隨呼吸動態(tài)變化的氣道正壓和清除解剖死腔是鼻腔高流量（NHF）無創(chuàng)呼吸支持的關鍵機制。壓力主要取決于流速和鼻腔閉塞度。我們的假設是，增加不對稱的鼻腔閉塞會導致死腔清除的改善，從而減少再呼吸。在一個成人上氣道模型中，用容積式呼吸描記法研究了清除率，該模型在呼吸頻率（RR）為15-45每分鐘和慢性阻塞性肺?。–OPD）呼吸模式為18次每分鐘時，由肺部模擬器夾帶二氧化碳（CO2）進行通氣。在NHF為20-60L/min時，用對稱界面（SI）和不對稱界面（AI）評估清除率。通過紅外光譜可視化的二氧化碳動力學和數學模型被用來研究清除機制。在較高的RR（35每分鐘）和NHF為60L/min時，與SI相比，AI在上氣道的清除率明顯較高（29.64±9.96%，P<0.001），而在較低的RR（15每分鐘）（1.40±6.25%，P>0.05），（平均值±SD）。隨著COPD的呼吸，NHF的清除率降低，但相對于NHF 20 L/min的SI，AI明顯改善了45.93%（P < 0.0001）。在呼氣結束時，AI達到的zui大壓力為6.6cmH2O，NHF為60L/min。鼻腔之間的壓力差異導致了光學模型中觀察到的反向流動。不對稱的NHF通過逆向流動增加了死腔的清除，并加速了通過較少閉塞的鼻腔對呼出氣體的清除。
新的&值得注意的：不對稱界面在鼻腔和鼻孔中產生逆流，導致上呼吸道的呼出氣體單向清除。這加速了解剖死腔的清除，減少了再呼吸，而流動阻力的增加導致呼氣末正壓（PEEP）升高。這些發(fā)現與呼吸頻率升高或呼氣流量受限的患者有關，在這些患者中，NHF的死腔清除率可以顯著降低。鼻腔高流量（NHF）治療是一種確定的無創(chuàng)呼吸支持形式，用于急性和慢性護理，通過鼻導管接口提供加熱和加濕的空氣，含或不補充氧氣。NHF已成為急性呼吸衰竭患者的標準護理，成人的典型流量范圍在20-60 L/min之間，zui高可達80 L/min，并已廣泛應用于COVID-19患者。氣道正壓隨著呼吸流量動態(tài)變化，上呼吸道廢氣再呼吸減少，被認為是NHF的關鍵機制。這使得它區(qū)別于其他形式的壓力控制治療方法，如持續(xù)氣道正壓通氣（CPAP）或無創(chuàng)通氣（NIV）。值得注意的是，為了使NIV對急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）有效，需要zui小的呼氣末正壓（PEEP）為5cmH2O。NHF治療期間的呼氣末正壓主要取決于流速和流動阻力，這是由鼻孔阻塞決定的。一個更大的橫截面積可以在NHF期間增加呼氣末正壓，但可能有完全閉塞鼻孔的風險。閉上嘴，這可能會導致無法控制的氣道壓力上升，以及無法通過鼻子呼吸。在過去的文獻中已經報道過NHF患者的氣壓損傷。通過NHF稀釋和吹掃上氣道中的呼出氣體，減少再呼吸，改善氣體交換。這是通過降低死腔通氣量來實現的，并且與各種生理結果相關，包括呼吸功的減少。死腔清除率依賴于流量和時間，在較高呼吸頻率（RRs）時會降低，主要是由于呼氣時間縮短，這在急性呼吸衰竭中常見。RR的降低會增加死腔的清除率，改善氣體交換，并進一步降低呼吸頻率。這被認為是在呼吸急促患者中增加NHF設置有益的理由。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）等阻塞性肺疾病中，呼氣流量限制可能影響呼吸模式，但對死腔清除效率的影響尚未研究。鼻尖大小對死腔清除率的影響尚不完全清楚。尺寸較小的導管會增加氣體速度，但可能會因泄漏增加而降低壓力，而且關于這對死腔清除的影響也有矛盾的數據。