一种新的无创通气辅助装置，休息-活动循环-正气道压，在健康成人运动人群中的效用和可接受性:队列研究

简介

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是指导致气流受限的进行性慢性肺疾病，包括肺气肿、慢性支气管炎和慢性哮喘[1］．根据大型流行病学研究，慢性阻塞性肺病的全球流行率估计约为11.7%(95%可信区间8.4%-15%)，每年约有300万人死亡[2］．它是全球第四大死亡原因[1］．慢性阻塞性肺病管理指南支持综合干预措施，包括药物治疗、戒烟、病情加重的自我管理和肺部康复(PR)，以改善健康结果。肺康复被广泛认为是COPD患者减少呼吸困难、提高运动能力、改善健康相关生活质量(QOL)的金标准干预措施[3.］．

无创通气(NIV)已被证实可使中、重度COPD患者在急性加重期间受益，有助于降低呼吸频率、死亡率和插管率，并改善动脉氧合[4，5］．研究已经开始调查在运动或PR中NIV对改善COPD患者预后的有效性。最近的一项元分析[4]对运动训练中的NIV的研究发现，与单独运动训练或使用伪NIV相比，NIV可以帮助COPD患者在更大的强度和持续时间下运动，并获得更好的训练效果。

大多数NIV设备由于体积大、重量重、价格昂贵且依赖交流电源，不适合进行日常活动和锻炼。许多设备的另一个问题是吸入气体缺乏加湿作用，这会使气道和气道分泌物干燥，给慢性阻塞性肺病患者带来问题。此外，大多数设备使用口罩接口，这对于慢性阻塞性肺病患者来说，在运动过程中往往会产生令人无法接受的幽闭恐惧症[6］．一种具有更用户友好界面的轻便、便携、湿润NIV装置有可能改善PR结果，并影响因运动耐受力降低和呼吸困难而日常生活受到限制的COPD患者的生活。

RACer-PAP(休息活动周期-气道正压)是由奥克兰理工大学生物设计实验室的作者DW和他的设计团队设计的NIV设备，该实验室专门从事生物医学工程。该设备的原型最初设计是为了增加睡眠呼吸暂停患者的舒适度。它已经在一小部分人群中进行了安全测试，并被发现可以减少气道干燥和鼻塞[7］．RACer-PAP原型机在室内空气中工作，其工作方式类似于持续气道正压通气(CPAP)机。CPAP是一种广泛应用的NIV形式，已被证明可在呼气末夹板打开气道，对抗固有的呼气末正压(PEEP)，并减少呼吸功[6，8］．在运动中使用CPAP也被证明可以减少慢性阻塞性肺病患者的呼吸困难和提高运动耐受性[6，9，10］．然而，当使用CPAP时，鼻循环(其中一个鼻孔周期性地比另一个鼻孔更大比例地引导潮汐气流[11])被废除[12]，导致气道干燥[13，14］．目前的CPAP机器使用补充加湿来防止气道干燥，如果在旅行或移动中使用该设备是不切实际的。原型RACer-PAP装置提供与CPAP机器相同的正向气道压力到鼻子，同时调节鼻腔气流分配偏差。该装置有效地恢复人体的天然空调和保护系统，并免去了补充加湿的需要[15］．RACer-PAP技术，如果可被COPD患者接受，可能有助于在旅行、锻炼和日常生活活动中施加气道正压。

原型赛车- pap使用鼻枕(图1)作为接口。虽然鼻腔呼吸周期还不完全清楚，但人们认为，在通常情况下，一个鼻孔比另一个鼻孔允许更多的气流通过，气流大约每三个小时在鼻孔之间交替流动一次[11］．这是由鼻甲肥厚引起的周期性的单侧阻塞引起的，并被认为有助于去除污染物[11］．RACer-PAP的一个独特的特点是，该设备确定每个人在最初的几次辅助呼吸内的自然流量主导鼻孔，随后，该设备上升到操作员设置的正压力，以确保主导鼻孔通过的气流高于非主导鼻孔。PEEP根据每个人的舒适度进行调整，范围从6到20厘米₂O，适应每个人内在的PEEP [8］．在预先设定的时间内，鼻孔之间的气流偏置会持续一段时间，然后切换到另一个鼻孔，这样另一个鼻孔接收到更高的流速。这个周期是由治疗师预定的。该设备可以通过每根软管(通过鼻枕的每一侧)输送高达每分钟73升的房间空气，确保该设备能够满足用户的高空气流量需求，甚至在锻炼期间。通过这个过程，RACer-PAP设备消除了补充加湿的需要。该设备可以电池操作，提供方便的治疗便携性。我们相信RACer-PAP可能有潜力提高中度至重度COPD患者参与PR和日常生活活动的能力。在测试该设备在COPD患者中的可接受性、实用性和有效性之前，RACer-PAP设备原型需要在健康志愿者中进行评估。

