高频通气

儿童高频振荡通气技术的临床应用

2017-09-04

文章来源：中国小儿急救医学, 2017,24(02): 81-86

作者：王媛媛陆国平

摘要

高频通气是应用近于或少于解剖无效腔的潮气量(约为2 ml/kg)，高的通气频率(目前公认通气频率≥正常4倍以上)，在较低的气道压力下进行通气的一种特殊通气方法。与传统常频机械通气比较，既克服了呼气末肺泡萎缩和吸气末肺泡过度膨胀问题，又保证了肺有足够的弥散和氧交换。故而，近年来得到重症医学界的广泛关注，已越来越多地应用于临床。本文就高频通气的原理、分类、参数设置及临床应用适应证作一介绍。

1高频呼吸机的通气原理及分类

1.1高频通气(high-frequency ventilation，HFV)原理

HFV基于呼吸机在气道内产生的高频压力/气流变化方式及呼气是主动还是被动，目前临床使用的主要为气流阻断型、喷射型和振荡型三类。高频气流阻断是

通过间断阻断高流速过程产生气体脉冲。高频喷射通气通过高频电磁阀、气流控制阀、压力调节阀和喷嘴将高频率、低潮气量的快速气体喷入气道和肺内。高频振荡通气(HFOV)通气回路在高速气流基础上通过500～3 000次/min的高频活塞或扬声器运动将振荡波叠加于持续气流上；少量气体(20%～80%解剖死腔量)送入和抽出气道，产生5～50 ml潮气量(2.4 ml/kg，大于死腔2.2 ml/kg)。HFV气体交换机制包括：直接肺泡通气、对流性扩散、并联单位间气体交换、纵向(Taylor)分布、摆动呼吸、非对称速度分布、心源性混合和分子弥散等。与常频机械通气(conventional mechanical ventilation，CMV)比较，HFV使用了开放模式，具备低潮气量、低气道压、低胸内压和呼气末加压效应，因而可避免肺泡反复启闭，不产生剪切力，始终保持肺均匀性开放，克服了呼气末肺泡萎缩和吸气末肺泡过度膨胀问题，保证了肺有足够的弥散和氧交换[1]。有研究表明，HFV可有效改善局部肺组织的缺血缺氧状态，减少炎症因子过度释放和氧自由基过度表达，减少肺组织急性损伤性改变[2,3]。其中，HFOV呼气为主动过程，气体潴留现象较其他类型高频呼吸机少，是目前使用最多的类型。

1.2高频呼吸机分类

1.2.1呼气阀阻断＋venturi辅助呼气

通过快速开关呼气阀门产生高频气流及选择平均气道压(MAP)，同时通过venturi 喷射系统产生负压辅助呼气。代表机型为DragerBabylog 8000＋，其HFV模式可单独应用，也可与间歇指令通气(IMV)或持续正压通气(CPAP)联合使用，由于

机器输出的潮气量有限，仅适合体重低于2 kg的新生儿，其调节PaCO2和PaO2的功能不能分离；其HFV参数范围中MAP即为常频通气时测得的MAP，而振幅(△P)为设定百分比值计算所得△P＝(60－MAP)×X%，实际操作中，当频率在10～15 Hz，振幅>50%后，潮气量不随振幅增加而增加[4]，这可能与其高频气流阻断原理有关(图1)，不能主动进行CO2清除；此时需要考虑降低频率和改变气管插管内径，持续气流由呼吸机自动设置，但并不能调节吸呼比例。而Drager VN500是Babylog 8000＋改进型，其HFV原理与Babylog8000＋相同，但在呼气阀膜片改进后VN500在MAP和△P的设置阈值上有所提高，因此可适用于10 kg以内(VN500理论高频通气体重20 kg)的婴幼儿进行HFV，但实际可使用体重还需要验证。

图1 Babylog系列高频通气气流阻断原理(呼气阀门阻断)

1.2.2双向喷射气流＋旋转喷射高频发生器

其原理在呼气末端有旋转喷射装置产生高频气流，在此装置近端还有两个喷气口产生与持续偏流逆向的气流从而产生PEEP及吸气峰压(PIP)。其代表机型

SLE5000同时具有常频和高频振荡模式，适用于300 g～20 kg体重范围的新生儿和婴幼儿，高频振荡也能与常频指令性通气组合使用。由于SLE5000独特的双向喷射气流及气路无阀门设计(图2)，在呼气回路产生与偏流(5 L/min)的逆向气流从而产生CPAP及PIP；而在逆向气流发生器末端再加旋转喷射装置产生高频气流。由于并无主动呼气机制，SLE5000在呼气回路应用带有压力活化控制器的喷射装置代替电磁线圈阀门，使呼气回路无阀门，从而气体呼出响应时间更短(2 ms)，以防止CO2潴留。SLE5000高频呼吸机也能在10～20 kg婴幼儿产生不错的振荡力量，但实际可使用体重仍需要验证。

