高频振荡通气气体输送机理研究
作者：崔苏扬 骆 璇 徐福涛 丁万山
单位：崔苏扬 骆 璇 徐福涛 南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科 邮政编码：210008；丁万山 南京航空航天大学测试中心
关键词：高频振荡通气 气流 运行 模拟测定
江苏医药990408 摘要 应用二维激光多普勒测速仪对0～2级气管中高频振荡通气(HFOV)时的气流方式进行研究，并以雷诺系数(Re)作为气流扩散指标，经正交实验设计与方差分析，得出最佳的临床通气参数。结果0级气管中HFOV是以轴向对流为主；1与2级气管中则是二次旋流与涡流为主，并夹有极小的轴向流动。通气频率(F)与驱动压(P)对Re均有影响。各级气管中心部最佳F＝30Hz，边缘部为10Hz；最佳P除0级气管为0.8kg/cm2外，其余部位均为0.3kg/cm2。
高频振荡通气(HFOV)临床已应用多年，尤其是在婴幼儿以及急性呼吸窘迫综合征(ARDS)等肺部疾病的治疗方面获得了十分明显的疗效。然而，对于HFOV气流运行机理的认识与研究不足，限制了其更广泛的临床应用。有关其机理的研究，国外虽有一些报告，但由于测定方法与技术的不同，所得结论也就不尽相同。我们在高频喷射通气(HFJV)气流运输机理研究的基础上[1，2]，应用完全不影响气流流场的测试手段-二维激光多普勒测速仪(LDV)对HFOV气流运行进行了研究。
, http://www.100md.com
测试与分析方法
一、测试装置与技术：
1.气流发生与通气气道模拟系统：由重庆大学光机系研制的GJ-2型高频振荡呼吸器和自行研制的气管-支气管-肺模型以及烟雾粒子发生装置组成[1]。
2.LDV系统：用美国Tsi9100-7型LDV系统行流场测试。其基本原理：测定随气流流场一起运动的烟雾微粒作为信息源。再由计数型信息处理器及计算机进行实时的数据采集与处理。LDV系统两束蓝光测量速度的水平分量即横向速度；两束绿光测速度的垂直分量即轴向速度[3]，见附图。
二、分析方法：
选择影响HFOV气流的几个主要临床参数：呼吸器驱动压(P)、频率(F)和吸呼时间比(R)三个因素，每个取3个不同水平(P＝0.3、0.5和0.8kg/cm2；F＝10、30和50Hz；R＝1∶1、1∶2和1∶3)，按正交实验设计(L9[4]3)分别测定气管(0级)、支气管(1级)和段支气管(2级)不同层面9种不同组合状态的气流变化，共四百余项参数，再用方差分析得出其最佳组合形式。
, 百拇医药
附图 LDV系统工作配置
结果
一、HFOV在气管内运动存在有轴向和横向两种速度。在0级气管中为管中心轴向流入，管外周流出；在1级气管内轴向的气流运动明显减少，横向气流运动逐渐增加。随着气管的分叉，上述现象愈加显著，尤其是在2级气管内表现为“扭秧歌”式的进退，以及邻近气管间的相互“排灌”现象。在气管中心与边缘存在明显不同的气流速度与方向。如2级气管内轴向流速仅1米/秒左右，边缘高于中心；横向流速高达20米/秒左右，中心大于边缘。气流的运动从单纯的轴向对流逐渐过渡呈旋转与涡流的形式。
二、本文各状态所测得的Re均大于2300，最高10466，可见HFOV仍属非定常的湍流运动[2，4](Re＝ud/v，u平均速度，d管道口径，v动力粘数)。若以Re作为气体扩散效果的衡量指标[2，4]，进行各级气管不同状态的综合方差分析则：(1)0级气管中心部最佳通气参数F＝30Hz、P＝0.8kg/cm2、R＝1∶3，其中P影响具有显著意义；气管边缘部最佳参数是F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响具显著性。(2)1级气管中心部最佳组合F＝30Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响最明显；边缘部最佳组合参数F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响最具显著性。(3)2级气管中心部HFOV最佳组合F＝30Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2；边缘部F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2。
