综述：高流量鼻导管治疗中 emergent hydrodynamic pressure 的物理与生理机制

《Advances in Respiratory Medicine》：Physical and Physiological Mechanisms of Emergent Hydrodynamic Pressure in High-Flow Nasal Cannula Therapy

本综述批判性地审视了将高流量鼻导管（HFNC）疗法归类为“正压”模式的传统观点，指出其缺乏机制支持。文章整合实验、计算和临床证据，阐明HFNC通过开放系统产生瞬态、流量依赖的压力，其核心疗效源于死腔清除（dead-space washout）和流量匹配（flow matching），而非持续正压。作者提出使用“emergent hydrodynamic pressure”等术语以更准确地描述其流体动力学本质，为临床优化（如优先调整流量而非预设压力）提供理论依据。

　　

高流量鼻导管（HFNC）疗法：重新审视其作用机制

高流量鼻导管（HFNC）疗法在急性低氧性呼吸衰竭患者中已被确立为一种有效的无创呼吸支持形式。尽管其临床应用广泛，但将其描述为“正压”模式在概念上并不准确。这篇综述旨在整合现有证据，阐明HFNC产生压力的物理和生理机制，并提出更精确的术语。

Highlights

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  主要发现：HFNC由于其开放系统设计和流体动力学原理，产生的是瞬态的、流量依赖的压力，而非持续正压。HFNC的主要治疗益处源于死腔清除和流量匹配，而非压力产生。
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  主要发现的启示：准确的术语将HFNC界定为具有次要压力效应的基于流量的系统，而非压力模式；使用诸如“emergent hydrodynamic pressure”、“flow-dependent transient pressure”或“dynamic airway pressure”等术语可以澄清这一区别。HFNC的个体化优化应优先考虑流量和患者解剖结构，而非压力驱动效应的假设。

Abstract

HFNC疗法常被描述为一种正压模式，但这种分类缺乏机制支持。本综述阐明，将HFNC标记为“正压”在概念上是不准确的，因为该系统提供的是开放回路给药特有的瞬态、流量依赖的压力。证据表明，与持续气道正压（CPAP）不同，HFNC产生的压力范围在0.2至13.5 cmH₂O之间，由气道几何形状、漏气量和口腔位置决定。使用伯努利（Bernoulli）和达西-韦斯巴赫（Darcy–Weisbach）方程进行的流体动力学模型显示压力是振荡的而非持续的。临床疗效在压力多变的情况下依然存在，反映了协同机制：吸气流量匹配（呼吸功减少40-50%）、死腔清除（CO₂减少，r = -0.77, p < 0.05）、 emergent pressure effects（10-20%）以及温湿化（10-20%）。基于这些机制见解，本综述提出使用“emergent hydrodynamic pressure”这一术语来准确描述HFNC的瞬态、流量依赖性压力。

1. Introduction

HFNC疗法在急性低氧性呼吸衰竭患者中是一种有效的无创呼吸支持形式。尽管对HFNC生理学进行了广泛研究，但临床和研究背景中的术语仍然不一致。与CPAP不同，HFNC作为一个开放系统运行，其中正气道压力的产生既不是持续的，也不是其主要作用机制。HFNC的主要生理机制是解剖死腔的清除，这有助于清除上呼吸道中呼出的二氧化碳（CO₂）并减少再吸入气体量。此外，HFNC可由于气体射流对抗呼气阻力以及气流在咽部内的撞击而产生瞬态正压。从流体动力学角度看，HFNC是一个以不可压缩流动为特征的开放系统，由输送流量、漏气量和上气道阻抗之间的平衡所支配。热湿化（31-37°C）对于最佳HFNC性能至关重要。本综述的目的是综合关于HFNC生理学的机制证据，重新评估现有术语的概念准确性，并提出与HFNC功能的物理原理相一致的精确术语。

