IPV + конвенциональная вентиляция: сравнение режимов с контролем по объему и давлению

Интрапульмональная перкуссионная вентиляция в сочетании с традиционной вентиляцией легких: сравнение режимов с контролем по объему и контролем по давлению

Guillaume Riffard, Julien Buzenet, Claude Guérin MD PhD

Описание проблемы: проведенные ранее сравнительные исследования предполагают, что использование интрапульмональной перкуссионной вентиляции (ИППВ) совместно с конвенциональной ИВЛ в режиме постоянной принудительной вентиляции с контролем по объему (VC-CMV) может приводить к динамической гиперинфляции. Мы решили проверить гипотезу, что использование режима постоянной принудительной вентиляции с контролем по давлению (PC-CMV) может защитить легкие. Методика: реанимационный аппарат ИВЛ подключается к конусному адаптеру аппарата ИППВ, который подсоединен к модели легкого (растяжимость = 30 мл/см вод. ст., сопротивление дыхательных путей = 20 см вод. ст./л/с). Мы измеряли дыхательный объем на вдохе (V_TI), и давление в легких (P_lung). Первоначально измерения проводились при выключенном аппарате ИППВ и ИВЛ в режиме VC-CMV или PC-CMV с целевым V_TI = 500 мл. Для каждого режима выставлялись настройки времени вдоха (T_I) 0,8 с или 1,5 с и ПДКВ 7 или 15 см вод. ст. Пробы повторялись с ИППВ с давлением 20 и 30 psi. Зависимыми переменными были изменение V_TI (ΔV_TI) и P_lung при включенном и выключенном аппаратом ИППВ. Влияние на переменные режима ИВЛ (VC-CMV или PC-CMV) при различных значениях T_I, ПДКВ и рабочего давления IPV проверялось методом дисперсионного анализа повторных измерений. Результаты: При T_I= 0,8 с и 20 psi V_TIбыл значимо выше в режиме VC-CMV, чем в PC-CMV. ПДКВ не повлиял на V_TI. При T_I= 1,5 с, ПДКВ = 7 см вод. ст. и 30 psi, ΔV_TI(среднее ± SD) распределилась в пределах от -27 ± 25 до -176 ± 6 мл в режиме PC-CMV и от 258 ± 369 до 369 ± 16 мл в режиме VC-CMV. Соответственно, значения распределились в пределах от -15 ± 17 до -62 ± 68 мл в режиме PC-CMV и от 26 ± 21 до 102 ± 95 мл в режиме VC-CMV при При T_I= 0,8 с, ПДКВ = 7 см вод. ст. и 20 psi. Сходные данные были получены и относительно P_lung. Заключение: при использовании ИППВ дополнительно к конвенционнальной ИВЛ риск гиперинфляции при режиме VC-CMV выше, чем при PC-CMV. Мы рекомендуем использовать режим PC-CMV при применении ИППВ и регулировать настройки триггеров для того, чтобы избежать автотриггирования.

Ключевые слова: интрапульмональная перкуссионная вентиляция, непрерывная принудительная вентиляция с контролем по объему, сравнительное исследование, гиперинфляция, модель легкого, искусственная вентиляция легких. [Respir Care 2014;59(7):1116–1122. © 2014 Daedalus Enterprises]

Введение.

