Fisiologia della ventilazione e degli scambi gassosi

Mariano Alberto Pennisi

Insufficienza respiratoriaFASE VENTILATORIA

FASE DIFFUSORIA

FASE CIRCOLATORIA

FASE CELLULARE

• Definizione

• Diagnosi

• Classificazione

• Cause

• Segni e sintomi

• Terapia

Alterazione fisiopatologica in cui il sistematoraco-polmonare e/o i centri nervosi deputatial suo controllo non sono in grado di garantire:- Adeguata ossigenazione (O₂) del sangue

arterioso

e/o- Adeguata rimozione dell’anidride carbonica(CO₂)

I criteri per definire un’insufficienza respiratoria si possono cosìschematizzare:

• IR di tipo 1 (ipossiemica)PaO₂ è 3 DS sotto il livello normale corretto per l’età:PaO₂ = 109 mmHg - 0,43 x età (anni)PaO₂ = 106,603 mmHg - 0,2447 x età (anni)± 7,31PaO₂ standard, cioè il valore della PaO₂ corretta per il grado diiperventilazione:PaO₂ standard = 1,66 x PaCO₂ + PaO₂ - 66,4 (quando PaCO₂ < 40mmHg)

• IR di tipo2 (ipossiemica e ipercapnica)PaCO₂ è 2 DS sopra 40 mmHg (> 45 mmHg)♂ tra 36,8 e 39,4 mmHg♀ tra 35,5 e 38,1 mmHg

Crapo RO et al. Arterial blood gas reference values for sea level and an altitude of 1,400 meters. Am J Respir Crit Care Med 1999; 160: 1525-1531Sorbini CA et al. Arterial oxygen tension in relation to age in healthy subjects. Respiration 1968; 25: 3-13

• Definizione

• Diagnosi

• Classificazione

• Cause

• Segni e sintomi

• Terapia

•CLINICA

•LABORATORISTICA

•RADIOLOGICA

• Definizione

• Diagnosi

• Classificazione

• Cause

• Terapia

• Tipo 1 = Alterazioni dell’ossigenazione

ALTERAZIONI DEL RAPPORTO VENTILAZIONE/PERFUSIONE (V/Q), QUOTE DI SHUNT,

CONDUCONO ALLA RIDUZIONE DI paO₂, MENTRE LA paCO₂ E’ NORMALE O

DIMINUITA (IPERVENTILAZIONE COMPENSATORIA)

Gradiente alveolo–arterioso di pressione parziale di ossigeno aumentatoCausa più comune mismatch V/Q e/o Shunt

• Tipo 2 = Alterazioni della ventilazioneSUSSISTE IPOVENTILAZIONE ALVEOLARE. paO₂ RIDOTTA – paCO₂ AUMENTATAGradiente alveolo–arterioso di pressione parziale di ossigeno invariatoCausa più comune ventilazione alveolare

• Tipo 3 = Post – operatoria (causa: atelettasia polmonare)• Tipo 4 = Secondaria a shock (shock cardiogeno ipoperfusione muscoli respiratori)

Meccanismo fisiopatologico

PCO2 80

PiO2 150

∆ (A-a)O2=2

P/F 230 P/F 230 P/F 230

PiO2 150

∆ (A-a)O2=52

PCO2 40

PiO2 150

∆ (A-a)O2=65

PCO2 30

∆ (A-a)O2 vs P/F

FiO2 21%PaO2 48

FiO2 21%PaO2 48

FiO2 21%PaO2 48

PaO2

P/F

normale

basso

∆(A-a) O2

alto

normale

PaCO2 N/↓

Ipoventilazionealveolare

PaCO2 ↑

Alterazione diffusione

29/01/2020

11

29/01/2020

12

• At the tissues, as more carbon dioxide enters the blood:– More oxygen dissociates

from hemoglobin (Bohr effect)

– More CO2 combines with hemoglobin, and more bicarbonate ions are formed

• This situation is reversed in pulmonary circulation

Effetto Haldane

Sangue arteriosoPaO2 100 mmHg

Sangue venosoPaO2 40 mmHg

520

480

L’HbO2 piu acida facilita l’eliminazione della CO2:•Ha meno tendenza a legarsi alla CO2 come carbamino-emoglobina, liberando quindi molta della CO2

sotto questa forma.•Rilascia un maggior numero di H+, che combinandosi con HCO3-

riformano CO2 che passa dal sangue agli alveoli

Variazione normale di CO2

40 mmhg 45 mmhg

SaO2 target

• 94-98% maggior parte dei pazienti (no rischio di ritenzione di CO2)• 88-92% COPD o pazienti a rischio di ritenzione di CO2:

Pazienti con malattie polmonari cronicheBPCOAsma cronica graveBronchiectasie

Malattie della parete toracicacifo-scoliosimalattie neuromuscolariOHS

• Alcuni pazienti possono richiedere target inferiori 85-90%

I target di saturazione devono essere rivisti in caso di modificazioni delle richieste.

