33.Wspomaganie wentylacji
advertisement
Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, Kraków 2015 Rozdział 33. Sztuczne wspomaganie wentylacji płuc czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l Oddychanie zapewnia właściwą wymianę gazowych składników przemiany materii (tlenu i dwutlenku węgla). Czynność ta jest konieczna do zapewnienia stałego kontaktu błony pęcherzyków płucnych ze świeżymi zasobami tlenu i nieograniczonym odbiornikiem dwutlenku węgla. W przypadku fizjologicznym wentylacja zachodzi bezwiednie za przyczyną mięśni oddechowych sterowanych z ośrodkowego układu nerwowego (por. rozdział 17). Celem sztucznego wspomagania oddechu jest umożliwienie oddychania osobie, która w wyniku chorób nie jest wstanie wykonywać tej czynności samodzielnie. Pacjentów, którzy potrzebują sztucznego wspomagania oddechu klasyfikuje się w dwóch głównych kategoriach: − krótkoterminowych – wentylacja trwa do 7 dni, lub krócej do czasu, gdy dolegliwości związane z niemożnością oddychania ustaną oraz − długoterminowych - którzy mają dłuższe zapotrzebowanie na wspomaganie oddychania z powodu przewlekłych schorzeń. W przypadku długoterminowej wentylacji istotnymi zagadnieniami stają się: obniżenie kosztów tego zabiegu, nieinwazyjność, bezpieczeństwo i higiena, możliwość stosowania przez pacjenta w domu, poprawa jakości jego życia oraz redukcja obciążeń dla systemu lecznictwa zamkniętego. Konstruktorzy nie ustają w działaniach, aby urządzenia do sztucznego wspomagania oddechu realizowały te założenia. Najprostszym sposobem prowadzenia sztucznej wentylacji pod przerywanym ciśnieniem dodatnim jest oddech metodą usta—usta. W warunkach intensywnej opieki najprostszym sposobem sztucznej wentylacji, dostępnym także dla personelu nielekarskiego, jest wspomaganie oddychania ręcznym aparatem AMBU przez maskę. Metoda ta znajduje zastosowanie głównie jako sposób przejściowego zabezpieczenia pacjenta do czasu wprowadzenia rurki tchawicznej. Wentylacja ręcznym aparatem AMBU przez rurkę tchawiczną stanowi podstawowy sposób prowadzenia sztucznego oddechu w ostrym zagrożeniu oddechowym i poza sytuacjami wyjątkowymi nie nadaje się do dłuższego stosowania. Elektromechanicznym urządzeniem wspomagającym oddychanie jest respirator, będący przedmiotrm opisu w tym rozdziale. 33.1. Zasady sztucznego wspomagania oddechu ma ter iał dy da kty Podstawowym celem stosowania wentylacji mechanicznej jest właściwa kontrola wymiany gazowej i poprawa jej parametrów przy zmniejszeniu wysiłku oddechowego pacjenta. W czasie sztucznej wentylacji ruch powietrza w kierunku pęcherzyków płucnych jest spowodowany wytworzeniem różnicy ciśnień w drogach oddechowych. Podczas wdechu, który jest procesem aktywnym (w przypadku fizjologicznym uruchamianym przez przeponę), powietrze przemieszczające się w drzewie oskrzelowym powoduje wzrost ciśnienia w jamach opłucnych. Najwyższe ciśnienia są osiągane pod koniec wdechu. Podczas wydechu, który jest procesem biernym (tak jak w oddychaniu spontanicznym), odbywającym się pod wpływem retrakcji płuc i klatki piersiowej, ciśnienia w płucach stopniowo się obniżają aż do zrównania z ciśnieniem atmosferycznym pod koniec wydechu. Do głównych celów sztucznego wspomagania wentylacji płuc należą: zapewnienie wentylacji pęcherzykowej odpowiedniej dla efektywnej wymiany gazowej i wystarczającego utlenowania krwi oraz zapobieganie przeciążeniom mechanicznym pęcherzyków płucnych (nadmiernemu rozdęciu oraz zapadaniu się). Dodatkowo, konstruktorzy