FILTRY W UKŁADACH ODDECHOWYCH.doc

FILTRY W UKŁADACH ODDECHOWYCH

Ostatnia modyfikacja 2005r.

źródło: Wilkes A.R. Breathing system filters. BJM CEPD,2002;2:151-154.

Intubacja sprawia, że wdychane powietrze nie ulega w jamie nosowo-gardłowej prawidłowemu nagrzaniu, nawilżeniu i odfiltrowaniu zanieczyszczeń. Filtry oddechowe mają zastępować oczyszczającą funkcję jamy nosowo-gardłowej, a także ogrzać i nawilżyć wdychane powietrze. Filtry zmniejszają ryzyko zakażenia wewnętrznej powierzchni układu oddechowego, sprzętu i otoczenia przez drobnoustroje wydostające się z dróg oddechowych pacjenta.

Zastosowanie filtrów oddechowych w rurce Y, zapewniających zarówno filtrację, jak i nawilżanie, opisano po raz pierwszy w r. 1984, choć już dawniej znano filtry związane bezpośrednio z respiratorami. Obecnie dostępna jest na rynku duża różnorodność filtrów, wytwarzanych przez wiele firm. Wiele fachowych zespołów zaleca rutynowe stosowanie filtrów, zwłaszcza gdy aparatura oddechowa jest stosowana u wielu pacjentów.

Zmniejszanie ryzyka zakażenia krzyżowego

Zastosowanie filtrów jest tylko jednym ze sposobów zmniejszania ryzyka zakażenia krzyżowego w trakcie znieczulenia czy prowadzenia intensywnej terapii. Dla przykładu, podczas zabiegów inwazyjnych może dochodzić do zanieczyszczenia florą bakteryjną za pośrednictwem rąk i rękawiczek anestezjologa. Jeśli natychmiast po zabiegu nie zdejmie się rękawiczek lub nie umyje dokładnie rąk, zostanie tą droga zanieczyszczony cały sprzęt (w tym układ oddechowy) i wszystkie dotknięte powierzchnie. Jeśli tak zanieczyszczonego sprzętu nie oczyści się dokładnie po każdym użyciu, a trzeba pamiętać, że zwykłe metody oczyszczania nie usuwają wszelkich zanieczyszczeń, materiał zakaźny ulega przeniesieniu przez rękawiczki lub ręce na kolejnego pacjenta.

Bakteryjne zanieczyszczenie wnętrza układu oddechowego może prowadzić do zakażenia krzyżowego, a filtry oddechowe zagrożenie takie zmniejszają. Drobnoustroje obecne w wydzielinie dróg oddechowych i we krwi mogą się szerzyć drogą gazów i płynów. Gdy chodzi o drogę gazową, zawierający drobnoustroje aerozol z kropelek plwociny jest wyrzucany w trakcie wydechu pacjenta i pozostaje w stanie dyspersji w strumieniu gazów. Typowa wielkość kropelek, które pozostają zawieszone w gazach i są najgroźniejsze dla pęcherzyków płucnych, wynosi 1-5 mg. Ta droga zakażenia jest ważna dla szerzenia się takich chorób, jak gruźlica i grypa. Droga przenoszenia w środowisku płynnym wiąże się z przepływaniem wydzieliny z dróg oddechowych pacjenta do układu oddechowego. Jeśli w trakcie intubacji doszło do uszkodzenia tkanek lub przedtem doznany uraz doprowadził do krwawienia, w wydzielinie tej mogą się znajdować wirusy obecne we krwi, np. zapalenia wątroby B lub C albo HIV. U osób z vCJD stwierdza się obecność prionów w tkance nerwowej i limfatycznej, jest więc mało prawdopodobne, by występowały one w plwocinie, nawet podbarwionej krwią.

Niezależnie od drogi przenoszenia główną przyczyną zanieczyszczenia układu oddechowego jest kaszel. Przy zwykłym, spokojnym oddychaniu z dróg oddechowych wydostaje się bardzo niewiele kropelek wydzieliny. Podczas kaszlu wielkość wyrzucanych na zewnątrz kropelek zależy od siły kaszlu - silniejszy wiąże się z wytwarzaniem drobniejszych kropelek, które mogą pozostawać zawieszone w strumieniu gazu. Miano drobnoustrojów w plwocinie i we krwi rzadko przekracza 107 na ml-1.Typowe kaszlnięcie powoduje wyrzucenie kropelek o łącznej objętości około 2 x 10-7 ml. Oznacza to, że w takiej porcji może się znaleźć tylko kilka kropelek niosących zakażenie. W przeciwieństwie do tego 0,2 ml wydzieliny trafiającej do układu oddechowego może już zawierać miliony razy więcej drobnoustrojów niż kropelki wyrzucane podczas kaszlu.

