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技術支持

兩種不同連接界面的無創通氣與有創通氣對呼吸系統力學的影響

時間:2015-08-29來源:本站作者:玉研儀器

兩種不同連接界面的無創通氣與有創通氣對呼吸系統力學的影響 ——肺模型研究

Onnen Moerer, MD; Sven Fischer; Michael Hartelt; Bahar Kuvaki, MD; Michael Quintel, MD; and Peter Neumann, MD, PhD

From the Department of Anaesthesiology, Emergency, and Critical Care Medicine (Drs. Moerer, Quintel, and Neumann),University of Gottingen, Gottingen, Germany; University of Gottingen (Mr. Fischer and Mr. Hartelt), Gottingen, Germany;Department of Anaethesiology and Critical Care Medicine (Dr.Kuvaki), Balkan Dokuz Eylul University School of Medicine,Izmir, Turkey.

This study was supported by grants from B & P Beatmung-sprodukte-GmbH, Neunkirchen, Germany, and departmental funds. Technical support was provided by TIM GmbH, Gottingen,Germany.

Correspondence to: Peter Neumann, MD, PhD, Department of Anaesthesiology, Emergency and Intensive Care Medicine,Georg-August-University of Gottingen, Robert Koch Str. 40,D-37075 Gottingen, Germany; e-mail: [email protected]

背景 無創通氣 (NIV) 在重癥監護醫學中應用越來越廣泛,但關于不同的NIV連接界面如何影 響呼吸機的性能則報道甚少。因此,我們對頭罩無創通氣 (NIV-H)、面罩無創通氣 (NIV-FM) 與有創通氣病人的延遲時間、壓力時間乘積 (PTP) 和無效呼吸驅動進行比較,旨在評估3種通氣模式對呼吸系統力學的影響。

方法 應用一能模擬自主呼吸的離體肺模型,在不同的呼吸末正壓 (PEEP) 和壓力支持 (PS) 水平下測量氣體流量和氣道壓。在不同的順應性、呼吸頻率 (RR)、持續氣道正壓 (CPAP) 和PS水平下測定無效呼吸驅動。

結果 NIV-H的延遲時間大約是NIV-FM和有創通氣的兩倍多 (P<0.001),但隨著CPAP (P<0.001) 和PS (P<0.001) 水平的增加,NIV-H的延遲時間逐漸縮短。在最初的吸氣相,NIV -H的PTP低于NIV-FM或有創通氣,但整個吸氣相的PTP則并非如此。NIV -H時無效呼吸驅動出現得更早,且隨著PS水平、RR和順應性的增加出現得越來越多。

結論 與NIV-FM和有創通氣相比,NIV-H雖然增加了延遲時間,但是減少了最初的PTP,這 提示為了獲得更大的潮氣量,NIV-H需要的呼吸功較少。增加CPAP和PS的水平可以降低 NIV-H的延遲時間,因此在可能的情況下應采取高水平CPAP和PS。在RR較快時可出現無效呼吸驅動,因此必須在NIV時進行嚴密監護。

關鍵詞 面罩 (facemask);頭罩 (helmet);有創通氣 (invasive ventilation);無創通氣 (noninvasive ventilation);壓力支持通氣 (pressure support ventilation);觸發 (trigger)

縮略語 CPAP = continuous positive airway pressure;DelayPEEP = time interval from the initiation of an inspiration until the preset positive end-expiratory pressure was reached again;DelayTRIGGER = time interval between airway pressure;NIV = noninvasive ventilation;NIV-FM = noninvasive ventilation with a face mask;NIV-H = noninvasive ventilation with a helmet;NPSV = noninvasive ventilation with inspiratory pressure support;Paw = airway pressure;PEEP = positive end-expiratory pressure;PS = pressure support;PSV = pressure support ventilation;PTP = pressure time product;PTPPEEP = corresponding pressure time product from the initiation of an inspiration until the preset positive end-expiratory pressure level was reached again;PTPTOT = pressure time product calculated over complete inspiration;PTPTRIGGER = corresponding pressure time product interval between the initiation of an inspiration and the time point when the deflection of the airway pressure-time curve showed no further decrease in airway pressure;RR = respiratory rate

無創通氣 (NIV) 被越來越多地用于急慢性呼吸衰竭和有創通氣后的序貫治療 [1~4]。為了降低氣管插管及其并發癥的發生,NIV已被用于治療急性低氧性呼吸衰竭[4~6]、嚴重心源性肺水腫[7] 或COPD急性加重期[3]。

