Έλεγχος της αναπνοής κατά τη διάρκεια μηχανικού αερισμού D. Georgopoulos, Professor of Medicine, Intensive Care Medicine Department, University Hospital of Heraklion, University of Crete, Heraklion, Crete, Greece

Βασικές αρχές του συστήματος ελέγχου της αναπνοής

Behavioral feedback Multi factors Medullary respiratory controller Spinal motor neurons Diseases Therapy Reflex and Mechanical feedback Chemical feedback Pres Pel Pmus = V’xR + VxE Volume-time profile PaO2, PaCO2, pH Ventilation

Multi factors Medullary respiratory controller Spinal motor neurons Diseases Therapy Paw +Pmus = V’xR + VxE Volume-time profile PaO2, PaCO2, pH Ventilation

Ventilator and Patient to ventilator delivered Georgopoulos D: Principles and Practice of Mechanical Ventilation (ed. Tobin) 2005: pp 715-728 Response of ventilator to Pmus Ventilator and Patient factors + Paw = Prs + Pel Pmus Response of Pmus to ventilator delivered breath Volume-time profile Mechanical Chemical Reflex Behavioral Feedback

Απάντηση του αναπνευστήρα στην προσπάθεια του ασθενούς 1) Τύπος ΜΑ Μηχανική του αναπνευστικού συστήματος Χαρακτηριστικά της Pmus

Τύποι βοηθητικού (Commercial) μηχανικού αερισμού Assist volume control (AVC, VT constant) Pressure support or control (PS, Pressure constant) Proportional assist ventilation (PAV, Pressure proportionally to instantaneous flow and volume) Neurally adjusted ventilatory assist (NAVA)

Interaction between ventilator delivered volume and patient effort with different modes of support PS AVC VT (L) PAV, NAVA Patient effort [PTPPmus (cmH2O.sec)] Data from Mitrouska et al. Eur Respir J 1999 and Colombo et al. Intensive Care Med 2008

Απάντηση του αναπνευστήρα στην προσπάθεια του ασθενούς 1) Τύπος ΜΑ Μηχανική του αναπνευστικού συστήματος Χαρακτηριστικά της Pmus

A patient with dynamic hyperinflation due to COPD Flow (l/sec) Ventilator rate = 12 b/min Paw (cmH2O) Fr = 33 b/min Pes (cmH2O) 5 sec Time (sec) Georgopoulos et al. Intensive Care Med 2006;32:34

Delay ventilator response due to dynamic hyperinflation (PEEPi) 320 msec Flow (l/sec) Triggering Pes (cmH2O) Beginning of inspiratory effort Georgopoulos et al. Intensive Care Med 2006;32:34

Ventilator rate = 12 b/min Flow (l/sec) Ventilator rate = 12 b/min Paw (cmH2O) Fr = 33 b/min Pes (cmH2O) 5 sec Time (sec) Georgopoulos et al. Intensive Care Med 2006;32:34

Απάντηση του αναπνευστήρα στην προσπάθεια του ασθενούς 1) Τύπος ΜΑ Μηχανική του αναπνευστικού συστήματος Χαρακτηριστικά της Pmus

Double triggering due to prolonged inspiratory effort Ventilator rate = 2 x patient’s rate Kondili et al. Br J Anaesth 2003;91:106

Flow Paw Pga Pes Pdi

13% 13% 15% 23% 12%

Κατά τη διάρκεια του ύπνου οι ασθενείς είναι σε αυξημένο κίνδυνο μη συγχρονισμού (αναποτελεσματικές προσπάθειες)

Fanfulla et al. Am J Respir Dis 2005

Απάντηση του αναπνευστήρα στην προσπάθεια του ασθενούς Μήνυμα Ο αερισμός και οι χαρακτήρες του μπορεί να μην αντανακλούν το σύστημα ελέγχου της αναπνοής

