实验室模拟临床潮湿环境下呼吸过滤器性能比较.doc

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1、潮湿环境下呼吸过滤器的性能：实验室评定 2003年5月提交欧洲麻醉协会（格拉斯哥）D. Turnbull1*、P. C. Fisher2、G. H. Mills1和N. J. Morgan-Hughes31谢菲尔德大学麻醉学研究部（英国南约克郡谢菲尔德） 2皇家海莱姆郡医院麻醉科（英国南约克郡谢菲尔德） 3北区综合医院麻醉科（英国南约克郡谢菲尔德）*联系人： 电子邮箱：cahillturnbulldoctors.org.uk简介： 当前，热湿交换器结合病毒与细菌过滤器（热湿交换过滤器）广泛应用于全身麻醉中。 患者分泌物过量造成热湿交换过滤器堵塞是过去案例中气道阻塞的主要原因。 先前的研究表明，

2、热湿交换过滤器设计上的差异可能造成过滤器在潮湿环境下堵塞。研究方法： 我们在潮湿环境下对14种热湿交换过滤器进行测试，确定造成热湿交换过滤器堵塞的设计特点。 测试中，我们向每台过滤器添加增量生理盐水。 同时，测量60 litre min-1气流量下过滤器的压力。研究结果： 经研究我们发现，若不留心，观察者很难发现向过滤器添加的生理盐水。 不同过滤器生理盐水添加量均不相同。 此外，陶瓷疏水褶膜式过滤器不吸收生理盐水且阻力无变化。 复合过滤器（水分交换部件为聚氨酯泡沫体或纤维素）可吸收生理盐水，吸收后阻力上升70480%，与其他纤维素纸热湿交换过滤器相比，上升幅度较明显。结论： 全身麻醉中热湿交换

3、过滤器的理想状态为能够阻断病毒、细菌和阮病毒的传播，即使在潮湿环境下也具有良好的过滤性能，能够增加吸入空气和麻醉气体湿度同时不增加呼吸功。 我们的研究表明，在潮湿环境下热湿交换过滤器的性能发生了较大变化。 用户应深入了解热湿交换过滤器的性能变化，在预期使用条件下正确使用过滤器。Br J Anaesth 2005; 94: 67582关键词：设备；呼吸过滤器；安全设备；通气接受出版日期：2004年12月20日当前，热湿交换器结合病毒与细菌过滤器（热湿交换过滤器）广泛应用于全身麻醉中。 水分交换部件可回收百分之一患者呼出水分，从而被动增加吸气的湿度。 热湿交换过滤器中的过滤部件可降低患者之间2 3

4、细菌1和病毒交叉感染的风险。尽管热湿交换过滤器已广泛应用于全身麻醉4中，但还是存在着严重的问题， 包括呼吸功增加5、气道阻塞68和锂中毒9。水分（尤其是患者分泌物、喷洒的药物10或循环回路中的水分）阻塞热湿交换过滤器的气孔时会引起气道阻塞，造成阻力大幅度上升。 值得庆幸的是，在日常使用条件下水分含量不足以造成阻塞11 12。但是，热湿交换过滤器中水分过量时，用户不易发现，因此易造成通气困难时临床管理不当。之前的一项研究13表明，设计上的差异会造成热湿交换过滤器在潮湿环境下的性能差异。 在本项试验中，我们采用英国现有的14款热湿交换过滤器作为研究对象。 我们的研究目标是评估潮湿环境下热湿交换过滤

5、器的阻塞风险，同时调查热湿交换过滤器的特定结构特点是否是造成阻塞的因素。图1(A)：一分为二的复合过滤器，左边为聚氨酯泡沫热湿交换器，右边为聚丙烯病毒/细菌过滤器。 (B)：螺旋形波纹纤维素纸热湿交换器（无热湿交换过滤器壳）。 (C)：摺状陶瓷过滤器示例（Airsafety Maxipleat）。 所示液面为过滤器壳内可见过量液体。此外，我们还希望将闭塞风险与其他性能指标相结合，确定现有的最理想的热湿交换过滤器，即无效区小，过滤效果良好，水分输出量高且阻塞风险低或增加呼吸功的可能性低的过滤器。方法接受测试的过滤器类型接受测试的10台过滤器由英国主要的热湿交换过滤器（HMEF）供应商提供。复合型

