呼吸过滤器临床应用的安全性探讨及技术创新

曾静 刘宜平 李恩有

哈尔滨医科大学附属第一临床医学院麻醉科，哈尔滨 150001

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(2):172-176.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210311‑00481

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【综述】

       呼吸过滤器在临床中代替人体上呼吸道发挥呼吸气体加热、加湿和过滤作用 ，机械通气期间应用呼吸过滤器可以降低呼吸回路微生物污染、减少呼吸机相关性肺炎、控制院内交叉感染 。2019年底新型冠状病毒肺炎（COVID‑19）的出现，促使呼吸过滤器在临床上扮演的角色越发重要，同时对其在过滤性能方面的要求也更严格，与呼吸过滤器相关的技术创新备受关注。

1 呼吸过滤器的应用基础

1.1　呼吸过滤器的过滤机制及分类

1.1.1　过滤机制

① 大的微粒由于直径大于滤过膜的孔径被拦截；② 较小的微粒被气流带动具有一定动能，由于惯性呈直线运动，部分直接撞击于滤过膜而被阻挡；③ 小的微粒（如病毒等）由于存在无规律的布朗运动，部分也可被阻于滤过膜；④ 滤过膜存在一定的静电，微粒通过静电反应被吸附而无法通过；⑤ 滤过膜疏水且孔隙很小，使水分由于表面张力在膜表面形成水滴不能通过。

1.1.2　分 类

呼吸过滤器的分类方式有很多种，常用的有根据滤过膜材料和滤过方式不同来分类（表1）。

1.2　呼吸过滤器的检测方法

       过滤器捕捉细菌或病毒等微生物的量与未过滤气体中微生物的量之比叫作细菌过滤效率。呼吸过滤器的微生物过滤评估通常是使用与细菌（枯草芽孢杆菌，1 mm）和病毒（噬菌体，0.023 mm）相似大小的非致病生物体颗粒进行测试。Dellamonica等 对多个国家44种品牌的呼吸过滤器进行了分析比较，指出许多制造商声称他们过滤器的细菌过滤效率是99.95%。然而，Lumley等 建议过滤器的细菌过滤效率至少为99.9977%，而法国麻醉和重症监护协会提出的效率为99.9999%（即每106个有机体中最多有1个能通过）。对细菌和病毒过滤效果的评价在很大程度上取决于试验的测试方法。Vezina等 通过设计动物实验模拟呼吸过滤器防止分枝杆菌污染呼吸回路评估了3种不同的呼吸过滤器的过滤效果，结果只有一种呼吸过滤器完全阻止了分枝杆菌的通过。虽然3种呼吸过滤器的细菌过滤效率差异没有统计学意义，但必须强调的是，在临床麻醉环境下任何分枝杆菌的通过都应被认为是呼吸过滤器的失败。

1.3　呼吸过滤器的选择标准

       虽然推荐在麻醉期间使用热湿交换过滤器（heat and moisture exchanging filter, HMEF），但过滤器的选择标准并没有明确的定义。制造商提供许多不同类型的具有不同技术特性的HMEF。麻醉期间和ICU中使用的呼吸过滤器也有差异。此外，存在大量的选择使得选择变得困难，而且用于评估过滤器效率的功能、设计和测试都各不相同。呼吸系统过滤器的两个标准是国际标准和欧洲标准 ，标准规定了测量水分输出量和过滤性能的方法。

2 呼吸过滤器的临床应用及并发症

2.1　临床应用

2.1.1　全麻机械通气及辅助通气治疗中的应用

       呼吸过滤器应用于全麻机械通气期间及重症监护患者辅助通气治疗时，能够降低患者肺部感染率，减少医院内交叉感染，同时保护麻醉呼吸机，延长设备使用寿命。陈永花等 观察了40例择期手术患者，通过采样麻醉前后呼吸过滤器前后两端内侧的标本进行细菌培养计数，随访术后患者呼吸道感染情况，同时也对使用与不使用过滤器的麻醉机的回路进行气体培养，证实呼吸过滤器能有效滤过麻醉呼吸机系统与患者呼吸道之间的细菌，减少呼吸道感染并发症发生率。

2.1.2　肺功能检查中的应用

       临床检查中加强交叉感染的预防与控制十分重要。肺功能检查在临床上用于检测呼吸生理状况，可用来诊断呼吸系统疾病及评估临床疗效。常规肺功能检查时要求受试者最大努力地吸气和呼气，检查过程中受试者的呼气流速常可达10 L/s，故受试者咳嗽或用力呼吸时的唾液、余痰、食物残渣等极易喷洒，黏附及沉积在检查仪器表面或呼吸回路中，造成污染，甚至可能造成交叉感染。呼吸过滤器连接在受试者与检查仪器之间，可降低交叉感染概率保护受试者，同时又保护检查仪器、周围环境和医务工作者 。