При интрапульмональной перкуссионной вентиляции воздух подается в дыхательные пути очень маленькими объемами (меньше, чем функциональное мертвое пространство легких) с высокой частотой, от 60 до 600 циклов/мин. Помимо этого, за счет подачи воздуха в дистальные отделы дыхательных путей ИППВ способствует мобилизации и выведению секрета, что впоследствии способствует: 1) улучшению мукоцилиарного клиренса; 2) улучшению диффузии кислорода и углекислого газа из крови в альвеолы и обратно; 3) увеличению объема и равномерности альвеолярной вентиляции; 4) потенциальному рекрутированию альвеол. Исследования с использованием методов трехмерной визуализации легких показывают, что у стабильных пациентов с ХОБЛ всего одна процедура ИППВ-терапии позволила уменьшить сопротивление легких и локально увеличить объем дыхательных путей. Как показывает обзор недавних исследований, ИППВ может использоваться либо в качестве единственного метода терапии у самостоятельно дышащих пациентов, либо совместно с конвенциональной ИВЛ. Было проведено пять одноцентровых рандомизированных контролированных исследований с разными аппаратами ИВЛ (Таблица 1). У пациентов с обострением ХОБЛ применение ИППВ ассоциировалось со значительным снижением потребности в ИВЛ, однако число интубаций осталось прежним. Для пациентов с трахеостомой, находящихся на ИВЛ, ИППВ ассоциируется с лучшей оксигенацией и более высоким максимальным статическим давлением на выдохе. У пациентов с ожоговыми поражениями, ИППВ по сравнению с ИВЛ с контролем по объему (VC-CMV) улучшила оксигенацию, но не повлияла на число дней без ИВЛ. Хотя однозначно эффекты ИППВ не доказаны, эта методика по-прежнему используется и приносит пациенту больше пользы, чем негативных последствий.

Проведенное ранее сравнительное исследование показало, что при использовании ИППВ совместно с конвенциональной ИВЛ существует риск баротравмы. Однако, в этом исследовании использовался режим ИВЛ с контролем по объему. Режим с контролем по давлению (VC-CMV) лучше подходит для использования с ИППВ, в свою очередь, об этом заявляет и производитель оборудования для перкуссионной вентиляции. Научное обоснование такой рекомендации основывается на самом механизме VC- или PC-вдоха, а также на том, как регулируется ПДКВ. Так как в литературе ранее не было представлено систематизированного сравнения VC- и PC-режимов в сочетании c ИППВ, мы провели подобное сравнительное исследование. Наша рабочая гипотеза состояла в том, что режим PC-CMV ассоциируется с более низким риском волюмотравмы, чем режим VC-CMV.

Методика.

Оборудование.
Наше оборудование было представлено следующими устройствами:
1. Аппарат перкуссионной вентиляции (IPV 2C с Фазитроном, Percussionaire Corporation, Сэндпойнт, Айдахо), которой ранее регулярно использовался одним из авторов (Guérin) в ОРИТ.
2. 5 реанимационных аппаратов ИВЛ, обозначенные латинскими буквами:
A. Avea, CareFusion, Сан-Диего, Калифорния;
B. Engström Carestation, GE Healthcare, Мэдисон, Висконсин;
C. Evita XL, Dräger, Любек, Германия;
D. NPB 840, Covidien, Мэнсфилд, Массачусетс;
E. Servo-i, Maquet, Уэйн, Нью-Джерси.
3. Тестовое легкое (TTL, Michigan Instruments, Гранд-Рапидс, Мичиган) с регулируемой растяжимостью и сопротивлением, а также портом для измерения давления непосредственно внутри легкого (P_lung).
4. Система сбора данных, включающая двунаправленный линейный пневмотахометр (серия 3813, Hans Rudolph, Шони, Канзас) для измерения воздушного потока (V̇) и прямой коннектор (VBM Medizintechnik GmbH, Зульц-ам-Неккар, Германия) для измерения давления на входе в дыхательные пути (P_ao). Пневмотахометр измерял линейную скорость потока в диапазоне 0–800 л/мин. Порты измерения V̇, P_lung и P_ao подсоединялись к пьезорезистивным преобразователям (BD Gabarit, Vogt Medical Vertrieb GmbH, Карлсруэ, Германия). Полученные сигналы усиливались и перенаправлялись к аналого-цифровому преобразователю (Biopac MP150, Biopac Systems,
Голета, Калифорния) и записывались с частотой дискретизации 200 Гц (AcqKnowledge, Biopac Systems).

Протокол.
Эксперимент с использованием каждого аппарата ИВЛ длился в течение 1 дня в условиях лаборатории при комнатной температуре в окружающем воздухе. Перед проведением измерений пьезорезистивные преобразователи были откалиброваны с использованием ротаметрического измерителя потока (Martin Médical, Лион, Франция) для V̇ и манометр (Fluke Corporation, Эверетт, Вашингтон) для P_ao и P_lung.

