湿度调节的艺术：如何优化机械通气中的气体加湿

摘要

医用气体的加湿过程在侵入式和无创通气中都起着至关重要的作用，旨在减轻支气管干燥引起的并发症。虽然被动加湿系统 (HME) 和主动加湿系统在日常临床实践中很普遍，但迫切需要进一步评估它们的重要性。此外，人们对这些设备的操作机制往往缺乏完整的理解。本综述探讨了气体调节在临床实践中的历史演变，从早期的原型到当代的主动和被动加湿系统。它还讨论了湿度调节背后的生理原理，并为优化侵入式和无创通气方式中的加湿参数提供了实用指导。本综述旨在阐明温度、湿度和患者舒适度之间复杂的相互作用，强调个性化气体调节方法的重要性。

关键字：

主动加湿；加热加湿器；传递式加湿器；被动加湿；HME；ICU

1. 简介

自临床实践中早期采用机械通气以来，医用气体加热和加湿的集成一直是一项标准流程。在最早的正压呼吸机原型之一中，例如 Morch 呼吸机 (1954)，已经集成了加湿器 。事实上，由于观察到在侵入性机械通气过程中压缩医用气体造成的损伤，对通气患者进行气体加热和加湿的必要性很早就显而易见了 。

对气体加热和加湿的需求源于侵入式气道管理设备（如气管内插管、气管切开术和声门上系统）的使用。这些装置绕过了初始气道部分，破坏了气体加热和加湿的自然生理过程 。由于医用气体是在低温和无湿度的条件下储存和分配的，这一点尤为重要。如果没有对医用气体进行适当的加湿和加热，与支气管干燥相关的并发症会迅速显现，如粘膜损伤、粘膜纤毛清除率下降，导致分泌物滞留、感染和通气装置阻塞。此外，表面活性剂的产生也会受到不利影响。这种情况导致功能残气量 (FRC) 和肺顺应性降低，其特征是肺泡直径和肺顺应性下降。通气过程中长时间暴露于冷气体也会导致患者体温过低。相反，必须注意的是，加湿器配置不正确，温度和湿度过高，会导致功能性和解剖学改变，如粘膜热损伤、粘液流变性恶化和粘膜纤毛清除功能障碍。湿度过高还会损害表面活性剂的功能，导致微肺不张，并降低 FRC 和肺顺应性。

在重症监护病房 (ICU) 中，通气期间加湿医用气体的重要性已得到充分证实 。过去，通常使用基于气雾剂的设备。而目前的趋势是 ICU 中同时使用主动和被动加湿系统。主动系统包括可调节电动加湿器，而被动系统则包括能够在呼气阶段捕获热量和水分并在吸气阶段重新分配的过滤器。

多年来，人们已经知道上呼吸道和下呼吸道都会将吸入的空气调节到 37 °C 的温度。尽管有了这些认识，为接受有创通气的患者确定合适的湿化器设置一直是一个有争议的话题。最初的建议范围在 25 到 30 °C 之间，但随后的科学研究导致推荐的温度目标转变为 36-37 °C，并得到了现行通气指南的认可 。尽管在有创通气中已经有了这些认识，但湿化过程往往被低估。这种低估在无创通气中变得更加严重。尽管在无创通气中有时认为湿化是不必要的，但仍然建议进行湿化。目标是吸气气体的绝对湿度为 10 mg/L。然而，在无创通气中使用医用气体实现这一目标并不总是那么容易。