图2 SLE5000气流阻断-双向喷射气流原理示意图

1.2.3鼓膜或活塞振荡

目前主流HFV均采用鼓膜振荡来产生高频气流，其中SensorMedics3100系列是最经典的高频振荡呼吸机。关于HFV临床指南90%以上是根据SensorMedics3100制定。主要原理采用电磁驱动的鼓膜以及真正的振荡器，不仅可以主动送气还可以主动呼气，且通气和氧合可分别独立控制(图3)，其中MAP独立控制氧合，而振幅及振动频率调节通气。只有鼓膜振荡呼吸机可以调节吸呼比值(I∶E)，使其性能更加出色。其中SensorMedics3100A是唯一经FDA批准可用于新生儿呼吸衰竭早期的高频呼吸机，而SensorMedics3100B是唯一一款可用于成人的高频呼吸机。SensorMedics3100B理论潮气量达到250 ml，按照HFV潮气量≤死腔量(约2 ml/kg)计算，SensorMedics3100B是目前唯一可用于体重>30 kg儿童的高频呼吸机，但实际可使用体重仍有争议。利用相同原理设计制造的呼吸机包括Fabian、德国Leonie＋等；其中Fabian高频模式最大潮气量也可达100 ml，可应用于体重小于30 kg儿童，其HFV模式中加入容量保证(VG)模式，如在HFV时打开VG模式，呼吸机自动调整振幅以完成设定的潮气量，同时通气过程中可进行呼气末CO2监测和实时潮气量监测，这较SensorMedics 3100系列呼吸机有较好改进。此类呼吸机的主要缺点是要求采用短而顺应性低的管路以防止能量传递衰减，这给呼吸机管路固定及护理带来困难；另外由于其工作原理，此类呼吸机产生噪音比较大，同时不能与CMV组合使用，撤离呼吸机必须更换模式，SensorMedics3100系列为纯HFV呼吸机，在呼吸机撤离过程中需要更换为常频呼吸机。

图3 鼓膜/隔膜高频振荡呼吸机原理示意图

1.3高频呼吸机所产生的压力及流量波形对高频呼吸机应用的临床意义

1.3.1八种高频呼吸机气道开放压力波形比较

八种高频振荡通气呼吸机压力波形(气道开放时)比较见图4。Sensormedics3100A、3100B以及SLE5000在气道开放时产生方形压力波形；而其余五种呼吸机产生正弦压力波形，其中Sophie呼吸机在正弦波形上产生切迹。高频振荡呼吸机产生方形波或吸气波形存在切迹提示更多复合谐波合成，可能有更多能量传递至肺部。理论上采取鼓膜或隔膜振荡的呼吸机所产生的能量最大，如Sensormedics

系列；而活塞振荡产生能量次之，如Sophie高频呼吸机；而应用喷射气流产生高频气流的能量(SLE5000)大于呼气阀阻断原理产生的高频气流能量(Babylog系列-正弦波形)。其临床提示意义包括：在早产儿、低体重儿、肺保护避免肺部气压伤方面，采用气流阻断原理的呼吸机(Babylog系列，包括VN500)较鼓膜振荡高频呼吸机更有优势；双向喷射气流原理高频呼吸机(SLE5000)通常应用于足月新生儿，而如果需要更高能量支持的婴幼儿或严重的呼吸衰竭可能鼓膜振荡高频呼吸机(Sensormedics系列、Sophie)作为首选更佳。

图4 8种高频呼吸机压力波形比较[5]

1.3.2八种高频呼吸机生成振幅△P比较

在不同振动频率(5 Hz、10 Hz、15 Hz)及不同气管插管直径(2.5 mm、3.5 mm)下，

VN500高频呼吸机在15 Hz频率下设置△P>25 cmH2O(1 cmH2O＝0.098 kPa)时产生平台，实际测得振幅不再增加；而相同情况也发生在Babylog8000(3种频率下设置△P>50%Max)及Sophie(15 Hz下设置△P>90%Max)呼吸机上。而其他五种呼吸机设置振幅与实测振幅基本呈线性关系(图5)。而在较细气管插管(2.5 mm)及较高振动频率(15 Hz)时，所有型号呼吸机中△P均发生明显衰减(图6)。

图5 设定振幅(Set △P)与呼吸机实际测得振幅(△P VENT)的关系[6]

图6 在模拟肺隆突测得振幅(△P TRACH)与△P VENT关系图[6]

