Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm và bộ lọc hệ thống dây máy thở: sử dụng trong gây mê và chăm sóc đặc biệt. Phần 1 – Lịch sử, nguyên tắc và hiệu quả

Bài viết Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm và bộ lọc hệ thống dây máy thở: sử dụng trong gây mê và chăm sóc đặc biệt. Phần 1 – Lịch sử, nguyên tắc và hiệu quả được BS. Đặng Thanh Tuấn dịch từ bài viết gốc: Heat and moiture exchangers and breathing system filters: their use in anaesthesia and intensive care. Part 1 – history, principles and efficiency

1. Tóm lược

Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm (HME) và bộ lọc hệ thống dây máy thở (filter) nhằm thay thế các chức năng làm ấm, làm ẩm và lọc bình thường của đường hô hấp trên khi các cấu trúc này bị nối tắt trong khi gây mê và chăm sóc đặc biệt. Hướng dẫn về việc sử dụng chúng tiếp tục phát triển. Mục đích của phần này là để mô tả các nguyên tắc hoạt động và hiệu quả của chúng, và tóm tắt những phát hiện từ các nghiên cứu lâm sàng và phòng thí nghiệm. Dựa trên các nghiên cứu trước đây, một mục tiêu tối thiểu thích hợp cho đầu ra là độ ẩm 30 và 20 mg/L đối với sử dụng trong thời gian dài trong chăm sóc đặc biệt và sử dụng thời gian ngắn trong gây mê.

Thực tế có tái sử dụng hệ thống dây máy thở trong gây mê, miễn là nó được bảo vệ bằng bộ lọc, giả định rằng bộ lọc có hiệu quả. Tuy nhiên, có sự thay đổi lớn trong hiệu suất lọc khí, và nước ngưng tụ bị ô nhiễm có khả năng đi qua một số bộ lọc dưới áp lực đặc hiệu gặp phải trong quá trình thông khí cơ học.

Khi khí quản của bệnh nhân được đặt nội khí quản hoặc thiết bị đường thở trên thanh môn (supraglottic airway device) được đặt, thì các chức năng làm ấm, làm ẩm và lọc của đường hô hấp trên bình thường sẽ bị bỏ qua. Do đó, khí cung cấp cho bệnh nhân cần phải được điều hòa nhân tạo để thay thế các chức năng bị mất này [1]. Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm (HME) nhằm bảo tồn một phần nhiệt độ và hơi thở thở ra của bệnh nhân và điều hòa khí hít vào bằng cách làm ấm và làm ẩm nó [2]. Các bộ lọc hệ thống dây máy thở được thiết kế để giảm sự lây truyền vi khuẩn và các vật chất khác trong hệ thống dây máy thở [3].

Có năm loại thiết bị [1]. Đó là:

•  Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm không có bộ lọc (HME)
•  Chỉ là bộ lọc tĩnh điện (electrostatic filter)
•  Chỉ là bộ lọc xếp li (pleated filter)
•  Bộ lọc tĩnh điện với HME
•  Bộ lọc xếp li với HME.

Các thiết bị chứa cả bộ lọc và HME được gọi là bộ lọc trao đổi nhiệt và độ ẩm (HMEF, heat- and moisture-exchanging filters). Các thuật ngữ ‘tĩnh điện’ và ‘xếp li’ được sử dụng để phân biệt hai loại bộ lọc phổ biến, thì không đúng hẳn, vì cả hai loại đều phụ thuộc vào mức độ điện tích để giữ các hạt trong vật liệu lọc, và cả hai loại vật liệu đều có thể được xếp li. Sự khác biệt chính giữa hai loại là mật độ của các sợi. Đối với vật liệu lọc ‘tĩnh điện’, mật độ của sợi tương đối thấp và tích điện trên các sợi là cao (hoặc là fibrillated, hoặc là triboelectric-charged [1]).

