Введение

Внебольничная пневмония (ВБП) — одно из распространенных заболеваний органов дыхания, представляющее актуальную проблему в интенсивной терапии и связанное с высокой летальностью как среди взрослых, так и среди детей [1–3]. Заболеваемость в Европе составляет от 1,6 до 10,6 % [4, 5]. При этом в Российской Федерации за январь — апрель 2018 г., по данным Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, зарегистрировано около 300 000 случаев ВБП (2,01 %) [6].

Острая дыхательная недостаточность (ОДН) часто осложняет ВБП и является основным фактором, определяющим госпитализацию пациентов в отделение реанимации и интенсивной терапии (ОРИТ). Внутрилегочное шунтирование и нарушение вентиляционно-перфузионных отношений в легких — основные патофизиологические механизмы развития гипоксемии при пневмонии [7]. Оксигенотерапия оказывает незначительное воздействие на шунтирование, однако при этом значительно ухудшаются вентиляционно-перфузионные отношения вследствие гипоксической легочной вазоконстрикции. У пациентов с тяжелой ВБП данный факт может стать причиной увеличения физиологического мертвого пространства [8]. В настоящее время активно развиваются методики респираторной терапии, уменьшающие потребление кислорода организмом вследствие создания положительного давления в дыхательных путях, приводящего к уменьшению работы дыхания пациента.

В то же время одной из причин того, что от 37 до 60 % пациентов с ВБП, поступивших в ОРИТ, нуждаются в искусственной вентиляции легких (ИВЛ), является неэффективное использование стандартных методик оксигенотерапии [9, 10]. При угрожающей жизни ОДН, а также в случаях несостоятельности функций нескольких органов и систем ИВЛ остается основным методом интенсивной терапии. Однако его применение может стать причиной как легочных, так и внелегочных осложнений [11].

Экспериментальное и клиническое обоснование использования неинвазивных методик оксигенотерапии (например, высокопоточной оксигенотерапии (ВПО)), минимально влияющих на структуру и функцию легких, обеспечивая при этом оптимальную оксигенацию и вентиляцию, является перспективным направлением исследований в области респираторной медицины. Основой для данной методики служит применение скорости потока до 60 л/мин с возможностью установки температуры, влажности, фракции кислорода во вдыхаемой смеси (FiO2) [12].

В отечественных рекомендациях скорость потока 30 л/мин определяется как стартовая величина при гипоксемической ОДН. Однако физиологического обоснования наиболее оптимального алгоритма выбора первичных настроек ВПО у больных с ОДН различного генеза нет [1].

Исходя из вышесказанного, целью исследования явились экспериментальное изучение механизмов воздействия ВПО и оценка ее клинической эффективности в сравнении с традиционной оксигенотерапией у пациентов с тяжелой ВБП.

Материалы и методы

Исследование одобрено независимым этическим комитетом при Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (Протокол № 207 от 22 мая 2018 г.). Экспериментальный этап исследования проводили на базе симуляционного центра Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова в период с 2017 по 2018 г. Клинический этап исследования проводили в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова в период с 2018 по 2019 г.

Для оценки изучаемых показателей применяли аппарат ИВЛ Hamilton G5 (Hamilton Medical, Швейцария) с наличием режима HighFlow, позволяющего проводить ВПО через контур доставки газа с устройством соединения с трахеостомической канюлей OPT870 (Fisher & Paykel, Healthcare Ltd).

В качестве модели легких использовали высокореалистичный симулятор TestChest® Respiratory Flight Simulator (Organis-GmbH, Швейцария), состоящий из точной модели легких со сложной системой математического моделирования для обеспечения воспроизведения легочной механики, газообмена и гемодинамических реакций взрослого человека в норме и при различных патологических состояниях как при сохранении самостоятельного дыхания, так и при проведении ИВЛ.

В данном исследовании использовали три модели биомеханики дыхания: «здоровые легкие», «легкие со сниженной растяжимостью» и «легкие с высоким сопротивлением дыхательных путей». Все измерения проводили при комнатной температуре и влажности.