29/01/2020

14*Joint Royal Colleges Ambulance Liaison Committee (JRCALC)

*

29/01/2020

15

Conclusion—In this large sample of postresuscitation patients, we found a dose dependent association between supranormal oxygen tension and risk of in-hospital death

O2 treatment delivered by nasal prongs SaO2 between 88% and 92%bronchodilator treatment administered by compressed air

High flow oxygen treatment(8-10 l/min) by a non-rebreatherFM bronchodilators delivered by O2 at flows of 6-8 l/min

PaO2 70 - 100 mm Hg or arteria SaO2 94% and 98% (conservative group) vs PaO2 values up to 150 mm Hg or SpO2 values between 97% and 100% (conventional control group).

17

Effect of Conservative vs Conventional Oxygen Therapy on Mortality Among Patients in an Intensive Care UnitThe Oxygen-ICU Randomized Clinical TrialGirardis M. JAMA. 2016 Oct 18;316(15):1583-1589

Tempo di insorgenza

• ACUTA

• CRONICA

• CRONICA RIACUTIZZATA

ACUTA (sintomi e segni) CRONICA (sintomi e segni)

IPOSSIEMIA SNC: irritabilità, confusione, sonnolenza, convulsioni, coma, morteCIANOSI CENTRALECUORE: aritmieVASI POLMONARI: vasocostrizione ipossica

Policitemia ( eritropietina)Ipertensione polmonareCuore polmonare cronico scompenso cuore destro

IPERCAPNIA Acidosi respiratoriaVasodilatazione perifericaVasodilazione cerebrale: cefaleaSNC: irritabilità, confusione, sonnolenza, coma tremori, tremori alle mani, clonieCuore: aritmie

Compenso renaleCompenso del CSF

• Definizione

• Diagnosi

• Classificazione

• Cause

• Terapia

Riduzione FiO₂ inspirata

Ipoventilazione

Alterazione della diffusione

Alterazione V/Q

Shunt

Oxygen therapi

29/01/2020 22

Arterial Blood Gases and Oxygen Content in Climbers on Mount Everest

Michael P.W. Grocott, M.B., B.S., Daniel S. Martin, M.B., Ch.B., Denny Z.H.

Levett, B.M., B.Ch., Roger McMorrow, M.B., B.Ch., Jeremy Windsor, M.B., Ch.B., and Hugh E. Montgomery, M.B., B.S., M.D. for the Caudwell Xtreme Everest Research Group*

N Engl J Med 2009;360:1409

Riduzione FiO₂ inspirata

Ipoventilazione

Alterazione della diffusione

Alterazione V/Q

Shunt

Il Sistema respiratoria puà essere schematizzato

come composto da due elementi posti in serie

• elemento resistive (vie aeree)

• elemento elastico (gabbia toracica e polmone)

Diaframma

ET tubo

Vie aeree

Gabbia

toracica

PPLPressione pleurica

PawPressione vie aeree

PalvPressione alveolare

Polmoni+ gabbia toracica

(element elastico)Vie aeree

(elemento resistivo)

Il contributo della componente resistive

è funzione di flusso e resistenze (calibro)

delle vie aeree

Flusso resistenza

Il contributo dell’elemento elastico

(polmoni + gabbia toracica) dipende dal grado

di inflazione polmonare

e da compliance di polmone e gabbia toracica

Volume

compliance

Paw = Flusso Resistenze + Volume

Compliance

Polmoni + gabbia toracica

(elemento elastico)

Vie Aeree

(elemento resistivo)

La pompa ventilatoriaUtilizzati in inspirazione

forzata

DIAFRAMMA, pistonesi abbassa di 1.5cm

INTERCOSTALI EST muovono gabbia toracica vso l’alto-esterno

Utilizzati in espirazione forzataInspirazione

tranquilla

STERNOCLEIDOMASTOIDEI

SCALENI

INTERCOSTALI INTERNI

ADDOMINALI

Espirazione: PASSIVA

Pmusc = (Flusso · R) + (Volume · E) + P0

paziente

paziente

La pompa ventilatoriaI controllori della ventilazione

Centri respiratori

• Bulbo encefalico generatori primari del respiro•gruppo ventilatorio dorsale, INSPIRATORIO•gruppo ventilatorio ventrale, ESPIRATORIO