Đối với các bộ lọc ‘xếp li’, mật độ của sợi cao: điều này làm tăng sức đề kháng với lưu lượng khí; xếp li vật liệu làm tăng diện tích bề mặt và do đó làm giảm sức đề kháng. Loại bộ lọc này cũng được gọi là “kị nước” – “hydrophobic” (như bề mặt của vật liệu lọc đẩy nước) hoặc “cơ khí” – “mechanical”. Đối với đánh giá này, các thuật ngữ ‘tĩnh điện’ và ‘xếp li’ sẽ được sử dụng để phân biệt hai loại bộ lọc.

2. Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm (heat and moisture exchangers)

2.1 Phát triển mang tính lịch sử

Bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm bắt đầu sử dụng trong những năm 1950 sau khi đưa vào thủ thuật mở khí quản để tạo điều kiện thông khí cơ học của phổi. Trong báo cáo của ông về dịch bệnh bại liệt ở Đan Mạch năm 1952, Lassen nói rằng, khi sử dụng kỹ thuật thông khí nhân tạo và thông khí áp lực dương, “một máy làm ẩm tốt là điều cần thiết: nếu không thì sự cô đặc dịch tiết có thể xảy ra” [4]. Drägerwerk [5], Wally [6] và Koch et al. [7] tất cả đã mô tả các thiết bị tương tự ngay sau báo cáo của Lassen để cung cấp một phương tiện thụ động làm ẩm khí hít vào, mặc dù Julius Jeffreys đã mô tả một thiết bị tương tự vào năm 1842 [8]. Những phát triển này và các diễn biến khác được mô tả trong Bảng 1.

Bảng 1. Lịch sử phát triển của bộ trao đổi nhiệt và độ ẩm (HME) và các bộ lọc.

2.2 Mức độ ẩm khi thở bình thường

Khi khí hít vào được làm ấm, ẩm và cung cấp cho bệnh nhân, nhiệt độ và độ ẩm của khí phải gần với mức tìm thấy trong đường thở của bệnh nhân trong khi thở bình thường. Ví dụ, nếu khí quản của bệnh nhân được đặt nội khí quản, khí được cung cấp ở cuối ống nội khí quản phải có cùng nhiệt độ và độ ẩm như không khí hít vào khi thở bình thường ở mức đó.

Cole đo nhiệt độ và độ ẩm của không khí hít vào trong khi thở bình thường và tăng thông khí (thông khí từ 7–42 L/phút) và nhận thấy nhiệt độ và độ ẩm ở vùng họng là 32–34°C với độ ẩm 32 mg/L [24]. Trong công việc tiếp theo, ông đã chứng minh rằng nhiệt độ không khí trong họng hầu như thay đổi từ 31 đến 37°C trong một loạt các điều kiện không khí hít vào từ “bắc cực” sang “nhiệt đới” [25]. Độ ẩm tương đối luôn gần 100% (độ ẩm của không khí bão hòa hoàn toàn với hơi nước ở nhiệt độ 31°C là 32 mg/L).

Ingelstedt đo nhiệt độ và độ ẩm của không khí được hít vào và thở ra bằng cách chọc dò màng giáp nhẫn và đặt một cảm biến trong vùng dưới thanh môn [26]. Trong lúc thở mũi, nhiệt độ tối thiểu trong thì hít vào và độ ẩm hít vào là 32,3°C và 35 mg/L, tương ứng; trong khi thở bằng miệng, nhiệt độ tối thiểu trong hít vào và độ ẩm hít vào là 30,5°C và 29 mg/L, tương ứng. Sau đó, Déry et al. cũng đo nhiệt độ và độ ẩm của khí hít vào ở người gây mê và tìm thấy nhiệt độ trung bình và độ ẩm tương đối là 30,8°C và 85,8%, tương ứng ngay dưới carina [27], tương đương với độ ẩm 27,3 mg/L.

Dựa trên những nghiên cứu, Chamney khuyến cáo rằng khí được cung cấp cho những bệnh nhân có đường hô hấp trên đã được nối tắt nên được làm ấm đến ít nhất 30°C và được làm ẩm đến ít nhất 30 mg/L [28].

Một số HME và HMEF (nhưng không phải sản phẩm chỉ là lọc khí) có thể cung cấp đầu ra độ ẩm từ 30 mg/L trở lên [29-34].