Основные характеристики моделей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры моделей легких TestChest® Respiratory Flight Simulator

Table 1. TestChest® Respiratory Flight Simulator parameters

Регистрацию показателей проводили на семи этапах исследования. На каждом этапе устанавливали величину потока и концентрацию кислорода 50 % на фоне моделирования параметров системы дыхания человека с частотой 14 уд. в мин. Для базового измерения показателей системы дыхания применяли поток 0 л/мин, для моделирования стандартной оксигенотерапии — от 5 до 15 л/мин с шагом 5 л/мин, для моделирования ВПО — от 30 до 50 л/мин с шагом 10 л/мин. При этом величина потока 30 л/мин определена в соответствии с отечественными рекомендациями по проведению неинвазивной вентиляции легких, как рекомендуемая при гипоксемической ОДН [1].

Для оценки результатов были выбраны параметры состояния дыхательной системы пациента.

1. Продолжительность дыхательного цикла (T, ед. времени) — время от начала до конца цикла.
2. Давление в дыхательных путях (ДДП, см вод. ст.) в определенную точку времени Ti. При этом количество измерений во время дыхательного цикла, моделируемого с частотой 14 уд. в мин, составило 200.
3. Среднее давление в дыхательных путях (ДДПср) отдельного цикла, рассчитанное по формуле

В дальнейшем проводился клинический этап исследования, заключающийся в сравнительном анализе эффективности респираторной поддержки с использованием ВПО и традиционной оксигенотерапии (группы 1 и 2) у пациентов с ВБП и признаками ОДН. Количество пациентов в каждой группе составило 32 человека.

Критериями включения определены:

• возраст старше 18 лет;
• дыхательная недостаточность, не требующая ИВЛ по общепринятым критериям [2];
• гемодинамические показатели (среднее артериальное давление ≥ 65 мм рт. ст. без использования вазопрессоров).

Критериями исключения определены:

• отказ пациента от проводимого исследования;
• беременность.

Для объективной оценки тяжести ВБП применяли шкалу SMRT-CO (systolic blood pressure, multilobar chest radiography involvement, respiratory rate, tachycardia, confusion, oxygenation), учитывающую клинические, лабораторные и инструментальные признаки [2]. ВБП оценивали как тяжелую при сумме баллов 4 и более. Общая характеристика групп пациентов представлена в табл. 2.

Таблица 2. Антропометрические показатели, сопутствующая патология и тяжесть основного заболевания пациентов 1-й и 2-й групп

Table 2. Anthropometric indicators, concomitant pathology and the severity of the underlying disease in patients of groups 1 and 2

 В 1-й группе пациентов проводили инсуффляцию увлажненного кислорода с FiO2 100% с потоком 5 л/мин через стандартные назальные канюли. Для достижения целевых показателей оксигенации (насыщение гемоглобина кислородом (по пульсоксиметру) (SpO2) > 92 %) поток увеличивали до 15 л/мин. При неэффективности исследуемого метода (SpO2 < 92 %, частота дыхания (ЧД) > 35 уд. в мин) регистрировали показатели согласно протоколу исследования и немедленно использовали неинвазивную вентиляцию легких, а при наличии критериев осуществлялся перевод на ИВЛ.

Для 2-й группы пациентов использовали оксигенотерапию с потоком до 15 л/мин через стандартные назальные канюли. При неэффективности методики (SpO2 < 92 %, ЧД > 35 уд. в мин) немедленно использовали ВПО с одновременной регистрацией исследуемых показателей. Через 60 мин использования стандартной оксигенотерапии оценивали показатели системы дыхания (ЧД), газового состава крови (парциальное давление кислорода в артериальной крови (PaO2), парциальное давление углекислого газа в артериальной крови (PaCO2)) и кислотно-основного состояния (КОС).

Затем осуществляли ВПО через инспираторный контур и носовую канюлю необходимого размера аппаратом Hamilton G5 (Hamilton Medical, Швейцария) до достижения требующегося уровня оксигенации. Стартовыми параметрами являлись скорость потока 30 л/мин, FiO2 50 % и температура газовой смеси 37 °C. Через 60 мин применения ВПО оценивали параметры системы дыхания (ЧД), показателей газового состава (PаO2, PаCO2) и КОС (pH, HCO3−). При неэффективности стартовых параметров проводили коррекцию до достижения целевого значения SpO2 > 92 % по утвержденной методике [1]. При дальнейшем лечении пациентов методику оксигенотерапии не меняли.