stawiają sobie za cel takie zaprojektowanie respiratora, aby jego Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ma ter iał dy da kty czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l użytkowanie (zwłaszcza w przypadku wentylacji długoterminowej) możliwie najbardziej przyczyniało się do poprawy jakości życia pacjenta. Urządzenie do sztucznego wspomagania oddychania spełnia następujące funkcje: − zapewnienie wystarczającej wentylacji pęcherzykowej, − zapewnienie wystarczającego utlenowania krwi (prężność tętnicza PaO2 ≥ 100 mmHg tj. 13 kPa), − eliminacja dwutlenku węgla (prężność tętnicza PaCO2 ≤ 40 mmHg tj. 5,3 kPa), − zapobieganie nadmiernego rozdęcia pęcherzyków płucnych, − zapobieganie zapadania się pęcherzyków płucnych poprzez wytwarzanie dodatniego ciśnienia końcowo-wydechowego, − przygotowanie mieszaniny oddechowej o pożądanym stężeniu tlenu FiO2 (w powietrzu atmosferycznym FiO2 = 0,209, czyli stężenie tlenu wynosi prawie 21%) − ułatwienie współpracy pacjenta z respiratorem. Ze względu na to, że do poruszania strugi powietrza potrzebna jest różnica ciśnień między wnętrzem klatki piersiowej a początkiem układu oddechowego (usta, nos) wyróżnia się dwie podstawowe metody wspomagania oddechu w przypadku, gdy organizm pacjenta nie jest w stanie przeprowadzać wystarczającej wymiany gazowej: − generowanie ciśnienia negatywnego tj. niższego niż atmosferyczne na zewnątrz płuc przy utrzymaniu normalnego ciśnienia na początku dróg oddechowych; w tej metodzie powietrze jest zasysane do płuc. − generowanie ciśnienia pozytywnego tj. wyższego niż atmosferyczne przy początku układu oddechowego przy utrzymaniu ciśnienia normalnego na zewnątrz klatki piersiowej; w tej metodzie powietrze jest wtłaczane do płuc. Na rysunku 33.1 została przedstawiona metoda wentylacji przerywanej ciśnieniem dodatnim (ang. interrupted positive pressure ventilation, IPPV). Rys. 33.1. Sztuczna wentylacja przerywana ciśnieniem dodatnim IPPV. rozdział 33, str. 2 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ea ny Pm – ciśnienie wytwarzane przez mięśnie, Pr – ciśnienie wytwarzane przez respirator, V – objętość układu oddechowego, C – podatność płuc, R – oporność dróg oddechowych, f – przepływ. tro gdzie: (33.1) m. ag h.e du .p l W trybie zastępowania oddechu wdech jest inicjowany przez respirator, a jego przebieg jest kontrolowany za pomocą jednego z parametrów: ciśnienia, objętości, przepływu lub czasu trwania wdechu. Faza wydechu jest procesem biernym. Przełączenie urządzenia na fazę wydechu inicjowane jest po przekroczeniu jednego z parametrów: objętości, ciśnienia lub czasu fazy wdechu. Podczas wspomagania oddychania respirator wytwarza dodatkowe ciśnienie zastępujące lub wspomagające ciśnienie wytwarzane przez mięśnie zgodnie ze wzorem 33.1: dy da kty czn yp ob ran yz es Respirator jest urządzeniem automatycznym składającym się z następujących podzespołów [1]: − systemu podłączenia urządzenia do pacjenta, − źródła zasilania, − systemu kontrolującego częstotliwość i amplitudę generowanych oddechów, − czujników badających sprawność urządzenia i stan pacjenta (sprzężenie zwrotne). ter iał Rys. 33.2. Schemat działania typowego współczesnego respiratora. Zawór wydechowy zamykany przy wdechu, zawór wdechowy zamykany przy wydechu. Pomiar z sensorów wyświetlany na monitorach, decyduje o ew. włączeniu alarmów. ma Sztuczne zastępowanie lub wspomaganie oddechu jest wykorzystywane przede wszystkim na oddziałach intensywnej opieki medycznej (OIOM) i zapotrzebowanie pacjentów na nie zwykle mija z czasem. Okolo 5% pacjentów opuszczających OIOM wymaga kontynuacji regularnego wspomagania oddechu nawet po dłuższym czasie. O rozdział 33, str. 3 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 h.e du .p l przewlekłym wspomaganiu oddechu mówimy w przypadku pacjentów potrzebujących go przez okres ponad 21 dni przez dłużej niż 6 godzin na dobę. Przewlekłe zastępowanie oddechu może prowadzić do upośledzenia naturalnego automatyzmu oddychania (spłycenie, niemiarowość lub okresy bezdechu). Wówczas odłączenie respiratora jest możliwe po przeprowadzeniu reedukacji, polegającej na stopniowej zmianie proporcji oddechów zastępowanych i wspomaganych. Wskazaniami do stosowania sztucznego wspomagania oddechu mogą być również: chorobliwa otyłość, zaburzenia geometrii klatki piersiowej, dystrofia mięśniowa i inne. ag 33.2. Klasyfikacja urządzeń do wspomagania oddechu czn yp ob ran yz es tro ny ea m. Klasyfikację urządzeń do wspomagania oddechu można przeprowadzać w oparciu o rozmaite kryteria. Należą do nich: sposób połączenia z układem oddechowym osoby wspomaganej i związany z tym stopień inwazyjności, rodzaj ciśnienia powodującego ruch strugi powietrza, parametr, na którym oparte jest sterowanie wentylacją, tryb pracy i przeznaczenie. Podział pod względem inwazyjności połączenia respiratora z drogami oddechowymi pacjenta wyróżnia: A) Metody inwazyjne (zapewniające szczelność połączenia za cenę ryzyka powikłań infekcyjnych), zakładające wytworzenie sztucznej drogi oddechowej za pomocą (rys. 33.3): − tracheotomii (nacięcie krtani i wprowadzenie rurki do oddychania) lub − intubacji (wprowadzenie rurki do oddychania poprzez usta). kty Rys 33.3 Sposoby wytworzenia sztucznej drogi oddechowej a) tracheotomia, b) intubacja ma ter iał dy da B) Metody nieinwazyjne, wykorzystujące naturalne drogi oddechowe: − respiratory z dodatnim ciśnieniem (ang. noninvasive positive pressure ventilation), − respiratory z ujemnym ciśnieniem (ang. negative pressure ventilation), − wentylacja ustnikowa (ang. mouthpiece ventilation, MPV) − łóżko ciśnieniowe i pas ciśnieniowy (ang. rocking bed and pneumobelt) − stymulator nerwów przeponowych (ang. diaphragm parcing) − oddychanie językowo gardłowe ("żabi oddech", ang. glossopharyngeal breathing, GPB) Z uwagi na rodzaj ciśnienia wytwarzanego w drogach oddechowych w czasie wdechu wyróżniamy respiratory: rozdział 33, str. 4 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 − m. ag h.e du .p l wytwarzające ujemne ciśnienie dookoła ciała (z wyjątkiem głowy) lub tylko klatki piersiowej pacjenta, tzw. „żelazne płuca”, − wytwarzające dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych pacjenta. Wytwarzanie ujemnego ciśnienia za pomocą „żelaznego płuca”, choć bardziej zbliżone do fizjologicznego oddychania, jest wspomniane ze względów historycznych, choć stosowane jeszcze czasem w długotrwałej wentylacji domowej. Współczesne respiratory wspomagają wentylację dodatnim ciśnieniem, które podczas wdechu wytwarza się wewnątrz organizmu zwiększając tym samym objętość płuc oraz skuteczność procesu wentylacji. Niezależnie od sposobu napędzania strugi powietrza podczas wdechu, faza wydechu jest fazą bierną, w czasie której powietrze jest usuwane siłami sprężystości i mięśni klatki piersiowej. ma ter iał dy da kty czn yp ob ran yz es tro ny ea Z uwagi na parametr, na którym oparte jest sterowanie wentylacją wyróżniamy respiratory: − sterowane ciśnieniem – faza