临床操作人员常常低估湿化过程的复杂性。本综述的目的是提供技术和实践指导，以优化有创和无创通气期间医用气体加热和湿化管理。

2. 身体方面

2.1. 湿度

绝对湿度测量特定体积的气体中实际存在的水蒸气量。在 ICU 环境中，它通常以每立方米千克 (Kg/m 3 ) 或每毫升空气中水毫克数 (mg/mL) 表示（图 1，面板 A）。另一方面，相对湿度是绝对湿度（每体积气体中实际的水蒸气量）与相同体积可容纳的最大水蒸气量之间的比率。相对湿度也可以表示为每个系统中水“可用性”的百分比。此外，绝对湿度受温度和压力的影响。事实上，温度逐渐下降会增加相对湿度，直到“饱和点”（100%），此时空气达到其最大携水能力。温度进一步下降会导致“露点”，导致水凝结和绝对湿度下降。低于“露点”，温度不再影响绝对湿度。在等温条件下，绝对湿度的增加与相对湿度的增加成正比。

图 1. 温度对空气携带水蒸气能力的直接影响。详情见下文。AH，绝对湿度；RH，相对湿度；T，温度。

在图 1中，面板 A 说明了湿度和温度之间的关系，突出显示了饱和点。温度升高会增强空气携带水蒸气的能力（绝对湿度），从而降低相对湿度。具体来说，在这个例子中，在 20 °C 时，室内空气饱和（RH 100%），水蒸气含量为 18 mg/L。但是，当温度升高到 30 °C 时，保持相同的 18 mg/L 水蒸气，相对湿度会降至 50%。面板 B，考虑一个假设的孤立系统，其绝对湿度为 10 mg/L。在 30 °C 时，气体的相对湿度为 50%。降至 20 °C 会使相对湿度升高到 75%，绝对湿度保持在 10 mg/L。进一步降低到 10 °C 会导致相对湿度达到 100%，标志着饱和点，绝对湿度恒定为 10 mg/L。温度降至 4 °C 时，露点降至零，导致结露。相对湿度保持在 100%，但绝对湿度降至 5 mg/L。温度继续降至 0° C 时，水蒸气完全凝结，绝对湿度为 0 mg/L，相对湿度为 0% 。

2.2. 临床实践中的湿化目标值

在有创通气方面，国际文献通常建议维持 100% 的相对湿度。这相当于确保输送给患者的气体（通常在通气回路的 Y 型连接处）含有 37 °C 温度下的 44 mg/L 水蒸气。这些参数模拟生理条件，确保适当的湿度水平并防止与干燥气道相关的并发症。虽然湿化在有创通气中的重要性已得到充分认可，但它在无创通气中的应用往往被忽视。在无创通气中，不会绕过初始气道，从而保留了加热和湿润气体的自然过程。然而，必须仔细考虑气体的性质（干燥医用气体与室内空气混合）和治疗持续时间。长期缺乏湿化或湿化不充分会导致并发症，如粘膜损伤、吞咽痛、结膜炎和脱水 。特别地，使用医院加压气体系统中的氧气和空气的设备需要湿化，而使用加压氧气与室内空气结合的设备部分依赖于室内空气的湿度。这些考虑必须结合人类呼吸的理想环境条件，包括露天环境、高气压和 20 °C 的温度（40% 相对湿度）。无创通气的良好实践建议进行主动气体湿化，特别是当吸气氧气浓度 (FiO2 )超过 60% 时。然而，由于医院病房内室内空气湿度的变化，建立标准的 FiO2阈值具有挑战性。指南建议主动加湿，温度为 28°C 时相对湿度为 40%，对应绝对湿度为 10 mg/L 。

3. 技术方面

3.1. 被动加湿

被动加湿是通过使用热湿交换器 (HME) 设备实现的。这些设备在呼气阶段捕获从肺部排出的水蒸气，并在随后的吸气过程中重新引入热量和水分。此外，这些过滤器还具有抗菌性能，并为通气回路提供隔离。它们的性能因型号而异，在 27–30 °C 的温度范围内和 90–95% 的相对湿度水平下，过滤器内的最大绝对湿度值约为 30–32 mg/L 。HME设备可分为疏水性和吸湿性。