Настройки тестового легкого составили 30 мл/см вод.ст. – растяжимость и 20 см вод.ст./л/с – сопротивление. Инспираторные и экспираторные трубки ИВЛ-аппарата и устройства ИППВ были подключены к конусному адаптеру (Рис. 1). Адаптер был подключен к системе регистрации данных (Рис. 1). Для каждого аппарата измерения делались при включенном и выключенном (случайным образом) устройстве ИППВ. Использовались два уровня рабочего давления (20 и 30 psi) аппарата ИППВ, они чередовались в случайном порядке. Режимы VC-CMV и PC-CMV аппарата ИВЛ менялись в случайном порядке. Настройки режима VC-CMV: заполнение легких постоянным потоком, частота дыхания 15 вдохов/мин, целевой дыхательный объем 500 мл. Настройки режима PC-CMV были сделаны таким образом, чтобы достичь того же целевого объема в 500 мл. В обоих режимах параметр FiO₂ составлял 0,21, нагреваемый увлажнитель был отключен, тепловлагообменные фильтры не использовались, триггер был настроен так, чтобы избежать автотриггирования (2–5 л/мин). В каждом режиме в случайном порядке проверялись следующие настройки: ПДКВ = 7 и 15 см вод. ст., T_I= 0,8 и 1,5 с. Таким образом, изучались 4 комбинации ИВЛ и ИППВ: ИППВ выкл. + контроль по объему, ИППВ вкл. + контроль по объему, ИППВ выкл. + контроль по давлению, ИППВ вкл. + контроль по давлению. Помимо этого, 4 комбинации параметров T_Iи ПДКВ сочетались к каждой из этих первоначальных комбинаций (Рис. 2). Для каждого условия (то есть, каждой ячейки на Рисунке 2) сигналы V̇, P_lung и P_ao записывались на протяжении 10 дыхательных циклов после 1-минутного периода стабилизации.

Таблица 1.Значения ΔV_TIи ΔP_{lung, I}и ΔP_{lung, E}при установленном времени вдоха 1,5 с и рабочем давлении ИППВ = 30 psi, в режимах ИВЛ PC-CMV и VC-CMV с двумя разными уровнями ПДКВ.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки настоящего исследования. ИППВ – аппарат интрапульмональной перкуссионной вентиляции. P_lung – давление в легких, P_ao– давление на входе в дыхательные пути.

Рисунок 2. Схема дизайна исследования. ИППВ – интрапульмональная перкуссионная вентиляция. PC-CMV – режим принудительной вентиляции легких с контролем по давлению, VC-CMV – режим принудительной вентиляции легких с контролем по объему, T_I – время вдоха, ПДКВ – положительное давление в конце выдоха.

Анализ полученных данных.
Для анализа были отобраны 3 последних дыхательных цикла (Рис. 3). Для каждого реанимационного аппарата ИВЛ было сгенерировано 24 комбинации настроек: 3 параметра рабочего давления ИППВ (0 при ИППВ выкл и 20 или 30 при ИППВ вкл) × 2 режима ИВЛ × 2 значенияT_I×2 значения ПДКВ, с тремя повторениями, таким образом, всего 72 измерения. Значение дыхательного объема на вдохе (V_TI) было получено путем цифрового интегрирования сигнала V̇. Первичным критерием оценки результата была разница V_TI(ΔV_TI) при параметрах рабочего давления ИППВ 20, 30 и 0 psi (ИППВ выкл). Отрицательное значение ΔV_TIозначает, что V_TIпри включенном аппарате ИППВ ниже, чем при выключенном. И наоборот,положительное значение V_TIозначает, что V_TIпри включенном аппарате ИППВ выше.

Вторичным критерием оценки результата были соответствующие разности пикового давления в легких в конце вдоха (P_lung,I) и в конце выдоха (P_lung,E) и среднего давления в дыхательных путях на протяжении всего дыхательного цикла. Интерпретация знака + или – для значений ΔP_lung,I и ΔP_lung,E такая же, как и для значений ΔV_TI.