2.3 Các mối nguy hiểm do độ ẩm không đủ

Khi đường hô hấp trên bị nối tắt và khí có độ ẩm không đủ được đưa trực tiếp vào khí quản, tổn thương có thể xảy ra với lớp lót khí quản. Đặc biệt, độ ẩm không đầy đủ có thể gây ra rối loạn chức năng nhày-lông chuyển (mucociliary), trong đó ảnh hưởng lớp lót lông chuyển hô hấp và chức năng di chuyển chất lỏng và chất nhầy về phía thanh quản.
Williams et al. mô tả một loạt các rối loạn chức năng có thể xảy ra trong đường hô hấp nếu độ ẩm và nhiệt độ của khí được đưa đến bệnh nhân không phải là tối ưu [35]. Đó là (theo thứ tự mức độ nghiêm trọng của rối loạn chức năng):

1. Không có rối loạn chức năng rõ ràng, nhưng khí hít vào có nhiệt độ và độ ẩm thấp hơn nhiệt độ cơ thể và áp suất bão hòa (BTPS) (tức là 37°C và 44 mg/L)

2. Chất nhờn đặc, gây chậm vận chuyển nhày-lông chuyển

3. Vận chuyển nhày-lông chuyển dừng lại

4. Cilia ngừng đập

5. Tổn thương tế bào

6. Giảm độ giãn nở và dung tích cặn chức năng của phổi, xẹp phổi, và shunt.

Williams et al. sử dụng số liệu từ 17 nghiên cứu được công bố, điều tra ảnh hưởng của các mức độ ẩm khác nhau lên đường hô hấp để thiết lập một mô hình rối loạn chức năng về độ ẩm (sự khác biệt giữa mức độ ẩm và điều kiện BTPS). Mức độ ẩm tối ưu được xác định bởi Williams et al. là điều kiện BTPS, điều kiện này không thiếu độ ẩm. Tuy nhiên, từ mô hình, không có bằng chứng cho thấy rối loạn chức năng quan trọng về mặt lâm sàng sẽ xảy ra nếu thiếu độ ẩm vào khoảng −11 mg/L, do đó độ ẩm hít vào tối thiểu có thể chấp nhận được khoảng 33 mg/L. Hơn nữa, chỉ có hai trong số 17 nghiên cứu trên con người; 15 nghiên cứu còn lại được tiến hành trên nhiều loài động vật có vú khác nhau (chuột, thỏ, chó, lợn và lợn guinea).

Ấn bản đầu tiên của tiêu chuẩn quốc tế về độ ẩm cho sử dụng trong y tế đã được xuất bản năm 1988 [36]. Nó cho biết độ ẩm tối thiểu cần thiết để ngăn ngừa sự cô đặc dịch tiết (đặc lại do mất nước) ở bệnh nhân có đường hô hấp trên bị nối tắt là 30 mg/L, tương đương với mức thâm hụt độ ẩm là −14 mg/L. Trong lần xuất bản thứ hai (xuất bản năm 1997) và thứ ba (xuất bản năm 2007), điều này đã tăng lên 33 mg/L, mặc dù không có lý do gì ngoài việc nói rằng “đường hô hấp trên cung cấp 75% nhiệt và độ ẩm cung cấp cho phế nang” và “máy tạo ẩm và ấm cần cung cấp nhiệt và độ ẩm còn thiếu” [37].

2.4 Yêu cầu độ ẩm trong gây mê

Trong khi gây mê, so với chăm sóc đặc biệt, thời gian của nối tắt của đường hô hấp trên thì ngắn hơn nhiều. Mô hình độ ẩm và độ phơi nhiễm độ ẩm của Williams và cộng sự về sự rối loạn chức năng đường hô hấp [35] cho thấy mức độ ẩm thấp hơn có thể được dung nạp trong một thời gian ngắn mà không gây rối loạn chức năng. Kleemann đề xuất mức tối thiểu là 20 mg/L [38], đủ để ngăn chặn tổn thương biểu mô khí phế quản trong 10 giờ thở máy.