疏水性 HME 装置的特点是膜上的孔径为 0.2 μm。这些孔可使气体和水蒸气通过，同时阻止悬浮水滴通过。在 HME 内部，多孔膜位于呼吸机回路侧，过滤器的整个体积都被冷凝表面占据。与第一气道一样，这个冷凝单元能够捕获一部分呼出的水蒸气。患者侧和呼吸机侧之间的温差越大，其性能就越好。在标准温度条件下，患者呼出的气体温度约为 33 °C，绝对湿度为 36 mg/L，相对湿度为 100%。经过过滤器后，气体温度降至 20 °C，绝对湿度为 18 mg/L。因此，过滤器捕获并返回 18 mg/L 的水和热量。在随后的吸气过程中，HME 中所含的温度和湿度与来自呼吸机医用气体（温度为 22 °C，绝对湿度为 0 mg/L）的温度和湿度以及过滤后管上冷凝水蒸发产生的额外 8 mg/L 相加。这种累积效应导致温度达到 35 °C，绝对湿度为 26 mg/L，相当于气管隆突处所需的条件。此时，下呼吸道将肺泡前空气调节到生理温度约 37 °C，绝对湿度为 44 mg/L，相对湿度达到 100%（图 2）。

图 2. 疏水性 HME（面板 ( A )）和吸湿性 HME（面板 ( B )）。HME，热湿交换器。

吸湿性 HME 的功能与疏水性 HME 类似，但吸湿性 HME 包含一层额外的吸湿材料，通常是钙基或锂基材料。这层额外的材料可增强水和热的存储能力。这些过滤器是被动加湿系统中最有效的过滤器，可保留约 28 mg/L 的绝对湿度，比疏水性过滤器多 10 mg/L。这种能力使气管隆突处的湿度值达到约 35 °C，水蒸气含量为 36 mg/L （图2 ）。

许多 HME 还具有抗菌和抗病毒功能，使其成为过滤效率约为 99.9% 的 HME 过滤器。相反，某些过滤器专门设计用于抗菌和抗病毒，而不提供热量和水分交换。因此，在选择过滤器时，必须仔细考虑其预期用途和在回路中的位置。

最后，主动式 HME 是位于 HME 过滤器和气管插管之间的加湿器，包含一个电加热陶瓷元件，可将气道中的水蒸发。这些系统提供的绝对湿度比被动式 HME 作用高出约 3-4 mg/L，但其实际临床益处尚未得到充分证实。

HME 必须每 24 小时更换一次，或按照制造商的说明进行更换，否则其特定性能可能会下降，从而可能导致通气流阻力增加。值得注意的是，所有经过认证的 HME 都必须遵守国际性能建议，例如欧洲建议 (ISO 9360/1992(E))。这些准则包括以下标准：有限的阻力（30 cmH 2 O 压力下吸气流量下降至 25 L/min 以下，60 L/min 流量下压力下降小于 5 cmH 2 O）、容量小于 50 mL，以及潮气量在 200 至 1000 mL 范围内适当加湿。

3.2. 主动加湿

主动加湿是使用专门设计用于主动向医用气体提供热量和水分的设备来实现的 。多年来，人们开发并商业化了各种主动加湿系统，也称为加热加湿器 (HH)。主要可分为四种类型：

• 气泡加湿器：气体通过加热水箱，在那里通过气泡进行加湿。

• 旁路加湿器：气体通过配有渗透膜或无水表面的加热单元进行加湿。

• 逆流加湿器：水在系统外部被加热，然后在通气回路内流动，与气体流动的方向相反，提供加湿。

• 在线汽化加湿器：通过通气回路内的直接水汽化过程对气体进行加湿。

旁路加湿器

旁路加热湿化器 ( HH ) 是 ICU 中最常用的设备，主要是因为其具有良好的性价比 。Passover 的工作原理是调节通气回路内的温度梯度。有两种不同的模型：“膜”模型和“自由水”模型，分别如图 3 和图 4 所示。这两个系统都是封闭系统，通过专用回路连接到呼吸机。这些回路的基本特征是具有加热吸气管分支 。