Статистический анализ.
Между собой сравнивались 4 пробы: T_I = 0,8 с и 1,5 с, каждая при 20 и 30 psi рабочего давления ИППВ. В каждой из проб сравнивались значения зависимых переменных ΔV_TI, ΔP_lung,I и ΔP_lung,Eв разных режимах вентиляции, с учетом взаимодействия с такими факторами, как тип аппарата ИВЛ и уровень ПДКВ (метод трехфакторного дисперсионного анализа).

Значения переменных ΔV_TI, ΔP_lung,I и ΔP_lung,Eобозначались как среднее ± стандартное отклонение. Статистический анализ осуществлялся при помощи программы R2.9.0. Порог уровня значимости составил P < .05.

Результаты.

Рисунок 3. Показатели давления на входе в дыхательные пути (синяя кривая) и давления в легких (красная кривая), полученные в режиме принудительной вентиляции с контролем по давлению (PC-CMV) или контролем по объему (VC-CMV) с включенным или выключенным аппаратом ИППВ. A: Режим VC-CMV с ИППВ выкл. B: Режим VC-CMV с ИППВ вкл. C: Режим PC-CMV с ИППВ выкл. D: Режим PC-CMV с ИППВ вкл. Параметры: время вдоха = 1,5 с, рабочее давление = 30 psi, ПДКВ = 7 см вод. ст.

T_I = 1,5 с и рабочее давление = 30 psi.
Как и ожидалось, эффект факторов, которые мы рассматривали (режим ИВЛ, ПДКВ, аппарат ИВЛ) оказался наиболее значительным именно в этой части эксперимента, так как самое длительное T_I и наибольшее рабочее давление ИППВ увеличило различия. В следствие чего, эти результаты представлены в первую очередь. Средние значения ΔV_TIсистематически оказывались положительными в режиме VC-CMV и отрицательными в режиме PC-CMV (см. Таблицу 1). Таким образом, значение ΔV_TIв режиме VC-CMV было значимо выше, чем в режиме PC-CMV. Величина различия ΔV_TI в VC-CMV и PC-CMV режимах и абсолютное значение ΔV_TI в режиме VC-CMV были клинически значимы при каждом аппарате ИВЛ и значении ПДКВ. Факторы аппарат ИВЛ и ПДКВ имели статистически значимое влияние на ΔV_TI, как и их взаимодействие с фактором режима вентиляции.

Значение ΔP_lung,I в режиме VC-CMV было значимо выше, чем в PC-CMV (Таблица 1). Величина различия ΔV_TI в VC-CMV и PC-CMV режимах и абсолютное значение ΔP_lung,Iв режиме VC-CMV были клинически значимы при каждом аппарате ИВЛ и значении ПДКВ. Факторы аппарата ИВЛ и ПДКВ имели статистически значимое влияние на ΔP_lung,I, как и их взаимодействие с фактором режима вентиляции. Режим вентиляции имел значимое влияние на среднее давление в дыхательных путях. (См. дополнительные материалы на http://www.rcjournal.com.)

Фактор режима вентиляции не имел значимого влияния на ΔP_lung,E, в отличие от факторов аппарата ИВЛ и ПДКВ. Было обнаружено статистически значимое взаимодействие факторов аппарата ИВЛ и режима вентиляции.

Другие комбинации параметров T_I и рабочего давления.
ΔV_TI в режиме VC-CMV была значимо выше, чем в режиме PC-CMV для остальных 3 комбинаций T_I и рабочего давления ИППВ (0,8 с и 20 psi, 0,8 с и 30 psi, 1,5 с и 20 psi). (См. дополнительные материалы на http://www.rcjournal.com.) Факторы аппарата ИВЛ и ПДКВ имели значимое влияние на ΔV_TI(за исключением комбинации T_I= 0,8 с и рабочее давление = 20 psi). То же самое относится и к взаимодействию факторов режим вентиляции и аппарат ИВЛ, а также факторов режим вентиляции и ПДКВ.

Значения ΔP_lung,I значимо различались в разных режимах вентиляции. (См. дополнительные материалы на http://www.rcjournal.com.) Некоторые из этих различий могут быть клинически значимы. Факторы аппарата ИВЛ и ПДКВ имели статистически значимое влияние на ΔP_lung,I, при статистически значимом взаимодействии между факторами режима вентиляции и аппарата ИВЛ, а также режима и ПДКВ.