Mức độ ẩm này có thể được cung cấp trong khi gây mê khi sử dụng hệ thống thở vòng tròn (circle breathing system); phản ứng của carbon dioxide thải ra với chất hấp thụ carbon dioxide (ví dụ vôi soda) tạo ra hơi nước có thể làm ẩm đầy đủ các khí hít vào, đặc biệt là nếu dòng khí tươi (fresh gas flows) thấp được sử dụng [38-41]. Do đó, việc sử dụng thêm HME trong tình huống này có lẽ không bắt buộc. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ lọc tại cổng kết nối bệnh nhân, để bảo vệ hệ thống dây máy thở và bệnh nhân, vẫn có thể làm giảm sự mất độ ẩm của bệnh nhân và do đó tăng độ ẩm của khí cho bệnh nhân, ngay cả khi bộ lọc có cung lượng tạo độ ẩm thấp [42].

3. Bộ lọc hệ thống máy thở (Breathing system filters)

3.1 Phát triển mang tính lịch sử

Các bộ lọc đã sử dụng đầu tiên để loại bỏ vi khuẩn từ khí cung cấp cho bệnh nhân vào đầu những năm 1960. Tuy nhiên, sớm hơn nhiều, vào năm 1873, Skinner đã phản đối nguyên tắc thở thông qua bộ máy mà những người khác đã sử dụng [43]. Năm 1952, Joseph báo cáo trường hợp lây nhiễm chéo viêm amiđan được coi là phát sinh từ sự lan truyền qua không khí từ các túi dự trữ (reservoir bags) bị ô nhiễm [44]. Williams et al. mô tả cái chết của năm bệnh nhân trong một khoa năm 1960, có khả năng đã xảy ra vì lây nhiễm qua không khí do Pseudomonas pyocyanea [45].

Bishop et al. mô tả một trường hợp bệnh nhân nhiễm P. pyocyanea và sau đó chết [46]. Bệnh nhân đã nhận được thông khí cơ học sau phẫu thuật của phổi. Hệ thống dây máy thở của máy thở sau đó được phát hiện là bị ô nhiễm nặng nề với vi khuẩn. Bishop sau đó mô tả việc sử dụng một bộ lọc được đặt trên cổng vào máy thở của không khí để ngăn chặn bất kỳ vi khuẩn nào ở không khí trong phòng bị cuốn vào và được đưa vào bệnh nhân (vị trí 2 trong Hình 1) [11].

Tầm quan trọng của công việc này được nhấn mạnh bởi các báo cáo về tử vong do nhiễm chéo. Ví dụ, Phillips và Spencer mô tả cách tất cả tám bệnh nhân nhận được thông khí cơ học cho đợt cấp của bệnh phổi mãn ở một khoa bị nhiễm P. aeruginosa, với hai bệnh nhân tử vong [47].

Những phát triển hơn nữa đã thấy sự ra đời của các bộ lọc phù hợp để đặt ở các vị trí 3, 4 và 5 trong Hình 1. Hiệu suất các bộ lọc đầy bị thách thức với sự lây nhiễm vi khuẩn [33, 48-52] và, sau khi công bố tiêu chuẩn cho bộ lọc hệ thống máy thở [3], bởi các hạt natri clorua có kích thước hạt thâm nhập lớn nhất đối với vật liệu lọc [31, 53].

Phương pháp này dựa trên đó để thử nghiệm các thiết bị bảo vệ hô hấp [54]. Nói chung, hiệu suất lọc của bộ lọc xếp li vượt trội so với bộ lọc tĩnh điện (Hình 2).

3.2 Ảnh hưởng của các bộ lọc đến tỷ lệ lây nhiễm chéo

Tuy nhiên, vào năm 1981, hai nghiên cứu đã được công bố điều tra hiệu quả của việc sử dụng các bộ lọc về tỷ lệ viêm phổi ở những bệnh nhân trải qua gây mê [55, 56]. Garibaldi et al. [55] so sánh việc sử dụng một hệ thống thở dùng một lần được sử dụng với các bộ lọc gắn vào cả cổng hít vào và các cổng thở ra của hộp hấp thụ, với hệ thống thở dùng một lần mà không có bất kỳ bộ lọc nào. Mặc dù không thấy khác biệt, có thể giả định rằng mỗi hệ thống thở một lần chỉ được sử dụng cho một bệnh nhân.

