PaCO2水平高于治疗24 h、48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）。对照组治疗24 h时PaCO2水平高于治疗48 h及停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05）；试验组治疗24 h、48 h时PaCO2水平高于停止NPPV 24 h，差异有统计学意义（P<0.05），见表2。

表2 两组患者NPPV治疗前、后PaO2、PaCO2比较（±s，mm Hg）Table 2 Comparison of PaO2 and PaCO2 before and after treatment with NPPV between two groups

注：a表示与同组0 h比较P<0.05，b表示与同组4 h比较P<0.05，c表示与同组8 h比较P<0.05，d表示与同组24 h比较P<0.05，e表示与同组48 h比较P<0.05，f表示两组相同时间点比较P<0.05

组别 例数 PaO2 PaCO2 0 h 4 h 8 h 24 h 48 h 停止NPPV 24 h 0 h 4 h 8 h 24 h 48 h 停止NPPV 24 h对照组 15 59±6 74±6a 82±8ab 87±8ab 94±7abcd 90±8abc 74±7 72±6a 66±6ab 62±8abc 56±6abcd 54±4abcd试验组 15 56±6 75±9a 82±7ab 87±5ab 93±5abcd 90±6abcd 74±7 67±5af 61±7abf 56±6abcf 54±4abc 52±4abcde F 值 F时间=125.241，F组间=0.153，F交互=0.366 F时间=83.142，F组间=5.129，F交互=1.516 P 值 P时间<0.001，P组间=0.699，P交互=0.871 P时间<0.001，P组间=0.031，P交互=0.209

3 讨论

呼气阀是无创呼吸机管道、面罩等呼吸回路内气体的排出通道。既往研究证实，呼气阀类型［9-11］、位置［4，11-13］及泄气量［11，14］对面罩内 CO2重复呼吸量有显著影响。研究表明，不同呼气阀对面罩内CO2的清除效果有所不同［10］：平台型、单向呼气阀与侧孔呼气阀及面罩排气孔相比，更有利于减少面罩内CO2重复呼吸量。本课题组在应用NPPV治疗COPD合并高碳酸血症患者的过程中发现，平台型呼气阀纠正CO2潴留较侧孔型呼气阀更为迅速有效［9］。对全脸式呼吸机面罩进行空气动力学研究表明，面罩排气孔位置对鼻孔附近的空气流速及流场形态有显著影响，将排气孔设计在面罩前端可显著增加面罩内空气流速，利于CO2外排［12-13］。本研究课题组通过改造现有NPPV面罩，利用NPPV试验模型研究证实，平台型呼气阀或侧孔型呼气阀安装在面罩前端其面罩内时气管内呼气末CO2分压明显低于安装在面罩和呼吸机管道之间；当呼气阀均安装于面罩前端时，平台型呼气阀较侧孔型呼气阀更有利于CO2的排出［11］。有试验表明，当面罩内压力为20 cm H2O时，直径2.0 mm的呼气孔泄漏量约为12 L/min，直径增至4.0 mm时泄漏量增至25 L/min［14］。如果呼气阀泄气量超过呼吸机漏气补偿量，将影响吸气触发，导致人机不同步、通气效果降低，从而影响患者的氧合改善和通气舒适度［15-16］，这是NPPV应用中，患者出现不耐受甚至治疗失败的最常见原因。

本课题组根据前期研究成果，创新性设计了TCCL面罩。TCCL面罩将平台型呼气阀设计于面罩前端，实现了吸气流、呼气流独立通道的双通道设计和泄气量相对恒定的功能设计，从而达到呼气阀安装部位优置和呼气阀类型优选的技术集成，理论上有助于减少面罩内无效腔效应及CO2重复呼吸［17-20］。本课题组前期通过健康人试验表明，TCCL面罩对面罩内CO2清除效果优于普通型NPPV面罩且不影响吸入气体氧气浓度［21］。本研究发现，两组治疗4 h、8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h PaCO2水平均低于同组治疗0 h，且试验组治疗4 h、8 h、24 h的PaCO2水平低于对照组，两组治疗48 h及停止NPPV 24 h的PaCO2水平无明显差异。这说明TCCL面罩和传统面罩均能有效匹配NPPV而纠正AECOPD患者的CO2潴留，但TCCL面罩更为迅速有效；但TCCL面罩的中长期治疗效果尚不明确，有待进一步观察研究。本研究发现，两组治疗4 h、8 h、24 h、48 h及停止NPPV 24 h的PaO2水平均高于治疗0 h，但两组间各时间点PaO2水平无明显差异。这说明TCCL面罩不仅有助于快速纠正患者CO2潴留，也能取得与传统面罩无差异性的氧合改善效果。此外，还需重视面罩的材质、形状、型号及头带等方面改进，以确保面罩的密封性及舒适性［22］。

综上所述，TCCL面罩将平台型呼气阀设计于面罩前端，实现吸气流、呼气流独立通道的双通道设计和泄气量相对恒定的功能设计，有利于解决面罩内CO2重复呼吸问题。本研究初步证实TCCL面罩有助于快速纠正AECOPD患者的CO2潴留，并能有效改善患者氧合状态。未来将扩大面罩临床试验的样本量并进行该面罩的中长期疗效评价，以充分验证TCCL面罩治疗AECOPD合并CO2潴留患者的临床价值。本研究尚存在病例数及参数变量较少等局限性，有待进行大样本、中长期疗效分析及临床转归等情况的研究。

作者贡献：黄桃负责面罩发明设计、试制、临床试验、数据收集及论文撰写，对文章整体负责；罗娜负责面罩临床试验及数据采集；罗松负责面罩临床试验的数据采集、清洗和统计学分析；徐钦提出面罩研究思路，设计研究方案和临床试验质量控制。

本文无利益冲突。