以鼻罩或面罩相連的無創呼吸支持可以選用持續氣道正壓通氣 (CPAP),也可選用無創壓力支持通氣 (NPSV)。面罩已被廣泛使用,但其存在容易漏氣[8,9] 、病人不適[10]和鼻部壓力相關性潰瘍[11,12] 等缺點。這可能限制了NIV的持久使用,甚至使大部分的NIV失敗。為了提高病人對NIV的耐受性,研發出頭罩并且已被多家臨床機構成功使用[5,13~16] 。

隨著NIV在重癥監護醫學中的重要性增加和新連接界面的應用,促進了呼吸機的特殊治療模式的發展,以避免諸如高漏氣、死腔等問題。然而,只有非常有 限的資料說明,與標準的有創通氣相比,頭罩無創通氣 (NIV-H) 或面罩無創通氣 (NIV-FM) 是如何影響呼吸機性能的。在一個按需流量系統下,病人必須產生呼吸驅動才能觸發呼吸機送氣。因此對呼吸功來說,呼吸系統的觸發敏感度是十分重要的[17,18] 。由于頭罩具有較大的可壓縮容積,所以也可影響NIV的敏感度。此外,除了呼吸機具體的設置以外,病人的個體特點如依從性、呼吸系統阻力和呼吸頻率 (RR) 同漏氣一樣也可能影響呼吸機的性能,并可能導致人機不同步,結果,在NPSV時病人可以產生延遲吸氣或不觸發。因此,本研究旨在通過下列方面探討NIV的 兩種常用連接界面與有創通氣相比,對ICU中呼吸機性能的不同影響: (1) 監測吸氣驅動后的延遲時間; (2) 計算壓力時間乘積 (PTP); (3) 在不同的觸發靈敏度、壓力支持 (PS) 水平、RR和肺順應性條件下,監測無效呼吸驅動的出現情況。

材 料 和 方 法

設備

在一個連有肺模型的玻璃頭上連接頭罩 (Starmed Castar R;Mirandola;Modena,Italy)、面罩 (King Systems Corporation;Noblesville,IN),進行CPAP和NPSV (圖1)。 Castar頭罩 (中型) 的內部容積約7.5L,由于玻璃頭擁有一定的體積,所以當連接到 玻璃頭上后頭罩容積減少到2.4L。在頭罩底部用兩條帶子系成一個環,以防止頭罩充氣時移動。在頸部四周固定一塑料衣領以防止機械通氣時漏氣。吸氣和呼氣 管連接在頭罩的上部。

標準的面罩 (中型,內部容積125mL) 有一個可充氣的氣墊,用一個橡膠套緊密地固定在頭上。氣墊充10 ~ 20mL氣后緊密的貼在玻璃頭上。面罩連接在玻璃頭上后,內部容積減少到約100mL左右。

肺模型通過氣管插管 (Portex,7.5mm;Portex Ltd;Kent,UK) 連到呼吸機后進行有創通氣。利用我們病區的可進行有創通氣和NIV的常規ICU呼吸機 (Evita 4;Drager Medical;Lubeck,Germany),通氣模式為CPAP和PSV。

肺模型的測量方法

在頭罩的吸氣側用呼吸速度儀 (FleischⅡ;Fleisch;Lausanne,Switzerland) 測量氣體流量 (圖1)。 呼吸機與肺模型以一個可以自由活動的標準呼吸機管 (B&B Beatmungsprodukte GmbH;Neunkirchen,Germany) 相連。流量信號經一個模擬-數字轉換器后儲存在個人電腦中,經過整合后計算出氣體容 積。呼吸速度儀經一個大型流量計 (TSI4040 D;TSI Inc;Shoreview,MN) 校準。在每次測量前都在零流量下進行細致的調校,對進入頭罩前的吸氣管 的氣道壓力 (Paw) 采用一個壓力轉換器 (Sensorte-chnics;Puchheim,Germany) 進行監測。

時間延遲的測量

采用一個改進的肺模型 (LS1500;Dr鋑er Med-ical) 模擬自主呼吸。這個肺模型由一個電子驅動的可充氣的肺模擬器組成,可以調整潮氣量、RR、順應性和各呼吸阻力。

為了分析3種不同連接界面對觸發靈敏度、驅動和PTP的影響,我們將壓力曲線分為3個時相 (圖2): (1) 從吸氣開始到Paw-時間曲線的Paw不再下降的最低拐點時所代表的時間間隔 (DelayTRIGGER) 和相應的PTP (PTPTRIGGER); (2) 從吸氣開始到壓力恢復到呼氣末正壓 (PEEP) 時所代表的時間間隔 (DelayPEEP) 和相應的PTP (PTPPEEP); (3) 整個吸氣過程:在PS通氣 (PSV),包括自主呼吸過程中 (DelayTRIGGER),對壓力輸送過程中各部分進行相加以得到總PTP (PTPTOT)。