, 百拇医药
讨论
实验结果表明HFOV的气流运动与HFJV一样属非定常的湍流[2，4]。由于HFOV的频率更快，气流的进或出流动均缺乏足够的时间，因而在整个HFOV中，各局部气体始终在运动，行程总不为零[3]。新陈气体在气管内受到不同方向与不同力的作用，发生不断的碰撞与扩散。特别是在1与2两级气管中，由于管系的分叉，气体流动已完全不同于直管中的运行。当气流由气管分叉处进入下一级支气管时，伴随着高频脉动，气流分离并形成二次旋流(气流在分叉处受到离心力的作用，中心轴线的质点向外流动，管壁附近的质点则向内流动)。在分叉部，当中心轴流直接冲击到分叉的滞止点上，又形成了局部的高压区，而管边缘部的相对低压又加快了旋转的速度[3，5]。在实验中发现随着气管的分叉，气流的横向流速越来越大，且中心略大于边缘。而轴向流速则越来越小，在2级气管仅为横向流速的1/20左右。这些进一步表明旋流的存在，以及管壁部的相对低压是形成气体反向轴向运行(主要是排出)的主要通道。
, 百拇医药
若以一假设质子为例，在二次旋流的过程中，流过一段距离后，旋流能量大量消耗，不足以克服外部压力而被滞止。这时在外部压力作用下气流被迫作反向运动，出现倒流，形成涡[3]，涡不断的形成又不断的脱落，如此反复。正由于HFOV中不断的涡与旋夹杂，故气道内压力的分布极不均一，并随着频率的增高而增加，即产生呼气末的正压(PEEP)现象[6，7]。因此，过高的通气频率可使CO2不能满意排出。在HFJV研究与HFOV动物实验中我们均证实了这一点[2，7]。
作为衡量气体扩散程度的指标，Re的增加被认为更有利于气体的扩散[2，4]。本实验发现F与P对Re均有影响，尤其是F的影响更为显著。但在不同级气管或同级气管的不同层面并非是F越快或P越大Re就越高。如各级气管的中心部位最佳F是30Hz，而边缘管位为10Hz；最佳P除0级气管中心部为0.8kg/cm2外，其余均为0.3kg/cm2。这表明在0级气管中气流的运动是直管中的运动，气流主要依赖于压力轴向流动，压力越高，轴向流速越快，Re越高，这不仅扩散好，也有利于气体进入到下一级支气管。在支气管中，由于二次旋流与涡流的存在，气管中心与管壁部分别为气旋的中心与边缘，所以气体的流速也就不相同，分别选择30与10Hz的F就可达最佳扩散效果(Re最大)。
, 百拇医药
当然，Re只表明气体扩散的程度，是否扩散好就一定有最好的通气效果呢？我们在HFOV动物实验研究中以动脉血氧分压与二氧化碳分压作为通气效果的指标得出了肯定的回答[7]。
综上所述，HFOV的气流运行包括了轴向对流，二次旋流及涡流等多种形式。不同级气管中气体运行形式各不相同，0级气管中是以轴向对流为主，而1和2级气管中则以旋流和涡流为主，伴极小的轴向流动，通过这些形式的气流运动，气体达到充分的扩散与交换。结合前期动物实验研究，我们认为10Hz的F就可达到气体的充分扩散与满意的氧合效果，并且不影响CO2的排出。P的选择则不宜过高，以免CO2的排出不完全，当然P应以有无有效的轴向对流(潮气量)来确定[8，9]。
参考文献
[1] 徐福涛，等.中华麻醉学杂志 1993；13：341.
, 百拇医药
[2] 徐福涛，等.中华麻醉学杂志 1993；13：215.
[3] 丁万山，等.南京航空航天大学学报 1997；29：353.
[4] Yamada M. 麻醉 1990；39(3)：27.
[5] Pedley TJ, et al. Crit Care Med 1994；3：24.
[6] Schuster DP, et al. Crit Care Med 1986；14：5.
[7] 崔苏扬，等.江苏医药 1997；23：243.
[8] Chan V, et al. Eur J Pcdiatr 1993；152：350.
[9] Ben Jebria A, et al. Int J Biomed Comput 1987；21：137.
