Respiratorinnstillinger

Trykk- og volumkontrollert ventilasjon ved varierende compliance og resistans.

Laster modellen…

Modellen

Hele simuleringen er én eneste likning, den som hver respirator implisitt løser: bevegelseslikningen for en lineær motstandsbelastet elastisk beholder. Tre ledd, tre avlesbare størrelser — PEEP-leddet er basen, det elastiske leddet er compliance, og det resistive leddet er det eneste som forsvinner når flowen blir null. Platåtrykket er derfor bevegelseslikningen ved nullflow og topptrykket den samme likningen ved flow, og forskjellen mellom dem ER det resistive leddet, målt i cmH₂O og ikke resonnert fram. Inertansen er utelatt: den bidrar med under 1 cmH₂O ved de flowakselerasjonene en respirator får til.

I volumkontroll leveres tidalvolumet med konstant flow, en firkantbølge. Det er den bølgeformen okklusjonsteknikken i litteraturen hviler på — Broseghini, Pelosi og Leatherman måler alle med constant-flow inflation — og den eneste der topptrykk minus platåtrykk er nøyaktig R · flowen i stedet for R · sluttflowen. En desellererende bølgeform ville gjort avlesningen omtrentlig og poenget uklart.

I trykkontroll holdes luftveistrykket ved måltrykket fra første millisekund, og volumet fylles på eksponentielt med tidskonstanten τ = R · C. Det er TRYKKET som garanteres og volumet som varierer; i volumkontroll motsatt. Den samme compliance-senkningen som hever platåtrykket i volumkontroll, senker i stedet tidalvolumet i trykkontroll, uten at et eneste tall på respiratorens trykkrad beveger seg — den klinisk farligste forskjellen mellom stillingene, og den synes bare dersom begge finnes. Resistansen forsvinner her helt ut av trykkurven og synes utelukkende i helningen på flowkurven.

Utåndingen er passiv og monoeksponentiell med samme τ. Ved steady state starter hvert åndedrag fra det volumet forrige åndedrag ikke rakk å tømme, og volumbalansen gir det innestengte volumet som V_T · k/(1 − k) med k = e^(−T_E/τ). Den geometriske formen og ikke ettleddsformen V_T · k er den riktige: stablingen akkumuleres over åndedrag til likevekt, og ved T_E/τ = 1 skiller de 37 % mot 58 % av tidalvolumet. Auto-PEEP er det innestengte volumet delt på compliancen. I trykkontroll er tidalvolum og stabling gjensidig avhengige og løses numerisk.

Mekanisk effekt regnes ved numerisk integrasjon av inspirasjonen og ikke ut fra Gattinonis lukkede form. Den lukkede formen forutsetter konstant flow og setter inn innstilt PEEP i PEEP-leddet, noe som gjør den feil både i trykkontroll og når det finnes auto-PEEP: ved KOLS-forvalget gir integralet 23,3 J/min og den lukkede formen 19,3. Effekten normeres per kg predicted body weight, siden det er i den formen Costa m.fl. rapporterer den. Alveolær ventilasjon regnes med et anatomisk dødrom på 2,2 ml/kg PBW — med hensikt det anatomiske, siden det fysiologiske krever PaCO₂ og utåndet CO₂ som modellen ikke har.

P_aw(t) = PEEP_tot + V(t)/C_rs + R_aw · V̇(t)Volumkontroll: P_platå = PEEP_tot + V_T/C_rs, P_topp = P_platå + R_aw · V_T/T_iTrykkontroll: V_T = C_rs · ΔP_eff · (1 − e^(−T_i/τ)), ΔP_eff = ΔP_insp − PEEP_iτ = R_aw · C_rs, k = e^(−T_E/τ), T_E = 60/RR − T_iV_innestengt = V_T · k/(1 − k), PEEP_i = V_innestengt/C_rs, PEEP_tot = PEEP_set + PEEP_iΔP (driving pressure) = P_platå − PEEP_tot = V_T/C_rsMP = 0,098 · RR · ∫ P_aw · V̇ dt [J/min]V_A = RR · (V_T − V_D), V_D = 2,2 ml/kg PBWPBW = 45,5 + 0,91 · (høyde_cm − 152,4) for kvinner, 50 + 0,91 · (høyde_cm − 152,4) for menn

