兒童高頻振蕩通氣技術的臨床應用
文章來源：中國小兒急救醫學, 2017,24(02): 81-86
作者：王媛媛 陸國平
摘要
高頻通氣是應用近於或少於解剖無效腔的潮氣量(約為2 ml/kg)，高的通氣頻率(目前公認通氣頻率≥正常4倍以上)，在較低的氣道壓力下進行通氣的一種特殊通氣方法。與傳統常頻機械通氣比較，既克服了呼氣末肺泡萎縮和吸氣末肺泡過度膨脹問題，又保證了肺有足夠的彌散和氧交換。故而，近年來得到重症醫學界的廣泛關注，已越來越多地應用於臨床。本文就高頻通氣的原理、分類、參數設置及臨床應用適應證作一介紹。
1高頻呼吸機的通氣原理及分類
1.1高頻通氣(high-frequency ventilation，HFV)原理
HFV基於呼吸機在氣道內產生的高頻壓力/氣流變化方式及呼氣是主動還是被動，目前臨床使用的主要為氣流阻斷型、噴射型和振蕩型三類。高頻氣流阻斷是通過間斷阻斷高流速過程產生氣體脈衝。高頻噴射通氣通過高頻電磁閥、氣流控制閥、壓力調節閥和噴嘴將高頻率、低潮氣量的快速氣體噴入氣道和肺內。高頻振蕩通氣(HFOV)通氣迴路在高速氣流基礎上通過500～3 000次/min的高頻活塞或揚聲器運動將振蕩波疊加於持續氣流上；少量氣體(20%～80%解剖死腔量)送入和抽出氣道，產生5～50 ml潮氣量(2.4 ml/kg，大於死腔2.2 ml/kg)。HFV氣體交換機制包括：直接肺泡通氣、對流性擴散、並聯單位間氣體交換、縱向(Taylor)分布、擺動呼吸、非對稱速度分布、心源性混合和分子彌散等。與常頻機械通氣(conventional mechanical ventilation，CMV)比較，HFV使用了開放模式，具備低潮氣量、低氣道壓、低胸內壓和呼氣末加壓效應，因而可避免肺泡反覆啟閉，不產生剪切力，始終保持肺均勻性開放，克服了呼氣末肺泡萎縮和吸氣末肺泡過度膨脹問題，保證了肺有足夠的彌散和氧交換[1]。有研究表明，HFV可有效改善局部肺組織的缺血缺氧狀態，減少炎症因子過度釋放和氧自由基過度表達，減少肺組織急性損傷性改變[2,3]。其中，HFOV呼氣為主動過程，氣體瀦留現象較其他類型高頻呼吸機少，是目前使用最多的類型。
1.2高頻呼吸機分類
1.2.1呼氣閥阻斷＋venturi輔助呼氣
通過快速開關呼氣閥門產生高頻氣流及選擇平均氣道壓(MAP)，同時通過venturi噴射系統產生負壓輔助呼氣。代表機型為DragerBabylog 8000＋，其HFV模式可單獨應用，也可與間歇指令通氣(IMV)或持續正壓通氣(CPAP)聯合使用，由於機器輸出的潮氣量有限，僅適合體重低於2 kg的新生兒，其調節PaCO2和PaO2的功能不能分離；其HFV參數範圍中MAP即為常頻通氣時測得的MAP，而振幅(P)為設定百分比值計算所得P＝(60－MAP)×X%，實際操作中，當頻率在10～15 Hz，振幅>50%後，潮氣量不隨振幅增加而增加[4]，這可能與其高頻氣流阻斷原理有關(圖1)，不能主動進行CO2清除；此時需要考慮降低頻率和改變氣管插管內徑，持續氣流由呼吸機自動設置，但並不能調節吸呼比例。而Drager VN500是Babylog 8000＋改進型，其HFV原理與Babylog8000＋相同，但在呼氣閥膜片改進後VN500在MAP和P的設置閾值上有所提高，因此可適用於10 kg以內(VN500理論高頻通氣體重20 kg)的嬰幼兒進行HFV，但實際可使用體重還需要驗證。