(1998年2月18日收稿 同年7月20日修回), http://www.100md.com
单位：崔苏扬 骆 璇 徐福涛 南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科 邮政编码：210008；丁万山 南京航空航天大学测试中心
关键词：高频振荡通气 气流 运行 模拟测定
江苏医药990408 摘要 应用二维激光多普勒测速仪对0～2级气管中高频振荡通气(HFOV)时的气流方式进行研究，并以雷诺系数(Re)作为气流扩散指标，经正交实验设计与方差分析，得出最佳的临床通气参数。结果0级气管中HFOV是以轴向对流为主；1与2级气管中则是二次旋流与涡流为主，并夹有极小的轴向流动。通气频率(F)与驱动压(P)对Re均有影响。各级气管中心部最佳F＝30Hz，边缘部为10Hz；最佳P除0级气管为0.8kg/cm2外，其余部位均为0.3kg/cm2。
高频振荡通气(HFOV)临床已应用多年，尤其是在婴幼儿以及急性呼吸窘迫综合征(ARDS)等肺部疾病的治疗方面获得了十分明显的疗效。然而，对于HFOV气流运行机理的认识与研究不足，限制了其更广泛的临床应用。有关其机理的研究，国外虽有一些报告，但由于测定方法与技术的不同，所得结论也就不尽相同。我们在高频喷射通气(HFJV)气流运输机理研究的基础上[1，2]，应用完全不影响气流流场的测试手段-二维激光多普勒测速仪(LDV)对HFOV气流运行进行了研究。
, http://www.100md.com
测试与分析方法
一、测试装置与技术：
1.气流发生与通气气道模拟系统：由重庆大学光机系研制的GJ-2型高频振荡呼吸器和自行研制的气管-支气管-肺模型以及烟雾粒子发生装置组成[1]。
2.LDV系统：用美国Tsi9100-7型LDV系统行流场测试。其基本原理：测定随气流流场一起运动的烟雾微粒作为信息源。再由计数型信息处理器及计算机进行实时的数据采集与处理。LDV系统两束蓝光测量速度的水平分量即横向速度；两束绿光测速度的垂直分量即轴向速度[3]，见附图。
二、分析方法：
选择影响HFOV气流的几个主要临床参数：呼吸器驱动压(P)、频率(F)和吸呼时间比(R)三个因素，每个取3个不同水平(P＝0.3、0.5和0.8kg/cm2；F＝10、30和50Hz；R＝1∶1、1∶2和1∶3)，按正交实验设计(L9[4]3)分别测定气管(0级)、支气管(1级)和段支气管(2级)不同层面9种不同组合状态的气流变化，共四百余项参数，再用方差分析得出其最佳组合形式。
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附图 LDV系统工作配置
结果
一、HFOV在气管内运动存在有轴向和横向两种速度。在0级气管中为管中心轴向流入，管外周流出；在1级气管内轴向的气流运动明显减少，横向气流运动逐渐增加。随着气管的分叉，上述现象愈加显著，尤其是在2级气管内表现为“扭秧歌”式的进退，以及邻近气管间的相互“排灌”现象。在气管中心与边缘存在明显不同的气流速度与方向。如2级气管内轴向流速仅1米/秒左右，边缘高于中心；横向流速高达20米/秒左右，中心大于边缘。气流的运动从单纯的轴向对流逐渐过渡呈旋转与涡流的形式。
二、本文各状态所测得的Re均大于2300，最高10466，可见HFOV仍属非定常的湍流运动[2，4](Re＝ud/v，u平均速度，d管道口径，v动力粘数)。若以Re作为气体扩散效果的衡量指标[2，4]，进行各级气管不同状态的综合方差分析则：(1)0级气管中心部最佳通气参数F＝30Hz、P＝0.8kg/cm2、R＝1∶3，其中P影响具有显著意义；气管边缘部最佳参数是F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响具显著性。(2)1级气管中心部最佳组合F＝30Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响最明显；边缘部最佳组合参数F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2，F的影响最具显著性。(3)2级气管中心部HFOV最佳组合F＝30Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2；边缘部F＝10Hz、P＝0.3kg/cm2、R＝1∶2。