‎ 把这个图

本研究的目的是(1)评估race - pap原型在原位运动的可行性;(2)调查RACer-PAP样机在休息和运动期间的效用和可接受性;(3)识别在运动中使用RACer-PAP原型时的潜在安全问题。

方法

伦理批准

新西兰健康和残疾伦理委员会于2018年12月5日批准了该研究的伦理许可(研究编号18/NTB/191)。2019年4月15日，奥克兰理工大学伦理委员会批准了机构伦理批准(研究编号19/129)。该研究于2019年3月22日在ANZCTR (ACTRN12619000478112)注册并获得批准。

研究设计

这是一项可行性研究，以确定原型RACer-PAP装置在正常健康个体运动中的效用和可接受性。参加者分别参加了奥克兰科技大学(奥克兰，新西兰)的两期课程，每次最多间隔一周。在第1阶段，参与者完成基线筛选，熟悉RACer-PAP设备原型和6分钟步行测试(6MWT)。在第二阶段，参与者按随机顺序完成了使用和不使用RACer-PAP原型的运动测试，并提供了使用RACer-PAP的运动反馈。两组实验都在一天中相似的时间进行(以消除昼夜节律的变化)，最长持续1.5小时。

参与者

参与者被有意选择，包括年龄、性别和种族的多样性。如果受试者是年龄为> ~ 25岁的健康成年人，并且能够参加两个预定的会议，则纳入研究。如果受试者有面部畸形、鼻息肉或鼻甲异常，如鼻窦感染或其他可能影响鼻气流调节的情况，则被排除在外;不愿意佩戴或无法忍受鼻枕界面;被诊断患有心脏病、高血压、呼吸系统疾病或任何损害身体机能的疾病或受伤;有活动性感染;身体活动准备问卷(PAR-Q)和电子身体活动准备体检(ePARmed-X+)风险评估工具均有阳性结果;在医生的建议下避免运动;肺活量测定结果显示气流阻塞，1秒用力呼气量(FEV1)/用力肺活量(FVC)比值小于70% [1];或者无法理解书面英语或口语英语(这项研究缺乏翻译资金)。

程序

每次会议有两名保健专业人员出席。使用PAR-Q风险评估工具筛选参与者的适宜性。如果PAR-Q结果为阳性，参与者完成ePARmed-X+ [16]评估，以确定他们是否需要转介给专业医疗人员以获得运动许可。如果参与者有资格参加研究，则进行生命体征基线筛查(心率、血压、氧饱和度)和肺活量测定(FEV1、FVC和FEV1/FVC比值)。根据最佳实务指引进行了6MWT试验[17］．接着是30分钟的休息，然后再进行第二次6米重跑。

在基线测试之后，向参与者展示了RACer-PAP，解释了该设备，并在参与者休息和运动时安装了该设备(见图2，图3,图4)．该设备在静止状态下佩戴10分钟，佩戴时受试者选择的PEEP水平在6 - 10 cm H之间₂O.在第二阶段记录参与者选择的PEEP水平，用于进一步测试。参与者被要求在可能的情况下用鼻子呼吸，但在必要时用嘴呼吸。