2.1.3　密闭式吸痰管联合呼吸过滤器在神经重症患者气管切开术后的应用

       重型颅脑疾病患者气管切开后的吸痰护理是保证呼吸道通畅的必要措施，肺部感染是气管切开术后最为主要的常见并发症。因此需要及时吸痰，同时又要避免因操作不慎或环境因素等交叉污染而加重肺部感。彭玲英 和马海萍等 将密闭式吸痰管联合呼吸过滤器应用在神经重症患者气管切开术后，以进行封闭式气道管理。此举措可避免操作不慎所致的外源性感染，还能降低职业暴露与院内交叉感染的发生率。但同时也提到，如若管理不当，极有可能给患者带来风险。因为呼吸过滤器虽然具有滤过细菌和保湿、保温的优点，但易阻塞，导致气道压力升高以及二氧化碳潴留。因此，呼吸过滤器不适宜呼吸道分泌物多或黏稠的患者，而且应在严密监护下应用，动态监测呼吸参数及生命体征，一有异常及时正确处理。

2.1.4　限制呼吸道传染性疾病在新生儿呼吸支持时的传播

       2019年新型冠状病毒肺炎的出现向全世界提出了关于如何限制高传染性呼吸道病毒传播的挑战。虽然现在有针对成年患者的指南和建议，但这些不能外推到婴儿和新生儿，因为新生儿呼吸支持存在特定问题（如与新生儿气道相比，设备死腔大、高偏置流量、湿化气体等） ，这使得呼吸道病原体的传播控制特别具有挑战性。Trevisanuto等 探讨了在新生儿ICU不同呼吸支持模式下，新生儿复苏前、中、后病原体传播、气溶胶产生程序和感染控制等问题。Zannin等 对关于如何使用细菌滤过器以减少接受呼吸支持的急性呼吸道感染的新生儿呼吸道病原体传播作出了更详细的说明，重点是保护环境和卫生保健工作者。

2.2　与呼吸过滤器使用相关的影响及并发症

2.2.1　对气体流动阻力和通气阻力的影响

       在呼吸系统中加入呼吸过滤器，增加了气体流动的阻力，从而增加了呼吸做功。在一项比较大型静电式HMEF和加热加湿器对患者影响的研究中，对Ⅱ型急性呼吸衰竭的患者进行无创通气，结果表明当使用过滤器时，分钟通气量显著增加，这也与呼吸功显著增加有关 。

Iotti等 在因呼吸衰竭而使用压力控制通气的患者中比较了大褶裥HMEF和加热型湿化器的应用效果，结果表明随着HMEF的增加，通气显著增加，两组患者的气道阻力显著增加。结论是应该优先考虑使用小容量和低阻力的设备。研究发现，在ICU对患者进行机械通气时，气流的阻力会显著增加，尤其是当液体在过滤器中聚集时 。

2.2.2　液体堵塞

       液体（如患者的痰液或因肺水肿产生的液体）可以流入呼吸过滤器，这可能导致气体流动的阻力增加，在某些情况下，还可能导致完全阻塞，从而阻碍肺的充分通气 。呼吸过滤器对气体流动的高阻力足以阻止呼吸机报警的激活 。由于过滤器被堵塞而导致气道压力峰值大幅增加的原因并不总能立即得到明确的诊断，因为过滤器可能被隐藏在手术巾下 。如果过滤器放置在患者肺部以下，液体就会很容易流入过滤器而造成阻塞。足够容量的液体还可以阻止患者呼出气体，但允许呼吸机传送下一次吸气，使过滤器起到单向阀的作用 ；为了降低这种风险，过滤器应该放置在高于患者肺部水平的位置，过滤层应该垂直，而非水平。

2.2.3　对呼气末二氧化碳波形的影响

       呼吸过滤器会影响呼气末二氧化碳波形。当过滤器的内部容积占潮气量的比例很大时，这种情况尤其可能发生，极端情况下二氧化碳波形可能完全消失 。用于分析的气体样品可以从过滤器患者端或机器端采集，显示的二氧化碳水平可能会有所不同，当潮气量小而呼吸过滤器体积较大时，这种影响似乎更显著 。然而，气体样本应尽可能从过滤器的机器端采集，因为该样本经过过滤可减少污染的风险，而且气体样本通常会比较干燥。

2.2.4　增加死腔容积

       呼吸过滤器连接到患者和呼吸系统之间会增加呼吸系统的死腔，因此，更大比例的呼出二氧化碳会在下一次呼吸中被返回。在回路中增加一个大容量的过滤器可以显著增加PaCO2  。在比较设备时，较小的设备往往比较大的设备具有更大的气体流动阻力；因此，虽然较大的设备可以增加通气，但较小的设备增加呼吸做功，且较小的设备比较大的设备水分输出低。应选择具有最小的死腔，同时满足理想的水分输出要求的呼吸过滤器。为降低ICU机械通气时间延长时肺部损伤的风险 ，应降低目标潮气量。