В ходе проводимого исследования у групп пациентов регистрировали частоту использования ИВЛ (инвазивной и неинвазивной).

При статистической обработке данных применяли пакет статистических программ R-studio (version 3.3.4 R Core Team (2018). R: URL https://www.R-project.org). Данные представлены в виде медианы (Me) (квартиль 1 (Q1); квартиль 3 (Q3)) для непараметрических данных.

Для статистической обработки экспериментальных данных были использованы критерии Шапиро—Уилка и Бартлетта для определения нормальности распределения и гомогенности дисперсии с применением дисперсионного анализа с поправками Tukey для множественных сравнений. Результаты представлены как среднее значение по выборке ± среднее квадратическое отклонение.

При проведении клинического этапа оценка значимости различий между группами данных проводилась с помощью непараметрических методов (критерий Wilcoxon). Качественные показатели оценивались с использованием χ2 (критерий Пирсона). Различия принимались статистически значимыми при р < 0,05.

Результаты

Уровень ДДПср в зависимости от потока газовой смеси, рассчитанный при оценке моделей «здоровые легкие», «легкие со сниженной растяжимостью» и «легкие с высоким сопротивлением дыхательных путей», продемонстрирован на рис. 1. Выявлен значимый рост данного показателя при потоке более 30 л/мин (p < 0,05).

Рис. 1. Влияние уровня потока подаваемой газовой смеси на среднее давление в дыхательных путях

Fig. 1. Influence of the flow rate of the supplied gas mixture on the mean airway pressure

Максимальное значение ДДПср 0,7 ± 0,03 см вод. ст. при скорости потока 5 л/мин выявлено при моделировании «легких со сниженной растяжимостью» и «здоровых легких», наименьшее значение 0,62 ± 0,018 см вод. ст. — при оценке «легких с высоким сопротивлением дыхательных путей».

При потоке 30 л/мин в сравнении с уровнем потока 5 л/мин показатель ДДПср в дыхательных путях при моделировании «здоровых легких» значимо увеличился на 0,23 (0,19–0,27) см вод. ст., «легких со сниженной растяжимостью» — на 0,2 (0,17–0,24) см вод. ст., «легких с высоким сопротивлением дыхательных путей» — на 0,18 (0,15–0,21) см вод. ст.

При использовании ВПО со скоростью потока 50 л/мин в сравнении с уровнем потока 5 л/мин ДДПср значимо увеличилось на 0,74 (0,69–0,78) см вод. ст. при моделировании «здоровых легких», на 0,65 (0,62–0,69) см вод. ст. — «легких со сниженной растяжимостью», на 0,64 (0,6–0,68) см вод. ст. — «легких с высоким сопротивлением дыхательных путей». Исходя из полученных данных, максимальному воздействию при увеличении потока подвержены участки легких с неизмененной биомеханикой дыхания, а минимальному — со сниженной растяжимостью и высоким сопротивлением вдоху.

Исследование на следующем этапе заключалось в оценке влияния использования ВПО и стандартной оксигенотерапии на клинические показатели, показатели газообмена, работу дыхания и сравнение частоты перевода пациентов в ходе проводимой интенсивной терапии на ИВЛ (как инвазивной и неинвазивной).

При оценке клинических и лабораторных показателей установили, что у пациентов с использованием ВПО величина PaO2 составила 103,3 (96,1–107,2) мм рт. ст., что оказалось выше, чем при использовании стандартной оксигенотерапии (54,7 (54,2–60,5) мм рт. ст., p = 0,0003). При исследовании показателей вентиляции отмечено статистически значимое увеличение PаCO2 при переходе от стандартных канюль к использованию ВПО с 32,2 (30,6–35,7) до 36,9 (33,3–40,7) мм рт. ст. Уровень значимости (р) различий между показателями составил 0,001. Частота дыхания достоверно уменьшалась при переходе со стандартной оксигенотерапии к ВПО.

При применении ВПО гемодинамические показатели (систолическое и диастолическое артериальное давление) увеличивались, а частота сердечных сокращений значимо снижалась по сравнению с использованием методики стандартной оксигенотерапии. Различия в клинических показателях, показателях КОС и газового состава крови при использовании стандартных канюль и ВПО, а также уровень значимости обобщены в табл. 3.