6、过滤器Intersurgical 1941、Airsafety Comfortfit、Airsafety Slimline、Siemens Servofilter、Datex Ohmeda 1000和Vital Signs F2的热湿交换元件为氯化钙浸渍过的聚氨酯泡沫材质，过滤元件为聚丙烯纤维材质（图1A）。 此外，复合型过滤器The Draeger Hygrovent S、Dar Hydrobac S、Gibeck 19402和Rusch Arios的热湿交换元件为氯化钙浸渍过的波纹纤维素纤维（棉或木浆）材质（图1B），过滤元件为聚丙烯纤维材质。 Pall BB2、Pall BB100、Ai

7、rsafety Maxipleat (图1C)和Intersurgical 1741则为褶状陶瓷膜疏水过滤器。过滤器压力s当HMEF受液体污染时，其所受气流阻力会增加。 在此次研究中，我们测量了盐水含量上升时的HMEF的压力变化。 为此，我们采用医疗用气缸（气缸内连续气流速度为60 L/min）、测量过滤器压差的校准分析仪（RT200, Allied医疗保健产品，已获认证）， 并在安装在患者端的HMEF中注入0.9%盐水，每隔一段时间加注5ml，轻轻摇动后，将过滤器垂直放置在实验装置上。 过滤器中的气流应朝患者端流动，模拟人体吸气过程；患者端位置最高，过滤器倒置，从而依靠患者模拟人体呼气的过程

8、。 盐水从过滤器中喷出时即停止实验。每个实验各采用一台新的HMEF，每个实验进行10次；因此，共使用20台HMEF测量每次盐水增量时过滤器的吸气压力和呼气压力。藏积量HMEF壳内藏积的分泌物可能显而易见，也可能难以发现。 滞留或隐藏在HMEF中的水分足以堵塞呼吸道、加大诊治难度。 藏积量是测量过滤器藏积患者分泌物的潜在趋势的一种主观测量标准。 往患者的过滤器添加5 ml的0.9%盐水，通过观察(DT和PCF)认为，过滤器中的自由液体不可见时，容易引起盐水积留。 根据过滤器壳内盐水可见之前的盐水量记录藏积量。潴留量往患者端的过滤器添加5 ml的0.9%盐水， 轻轻摇动并倒置。 过滤器倒置后未流失

9、的盐水量即为潴留量。患者死腔容积产口简介中经常引用的“死腔容积”为过滤器壳体的总容积。 本研究出现的“死腔容积”指的是过滤层的患者一侧的HMEF内部容积， 可用于测量潴留量和死腔的关系。 将过滤器垂直放置，并以1ml的增量将0.9%盐水滴注入患者端。 死腔容积即为溢出前的盐水量。 每台过滤器模型共进行五次死腔、潴留量和藏积量的测试。 每台过滤器仅允许使用一次，用后立即处理掉。数据借助社会科学统计软件包（SPSS）进行图形演示、计算平均值和标准差、进行t检验（SPSS 10，SPSS公司，芝加哥州）。结果过滤器压力对过滤器进行测试，直到观察员可清晰地观测到过滤器壳内出现过量的盐水。盐水过量表现为

10、盐水从过滤器内喷流而出。 临床应用中，若无法在过滤器内观察到明显可见的液体，极有可能需要更换过滤器。 测试中，褶状陶瓷膜疏水过滤器的性能最佳。该过滤器可容纳所有滴注入的盐水，且最大压力与干燥状态下的压力相同（表格1）。 纤维素纤维和泡沫型的过滤器容易吸水，所受压力受藏积量影响（图2）。藏积量一般情况下，除非经过严格检查，否则患者很难发现到过滤器内潴留的盐水。藏积量正是测量过滤器滞存的盐水量的一种主观测量标准， 如褶状陶瓷膜疏水过滤器（表格1）。 该类型的过滤器不吸收盐水，因此患者能轻易观察到滴注入患者端的盐水。（图1C）。 复合泡沫过滤器（图1A）容易吸收盐水，并使过滤器内的压力增加（图 3A

11、）。 此外，复合泡沫过滤器吸收的盐水无法轻易被患者发现，如：藏积的盐水。 聚氨酯泡沫的物理特性不同，泡沫过滤器的性能也会随之不同。 凡热湿交换元件为纤维素纤维（图1B）的过滤器，需经氯化钙浸渍，从而加强吸水性。 该类型的过滤器容易吸水，不仅导致压力增强（图3B），同时还会带来较大的藏积量。潴留量潴留量反应藏积量（图2）。 褶状陶瓷膜疏水过滤器不会滞存盐水，泡沫和纤维素型的过滤器的潴留量各不相同，其中Datex Ohmeda过滤器的盐水潴留量为45 ml。 但在绝大数临床条件下，过滤器不会达到如此高的污染液体潴留量。过滤器的吸气压力和呼气压力在患者端滴注可比量的盐水时，吸气压力和呼气压力之间经常