•Ponte (modulano attività Bulbo)

Motoneuroni primari

Motoneuroni secondari

Muscoli inspiratoried espiratori

Corteccia parziale controllo volontario

Sensori neurochimici (IX)PERIFERICIGlomo carotideo: incremento scarica se paO2<60mmHg

Sensori neurochimici CENTRALI: pavimento IV ventricolo: incremento scarica per pCO2

Sensori neuromeccanici (X) a livello:•Vie aeree sup•Trachea•Bronchi•Parete toracica (tendini, mmm, articolazioni)

Ipoventilazione

• Determina sempre un aumento della PaCO2

• Equazione della ventilazione alveolare: PaCO2 = VCO2 x K /VA VCO2 = CO2 espirata K = costante VA = ventilazione alveolare

• Se si dimezza la ventilazione alveolare la PaCO2 raddoppia

VA=(VT-VD) x FR

Deficit di pompa ventilatoria

Deficit di scambio dei gas

Insufficienza polmonare

IRA ipercapnica IRA ipossiemica

Ipoventilazione alveolare

PaCO2

PaO2

PaCO2 =N o

PaO2

Insufficienza respiratoria: fisiopatologia

Disfunzione intrinseca

Carico eccessivo

fatica

disventilazione

Disfunzione alveolare

OstruzioneVie aeree

DisfunzioneVascolare

L’insufficienza di pompa ventilatoria e l’insufficienza polmonareraramente sono isolate (spesso i pazienti presentano problemi misti)

Aumento impedenza o richiesta ventilatoria

CA

USE

EX

TRA

–P

OLM

ON

AR

I • ALTERAZIONI SNCFarmaci (ipnotici, oppiacei) – Traumi cranici – Infezioni SNC

• ALTERAZIONI VIE NERVOSE DI CONDUZIONE/SNPLesioni midollari – Infezioni (poliomielite, botulismo) –Neuriti periferiche (Sdr. di Guillain-Barré) – Malattie degenerative (SLA, SM)

• MALATTIE MUSCOLI RESPIRATORIMiopatie (distrofie, connettiviti) – Paralisi diaframmatica (iatrogeno)

• ALTERAZIONI GABBIA TORACICACifoscoliosi – Torace carenato – Toracoplastica – Fratture costali multiple – Alterazioni diaframmatiche (ernie) –Obesità estrema – Peritonite/occlusione intestinale

CA

USE

PO

LMO

NA

RI

• PATOLOGIE OSTRUTTIVE

Asma, Bronchite Cronica, enfisema

• PATOLOGIE RESTRITTIVEInterstiziopatie, Fibrosi polmonare, Sarcoidosi, Pneumoconiosi

Inspirazione

∆V /C = -V’ •R

Espirazione passiva

RITORNO ELASTICO

SPINGERESISTENZA VIE AEREE

FRENA

Paw = Pel + Pres + PEEP totale = E x VT + R x V’ + PEEP totale

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Vol(ml)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FRC

RCe = 1 sec

RCe = 2 sec

Te = 5 • RCe

Te = 3 • RCe

Tempo (s)

Costante di Tempo Espiratoria (RCe)

RCe = Re • C [s] = [cmH2O•l/s] • [ml/cmH2O] / 1000

Ipe

rin

fla

zio

ne

Din

am

ica

Iperinflazione dinamica

CFR

Vo

lum

e

po

lmo

nare

Time

Durata espirazione insufficiente per permettere al polmone di svuotarsi fino alvolume di rilasciamento del sistema respiratorioCause: • ostruzione vie aeree, • aumento frequenza respiratoria, • aumento del volume corrente , • flow limitation espiratoria

34

Appendini L AM J RESPIR CRIT CARE MED

1996;154:1301-1309.