以200Hz的抽樣頻率記錄流量和Paw。每次呼吸開始,使用專業的程序對數據進行獲取、分析。研究如下的CPAP和PSV設置: (1) 在沒有PS的條件下,PEEP從4 ~ 16cmH2O; (2) 在PEEP為8cmH2O時,PS水平分別為5、10、15和20cmH 2O; (3) 在PEEP為8cmH2O、PS為5 ~ 15cmH2O時,將流速觸發分別設置為0.5、5和15L / min。數據取5次測值的均值。

無效呼吸驅動的測量

對于PS、RR和肺順應性對無效呼吸驅動的影響,通過一個雙腔、單側密封的肺模型 (TTLmodel

5600I;Michigan Instruments;Grand Rapids,MI) 進行測量。這個肺模型由兩個通過升降條相連的腔組成 (圖1)。呼吸機與肺腔以標準的呼吸機管 (B&B Beatmungsprodukte GmbH;Neunkirchen,Germany) 相連。代表呼吸肌的驅動腔連在一臺呼吸機 (Evita 4;Drager Medical) 上,采用吸氣時間為1s、潮氣量為300mL、吸氣流速為20L / min、RR不定的容量控制模式進行機械通氣。將壓力輸送時間間隔 (斜率)盡可能設置得短,將驅動腔的順應性設定為20mL / cm H2O。通過被使用的呼吸機管路和呼吸速度儀以使呼吸系統的呼吸阻力固定不變。

將代表肺的第2個腔連到呼吸機 (Evita 4;Dr鋑er Medical) 上,當驅動腔被呼吸機送氣時,肺腔則產生被動的移位。在下列設置參數下進行研究: (1) RR分別為10、20、30和40次 / min; (2)PS水平每分鐘升高1 cm H2O直至無效呼吸驅動出現,或PS達到30 cmH2O最大值; (3) 流速觸發分別為0.5和15L / min; (4) 呼吸系統順應性分別為30、60和90 mL / cm H2O。無效呼吸驅動可以從肉眼觀察到 (呼吸機的驅動腔不能觸發肺腔進行通氣),離線分析壓力-容量曲線。

統計學分析

采用自已設計的軟件和商業軟件進行統計學分析。如無特殊說明,數據以 xs表示。不同通氣模式 (NIV-H、NIV-FM與有創通氣)、PEEP或PS水平之間的延遲時間和PTP比較采用兩因素方差分析。如發現差異顯著,則使有Scheffe 檢驗進行兩兩比較分析。P<0.05示差異有統計學意義。

結果

延遲時間

在CPAP時,NIV-H的DelayTRIGGER (144 ~174ms) 與NIV-FM (70~74ms) 或有創通氣 (66~76ms) 相比明顯延長 (P<0.001) (圖3)。NIV-H的DelayPEEP (287 ~ 397ms) 與NIV-FM (171 ~ 184ms) 或有創通氣(151 ~ 156ms) 相比延長時間更長 (P<0.001)。在NIV-H時,隨著PEEP增加 (4 ~ 8cmH2O) 則延遲時間縮短 (P<0.001),而當PEEP > 8cm H2O時對延遲時間無明顯影響 (圖3)。與之相比,另兩種通氣方式則無此現象的發生。如上所述,當PEEP >8 cmH2O時對延遲時間無明顯的影響,所以在PEEP 為8 cmH2O時,研究不同PS水平對延遲時間的影響。 與CPAP相似,在不同PS水平下,NIV-H的延遲時間 與NIV-FM或有創通氣相比明顯延長 (P<0.001)。然而增加的PS水平顯著縮短了延遲時間 (P<0.001),這種現象在NIV-H時最為明顯 (當PS從5 ~ 20 cmH2O時,NIV-H的DelayTRIGGER減少37%,Delay PEEP減少47%;NIV-FM的DelayTRIGGER減少19%,DelayPEEP 減少38%;有創通氣的DelayTRIGGER減少5%,DelayPEEP減少16%)。

PTP

在PS時,三者的Paw時間過程表明不僅在觸發相不同,而且在隨后的壓力輸送過程也不同 (圖4)。NIV-FM和有創通氣的Paw在觸發延遲后迅速上升,而NIV -H則上升緩慢。因而,NIV-H在剛開始吸氣的250ms內的PTP略低于NIV -FM和有創通氣,但在整個吸氣過程則并非如此。