То же применимо и к ΔP_lung,E, за исключением отсутствия взаимодействия факторов режима вентиляции и ПДКВ при T_I= 1,5 с и рабочем давлении = 20 psi. (См. дополнительные материалы на http://www.rcjournal.com.) Как бы то ни было, различия между режимами ИВЛ для каждого ПДКВ и аппарата ИВЛ могут оказаться клинически не значимыми, за исключением тех случаев, когда рабочее давление ИППВ максимально. Режим вентиляции не имел значимого влияния на среднее давление в дыхательных путях при T_I= 0,8 с и рабочем давлении в 20 psi. (См. дополнительные материалы на http://www.rcjournal.com.)

Обсуждение результатов.

Мы обнаружили, что при использовании ИППВ совместно с режимом вентиляции VC-CMV риск гиперинфляции легких в конце вдоха может быть выше, чем при ИППВ совместно с PC-CMV. Таким образом, наша рабочая гипотеза была подтверждена. Такой результат был предсказуем, исходя из базового понимания принципа работы ИВЛ в режиме VC-CMV и PC-CMV (кратко описано далее).

Динамическое уравнение для респираторной системы «аппарат ИВЛ – пациент» – подходящий инструмент для лучшего понимания взаимоотношения между ИВЛ и ИППВ:

P_RS = P_mus + P_vent = EV + R_RSV̇ (1)

Где P_RS – общее давление, производимое к респираторной системе, P_mus – давление, созданное при сокращении дыхательных мышц, P_vent – давление аппарата ИВЛ, E – упругость дыхательной системы, V – изменение объема легких относительно объема легких в конце выдоха, R_RS – сопротивление дыхательной системы. У парализованного пациента под седацией P_mus= 0, и следовательно, P_RS равняется P_vent.

Когда используется режим VC-CMV, контролируется параметр потока аппарата ИВЛ, но не давления (которое зависит от растяжимости и сопротивления легких), следовательно, применение ИППВ (дополнительного источника потока) должно влиять на доставленный V_TI: чем выше поток, тем выше V_TI, тем выше давление. Если применить ИППВ совместно с ИВЛ в режиме VC-CMV, возникнут трудности с измерением и регулировкой аппаратом ИВЛ подаваемого V_TI. В особенности это справедливо, если источник потока находится после клапана вдоха. В действительности, как показало это исследование, аппараты ИВЛ не могли отрегулировать объем.

В режиме PC-CMV контролируется давление аппаратного вдоха (P_vent в уравнении 1), но не V_TI и поток (которые зависят от растяжимости и сопротивления легких), следовательно, применение ИППВ (дополнительного источника потока) не окажет влияния на P_vent, но повлияет на поток и доставленный V_TI. В действительности, как было обнаружено в данном исследовании, добавление ИППВ уменьшает поток и доставленный V_TI. При подключении аппарата ИППВ к ИВЛ в режиме PC-CMV аппарат ИВЛ будет пытаться поддерживать заданное давление (P_vent в уравнении 1). Таким образом, дополнительные поток и давление в дыхательном контуре заставят аппарат ИВЛ снизить поток для поддержания P_vent; доставленный V_{TI также} снизится.

Изменения V_TIиP_lung,I
В режиме VC-CMV величина абсолютного изменения V_TI и P_lung,Iстабильно возрастала при повышении T_Iи рабочего давления. И наоборот, в режиме PC-CMV изменение V_TI было отрицательным, это же справедливо для P_lung,I, за исключением нескольких редких случаев: чем дольше T_I, тем дольше воздействие V̇ и, следовательно, дольше воздействие факторов, рассмотренных выше.

Риск гиперинфляции в конце фазы вдоха при использовании режима VC-CMV выше, чем в PC-CMV, следовательно, при совместном использовании ИППВ и ИВЛ следует выбирать режим с контролем по давлению. Мы обнаружили статистически значимые различия между 5 протестированными нами аппаратами ИВЛ, однако, вероятно, эти различия не имеют клинической значимости. Как бы то ни было, мы обнаружили, что при использовании аппарата A совместно с ИППВ существует риск ухудшения альвеолярной вентиляции и спадения альвеол, в особенности при самом продолжительном T_I и самом высоком рабочем давлении ИППВ.