Ventilator and Patient to ventilator delivered Georgopoulos D: Principles and Practice of Mechanical Ventilation (ed. Tobin) 2005: pp 715-728 Response of ventilator to Pmus Ventilator and Patient factors + Paw = V’xR + VxE Pmus Response of Pmus to ventilator delivered breath Volume-time profile Mechanical Chemical Reflex Behavioral Feedback

Chemical feedback (ΧΣΑ) ΧΣΑ ως παράγοντας καθορισμού της Pmus κατά τη διάρκεια ΜΑ Λειτουργία ΧΣΑ κατά τη διάρκεια ΜΑ

Chemical feedback Μελέτες έδειξαν ότι ο ΜΑ δεν τροποποιεί τη συμβολή του ΧΣΑ στον καθορισμό της Pmus (Georgopoulos et al. Am J Respir Crit Care Med 1997;155:2000, Xirouchaki et al. Eur Respir J 1999;14:508, Kondili et al. Intensive Care Med 2001;27:1147) ΧΣΑ παραμένει ένας σημαντικός παράγοντας της Pmus ακόμη και κατά τη διάρκεια ΜΑ (Kondili et al. Br J Anaesth 2003;91:106, Prinianakis et al. Respir Care Clin N Am 2005; 11:201)

Ο ΜΑ επιδρά στη λειτουργία (αποτελεσματικότητα) του ΧΣΑ?

Λειτουργία (αποτελεσματικότητα) του ΧΣΑ Λειτουργία (αποτελεσματικότητα) του ΧΣΑ Εγρήγορση Ύπνος

Respiratory response to CO2 during mechanical ventilation in awake humans the ventilatory response to CO2 is expressed mainly by intensity of respiratory effort f is relatively insensitive to CO2 over a wide range of PCO2 Data from Georgopoulos et al. Am J Respir Crit Care Med 1997;156:146

VT/effort per breath (neuroventilatory coupling per breath) is the main determinant of the respiratory response to chemical feedback

ΧΣΑ κατά τη διάρκεια ΜΑ - Εγρήγορση Επακόλουθα? Νευρο-αναπνευστική σύζευξη (VT/effort per breath) είναι σημαντική

VT/effort per breath (neuroventilatory coupling) with low and high respiratory drive at various modes of support Hypocapnia Asynchrony + + VT/PTP-PmusI (l/cmH2O.sec) * * Hypercapnia Low drive High drive Data from Mitrouska et al. Eur Respir J 1999; 13:873

ΧΣΑ κατά τη διάρκεια ΜΑ - Εγρήγορση Επακόλουθα Τύποι ΜΑ που επιτρέπουν την ένταση της εισπνευστικής προσπάθειας να επηρεάσει τον VT αυξάνουν την αποτελεσματικότητα του ΧΣΑ να ελέγξει τηPaCO2 Τύποι ΜΑ που επιδρούν αρνητικά στη νευρο-αναπνευστική σύζευξη (neuroventilatory coupling, VT/effort) μπορεί να προκαλέσουν είτε υποκαπνία είτε υπερκαπνία

ΧΣΑ κατά τη διάρκεια ΜΑ - Ύπνος Παρατηρήσεις Η συχνότητα εξαρτάται από τη PaCO2 Ελάττωση της PaCO2 by 3-4 mmHg προκαλεί άπνοια (Datta et al. J Physiol 1991; 440:17, Mezza et al. J Appl Physiol 1998; 84:3)

During sleep breathing frequency changes minimally with decreasing PaCO2 up to a point (apneic threshold) Wakefulness f Ventilation (l/min) Pmus Sleep PaCO2 PaCO2 (mmHg) Apnea Meza et al. J Appl Physiol 1998;85:1928 Meza et al. J Appl Physiol 1998;84:3

f decreased abruptly to zero (apnea) when PS increased to 8 cmH2O Pmus was progressively downregulated from 0 to 8 cmH2O Paw 3 6 Paw 8 Meza et al. J Appl Physiol 1998;85:1928

Ακόμη και στον ύπνο ο λόγος VT/effort (neuroventilatory coupling per breath) είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει την απάντηση του συστήματος στο ΧΣΑ

