经鼻高流量氧疗的生理效应及应用进展

刘晓英 隋永芹 吴萌萌 房宁宁 高健 王伯丽 杨芳杰

氧气治疗是对各种原因引起的低氧血症患者常规和必不可少的治疗手段,在纠正缺氧、缓解呼吸困难、保护重要器官、促进疾病康复等方面具有重要作用[1-4]。特别是近几年,随着新冠肺炎疫情的暴发,经鼻高流量氧疗由于其独特的生理学优势和舒适性已经成为临床一线的氧疗方式,特别是在新冠肺炎重型和危重型患者的治疗过程中,HFNC 同样发挥了重要作用[5-7],我们通过对HFNC的结构介绍、生理效应以及应用进展进行综述,希望能够为患者呼吸支持方式的选择提供更多的临床证据。

1 经鼻高流量氧疗的结构介绍及生理效应

1.1 经鼻高流量氧疗的结构介绍 经鼻高流量氧疗是指:通过无需密封的鼻导管(或气切导管)将相对精确氧浓度的空氧混合气体输送给患者的一种氧疗方式,设备构成主要有:空氧混合装置、加热湿化器、高流量鼻塞以及高流量加热管路[4,5]。

1.2 经鼻高流量氧疗的生理效应

1.2.1 输送相对精确的吸入氧浓度:正常成人每次吸气的气体峰流速为40～60 L/min,而传统的氧疗方式提供的氧气流量远远低于患者的吸气峰流速[8,9],此外,由于传统的氧疗方式容易受到患者吸气时间、吸呼比、潮气量、分钟通气量等的影响,进而导致吸氧浓度不准确,无法达到临床预计的效果[10,11]。HFNC提供的气体流量能够达到60 L/min,这远高于患者的实际吸气峰流量[12],所以当HFNC提供的吸气峰流量大于患者本身的吸气峰流量时,患者无需再吸入过多的空气,患者的吸入氧浓度相对精确[13]。Ritchie等[14]的研究表明,当受试者的吸气峰流量小于HFNC所能提供的峰流量时,无论受试者吸气流速怎么改变,HFNC都能提供稳定的吸入氧浓度,当受试者的吸气峰流量大于所能提供的峰流量时,HFNC 也会受到伴随吸入空气的干扰,不能达到所设置的氧浓度。而且发现,闭口式吸氧时,提供的气道正压跟流速呈正比。

1.2.2 改善气道黏液纤毛转运系统功能,提供良好的温湿化环境:气道的黏液纤毛转运系统是气道廓清的三大机制之一,而良好的纤毛转运系统依托于良好的温湿化环境[15],人类肺泡中的等温饱和界面需要的温湿度是37℃、100%的相对湿度[16],而HFNC完全能够在上气道提供。所以,随着等温饱和界面的上移,患者的温湿化得到改善,黏液纤毛转运系统的清理能力得到增强[17]。Hasani等[18]通过高分辨CT扫描确诊了14例支气管扩张的患者,要求患者采用HFNC氧疗3 h,连续6 d,通过放射性气溶胶技术来测量肺部的沉积率来判断患者的黏液纤毛转运系统的功能;结果是患者的黏液纤毛转运系统功能得到明显改善,咳嗽次数减少,且肺功能参数也趋向于改善。

1.2.3 产生呼气末正压,改善呼吸形式:正常成人在呼气末会有一定的功能残气量用于支撑气道和防止肺泡塌陷,而气管切开的患者由于声门无法闭合导致功能残气量的丧失,容易引起肺泡塌陷、肺不张等并发症[19,20]。Groves等[21]证实HFNC随着患者吸气流量的增加,呼气和吸气口咽部压力也随着增加,而产生压力的因素主要依赖于患者的吸气流量和是否是张口呼吸,压力在闭口呼吸时最大。Braunlich等[22]学者研究表明,与自主呼吸相比,HFNC能够增加患者的咽部压力,降低呼吸频率,增加潮气量和分钟通气量。

1.2.4 持续冲刷鼻咽部死腔,增加肺泡通气量:临床常常把只参与气体运输不参与气体交换的气道叫做死腔,解剖死腔存在于终末细支气管以上的气道,容积大约为150 ml左右,而上气道的死腔主要包括鼻咽喉三部分,容积为50 ml[23],解剖死腔不仅降低了通气效率,降低了肺泡通气量(分钟通气量-死腔通气量),导致上气道二氧化碳的重复吸收。Frizzola等[25]学者证实:HFNC随着气体流量的增加,冲刷的二氧化碳也越多,肺泡通气量越高。

