2020-RCTOP10-机械通气时振动筛孔雾化器，喷射雾化器，呼吸增强喷射雾化器的对比
本研究比较了3种雾化器技术在机械通气过程中装置间和装置内的可重复性、加湿性和填充量敏感性:一种呼吸增强雾化器，一种振动筛孔雾化器，一种喷射喷雾器。呼吸增强喷雾器采用了位于加湿器湿侧的新设计，以减少气溶胶损失和潜在的加湿器污染。振动筛孔雾化器和喷射式雾化器置于干燥侧。
使用多种呼吸机设置(吸气时间=0.45 -1.01 s)测量气溶胶输送量。使用放射性标记盐水和伽玛相机，使用呼吸机进行实验，以测试4种呼吸模式。在测试过程中评估了四种场景:3ml和6ml填充量，有加热导丝加湿和没有加热导丝加湿。测量包括吸入量(作为一个雾化器电荷的百分比)，雾化器残余，质量平衡，和气溶胶粒径分布。统计学方法采用曼-惠特尼法和线性回归法。
呼吸增强喷雾器雾化吸入质量为10.5- 29.2%，填充量对雾化吸入质量有影响(p= .004)，湿度对雾化吸入质量无影响。振动筛孔雾化吸入质量为0.9- 33%，不受填充体积和湿度的影响。喷射式雾化器的吸入质量为2.5- 25.9%，受填充量(p=.009)和湿度(3ml, p=.002)的影响。振动筛孔雾化器的吸入质量因无法实现完全雾化而变化较大，吸入质量与残留质量密切相关IM%=–0.233(Residual%) + 24.3, r2=0.67,P<.001。所有设备均有大颗粒丢失在呼吸机管路中;振动筛孔雾化器在加湿器中也丢失了大颗粒(雾化器电荷17%)，导致所有设备的粒子分布相似(质量中位数空气动力直径为1.33 -1.95 um)。
呼吸增强型雾化器对加湿的敏感性低于喷射式雾化器。通过振动筛孔雾化器的输送是不可预测的，无法随机排空(55%的实验运行)。所有设备都输送了类似的粒子分布。湿侧雾化输送避免了加湿器污染，呼吸增强技术可以确保更好地控制药物输送。
30多年来，研究人员一直在研究机械通气过程中的气溶胶输送，但目前还没有气溶胶治疗的标准方法。未控制的变量包括通气效果，如偏流（1,2），呼吸驱动设置（2-4），湿化方法（2,5,-8），雾化器位置（1,5,9-11）雾化器技术（5-7,11,12），和设备的可重复性（13）。许多体外研究遵循特设协议已经测试了这些变量，导致了输送技术的演变，尤其是呼吸机，回路，湿化方法，雾化器技术。
本研究旨在评估各种实际环境和情况下的现有技术，以提供对机械通气过程中气溶胶输送的现代理解。具体来说，该方案在实际使用条件下，就设备间和设备内的可变性以及对湿化的敏感性和填充量的效果在现有技术下进行了测试。三种雾化器技术进行了测试:一种名为i-AIRE的新型呼吸增强雾化器(InspiRx, Somerset, New Jersey);振动筛孔雾化器(Solo,Aerogen, Galway Ireland);以及一个喷射雾化器(Hudson MicroMist,Teleflex Medical，北卡罗来纳州莫里斯维尔)。在回路中的雾化器放置是基于当前的做法，倾向于雾化器位置放在接呼吸机近端（1、5、6、9、14、15）。该位置便于控制设备方位，以免影响功能。采用每种雾化器技术对当代加湿系统的效果进行了测试，测试了各种呼吸机设置和填充量，以衡量其性能和可靠性。振动筛孔雾化器和喷射式雾化器位于加湿器干燥侧（1、5、15）(即加湿器入口)，而呼吸增强式喷射雾化器位于湿侧(即加湿器出口)。该研究是在纽约石溪大学医学中心医学系肺、重症监护和睡眠医学部气溶胶实验室进行的。
