高频震荡通气技术研究现状分析与展望

Abstract

以低平均气道压和小潮气量为主要特征的高频震荡通气（HFOV），自出现以来备受医务、科研人员的关注。本文就 HFOV 通气技术方面的研究现状与发展趋势进行了分析和展望，重点介绍与分析了有关 HFOV 的通气模型、通气机制和通气模式方面的研究现状。并藉此提出，在未来一段时期内，对 HFOV 通气技术的研究将主要集中在三个方面：建立多级、高阶、非线性的黏性阻力、惯性阻力和顺应性（RIC）通气模型；更为充分地揭示 HFOV 之所以能够有效通气的机制；研究实现低风险的无创 HFOV。对 HFOV 通气技术的研究与发展，将为呼吸系统疾病患者提供一种不同于常频通气的通气方式。

引言

临床试验表明，以输出平均气道压低和潮气量小为主要特征的高频振荡通气（high frequency oscillatory ventilation，HFOV），在其输出潮气量仅为正常需求潮气量的 20%～40%，甚至低于人体呼吸生理死腔（≈2.2 mL·kg⁻¹）的情况下，仍能满足呼吸系统疾病患者的需求，达到有效通气的目的^[1-5]。另外，HFOV 还能降低患者气道压力伤、肺容量伤等通气并发症的发生率，有益于心排血量的增加，避免常频正压通气对动脉血压的影响等^[6-10]。因此，HFOV 自出现以来，备受广大医务工作者、科研人员的关注。

目前，HFOV 通常作为常频通气失败后的营救性通气治疗策略，在婴幼儿通气治疗方面应用比较广泛。对于重症呼吸衰竭（respiratory failure）、重症呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）等疾病的新生儿患者，早期应用 HFOV 更有利于提高通气治疗效果^[11]。Petrillo 等^[12]就意大利新生儿重症监护室（neonatal intensive care unit，NICU）进行了统计，有 21.2% 的 NICU 已将 HFOV 作为首选通气模式。针对 ARDS、胎粪吸入综合征等新生儿患者，Courtney 等^[13]建议有经验的 NICU 应优先考虑 HFOV 通气治疗方式。杨旭等^[14]、娄五斌等^[15]对 ARDS 新生儿患者采用 HFOV 的疗效及安全性进行了分析，结果表明 HFOV 能有效提高 ARDS 患儿的生存率。邵桂莲等^[16]、王兆康等^[17]也对 HFOV 治疗重症胎粪吸入综合征的应用效果进行了分析，得出 HFOV 对提高整体治疗效果及改善预后具有重要意义的结论。

为此，本文就 HFOV 通气技术的研究现状加以分析和讨论，对该技术的发展方向进行了展望，以期更深入地对 HFOV 展开研究，使 HFOV 能更为广泛、安全、有效地服务于呼吸系统疾病患者。

1. 研究现状与分析

HFOV 是将一定频率（通常为 2～15 Hz）的震荡气流叠加到常频通气气流之上的一种通气方式^[18]。目前相关研究主要集中在通气模型、通气模式和通气机制这三个方面。其中对通气模型和通气机制的研究是对通气模式展开研究的基础，而通气模式的发展又进一步促进了对通气机制的研究。

1.1. 通气模型的研究现状

为分析呼吸道结构和呼吸活动，自 20 世纪 50 年代起，有学者基于解剖结构和二叉树递归分形原理等，建立了如图 1 所示的气管树结构和呼吸道结构模型^[19-20]。在此类模型中，主要是针对人体各级气管尺寸、形状进行建模，然后进行一些与呼吸相关的仿真实验与研究。

1.

The model based on anatomical structure

基于人体呼吸道解剖结构的呼吸模型

为研究呼吸状况，自 20 世纪末开始，如图 2 所示，基于电声学（electro-acoustic）原理的 RC 和 RIC 肺通气模型得到了比较广泛的研究和应用^[21-22]。其基本原理是把呼吸道对气流的黏性阻力（resistance，R）、惯性阻力（inertance，I）、弹性阻力（elastic，E）或顺应性（compliance，C）类比为电路学上的电阻、电感、电容，将流体力学问题转化为电路学问题来加以描述。

2.