‎ 把这个图

‎ 把这个图

移除RACer-PAP后，立即进行肺量测定和生命体征测量，并完成“RACer-PAP静止状态”问卷。参与者被分配给他们自己的RACer-PAP鼻界面和导管，经过消毒并用于两种评估。1周后，参与者进行了生命体征和肺活量的基线测试(按照第1阶段)，然后完成了两次6MWT评估，一次是原地使用PACer-PAP，另一次没有。这些评估的顺序是随机进行的，使用计算机生成的数字，以消除任何顺序影响。第一次评估的分配被存储在一个密封的信封中，要么是6MWT, race - pap原位处于参与者确定的舒适PEEP水平，要么是6MWT，没有race - pap原位。在6MWT后立即评估生命体征和肺活量。然后，参与者休息30分钟，完成第二次6MWT，并进行肺活量测量和生命体征测量。第二份RACer-PAP问卷(关于运动的)在会议结束前完成，参与者被鼓励通过李克特量表和一个要求“任何其他意见”的开放式问题提供反馈。

‎ 把这个图

数据分析

由于这是一个小规模的可行性研究(N=15)，进行统计检验的唯一原因是确定方差和受试者内部差异的度量。人口学资料采用描述性统计分析。正态分布数据用均值(SD)描述，非正态分布数据用中位数(IQR)描述。使用双尾配对样本分析受试者内部差异的数据t测试以确定使用和不使用原地RACer-PAP的间隔或比率测量的任何差异。采用Wilcoxon符号秩检验分析非参数数据。对关于设备可接受性和舒适度的李克特量表问题的结果进行了整理，并以公开评论为主题，以寻找共性。

结果

参与者

2019年12月至2020年12月期间，奥克兰理工大学通过展示海报招募了15名参与者。15名与会者出席了第1届会议。1名与会者在第1次会议后退出(没有给出退出的原因);因此，第2次会议有14人参加。尽管由于COVID-19封锁，在数据收集过程中有18周的研究关闭期，但样本量达到了目标。作者认为，来自15名参与者样本的数据足以提供有关该设备的可行性、可用性和可接受性的有用信息[18］．参与者的基线特征见表1．

结果

表2显示了在第2阶段进行6MWT时，是否在原位进行RACer-PAP检查的结果。Wilcoxon符号秩检验显示，在原位RACer-PAP的6MWT中，最大呼吸困难显著增加，影响大小适中(r= -0.45)。在原地放置RACer-PAP的6MWT后，可见FVC显著增加(表2)．在此测试期间，测量的任何其他结果均无显著变化。

在测试期间的任何时候都没有发生不良事件，也没有参与者要求在任何时候移除RACer-PAP。参与者被要求选择自己的呼吸压力(6-10厘米高)₂15名参与者中有6人(40%)选择6 cm H₂O压，3/15参与者(20%)选择7 cm H₂O, 4/15(27%)受试者选择8 cm H₂O, 2/15参与者(13%)选择10 cm H₂O.选择的平均压力为7.3 (SD 1.4) cm H₂O。

参与者被要求在休息和运动中使用李克特量表对race - pap的效用和舒适度进行评价。结果显示在表3而且表4．

开放的评论

参与者在休息时(在第1阶段)和练习后(在第2阶段)都得到了反馈。在这两个时间点，评论都围绕3个紧急主题:设备和相关接口，设备对呼吸的影响，以及对未来使用的建议。

会话1:设备和相关接口(race - pap at Rest)

设备的重量是一个主要的主题，一些参与者描述设备的重量是不利的。建议使用更小的设备，以增强该设备的临床效用，并允许未来用户更谨慎地使用该设备。与会者还建议使用更短、体积更小的油管。少数参与者称鼻界面不舒服，导致他们的鼻子变湿。

第1场:设备对呼吸的影响(race - pap在休息时)

一些参与者评论了该设备对他们呼吸的影响。一名参与者报告说，他们的呼吸更容易了，一名参与者报告说，他们的呼吸感觉“奇怪”，导致意识增强，一名参与者报告说，休息时呼吸难以同步，还有一名参与者描述说，拆除设备导致“……持续5秒的放松感。”

第二部分:设备和相关接口(race - pap练习后)

该设备的重量再次被认为太重，可能会很麻烦，一些参与者建议使用更小的设备。参与者发现，该设备在腰部反弹，并指出提高设备的稳定性是必要的。一些参与者觉得安装了设备的皮带感觉“不平衡”，需要频繁调整。一些人认为这可能会影响呼吸或导致运动时的不适。一些评论指出，导管太长，鼻腔界面不舒服。建议在日常生活活动中使用一个更柔软、更小、更谨慎的界面。一些参与者还注意到在运动过程中与空气温度有关的轻微不适:他们感到鼻孔潮湿，眼镜发臭。