Partitioning of Inspiratory Muscle Workload and Pressure Assistance In Ventilator-dependent COPD Patients

Partitioning of the PTPpl per breath into its resistive (iPres), elastic IPel,L and Pel.w, lung and chest wall , respectively) , and threshold-load (PEEPi) components in 8 ventilator-dependent COPD pts

threshold-load

(PEEPi) Resistive(iPres)

elastic I Pel,L

Elastic Pel.w,

FORCENormal

Hyperinflated

Riacutizzazione BBCOResistenze

inspiratorie

Resistenze

espiratorie

Appiattimento

Diaframma

PEEPi

Stiffer part

V-P curve

Carico

resistivo

Carico

Elastico

Carico

soglia

LOAD

Iperinflazione

Volume polmonare

29/01/2020 37

Eccessivo carico meccanico

Ridotta capacità di generare forza

forza

caricoSoglia di fatica

Respiro rapido e superficiale

Ipoventilazione alveolare Ipercapnia

CLINICAMENTE

Ristretto di parete

38

Swallowing impairment

complicated

by aspirations

Further deteriorations of the respiratory

function

Microatelectasis

Coughing and

clearing tracheal

secretion impairment

Inspiratory Muscle Weakness

Expiratory Muscle Weakness

Bulbar Muscle Weakness

Scoliosis

hypoventilation

ventilation/perfusionmismatch

↓ PaO2

Rapid shallow breathing

atelectasis

pneumonia

↑ PaCO2

Respiratory infections

Malnutrition

Cardiac failure

Obstructive apnea

Chest wall stiffness

Racca F, Del Sorbo L, Mongini T, Vianello A, Ranieri VM. Minerva Anestesiologica 2010 ;76:51-62

From Boing and Randerath J Tor Dis 7 2015

Obesity hypoventilation syndrome (OHS)

Riduzione FiO₂ inspirata

Ipoventilazione

Alterazione della diffusione

Alterazione V/Q

Shunt

Gli alveoli e la diffusione

• Membrana semipermeabile• 130m2 superficie alveolare (1/2

campo tennis)

• Barriera alveolo capillare 0.5um• Contenuto sangue capillare 200ml• Legge di FickV= Coeff xArea/Spess x (P1-P2)

α/√PM

Coeff. solubilità

Le alterazioni della membrana alveolare modificano

lo scambio di gas fra alveoli e capillari polmonari

Diffusione può essere alterata per:

Diminuzione dell’area disponibile

per lo scambio gassoso

Aumento spessore

membrana alveolare

Aumento della distanza di diffusione

Lo scambio di ossigeno dagli alveoli al sangue richiede il passaggio attraverso la barriera formata da cellule alveolari e endotelio capillare.

• Ispessimento della parete alveolare• Ispessimento della membrana capillare• Aumento del tratto di diffusione tra entrambe

le membrane

ALTERAZIONE DELLA CAPACITA’ DI DIFFUSIONE DEI GAS ATTRAVERSO LA MEMBRANA

ALVEOLO – CAPILLARE

ASBESTOSI – SARCOIDOSI – FIBROSI POLMONARE IDIOPATICA – SCLERODERMIA –ARTRITE REUMATOIDE

VASCULITI

EDEMA POLMONARE CARDIOGENO

Riduzione FiO₂ inspirata

Ipoventilazione

Alterazione della diffusione

Alterazione V/Q

Shunt

Rapporto tra Ventilazione alveolare (V) e Perfusione capillare (Q)

V/Q = 0.8

RAPPORTO VENTILAZIONE/PERFUSIONE• All’apice: - ventilazione; -- perfusione• Alla base: + ventilazione; ++perfusionemaIl rapporto V/P e maggiore all’apice rispetto alla base

• BPCO

• EMBOLIA POLMONARE

• ASMA

• EDEMA POLMONARE

Riduzione FiO₂ inspirata

Ipoventilazione

Alterazione della diffusione

Alterazione V/Q

Shunt

QUOTA DI SANGUE CHE RAGGIUNGE ILCIRCOLO ARTERIOSO DOPO AVERATTRAVERSATO AREE NON VENTILATE

V Q = 0

SHUNT INTRAPOLMONARECONSOLIDAMENTO POLMONARE – ARDS

SHUNT ANATOMICOFISTOLE ARTERO – VENOSE SHUNT INTRACARDIACO (FOP – DIA – DIV – DOTTO DI BOTALLO)

• Definizione

• Diagnosi

• Classificazione

• Cause

• Terapia

Scala R, Heunks L. Highlights in acute respiratory failure. Eur Respir Rev 2018; 27: 180008.

Ventilazione meccanica: storia

A preliminary report on the 1952 epidemic of poliomyelitis in Copenhagen with special reference to the treatment of acute respiratory insufficiency.