wdechu kończy się, gdy osiągnięta zostaje zaprogramowana wartość ciśnienia w drogach oddechowych; wadą tego rodzaju urządzeń jest brak gwarancji zapewnienia pożądanej wentylacji minutowej, − sterowane objętością – faza wdechu kończy się, gdy osiągnięta zostaje zaprogramowana wartość objętości gazów oddechowych w płucach; tego rodzaju urządzenia posiadają zabezpieczenia przed wystąpieniem zbyt niskiego lub zbyt wysokiego ciśnienia w drogach oddechowych; − sterowane czasem – faza wdechu kończy się po upływie zaprogramowanego interwału czasu odmierzanego przez układ elektroniczny. Obecnie produkowane respiratory są urządzeniami elektronicznymi i w większości posiadają możliwość wyboru parametru sterującego przed rozpoczęciem zabiegu. Rys 33.4 przedstawia krzywe objętości, przepływu i ciśnienia w przypadku wspomagania sterowanego objętością i ciśnieniem. Rys. 33.4 Krzywe objętości, przepływu i ciśnienia w przypadku wspomagania sterowanego objętością i ciśnieniem. rozdział 33, str. 5 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 es tro ny ea m. ag h.e du .p l Urządzenia do wspomagania oddychania mogą pracować w jednym z dwóch trybów: − wspomagania (ang. assist) i − zastępowania (ang. control). Wspomaganie wentylacji ma na celu przejęcie choćby części wysiłku oddechowego pacjenta, aby zachować aktywność mięśni oddechowych (zapobieganie zaników mięśniowych, skrócenie czasu odzwyczajania się od respiratora), zmniejszając zarazem ryzyko wystąpienia niekorzystnych reakcji hemodynamicznych. Praca respiratora jest sterowana parametrami oddechu pacjenta (trigger, patrz 33.3) mierzonymi na bieżąco za pomocą sensorów przepływu i ciśnienia. W trybie wspomagania respirator może w różny sposób uwzględniać parametry oddechowe osoby wspomaganej, co jest analogią do pracy sprzężenia zwrotnego i bywa nazywane „pracą w zamkniętej pętli”. Respirator umożliwia synchronizację z oddechem własnym pacjenta, modyfikacje trybów wentylacji na bieżąco oraz kontrolę różnych wartości granicznych i generowania alarmów w zależności od bieżących ustawień wentylacji) W trybie zastępowania wszystkie parametry wentylacji ustalane są przez prowadzącego terapię, co przyczynia się do całkowitej eliminacji wysiłku oddechowego ze strony pacjenta. Wykorzystanie tego sposobu jest w pełni zrozumiałe w przypadku, gdy pacjent nie jest w stanie podjąć własnego oddechu. Praca w tym trybie zwana jest niekiedy „pracą w otwartej pętli”, przez analogię do braku sprzężenia zwrotnego. Respirator wykonuje wentylację według zadanego programu, niezależnie od ruchów oddechowych osoby wspomaganej i dokonuje kontroli wartości alarmowych. iał dy da kty czn yp ob ran yz Z uwagi na przeznaczenie i docelowe miejsce stosowania można wyróżnić respiratory przeznaczone dla (por. tab. 33.1): − oddziałów intensywnej opieki medycznej; są to urządzenia relatywnie duże, posiadające wiele zaawansowanych ustawień umożliwiających elastyczność przy programowaniu terapii, − jednostek transportu medycznego; to niewielkie, proste w obsłudze aparaty, ich podstawowym zadaniem jest utrzymanie pacjenta przy życiu podczas transportu do szpitala, − pacjentów pozaszpitalnych do użytku w domu lub ośrodkach opiekuńczoleczniczych; są to niewielkie (kilka – kilkanaście kilogramów) urządzenia, bardzo proste w obsłudze – ich codzienna obsługa jest ograniczona do włączenia i wyłączenia aparatu. Wymienione kryteria klasyfikacji dotyczą najczęściej stosowanych respiratorów naśladujących naturalny oddech