Do kaszlu dochodzi podczas intubacji, ekstubacji czy wdychania drażniących środków anestetycznych. Palacze kaszlą częściej niż niepalący. W miarę możności trzeba unikać wzbudzania kaszlu, zatem i potencjalnego zanieczyszczania układu oddechowego.

Stosowanie filtrów oddechowych

W układach oddechowych, jakie znajdują zastosowanie w opiece intensywnej, jak i w "otwartych" układach oddechowych stosowanych podczas anestezji, gazy wdechowe są oddzielone od wydechowych, choć w tym ostatnim przypadku na części przebiegu gazy te się ze sobą mieszają. W takiej sytuacji drobnoustroje wydychane przez jednego pacjenta zapewne nie trafią do innego, gdy zastosuje się u niego ten sam układ oddechowy, natomiast pożądane jest zapobieganie uwalnianiu zarazków do powietrza otaczającego. W przeciwieństwie do tego w okrężnych układach oddechowych wydychany gaz po usunięciu zeń dwutlenku węgla powraca do pacjenta ; w tych układach możliwe jest przeniesienie drobnoustrojów od jednego pacjenta do innego. W okrężnym układzie oddechowym następuje kondensacja pary wodnej powstającej w toku reakcji z wapnem sodowanym, a także zawartej w gazach wydechowych. Wówczas do dróg oddechowych pacjenta może się przedostawać skroplona woda zawierająca drobnoustroje.

Zmniejszanie zanieczyszczenia przenoszonego w fazie gazowej

Materiał filtracyjny może zredukować przechodzenie zawieszonych w gazie cząstek na 5 sposobów (tab. 1). Skuteczność tych mechanizmów zależy, obok innych parametrów, od wielkości tych cząstek. Bez względu na rodzaj materiału filtracyjnego istnieje pewna wielkość cząsteczek, które najłatwiej przezeń przechodzą; średnicę tych cząstek nazywa się "wielkością najbardziej przenikalną" a zwykle wynosi ona 0d 0,05 do 0,5 mm. W przypadku cząsteczek o średnicy bliskiej najbardziej przenikalnej najważniejsze są dwa mechanizmy filtracji, a mianowicie dyfuzja i przechwytywanie. Cząsteczki o średnicy większej od najbardziej przenikalnej są przechwytywane bezpośrednio przez włókna materiału filtracyjnego. Cząsteczki ?0,1 mm są poddawane silnym ruchom Browna, wskutek czego w sposób przypadkowy przemierzają znacznie większe odległości niż powierzchnia ich przekroju, mogą więc być stosunkowo łatwo wychwytywane przez materiał filtracyjny. Cząsteczki o wielkości najbardziej przenikalnej są zbyt małe, by łatwo dochodziło do ich bezpośredniego przechwycenia, zbyt duże zaś, by podlegać ruchom brownowskim.

Zmniejszanie zanieczyszczenia przenoszonego w fazie cieczy

Przenikaniu cieczy zapobiega umieszczenie w filtrze warstwy hydrofobowej, co uniemożliwia wnikanie wodnego roztworu do materiału filtracyjnego. Ciecz trafiająca do obudowy filtra może mieć bardzo różną lepkość. Szczególnie lepka bywa wydzielina dróg oddechowych u pacjentów niedostatecznie nawilżanych w trakcie długotrwałego mechanicznego wspomagania oddychania; wtedy wydzielina może przywierać do materiału filtracyjnego u uniemożliwiać właściwą wentylację.

Rodzaje filtrów oddechowych

Systemy filtrujące opisane po raz pierwszy w r. 1084 zawierają warstwę włókien ceramicznych związanych z gumą. Włókna te są ułożone gęsto, co stwarza znaczny opór dla przepływu gazów w stosunku do powierzchni. Opór ten można zredukować zwiększając powierzchnię wspomnianej warstwy. W związku z tym warstwa ta ułożona jest w postaci harmonijki, by można ją było zmieścić w obudowie o niezbyt dużej objętości wewnętrznej. Właściwości hydrofobowe warstwy uniemożliwiają z zwykłych warunkach nasiąkanie jej wodą.