圖1Babylog系列高頻通氣氣流阻斷原理(呼氣閥門阻斷)
1.2.2雙向噴射氣流＋旋轉噴射高頻發生器
其原理在呼氣末端有旋轉噴射裝置產生高頻氣流，在此裝置近端還有兩個噴氣口產生與持續偏流逆向的氣流從而產生PEEP及吸氣峰壓(PIP)。其代表機型SLE5000同時具有常頻和高頻振蕩模式，適用於300 g～20 kg體重範圍的新生兒和嬰幼兒，高頻振蕩也能與常頻指令性通氣組合使用。由於SLE5000獨特的雙向噴射氣流及氣路無閥門設計(圖2)，在呼氣迴路產生與偏流(5 L/min)的逆向氣流從而產生CPAP及PIP；而在逆向氣流發生器末端再加旋轉噴射裝置產生高頻氣流。由於並無主動呼氣機制，SLE5000在呼氣迴路應用帶有壓力活化控制器的噴射裝置代替電磁線圈閥門，使呼氣迴路無閥門，從而氣體呼出響應時間更短(2 ms)，以防止CO2瀦留。SLE5000高頻呼吸機也能在10～20 kg嬰幼兒產生不錯的振蕩力量，但實際可使用體重仍需要驗證。
圖2SLE5000氣流阻斷-雙向噴射氣流原理示意圖
1.2.3鼓膜或活塞振蕩
目前主流HFV均採用鼓膜振蕩來產生高頻氣流，其中SensorMedics3100系列是最經典的高頻振蕩呼吸機。關於HFV臨床指南90%以上是根據SensorMedics3100制定。主要原理採用電磁驅動的鼓膜以及真正的振蕩器，不僅可以主動送氣還可以主動呼氣，且通氣和氧合可分別獨立控制(圖3)，其中MAP獨立控制氧合，而振幅及振動頻率調節通氣。只有鼓膜振蕩呼吸機可以調節吸呼比值(I∶E)，使其性能更加出色。其中SensorMedics3100A是唯一經FDA批准可用於新生兒呼吸衰竭早期的高頻呼吸機，而SensorMedics3100B是唯一一款可用於成人的高頻呼吸機。SensorMedics3100B理論潮氣量達到250 ml，按照HFV潮氣量≤死腔量(約2 ml/kg)計算，SensorMedics3100B是目前唯一可用於體重>30 kg兒童的高頻呼吸機，但實際可使用體重仍有爭議。利用相同原理設計製造的呼吸機包括Fabian、德國Leonie＋等；其中Fabian高頻模式最大潮氣量也可達100 ml，可應用於體重小於30 kg兒童，其HFV模式中加入容量保證(VG)模式，如在HFV時打開VG模式，呼吸機自動調整振幅以完成設定的潮氣量，同時通氣過程中可進行呼氣末CO2監測和實時潮氣量監測，這較SensorMedics 3100系列呼吸機有較好改進。此類呼吸機的主要缺點是要求採用短而順應性低的管路以防止能量傳遞衰減，這給呼吸機管路固定及護理帶來困難；另外由於其工作原理，此類呼吸機產生噪音比較大，同時不能與CMV組合使用，撤離呼吸機必須更換模式，SensorMedics3100系列為純HFV呼吸機，在呼吸機撤離過程中需要更換為常頻呼吸機。
圖3鼓膜/隔膜高頻振蕩呼吸機原理示意圖
1.3高頻呼吸機所產生的壓力及流量波形對高頻呼吸機應用的臨床意義
1.3.1八種高頻呼吸機氣道開放壓力波形比較