2. Physical–Physiological and Hydrodynamic Fundamentals of HFNC

2.1. Open-System Design and Flow Dynamics

HFNC是一个开放的、非密封的呼吸支持系统，提供超过患者吸气需求的热湿化气体流量。与CPAP不同，HFNC不施加固定的外部压力，而是产生一种瞬态且多变的 emergent pressure，这是吸气流量需求、呼气阻力和开放气道系统内漏气动力学之间相互作用的结果。从流体动力学角度看，HFNC中的气流行为可以通过质量守恒和能量守恒来描述。连续性方程表明气体速度与横截面积成反比。然而，理想的伯努利方程不足以表征真实流动条件，因为HFNC中存在粘性和湍流耗散机制。这些耗散效应将部分动能转化为热能和声能，产生在临床环境中观察到的空间异质性和瞬态压力分布。

2.2. Reynolds Number and Flow Regime

上气道的流动状态是过渡到湍流的，鼻咽腔的雷诺数（Reynolds number）范围在2400至6000之间。湍流能量耗放大了局部压力振荡，并导致了鼻咽压力测量中观察到的变异性。因此， emergent pressure 是振荡的而非静态的，受瞬时流动相位和气道几何形状的调节。

2.3. Darcy–Weisbach Equation and Nonlinear Pressure–Flow Relationships

在HFNC条件下，流动状态是过渡性或湍流的，泊肃叶定律（Poiseuille’s law）不适用。在这种情况下，阻力最好用达西-韦斯巴赫方程（Darcy–Weisbach Equation）来描述，其中水头损失与流速的平方成正比。因此，压力-流量关系变得非线性。这种非线性解释了为什么相同的流量设置可能在具有不同气道形态和漏气动力学的个体中产生显著不同的鼻咽压力。综合这些关系， emergent pressure (P_e) 可以概念性地定义为流量、阻力、漏气、解剖结构等的函数。这认识到HFNC压力源于复杂的流-固相互作用，而非外部施加的压力。

生理上，HFNC的主要治疗机制是鼻咽死腔的清除。计算和实验研究报告称，在45 L/min的流量下，鼻腔清除半衰期低于0.5秒。次要机制涉及吸气流量匹配：当输送的流量达到或超过患者的峰值吸气需求时，吸气努力和膈肌负荷可减少高达50%。HFNC产生的 emergent positive pressure 导致呼气末肺容积（EELV）适度增加。能量耗散机制，包括湍流摩擦、壁面剪切应力、流动分离和下游混合，限制了过度的压力积聚，并将系统稳定性维持在生理范围内。HFNC的热湿化特性对其功能至关重要。

3. Physiological Integration and Mechanistic Interpretation

3.1. Dead-Space Clearance Mechanisms

HFNC的生理功效源于流量依赖性气体动力学、上气道清除、吸气流量匹配和肺容积调节的综合效应。死腔清除主要是对流的，由输送气体射流的动量驱动。清除动力学是流量依赖性的。经验观察显示清除率在鼻腔前部大致呈线性，但在更深区域（口咽部以下）相关性显著下降。气管采样表明，随着HFNC流量的增加，吸入的CO₂减少，具有强负相关性。清除效率高度依赖于气道几何形状和顺应性。口腔位置调节压力和清除效率。

3.2. Inspiratory Flow Matching and Work Breathing Reduction

呼吸功（WOB）的减少通过多种机制发生。主要机制是流量需求匹配：当输送流量接近或超过患者峰值吸气流量时，所需的吸气压力梯度显著降低。WOB随流量非线性下降。此外，HFNC改善的氧合通过反馈抑制呼吸中枢来降低通气驱动力，从而有助于减少呼吸功。临床研究报告在30-60 L/min的流量下，WOB减少30-50%，超过50 L/min后益处有限。

3.3. End-Expiratory Lung Volume and Alveolar Recruitment

HFNC产生流量依赖性的EELV增加。电阻抗断层扫描（EIT）显示了异质的区域通气和膨胀动力学。在仰卧位患者中，EELV在非依赖区（腹侧）比依赖区（背侧）增加更多。然而，区域异质性存在选择性过度膨胀的风险。在一些拔管后患者中，尽管全局潮气量稳定，但多达36%的患者在EIT上出现可测量的区域过度膨胀。瞬态呼气末压力（EEP）可以建模为具有短时间常数的函数，反映了压力的瞬态建立和衰减。

3.4. Breathing Pattern and Airway Resistance Modification

HFNC通过射流诱导的扩张和保持粘膜顺应性，使吸气气道阻力降低15%至25%。这些机械效应，连同减少的WOB，产生一致的呼吸模式改变：呼吸频率降低，潮气量保持稳定或略微减少，吸气和呼气时间适度延长。由此产生的更慢更深的呼吸产生更恒定的吸气流量波形，这有利于不同时间常数的肺区域更均匀地通气。