1.3.3八种高频呼吸机潮气量输送

由图7可见，研究中所有高频呼吸机均表现为较高的实际测得的振幅可产生较大潮气量。另外研究发现，在15 Hz频率下，Babylog8000、VN500以及Leoni＋潮气量均不超过3 ml，而在5 Hz(I∶E＝1∶1)情况下SLE5000及Sensormedics3100B 产生潮气管>20 ml。这提示几乎所有高频呼吸机潮气量与振幅呈正比，而气管插管对潮气量影响也十分明显，直径3.5 mm气管插管条件下所产生潮气量均大于直径2.5 mm气管插管。鼓膜振荡呼吸机及双向气流喷射呼吸机可产生较大潮气量，提示对于通气不良患儿这两类呼吸机较有优势，而对于低体重或过度通气患

儿可能呼气阀阻断类型高频呼吸机更合适。

图7 高频呼吸机潮气量(V T)输送与呼吸机振幅(△P VENT)的关系[6]

2HFV上机时机及参数设置

2.1HFV上机时机

HFV上机时机存在较多争议。多数学者仍将其作为CMV治疗失败后的'补救'措施[7,8]。HFV专家和肺保护通气策略专家建议HFV的应用指征为：氧合失败(吸入氧浓度>0.7和PEEP>14 cmH2O)或者通气失败(潮气量>6 ml/kg时，pH仍<7.25和平台压>30 cmH2O)[9]。但Jog等[10]研究显示，HFOV前接受CMV<3 d的患者，病死率仅为30%，而HFOV前CMV 3～7 d和>7 d的患者病死率高达80%和100%，提示HFOV患者纳入研究之前机械通气时间较长可能是导致HFOV病死率较高的重要原因。而对于HFOV上机时机研究较少，在一定程度上可能是临床应用经验不足所致。目前有关HFOV的文献报道中，上机时机多是作为补救

治疗，早期应用经验和实验数据缺如，仍需大量的实践研究明确。

2.2参数设置

以HFOV为例，其设置参数包括偏流、MAP、振幅(△P)、频率(Hz)、吸呼比或吸气时间和FiO2。偏流设置范围一般早产儿10～15LPM；足月儿10～20LPM；小儿15 ～25LPM；年长儿20 ～30LPM；成年30 ～40LPM。MAP是改善氧合的重要参数，也是维持肺泡开放的主要设定指标。高水平MAP可降低肺组织炎症介质表达，但过高则会导致部分正常通气的肺泡过度膨胀，加重肺损伤。通常肺顺应性差的患儿如急性呼吸窘迫综合征(ARDS)采用高容量/高压力通气策略，MAP的设置比CMV高1～2 cmH2O(10%～30%)，一般最大30 cmH2O，避免肺过度通气；存在间质性肺气肿时采用低容量/低压力通气策略，MAP要比CMV低1～2 cmH2O。最佳MAP接近并低于压力容积曲线高位拐点的压力，此时可使尽可能多的肺泡复张又不会造成肺泡的过度膨胀。选择最佳MAP方案[11]有：P-V曲线法[12]、最大氧合法、胸部CT监测法、电阻抗断层显像技术，但后两种因可重复性差，未在临床上大量开展。目前临床通常根据胸片肺膨胀情况(膈面位于8～9肋)及血氧分压确定。

振幅△P主要影响通气，需根据疾病性质、肺顺应性及血二氧化碳分压来决定；目标以调至合适的胸壁振动：达到脐根部至腹股沟可见振动。实际振幅大小与下列因素密切相关：呼吸机管路(顺应性、长度和直径)，湿化器(阻力和顺应性、水位)，插管直径和长度(流速与r4/l成正比，r＝管道半径，l ＝管道长度)，患者的

气道阻力与肺顺应性。频率设置与人体振荡频率一致：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通气目标为pH＝7.25～7.35，通气调整不应太频繁(每2小时1次)以确保一个稳定的状态(除非存在高危的低氧血症)。吸气时间(IT)：Humming series：固定IT为50%呼吸周期；SensorMedics 3100A可设定，厂家推荐33%和50%。

HFOV治疗的氧合目标是血氧饱和度(SpO2)88%～95%，或氧分压(PaO2)55～80 mmHg(1 mmHg＝0.133 kPa)。设定一个可耐受的氧合目标，可减少过多氧气或者高MAP带来的不良反应，低氧血症时可提高FiO2和MAP，适当延长吸气时间或增加偏流等。

2.3肺复张策略

肺容积优化操作可以通过PV(the pressure-volume)关系完成[13]，以最终实现肺复张。从临床最初Paw(平均气道压)开始，每10分钟增加2 cmH2O，直到连续两次增高Paw，经皮氧饱和度不再提高，其中第二个被指定为Pmax(最高平均气道压)。然后通过每10分钟减少2 cmH2O直到初始Paw＋2 cmH2O水平，接着通过每10分钟下调1 cmH2O直到SpO2下降<85%超过5 min或Paw达到5 cmH2O，该数值用于定义肺的闭合压力。然后将Paw增加到Pmax达10 min以达到肺复张，再返回到Pinitial(初始平均气道压)。如果心率<100次/min或血压不稳定>2 min，则停止该方案。也可采用呼吸机连接患者之后，不开启振荡，将Paw升至