八種高頻振蕩通氣呼吸機壓力波形(氣道開放時)比較見圖4。Sensormedics3100A、3100B以及SLE5000在氣道開放時產生方形壓力波形；而其餘五種呼吸機產生正弦壓力波形，其中Sophie呼吸機在正弦波形上產生切跡。高頻振蕩呼吸機產生方形波或吸氣波形存在切跡提示更多複合諧波合成，可能有更多能量傳遞至肺部。理論上採取鼓膜或隔膜振蕩的呼吸機所產生的能量最大，如Sensormedics系列；而活塞振蕩產生能量次之，如Sophie高頻呼吸機；而應用噴射氣流產生高頻氣流的能量(SLE5000)大於呼氣閥阻斷原理產生的高頻氣流能量(Babylog系列-正弦波形)。其臨床提示意義包括：在早產兒、低體重兒、肺保護避免肺部氣壓傷方面，採用氣流阻斷原理的呼吸機(Babylog系列，包括VN500)較鼓膜振蕩高頻呼吸機更有優勢；雙向噴射氣流原理高頻呼吸機(SLE5000)通常應用於足月新生兒，而如果需要更高能量支持的嬰幼兒或嚴重的呼吸衰竭可能鼓膜振蕩高頻呼吸機(Sensormedics系列、Sophie)作為首選更佳。
圖48種高頻呼吸機壓力波形比較[5]
1.3.2八種高頻呼吸機生成振幅P比較
在不同振動頻率(5 Hz、10 Hz、15 Hz)及不同氣管插管直徑(2.5 mm、3.5 mm)下，VN500高頻呼吸機在15 Hz頻率下設置P>25 cmH2O(1 cmH2O＝0.098 kPa)時產生平台，實際測得振幅不再增加；而相同情況也發生在Babylog8000(3種頻率下設置P>50%Max)及Sophie(15 Hz下設置P>90%Max)呼吸機上。而其他五種呼吸機設置振幅與實測振幅基本呈線性關係(圖5)。而在較細氣管插管(2.5 mm)及較高振動頻率(15 Hz)時，所有型號呼吸機中P均發生明顯衰減(圖6)。
圖5設定振幅(Set P)與呼吸機實際測得振幅(PVENT)的關係[6]
圖6在模擬肺隆突測得振幅(PTRACH)與PVENT關係圖[6]
1.3.3八種高頻呼吸機潮氣量輸送
由圖7可見，研究中所有高頻呼吸機均表現為較高的實際測得的振幅可產生較大潮氣量。另外研究發現，在15 Hz頻率下，Babylog8000、VN500以及Leoni＋潮氣量均不超過3 ml，而在5 Hz(I∶E＝1∶1)情況下SLE5000及Sensormedics3100B產生潮氣管>20 ml。這提示幾乎所有高頻呼吸機潮氣量與振幅呈正比，而氣管插管對潮氣量影響也十分明顯，直徑3.5 mm氣管插管條件下所產生潮氣量均大於直徑2.5 mm氣管插管。鼓膜振蕩呼吸機及雙向氣流噴射呼吸機可產生較大潮氣量，提示對於通氣不良患兒這兩類呼吸機較有優勢，而對於低體重或過度通氣患兒可能呼氣閥阻斷類型高頻呼吸機更合適。
圖7高頻呼吸機潮氣量(VT)輸送與呼吸機振幅(PVENT)的關係[6]
2HFV上機時機及參數設置
2.1HFV上機時機
HFV上機時機存在較多爭議。多數學者仍將其作為CMV治療失敗後的"補救"措施[7,8]。HFV專家和肺保護通氣策略專家建議HFV的應用指征為：氧合失敗(吸入氧濃度>0.7和PEEP>14 cmH2O)或者通氣失敗(潮氣量>6 ml/kg時，pH仍30 cmH2O)[9]。但Jog等[10]研究顯示，HFOV前接受CMV7 d的患者病死率高達80%和100%，提示HFOV患者納入研究之前機械通氣時間較長可能是導致HFOV病死率較高的重要原因。而對於HFOV上機時機研究較少，在一定程度上可能是臨床應用經驗不足所致。目前有關HFOV的文獻報道中，上機時機多是作為補救治療，早期應用經驗和實驗數據缺如，仍需大量的實踐研究明確。
2.2參數設置
