Filtry do układu oddechowego

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.

Tabela 1. Mechanizmy filtracyjne

Mechanizm Skutek

Przechwytywanie

Cząsteczka przenoszona przez prąd gazu wokół włókna materiału
filtracyjnego wchodzi w kontakt z promieniem jednej cząsteczki na
powierzchni włókna i weń uderza.

Impakt
bezwładnościowy

Cząsteczka niezdolna do podążania za strumieniem gazu wokół włókna z
powodu swej bezwładności uderza we włókno.

Dyfuzja

Małe cząsteczki podlegające ruchom Browna krzyżują się z prądem gazu
zwiększając prawdopodobieństwo uderzenia we włókno.

Osadzanie
grawitacyjne

Duże cząsteczki w wolno poruszającym się gazie osiadają na włóknach
pod wpływem siły ciężkości.

Przyciąganie
elektrostatyczne

Cząsteczki posiadające ładunek elektryczny są przyciągane przez
odwrotnie naładowane włókna mocą przyciągania według prawa
Coulomba. Cząsteczki o ładunku neutralnym są przyciągane do
naładowanego włókna, gdyż pole elektryczne indukuje wokół niego
dipol, zaś cząsteczki o ładunku elektrycznym są przyciągane do
neutralnych pod wpływem indukowania na włóknach sił lustrzanych.

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.

Tabela 2. Wielkość drobnoustrojów chorobotwórczych w porównaniu z wielkością bakterii

używanych do obciążania filtrów oddechowych.

Drobnoustroje Typowa

wielkość (mm)

Bakterie Szerokość x długość

Bacillus subtilis var. niger (bakterie testowe)

0,6 x 1,1

Pseudomonas aëruginosa

0,6 x 2

Prątki gruźlicy

0,4 x 3

Gronkowce

1 x 1

Streptococcus pneumoniae

0,5 x 1

Wirusy

Średnica (wolne)

MS-2 (wirusy testowe)

0,023

Zapalenia wątroby typu B

0,042

Zapalenia wątroby typu C

0,045

HIV 0,09

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.

Tabela 3. Typowe wartości penetracji przez różne rodzaje filtrów oddechowych przy

zastosowaniu rozmaitego obciążenia. Dwa opisane rodzaje filtrów elektrostatycznych różnią

się sposobem wytwarzania. Testy wykonano przy przepływie 30 litrów na minutę.

Rodzaj filtra

Elektrostatyczny

Obciążenie

Harmonijkowy

hydrofobowy

Typ I

Typ II

Bakteriami (Bacillus subtilis var.
niger)

<0,000005 do 0,00009%

0,00012 do
0,0035%

0,053 do
0,17%

Wirusowe (MS-2)

0,00014 do 0,0047%

0,0097 do
0,085%

0,67 do
1,03%

Cząsteczki NaCl o wielkości
najłatwiej przenikającej przez filtr

0,015 do 0,68%

0,28 do 2,85% 4,5 do 11%

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.

Tabela 4. Różnice wydajności pomiędzy małymi i dużymi harmonijkowymi filtrami

hydrofobowymi, produkcji tej samej firmy i przy użyciu jednakowego materiału filtracyjnego

Parametr Filtr

mały Filtr

duży

Pojemność wewnętrzna (ml)

39

96

Powierzchnia filtrowania (cm2)

240

700

Spadek ciśnienia (Pa) przy 30 l min-1

133

75

Wydajność wilgoci (g m-1) przy objętości oddechowej 0,5
litra

17

26

Wydajność filtracyjna (penetracja [%])

dla bakterii

<0,000007*

<0,000007*

dla wirusów

0,0047

0,00092

dla cząsteczek NaCl

0,056

0,022

*Poniżej granicy wykrywalności.

Wydajność w fazie cieczy

W testach

in vitro

harmonijkowy hydrofobowy materiał filtracyjny nie

dopuszcza do przenikania cieczy, a więc i drobnoustrojów przenoszonych w fazie cieczy, jak
np. przenoszone przez krew wirusy, gdy używa się ciśnień zwykle występujących w praktyce
klinicznej. Typowa różnica ciśnień konieczna do przeciskania cieczy przez harmonijkowy
filtr hydrofobowy wynosi >10 kPa. W przeciwieństwie do tego ciecz (i zawarte w niej
drobnoustroje) udaje się przecisnąć przez materiał filtra elektrostatycznego, jeśli ciecz
utworzy warstwę pokrywającą materiał filtracyjny i wystąpi różnica ciśnień po obu stronach
filtra przekraczająca około 1,6 kPa. Ryzyko przenikania cieczy przez filtr elektrostatyczny
można zmniejszyć zwiększając jego powierzchnię i ustawiając filtr tak, by warstwa filtrująca
była ustawiona pionowo. Niemniej jednak możliwą do zastosowania powierzchnię materiału
filtracyjnego ogranicza kształt i pojemność wewnętrzna obudowy filtra. Pojemność
wewnętrzna powinna stanowić niewielki odsetek objętości oddechowej pacjenta, by nie
doszło do nadmiernego oddychania zwrotnego.