据报道，在有创通气过程中，低残留量的振动筛孔雾化器比传统的喷射雾化器效率更高。呼吸增强喷射雾化器是一种新的机械通气技术，还没有与现有技术相比较。此外，这些设备如何与其他可能影响药物输送的因素相互作用(如主动湿化、雾化器填充量以及设备间和设备内日常使用)尚不清楚。
虽然振动筛孔雾化器可能是高效的，但它是不可预测的，在输出中变化很大。传统的喷射雾化器对填充量和加湿很敏感，这与以前发表的研究一致。在机械通气时，在加湿器湿侧使用呼吸增强雾化器，可避免主动加湿和加湿器污染影响的同时，提供可预测、可靠的药物输送。
实验设置如图1(加湿)和图2(非加湿)所示。在图1中，呼吸增强喷雾器在回路中位于常规加热加湿器(ConchaTherm Neptune, Hudson RCI/Teleflex Medical, North CarolinaMorrisville)湿侧(湿化器出口)，温度37C。这一位置已被发现对这种类型的雾化器技术更有效。在治疗过程中，转动双向选择阀，引导所有吸气气流从呼吸机流向雾化器顶部，通过侧口进入回路吸气肢，从而主要增强吸气时产生的气溶胶（16）打开3.5 L/min、50psi的墙壁空气源为雾化器提供动力。调节加湿器的加湿器出口温度传感器从传统吸气肢体近端标准位置重新安置到加湿器出口2通选择阀位置。该回路的设计是，当处理完成时，关闭为雾化器供气的气流并打开选择阀，绕过雾化器并将呼吸机的气流导向回路的吸气肢。图1的插图描述了Aerogen振动筛孔雾化器和Hudson喷射雾化器配置，两者都按建议放置在加湿器的干燥侧。
图2为非加湿实验装置下的i-AIRE呼吸增强射流雾化器。虽然在本研究中没有使用湿热交换器(HME)，但如果临床使用，气溶胶旁路HME可以显示其安装位置。在这种配置中，呼吸增强雾化器，以及振动筛孔器和喷射雾化器(如图所示)被放置在吸气肢距离呼吸机出口处15cm(6 inches)，已经被描述为最佳位置（1,5）.Hudson MicroMist雾化器通过Hudson弹簧T型管连接到呼吸机回路上，按照制造商的说明，使用50 psi的墙壁空气，流量为8 L/min。Aerogen Solo振动筛孔雾化器根据制造商规格（15）使用成人Aerogen T型管放置在回路中，并通过Aerogen Pro-X控制器操作。
图1：在主动加湿时，i-AIRE呼吸增强雾化器的位置连接加湿器，在其出口位置(即湿侧)。当气体流向病人时，可转动选择阀，使来自呼吸机的吸入气体绕过或通过雾化器以增强呼吸。插图中所示为振动筛孔雾化器和喷射雾化器连接加湿器的进气端(即干燥侧)。
图2所示。虽然在本研究中没有使用热湿热交换器(HME)，但如果临床使用，气溶胶旁路HME显示其安装位置。所有雾化器位置放在距离呼吸机吸气肢出口处15cm(6 inches)。带有选择阀的i-AIRE呼吸增强喷雾器位于呼吸机出口和回路的吸气端之间。插图显示了振动筛孔雾化器和喷射雾化器分别用它们各自的T管插入吸气肢。IM=inhaled mass;ETT=endotracheal tube; VMN=vibrating mesh nebulizer; JN=jet nebulizer.