以HFOV為例，其設置參數包括偏流、MAP、振幅(P)、頻率(Hz)、吸呼比或吸氣時間和FiO2。偏流設置範圍一般早產兒10～15LPM；足月兒10～20LPM；小兒15 ～ 25LPM；年長兒20 ～ 30LPM；成年30 ～ 40LPM。MAP是改善氧合的重要參數，也是維持肺泡開放的主要設定指標。高水平MAP可降低肺組織炎症介質表達，但過高則會導致部分正常通氣的肺泡過度膨脹，加重肺損傷。通常肺順應性差的患兒如急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)採用高容量/高壓力通氣策略，MAP的設置比CMV高1～2 cmH2O(10%～30%)，一般最大30 cmH2O，避免肺過度通氣；存在間質性肺氣腫時採用低容量/低壓力通氣策略，MAP要比CMV低1～2 cmH2O。最佳MAP接近並低於壓力容積曲線高位拐點的壓力，此時可使儘可能多的肺泡復張又不會造成肺泡的過度膨脹。選擇最佳MAP方案[11]有：P-V曲線法[12]、最大氧合法、胸部CT監測法、電阻抗斷層顯像技術，但後兩種因可重複性差，未在臨床上大量開展。目前臨床通常根據胸片肺膨脹情況(膈面位於8～9肋)及血氧分壓確定。
振幅P主要影響通氣，需根據疾病性質、肺順應性及血二氧化碳分壓來決定；目標以調至合適的胸壁振動：達到臍根部至腹股溝可見振動。實際振幅大小與下列因素密切相關：呼吸機管路(順應性、長度和直徑)，濕化器(阻力和順應性、水位)，插管直徑和長度(流速與r4/l成正比，r＝管道半徑，l ＝管道長度)，患者的氣道阻力與肺順應性。頻率設置與人體振蕩頻率一致：500 g～2 kg 15 Hz；～12 kg 10 Hz；～20 kg 8 Hz；～30 kg 5～10 Hz；>30 kg 3～6 Hz。HFOV通氣目標為pH＝7.25～7.35，通氣調整不應太頻繁(每2小時1次)以確保一個穩定的狀態(除非存在高危的低氧血症)。吸氣時間(IT)：Humming series：固定IT為50%呼吸周期；SensorMedics 3100A可設定，廠家推薦33%和50%。
HFOV治療的氧合目標是血氧飽和度(SpO2)88%～95%，或氧分壓(PaO2)55～80 mmHg(1 mmHg＝0.133 kPa)。設定一個可耐受的氧合目標，可減少過多氧氣或者高MAP帶來的不良反應，低氧血症時可提高FiO2和MAP，適當延長吸氣時間或增加偏流等。
2.3肺復張策略
肺容積優化操作可以通過PV(the pressure-volume)關係完成[13]，以最終實現肺復張。從臨床最初Paw(平均氣道壓)開始，每10分鐘增加2 cmH2O，直到連續兩次增高Paw，經皮氧飽和度不再提高，其中第二個被指定為Pmax(最高平均氣道壓)。然後通過每10分鐘減少2 cmH2O直到初始Paw＋ 2 cmH2O水平，接著通過每10分鐘下調1 cmH2O直到SpO2下降
2.4高二氧化碳分壓
影響二氧化碳排出的主要指標包括振幅、頻率、呼氣時間和偏流大小。振幅決定振蕩容量；頻率減慢，潮氣量增大。一級調整為增加振幅(5～10 cmH2O)；二級降低頻率；三級調整降低吸呼比。通常HFOV治療過程中一般不需改變頻率，IT設定在33%，只有當振幅已調至最大、頻率降至最低(3 Hz)時為了降低PaCO2才增加IT。
3臨床適應證
3.1ARDS