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讨论
实验结果表明HFOV的气流运动与HFJV一样属非定常的湍流[2，4]。由于HFOV的频率更快，气流的进或出流动均缺乏足够的时间，因而在整个HFOV中，各局部气体始终在运动，行程总不为零[3]。新陈气体在气管内受到不同方向与不同力的作用，发生不断的碰撞与扩散。特别是在1与2两级气管中，由于管系的分叉，气体流动已完全不同于直管中的运行。当气流由气管分叉处进入下一级支气管时，伴随着高频脉动，气流分离并形成二次旋流(气流在分叉处受到离心力的作用，中心轴线的质点向外流动，管壁附近的质点则向内流动)。在分叉部，当中心轴流直接冲击到分叉的滞止点上，又形成了局部的高压区，而管边缘部的相对低压又加快了旋转的速度[3，5]。在实验中发现随着气管的分叉，气流的横向流速越来越大，且中心略大于边缘。而轴向流速则越来越小，在2级气管仅为横向流速的1/20左右。这些进一步表明旋流的存在，以及管壁部的相对低压是形成气体反向轴向运行(主要是排出)的主要通道。
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若以一假设质子为例，在二次旋流的过程中，流过一段距离后，旋流能量大量消耗，不足以克服外部压力而被滞止。这时在外部压力作用下气流被迫作反向运动，出现倒流，形成涡[3]，涡不断的形成又不断的脱落，如此反复。正由于HFOV中不断的涡与旋夹杂，故气道内压力的分布极不均一，并随着频率的增高而增加，即产生呼气末的正压(PEEP)现象[6，7]。因此，过高的通气频率可使CO2不能满意排出。在HFJV研究与HFOV动物实验中我们均证实了这一点[2，7]。
作为衡量气体扩散程度的指标，Re的增加被认为更有利于气体的扩散[2，4]。本实验发现F与P对Re均有影响，尤其是F的影响更为显著。但在不同级气管或同级气管的不同层面并非是F越快或P越大Re就越高。如各级气管的中心部位最佳F是30Hz，而边缘管位为10Hz；最佳P除0级气管中心部为0.8kg/cm2外，其余均为0.3kg/cm2。这表明在0级气管中气流的运动是直管中的运动，气流主要依赖于压力轴向流动，压力越高，轴向流速越快，Re越高，这不仅扩散好，也有利于气体进入到下一级支气管。在支气管中，由于二次旋流与涡流的存在，气管中心与管壁部分别为气旋的中心与边缘，所以气体的流速也就不相同，分别选择30与10Hz的F就可达最佳扩散效果(Re最大)。
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当然，Re只表明气体扩散的程度，是否扩散好就一定有最好的通气效果呢？我们在HFOV动物实验研究中以动脉血氧分压与二氧化碳分压作为通气效果的指标得出了肯定的回答[7]。
综上所述，HFOV的气流运行包括了轴向对流，二次旋流及涡流等多种形式。不同级气管中气体运行形式各不相同，0级气管中是以轴向对流为主，而1和2级气管中则以旋流和涡流为主，伴极小的轴向流动，通过这些形式的气流运动，气体达到充分的扩散与交换。结合前期动物实验研究，我们认为10Hz的F就可达到气体的充分扩散与满意的氧合效果，并且不影响CO2的排出。P的选择则不宜过高，以免CO2的排出不完全，当然P应以有无有效的轴向对流(潮气量)来确定[8，9]。
参考文献
[1] 徐福涛，等.中华麻醉学杂志 1993；13：341.
, 百拇医药
[2] 徐福涛，等.中华麻醉学杂志 1993；13：215.
[3] 丁万山，等.南京航空航天大学学报 1997；29：353.
[4] Yamada M. 麻醉 1990；39(3)：27.
[5] Pedley TJ, et al. Crit Care Med 1994；3：24.
[6] Schuster DP, et al. Crit Care Med 1986；14：5.
[7] 崔苏扬，等.江苏医药 1997；23：243.
[8] Chan V, et al. Eur J Pcdiatr 1993；152：350.
[9] Ben Jebria A, et al. Int J Biomed Comput 1987；21：137.
(1998年2月18日收稿 同年7月20日修回), http://www.100md.com