12、出现压力差。 对比相同盐水量下获得的最大呼气压力和吸气压力会发现，14个测试用过滤器中，有9个过滤器的呼气压力大于吸气压力。 从数据上看，呼气压力与吸气压力的差异并不显著(P=0.35)， 但在临床应用中却可能会造成严重的后果（图4）。自主呼吸或控制呼吸时，个别过滤器的呼气压力和吸气压力的压力差可能会导致充气过度的情况发生。讨论虽然在临床应用中出现过滤器污染物盐水的可能性极低，但在标准溶液中已经存在， 类似于循环系统中的凝结作用。 如果要推广该测试的应用，则应将类似肺水肿或气管支气管液体的溶液标准化。 该研究的目的在于客观地对比潮湿环境下HMEF的性能、找出可能导致过滤器堵塞的设计特征。与以往

13、采用呼吸器和肺模型来产生气流的研究不同，本研究使用医疗气缸来产生60 L/min的气流。用医气缸做气流模型更易于复制。空气单向流动使我们可以单独对进入和呼气阻力进行估算。 潮湿环境下HMEF阻力的测量差异在“研究设计8 14”中已做详细说明。气流一进入过滤器便立即测量过滤器阻力。经观察发现，过滤器阻力与通气时间成反比， 推断为过滤介质中的通道扩张所致。表格1包含实验得到的藏积量、最大吸气压力和最大呼气压力， 以及从医疗器械管理局数据和发布的商业情报中获得的水分输出量*。 ND，表示因产品停用或无法获得过滤器数据，表中某些测试过滤器未给出盐渗透性能；NA，表示因自本研究完成之时起产品已停用，表中

14、某些测试过滤器中未给出水分输出量。 以下数据为平均值（标准差SD）模型HMEF设计藏积量：(ml)呼气测试中注入的最大盐水量(ml)气流速度60 litre min -1时的最大呼气压力(cm H2O)吸气测试中注入的最大盐水量(ml)气流速度60 litre min -1时的最大吸气压力(cm H2O)潮气量0.5 litre和20 bpm (mg litre-1)时的水分输出量过滤性能3 ( % 渗透)Intersurgical Hydroguard Mini 1744褶状陶瓷膜过滤器0109.3 (2.4)04.5 (0.3)22.4NDAirsafety Maxipleat褶状陶瓷膜过

15、滤器003.3 (0.1)03.18 (0.1)28.7NDPall BB100褶状陶瓷膜过滤器002 (0.1)01.9 (0.1)30.60.022Pall BB25褶状陶瓷膜过滤器003.7 (0.1)03.6 (0.1)24.70.056Intersurgical Filtertherm 1941泡沫复合过滤器1054.1 (0.2)105.9 (0.4)28.50.275Airsafety Comfortfit泡沫复合过滤器10103.7 (0.2)154.9 (0.3)30.2NDAirsafety Slimline泡沫复合过滤器251010.1 (3.8)55.2 (1.7)NA

16、NDDatex Ohmeda 1000泡沫复合过滤器453011.1 (3.3)256.3 (0.5)33.44.49Vital Signs F2泡沫复合过滤器151012.5 (4.1)54.9 (0.7)NANDSiemens Servo-filter 172泡沫复合过滤器20154.94 (0.8)209.8 (1.1)NANDGibeck 19402纤维素纸芯过滤器1056.8 (0.8)1013.4 (1.6)32.68.54Draeger Hygrovent S纤维素纸芯过滤器202016.9 (3.7)156.7 (0.3)331.48Rusch Arios纤维素纸芯过滤器252

17、08.8 (0.8)2010.9 (2.6)33NDTyco Health Care Dar Hygrobac S纤维素纸芯过滤器20209.1 (2.6)208.2 (1.9)3411.4 藏积量(ml) 潴留量(ml) 死腔容积(ml)制造商和模型容积Concealment volume (ml)藏积量(ml)Retention volume (ml)潴留量(ml)Dead space (ml)死腔(ml)Volume (ml)容积(ml)Intersurgical Hydroguard mini 1744Intersurgical Hydroguard Mini 1744Airsafet