第二场:器械对呼吸的影响(运动后的race - pap)

一些参与者评论了该设备对他们运动时呼吸的影响。对一些人来说，呼吸需要增加意识和努力，尤其是在呼气阶段。一名参与者描述了在运动时鼻子呼吸困难。

进一步使用的建议

与会者的建议包括减少设备的操作噪音和使用更小、更轻的设备，以便在进行活动时更谨慎和美观。他们还建议改进接口(导管、头带和鼻接口)的便携性和灵活性将提高设备的可用性。还建议该设备应简单紧凑，以确保每个人都能独立组装和安装该设备。

讨论

这项小型研究发现，在健康人群中，使用RACer-PAP原位运动是安全、可行和可接受的。针对运动康复目的和日常活动，提供了增加设备舒适度和实用性的建议，并将使开发团队能够不断地对设备进行修改。

帮助有呼吸系统疾病的人提高运动能力，减少呼吸困难，改善生活质量是几十年来PR的重点。高质量的证据表明，公共关系是实现此类结果的基石干预措施[1]，但重度至极重度COPD患者可能难以通过PR实现足够强度的训练以改善预后[19］．在2014年进行的Cochrane综述中[4，发现在PR期间使用NIV是安全的;在一次治疗期间，它改善了运动耐力和呼吸困难，但与对照组相比，改善的证据与长期训练不太一致。目前尚不清楚运动训练中经证实的NIV的益处是否具有临床价值或成本效益[4］．Menadue等人在一篇综述中提到的研究的主要局限性[4即NIV只在运动训练中使用，而不是在正常的日常活动中。大多数设备缺乏便携性和长时间加湿的能力;这些因素也可能限制在PR期间使用NIV设备。此外，使用这些设备密切监督运动所需的成本和时间是禁止的。尽管RACer-PAP仍处于原型阶段，但它提供了克服这些限制的潜在解决方案，由于其便携性和加湿功能，可能为患者提供在社区环境中进行日常生活活动的能力。据我们所知，这在当今辅助通风市场中是独一无二的。在慢性阻塞性肺病患者人群中测试该设备之前，在健康个体中评估该设备是必要的。

我们的研究重点是评估这种新型辅助通气装置在健康人群运动中的可行性和实用性，以期将其推广到COPD人群。该设备原型之前曾被调查过，并被发现在一些人群中是安全的(包括在休息的健康人群和睡眠呼吸暂停患者中)[7，20.，但此前从未在运动中进行过测试。在这项研究中，我们观察到race - pap在休息或运动期间均未发生不良事件。在任何心血管、氧合或运动耐力测量的测试前和测试后结果之间没有显著差异。在原地放置RACer-PAP的6MWT中，参与者对自己呼吸的主观评价显著增加。虽然这种差异是适度的(博格呼吸困难量表的平均分从2到3分的变化)，但1个单位的变化代表该量表的最小临床重要差异[21］．研究团队在研究之前就已经预料到健康个体在6MWT期间使用RACer-PAP时呼吸困难评分的增加。研究团队预计，健康的参与者可能会在运动测试中感到吸气流量和呼气压力的增加不舒服。对呼吸功的感知增加也反映在参与者的主观评价中。在休息时，参与者报告该设备很舒适，尽管5/15(33%)的参与者报告休息时使用该设备呼吸“更困难”。在运动过程中，所有参与者(14/14,100%)发现使用race - pap时呼吸“更难”或“更难”，10名参与者(10/14,71%)认为他们使用race - pap时的整体运动能力“更难”或“更难”。在停止运动测试的2分钟内，所有参与者的呼吸困难分数恢复到基线水平。所有参与者都完全完成了使用RACer-PAP原型机的演习测试，没有参与者要求在测试过程中移除设备。

在慢性阻塞性肺病患者中，使用RACer-PAP可能会改善呼吸困难和感知的呼吸功。一项对氧依赖性慢性阻塞性肺病患者的研究发现，使用鼻高流量氧疗法(HFOT)增加了潮气量和呼气末肺容积，并降低了休息时的呼吸频率[22］．被认为可能导致这些变化的机制是解剖死空间的可能减少，HFOT装置的呼气末压力，以及该装置的功能是将参与者增加的流量需求与该装置提供的流量相匹配，减少气流阻力和呼吸功。我们假设RACer-PAP具有等同于湿化高流量治疗和最佳呼气末压力的潜力，可能为改善COPD患者的预后提供一个可行的选择。

