HME湿化性能评估的综合结构模型构建与验证：为临床选择提供统一量化标准

　　本刊推荐：为解决HME（热湿交换器）评估方法混乱、指标不统一的问题，研究人员开发了基于质量守恒的结构模型，引入水分获益（mb）和水输出（wo）等可测量指标，通过实验验证了模型准确性（预测与实测差异<2.24 mg/L），首次量化了湿化引起的体积变化（达6.6%），并定义了性能（可逆存储水量）和效率（η）的核心指标，为临床HME选择提供了标准化评估框架。

　　

在临床麻醉和重症监护领域，气管插管患者需要通过人工方式对吸入气体进行加温加湿，以替代被绕过的上呼吸道生理功能。热湿交换器（Heat and Moisture Exchanger, HME）作为一种被动湿化装置，因其便捷性和低成本已被广泛应用数十年。然而，长期以来，HME的评估一直处于方法学混乱的状态：不同研究采用称重法、温湿度直接测量、心理测量法等迥异的实验方法，汇报的指标更是五花八门，包括水分输出、水损失、效率、效能、湿度回报等，且缺乏统一的定义。这种“各自为政”的局面导致来自不同文献的数据难以比较，给临床医生选择合适产品带来了巨大困惑。尽管一些研究者尝试建立结构模型来规范测试，但国际公认的标准测试程序和临床决策的核心指标始终缺位。为此，来自德国哥廷根大学医学中心的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究，旨在建立一个基于质量守恒的、综合的理论与实验研究体系，为HME的湿化特性评估提供一套 universally applicable（普遍适用）的解决方案。

研究者为开展本项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：研究构建了一个基于plug flow（活塞流）假设的理论结构模型，并据此搭建了温度可控的实验测试系统。该系统由容积发生器（Dr?ger LS 1500）驱动，以15次/分钟、吸呼比1:1的正弦波气流模拟呼吸，使用经过校准的快速响应湿度传感器（ZSK FT 202 M）和Fleisch型 pneumotograph（呼吸速度描记器）分别在模型中的四个关键位点（气体入口、水分获益支路、湿化器出口、水输出支路）同步测量气流和绝对湿度。所有数据通过模数转换器以10 Hz频率采集，并利用自主研发的“HME-calculator”计算机程序进行 breath-by-breath（逐次呼吸）的数据计算与分析。

Model structure

研究人员基于Wilkes的模型进行了重要扩展，增加了一个代表返回质量（m^rt）的独立分支，并首次将湿化过程中水蒸气的添加和移除所导致的气体体积变化纳入考量。模型定义了四个测量位点：位点1测量吸入气体体积（V_insp）和其湿度（hb）；位点2测量离开HME的吸入气体积（V_mb）和其湿度，即水分获益（mb）；位点3由湿化器预设目标湿度（ha）；位点4测量离开HME的呼出气体积（V_exp）和其湿度，即水输出（wo）。在稳态和活塞流条件下，通过质量守恒原理，开发了一套完整的算法，可从测量值计算出所有相关变量，核心是HME性能（m^st，即可逆存储的水质量）和效率（η = m^st / (m_e^ent - m_i^ent)）。

Model implementation

模型的具体实现是一个温控箱体内的测试系统。气流由容积发生器产生，HME被放置在带单向阀的T型件之间以分离吸呼气流。湿度传感器通过测量水蒸气分压工作，并均经过校准。数据采集后，利用“HME-calculator”程序进行逐次呼吸的分析计算。

Test rig suitability

为验证测试系统本身的适用性，研究者在未放置HME的情况下，测量了wo和mb，并将其与基于物理化学定律和模型做出的预测值进行比较。 across 37 mg/L和44 mg/L两种目标湿度以及0.25L, 0.50L, 0.75L三种潮气量的所有组合下，测量值与预测值的差异范围在-1.89至2.24 mg/L之间，其中mb的平均差异为0.15 mg/L（标准差0.69），wo的平均差异为-0.48 mg/L（标准差0.98）。结果表明，该测试系统和结构模型能够准确预测和测量相关变量，满足后续HME评估的要求。

Volume effects

研究证实，向干燥的载气中添加水蒸气会导致气体体积显著增加。在目标湿度为44 mg/L时，相较于干燥吸入气，体积增幅最高可达6.6%。更重要的是，这部分增加的体积在V_mb和V_exp之间的分配比例取决于HME的性能：HME性能越高，更多水蒸气存在于呼出支路，导致V_exp减小而V_mb增大，甚至出现V_mb > V_exp的情况。这强调了在报告中必须注明体积测量的具体位置。

Moisture benefit and water output measurements

对五种品牌HME（各三个样本）的测量表明，mb和wo均受潮气量和湿化水平的共同影响。mb的浓度随潮气量增加而降低，而wo的浓度则随潮气量增加而升高。这两种测量指标包含了相同的信息，通过后续计算可以得出完全一致的结论。

HME performance evaluation and HME efficiency

性能（m^st）的计算结果显示，不同HME的性能随水负荷（进入HME的水质量，m_e^ent）的变化呈现出三种模式：线性增长型、渐近饱和型和恒定型。效率（η）则表现出对潮气量的显著依赖性，而在观测范围内受目标湿度的影响相对较小。研究表明，结合潮气量上限和其对应的效率特征，可以有效地对HME产品进行评估和筛选，例如，某型号HME（khaki色）可在潮气量高达0.8L时仍保证效率高于60%。

Performance of LE-HMEs

该模型同样适用于喉切除患者用HME（LE-HME）的评估。由于LE-HME尺寸更小且无机器端口，研究通过测量mb和V_mb来评估其性能。结果显示，八种LE-HME的性能介于每次呼吸2至5毫克之间，远低于常规HME（5至30毫克），这与它们的设计和应用场景相符。

综上所述，本研究成功构建并验证了一个全面的、基于质量守恒原理的HME评估模型和实验体系。它首次明确提出了以“可逆存储水量（mg/次呼吸）”定义HME性能（Performance），以“存储水量与净进入水量之比”定义HME效率（Efficiency）的核心概念，为混乱的领域提供了统一、量化的标准。研究首次系统量化了湿化引起的体积变化及其分布，并证实了通过测量水分获益（mb）或水输出（wo）均可可靠地计算出核心指标。该模型兼具理论严谨性和实践可操作性，其提出的评估框架（特别是在潮气量上限评估效率）有望为临床医生的 informed decision（知情决策）提供坚实依据，甚至为未来国际标准的修订奠定基础。