有趣的是,不僅PTPTOT,而且PTPTRIGGER和PTPPEEP也明顯受PS水平影響 (P<0.001) (圖5)。NIV-H在所有PS水平下的平均PTPTRIGGER[(-77±41)cm H2O×s]明顯低于NIV-FM[(-239±54)cm H2O×s]或有創通氣[(-215±15)cm H2O×s], 經事后分析,在所有PS水平下的平均PTPPEEP亦如此。然而,PTP TOT均值則在NIV-H[(8744±5594cm H2O×s]、NIV-FM[(7161±5584cm H2O×s]或有創通氣[(9902±6659cm H2O×s]中無明顯差異,但在高PS水平時NIV- FM與有創通氣的PTPTOT均值則存在顯著差異 (圖5)。

流速對觸發敏感度的影響

在PEEP為8 cmH2O、PS分別為5、15 cmH2O條件下,研究流速觸發對呼吸力學性能的 影響。不同的流速觸發 (分別為0.5、5和15L / min) 對NIV-H的DelayTRIGGER、DelayPEEP和PTP有顯著影響,而對NIV-FM和有創通氣影響較小。當流速觸發從15L /min降至0.5L / min時,DelayTRIGGER減少20%,DelayPEEP減少14%,而PTP TRIGGER、PTPPEEP則分別減少42%和37%。

無效呼吸驅動

在RR較快時,隨著PS和肺順應性水平增加和觸發敏感度的下降,無效呼吸驅動出現頻率增加 (表1)。此外,與NIV-FM和有創通氣相比,NIV-H在較低的PS和RR時檢測到了無效呼吸驅動,所以機械通氣的不同連接界面也可影響無效呼吸驅動的產生和發生頻率 (表1)。

討論

因為NIV-H的延遲時間大約是NIV-FM和有創通氣的兩倍多,所以頭罩對ICU中呼吸機性能產生很大的影響。PS和CPAP水平對NIV-H的 延遲時間有很大的影響,但對于NIV -FM和有創通氣來說則并非如此。此外,吸氣初期 NIV-H的PTP小于NIV-FM和有創通氣,但在具有PS的整個吸氣過程則并非如此。在NIV-H時無效呼吸驅動出現得更早,并隨著PS、RR和順應 性的增加進一步加重。

技術方面

機械通氣不同連接界面的順應性和漏氣程度對這個機械模型肺的實驗數據有很大的影響。由于各種頭罩的順應性不同,所以對不同的頭罩進行重復測量后,得 到的實驗數據差異相對較大。假如我們使用不同的頭罩和呼吸管路,則測量的延遲時間和PTP則可能產生變化。Delay TRIGGER表示的是從吸氣開始到Paw-時間曲線上Paw不再下降的低位拐點所代表 的時間間隔,這個低位拐點容易識別并且可靠性大。然而,由于呼吸機在Paw達到Paw曲線最低點 時已經開始送氣,所以DelayTRIGGER的這種定義使我們過多估計了Delay TRIGGER。即使抽樣頻率為200Hz,預先估計的時點也不能與呼吸機開始工作的 時點相一致。呼吸機開始工作的時點大約出現在Paw曲線最低點前的5 ~ 10ms。此外,有創通氣延遲時間的測量在呼吸機廠家 (Dr鋑er Medical;personal communication,2004) 的質控范圍內。

延遲時間

機械通氣的連接界面影響呼吸機按需流量系統的性能:與有創通氣相比,NIV -H時DelayTRIGGER和DelayPEEP明顯延遲,而NIV-FM時Delay TRIGGER和DelayPEEP則稍有延遲。這種現象在PEEP<8 cmH2O時更明顯,當PEEP >8 cmH2O時則影響較小 (圖3)。與NIV-H相比,PEEP水平對NIV-FM和使用氣管插管的有創通氣的延遲時間幾無影響。這種現象是由于隨著PEEP增加使頭罩的彈性增加,使壓力傳導得以改善。所以隨著PEEP的增加,也增強了觸發的敏感性。

使用頭罩時,PS明顯縮短了延遲時間,而對面罩和有創通氣的影響相對較小。這些結果提示,當進行NIV-H時,為了提高觸發的敏感性,應該使用臨床上安全且病人能夠耐受的最高水平PEEP和PS。

DelayPEEP看起來對于一個需要高肺泡擴張壓的急性低氧性呼吸衰竭的患者來說是十分重要的。在連續呼吸時,肺泡萎陷、復張可能會在時間常數不超過400ms的肺區域快速出現 [19]。依靠提供的PEEP和PS,DelayPEEP平均為81 ~ 397ms。這個時間間隔使快時間常數的不穩定肺區域的肺泡塌陷。然而,自主呼吸時Paw下降總是繼發于跨肺壓的增加,所以不會引起肺不張。