Respiratory model of RC or RIC

RC 和 RIC 呼吸模型

然而，呼吸道对气流的阻力与所通过的气流大小并非呈线性关系。为了让仿真通气得到更逼近人体实际的呼吸气流，Avanzolini 等^[23]提出了类似如图 3a 所示的阻力非线性变化的非线性 RC 肺通气模型。模型中 R₁ 表示上气道黏性气阻，R₂ 表示中间气道黏性气阻，R₃ 表示下气道黏性气阻，C₁ 表示胸壁顺应性，C₂ 表示中间气道顺应性，C₃ 表示肺顺应性。考虑到通气插管对气流的惯性阻力，Polak 等^[24]又创建了形如图 3b 所示的非线性 RIC 通气模型。模型中 R₁、I₁、C₁ 分别表示导管对气流的惯性阻力、黏性阻力和导管顺应性，R₂ 表示呼吸道对气流的黏性阻力，C₂ 表示肺顺应性。2015 年，蔡永铭等^[25]根据二叉树递归分形原理，把呼吸道末端划分为形如图 3c 所示的四腔室肺模型。模型中每个腔室分别对应一组串并、联接的非线性黏性气阻和顺应性。2019 年，刘天亚等^[26]创建了形如图 3d 的非线性、分级的肺通气模型。模型中 R₁、R₂、R₃ 和 R₄ 分别表示上气道、陷闭气道、小气道和肺壁对气流的非线性阻力，C₁、C₂ 和 C₃ 和 C₄ 分别表示陷闭气道、小气道、肺、胸廓的顺应性。此类模型的提出和建立，模拟了呼吸道各项阻力与气流流量和通气容量变化之间的关系，描述了呼吸阻力变化的生理机制，为包括 HFOV 在内的机械通气提供了较好的理论研究的基础。

3.

Nonlinear respiratory models

非线性呼吸模型

综合来看，既往模型主要是针对人体呼吸系统进行建模分析，忽略了呼吸机、呼吸管路、面罩等在通气回路中的装置对通气的影响。而在通气过程中，影响通气的因素除了患者自身呼吸状况之外，呼吸机、呼吸管路等对通气的影响也不容忽视。特别是在无创通气下，有必要考虑漏气流、呼吸管路的顺应性、面罩的顺应性等对高频震荡的影响。因此，建立包括呼吸机、呼吸管路、呼吸面罩或插管以及患者呼吸道在内的多级、高阶、非线性的通气模型是目前重要的发展方向。

1.2. HFOV 通气机制的研究现状

临床表明，尽管 HFOV 输送的潮气量小于患者呼吸生理死腔，但仍能达到对患者有效通气的目的。对此，自 20 世纪中期开始，便有学者先后提出了如图 4 所示的各种有关 HFOV 通气机制设想，其中主要包括有^[27-28]：直接肺泡通气（direct alveolar ventilation）、对流扩散（convective dispersion）、湍流扩散（turbulent dispersion）、摆动通气（pendelluft）等。

4.

Diagram of ventilation mechanisms

通气机制示意图

如图 4 所示，由于人体肺部上段的肺泡离上气道近，在高频通气状况下，进入呼吸道的处于气柱前沿的新鲜气体有可能直接进入这部分肺泡，从而对这部分肺泡进行直接通气。除直接通气外，Haselon 等通过模型实验观察到气流抛物线形的速度剖面在振荡下呈现非对称速度现象，提出了所示的对流扩散的通气机制。此种情况下，吸气气流流速剖面与呼吸气流流速剖面不对称，可引起进入呼吸道的新鲜气体和排出呼吸道的废气产生纵向位移，从而形成对流型气体交换。而随后 Taylor 等又根据气流轴向速度剖面与径向浓度梯度相互作用的现象提出了湍流扩散。当新鲜空气向肺泡方向和呼吸道内生理废气向体外方向运动时，在流场中造成氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）等气体分布不均，形成浓度梯度，并在震荡产生的湍流的作用下不断地相互混合和交换。Otis 等则根据单位肺的通气路径不同，推测处于并联关系的相邻单位肺之间存在摆动通气，认为相邻单位肺的时间常数（也即特征频率）存在差异，气体进入或排出的时间不一致，在呼气末“慢”肺泡中的气体可能流向与之相邻的“快”肺泡，而在吸气末则“快”肺泡中的气体可能流向与之相邻的“慢”肺泡。后来，Lee 等^[29]建立模拟相邻肺泡的实物模型进行高频震荡通气实验，观察到了微小粒子随震荡气流在相邻肺泡间的运动，藉此推测肺泡间存在摆动通气。2014 年，Greenblatt 等^[30]通过模型对 HFV 下的摆动通气进行了研究，分析了不同频率下摆动通气所引起的通气总量与进入肺泡的通气量的关系，并发现进入肺泡的总通气量大于流经主呼吸道的通气总量，从而间接表明相邻肺泡间存在摆动通气的可能。