człowieka. Pracujące one z częstotliwościami do 150 oddechów na minutę, przy czym wartości przeciętne to ok. 12-15 oddechów na minutę dla osoby dorosłej i 30-40 dla niemowląt [1]. Warto wspomnieć, że istnieją też respiratory wysokich częstotliwości generujące nawet 900 cykli oddechowych na minutę. Są one przydatne w sytuacjach, gdy użyteczna objętość płuc jest bardzo mała (np. są one nie do końca wykształcone) lub przy nieszczelności płuc. ter 33.3. Sposoby synchronizacji oddechu ma Respirator pracujący w trybie wspomagania ma możliwość dostosowania wielu parametrów do naturalnej czynności oddechowej pacjenta. Jest to korzystne ze względu na podtrzymanie funkcji automatyzmu oddychania, możliwość dostosowania oddechu do zmian obciążenia organizmu, a także z powodu lepszego komfortu osoby rozdział 33, str. 6 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ma ter iał dy da kty czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l wspomaganej. Dostosowanie to wymaga zastosowania szeregu sensorów oraz takiego ich odczytu, aby z dużą wiarygodnością wykryć początek fazy wdechu i wydechu. Faza wdechu jest zwykle inicjowana przez sygnał sensora, który w zadanym interwale czasu mierzy jedną z wartości: ciśnienie, objętość lub przepływ. W momencie, w którym dana wartość osiąga pewną ustaloną wartość – rozpoczyna się cykl oddechowy. W przypadku, gdy kryterium inicjującym jest czas, częstość wdechów wymuszanych przez respirator jest ściśle określona. W przypadku prób częstszego oddechu ze strony pacjenta istnieje duże prawdopodobieństwo desynchronizacji pomiędzy nim, a respiratorem. Przy inicjacji na podstawie ciśnienia obie zastawki (wdechowa i wydechowa) są zamknięte, pacjent musi wytworzyć ujemne ciśnienie w układzie, aby otworzyć zastawkę wdechową i wyzwolić wdech. Przy inicjacji na podstawie przepływu zastawki wydechowe są otwarte, następuje ciągły przepływ gazu w ich kierunku. Tryb przepływowy jest bardziej czuły, przez co zmniejszony jest wysiłek oddechowy pacjenta. Faza wydechu, która fizjologicznie jest procesem biernym, może być inicjalizowana na trzy sposoby: − objętością – przełączenie następuje po dostarczeniu pacjentowi określonej objętości oddechowej, po której może nastąpić pauza wdechowa, − ciśnieniem – przełączenie następuje po osiągnięciu ustalonego ciśnienia w górnych drogach oddechowych (odpowiadającego założonej wartości ciśnienia pęcherzykowego), sterowanie takie bierze pod uwagę dodatkowe ciśnienie ujemne wytwarzane przez przeponę i może zwiększać przepływ wdechowy przy zwiększonym wysiłku oddechowym pacjenta (lepsza synchronizacja z respiratorem). − czasem – faza wdechu ma stały ustalony wcześniej czas trwania, po której następuje krótka pauza wdechowa. Jednym ze sposobów sztucznego wspomagania oddechu jest zastosowanie wentylacji ustnikowej (ang. mouthpiece ventilation, MPV). Tego rodzaju urządzenia, w odróżnieniu od standardowych wentylatorów sterowanych objętością, mogą pracować w otwartym obiegu bez alarmowania o zbyt niskim ciśnieniu. Początek wdechu powoduje wytworzenie ciśnienia wstecznego (200 – 300 Pa) w ograniczniku przepływu gazu w ustniku, dzięki czemu możliwe jest nieuruchamianie alarmu o wystąpieniu bezdechu. Gdy urządzenie jest w trybie wspomagania, sterowanie może pozostawać włączone przy otwartym obwodzie powietrznym przez długi czas. W celu ponownego uruchomienia mechanizmu wentylacyjnego wystarczy zassać powietrze przez ustnik. Takie rozwiązanie pozwala na wentylowanie pacjenta, tylko wtedy, gdy faktycznie jest na to zapotrzebowanie oraz względnie nie przeszkadza mu w codziennym życiu (kaszel, mowa). W ten sposób pacjent uzyskuje tyle wspomagania oddychania ile potrzebuje. Pozwala to również na wykonanie wielu oddechów jednocześnie, bez wydychania, co zwiększa pojemność życiową (ang. vital capacity, por. rozdz. 