Opisane testy in vitro trwają na ogół krótko, podczas gdy w warunkach

klinicznych filtr może być w użyciu nawet przez dobę. Nie zbadano, czy zanieczyszczenia
obecne po jednej stronie materiału filtracyjnego we wczesnym okresie jego stosowania mogą
przenikać przezeń pod koniec tak długiego okresu.

Kliniczne zastosowanie filtrów oddechowych

Oddziały opieki intensywnej

Wielkie znaczenie ma zapobieganie zakażeniu dróg oddechowych u pacjentów

poddanych mechanicznemu wspomaganiu wentylacji. Powszechnie uznaje się jednak, że za
większość przypadków "respiratorowego" zapalenia płuc odpowiedzialna jest własna flora
bakteryjna pacjenta. Jest zatem mało prawdopodobne, by stosowanie filtrów oddechowych
zmniejszało częstość tego powikłania. Gazy podawane pacjentowi z gazociągów lub butli
powinny być wolne od drobnoustrojów i nie powinny wymagać dodatkowego filtrowania.
Filtry mogą natomiast redukować zanieczyszczenie powierzchni wokół wylotu gazów
oddechowych.

Prowadzenie anestezji

Rutynowe stosowanie filtrów oddechowych teoretycznie zmniejsza ryzyko

zakażenia krzyżowego, gdy układ oddechowy stosuje się u wielu pacjentów. Jak dotąd nie
udowodniono, by korzystanie z filtrów zmniejszało częstość zakażeń wewnątrzszpitalnych,
choć wiadomo, że filtry zapobiegają bakteryjnemu zakażeniu wewnętrznych powierzchni
układu oddechowego. W układzie okrężnym może się gromadzić skondensowana para wodna
i może ona ulec przeniesieniu do dróg oddechowych innego pacjenta. Stosowanie właściwych
filtrów mogłoby zmniejszyć takie ryzyko.

Zagrożenia i powikłania związane ze stosowaniem filtrów oddechowych

Stosowanie filtrów nie jest wolne od pewnych zagrożeń. Zwiększają one

całkowity opór dla przepływu gazów i pracę oddychania. Mogą zaburzać zmianę fazy
oddechowej w niektórych respiratorach. Umieszczona w łączniku Y obudowa filtra zwiększa
przestrzeń martwą, wobec czego utrzymanie dostatecznej wentylacji pęcherzykowej wymaga
zwiększenia wentylacji całkowitej, przez co narasta szczytowe ciśnienie pęcherzykowe.
Opisuje się też blokowanie filtrów przez wodę, wydzielinę, środki podawane wziewnie, jak i
w rezultacie wad produkcyjnych.

Ważne informacje

1. Istotne jest przenoszenie zanieczyszczeń tak w fazie gazowej, jak i w cieczy, przy

czym ta ostatnia droga nabiera szczególnego znaczenia w układzie okrężnym.

2. Harmonijkowe filtry hydrofobowe mają w zasadzie lepszą wydajność w stosunku do

zanieczyszczeń przenoszonych w fazie gazowej niż filtry elektrostatyczne.

3. Harmonijkowe filtry hydrofobowe zapobiegają przenoszeniu zanieczyszczeń w fazie

cieczowej; zdolność filtrów elektrostatycznych do zapobiegania przenoszeniu
zanieczyszczeń w fazie cieczowej zależy od objętości cieczy, powierzchni filtrowania
oraz ustawienia materiału filtracyjnego podczas pracy.

4. Ponieważ skuteczność zależy od wielkości filtra, należy stosować urządzenia o

pojemności wewnętrznej zachowującej odpowiedni stosunek do objętości oddechowej
pacjenta.

5. Filtry zwiększają opór dla przepływu gazów oraz przestrzeń martwą; mogą też

utrudniać wentylację w razie ich zablokowania.

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