为了复制典型的医院呼吸机回路设置，患者Y型连接器被连接到一个密闭式吸痰设备(Ballard Closed Suction System, Avanos Medical, Alpharetta,Georgia)和一个7.5毫米内径的气管插管(Rusch,Teleflex Medical)。回路连接着一个模肺(MichiganInstruments, GrandRapids, Michigan)阻力为5cm H2O，顺应性为40ml /cm H2O。Avea呼吸机(VyaireMedical, Mettawa, Illinois)使用4种不同的临床相关的呼吸模式(表1)选择提供一系列的呼吸机占空比:3种容量控制模式与vt：460-650ml,1种压力控制模式，压力限制15cmH2O。频率为15次/分钟-20次/分钟，PEEP为5 cm H2O，在21%氧气条件下偏流2.0L/min。雾化器连续运行，并使用目视检查最初运行至干燥(即可见气溶胶输出停止)。使用秒表测量运行时间。
一个吸入质量(IM)过滤器(Pari,Starnberg, Germany)放置在气管插管的远端，收集在类似条件下患者将被吸入的气溶胶颗粒。在呼气肢靠近呼气管路处放置一个类似的过滤器，用于质量平衡测量。采用每种雾化器类型的4种新装置，共进行58次实验。在整个实验方案中，所有雾化器都被循环，并对每个雾化器进行至少4次重复性测试。有些喷雾器由于用于质量平衡实验，测试频率较高。每个喷雾器充注3ml或6ml锝-99m放射性标记生理盐水。在所有实验中，使用伽玛相机测量雾化器中的放射物和过滤器上捕获的放射物(Maxi Camera 400, General Electric, Horsholm, Denmark; PowerComputing, Model 604/150/D, Austin, Texas; Nuclear Mac OS 4.2.2,Scientific Imaging, Thousand Oaks, California)。在测试运行结束时，将雾化器器放置在伽马相机上以确定残留放射物，用雾化器电荷百分比(残留率%)表示。
在一组单独的实验中，对于图1和图2所示的每个实验配置，对3 ml填充量的每种雾化器类型进行了完整的质量平衡测定。通过将每个元件分别放置在伽马相机上，测量沉积在回路元件上的气溶胶的放射量。
气溶胶粒径分布是通过对气管插管远端末端在2.5 L/min的真空气流下进行级联撞击采样来确定的(Marple 8-stage impactor, Thermo Fischer Scientific, Waltham,Massachusetts)。使用3mL填充体积的每种雾化器类型的2个采样的分布被确定。气溶胶采样时间为3分钟。用准直率计(Ludlum Measurements, Sweetwater, Texas)测量了级联阶段的放射性，并将分布绘制在对数概率纸上，以确定质量中值气动直径（18）。
GraphPad Prism 8.3适用于Mac OS (GraphPad Software, San Diego,California)，用于计算每一种雾化器在加湿和不加湿情况下的mean+-SD，并生成气溶胶粒径分布的对数粒径与概率图。使用Mann-Whitney检验和线性回归分析来评估设备间和设备内的变异性。P值<0.05被认为具有统计学意义。
每个设备的气溶胶输送到过滤器，用IM表示为雾化器电荷的百分比(IM%)，如图3所示。每个实验中IM%的测量值以IM%为y轴，以吸气时间(Ti)为x轴，并用不同的符号表示加湿状态和填充量。每个数据点代表每一种雾化器类型的4个设备中的1个，作为呼吸机设置(表示为Ti，所有设置的通用变量)、加湿和填充量的函数。每种配置的统计数据列在表格2。从图3可以看出，对于呼吸增强式喷射雾化器和喷射雾化器，随着Ti的增加，输出量逐渐增加，这说明对占空比的增加有一定的敏感性。振动筛孔雾化器的输送似乎不受Ti的影响，在呼吸机设置范围内更分散。质量平衡数据列于表3
图3：吸入质量与吸气时间A:呼吸增强雾化器B:振动筛孔雾化器C:喷射雾化器
填充量对呼吸增强喷雾器IM%有显著影响，但仅在加湿时:填充量3 ml为12.2 +-6.2%，填充量6ml为23.9 +- 4.0% (P< .004)。湿化作用不显著。对于容积为3ml的雾化器，通过质量平衡测定表明加湿后，雾化器残余%降低(表3)，回路损耗较高，IM%随湿度的变化不大。3mL和6mL填充量的平均运行时间分别为8和18分钟
湿度和填充量对雾化器中IM%无显著影响。然而，从视觉上看，振动筛孔雾化器的数据比其他设备的变化范围更大(图3)。这种变化与雾化器固有的变量有关(例如，与呼吸机回路的条件分离)。影响振动筛孔雾化器功能的因素在图4中进行了评估，这是IM%相对雾化器残留%的图示。有些设备几乎完全清空，残余量%<10%(图4左侧)，接近该技术预期的小残余量%。然而，在所有的数据中，IM%的变化与雾化器残留%的广泛变化密切相关。总的来说，Solo有55%无法清空(也就是说，18次运行中有10次运行)。无法随机发生清空;例如，一个设备会在一次运行时完全清空，而在下一次运行时却无法清空。当雾化器正常工作时(即残留百分比较低)，质量平衡测定(表3)。显示，在加湿过程中，加湿器损失17%，呼吸回路损失26%。在非加湿回路中，丢失48.6%。3-mL和6- mL填充量的平均运行时间分别为11 min和20 min。
图4：振动筛孔雾化器吸入质量与雾化残余量实验：inhaledmass=-0.233 (Residual%) + 24.3, r2=50.67,P<.001.
