Vliv průtočného odporu dýchacích cest a alveolární poddajnosti na dechový objem při vysokofrekvenční oscilační ventilaci

Umělá plicní ventilace se využívá k udržení dodávky kyslíku do organismu a odvodu oxidu uhličitého z organismu v případech, kdy je utlumená či nedostatečná spontánní ventilace pacienta. Jedním z typů umělé plicní ventilace, který se značně liší od konvenčních režimů umělé plicní ventilace, je vysokofrekvenční oscilační ventilace. Vysokofrekvenční oscilační ventilace se využívá zejména v těžkých případech syndromu akutní dechové tísně, nicméně konkrétní cílová skupina oscilační ventilace není dosud dobře popsána. Pro studium oscilační ventilace byl navržen fyzický model plic podle jejich morfologického popisu, který byl využit pro studium vlivu mechanických vlastností plic na dodávku dechového objemu do plic při využití vysokofrekvenční oscilační ventilace. Rezistance dýchacích cest značně ovlivňuje dechový objem při vysokofrekvenční oscilační ventilaci, zatímco efekt snížené alveolární poddajnosti na dechový objem je prakticky zanedbatelný.

Klíčová slova:
vysokofrekvenční oscilační ventilace, průtočný odpor, alveolární poddajnost, dechový objem, model plic

Úvod

Mechanická ventilace (MV) plic se využívá v mnoha případech, kdy je nutné zajistit dodávku kyslíku do organismu a zároveň odventilovat oxid uhličitý, který vzniká při metabolických procesech. MV se využívá i při úmyslném potlačení spontánního dýchání paci-enta, např. při plánovaných operačních zákrocích, nebo při akutních respiračních onemocněních. I přes značný výzkum je MV spojena s řadou rizik, která mohou vyústit v poškození plic pacienta, což je souhrnně označováno termínem VILI (ventilator induced lung injury). Postupně se do klinické praxe prosadila řada ventilačních režimů, které jsou protektivní, kdy je jedním z hlavních cílů minimalizace rizika poškození respiračního systému pacienta, i např. za cenu dosažení horších hodnot krevních plynů.

Za tzv. protektivní ventilační režimy jsou označo-vány i vysokofrekvenční režimy umělé plicní ventilace. Ty se liší od MV zejména dechovým objemem a frekvencí ventilace, kdy se dechový objem pohybuje v hodnotách 1-2 mL/kg pro dospělého pacienta a venti-lační frekvence se pohybuje v rozmezí 3-15 Hz. Mezi vysokofrekvenční režimy se řadí i vysokofrekvenční oscilační ventilace (HFOV), která využívá pohybů membrány, která dodává dechový objem do pacienta. Tlakové impulsy způsobené membránou jsou superim-ponované ke střednímu tlaku (CDP), který způsobuje permanentní inflaci plic.

Cílová skupina pacientů pro HFOV není doposud uspokojivě popsána, i díky nedostatečným znalostem o tlakových a objemových poměrech během ventilace. V klinické praxi je monitorování intrapulmonálních parametrů, např. distribuce dechového objemu v pli-cích velice obtížné až nemožné, a modelování respiračního systému je jednou z mála cest, jak získat informace o procesech a dějích, ke kterým dochází uvnitř respiračního systému či jak získat nové poznatky v oblasti respirační péče. HFOV se využívá u pacientů s nejtěžšími formami syndromu akutní dechové tísně (ARDS). Naopak, kontraindikací k použití HFOV jsou onemocnění typu chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN) či astma, která bývají doprovázena zvýšeným průtočným odporem dýchacích cest [1, 2].

Cílem této studie je vytvoření multikompart-mentového modelu plic a ověření vlivu odporu dýchacích cest a alveolární poddajnosti na velikost dechového objemu během HFOV.

Metody

Model respiračního systému je navržen tak, aby odpovídal anatomické struktuře respiračního systému. Struktura modelu byla pro potřeby návrhu rozdělena na tři části; proximální dýchací cesty, distální dýchací cesty a alveolární prostor. Model je vytvořen na zákla-dě Horsfieldova morfologického popisu plic, který respektuje asymetrii dýchacích cest a rozložení plicní poddajnosti mezi jednotlivé plicní laloky [3].

Proximální dýchací cesty

První čtyři generace dýchacích cest byly namo-delovány v programu SolidWorks a vytisknuty na 3D tiskárně (Objet24, Stratasys, USA). Rozměry dýcha-cích cest a odklony mezi "dceřinými" a "rodičovskými" dýchacími cestami byly převzaty z morfologického popisu plic [3]. Trojrozměrný model dýchacích cest vytvořený v programu Solidworks je zachycen na Obr. 1. Model proximálních dýchacích cest byl rozdělen na dvě části vzhledem k maximálním rozmě-rům produktu, který může být na 3D tiskárně vytisknut. Vstup do modelu a rovněž zakončení dýchacích cest je navrženo a realizováno pomocí normalizovaných spo-jek, které se běžně používají v respirační péči.

Fyzický model proximálních dýchacích cest byl vytisknut na 3D tiskárně a výsledný prototyp je zachycen na Obr. 2. Dvě části modelu jsou sešroubovány pomocí připravené příruby, která je součástí prototypu.