Tips

  • Ta Status asthmaticus og les de to øverste avlesningene. Topptrykket er 65,8 cmH₂O og platåtrykket 18,3 — alarmen går på et tall alveolene aldri ser. Dra deretter ned Resistans og se topptrykket falle mens platåtrykket står igjen.
  • Veksle mellom ARDS, 6 ml/kg og ARDS, 12 ml/kg — den gamle ventilasjonen. Samme lunge, samme minuttventilasjon på 10,1 l/min i begge — men driving pressure går fra 12,7 til 25,5 cmH₂O. Det er hele ARDSNet-studien i ett tastetrykk.
  • Ta KOLS-eksaserbasjon, ventilert for raskt og se på flowkurven: den ekspiratoriske kurven rekker ikke tilbake til null før neste åndedrag begynner. Dra deretter ned Respirasjonsfrekvens fra 24 til 15 og se auto-PEEP falle fra 3,9 til 1,1 cmH₂O.
  • Slå på Trykkontroll og dra i Compliance. I volumkontroll steg platåtrykket; her står hvert trykk stille, og det er tidalvolumet som faller i stedet. Ikke et eneste tall på respiratorens trykkrad beveger seg.
  • Dra i Predicted body weight uten å røre noe annet. Antallet milliliter står stille mens ml/kg flytter seg — og 6 ml/kg er den eneste respiratorinnstillingen som aldri får regnes på målt vekt.
  • Slå av Inspiratorisk pause. Platåtrykket forsvinner ut av kurven, men står igjen i avlesningen, siden det regnes ut av bevegelseslikningen ved nullflow. Ved sengekanten må du gjøre manøveren for å få tallet.

Forenklinger. Modellen har ett kompartment, én compliance og én resistans, begge konstante gjennom hele åndedraget. Derfor finnes ingen tidal rekruttering, ingen overdistensjon, ingen infleksjonspunkter og ingen hysterese, og stressindeksen kan ikke skille seg fra 1. Følgen er at det beste PEEP-nivået ikke lar seg finne her: å heve PEEP hever bare hvert trykk og aldri compliancen, fordi modellen ikke har noen kollapset lunge å åpne. Det er den tyngste begrensningen, og den gjelder hver eneste slutning om PEEP. Modellen mangler også spredning i tidskonstanter og pendelluft, og — tyngre — dens ekspirasjon er monoeksponentiell med samme τ = R · C som inspirasjonen, regnet på den inspiratoriske resistansen. En slik lunge kan ikke være flowbegrenset, og flowbegrensning ER mekanismen ved alvorlig astma og KOLS: ekspirasjonsflowen settes der av luftveier som kollapser under sitt eget transmurale trykk, ikke av det gjenværende volumet. Auto-PEEP og platåtrykk blir derfor riktige i retning, men kvantitativt for lave, og undervurderingen vokser jo lengre ekspirasjonen tillates å bli. Ved KOLS-innstillingene til Roesthuis mfl. gir modellen omkring 1 cmH₂O der de målte 9 ± 3. Astmaforvalget ER Leathermans tolv pasienter, og der ligger modellens platåtrykk på 18,3 cmH₂O fem under deres målte 23,3 ± 2,6, med auto-PEEP 0,40 mot de omkring 5,3 som platået deres impliserer ved samme compliance; den endeekspiratoriske flowen blir 11,5 ml/s mot deres 38,6. Topptrykket og tidalvolumet treffer modellen derimot: 65,8 mot 66,4 ± 9,5 cmH₂O. Frekvenssenkningen de gjorde, reproduseres ikke. Da de gikk fra 18 til 12 åndedrag/min, falt platåtrykket 2,1 cmH₂O, og modellen gir 1,3; da de gikk videre fra 12 til 6, falt det ytterligere 2,0 mens modellen gir 0,4, fordi en eksponentiell ekspirasjon da allerede er ferdig og en flowbegrenset ikke er det. Under 12 åndedrag/min er modellens kurve i praksis flat, og en forlenget ekspirasjon gir der mindre enn den gjør hos en virkelig pasient. En egen, høyere ekspiratorisk resistans retter ikke opp i det: den som treffer Leathermans platå ved 12 åndedrag/min gir 29,6 cmH₂O ved 18 og 18,8 ved 6, altså feil i begge retninger, og hans egne sluttflower impliserer to ulike tidskonstanter over de to trinnene — feilen sitter i eksponentialformen og ikke i konstantens verdi. Les auto-PEEP og platåtrykk ved alvorlig obstruksjon som en retning, ikke som en måleverdi. Modellen har ingen luftveislukning — alle enheter kommuniserer alltid med luftveisåpningen, mens Leatherman og Ravenscraft viste at målt auto-PEEP kan være 5 ± 3 cmH₂O i en kraftig hyperinflatert lunge — så den viser det optimistiske tilfellet. Det innestengte volumet klemmes ved 3,6 liter over FRC, det høyeste volumet Tuxen og Lane målte hos mennesker; slår taket inn, sier figuren det rett ut, og avlesningene er da et alarmsignal og ikke måleverdier. Modellen har ingen brystvegg, intet pleuratrykk og ingen øsofagusballong: alt som vises er luftveistrykk, og transpulmonalt trykk, lungestress og strain ligger utenfor den. Det er nettopp derfor fedmeforvalget ser farlig ut og kanskje ikke er det, og hvorfor en normal brystvegg med lav compliance kan skades langt under 30 cmH₂O. Modellen har ingen gassutveksling — ingen PaO₂, ingen PaCO₂, ingen shunt, ingen V/Q-fordeling. Dødrommet antas anatomisk, 2,2 ml/kg PBW, mens det fysiologiske ved ARDS er langt større; Nuckton mfl. fant V_D/V_T 0,58 tidlig i forløpet, så den alveolære ventilasjonen er for optimistisk hos nettopp de pasientene der den betyr mest. Modellen har ingen hemodynamikk: den hypotensjonen Tuxens pasienter fikk ved høye lungevolum, finnes ikke, uansett hvor høyt VEI går. Pasienten er sedert og relaksert gjennom hele modellen — ingen egenrespirasjon, ingen trigging, ingen asynkroni, ingen trykkstøtte — og hver måleverdi de siterte kildene bygger på, er tatt med okklusjonsteknikk under relaksasjon. Det finnes ingen lekkasje, ingen tubekompensasjon, ingen fukter og ingen slangecompliance, selv om en virkelig krets svelger 2–4 ml per cmH₂O; ingen inertans, ingen gasskompresjon og ingen BTPS-korreksjon. Det inspiratoriske oppholdet tegnes som en målemanøver på ett åndedrag og forkorter derfor ikke ekspirasjonstiden i regnestykket, slik et opphold på hvert åndedrag ville ha gjort. Grensene som tegnes — platåtrykk 30, driving pressure 15, mekanisk effekt omkring 17 J/min, VEI 20 ml/kg — kommer fra kohorter i bestemte populasjoner og er ingen fysiologiske konstanter; Amatos 15 kommer fra en medieringsanalyse av ni randomiserte studier og ikke fra en randomisert sammenligning av ΔP-mål, og Costa mfl. viste at en modell med bare driving pressure og frekvens forutsa mortalitet like godt som hele effektligningen. Og modellen vet ikke hvilken diagnose pasienten har: at compliancen er 34 sier ikke om det er ARDS, fedme eller hyperinflasjon.

