Ventilatorindstillinger

Tryk- og volumenkontrolleret ventilation ved varierende compliance og resistans.

Indlæser modellen…

Modellen

Hele simuleringen er én eneste ligning, den som enhver ventilator implicit løser: bevægelsesligningen for en lineær, modstandsbelastet elastisk beholder. Tre led, tre aflæselige størrelser — PEEP-leddet er basen, det elastiske led er compliance, og det resistive led er det eneste, der forsvinder, når flowet bliver nul. Plateautrykket er derfor bevægelsesligningen ved nulflow og spidstrykket den samme ligning ved flow, og forskellen mellem dem ER det resistive led, målt i cmH₂O og ikke ræsonneret frem. Inertansen udelades: den bidrager med under 1 cmH₂O ved de flowaccelerationer, en ventilator frembringer.

I volumenkontrol leveres tidalvolumen med konstant flow, en firkantbølge. Det er den kurveform, okklusionsteknikken i litteraturen hviler på — Broseghini, Pelosi og Leatherman måler alle med constant-flow inflation — og den eneste, hvor spidstryk minus plateautryk er præcis R · flowet i stedet for R · slutflowet. En decelererende kurveform ville have gjort aflæsningen omtrentlig og pointen sløret.

I trykkontrol holdes luftvejstrykket ved måltrykket fra første millisekund, og volumenet fyldes op eksponentielt med tidskonstanten τ = R · C. Det er TRYKKET, der garanteres, og volumenet, der varierer; i volumenkontrol omvendt. Den samme sænkning af compliance, der hæver plateautrykket i volumenkontrol, sænker i stedet tidalvolumen i trykkontrol, uden at et eneste tal på ventilatorens trykrække rører sig — den klinisk farligste forskel mellem indstillingerne, og den ses kun, hvis begge findes. Resistansen forsvinder her helt ud af trykkurven og ses udelukkende i flowkurvens hældning.

Udåndingen er passiv og monoeksponentiel med samme τ. Ved steady state starter hvert åndedrag fra det volumen, det foregående åndedrag ikke nåede at tømme, og volumenbalancen giver det indespærrede volumen som V_T · k/(1 − k) med k = e^(−T_E/τ). Den geometriske form og ikke étbåndsformen V_T · k er den rigtige: luftfangsten akkumuleres over åndedrag indtil ligevægt, og ved T_E/τ = 1 adskiller de sig med 37 % mod 58 % af tidalvolumen. Auto-PEEP er det indespærrede volumen divideret med compliancen. I trykkontrol er tidalvolumen og luftfangst gensidigt afhængige og løses numerisk.

Mekanisk effekt beregnes ved numerisk integration af inspirationen og ikke ud fra Gattinonis lukkede form. Den lukkede form forudsætter konstant flow og indsætter indstillet PEEP i PEEP-leddet, hvilket gør den forkert både i trykkontrol og når der er auto-PEEP: ved KOL-forvalget giver integralet 23,3 J/min og den lukkede form 19,3. Effekten normeres pr. kg predicted body weight, fordi det er i den form, Costa m.fl. rapporterer den. Alveolær ventilation beregnes med et anatomisk dødrum på 2,2 ml/kg PBW — bevidst det anatomiske, fordi det fysiologiske kræver PaCO₂ og udåndet CO₂, som modellen ikke har.

P_aw(t) = PEEP_tot + V(t)/C_rs + R_aw · V̇(t)Volumenkontrol: P_plateau = PEEP_tot + V_T/C_rs, P_spids = P_plateau + R_aw · V_T/T_iTrykkontrol: 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_indespærret = V_T · k/(1 − k), PEEP_i = V_indespærret/C_rs, PEEP_tot = PEEP_set + PEEP_iΔP (driving pressure) = P_plateau − 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 · (højde_cm − 152,4) for kvinder, 50 + 0,91 · (højde_cm − 152,4) for mænd

Tips

  • Tag Status asthmaticus og læs de to øverste aflæsninger. Spidstrykket er 65,8 cmH₂O og plateautrykket 18,3 — alarmen går på et tal, alveolerne aldrig ser. Træk derefter Resistans ned, og se spidstrykket falde, mens plateautrykket bliver stående.
  • Skift mellem ARDS, 6 ml/kg og ARDS, 12 ml/kg — den gamle ventilation. Samme lunge, samme minutventilation på 10,1 l/min i begge — men driving pressure går fra 12,7 til 25,5 cmH₂O. Det er hele ARDSNet-studiet i ét tryk på en knap.
  • Tag KOL-eksacerbation, ventileret for hurtigt, og se på flowkurven: den eksspiratoriske kurve når ikke tilbage til nul, før næste åndedrag begynder. Træk derefter Respirationsfrekvens ned fra 24 til 15, og se auto-PEEP falde fra 3,9 til 1,1 cmH₂O.
  • Slå Trykkontrol til og træk i Compliance. I volumenkontrol steg plateautrykket; her står hvert tryk stille, og det er tidalvolumen, der falder i stedet. Ikke et eneste tal på ventilatorens trykrække rører sig.
  • Træk i Predicted body weight uden at røre noget andet. Antallet af milliliter står stille, mens ml/kg flytter sig — og 6 ml/kg er den eneste ventilatorindstilling, der aldrig må regnes på målt vægt.
  • Slå Inspiratorisk pause fra. Plateautrykket forsvinder ud af kurven, men bliver stående i aflæsningen, fordi det beregnes ud fra bevægelsesligningen ved nulflow. Ved sengen skal du udføre manøvren for at få tallet.