Таблица 3. Клинические и лабораторные показатели в группах пациентов при проведении стандартной оксигенотерапии и высокопоточной оксигенотерапии

Table 3. Clinical and laboratory parameters in patient groups during standard oxygen therapy and high-flow oxygen therapy

 В ходе исследования установлено значимое снижение частоты использования ИВЛ у пациентов с применением ВПО. Показатели частоты использования ИВЛ и уровень значимости указаны в табл. 4.

Таблица 4. Анализ частоты применения ИВЛ у пациентов 1-й и 2-й групп

Table 4. Analysis of the frequency of the use of mechanical ventilation in patients of the 1st and 2nd groups

Обсуждение

В ходе исследования выявлено увеличение показателей оксигенации, сопровождающееся снижением работы дыхания, одним из механизмов возникновения которых стало повышение ДДПср, что позволяло избежать интубации трахеи. Результатом исследования стало снижение частоты применения ИВЛ у групп пациентов с использованием ВПО. Данный результат может свидетельствовать об эффективности данного подхода к коррекции ОДН в ОРИТ у взрослых пациентов с тяжелой ВБП и требует дальнейшего изучения.

На экспериментальном этапе исследования оценено влияние потока газовой смеси при использовании ВПО на ДДПср во время самостоятельного дыхания на моделях легких при нормальных и измененных показателях биомеханики легких.

В основе клинических эффектов ВПО в современных исследованиях, помимо возможности создания необходимой фракции кислорода во вдыхаемой газовой смеси, выделяют ряд механизмов, связанных с высокой скоростью потока. К основным из них относятся: вымывание CO2 из мертвого пространства, соответствие фактического потока газа на вдохе необходимому уровню для пациента с ОДН, создание невысокого положительного давления в верхних дыхательных путях, приводящего к снижению работы дыхания [1]. В проведенных ранее исследованиях изучено влияние скорости потока газовой смеси на давление в дыхательных путях с использованием неинвазивных методик поддержки дыхания на моделях легких [13–15]. В данных работах отмечено, что использование ВПО способно создавать низкий уровень положительного давления, диапазон измеренных значений был широк и определялся от 2 до 11 см вод. ст. с учетом лишь фазы вдоха [16, 17].

Последние исследования показали, что по сравнению с методиками стандартной оксигенотерапии у пациентов при проведении ВПО через трахеостомическую трубку с использованием потока 50 л/мин давление в дыхательных путях незначительно повышается. В исследовании [19], выполненном у пациентов с возможностью мониторинга давления в дыхательных путях через трахеостомическое отверстие, при проведении ВПО на уровнях потока 10, 30, 50 л/мин среднее давление в трахее было пропорционально величине потока газовой смеси. Повышение ДДПср, вызванное увеличением потока на 10 л/мин, определено на уровне 0,2 см вод. ст. В нашем исследовании данная величина была сопоставимой и составила 0,15 см вод. ст. при оценке модели «здоровых легких», 0,13 см вод. ст. — «легких со сниженной растяжимостью» и «легких с высоким сопротивлением дыхательных путей».

По сравнению с потоком газовой смеси 8 л/мин в исследовании Natalini D. et al. поток 50 л/мин приводил к увеличению ДДПср на 0,4 см вод. ст. При выполнении моделирования биомеханики дыхания данная величина была значительно выше. При проведении ВПО со скоростью потока 50 л/мин (по сравнению с уровнем потока 5 л/мин) ДДПср увеличилось на 0,74 см вод. ст. при моделировании «здоровых легких», на 0,65 см вод. ст. — при моделировании «легких со сниженной растяжимостью», на 0,64 — при моделировании «легких с высоким сопротивлением дыхательных путей».

Особенностью исследования [19] явилось то, что в нем приняло участие ограниченное число пациентов. Оценка параметров механики дыхания также не проводилась. При этом метод, применяемый в нашем исследовании, позволил моделировать механику дыхания пациента с сохраненным самостоятельным дыханием как с обструктивной, так и с рестриктивной патологией легких. Таким образом, данный подход дает возможность более точно предсказывать изменения ДДПср у пациентов при проведении ВПО.