近年來，小潮氣量肺保護通氣策略已成為此類疾病的經典通氣標準，HFOV可提供小潮氣量通氣，能有效提高氧合且不增加氣壓傷，符合肺保護性通氣策略。Yildizdas等[14]報道20例收入PICU的ARDS患兒，在CMV失敗時給予HFOV治療，30 min時PaO2/FiO2較CMV時明顯提高，OI明顯降低。Sud等[15]對419例兒童及成人ARDS病例HFOV機械通氣的薈萃分析發現，接受HFOV機械通氣治療24 h、48 h及72 h後，PaO2提高16%～24%。Pinzon等[16]研究發現，HFOV在兒童ARDS中作為機械通氣治療失敗後的補救措施，48 h後可提高動脈氧分壓，降低OI。也有文獻指出早期接受HFOV治療，可以降低病死率[15,16,17]。Fedora等[18]研究發現，ARDS機械通氣24 h內給予HFOV治療可能更有益於提高ARDS患兒生存率。另有研究結果顯示，流感病毒感染、麻疹肺炎並發ARDS，早期HFOV治療可以縮短機械通氣時間，減輕呼吸機相關性肺損傷，早期有效改善OI，縮短高濃度吸氧時間，減少氧中毒發生，獲得更好的結果[10,19]。但目前ARDS患兒HFOV通氣的有效性和安全性尚存在爭議，多數學者仍將其作為CMV治療失敗後的一種"補救"措施。
3.2氣漏綜合征
無論何種氣漏，用CMV正壓通氣時，都有部分潮氣量通過漏排出，因而需要用較高的呼吸機參數。目前認為治療氣漏最有效的通氣方式是高頻噴射通氣，機制在於氣體漏出與漏口的橫切面、漏口周邊的壓力梯度、漏口最大程度張開的時間成比例，高頻噴射通氣允許採用較低的峰膨脹壓，峰壓持續時間短，通過漏口泄出氣體少，易於疾病恢復[20]。
3.3肺出血
HFOV時MAP恆定，支撐肺泡，並維持最佳肺容量及MAP，使肺內氣體最大限度地處於均勻狀態，改善通氣/血流比值，增加氧合；同時，較高而恆定的MAP及雙向氣道壓力差可產生持續壓迫止血作用，避免了因較大壓力差和胸廓起伏引起的血壓波動。HFOV呼氣為主動過程，有利於CO2的排出。呼吸機產生的振蕩氣流可促進呼吸道纖毛的擺動並使呼吸道黏液層附著力降低，利於氣道內血性分泌物的排出[21]，通暢氣道。
3.4重症支氣管哮喘
重症哮喘患兒最終需要依賴機械通氣支持治療的並不多見，HFV應用的報道也較少。但有文獻提出，在患有阻塞性氣道疾病的患兒若治療目標是開放小氣道並最小化肺擴張，HFOV優於CMV[22]。然而，因為"最佳"MAP只有一個狹窄的安全窗口，故此方法多推薦給HFV經驗豐富的臨床機構。另外,臨床中因高頻噴射通氣操作簡單，無創傷性，多被採納。HFV可產生一定的氣道壓力並具有PEEP樣效應，利於氣道開放，加上氣體彌散作用，達到強制供氧，改善氧合狀態，並可使支氣管痙攣因氧分壓的上升及機械擴張作用而得以緩解。此外，高頻脈衝氣流可鬆動氣道黏液栓，增加黏膜上皮纖毛的清除功能而具有"內部叩擊"作用[23]。同時由於機械作用減少呼吸功，進一步減低氧耗量；提高吸入氧濃度，增加氣道壓，使組織氧合作用上升，解除了氣道痙攣，消除窒息，所以達到治療哮喘急性發作的目的[24,25]。
臨床實踐證明，HFV是一種簡單、良好的通氣方式。與常規機械通氣相比，有低潮氣量，低氣道壓，對呼吸道刺激小，不易出現肺損傷的優點，但目前的臨床適應證多來自單中心研究結果，尤其關於治療時機和療效，HFV在CO2排除中的作用等，仍需要大樣本的研究探討。同時，HFV對氣道阻力大、顱內壓升高、存在難以糾正的低血壓和肺血流被動依賴(如單心室)的患兒並不合適。
參考文獻（略）
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