Modellen bygger på

  • Acute Respiratory Distress Syndrome Network. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000;342:1301-8.
  • Amato MBP m.fl. Driving pressure and survival in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2015;372:747-55.
  • Gattinoni L m.fl. Ventilator-related causes of lung injury: the mechanical power. Intensive Care Med 2016;42:1567-75.
  • Costa ELV m.fl. Ventilatory variables and mechanical power in patients with acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med 2021;204:303-11.
  • Pepe PE, Marini JJ. Occult positive end-expiratory pressure in mechanically ventilated patients with airflow obstruction: the auto-PEEP effect. Am Rev Respir Dis 1982;126:166-70.
  • Tuxen DV, Lane S. The effects of ventilatory pattern on hyperinflation, airway pressures, and circulation in mechanical ventilation of patients with severe air-flow obstruction. Am Rev Respir Dis 1987;136:872-9.
  • Broseghini C m.fl. Respiratory mechanics during the first day of mechanical ventilation in patients with pulmonary edema and chronic airway obstruction. Am Rev Respir Dis 1988;138:355-61.
  • Williams TJ, Tuxen DV m.fl. Risk factors for morbidity in mechanically ventilated patients with acute severe asthma. Am Rev Respir Dis 1992;146:607-15.
  • Leatherman JW, Ravenscraft SA. Low measured auto-positive end-expiratory pressure during mechanical ventilation of patients with severe asthma: hidden auto-PEEP. Crit Care Med 1996;24:541-6.
  • Leatherman JW, McArthur C, Shapiro RS. Effect of prolongation of expiratory time on dynamic hyperinflation in mechanically ventilated patients with severe asthma. Crit Care Med 2004;32:1542-5.
  • Pelosi P m.fl. Respiratory system mechanics in sedated, paralyzed, morbidly obese patients. J Appl Physiol 1997;82:811-8.
  • Pelosi P m.fl. The effects of body mass on lung volumes, respiratory mechanics, and gas exchange during general anesthesia. Anesth Analg 1998;87:654-60.
  • Roesthuis LH m.fl. Three bedside techniques to quantify dynamic pulmonary hyperinflation in mechanically ventilated patients with chronic obstructive pulmonary disease. Ann Intensive Care 2021;11:167.
  • Talmor D m.fl. Mechanical ventilation guided by esophageal pressure in acute lung injury. N Engl J Med 2008;359:2095-104.
  • Chiumello D m.fl. Airway driving pressure and lung stress in ARDS patients. Crit Care 2016;20:276.
  • Flevari AG m.fl. Rohrer's constant, K2, as a factor of determining inspiratory resistance of common adult endotracheal tubes. Anaesth Intensive Care 2011;39:410-7.
  • Nuckton TJ m.fl. Pulmonary dead-space fraction as a risk factor for death in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2002;346:1281-6.
  • Bellani G m.fl. Epidemiology, patterns of care, and mortality for patients with acute respiratory distress syndrome in intensive care units in 50 countries (LUNG SAFE). JAMA 2016;315:788-800.