呼吸功

盡管NIV-H在吸氣初的延遲時間長,但其相對小的負PTP (PTPTRIGGER和PTPPEEP),提示NIV-H的呼吸功小于NIV-FM和有創通氣。乍一看,這個驚人的發現與Chiumello等[13]研究結果相反。他們發現 NIV-H與NIV-FM相比,較小的PTP提示NIV-H獲得較少的呼吸支持。然而,他們計算PTP時是在吸氣開始后,因而忽略了在DelayTRIGGER過程中最初壓力下降部分的PTP [13]。 此外,PTPTRIGGER可能隨著病人的呼吸驅動和不同呼吸機的特點而發生變化。如果沒有氣體儲備,則在呼吸機提供充足的高速氣體前病人會產生波動的氣 道負壓。與氣管插管和面罩相比,頭罩有較大的氣體儲備,這些儲備的氣體可以被病人在呼吸機送氣前使用。所以即使NIV -H的延遲時間長,但PTP是較小的。這一發現對臨床上需要減少呼吸功的呼吸肌疲勞的病人 (如神經肌肉疾病或COPD) 來說,可能提供臨床依據[20,21]。因為NIV-FM 和有創通氣的吸氣后半程壓力輸送得更快,所以三者的PTP TOT沒有什么差異。這也在Chiumello等[13]研究中得到了證實。

Racca等[22]最近用一個人阻力負荷呼吸模型研究頭罩的性能,發現與面罩和有創通氣相比,頭罩呼吸功更高,與本研究結 果一致 (圖5)。NIV-H不能有效地減少呼吸肌的負荷,部分原因是由于在輔助通氣時頭罩的較長吸氣時間延遲及其固有的不完善增壓比率。然而,增壓過程可能依賴 漏氣程度和呼吸機的最大吸氣流速。因為本肺模型研究中避免了漏氣的發生,所以就較好地解釋了NIV -H時關于PTP的結果。

此外,抵抗呼吸時NIV-H所致CO2的重復呼吸幾乎導致了雙倍的分鐘通氣量[22],這更可能是增加呼吸功的主要原因。NIV-H限制了CO2的排出,已在COPD病例研究中加以描述[23]。另一實驗研究 [24]發現NIV-H增加了CO2的濃度,在按需流量系統中尤為明顯,這說明NIV-H限制了CO2的排出。該兩項研究[23,24]提示,一個持續流量或流速觸發系統對減少吸入的CO2濃度和CO2重復呼吸的危險可能是有益的。

無效呼吸驅動

無效呼吸驅動的出現與RR、PS水平、PEEP水平和呼吸系統順應性有關。不幸的是,以前提倡的高PS更易產生無效呼吸驅動。臨床上,PS水平一般小于15cm H2O。在這一PS水平下,我們觀察到只有RR > 30次 / min時才會出現無效呼吸驅動。在呼吸順應性典型如機械通氣患者的60mL / cm H2O、PS<8cm H2O時,不論RR多少,NIV-H都沒有出現無效呼吸驅動。在順應性為60mL / cmH2O、NIV-FM的PS<10cmH2O、有創通氣的PS< 11cmH2O時,沒有出現無效呼吸驅動。與這些研究結果類似,Chiumello等[13]在 人類志愿者的研究中發現,無論使用頭罩或面罩都沒有出現無效呼吸驅動;但是在這一研究中RR沒有超過(14.9±4.1)次 / min。在RR > 20次 / min時,高PS水平的有創通氣和NIV都會產生人機不同步;但是增加觸發敏感度降低了無效呼吸驅動的發生率。此外,用于NIV的呼吸機應具有高吸氣流速 系統,這是因為降低最大吸氣流速會使延遲時間和無效呼吸驅動增加。本實驗中使用的呼吸機峰流速為180L / min,超過人自主呼吸時的最大流速。

結 論

與NIV-FM和有創通氣相比,NIV-H時的DelayTRIGGER和Delay PEEP較長,但PTPTRIGGER是最小的,這可能是由于頭罩氣體儲備較大。為了提高系統的性能,在呼吸機的臨床參數設置上,至少給予6 cmH2O的PEEP可能是有益的。在呼吸機的大多數臨床參數設置上,增加PS可能進一步縮短延遲時間,將很難誘發無效呼吸驅動的出現。此外,在高RR時所有的連接界面都出現了無效呼吸驅動,因此推薦NIV時應對病人進行嚴密細心的臨床監護。

(馬濤 譯 劉志 校)

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