2.2.5　其他影响

       有证据表明，长时间接触（>4 h）高浓度地氟醚麻醉时（2 MAC），吸入麻醉药会降低一些成人型和儿童型静电过滤器的过滤性能 。此外，Lawes 提出，经过呼吸过滤器的回路气体异常干燥，容易与干燥的二氧化碳吸收剂发生反应，生成复合物A和一氧化碳，而这种现象在每周一早晨异常明显（因为此时的二氧化碳吸收剂异常干燥）。化合物A是麻醉机中最常见的七氟醚降解产物，这些化合物对人类的影响仍不清楚。一氧化碳除了对人体的直接损害，还能干扰血氧测定仪的测量，使动脉血氧饱和度虚假升高，使麻醉医师错误地估计患者特别是对于有心肌缺血的患者的血氧饱和度而酿成严重后果。其提出的解决办法是：首先，应在每周一更换新的二氧化碳吸收剂；其次，用于麻醉维持的新鲜气体流量应少于1 L/min；最后，在呼吸回路和二氧化碳吸收剂之间不使用具有热湿交换特性的过滤器，也可以考虑使用纯生物过滤器。

       此外，使用呼吸过滤器还可能导致吸入诱导的延迟甚至失败。Seropian和Robins 研究显示，应警惕因长时间吸入诱导导致的并发症，如咳嗽、呕吐、反流误吸、喉痉挛等。麻醉诱导延迟的发生可能是使用呼吸过滤器增加死腔量造成。所以，当遇到饱胃、肠梗阻、上呼吸道敏感、有哮喘病史的患者，应充分意识到呼吸过滤器可能带来的潜在并发症，谨慎决定是否使用呼吸过滤器，以保证患者安全。

3 呼吸过滤器的技术创新

呼吸保护是预防空气传播疾病感染的关键。传统技术有几个缺点，如交叉感染的风险、过滤效率的提高受到呼吸困难的限制、不可重复使用等，这些缺点有待于在单一设备中解决。

3.1　盐功能化膜改善呼吸过滤器的细菌过滤效率

       Rubino等 报道了一种克服呼吸保护装置主要技术挑战的呼吸过滤器，传统的大孔膜提供高透气性但细菌捕获能力差，新研发的技术把均匀盐层涂在纤维上将其功能化。与裸膜相比，盐功能化膜获得了很高的细菌过滤效率，差异高达48%，同时保持了很高的透水性（即使在测试的最厚的盐过滤器中，与商用外科口罩相比也增加了60%）。盐功能化膜过滤器在体外快速杀死革兰阳性和革兰阴性细菌，最早可在5 min内观察到菌落形成单位减少，在体内由于盐重结晶造成结构损伤。在恶劣环境条件下（温度37 ℃和相对湿度70%、80%和90%），盐涂层保持了病原体的灭活能力。将这些特性结合在一个过滤器中可生产出有效的设备，全面减轻感染在全球的传播。因此，我们是否可以考虑将面罩的这些技术创新合理运用到呼吸过滤器中，以提高呼吸过滤器的细菌过滤性能。

3.2　利用纳米技术改进呼吸过滤器

       一些关于人类冠状病毒的研究表明，其利用血管紧张素转换酶2 （angiotensin‑converting enzyme 2, ACE2）进入宿主细胞。严重急性呼吸综合征冠状病毒和COVID‑19病毒（SARS‑CoV‑2）进入宿主细胞的切入点相同，因此阻断和（或）降低ACE2的水平可能有助于我们对抗SARS‑CoV‑2的感染 。这些知识对于开发对抗这种受体的抗体非常有价值。另外，ACE2通过增加血管扩张剂血管紧张素的产生对病毒感染后肺损伤具有保护作用。因此，预防SARS‑CoV‑2进入宿主比在感染后对抗病毒更有效。有研究建议在这些病毒进入宿主之前利用纳米技术在口罩、衣服、牙龈、手套等处进行捕捉 ，呼吸过滤器的改进也可借助此类技术创新。

4 结 语

       COVID‑19在全球的蔓延及其在人类生产生活中造成的巨大打击给人类敲响了警钟，传染病的防治工作迫在眉睫，而切断疾病的传播途径是阻止传染的重要手段。在临床工作中，阻止病毒在患者之间、医患之间的传播尤为重要，呼吸过滤器的作用举足轻重。我们在合理选择、应用呼吸过滤器的同时，更应充分认识到其可能带来的并发症。在未来，我们还应对呼吸过滤器进行技术改进，以达到更高的细菌病毒过滤效率。同时，针对为减少交叉感染而呼吸过滤器一次性使用造成的浪费及环境污染等问题，我们还应在过滤膜材料上深入研究，使其容易生物降解，减少环境污染。