Mortality rate from bulbar polio. The mortality rate in July and August 1952 (up to August 27) for bulbar polio in the Blegdams Hospital was 87%. On August 27, 1952, tracheotomy and positive pressure ventilation were introduced

Lassen HC. Lancet 1953;261:37–41

Kacmarek RM, Respir Care 2011;56(8):1170 –1180

Raffaele L. Dellaca’ et al. Breathe 2017;13:84-98©2017 by European Respiratory Society

The first mechanical ventilators were not equipped with sensors.

Mechanical ventilators monitor all the ventilation parameters, allowing both closed-loop control of the generated waveform and providing information to the clinicians

Mechanical ventilators monitor the condition of the patients and automatically adjust the ventilatory parameters on the basis of patients’ needs.

Effects of NPPV on the work of breathing

Appendini L. AJRCCM 1994;149:1069-76

NIV in COPD exacerbations

Brochard L et al. NEJM 1990; 323: 1523

Physiological effects

ARF in COPD

Enrollment criteria:

• pH < 7.35

• RR > 30 breaths/m

• Pa02 < 45 mmHg in room air

Brochard L et al. NEJM 1995;338:817-822

ET intubation Length of stay Mortality

NIV - PS 20 ( n=43 ) 26 % 23 ± 17 days 9 %

O2 ( n=42 ) 74 % 35 ± 33 days 29 %

Hospital stay (days)Endotracheal intubation (days)1-7 8-14 15-21 22-28 > 28

1 hr 2 hr 3 hr 2 3 4 5 >5

20

15

10

5

00

5

10

15

20NIV-PS 20

O2

NIV-PS 20

O2

Hospital stay (days)Endotracheal intubation (days)1-7 8-14 15-21 22-28 > 28

1 hr 2 hr 3 hr 2 3 4 5 >5

20

15

10

5

00

5

10

15

20NIV-PS 20

O2

NIV-PS 20

O2

PEEP

Hypoxemic pts Hypercapnic pts

Ventilazione meccanica invasiva Obiettivo fisiologicodel trattamento

-Eliminazione CO2

-Ossigenazione

-Assistenza mm respiratori

Malattia Primaria

polmonare

-nessuna

-restrittiva

-ostruttiva

-Start-up

-mantenimento

-weaning

Timing Approccio generale

-Aggressivo

(normalizzazione EGA)

-Conservativo

(lung protection)

-Bilanciato

Serve a guadagnare tempo

Rischi

VILIVAP

1111

Compliance is function of normally

aerated tissue

Compliance is not dependent upon

the weight of collapsed or not

aerated tissue

Compliance is a good index of

residual “normal lung tissue”

Gattinoni, Am Rev Respir Dis 1987;136:730

ARDS is restrictive disease!

(“BABY LUNG”)

Strain

Soggetto sanoRespiro spontaneoCompliance 100 ml/cmH2O

• CFR 2500 ml. • Vt 500 ml, • Strain 500 ml/2500 ml = 0.2

ARDS in VM

• CFR 800ml• Vt 500ml• Volume da PEEP (15 cmH2O) 300 ml• Strain 800/800 = 1

Compliance 30 ml/cmH2O

Driving Pressure (DP)

• DP=Ppl−PEEP

• CRS = Vt/Ppl−PEEP= Vt/DP

DP = Vt/CRS

Airway DP is the difference between plateau pressure and PEEP and represents the cyclic strain to which the lung parenchyma is subjected during each ventilatory cycle

decreased:

recruitment

PEEP

increased:

overdistention

driving pressure ?

Driving Pressure and Survival in the Acute Respiratory Distress Syndrome

Am J Respir Crit Care Med Vol 157. pp 1721–1725, 1998

Paw

Tempo

PSV livello di pressione inspiratoria

Jolliet and Tassaux, Crit Care 2006;10(6):236

Respiratory Respiratorymuscle muscleworkload

Level of pressure supportLevel of pressure support

• increased hyperinflation• delayed cycling• PEEPi

•ineffective breaths• discomfort

• tachypnea

• discomfort• hypercapnia

Optimal OptimalPS levelPS level

29/01/2020

73

PSV

PSV 20 cmH2O

Flusso decrescente (ventilazione pressometrica passiva)Il paziente dopo aver attivato il trigger mette a riposo i muscoli respiratori

PSV 5 cmH2O PSV 15 cmH2O

il flusso inspiratorio non decresce (persistente attività dei muscoli inspiratori)

Noninvasive Ventilation for patients with Hypoxemic ARF

Semin Respir Crit Care Med 2014;35:492–500.

Vent

0

Paw

Pmus

Stress,max

?

?

NIVSelf inflictedLung Injury (SILI)

CCM 2016