17). Wykonując odruch kaszlu osoba wspomagana metodą MPV, której naturalny kaszel jest nieefektywny, uzyskuje większy przepływ wydechowy, wystarczający do oczyszczenia płuc z wydzielin. Dodatkowo, metoda MPV jest możliwa do stosowania w warunkach domowych do wspomagania wentylacji dla osób z chronicznymi zaburzeniami oddechu. Zwykle respiratory domowe pracują w trybie wspomagania wdechu sterowanym objętością lub ciśnieniem. Posiadają one blokadę samoczynnego włączania się przy otwartym obwodzie powietrznym. Przewaga metody ustnikowej nad metodami inwazyjnymi rozdział 33, str. 7 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 .p l (takimi jak tracheotomia) polega także na redukcji ryzyka związanego z infekcjami, które są bardziej prawdopodobne u osób stosujących zewnętrzne przetoki. du 33.4. Sensory ciśnienia i przepływu ran yz es tro ny ea m. ag h.e Ciśnienie i przepływ należą do podstawowych parametrów wentylacji. Ich pomiar powinien się odbywać jak najbliżej dróg oddechowych pacjenta. Niespełnienie tego warunku może skutkować zafałszowaniem wyników pomiarów. Najczęściej sensory znajdują się w samym respiratorze (rys. 33.5), przez co należy wziąć pod uwagę, iż zmierzone ciśnienie w czasie oddechów kontrolowanych będzie zawyżone, natomiast w trakcie oddechu własnego zmierzone będzie niedoszacowane. Pomiar przepływu wskaże wartość większą o objętość gazu znajdującego się w rurach. ob Rys. 33.5 Rozmieszczenie sensorów w układzie dostarczania powietrza wdechowego w respiratorze [14]. ma ter iał dy da kty czn yp Do pomiaru ciśnienia w respiratorach stosuje się sensory następujących typów: − pojemnościowe, przetwarzające ciśnienie na pojemność elektryczną pomiędzy dwoma okładkami kondensatora, z których jedna jest elastyczną membraną, a druga jest sztywna. Materiałem membrany najczęściej jest krzem [2]. Pod wpływem ciśnienia zmienia ona kształt, co jednocześnie zmienia pojemność kondensatora. − piezorezystancyjne, przetwarzające naprężenia membrany krzemowej na zmianę oporności piezorezystorów, która jest wykrywana za pomocą prądu niezrównoważenia mostka Wheatstone’a (rys. 33.6). Rys. 33.6 Piezorezystancyjny sensor ciśnienia stosowany w respiratorach. rozdział 33, str. 8 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l Do pomiaru przepływu w respiratorach stosuje się sensory następujących typów: − oporowe, ekranowe - pomiar różnicy ciśnień przepływającego gazu przed i za przeszkodą (kilka elementów oporowych ułożonych w osi przepływu) lub zwężeniem. Za pomocą równania Bernoulliego można wyznaczyć natężenie przepływu powietrza w rurce sensora. − anemometry – (1) pomiar zmiany oporności ogrzanego drucika umieszczonego w środku przepływu gazu (oziębianie drucika w zależności od szybkości przepływu); (2) pomiar prądu potrzebnego do ogrzania sensora schładzanego mierzoną strugą powietrza dla uzyskania stałej różnicy temperatury względem czujnika referencyjnego (rys. 33.7a). − pneumotachometry wirowe – (1) pomiar ultradźwiękowy zawirowań spowodowanych przez przeszkodę na drodze przepływającego gazu (rys. 33.7b); (2) różnicowy pomiar czasu propagacji fal ultradźwiękowych emitowanych na przemian w