2 HFNC在特殊成人疾病患者中的应用

2.1 HFNC在外科手术(以心脏手术为代表)患者中的应用进展 心脏手术后肺部并发症比较常见,因为成人患者心脏手术常常选择全麻的手术方式,需要气管插管机械通气,当撤机拔除气管插管后胸腔恢复负压通气状态,回心血量增加,导致心脏前负荷增加,此时适当增加呼气末正压进行氧疗能够一定程度改善心脏功能,同时有益于维持足够的肺泡通气及氧合。HFNC用于心脏外科术后患者的研究不多,此类患者发生急性呼吸衰竭的原因是多方面的,其疗效尚需大规模随机对照研究来证实[26]。Corley等[27]证实呼气末的肺容积和功能残气量增加,特别是BMI较高的肥胖患者或者不能忍受无创通气的患者可能更受益于HFNC。

2.2 HFNC在急性呼吸衰竭(ARF)患者中的应用 急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS),临床主要表现为持续性低氧血症、呼吸窘迫及ARF,是临床最常见的急性呼吸衰竭疾病之一[28]。其中呼吸支持是其核心治疗方式之一。 近年来,呼吸支持治疗手段越来越多样化,治疗理念也取得长足进步,特别是经鼻高流量的临床应用,也使得ARDS的呼吸支持方式有了更多元化的选择[29]。 Messika等[30]结果显示:60%的接受HFNC氧疗的ARDS患者避免了气管插管,而40%接受气管插管的患者他们拥有更高的简化急性生理学评分Ⅱ(SAPS Ⅱ;46 vs 29,P=0.001),治疗过程中发生器官衰竭(76% vs 26%,P=0.002),血流动力学不稳定(50% vs 7%,P=0.002),所以较高的SAPS评分被确定为患者治疗失败的重要预测因素。在轻症ARDS患者中也意味着可以将HFNC作为ARDS治疗的常规呼吸支持方式。结论是:HFNC可被视为ARDS的一线氧疗方法首先进行尝试,但需严密观察氧合效果,适时调整氧疗策略。

2.3 HFNC加长期氧疗对慢性呼吸衰竭(以COPD为代表)居家患者的远期疗效 静息严重低氧血症的慢性阻塞性肺疾病患者最理想的是接受≥15 h/d的长期氧疗,能够改善患者的生存率,但预期寿命实际上是有限的,因为COPD患者往往伴随很多的并发症[31,32]。早前的大量研究已提示经鼻高流量氧疗能够使罹患COPD的患者从中获益,包括延长其距首次急性发作的时间、改善FEV1等[33,34]。Storgaard等[35]就慢性阻塞性肺疾病患者使用HFNC联合LOTO的长期疗效进行观察,结果显示HFNC组的患者AECOPD发作次数、入院次数更低,并且能改善患者的症状,减少并发症。

2.4 HFNC在心脏疾病(以心源性肺水肿为代表)患者中的应用 HFNC通过提供外源性PEEP、可调节的FiO2改善心功能与缺氧。Onlak Makdee等[36]学者在泰国曼谷的Siriraj 医院开展了一项开放的随机对照研究,结果显示,HFNC治疗组的呼吸频率更低。说明对于心源性肺水肿患者来说,HFNC能够改善患者的呼吸形式,降低呼吸频率,改善呼吸困难。

2.5 HFNC在气管切开患者中的的应用 McNamara等[37]学者一项研究结果证实:当使用时间>20 h,与湿热交换器相比,呼吸湿化器可以改善呼吸做功。而当使用时间长达10周,呼吸湿化器可降低临床不良事件的发生率。

2.6 HFNC在慢性呼吸衰竭稳定期(以高碳酸血症性COPD为例)患者中的应用 越来越多的临床证据支持将HFNC用于慢性阻塞性肺疾病急性加重患者[38,39]。然而,因罹患慢性阻塞性肺疾病伴慢性高碳酸血症性呼吸衰竭的患者,家庭使用HFNC治疗是否能获益尚不清楚[40]。日本研究者Kazuma Nagata等[41]通过一项交叉试验。结果显示:HFNC氧疗不仅提升健康相关的生活质量评分,更能改善稳定期高碳酸血症性COPD患者的高碳酸血症。