为了进一步探明 HFOV 通气机制，2014 年，Yuan 等^[31]采用两个大小不同的新鲜动物肺替代人体左右肺，进行了 15 Hz 频率内的 HFOV 实验。在实验中发现 HFOV 下左右肺间的气流分布不同于常规通气，进入左右两肺的震荡气流并非按一定比例分配，且随着频率的变化，这种分配也会得到相应的改变。2019 年，袁越阳等^[32]在基于动物肺实验平台的 HFOV 实验中，发现左右肺的气流之间存在明显的相位差，即使在主气道中的总气流为 0 的情况下，左右支气管中仍存在彼此方向相反的气流，从而提出了 HFOV 下左右肺间相互通气的通气机制。同年，Leontini 等^[33]通过计算机断层成像（computed tomography，CT）监测了新生儿气道内气流，发现在 HFOV 通气下，气道分叉处存在不同于常规的湍流，并且提出上气道大约存在 5% 的湍流。

从既往的猜想和观察来分析，对高频通气机制的研究是一个不断完善的过程，更多的通气机制还有待于挖掘。基于前人的假设和实验，如 HFOV 是否对呼吸道内痰液和黏液具有清理作用，可以进一步去探讨肺叶、肺段间是否存在相互通气，以及湍流在各级气管中的存在比例等。因而，综合运用流体力学、电声学、生物医学等学科知识，从虚拟假设、仿真分析、实物建模、临床实验等角度来展开，将是研究 HFOV 通气机制的重要方式和手段。

1.3. HFOV 通气模式的研究现状

自现代机械通气技术产生以来，先后出现了负压和正压、有创和无创等常频通气^[34-38]，以及不同于常频通气的 HFOV。常频通气主要是以提供充足的潮气量（健康成人潮气量 6～8 mL·kg⁻¹）为目的。但对于一些重症患者，在常频通气下，即便采用高气道压、大气流的方式仍然难以满足其通气需求，且易导致患者气道压力伤、肺容量伤等通气并发症，因而有研究者提出了小潮气量的 HFOV^{[3, 39-40]}。

现有 HFOV 输出的震荡气压在传输过程中的损失高达 90%^[41-43]，常需采用经口、鼻或喉管切口插管来建立人工气道的通气方式，且主要应用于肺活量小的婴幼儿患者^[44-46]。为了避免因插管而引起的通气并发症，降低通气风险，近些年来，陆续有关于不需插管的无创高频震荡通气（noninvasive HFOV，nHFOV）的报道。

为了降低 HFOV 在传输过程中的损失，De Luca 等^[47]运用 SM3100A 呼吸机，对婴幼儿肺机械模型（编号 8409742，Draeger Medical，Lubeck，德国，肺顺应性约为 0.5 mL·cm H₂O⁻¹），采用经鼻塞的通气方式进行了震荡频率为 10 Hz 的 nHFOV。结果显示采用鼻塞的通气方式，HFOV 震荡压损失略有降低，但仍处于 80%～90% 之间。2015 年，Fischer 等^[48]为弥补压力损失，采用较常规压力还高的平均压力，运用经鼻塞的方式，对体重 1.5 kg 以下的新生儿给予了 nHFOV，初步验证了 nHFOV 对新生儿的良好通气效果。2016 年，De Luca 等^[41]又针对体重 12 kg 左右婴幼儿采用经鼻面罩的通气方式进行 nHFOV（7 Hz），震荡压损失为 81%～86%。2019 年，Centorrino 等^[43]采用经鼻罩的通气方式对新生儿机械模型（顺应性约 0.4 mL·cm H₂O⁻¹）进行 8～12 Hz 的 HFOV 应用研究，研究结果表明震荡压平均损失约 83%。2016 年，Yuan 等^[42]研究了一种特制阀门并用来控制震荡气流，基于新鲜动物肺模型的实验平台模拟成人的呼吸状况，采用经鼻面罩的通气方式，进行了 nHFOV 实验，实验结果表明频率为 15 Hz 时的震荡压损失为 50% 左右。

就目前状况而言，De Luca 等^{[41, 47]}、Fischer 等^[48]和 Centorrino 等^[43]对 HFOV 的研究主要集中在采用不需插管的无创通气方式的尝试，也即主要从临床应用的角度，针对不同体重（也即不同气道）的通气研究对象，来研究如何降低高频震荡损失。而 Yuan 等^[42]分析指出引起 HFOV 震荡压损失的因素不仅仅是通气方式和通气对象（患者），还应考虑震荡气流的产生方式等，并展开了有关 nHFOV 的实验研究。因此，为了解决震荡压传输过程中损失过大的问题，增强 HFOV 通气能力，运用空气力学、计算机控制、生物医学等学科知识，研究高频震荡气流产生、传输的方式方法等，将是提高通气效果、实现 nHFOV 的关键。

2. 总结与展望

综述以往 HFOV 的发展历程，HFOV 通气技术的发展可以通过图 5 来加以总结：基于通气模型和通气模式的发展，解决气流传输过程中震荡压损失过大等问题，提高震荡输出能力，为通气机制的研究提供必要的条件，以实现风险最低化和创伤最小化的 HFOV，并为临床应用提供充分的理论基础。针对 HFOV 通气技术研究现状，在通气模型、通气机制和通气模式方面的研究主要在于：建立更为符合人体呼吸系统特征的通气模型；进一步揭示 HFOV 通气机制；提高 HFOV 震荡压传输效率，实现不需插管的 nHFOV。

5.