喷射式喷雾器的IM%受填充量的强烈影响，无论湿度如何，均增加2倍:主动加湿时，3ml的IM%增加5.5 +- 1.6%，6ml的IM%增加16.3 +-5.7% (P<.009)，而非加湿时，3ml的IM%增加10.9 +-2.4%，6ml增加18.8 +-8.8% (P<.007)。对于一个给定的填充量，只有3ml填充量的显著受湿化影响:加湿5.5 +- 1.6%，而非加湿10.9+- 2.6% (P <.002)。质量平衡测定(表3)显示加湿器中的分钟损失为0.1%，雾化器残留%高达70%。3-mL和6- ml填充量的平均运行时间分别为6分钟和17分钟。
3种设备在气管插管的远端气溶胶粒径分布相似(图5)。每个喷雾器的类型的2个样品的mean+- SD,3-mL填充体积,有 没有没有加湿：
1.95+-0.21mmfor the humidified breath-enhanced jet nebulizer;
1.45+-0.01mm forthe nonhumidified breath enhanced jet nebulizer;
1.90+-0.14mm for thehumidified vibrating mesh nebulizer;
1.57+-0.05mm for the nonhumidifiedvibrating mesh nebulizer;
1.55+-0.07mm for the humidified jet nebulizer;
1.33+-0.03mm for the nonhumidified jet nebulizer
图5所示：3种类型雾化器的气溶胶粒径分布，有和没有加温加湿。试验呼吸模式为VC-CMV ，频率18次/min，潮气量500 mL，吸气流量45 L/min，吸气时间0.7 s, PEEP 5 cm H2O，偏流量2.0 L/min)。每个级联级的对数粒子大小与概率相对应。以下值表示为50%概率下的平均标准差：mass median aerodynamicdiameter: breath-enhanced jet nnebulizer=1.95+-0.21mm (humidified), 1.45+-0.01mm (nonhumidified); vibrating mesh nebulizer=1.90+-0.14mm(humidified), 1.57+-0.05mm (nonhumidified); jet nebulizer=1.55+-0.07mm(humidified), 1.33+-0.03mm (nonhumidified)。
对通气病人的气溶胶输送是不断发展的。在这项研究中，我们使用常见药物典型的填充量，在有和没有加湿的一系列设置中测试了3种当前雾化器技术的代表性样品。我们测试了每个设备的多个示例，以模拟真实使用情况，因为我们试图记录设备间和设备内的变化。普通药物，如在说明书外用于呼吸机的支气管扩张剂，最初被批准用于手持雾化。它们的临床效果通常在床边监测，因为这些设备的剂量反应不能预测个体患者。有理由认为了解设备的性能特征将提高护理人员的评估治疗的有效性。本研究中测试的喷射式雾化器由墙壁空气源提供动力，以控制输送条件，因为现代呼吸机设备没有标准的喷射雾化器器驱动系统，在某些情况下，它们根本不支持喷射雾化器。
平均而言，呼吸增强式雾化器和振动筛孔雾化器的总输送量相等，两种设备的效率都高于传统的雾化器。然而，振动筛孔雾化器的输送，是难以预测的，在个别实验输送范围在0.9%和33%之间。振动筛孔雾化器的雾化性能与喷射式雾化器不同，IM%的变化较大。图4显示了IM%和Residual%之间的关系。每次运行的预期剩余质量为一个较低的百分比(即p<10%)。残余量%值有2个群体:一组聚集在低值处，另一组随机升高。前者代表设备之间的内在差异，可能是由于膜功能或其他不受控制的因素;后者表示设备无法清空。因为Solo测试的每个例子都是在实验之间循环的，所以排空失败并不是一个硬故障，也就是说，不是电气或筛孔问题，而是随机排空故障。在一个给定的运行功能停止雾化的相同的设备在重复运行正常功能。这种观察结果不是筛孔缺陷，但可能与从储液层流出的液体无法接触筛孔有关。在填充为3 ml的连续雾化过程中，对隔离装置进行的测试中已经描述过这种行为。对于本研究中的喷射式雾化器，每种条件下的剩余百分比都是相对可重复的。