30～40 cmH2O维持20 s，然后调节Paw降回初始设置水平，开启振荡器。

2.4高二氧化碳分压

影响二氧化碳排出的主要指标包括振幅、频率、呼气时间和偏流大小。振幅决定振荡容量；频率减慢，潮气量增大。一级调整为增加振幅(5～10 cmH2O)；二级降低频率；三级调整降低吸呼比。通常HFOV治疗过程中一般不需改变频率，IT 设定在33%，只有当振幅已调至最大、频率降至最低(3 Hz)时为了降低PaCO2才增加IT。

3临床适应证

3.1ARDS

近年来，小潮气量肺保护通气策略已成为此类疾病的经典通气标准，HFOV可提供小潮气量通气，能有效提高氧合且不增加气压伤，符合肺保护性通气策略。Yildizdas等[14]报道20例收入PICU的ARDS患儿，在CMV失败时给予HFOV 治疗，30 min时PaO2/FiO2较CMV时明显提高，OI明显降低。Sud等[15]对419例儿童及成人ARDS病例HFOV机械通气的荟萃分析发现，接受HFOV机械通气治疗24 h、48 h及72 h后，PaO2提高16%～24%。Pinzon等[16]研究发现，HFOV 在儿童ARDS中作为机械通气治疗失败后的补救措施，48 h后可提高动脉氧分压，降低OI。也有文献指出早期接受HFOV治疗，可以降低病死率[15,16,17]。Fedora 等[18]研究发现，ARDS机械通气24 h内给予HFOV治疗可能更有益于提高ARDS

患儿生存率。另有研究结果显示，流感病毒感染、麻疹肺炎并发ARDS，早期HFOV治疗可以缩短机械通气时间，减轻呼吸机相关性肺损伤，早期有效改善OI，缩短高浓度吸氧时间，减少氧中毒发生，获得更好的结果[10,19]。但目前ARDS 患儿HFOV通气的有效性和安全性尚存在争议，多数学者仍将其作为CMV治疗失败后的一种'补救'措施。

3.2气漏综合征

无论何种气漏，用CMV正压通气时，都有部分潮气量通过漏排出，因而需要用较高的呼吸机参数。目前认为治疗气漏最有效的通气方式是高频喷射通气，机制在于气体漏出与漏口的横切面、漏口周边的压力梯度、漏口最大程度张开的时间成比例，高频喷射通气允许采用较低的峰膨胀压，峰压持续时间短，通过漏口泄出气体少，易于疾病恢复[20]。

3.3肺出血

HFOV时MAP恒定，支撑肺泡，并维持最佳肺容量及MAP，使肺内气体最大限度地处于均匀状态，改善通气/血流比值，增加氧合；同时，较高而恒定的MAP 及双向气道压力差可产生持续压迫止血作用，避免了因较大压力差和胸廓起伏引起的血压波动。HFOV呼气为主动过程，有利于CO2的排出。呼吸机产生的振荡气流可促进呼吸道纤毛的摆动并使呼吸道黏液层附着力降低，利于气道内血性分泌物的排出[21]，通畅气道。

3.4重症支气管哮喘

重症哮喘患儿最终需要依赖机械通气支持治疗的并不多见，HFV应用的报道也较少。但有文献提出，在患有阻塞性气道疾病的患儿若治疗目标是开放小气道并最小化肺扩张，HFOV优于CMV[22]。然而，因为'最佳'MAP只有一个狭窄的安全窗口，故此方法多推荐给HFV经验丰富的临床机构。另外,临床中因高频喷射通气操作简单，无创伤性，多被采纳。HFV可产生一定的气道压力并具有PEEP 样效应，利于气道开放，加上气体弥散作用，达到强制供氧，改善氧合状态，并可使支气管痉挛因氧分压的上升及机械扩张作用而得以缓解。此外，高频脉冲气流可松动气道黏液栓，增加黏膜上皮纤毛的清除功能而具有'内部叩击'作用[23]。同时由于机械作用减少呼吸功，进一步减低氧耗量；提高吸入氧浓度，增加气道压，使组织氧合作用上升，解除了气道痉挛，消除窒息，所以达到治疗哮喘急性发作的目的[24,25]。

临床实践证明，HFV是一种简单、良好的通气方式。与常规机械通气相比，有低潮气量，低气道压，对呼吸道刺激小，不易出现肺损伤的优点，但目前的临床适应证多来自单中心研究结果，尤其关于治疗时机和疗效，HFV在CO2排除中的作用等，仍需要大样本的研究探讨。同时，HFV对气道阻力大、颅内压升高、存在难以纠正的低血压和肺血流被动依赖(如单心室)的患儿并不合适。