Feeley et al. [56] so sánh việc sử dụng một hệ thống thở vô trùng dùng một lần với một bộ lọc “được đặt trên phần gần của nhánh hít vào” với hệ thống thở cao su tái sử dụng mà không có bộ lọc. Trong cả hai nghiên cứu, tỷ lệ mắc bệnh viêm phổi tương tự nhau ở cả nhóm lọc và nhóm không lọc.

Một bài bình luận đi kèm kết luận rằng việc sử dụng các bộ lọc nên được dừng lại cho đến khi có bằng chứng để đưa ra kết luận của cả hai nghiên cứu [57]. Tuy nhiên, không nghiên cứu nào nhận xét về các kỹ thuật tái sử dụng cho phần còn lại của hệ thống vòng tròn, bao gồm cả bộ phận hấp thụ và thông khí hoặc bất kỳ sự nhiễm bẩn nào được tìm thấy trong các vật phẩm này. Ngoài ra, không nghiên cứu nào giải quyết vấn đề đặt bộ lọc tại cổng kết nối bệnh nhân.

Kỹ thuật này lần đầu tiên được mô tả bởi Chalon et al. vào năm 1984 [20] sử dụng một bộ lọc đặt giữa bệnh nhân và hệ thống dây máy thở (vị trí 1, hình 1). Điều này hoạt động như một bộ lọc (bảo vệ bệnh nhân khỏi bất kỳ sự nhiễm bẩn nào trong hệ thống dây máy thở và bảo vệ hệ hô hấp của bệnh nhân) và HME.

Ba phương pháp sau đó đã được sử dụng phổ biến:

•  một hệ thống dây máy thở sử dụng duy nhất được sử dụng cho nhiều bệnh nhân được bảo vệ bởi bộ lọc hệ thống dây máy thở; hoặc
•  hệ thống dây máy thở được xử lý sau mỗi bệnh nhân; hoặc
•  một hệ thống dây máy thở tái sử dụng đã được tái xử lý trước khi được sử dụng cho bệnh nhân tiếp theo.

Phương pháp đầu tiên trở nên phổ biến ở các vùng của châu Âu mặc dù không phải ở Mỹ [58]. Tuy nhiên, các biện pháp phòng ngừa này không được theo dõi phổ biến, và các hệ thống dây máy thở không có bộ lọc được sử dụng trên nhiều bệnh nhân mà không cần tái chế. Chant et al. mô tả một loạt các trường hợp nhiễm chéo với viêm gan C xảy ra trong một danh sách phẫu thuật vào năm 1993 [59] khi kỹ thuật này được sử dụng. Điều này củng cố khuyến nghị sử dụng bộ lọc nếu hệ thống dây máy thở được sử dụng cho nhiều bệnh nhân mà không được tái xử lý [60]. Một trường hợp thứ hai, bệnh nhân có nhiễm chéo với viêm gan C cũng đã được báo cáo [61].

Việc bổ sung một bộ lọc tại cổng kết nối bệnh nhân đã được chứng minh là ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của hệ thống dây máy thở [62-65] và bộ lọc làm giảm nồng độ vi khuẩn lây nhiễm qua không khí khi được thử nghiệm in vitro [33, 48-52]. Tuy nhiên, gần đây sử dụng kỹ thuật phát quang sinh học (bioluminescence technique) đã chứng minh rằng sự bẩn hữu cơ của mặt phía bên máy thở của các bộ lọc và hệ thống dây máy thở có thể xảy ra trong khi gây mê [66, 67]. Do đó, giả định rằng hệ thống dây máy thở vẫn không có vi khuẩn khi bộ lọc được sử dụng có thể không phù hợp. Điều này được hỗ trợ bởi một nghiên cứu trong đó mức độ ô nhiễm được đo trong hệ thống dây máy thở được sử dụng cho nhiều bệnh nhân gây mê trong khoảng thời gian 24, 48 hoặc 72 giờ, với bộ lọc tĩnh điện được sử dụng giữa bệnh nhân và hệ thống dây máy thở; ô nhiễm đã được tìm thấy trong 5,6% của các hệ thống dây máy thở sau 72 giờ sử dụng [68]. Ở Anh, thực hành phổ biến là sử dụng hệ thống thở trong tối đa một tuần.