已經對單個鼻導管進行了研究，發(fā)現它可以改善高碳酸血癥COPD患者的氣體交換。與標準對稱鼻導管接口（SI）相比，新型不對稱鼻導管接口（AI）可以增加呼氣末正壓，同時降低由于鼻塞孔徑不同而導致的完全閉塞的風險。該假設是，鼻孔不對稱阻塞的增加會導致死腔間隙的改善，從而導致再呼吸的減少。上氣道模型是基于歐洲成人上氣道的平均幾何形狀，前庭的zui小橫截面積為78.5mm2/nare（總面積157mm2）。在第二個模型中，鼻腔大小被放大到170%，以測試更大的泄漏面積的影響。這些模型是由Somos GP Plus 14122樹脂（DSM，中國）使用宏泰立體光刻三維（3-D）打印機（補充材料）制作的。在臺式實驗中，市售的對稱插管接口（SI）（Optiflow t，Fisher & Paykel Healthcare Ltd.，新西蘭）和非對稱插管接口（AI）（Optiflow Duet，Fisher & Paykel Healthcare Ltd.，新西蘭）被用于解剖學上正確的三維打印上氣道模型，與肺部模擬器（ASL 5000，IngMar Medical）連接，使用容積式呼吸描記器測量氣道壓力和再呼吸。ASL 5000用于在SmartPump模式下產生一致的呼吸模式，以確保盡管阻力發(fā)生變化，但流量模式是可控的和一致的。二氧化碳（CO2）被夾帶，以模擬呼氣氣體濃度，使用低流量的100% CO2，通過一個穿孔軟管滴定到ASL的活塞中。20、40和60升/分鐘的NHF是使用市面上的集成流量發(fā)生器和加濕器（Airvo 3，新西蘭斐雪派克醫(yī)療有限公司）產生的。
圖1：A：研究中使用的大（黑色OP946）和中（灰色OPT944）對稱界面（SI）以及非對稱大（深藍色OPT966）和中（淺藍色OPT964）界面（AI）之間的總鼻孔面積、閉塞百分比和總滲漏面積之間的關系。鼻孔面積的減少可能會導致兩個鼻孔與SI完全閉塞，這在AI的不同大小的鼻塞中不太可能。虛線表示模型中使用的平均成年鼻孔面積。B：鼻塞橫截面積（內圓）和鼻孔（外圓）的示意圖，泄漏面積為內圓和外圓之間的間隙；這些都是按比例描述的。
AI有不對稱的鼻塞；與SI相比，右鼻塞的直徑減少了，左鼻塞的直徑增加了。這使兩個鼻塞的總橫截面積增加了30%到40%（圖1）。
對大號SI和中號AI進行了比較，因為它們具有相似的閉塞面積，阻擋了模型50%的鼻腔（圖1）。灰色和藍色的內圈分別代表SI和AI的鼻塞。較大的AI幾乎完全堵塞了模型中的一個鼻孔，被用來研究可實現的zui高阻力和zui大氣道壓力值。一個光學透明的模型被用來通過紅外光譜來觀察二氧化碳的清除動力學。在這個模型中，鼻腔被安置在水平面上，有對稱的反射，夾在兩個藍寶石光學窗之間（補充視頻S1）。和以前一樣，使用肺部模擬器來模擬呼吸。兩個模型都有位于鼻腔內的壓力端口（距外鼻20毫米），以測量腔內的壓差。為了研究提高RR對清除死腔的影響，使用了15、25每分鐘的RR（Ti：Te 1：2）和35、45每分鐘的RR（Ti：Te 1：1）。為了研究呼吸模式對清除死腔的影響，使用了以下模擬呼吸模式：穩(wěn)定的COPD患者，呼氣流量受限，RR為18每分鐘；COPD 1呼氣時間延長（Ti:Te 1:3）；COPD 2（Ti:Te 1:2），具有內在的PEEP，其特點是呼氣結束前呼氣流量較大。正常呼吸模式（Ti:Te 1:2）被作為對照。在呼氣結束和吸氣開始時清除100毫升的時間被用作上呼吸道死腔清除的時間，如以前的詳細描述。zui后一次呼氣和第一次吸氣100毫升的時間是成人上呼吸道大部分死腔清除發(fā)生的時間。