图 3. 传递膜加湿器集成到较旧的通气回路中，冷凝水收集在两个通气管上。此配置允许将加湿器设置为 35 °C 且梯度为零。

图 4. 无需冷凝水的无水湿化器集成到呼吸回路中。这得益于高性能加热吸气和呼气管。在此配置中，需要将湿化器设置为 37 °C 并具有负梯度。

旁路加湿器包括一个金属圆筒，该金属圆筒配备有一个可渗透的多孔膜，该膜与外部水箱相连，使得膜能够连续吸收水分 。

而自由水加湿器则由一个钟形罩和底部的金属板组成 。在这种情况下，水会被动滴落，填满钟形罩的底部。在这两种系统中，加热都是由与金属部件直接接触的电阻提供的。调节气体加湿过程的变量包括水/空气接触面、气体流速和温度。在这些变量中，只有温度调节才是可用于操纵该过程的参数。水温越高，蒸发量和绝对湿度就越大。因此，这个参数决定了系统实际输入的水量。实现这一点后，必须确保蒸发的水不凝结地到达患者体内。呼吸机回路的加热吸气支路可以实现这一点。这一特性对于防止湿气在导管的冷表面上凝结很重要。

主动式电驱动旁通增湿器主要有三种调节模式：

• 侵入式模式和非侵入式模式。此参数允许调整工作温度范围和气体绝对湿度，具体取决于上呼吸道是否被绕过。作为参考，根据加湿器型号，侵入式设置下允许的温度水平通常在 33 °C 至 39 °C 之间，而非侵入式设置下允许的温度水平在 28 °C 至 37 °C 之间 。

• 患者体温。该参数用于设置回路“Y”点处所需的气体温度，该点是吸气分支和呼气分支之间的分叉点。

• 温度梯度。吸气加热支管配备两个温度传感器，可以设定患者体温和蒸发室温度之间的温差。温度梯度通常在 -3 至 +3 °C 之间。因此，该参数可以间接设定加热室中水的温度，其中较高的加热室温度对应于水蒸发量的增加（绝对湿度）（图 5）。

图 5. 呼吸回路中的绝对湿度 (mg/L)、温度 (°C) 和相对湿度 (%)。加热管可降低相对湿度，同时保持绝对湿度。这样可进一步增加患者自然气道的湿度。

因此，这些设置既影响绝对湿度（输入系统的水量），也影响气体保留水蒸气的能力（实际到达患者的水量）。例如，如果患者体温设为 35 °C，且梯度设为 +2（正梯度），则会导致室内温度升高（37 °C），从而由于蒸发增加而导致绝对湿度升高。相反，此设置将导致患者绝对湿度降低，因为气体沿吸气分支逐渐冷却将导致大量水凝结 。但是，管内凝结损失的水越多，到达患者的实际湿度就越低。相反，负梯度将导致室内温度降低，从而导致蒸发减少，最终导致绝对湿度降低 。然而，逐渐加热气体将保持水对患者的“生物利用度”，因为温度升高会导致相对湿度降低，这意味着气体输送水蒸气的能力更强。

图6描述了设置逾越节加湿器的操作算法。

总的来说，通过热交换加热的加湿器的主要特点应该包括：多种可选温度设置，通过不同通风模式轻松调节；即使在高流量下也能保持稳定的性能；有效的水采样系统；以及可反馈患者温度和蒸发单元状态的显示屏。