Filtry elektrostatyczne

Filtry oddechowe zawierające elektrostatyczny materiał filtracyjny pojawiły się na rynku pod koniec lat osiemdziesiątych. Jedną z odmian takiego materiału jest warstwa polipropylenu, na której w procesie produkcji umieszcza się trwały ładunek elektrostatyczny. Następnie warstwę tę rozdziela się na włókna, które następnie ściska się tworząc wkład.Taki materiał filtracyjny nosi nazwę Electret. Produkuje się też inne rodzaje filtrów elektrostatycznych. Zagęszczenie włókien jest w nich mniejsze niż włókien ceramicznych z warstwą gumy, dzięki czemu zmniejsza się opór dla przepływu gazu na jednostkę powierzchni. Zmniejsza się też usuwanie przez takie filtry cząstek stałych na drodze bezpośredniego wychwytywania, aczkolwiek ładunek elektrostatyczny poprawia skuteczność odkładania się cząstek na włóknach (tab. 1). Ten materiał filtracyjny nie wymaga zatem składania harmonijkowego i warstwa filtrująca jest zwykle płaska.

Filtry kombinowane oraz wymienniki ciepła i wilgoci

Wiele filtrów zawiera też warstwę spełniającą funkcję wymiennika ciepła i wilgoci; zatrzymuje ona część wilgoci i ciepła wydychanych gazów i oddaje je podczas kolejnego wdechu.

Wydajność filtra

Wydajność w fazie gazowej

Wydajność filtrowania wyraża się jako penetrację (liczbę cząsteczek przechodzących przez filtr jako odsetek liczby cząsteczek go obciążających) lub jako skuteczność, tj. [100 - penetracja]%.

Wydajność filtra można określić poddając go obciążeniu aerozolem złożonym z kropelek zawierających bakterie, wirusy lub cząsteczki nieorganiczne (np. chlorek sodu). Korzysta się przy tym z obciążenia drobnoustrojami większego niż zwykle występujące w warunkach klinicznych, tak że w jednej próbie można naśladować wszystkie sytuacje, na jakie może napotkać filtr stosowany u pacjenta. Typowe obciążenie mikrobiologiczne polega na zastosowaniu aerozolu zawierającego ponad 107 drobnoustrojów. Zastosowane w tym celu drobnoustroje muszą być wytrzymałe (by nie uległy zniszczeniu podczas nebulizacji) i funkcjonowały jako cząsteczki, wtedy bowiem można określić wydajność filtra na podstawie obliczenia ich ilości, jaka przenika przez filtr. Bakterie są na ogół większe niż większość cząsteczek trafiających do filtra, wirusy zaś są zwykle mniejsze niż te cząsteczki (tab. 2), choć kropelki z zawartością wirusów są na ogół większe, ponieważ wirusy raczej przywierają do resztek tkankowych, nie zaś występują samodzielnie.

Wirusy rzadko występują poza resztkami tkankowymi i innymi ciałami stałymi (jak np. roztwory substancji odżywczych), co zwiększa ich efektywną wielkość. Wielkość cząsteczek najłatwiej przenikających przez filtr wynosi zwykle 0,05-0,5mm.

Mogą jednak być wytwarzane cząsteczki chlorku sodu o wielkości zbliżonej do najłatwiej przenikających przez filtr. Z tego względu wydajność filtra oceniana przy użyciu cząsteczek chlorku sodu może dostarczać wartości najmniej korzystnych. Metodę taką przyjęto jako Normę Europejską, gdyż można wtedy dokładnie określić wielkość i liczbę cząsteczek, co pozwala na pomiar wydajności filtracyjnej innych urządzeń. Część 1 normy określa testową metodę pomiaru wydajności filtra (ale nie wyznacza stopnia, do jakiego zalicza się badany filtr). W części 2 wymienia się testy i wymagania dotyczące innych właściwości filtra (spadek ciśnienia, pojemność wewnętrzna, łączniki, oznakowanie itp.).

Ogólnie biorąc harmonijkowe filtry hydrofobowe obniżają przekazywanie w fazie gazowej bakterii, wirusów i cząsteczek chlorku sodu skuteczniej niż filtry elektrostatyczne (tab. 3). W trakcie testów in vitro większość harmonijkowych filtrów hydrofobowych skutecznie uniemożliwia przenikanie wszystkich bakterii przez materiał filtracyjny.

Skuteczność filtracji zwiększa zagęszczenie włókien oraz głębokość, na jaką ułożony jest materiał filtracyjny. Skuteczność filtracji zależy też od face velocity, czyli objętości przepływu na jednostkę powierzchni materiału filtracyjnego. Opór dla przepływu gazu zmienia się też wraz z powierzchnią filtra, tak że filtr o większej powierzchni może się cechować mniejszym oporem dla przepływu gazu lub skuteczniejszym (gęstszym lub grubiej ułożonym) materiałem filtracyjnym o podobnej oporności jak w filtrze o mniejszej powierzchni. Na ogół zatem większe filtry dysponują lepszą skutecznością filtracji niż mniejsze (tab. 4). Ważne jest jednak odnotowanie, iż nie zbadano dotąd klinicznego znaczenia różnic w skuteczności filtrowania przez rozmaite rodzaje filtrów.