對于測試的每一種呼吸模式，肺部模擬器產生了10次呼吸，其中第一和zui后兩次呼吸被排除在分析之外，以避免任何過渡性的偽影；使用了中間zui穩(wěn)定的6次呼吸。由操作者通過光學模型進行呼吸，以復制不同界面和NHF速率下可變呼吸模式對死腔清除的影響。在氣管水平的再呼吸（補充材料）使用容積式二氧化碳監(jiān)測儀（OG3800K和TG-980P，Nihon Kohden，日本和Fleisch Pneumotachograph，尺寸2，范圍±2.5 L/s，瑞士）進行量化，并使用紅外光譜儀（FLIR X6998SC，Teledyne FLIR LLC）調查鼻腔內的清除動力學，該光譜儀帶有集成冷卻的二氧化碳過濾器，以500幀/s的速度記錄。一塊涂有Vantablack（Surrey NanoSystems，英國）的面板被加熱到150℃，作為均勻的中紅外輻射源。這兩種方法在以前都有詳細描述。數學建模是基于惠斯通電橋電路和已知的通道內大量流動的經驗流體動力學關系。達西-魏斯巴赫方程被用來模擬鼻塞中的湍流DP= RQ2，哈根-波伊塞爾方程被用來模擬氣道中的流動DP = RQ2（P-壓力、R-阻力和Q-流量）。計算是用MATLAB軟件（MathWorks）來預測呼吸時鼻腔內的流量和壓力差，更詳細的描述見補充材料。
圖2：鼻腔高流量（NHF）20、40和60 L/min及呼吸頻率（RR）增加時，對稱插管界面（SI）和非對稱插管界面（AI）增加阻塞對解剖正確的三維上氣道模型死腔清除率的影響。A：在RRs為15、25、35和45 每分鐘時，肺模擬器中使用的呼吸模式?；疑Q條顯示呼氣和吸氣時zui后和第一個100毫升的時間。這與大部分間隙出現的時間相對應。RR增加導致清除時間縮短。B：通過SI（左）和AI（右）增加鼻孔總阻塞獲得的清除率。使用標準中等大小的SI作為對照，如中心圖C所示：這說明了由于SI（左）和AI（右）相對于SI對照增加鼻孔阻塞而導致的清除差異。不對稱閉塞增加死腔清除。對稱閉塞導致RR較高時清除減小，其中兩個界面之間的清除差異zui大當RR為15 每分鐘，NHF為60 L/min時，差異不顯著（參見圖中的P值表）。
圖3. 鼻腔高流量（NHF）速率為20、40和60L/min時，在上氣道模型中，在呼吸頻率（RR）為45每分鐘（Ti:Te 1:1）和15每分鐘（Ti:Te 1:2）的模擬呼吸中，使用對稱鼻塞接口（SI；A）和不對稱鼻塞接口（AI；B）測量的死腔清除和正呼氣壓力（PEEP）之間的關系，閉塞程度不同（較大和較小鼻塞）。與AI相比，RR為45每分鐘時的SI顯示出清除率和PEEP之間更多的線性關系（分別為R2=0.79和R2=0.65）。
圖4：呼吸速率（RR）為18 min -1時模擬呼吸模式對鼻腔高流量（NHF）速率為20、40和60 L/min時對稱鼻塞界面（SI）和非對稱鼻塞界面（AI）死區(qū)清除的影響。A：實驗中使用的呼吸模式有（慢性阻塞性肺疾病，COPD 1和2）和無（對照）呼氣流量限制。COPD 2還產生“固有的呼氣末正壓（PEEP）”，在呼氣末有較高的呼氣流量，但與對照組相同的Ti:Te比率。灰色豎條顯示了呼氣和吸氣期間zui后和第一個100毫升的時間，其中大部分死腔清除發(fā)生。B：在COPD 1和COPD 2中，使用SI獲得的間隙減??；AI清除率受清除時間縮短的影響較小。在NHF為60 L/min時SI與20 L/min時AI的死腔清除率差異不顯著。該表顯示了各組內使用的不同流速下AI和SI之間的平均間隙百分比差異（平均值±SD）。兩個COPD組的呼吸模式顯示，無論Ti:Te比例如何，清除時間都減少，導致死腔清除減少，NHF和AI顯著改善了死腔清除。