Diagram of development in HFOV

HFOV 发展示意图

建立更为符合人体呼吸系统特征的通气模型，是进一步理论研究 HFOV 的重要基础和手段。人体呼吸系统的生理结构和通气气流在呼吸道内的运动受力情况比较复杂。为此，基于二叉树递归分形原理的气管树模型，结合呼吸道对气流的黏性阻力、惯性阻力和弹性阻力，依据气管树从主气管向肺泡逐步分化的特点，可建立多达 24 级的多级呼吸道系统结构模型。气流在呼吸道流动的过程受气道形状、大小和气流速度等影响，往往处于层流和紊流相互混合的状态，使得呼吸道对气流的阻力存在非线性变化的特性。据此，综合运用空气动力学、生物医学、电声学等学科知识，可建立多级二阶非线性 RIC 呼吸道系统模型。采用呼吸机进行通气时，呼吸机、呼吸管路等与患者呼吸道组成了一个不可分割的系统。从以往 De Luca 等^{[41, 47]}和 Yuan 等^[42]的实验结果可以看出，通气模型的建立不应只考虑人体呼吸道结构、气流状态等，还应该考虑呼吸机、呼吸管路等对气流的影响。因此，建立包括通气设备和人体呼吸系统在内的系统通气模型，有利于系统性地研究 HFOV 通气气流、气压的特性等。

充分地阐述和揭示 HFOV 的通气机制，是减少 HFOV 临床风险和开拓 HFOV 应用领域的前提。通常提供充足的新鲜空气和及时将二氧化碳排出呼吸道是实现有效通气的前提，但 HFOV 所提供的潮气量只有正常潮气量的 20%～40% 却仍能满足呼吸系统疾病患者的通气要求。受前人启发，基于难以对呼吸道（特别是活体）进行直接实验和观察等原因，合理假设、理论分析、仿真实验论证，是进一步挖掘 HFOV 通气机制的重要手段。如袁越阳等^[32]基于动物肺的 HFOV 实验提出了左右肺间的相互通气。而基于左右肺间相互通气的实验基础，可以进一步实验验证 HFOV 震荡能否引起肺叶、肺段等肺组织间相互通气。另外，在 HFOV 通气下，探讨气流在呼吸道内高频次的变化是否对呼吸道内痰液和黏液具有清理作用等机制也将有助于 HFOV 应用领域的拓展。

解决高频震荡气压在通气回路中的沿程损失，提高 HFOV 震荡压在传输过程中的输出效率，是实现无创 HFOV 的必要条件。现有高频震荡呼吸机采用活塞快速反复运动或大功率扬声器膜震动的方式来产生震荡气流，其高频震荡气压在传输过程中的损失高达 90% 以上。为了解决震荡损失大的问题，以往 De Luca 等^[41]和 Centorrino 等^[43]致力于从传输装置和通气对象上加以研究，Yuan 等^[42]则从 HFOV 气流源着手展开研究，并取得了一定的效果。通过以往研究者们的实验结果，研究产生震荡气流的新方法，提高震荡输出能力和效率，解决 HFOV 震荡压在传输过程中损失过大的问题，是开展无创 HFOV 研究的关键所在。

总而言之，HFOV 通气技术是机械通气技术重要的发展方向之一，未来的发展仍将以通气模型和通气模式为基础，充分揭示其低潮气量之所以能有效通气的机制等问题，解决传输过程中 HFOV 震荡压损失过大的问题，实现创伤最小化、风险最小化的无创通气模式。HFOV 技术的发展，对重症呼吸系统疾病患者而言，将在呼吸支持方面具有良好的应用前景。

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

Funding Statement

国家重点研发计划数字诊疗专项（2019YFC0121700）；湖南省自然科学基金项目（2020JJ4159）；湖南省教育厅重点研究项目（19A093）；上海交通大学“交大之星”医工交叉研究基金（YG2019ZDB08）

Ministry of Science and Technology of the P. R. China; Hunan Provincial Natural Sciences Funding Project, China; Hunan Provincial Education Department, China; Shanghai Jiao Tong University, P. R. China