18、y MaxipleatAirsafety MaxipleatPall BB100Pall BB100Pall BB25Pall BB25Intersurgical Filtertherm 1941Intersurgical Filtertherm 1941Airsafety ComfortfitAirsafety ComfortfitAirsafety SlimlineAirsafety SlimlineDatex Ohmeda 1000Datex Ohmeda 1000Vital Signs F2Vital Signs F2Siemens Servo-filter 172Siemens Se

19、rvo-filter 172Gibeck 19402Gibeck 19402Draeger Hygrovent SDraeger Hygrovent SRusch AriosRusch AriosTyco Health Care Dar Hygrobac STyco Health Care Dar Hygrobac SManufacturer and model制造商和模型表2患者死腔容积、藏积量和潴留量的图表演示。 无明显压力表示测量容积为零。除了少数几份HMEF堵塞的报告外6 7 8 1 5，出于对麻醉呼吸系统1 16引起丙型肝炎交叉污染的机率以及亚临床创伤（由插入气管导管17 18造成）

20、引起材料受阮病毒污染的机率的考虑，全身麻醉手术中已普遍采用 HMEF，以降低上述情况的发生。 过滤器堵塞的机率取决于过滤介质和引起过滤器堵塞的溶液的性质。 当过滤器中的溶液清澈且具有隐蔽性时，过滤器堵塞的机率最高。 过滤器受患者的分泌物污染时，堵塞情况会进一步加剧。 在早期的报告中，我们展示了潮湿环境下HMEF的混合性能比较。 此次研究，我们更加详细地探讨了导致过滤器在潮湿环境下堵塞的特定的设计特征。 并进一步发展“藏积量”这一概念，即潮湿环境下未被观察到的过滤器堵塞的机率的主观测量标准。HMEF主要有两种类型。 即褶状陶瓷膜疏水过滤器，由矿物纤维组成并在外层涂上合成树脂。 褶状膜内的陶瓷纤维

21、具有疏水性。通过冷凝机理返回水分。 加上孔隙小，褶状陶瓷膜疏水过滤器是绝佳的细菌病毒过滤器和热湿交换器。过滤器壳体的材料表面为褶状，扩大了材料的表面积，抵消了由孔隙产生的阻力。 另一种HMEF为复合热湿交换过滤器。 病毒过滤器的材质为聚丙烯无纺布，热湿交换元件的材质为聚氨酯网状开孔泡沫或纤维素纤维（棉或木浆）。 为增强吸水性和增加水分输出量，聚氨酯泡沫和纤维素纸通常用氯化钙浸渍。本研究旨在于证明，不同类型的过滤器的热湿交换元件的过滤介质会给潮湿环境下的过滤器的性能带来差异。 根据制造商的说明，陶瓷HMEF的疏水纤维在潮湿环境下能有效地阻止水分的渗透。 然而，药物雾化会破坏过滤器的纤维，导致过滤

22、器无法正常工作，因此应始终避免药物雾化。在本研究中，陶瓷HMEF既不会滞存水分，也不会增加阻力。 状陶瓷膜疏水过滤器同样具有极佳的病毒 过滤器压力过滤性能3 19 21，即使存在过量的水分也一样。 遗憾的是，该过滤器的水分输出量较高，不符合美国试验与材料协会19建议。注入盐水量(ml)Datex HMEF 1000Datex HMEF 1000Intersurgical 1941Intersurgical 1941Airsafety ComfortfitAirsafety ComfortfitAirsafety SlimlineAirsafety SlimlineSiemens Medisiz

23、eSiemens MedisizeVital Signs F2Vital Signs F2Pressure across filter (cm H2O)过滤器压力 (cm H2O)Volume saline added (ml)注入盐水量(ml) 过滤器压力注入盐水量(ml)Pressure across filter (cm H2O)过滤器压力 (cm H2O)Gibeck 19402Gibeck 19402Tyco Dar Hydrobac STyco Dar Hydrobac SDraeger Hygrovent SDraeger Hygrovent SRusch AriosRusch

24、AriosVolume of saline added (ml)注入盐水量(ml)图3：复合泡沫过滤器和纤维素纸芯复合HMEF在固定加注盐水时的压力变化。 气流：60litre min-1。 泡沫过滤器的聚氨酯泡沫的物理特性主要为泡沫密度、每英寸气孔数(ppi)和泡沫厚度这三个方面。 每英寸气孔数的变化范围为(ppi )为10110，泡沫厚度的变化范围为26kg m-332kg m-3。泡沫密度越大，每英寸气孔数越大，水分输出量也就越大。 如：过滤器Air-safety Slimline和ComfortFit的泡沫有90 ppi，过滤器Datex Ohmeda 1000 仅55 ppi。 过滤