При анализе данных, полученных в нашем исследовании, несмотря на статистически значимые отличия в величине исследуемого показателя при скорости потока более 30 л/мин, клиническая значимость положительного давления в дыхательных путях является незначительной. При этом в ходе эксперимента не учитывали влияние таких факторов, как частота дыхания, объем утечки через рот и нос при использовании назальных канюль, сопротивление верхних дыхательных путей и трахеостомической трубки. При соблюдении методики проведения оксигенотерапии, снижая воздействие этих факторов, можно увеличить клинический эффект респираторной терапии, связанный с созданием положительного давления в дыхательных путях.

Проведенное клиническое исследование продемонстрировало, что использование ВПО у пациентов с тяжелой ВБП обеспечивает улучшение оксигенации по сравнению с традиционными методиками оксигенотерапии. В исследовании Roca О. et al. [20] использование ВПО после стандартной оксигенотерапии в течение 30 мин у 20 пациентов, из которых у 13 наблюдалась тяжелая пневмония, сопровождалось увеличением PaO2 с 77 до 127 мм рт. ст.

При этом значимые изменения, выявленные при оценке работы дыхания и проявляющиеся снижением ЧД с 28 до 21 уд. в мин, вероятно, связаны с уменьшением гипервентиляции. Установленное достижение референтных значений PаCO2 не выявлено [20]. Данные, полученные в нашем исследовании, подтверждают изменения оксигенации и вентиляции у пациентов с тяжелой ВБП с сохраненным самостоятельным дыханием.

Эффекты со стороны сердечно-сосудистой системы, такие как уменьшение частоты сердечных сокращений, увеличение систолического артериального давления, могут рассматриваться как следствие снижения напряжения компенсаторных реакций при ОДН у пациентов с тяжелой ВБП при использовании данного метода. К недостаткам этого этапа исследования относятся отсутствие рандомизации пациентов и невозможность выделить ведущие механизмы, лежащие в основе отдельных клинических эффектов ВПО.

В проведенном ранее мультицентровом рандомизированном исследовании при использовании ВПО у пациентов с различной патологией легких ВБП как первичный диагноз был установлен только у 60 % пациентов [18]. При этом продемонстрировано отсутствие значимого снижения частоты интубации трахеи по сравнению со стандартной оксигенотерапией — 38 и 47 % соответственно. Существенным отличием нашего исследования от ранее проведенных работ явилось то, что данный показатель был определен исключительно у пациентов с тяжелой ВБП. Возможно, это послужило увеличению числа пациентов, для лечения которых не использовались более инвазивные методики ИВЛ вследствие ранней стабилизации показателей газообмена и достижения эффективности этиотропной антибактериальной терапии.

Ограничением данной работы можно считать одноцентровой характер исследования с относительно небольшой выборкой пациентов, а также отсутствие анализа этиологии ВБП, дальнейшее исследование которой может определить группы пациентов с наиболее значимым влиянием ВПО на результаты респираторной терапии.

Основываясь на полученных положительных клинических и лабораторных эффектах ВПО, позволяющих значимо снизить частоту инициации ИВЛ, данная методика оксигенотерапии может рассматриваться как наиболее эффективная у пациентов с тяжелой ВБП.

Выводы

При проведении ВПО поток газовой смеси более 30 л/мин статистически значимо увеличивает ДДПср, рассчитанное с применением моделей «здоровые легкие», «легкие со сниженной растяжимостью» и «легкие с высоким сопротивлением дыхательных путей». Однако значение данного показателя клинически несущественно. При этом использование ВПО, в сравнении со стандартной методикой, уменьшает частоту применения ИВЛ при статистически значимом увеличении показателей оксигенации (SpO2, PaO2) у пациентов с тяжелой ВБП. При этом снижается гипервентиляция, что подтверждается значимым увеличением PaCO2 и снижением ЧД.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Грачев И.Н., Шаталов В.И., Климов А.Г., Блинда И.В., Кочкин И.А., Цыганков К.А., Щеголев А.В. — разработка концепции статьи, получение и анализ фактических данных, написание и редактирование текста статьи, проверка и утверждение текста статьи.

Решение этического комитета. Исследование одобрено независимым этическим комитетом при Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (Протокол № 207 от 22 мая 2018 г.).