2.7 HFNC在新型冠状病毒呼吸支持中的应用 《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)》已将高流量鼻导管氧疗作为重型、危重型病例的必要的呼吸支持手段之一,当患者接受标准氧疗后呼吸窘迫和低氧血症无法缓解时,可考虑使用高流量鼻导管氧疗[42-44]。但如果短时间内1～2 h,患者症状没有改善或者继续恶化,应当尽早进行有创通气。而且在撤机拔管后,可以序贯无创通气或者高流量氧疗。王超平等[45]做的一项临床研究结果表明HFNC与无创通气(NIV)均能有效改善新冠肺炎所致ARDS患者呼吸与循环参数,而HFNC具有更好的舒适性与耐受性,能减少相关并发症的发生。赵志伶等[46]的一项回顾性研究也表明:与HFNC相比,NIV并不能显著降低新冠肺炎合并ARDS患者的插管率和病死率,但能够显著提高新冠肺炎患者的S/F比值[利用S/F比值代替氧合指数(PaO2/FiO2)诊断ARDS]。

2.8 HFNC相对于传统氧疗在患者急诊患者住院前的应用 刘奇等[47]从搜索PubMed,Cochrane图书馆,Ovid和Embase数据库,选取相关的随机对照试验,比较HFNC和氧气疗法(COT)在急诊科中对呼吸困难患者的住院率、插管率和医院死亡率的影响,最终筛选出4项研究。HFNC与需要更高级通气的发生率较低相关,HFNC减少了呼吸困难的发生率,降低了呼吸困难的量表评分,并降低了患者的呼吸频率。但是没有足够的证据显示对HFNC的患者氧合作用和医院死亡率有显著影响。所以对于住院前呼吸困难和低氧血症的患者,HFNC的短期作用不可否认。与COT相比,HFNC降低了需要更高级通气和重新呼吸困难的风险。在明确诊断呼吸困难之前,HFNC可能被认为是住院前的一线治疗。

2.9 经鼻高流量氧疗在免疫功能低下的ARF患者中的应用 童朝晖等[48],研究显示,与传统氧气疗法相比,HFNC的插管率较低,还发现HFNC不会增加院内获得性感染的风险。然而与其他非侵入性操作相比,HFNC在ICU病死率,院内病死率和90 d病死率方面无差异。研究结果表明,与传统氧疗相比,HFNC的插管率更低,相较于NIV而言,HFNC可能是NIV的可行替代方案,他们的插管率没有显著差异。

2.10 经鼻高流量氧疗在呼吸机撤机期间低氧血症患者中的应用 与传统氧疗相比,经鼻高流量氧疗可以为患者提供更高的气流和更高的温度和湿度。由于其良好的耐受性,已经越来越受到临床关注。多项高质量研究表明,HFNC对低氧血症患者或术后患者的治疗效果不逊于NIV[49]。刘涛涛等[50]从重症监护医学信息数据库 IV (MIMIC-IV)中筛选了机械通气撤机的低氧血症成年患者。根据拔管后是否接受HFNC或NIV,将患者分为治疗组或对照组,治疗组在拔管后接受连续或间歇HFNC,对照组在拔管后接受连续或间歇NIV。进行倾向评分匹配(PSM)后,比较2组的28 d死亡率和28 d再插管率。共筛选524 520份病历,纳入801例机械通气撤机时出现中重度低氧血症的患者(100 mm Hg0.05)。结论表明:HFNC的治疗效果并不逊色于NIV,即使是对脱离呼吸机时氧合指数为160～ 180 mm Hg的患者。

2.11 经鼻高流量氧疗在麻醉术后低氧血症患者中的应用 低氧血症是患者麻醉术后恢复期间的常见并发症,可引起肺部感染、呼吸衰竭等并发症。因此,降低麻醉术后低氧血症的发生率是临床重点关注的问题。Li等[51]做的一项前瞻性随机对照试验结论是HFNC可改善老年患者氧分压及呼吸功能在气管内全麻下接受骨科手术。因此,HFNC 可用于预防麻醉术后低氧血症的发生。