Mặc dù được sử dụng trong gần 50 năm, vẫn không có bằng chứng cho thấy việc sử dụng các bộ lọc làm giảm tỷ lệ nhiễm trùng hậu phẫu; ngược lại, có một số bằng chứng cho thấy nguy cơ mắc các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp dưới từ các hệ thống dây máy thở dùng chung mà không sử dụng các bộ lọc là rất thấp. Van Hassel et al. báo cáo tỷ lệ nhiễm trùng đường hô hấp dưới cho bệnh nhân sau gây mê toàn thân hoặc khu vực, nơi hệ thống dây máy thở được làm sạch hàng ngày và tiệt trùng, và bộ lọc chỉ được sử dụng cho bệnh nhân nghi ngờ hoặc nhiễm trùng đường hô hấp quá mức và nhiễm trùng Mycobacterium tuberculosis và virus suy giảm miễn dịch ở người [69]. Mỗi hệ thống dây máy thở sạch và tiệt trùng được sử dụng cho từ ba đến bảy bệnh nhân. Sau 9 năm theo dõi 53.800 bệnh nhân, tỷ lệ nhiễm khuẩn đường hô hấp dưới sau khi gây mê toàn thân hoặc khu vực chỉ là 0,1 và 0,2%, tương ứng, sử dụng quy trình này và bệnh nhân không được gộp lại.

Tuy nhiên, đối với nghiên cứu quan sát lớn này, hai kỹ thuật gây mê đã được sử dụng: một hệ thống nửa kín và một hệ thống mở. Dòng khí được sử dụng lần lượt là 3 và 6–9 lít/phút. Kỹ thuật lưu lượng khí tươi thấp không được sử dụng. Khi sử dụng một kỹ thuật như vậy, việc đưa vào dòng khí tươi khô lưu lượng thấp vào hệ thống dây máy thở là không đủ để ngăn sự ngưng tụ xảy ra. Nước được tạo ra từ phản ứng của khí carbon dioxide từ thở ra và chất hấp thụ carbon dioxide. Ngưng tụ đặt ra một mối nguy hiểm khác cho bệnh nhân, đặc biệt nếu bộ dây bị nhiễm bẩn.

3.3 Sự lây nhiễm vi sinh vật qua chất lỏng

Các tác giả của báo cáo trường hợp nhiễm chéo viêm gan C cho thấy nhiễm chéo xảy ra khi đờm bệnh nhân nhiễm virus viêm gan C đi vào hệ thống dây máy thở, sau đó hoạt động như một nơi dự trữ vi trùng cho những bệnh nhân còn lại trong danh sách [59]. Do đó, các bộ lọc sẽ ngăn chặn việc lây truyền qua chất lỏng (đờm trong trường hợp này) từ bệnh nhân đến hệ thống dây máy thở [60].

Đổi lại, nếu bất kỳ sự nhiễm bẩn nào xâm nhập vào hệ thống dây máy thở và sự ngưng tụ có mặt, việc vận động hệ thống dây máy thở trong quá trình này có thể làm cho chất lỏng bị ô nhiễm đi vào bộ lọc. Nếu có đủ lượng chất lỏng để bao phủ bề mặt của bộ lọc ở phía máy (phụ thuộc vào hướng của vật liệu lọc [70]), thì nó sẽ gây cản trở việc cung cấp nhịp thở tiếp theo của máy thở. Khi máy thở cố gắng cung cấp hơi thở, áp lực trong hệ thống dây máy thở sẽ tăng trên mức giới hạn cài đặt và báo động sẽ xảy ra, cảnh báo cho người gây mê có tắc nghẽn xảy ra. Thông thường, giới hạn áp suất cao là 30-40 cmH2O. Do đó, bộ lọc sẽ có thể chịu được mức áp suất đó mà không