25、器的不同性能表明，ppi最多的泡沫，水分藏积量更低、潮湿环境下阻力上升幅度更小。 制造HMEF所需用到的模壳中的聚氨酯泡沫的ppi虽高，但生产成本也比其它类型的泡沫高。 潮湿环境下过滤器的最大 呼气压力(cm H2O) 潮湿环境下过滤器的最大 吸气压力(cm H2O) 压力制造商和模型Intersurgical Hydroguard Mini 1744Intersurgical Hydroguard Mini 1744Airsafety MaxipleatAirsafety MaxipleatPall BB100Pall BB100Pall BB25Pall BB25Intersurgical

26、 Filtertherm 1941Intersurgical Filtertherm 1941Airsafety ComfortfitAirsafety ComfortfitAirsafety SlimlineAirsafety SlimlineDatex Ohmeda 1000Datex Ohmeda 1000Vital Signs F2Vital Signs F2Siemens Servo-filter 172Siemens Servo-filter 172Gibeck 19402Gibeck 19402Draeger Hygrovent SDraeger Hygrovent SRusch

27、 AriosRusch AriosTyco Health Care Dar Hygrobac STyco Health Care Dar Hygrobac SPressure (cm H2O)压力 (cm H2O)Maximum expiratory pressure (cm H2O) across filter when wet潮湿环境下过滤器的最大呼气压力(cm H2O)Maximum inspiratory pressure (cm H2O) across filter when wet潮湿环境下过滤器的最大吸气压力(cm H2O)Manufacturer and model制造商和模型

28、图4：盐水容量最大时，HMEF的呼气压力和吸气压力。 气流：60litre min-1。 纤维素纸芯过滤器的纸芯为木浆或棉所制。 纤维素纸为波纹状、经氯化钙浸渍后在过滤器壳内成螺旋形。 Gibeck过滤器的成品为槽纹式，如：在最终滚压成型前，将波纹条与扁平条粘合。(图1B) 在潮湿环境下，纤维纸吸水后扩大，过滤器的压力增加，直到过滤器堵塞、纤维纸吸水饱、水分喷出。 经纤维素纸生产商建议，采用厚纤维素纸或槽纹形的纤维素纸可降低过滤器堵塞的机率。 但是，纸基产品会增加阻力并藏积盐水，这点对于患者尤为重要。 内部水分潴留量过多，会导致复合过滤器的颗粒过滤效果低下，并极有可能诱发交叉污染22。世界各地

29、的麻醉协会建议，患者全身麻醉时，应加湿吸入空气并防止由病毒和阮病毒粒子引起的交叉感染。 而一次性HMEF正是能加湿吸入空气并防止交叉感染的一种简单装置。 国际标准化组织(ISO)、英国药监局(MHRA)以及HMEF的内部测试和独立测试使患者能从过滤效率和水分输出量两个方面分析各个HMEF的优缺点。 除过滤器堵塞以外，目前，针对潮湿环境下HMEF性能比较所做的报告并不多。 本研究展示了潮湿环境下的呼吸过滤器的性能变化。 在我们的研究条件下，褶状陶瓷膜疏水过滤器是堵塞机率最低的呼吸过滤器。即使是在潮湿环境下，褶状陶瓷膜疏水过滤器所展现出的滤过性能也优于其它复合过滤器19。然而，陶瓷过滤器的水分输出

30、量并未达到国际标准23。然而，在循环呼吸系统中使用陶瓷过滤器时，该过滤器的水分输出量在可接受范围以内。因为患者呼出的二氧化碳会与碱石灰发生作用并产生水，从而增加了过滤器输送出的水分的量。 与此相反，复合过滤器（泡沫型和纤维素纤维型）可能会带有更多的水分，且潮湿环境下堵塞的机率也更高。 HMEF的热湿交换元件的物理特性不同，相应地，其堵塞机率也会不同。 本研究重点突出了临床应用中未预料到的呼吸过滤器堵塞危险。 呼吸回路阻力突然增加时，应考虑更换HMEF。全身麻醉的理想HMEF应能够阻止病毒、细菌和阮病毒通过，即使在潮湿环境下也具有良好的滤过性能，并能够加湿吸入空气和麻醉气体且不增加呼吸功。 短暂麻痹时，防止患者受到交叉污染比加湿更为重要。麻痹时间长或患者为病症病患时，加湿性能更重要。谢辞感谢所有为本试验和本报告慷慨提供过滤器及过滤器设计技术说明的生产商。