Distální dýchací cesty

Distální dýchací cesty jsou v modelu realizovány pomocí vrapové hadice, která zároveň propojuje proximální dýchací cesty s jednotlivými alveolárními kompartmenty. Průměr a délka hadic byly voleny tak, aby jejich průtočný odpor odpovídal dýchacím cestám vedoucím k jednotlivým lalokům plic, a také aby byla odpovídající celková rezistance modelu z hlediska vstupu do dýchacích cest.

Alveolární prostor

Alveolární prostor modelu byl rozdělen do pěti oddílů, podobně jako je pět laloků v plicích dospělého člověka. Každý oddíl je reprezentován demižonem, jehož velikost odpovídá poddajnosti daného kompart-mentu. Při návrhu byly použity výpočty poddajnosti demižonu pro případ polytropického děje, kdy dochází k určité výměně tepla s okolím [4]. Celková poddajnost modelu je 0,87 L/kPa.

Model plic

Výsledný model je tvořen centrálními dýchacími cestami vytisknutými na 3D tiskárně, proximálními dýchacími cestami, které jsou realizovány pomocí vrapové trubice a demižony, které reprezentují jed-notlivé kompartmenty modelu a odpovídají plicním lalokům. Kompletní model je zachycen na Obr. 3.

Navržený model umožňuje měření tlaku uvnitř kaž-dého demižonu a na řadě míst v trubicích představu-jících dýchací cesty, včetně vstupu do modelu. Do mo-delu je možné vložit senzor pro měření dechového objemu a monitorovat distribuci dechového objemu a minutové ventilace v modelu pomocí respiračního monitoru Florian (Acutronic Medical, Švýcarsko). Clonka monitoru byla kontrolována před každým měřením pomocí kalibrační stříkačky (Hans Rudolph, USA).

K modelu byl připojen přes 9mm endotracheální tru-bici vysokofrekvenční ventilátor Sensormedics 3100B (CareFusion, USA) s pacientským okruhem. Ventilační parametry byly udržovány konstantní během celého měření; střední tlak v dýchacích cestách CDP = 13,5 cmH₂O, amplituda oscilací ΔP = 30 cmH₂O, doba trvání inspiria T_insp = 50 %, průtok plynu okruhem BIAS flow = 40 L/min a frekvence oscilací byla nastavena na f = 5 Hz.

Ve studii byl sledován efekt velikosti průtočného odporu dýchacích cest a alveolární poddajnosti na dechový objem dodaný do modelu při HFOV. Průtočný odpor byl měněn vkládáním parabolických rezistorů Rp (Michigan Instruments, USA) na vstup do dýcha-cích cest modelu a poddajnost byla měněna výměnou jednotlivých demižonů.

Výsledky

Vliv navýšení odporu dýchacích cest na dechový objem při HFOV je popsán v Tab. 1.

Efekt celkové poddajnosti modelu na doručený dechový objem při HFOV je zachycen v Tab. 2.

Diskuse

Dechový objem je při HFOV značně závislý na průtočném odporu dýchacích cest a při zvýšení odporu dechový objem klesá. Protože je HFOV typickým tlakovým režimem umělé plicní ventilace, je nutné pro udržení dechového objemu při zvýšeném odporu navýšit tlakovou amplitudu, což však zvyšuje tlakové zatížení pacienta. Tento výsledek potvrzuje fakt, že HFOV není vhodná pro pacienty s onemocněními typu CHOPN, kdy je zvýšen právě průtočný odpor dýcha-cích cest.

Naopak změny alveolární poddajnosti mají velmi malý vliv na hodnotu dechového objemu a to i při značných poklesech poddajnosti, což znamená, že HFOV je schopná dodávat podobný dechový objem do pacienta i při výrazných změnách poddajnosti, což odpovídá případům těžkých stavů ARDS.

Zkonstruovaný model má určitá omezení, např. konstantní průměr trubic, které reprezentují distální dýchací cesty, což může ovlivnit charakter proudění v této části modelu.

Celý model pak vykazuje netěsnost v řádu jednotek procent při porovnání inspirovaného a exspirovaného dechového objemu.

Model je i přesto vhodný pro prakticky orientovanou výuku problematiky využití ventilační techniky a de-monstraci vlastností jednotlivých režimů umělé plicní ventilace, což je přínosné pro studenty [5].

V další práci by bylo vhodné proměřit vliv změn od-poru v regionálních částech modelu na intrapulmonální poměry v modelu a na celkovou hodnotu dechového objemu.

Závěr

Ve studii je popsán návrh a realizace modelu plic s pěti kompartmenty, který umožňuje studium intra-pulmonálních parametrů při různých typech a režimech umělé plicní ventilace.

Výsledky měření potvrzují, že při zvýšení průtoč-ného odporu dýchacích cest dochází u HFOV k pokle-su dechového objemu, zatímco snížení poddajnosti nemá na dechový objem signifikantní vliv.

Poděkování

Práce byla podpořena grantem SGS14/216/OHK4/ 3T/17.

Ing. Martin Rožánek, Ph.D.

Katedra biomedicínské techniky

Fakulta biomedicínského inženýrství

České vysoké učení technické v Praze

nám. Sítná 3105, CZ-272 01 Kladno

E-mail: rozanek@fbmi.cvut.cz

Tel.: +420 224 359 960