2.12 HFNC在急危重症患者气管插管前预充氧中的应用 目前,在医院危重症医学科的患者中,有超过60%的患者需要紧急气管插管,而为了避免插管过程中发生低氧血症、血流动力学不稳定、严重者甚至出现心脏骤停等并发症,有关指南建议在插管前一定要预充氧,而预充氧的关键在于设备的选择,近几年,经鼻高流量的临床应用越来越广泛,特别是在气管插管患者预充氧的患者中也做了大量的研究。Minguel等[52]开展的一项前瞻性随机非盲研究,结果显示插管前应用经鼻高流量预充氧的方式能够带来更好的临床预后和更低的死亡率。在经鼻高流量氧疗深入临床之前,预充氧的方式一般选择应用无创通气,但是与使用单独无创通气相比,无创联合高流量氧疗在预充氧中的应用效果研究甚少,Jaber等[53]对照组单独使用NIV预充氧,结果发现 HFNC组在插管过程中最低SpO2值明显高于对照组(100% vs 96%,P=0.0029),认为在气管插管前 NIV联合HFNC用于预充氧,可作为一种新的气管插管前的预充氧策略,可提高患者在插管过程中的安全性。虽然,大量的研究显示,经鼻高流量氧疗在气管插管患者预充氧中的效果显著,但是,如何去界定预充氧的时间以及如何避免漏气和可能带来的副作用任然给我们带来了极大的挑战。

3 经鼻高流量氧疗在儿科中的应用

儿科病房传统的无创呼吸支持手段主要是经鼻持续气道正压通气 (CPAP)[54], 往往容易出现漏气、腹胀、头面部压疮、气胸、等并发症[55]。普通氧疗在儿科患者中应用具有吸入氧浓度不精确,湿化不足等弊端。近年来,经鼻高流量氧疗作为一种新型的呼吸支持技术,正逐渐被广泛应用于儿科病房或者儿科重症监护病房[56,57]。Osama Hosheh等[58]研究表明:经鼻高流量氧疗在儿科患者中的应用值得临床推广。

4 HFNC在新生儿中的应用

经鼻高流量目前在全球的新生儿重症监护室中(NICU)广泛应用,而各类临床研究也不断涌现。近年来的多项随机对照研究就经鼻高流量作为新生儿无创呼吸支持方案的有效性和安全性进行系统评估,两项新近的Meta分析确认在拔管后的早产儿中使用经鼻高流量有极有力的临床证据,与其他的无创通气方式相比时,具有“非劣效性”或“等同有效性”。2017年,Yodar等[59]共同撰写了这篇共识,发表在Journal of Perinatology。旨在确定对NICU应用高流量的认识,包括起始设置、适应证、治疗升级、撤离和何时终止高流量等。共识的主要内容有:治疗过程需要充分的加温湿化,避免鼻孔完全堵塞,治疗最高流速8 L/min,在增加和减少流速时评估吸入氧浓度及呼吸做功,对≥28周需改善呼吸窘迫的婴儿而言,经鼻高流量氧疗与经鼻无创正压通气(CPAP)疗效一致,对使用CPAP做无创通气支持稳定期婴儿,经鼻高流量氧疗效果一致,起始流速范围4～6 L/min,可使用经鼻高流量作为轻度呼吸窘迫的一线治疗。而如何进行经鼻高流量的撤机未取得共识,临床通常为原发病控制后逐渐降低HFNC参数,如果达到以下标准即可考虑撤离HFNC:当常规鼻导管吸氧2～3 L/min能维持氧合需要即可停用HFNC。

5 HFNC的撤离

HFNC撤离是在患者原发病得到控制、呼吸情况好转时,可考虑逐步降低 HFNC 条件。首先需要评估患者的呼吸循环情况以及精神状态等生命体征,若处于相对稳定状态可以逐步降低吸氧浓度,当Ⅰ型呼吸衰竭吸氧浓度降到<0.4或Ⅱ型呼吸衰竭吸氧浓度降低到<0.35时,可以逐渐降低气体流量(每2小时降低 10 L/min),当气体流量降低到 15～20 L/min 时停用 HFNC,改为鼻塞吸氧。在气体流量下降过程中应密切监测呼吸频率、SpO2、血气分析、呼吸运动及患者呼吸困难主诉等,若上述指标恶化,则暂缓降低气体流量[59,60]。

HFNC作为新的一种呼吸支持技术在临床得到广泛应用,与传统的氧疗装置相比,HFNC在精确的氧浓度、PEEP效应、改善氧合等方面具有明显优势,对于无创通气来说,其舒适性和温湿化要更占优势。但受到患者体位、选择的鼻塞型号、张口呼吸以及管路冷凝水等因素的影响,高流量氧疗的临床效果并不确切,所以在临床应用中如何规范合理使用,明确其适应证,尚需要进一步的研究论证[61]。