有趣的是，在这项研究中，在原地使用RACer-PAP进行运动后，FVC显著增加。这并不伴随着FEV1或FEV1/FVC比值的增加。然而，使用和不使用RACer-PAP的FVC的实际平均差异仅为160 ml (95% CI 19 ml-295 ml)，这在健康成人中不太可能具有临床意义。这些数据可能是虚假的，也可能依赖于参与者技术的提高;它需要持续的评估。

慢性阻塞性肺疾病患者在运动中使用其他类型的无气道已显示吸气和呼气呼吸肌泵的卸载[23]，呼吸困难的减轻与呼吸肌卸载量成正比[24］．同样，气体交换和呼吸方式的改善[24-27已经被证明了。改善局部肌肉灌注[28减少运动引起的乳酸性酸中毒[28]已被证明在运动训练中使用NIV可导致相关的肌肉疲劳症状减轻[28，29］．我们假设RACer-PAP也可以为COPD患者提供类似的益处。

慢性阻塞性肺疾病患者在运动时发生肺部动态恶性膨胀(DH)，在前一次呼吸完全呼出之前就开始吸气，导致呼气末肺容积增加，随后吸气能力受到限制。有气流阻塞和随后的气体困住的患者呼吸时肺容量更高，需要更大的吸气力来克服弹性负荷。在运动中，呼吸频率增加，空气滞留，呼气流量限制和减少呼气时间发生。这些变化会严重致残，并导致劳力性呼吸困难。在运动中使用减少DH的策略已经被研究过，包括抿嘴呼吸、呼气正压装置和NIV。最近的一项系统回顾和荟萃分析[30.]研究了低成本呼气气道正压(EPAP)装置的使用，该装置增加呼气时的阻力，增加呼气时间，并允许改善肺部排空。虽然该研究发现EPAP没有改变DH，但有呼吸频率的降低。干预的局限性包括使用口罩作为接口，缺乏额外的吸气流量，没有加湿，EPAP水平由研究作者确定，而不是根据患者的偏好。需要注意的是，如果EPAP水平过高，DH可增加呼吸困难。由于该综述的研究数量少、方法学质量低、研究样本量小，应进一步研究EPAP对COPD患者降低DH和增加运动能力的影响。RACer-PAP为进一步研究该领域提供了一个机会，它提供了一个湿润的便携式CPAP设备，增加吸气流量，以确定对DH、劳力性呼吸困难、相关心血管血流动力学和运动能力的影响。

研究团队没有发现研究设计的局限性。与会者对原型RACer-PAP的评论强调了可行性和实用性问题。在招募之前，参与者被告知，这项初步研究的目的是在健康人的运动过程中测试RACer-PAP，目的是在对肺部疾病患者的设备进行评估之前确定该设备的舒适度和易用性。许多与会者都带着这一未来目标对该设备进行了评论。需要注意的是，所有参与者之前都没有使用过任何形式的正压装置，他们的研究体验也没有与任何其他无NIV或正压技术进行比较。与会者对未来的原型提出了以下建议:减少设备的重量和体积，减少管道的长度和尺寸，改善设备外观(包括接口)，以增加患者在离家以外进行日常生活活动时的美观性，开发一种替代腰带的方法，增加RACer-PAP设备的自我管理的便便性，开发一种替代现有鼻腔接口的方法。

根据本研究的发现，研究团队假设，在COPD患者中，使用RACer-PAP原位运动的生理效应可能减少运动诱导的呼吸困难，可能导致运动和健康相关的生活质量结果的改善。我们现在建议在一个小型试点可行性研究中考虑该设备的应用，以评估该设备在中度至重度COPD患者中的安全性、可行性和实用性。

目前的研究表明，原型赛车- pap在健康参与者的运动中使用是安全和可行的。正如与会者所强调的，对该设备的进一步修改正在进行中，并提出了评估race - pap在COPD患者中使用的可行性的研究。