3.5. Integrated Mechanistic Contribution

总体而言，HFNC功效源于多种机制的综合贡献。流量匹配和WOB减少是主导因素，死腔清除贡献中等， emergent pressure 提供较小的益处，热湿化效应增加了舒适度和轻微的机械优势。机制分析表明，大约40-50%的WOB减少源于流量匹配，20-30%源于死腔清除，10-20%源于 emergent pressure，10-20%源于热湿化效应，这突出了个体差异和患者特异性评估的必要性。

4. Critical Appraisal of Terminology: “Positive Pressure” vs. “Emergent Hydrodynamic Pressure”

“正压”一词已成为HFNC疗法文献中的既定术语，但这代表了一个概念错误，混淆了机械上不同的现象。HFNC通过与CPAP根本不同的机制产生压力。CPAP通过主动调节在封闭回路中维持压力，而HFNC在开放系统中产生瞬态的、流量依赖的压力，没有主动的压力控制。HFNC压力是瞬态的而非持续的，最大压力出现在呼气末，并在吸气期间迅速消散。压力-流量关系在所有流量范围内并非线性。HFNC的临床疗效并不主要取决于它产生的压力。即使口腔张开使压力降低50-75%，WOB减少仍保持在30-40%，表明主要机制是流量依赖性的。

为了解决这种概念模糊性，我们提出将“emergent hydrodynamic pressure”作为主要描述符，强调压力是开放系统内流动动力学的次要后果，而不是受调节的主要治疗变量。承认“emergent hydrodynamic pressure”在临床实践中可能不直观，具有等效机制含义的替代术语包括“secondary pressure effects”、“flow-dependent transient pressure”或“dynamic airway pressure”。因此，临床沟通应具体说明HFNC产生的是瞬态、流量依赖的压力。临床意义很明确：流量优化应优先于压力产生的假设。

5. Clinical Implications and Patient-Specific HFNC Optimization

HFNC的生理功效源于多个相互依赖的机制，其相对贡献在患者间差异很大。最佳应用需要将个体特征整合到基于生理原理的动态滴定策略中。WOB减少与流量之间的关系是非线性饱和的。HFNC流量的主要决定因素是患者峰值吸气流量（PIF）与输送流量之间的关系。临床实践中，HFNC流量滴定应 guided by 生理参数和患者特异性反应，而不是固定的方案。

EEP的产生是高度可变的。吸气气道阻力通过射流诱导的机械扩张和湿化保持而降低15-25%。EIT证明了位置依赖的肺泡复张。研究已识别出两种反应表型：高复张潜能（HPR）和低复张潜能（LPR）。ROX指数可作为床旁预测HFNC成功或失败的指标，但其阈值因人群和背景而异。早期识别HFNC失败至关重要。基线肺顺应性结合动态氧合趋势为HFNC失败提供了 superior 预测准确性。

生理局限性及适当临床指征

HFNC作为一种主要基于流量的系统、具有次要压力效应的机制特征定义了其临床作用和局限性。HFNC在需要持续升高平均气道压力或大量吸气压力支持的情况下能力有限。HFNC最有效的场景是那些需要高FiO₂输送、但持续气道压力不必要或可能有害的情况。HFNC与其它无创模式之间的临床选择应 guided by 基础生理学。

6. Methodological Approach and Literature Integration

本批判性叙述性综述整合了实验、计算和临床证据，以分析HFNC疗法中 emergent hydrodynamic pressure 的物理和生理机制，重点在于区分HFNC与常规正压系统。

7. Conclusions

将HFNC描述为一种正压模式代表了一个持续的认识论错误。物理证据结合生理学发现证实，传统术语缺乏机制基础。采用“emergent hydrodynamic pressure”的概念提供了一个机制框架，准确描述了HFNC功能，将其与压力调节系统区分开来，并为患者特异性的临床应用提供信息。它强调HFNC功效主要源于流量依赖机制——死腔清除、流量匹配和氧合输送——而非持续气道压力。这一框架也指导未来的研究。