在加湿的情况下，设备之间存在着重要的差异。新技术的气溶胶输送对湿化不太敏感。影响振动筛孔雾化器气溶胶输送没有检测到，虽然输送对设备排空可能掩盖湿化潜在的影响。对于呼吸增强喷射式雾化器，与非湿化输送相比，湿侧雾化器的残留率较低。这一独特的观察结果是由Cuccia等人首次报道的，他们研究了i-AIRE呼吸增强喷射喷雾器的呼吸驱动版本。与传统的喷射雾化相反，在传统的喷射雾化中，气溶胶输送量的预期减少可能接近50%（6）， Cuccia等人报道，使用i-AIRE的湿侧雾化可以在加湿的情况下保持整体输送量。在Cuccia等人的研究和本研究中，残余量%的减少与在呼吸机管路损失增加相匹配导致干和湿回路类似的气溶胶输送(表3)。Cuccia等人在呼吸驱动模式下使用了i-AIRE，在这种模式下，为雾化器提供动力的3.5 l /min的空气流量，在呼气时被计算机驱动的电磁阀中断。在这些条件下，作者报告的IM%为31.1 +- 6.33%，大约是我们的结果的两倍。换句话说，他们的呼吸驱动装置避免了呼气时的气溶胶损失。本研究将i-AIRE连续操作(无电磁触发)与目前用于常规气雾剂治疗(如支气管扩张剂)的其他设备进行了比较。
传统的喷射雾化器的性能达到了预期的要求（2）。具体来说，湿化时在3ml体积填充量IM%显著降低。1992年，O Riordan等人首次报道了这种效应，Miller等人也证实了这种效应。Miller等人报告说，主动湿化显著减少了插管患者吸入抗生素的剂量。这些数据促使Palmer和他的同事们设计了临床试验方案来测试吸入抗生素的效果，同时在主动雾化过程中故意避免循环加湿。我们的结果表明，使用i-AIRE呼吸增强雾化器的湿侧雾化避免了对气溶胶输送的不利影响，并确保临床医生可以预期在主动湿化或不主动湿化的情况下同等的输送效率。iAIRE呼吸增强喷气雾化器和Hudson喷射雾化器对雾化器填充量的变化都很敏感，随着填充量的增加，雾化器的效率显著提高。对于Hudson喷射雾化器，残余百分比是所有测试设备中最高的，并且在所有条件下输送相对较低，除非雾化器的填充量增加到6 mL。填充量越高，输送越大。总的来说，Aerogen振动筛孔雾化器的效率最高，残余率最低，但由于振动筛孔雾化器多次未排空，这些收益被很大程度上抵消了。
尽管位于干燥侧，Hudson喷射雾化器并没有在加湿器中沉积颗粒，而aerogen振动筛孔雾化器沉积了17%的剂量。喷射和振动筛孔雾化器设备不同的性能差异可能是由于8 L/min的干空气流量用于驱动喷射雾化器。喷射雾化器的高气体流量可能会影响局部颗粒大小，使最大的颗粒立即减小，从而使气溶胶通过加湿器而不沉积。
呼吸治疗师意识到呼吸机上的呼气量读数在喷射雾化时通常会受到影响。然而，从我们实验室之前的研究来看，3.5 ~ 10 L/min的气流对输送体积的影响很小（16,24）。
最后，我们的数据表明，独立于所使用的技术，3种装置在气管插管远端尖端测量到的气溶胶粒径分布是相似的，质量中位数空气动力直径为1.33 -1.95 mm，说明大颗粒在回路中丢失。
在常规机械通气过程中雾化给药时，独立于呼吸机的商业化给药装置在给药方面存在重要差异。对这些差异的了解可以解释临床反应的差异。
---Respir Care 2020;65(10):1419–1426. doi: 10.4187/respcare.07639