В одном из исследований, проведенных ранее (Tsuruta et al.), ИППВ на фоне ИВЛ в режиме PC-CMV применялась для терапии 10 пациентов с ожирением, у которых наблюдались стойкие компрессионные ателектазы и гипоксемия после перенесенных операций на органах брюшной полости. Показатель PaO₂/FiO₂ вырос с 189 ± 63 до 243 ± 67 мм рт.ст. в течение 3 часов после начала ИППВ, и улучшение сохранялось более суток. Как показала компьютерная томография легких, проведенная через 24 после ИППВ, задние отделы легких, в которых до проведения ИППВ были обнаружены ателектазы, снова вентилировались. Можно предположить, что улучшению оксигенации способствовало рекрутирование легких с помощью ИППВ. Данное исследование не было контролируемым, из-за чего полученные результаты могут быть объяснены и другими факторами (например, спонтанное разрешение ателектазов со временем). Другой автор (Dellamonica et al.) настаивает на том, что полученные результаты могут быть связаны с увеличением объема легких. Полученные нами данные показывают, что это не является причиной, поскольку V_TI не увеличивался при использовании ИППВ совместно с ИВЛ в режиме PC-CMV.

Изменения P_lung,E
В этой работе мы не использовали ПДКВ равное нулю. Это решение основано на результатах предыдущих исследований и рекомендациях производителя оборудования (http://www.percussionaire.com/A50474-2alog.asp). Как только была начата ИППВ, P_lung,Eсистематически увеличивалось в любом режиме ИВЛ, со статистически (но, вероятно, не клинически) значимой разницей между VC-CMV и PC-CMV. Для комбинации T_I = 1,5 с и рабочее давление = 30 psi (см. Таблицу 1) режим ИВЛ не оказал статистически значимого влияния на изменения P_lung,E. Вероятно, причина этого в высоко заданном параметре эластичности легких, что могло минимизировать увеличение P_lung,E. Различия по P_lung,Eмежду аппаратамиИВЛ были статистически, а также клинически значимы. В частности, аппарат A ассоциировался с самым высоким значением ΔP_lung,Eв режиме PC-CMV.

Мы обнаружили, что выбранный режим ИВЛ не оказывал влияния на ПДКВ. Причина в том, что ПДКВ создается регулировкой давления. Таким образом, аппарат ИВЛ сбросит давление до заданного значения ПДКВ и будет стремиться удерживать давление на том же уровне. Следовательно, ИППВ-колебания приведут к снижению P_vent для поддержания того же ПДКВ. Таким образом, исследование нескольких значений ПДКВ не дало четкого результата.

Клинические аспекты.
Полученные данные дают основания для следующих рекомендаций: при использовании ИППВ совместно с ИВЛ следует выбирать режим ИВЛ с контролем по давлению (а не объему) и T_I = 0,8 с. Читатель должен иметь в виду, что, если к конвенциональной ИВЛ добавляется ИППВ, мониторинг подаваемого объема будет нерелевантен. Это оказалось справедливо для всех 5 моделей вентилятора, которые мы использовали в данном эксперименте.

Ограничения.
Главное ограничение данного исследования состоит в том, что оно проводилось in vitro, таким образом, его результаты не могут быть напрямую применимы к пациентам. В частности, данный тип исследования не может оценить влияние протестированных комбинаций параметров на гемодинамику. Другим недостатком является то, что значения растяжимости и сопротивления тестового легкого были одинаковыми на протяжении нашего исследования. Однако известно, что давление и объем, подаваемые аппаратом ИППВ, зависят от изменений растяжимости и сопротивления легочной ткани.

В заключение следует отметить, что, как было предположено в данном исследовании, когда триггер реанимационного аппарата ИВЛ настроен так, чтобы избежать автотриггирования, при использовании ИППВ совместно с конвенциональной ИВЛ следует выбирать режим PC-CMV.