ΧΣΑ κατά τη διάρκεια ΜΑ - Υπνος Επακόλουθα Επίπεδο υποστήριξης που έχει ως αποτέλεσμα μεγάλο VT μπορεί να προκαλέσει άπνοιες και περιοδική αναπνοή Επίπεδο υποστήριξης που έχει ως συνέπεια μεγάλο VT μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα καθυστέρηση στη διέγερση και αναποτελεσματικές προσπάθειες Τύποι ΜΑ που ελαττώνουν τον VT σε απάντηση της μειωμένης προσπάθειας προάγουν την αναπνευστική σταθερότητα

Γιατί να ασχολούμαστε?

Sleep and periodic breathing in critically ill patients Sleep efficiency 75±5% vs 63±5% of TST Sleep fragmentation 54±7 vs 79 ±7 events/hour Arousals Arousals Parthasarathy and Tobin Am J Respir Crit Care Med 2000;166:1423

Sleep quality is impaired in patients with periodic breathing * Sleep fragmentation index (events/hour) Data from Alexopoulou et al. Intensive Care Med 2007;33:1139

Fanfulla et al. Respir Med 2007

Campo et al. Crit Care Med 2010

Λειτουργία (αποτελεσματικότητα) του ΧΣΑ Λειτουργία (αποτελεσματικότητα) του ΧΣΑ Τύπο ΜΑ Εγρήγορση / Ύπνος 3) Νόσοι (pulmonary edema, ARDS)

Ventilator and Patient to ventilator delivered Georgopoulos D: Principles and Practice of Mechanical Ventilation (ed. Tobin) 2005: pp 715-728 Response of ventilator to Pmus Ventilator and Patient factors + Paw = V’xR + VxE Pmus Response of Pmus to ventilator delivered breath Volume-time profile Mechanical Chemical Reflex Behavioral Feedback

Reflex response of neural expiratory time to varying VT in ARDS patients The response is completed in one breath Kondili et al. Intensive Care Med 2001;27:1147

Reflex response of neural inspiratory time to varying V’I in ARDS patients The response is completed in one breath Kondili et al. Intensive Care Med 2001;27:1147

Should the reflex response be taken into account?

It is recommended that COPD patients Minimum change in expiratory time It is recommended that COPD patients on assist volume control should be ventilated with high V’I in order to reduce dynamic hyperinflation (by giving the same VT in less time and expiratory time is increased) Message: The reflex response may modify the effectiveness of a particular strategy to achieve its goal The reflex response is attenuated during sleep (Georgopoulos et al. Am J Respir Crit Care Med 1996) Laghi et al. Am J Respir Crit Care Med 1999, 160:1766

Ventilator and Patient to ventilator delivered Georgopoulos D: Principles and Practice of Mechanical Ventilation (ed. Tobin) 2005: pp 715-728 Response of ventilator to Pmus Ventilator and Patient factors + Paw = V’xR + VxE Pmus Response of Pmus to ventilator delivered breath Volume-time profile Mechanical Chemical Reflex Behavioral Feedback

43% of patients exhibited asynchrony in >10% of their efforts Patient comfort scale is lower in patients with asynchrony

Prinianakis et al. Eur Respir J 2004

Συνολική απάντηση του ασθενούς στον αναπνευστήρα Μέγεθος των μεταβολών PaO2, PaCO2 και pH Ευαισθησία σε χημικά ερεθίσματα Νόσοι Επίπεδο συνείδησης Αντανακλαστικά Αντιδράσεις συμπεριφοράς

Ventilator and Patient to ventilator delivered Georgopoulos D: Principles and Practice of Mechanical Ventilation (ed. Tobin) 2005: pp 715-728 Response of ventilator to Pmus Ventilator and Patient factors + Paw = V’xR + VxE Pmus Response of Pmus to ventilator delivered breath Volume-time profile Mechanical Chemical Reflex Behavioral Feedback

Patient brain Physician brain Interaction between the two brains Patient-ventilator interaction

Education Knowledge Patient brain Physician brain Synchrony between patient and ventilator