圖5：在呼吸頻率（RR）為15 min - 1，鼻腔高流量（NHF）為40 L/min時，光學上氣道模型中的CO2動力學。A：后續(xù)圖表中使用的呼吸模式。在感興趣的矩形區(qū)域（ROI 1和ROI 2）用紅外光譜測量CO2百分比。B：時間圖以及單次呼吸時兩個鼻腔的相應屏幕截圖。垂直虛線表示呼氣變?yōu)槲鼩獾臅r間。圖表上的虛線表示頂部空腔，實線表示底部空腔。在整個呼吸過程中，具有較大不對稱鼻塞的空腔的CO2明顯較少。C：使用B中時間曲線下的面積，呼氣時鼻腔中的CO2量（黑色）和吸氣時鼻腔中的CO2量（灰色）。
圖6：鼻腔高流量（NHF）20 L/min時，操作者通過光學模型通過對稱界面（SI）和非對稱界面（AI）進行呼吸。A：呼吸頻率（RR）在一分鐘內自主增加。B：A的前三次呼吸顯示每個鼻腔中CO2的百分比（通過紅外光譜測量）（實線->右鼻腔，虛線->左鼻腔）。在AI中，左鼻塞的直徑較大，通過虛線的左移可以看到T50%的差異。C：多變量曲線圖顯示，在低RR和AI條件下，再呼吸（在氣管中測量）的減少與清除相應鼻50%C（DT50%）的時間差有關。
圖7：A：通過對稱界面（SI）和非對稱界面（AI）在20、40和60 L/min的鼻腔高流量（NHF）下測量三維模型鼻腔中的壓差，呼吸頻率（RR）在15到45 min - 1之間。將下線擬合到每個數據集。0.001），流速為0.1和0.1 L/min時，SI和AI的壓力分別為：20 L/min 0.016±0.005 vs.0.066±0.017，P<；40 L/min 0.023±0.011比0.120±0.021，P<0.001；60 L/min時0.007±0.027比0.201±0.019，P<0.001。B：模型的壓差端口。
圖8：具有非對稱界面（AI）的上氣道流動的數學建模。A：AI的上氣道示意圖顯示在大鼻塞（RLP）、大鼻塞伴隨鼻孔阻塞（RNL）、小鼻塞（RSP）、小鼻塞伴隨鼻孔阻塞（RSN）、鼻腔高流量（NHF）和潮氣呼吸流（呼氣和吸氣）存在阻力。B：惠斯通電橋回由五個阻力組成：小鼻塞中的阻力高于大鼻塞中的阻力，被小鼻塞堵住的鼻孔中的阻力低于被大鼻塞堵住的鼻孔中的阻力，而鼻咽部的阻力非常小。在吸氣時，鼻塞中阻力zui小的是大管子。在呼氣時，阻力zui小的是被較小的鼻塞堵塞的鼻咽部，這就造成了不對稱性，使呼出的氣體通過被堵塞的鼻咽部轉移。C：20、40和60升/分鐘的NHF在呼吸周期中在鼻腔之間產生了與流量有關的壓力差。D: 鼻腔之間的反向流動在呼氣結束時達到頂峰，并導致呼出的氣體通過被較小的鼻塞閉塞的鼻孔單向排出。
圖9：單次呼吸時鼻腔高流量（NHF）為60 L/min時，鼻腔和非對稱鼻塞端內的流量。陰影區(qū)域表示清除時間，分別為zui后一次和第一次100 mL的排出和吸入。垂直虛線表示從呼氣到吸氣的變化。A：單次呼吸流量（呼吸頻率18 min-1，Ti:Te 1:2）。B：單次呼吸時鼻孔流出（實線=鼻孔較大，虛線=鼻孔較?。?。C：單次呼吸時鼻腔鼻尖處的流量（實線=鼻孔與較大的鼻尖，虛線=鼻孔與較小的鼻尖）。D：通過鼻后孔的逆流；在呼氣末達到zui大值，吸氣時下降。E：流程示意圖。
圖10：在對稱界面（SI）（左）和非對稱界面（AI）（右）中，吸氣（頂部）和呼氣（底部）期間鼻塞和上氣道的流動方向示意圖。藍色箭頭表示鼻腔高流量（NHF），其在SI中的鼻塞之間均分。在AI中，NHF由于其較低的阻力和套管內的氣流速度流線而偏向較大的鼻塞。呼出氣體流量用紅色箭頭表示。在呼氣期間，SI通過兩個鼻孔導致相等的混合和吹掃。在AI系統(tǒng)中，鼻孔被較小的鼻塞堵塞，為排出鼻腔的呼出氣體創(chuàng)造了較低的阻力路徑。從較大的鼻塞流出的偏流也通過鼻咽部流向對側鼻腔，形成反向流，在呼氣結束時達到峰值。