Forenklinger. Modellen har ét kompartment, én compliance og én resistans, begge konstante gennem hele åndedraget. Derfor findes ingen tidal rekruttering, ingen overdistension, ingen inflektionspunkter og ingen hysterese, og stressindekset kan ikke afvige fra 1. Følgen er, at det bedste PEEP-niveau ikke kan findes her: at hæve PEEP hæver kun hvert tryk og aldrig compliancen, fordi modellen ikke har nogen kollaberet lunge at åbne. Det er den tungeste begrænsning, og den gælder hver eneste slutning om PEEP. Modellen mangler også spredning i tidskonstanter og pendelluft, og — tungere — dens ekspiration er monoeksponentiel med samme τ = R · C som inspirationen, regnet på den inspiratoriske resistans. En sådan lunge kan ikke være flowbegrænset, og flowbegrænsning ER mekanismen ved svær astma og KOL: ekspirationsflowet sættes dér af luftveje, der kollaberer under deres eget transmurale tryk, ikke af det resterende volumen. Auto-PEEP og plateautryk bliver derfor rigtige i retning, men kvantitativt for lave, og undervurderingen vokser, jo længere ekspirationen får lov at blive. Ved KOL-indstillingerne hos Roesthuis et al. giver modellen omkring 1 cmH₂O, hvor de målte 9 ± 3. Astmaforvalget ER Leathermans tolv patienter, og dér ligger modellens plateautryk på 18,3 cmH₂O fem under deres målte 23,3 ± 2,6, med auto-PEEP 0,40 mod de omkring 5,3, som deres plateau implicerer ved samme compliance; det slutekspiratoriske flow bliver 11,5 ml/s mod deres 38,6. Spidstrykket og tidalvolumen rammer modellen derimod: 65,8 mod 66,4 ± 9,5 cmH₂O. Den frekvenssænkning, de foretog, reproduceres ikke. Da de gik fra 18 til 12 åndedrag/min, faldt plateautrykket 2,1 cmH₂O, og modellen giver 1,3; da de gik videre fra 12 til 6, faldt det yderligere 2,0, mens modellen giver 0,4, fordi en eksponentiel ekspiration da allerede er færdig, og en flowbegrænset ikke er det. Under 12 åndedrag/min er modellens kurve i praksis flad, og en forlænget ekspiration giver dér mindre, end den gør hos en virkelig patient. En egen, højere ekspiratorisk resistans retter ikke op på det: den, der rammer Leathermans plateau ved 12 åndedrag/min, giver 29,6 cmH₂O ved 18 og 18,8 ved 6, altså forkert i begge retninger, og hans egne slutflow implicerer to forskellige tidskonstanter hen over de to trin — fejlen sidder i eksponentialformen og ikke i konstantens værdi. Læs auto-PEEP og plateautryk ved svær obstruktion som en retning, ikke som en måleværdi. Modellen har ingen luftvejslukning — alle enheder kommunikerer altid med luftvejsåbningen, mens Leatherman og Ravenscraft viste, at målt auto-PEEP kan være 5 ± 3 cmH₂O i en svært hyperinflateret lunge — så den viser det optimistiske tilfælde. Det indespærrede volumen klemmes ved 3,6 liter over FRC, det højeste volumen Tuxen og Lane målte hos mennesker; slår loftet til, siger figuren det lige ud, og aflæsningerne er da en alarm og ikke måleværdier. Modellen har ingen brystvæg, intet pleuratryk og ingen øsofagusballon: alt, hvad der vises, er luftvejstryk, og transpulmonalt tryk, lungestress og strain ligger uden for den. Det er præcis derfor, obesitasforvalget ser farligt ud og måske ikke er det, og hvorfor en normal brystvæg med lav compliance kan skades langt under 30 cmH₂O. Modellen har ingen gasudveksling — ingen PaO₂, ingen PaCO₂, ingen shunt, ingen V/Q-fordeling. Dødrummet antages anatomisk, 2,2 ml/kg PBW, mens det fysiologiske ved ARDS er langt større; Nuckton et al. fandt V_D/V_T 0,58 tidligt i forløbet, så den alveolære ventilation er for optimistisk hos netop de patienter, hvor den betyder mest. Modellen har ingen hæmodynamik: den hypotension, Tuxens patienter fik ved høje lungevolumina, findes ikke, uanset hvor højt VEI går. Patienten er sederet og relakseret gennem hele modellen — ingen egenrespiration, ingen trigning, ingen asynkroni, ingen trykstøtte — og hver måleværdi, de citerede kilder bygger på, er taget med okklusionsteknik under relaksation. Der findes ingen lækage, ingen tubekompensation, ingen befugter og ingen slangecompliance, selv om et virkeligt kredsløb sluger 2–4 ml pr. cmH₂O; ingen inertans, ingen gaskompression og ingen BTPS-korrektion. Det inspiratoriske ophold tegnes som en målemanøvre på ét åndedrag og forkorter derfor ikke ekspirationstiden i beregningen, hvilket et ophold ved hvert åndedrag ville have gjort. De grænser, der tegnes — plateautryk 30, driving pressure 15, mekanisk effekt omkring 17 J/min, VEI 20 ml/kg — kommer fra kohorter i bestemte populationer og er ingen fysiologiske konstanter; Amatos 15 kommer fra en medieringsanalyse af ni randomiserede studier og ikke fra en randomiseret sammenligning af ΔP-mål, og Costa et al. viste, at en model med kun driving pressure og frekvens forudsagde mortalitet lige så godt som hele effektligningen. Og modellen ved ikke, hvilken diagnose patienten har: at compliancen er 34 siger ikke, om det er ARDS, obesitas eller hyperinflation.

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.