4. 设置

4.1. 有创通气的最佳设置

• 设置侵入模式。

• 将患者温度设定为 37 °C (±2)：此设置可使肺泡前生理气体达到足够的温度，同时绝对湿度为 44 mg/L，相对湿度为 100% 。

• 渐变设置：

• A. 零梯度：目标是实现平衡的湿度关系。虽然理论上可以保持恒定的湿度，但必须小心管道性能不佳和室温影响。当吸气支路有冷凝收集器时，建议使用此设置。

• B.负梯度（-1 或 -2）：此设置可最大限度地降低凝结风险，尽管湿化水平略低，但符合呼吸机相关性肺炎的预防要求。当吸气支缺乏凝结收集器时，建议使用此设置。

• ICU 患者的最佳设置：通过调节温度而不是改变梯度来调整患者湿化。确保患者体温在 37 °C ± 2 (35 °C 至 39 °C) 范围内，以获得正确的绝对湿度。

• 体温调节注意事项：考虑通过加湿器温度调节降低患者体温的极端措施时要谨慎。相反，建议积极加热吸入气体以进行低温管理，并配合物理治疗 。

4.2. 无创通气的最佳设置

• 设置非侵入模式。

• 将患者温度设定为 28 °C：此温度有利于蒸发 10 mg/L，相对湿度为 40% 。

• 梯度设置：零梯度。此设置可确保提供的湿度与到达患者的湿度之间达到最佳平衡。考虑到 28 °C 时产生的湿度降低，此设置可防止管道或呼吸机内出现冷凝。

• 高流量鼻氧管 (HFNC) 治疗期间的特殊考虑：

• A。

• 在高流量鼻导管治疗期间，由于患者上呼吸道直接有高流量，因此需要提高加湿器温度。

• B.

• 将患者目标温度设为 32 °C。可根据患者的舒适度在 30–34 °C 范围内调整温度设置 。

5. 临床证据和未来方向

5.1. 临床证据

医用气体的最佳加热和湿化是呼吸治疗的关键方面，特别是在机械通气期间。如前所述，气体调节不足会导致一系列并发症，从粘膜损伤到表面活性剂功能受损。在提供足够的水分和防止热损伤之间实现微妙的平衡仍然是一个临床挑战 。加湿技术的进步极大地影响了当代临床实践。从基于气雾剂的设备到主动和被动加湿系统的转变反映了人们为改善患者预后和简化呼吸治疗方案而做出的持续努力。热湿交换器 (HME) 等被动加湿设备的出现强调了在尽量减少回路相关并发症的同时保持水分水平的重要性。此外，在配置加湿参数时，区分有创和无创通气方式至关重要。虽然侵入性通气需要精确控制温度和湿度以减轻呼吸道并发症，但无创通气由于气体来源和治疗持续时间的不同而面临着独特的挑战。

绝对湿度的推荐目标值可作为优化不同通气模式下气体调节的指导原则 。了解温度、湿度和患者舒适度之间的相互作用对于完善临床环境中的加湿方案至关重要。

5.2. 未来方向

有必要开展持续研究以探索新方法（例如主动湿化系统）并阐明其临床效果和成本效益。临床医生、工程师和研究人员之间的协作将推动创新并促进定制解决方案的开发，以满足通气患者不断变化的需求 。湿化策略的局限性在于患者生理、环境条件和设备性能的多变性，这强调了个体化气体调节方法的必要性 。尽管湿化技术取得了进步，但仍有几个领域值得进一步研究。未来的研究工作应侧重于优化针对特定患者群体的湿化策略，评估湿化对气道完整性和呼吸结果的长期影响，并开发创新方法来提高湿化效率和患者舒适度。涉及临床医生、研究人员和行业利益相关者的合作计划对于推动呼吸治疗领域的发展和改善通气患者的预后至关重要。

6。结论

总之，加热和加湿在医用气体管理中的整合是现代呼吸治疗的基石。展望未来，持续的研究努力和技术创新将进一步完善我们对最佳气体调节策略的理解和实施，最终提高患者治疗效果和护理质量。

Re R, Lassola S, De Rosa S, Bellani G. Humidification during Invasive and Non-Invasive Ventilation: A Starting Tool Kit for Correct Setting. Medical Sciences. 2024; 12(2):26. https://doi.org/10.3390/medsci12020026