這些實驗可能無法直接外推到臨床環(huán)境中，但它們表明，當清除時間減少時，SI和AI之間的死區(qū)清除率存在顯著差異。無創(chuàng)呼吸支持期間的氣道正壓在管理急性呼吸衰竭患者方面發(fā)揮著重要作用。Morais等人證明，增加PEEP可以zui大限度地減少嚴重ARDS患者的努力依賴性肺損傷。zui近一項針對新冠肺炎所致低氧性呼吸衰竭患者的多中心隨機臨床試驗表明，與常規(guī)氧氣治療相比，CPAP顯著降低了氣管插管的風險。在這項研究中，NHF與傳統(tǒng)的氧合沒有什么不同，但作者承認在這種比較中動力不足。然而，與CPAP相比，NHF對新冠肺炎危重患者的低壓支持可能會對結果產生影響。在一項研究中，氣道正壓也得到了解決，其中NHF與頭盔接口相結合，在使用NHF時保持CPAP。在這項生理學研究中，作者在健康志愿者的NHF 50 L/min期間，用頭盔將PEEP控制在3、5和8 cmH2O。這些壓力得以維持，但復雜的設置使臨床應用受到質疑。具有AI的NHF可以在沒有諸如面罩或頭盔之類的密封接口的情況下提供臨床顯著水平的PEEP。氣道正壓可通過較大的對稱鼻塞增加，但這可能導致鼻孔完全密封，并產生不受控制的壓力。通過使用AI，可以減輕完全密封和壓力失控的風險。即使較大的鼻塞產生完全密封，較小的鼻塞也會允許泄漏。所以，增加AI的阻塞可以增加氣道壓力，以及通過不對稱流動的死腔間隙。這減少了再呼吸，并與呼吸功的改善有關。此前有人推測，較大的套管接口可能會影響死腔的清除，因為鼻腔容積相對于NHF較小。zui近的一項研究表明，死腔的清除實際上與RR密切相關，因為稀釋和吹掃呼出氣體的時間減少，閉塞程度更高。目前的研究對此進行了擴展，表明除了RR增加外，呼吸模式也可能降低清除效率，特別是當呼氣階段結束時的呼氣流量高并且隨著吸氣開始而迅速改變方向時。這與呼氣流量受限的患者有關，尤其是有內源性PEEP患者，后者會導致過度充氣。這些患者可用于死腔清除的時間較少，即使在低RR的情況下也是如此。在高碳酸血癥COPD患者中，他們通常表現為呼氣流量限制和內源性PEEP，再呼吸的減少與組織和動脈CO2的減少有關。Jiang 等人也描述了單向氣流的再呼吸減少，他發(fā)現在噘唇呼吸期間的單向氣流歸因于功能性解剖死腔的顯著減少和呼吸效率的提高。后來有人提出，呼吸效率的提高可能與COPD患者的益處相關。與之前的工作一致，NHF速率較低時，在低RR下，清除效率較高。本研究還發(fā)現，正常呼吸時（Ti:Te 1:2）的RR為15 每分鐘，低NHF時SI和AI之間的差異顯著，由于兩者在高NHF時均有效。需要無創(chuàng)呼吸支持的急性呼吸衰竭和高RR重癥監(jiān)護患者可能受益于NHF和氣道正壓增加。在高RRs時，AI的使用可顯著改善死腔清除率。模擬呼氣流量限制和低RR時，由于呼氣到吸氣的快速過渡，NHF清除率降低；在這種情況下，即使在低NHF設置下，AI也顯著提高了清除率。呼氣流量受限的患者，如穩(wěn)定期COPD患者，通常使用低NHF以提高耐受性；使用AI，NHF可以設置為較低的流量，同時保持清除率。在NHF期間，使用不對稱形狀的鼻腔接口增加鼻腔閉塞，提高了氣道壓力并改善了死腔清除。在呼吸頻率增加或呼氣流量受限的情況下，這種清除率的提高是zui高的，因為在這種情況下可用于清除的時間較少。不對稱的NHF在鼻腔之間產生逆向流動，這加速了通過較少閉塞的鼻腔清除呼出的氣體。這些發(fā)現需要在臨床上進行評估。