kierunkach zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu. Różnica czasu propagacji sygnału jest proporcjonalna do szybkości powietrza, która pomnożona przez średnicę rurki pozwala uzyskać natężenie przepływu. ob Rys. 33.7: Wybrane sensory przepływu stosowane w respiratorach: a) anemometr, b) pneumotachometry wirowy (opracowano na podst. [3]) dy da kty czn yp Uzupełnieniem zestawu sensorów respiratora są czujniki składu chemicznego gazów oddechowych. Do grupy tej należą: − kapnometry służące do oznaczania pomiaru końcowo-wydechowego ciśnienia parcjalnego CO2; zasada pomiaru wykorzystuje zjawisko pochłaniania przez cząsteczki dwutlenku węgla promieniowania podczerwonego o długości fali 4,26 µm, zmierzone wartości EtCO2 (ang. end tidal CO2) podawane są w procentach objętości lub mmHg. − tranzystor jonowo-selektywny jest czujnikiem elektrochemicznym mierzącym prężność PaCO2: niestety analogiczny pomiar PaO2.nie jest obecnie możliwy. 33.5. Zapewnienie bezpieczeństwa osoby wspomaganej ma ter iał Aspekty medyczne Podstawowym sposobem wspierania lub zastąpienia nieskutecznego oddechu spontanicznego jest sztuczna wentylacja pod przerywanym ciśnieniem dodatnim (IPPV, rys. 33.1). Przy tym sposobie sztucznego oddychania płuca wypełniane są powietrzem, zwykle wzbogaconym w tlen, w wyniku wytwarzania dodatniego ciśnienia w tchawicy. Oddychanie wspomagane tą metodą różni się od oddechu fizjologicznego, gdyż powietrze jest wtłaczane do płuc, a nie zasysane jak podczas oddechu spontanicznego. Zmiana mechanizmu oddychania pociąga za sobą następstwa krążeniowe (wyjaśnione rozdział 33, str. 9 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l poniżej), zmienia rozpływ strugi powietrza w gałęziach drzewa oskrzelowego oraz stosunek wentylacji do przepływu w poszczególnych obszarach płuc. U człowieka oddychającego spontanicznie ciśnienie ujemne wytwarzane w klatce piersiowej podczas wdechu wspomaga dopływ żylny do prawego przedsionka serca i sprzyja zwiększeniu rzutu minutowego. Podczas mechanicznego wtłaczania powietrza wytworzone w klatce piersiowej ciśnienie dodatnie utrudnia dopływ krwi z dużych żył do serca. Osoby ze zdrowym krążeniem kompensują ten wpływ mechanicznej wentylacji wzmożonym napięciem żył, które podnosi centralne ciśnienie żylne i przywraca gradient ciśnienia krwi, konieczny dla napełnienia komór. Kompensacja taka może okazać się utrudniona lub niemożliwa u chorych z hipowolemią lub u osób pozostających pod działaniem leków, które zmniejszają napięcie układu żylnego (barbiturany, leki blokujące receptory alfa adrenergiczne). Jeżeli wentylacja mechaniczna powoduje niepokojący spadek rzutu minutowego, kompensację może ułatwić dodatkowe wypełnienie łożyska naczyniowego płynami. Rozdział powietrza w płucach podczas wdechu zależy od oporu, jaki wprowadzane powietrze napotyka w poszczególnych częściach płuc. W stanach chorobowych wymagających wentylacji mechanicznej opór ten jest najczęściej nierównomierny, co sprzyja nierównomiernemu rozdziałowi strugi wtłaczanego powietrza i zmniejsza skuteczność wentylacji. Równomierność wentylacji płuc mogą poprawić: użycie wysokich ciśnień wdechowych i wydłużenie czasu trwania wdechu. Kolizja tych wskazań ze zaleceniami mającymi na celu zmniejszenie niekorzystnego wpływu mechanicznej wentylacji na dopływ żylny zmusza do rozwiązań kompromisowych. U pacjenta z normalnymi płucami stosunek czasów trwania fazy wdechowej do fazy wydechowej podczas wentylacji mechanicznej wynosi zwykle 1 : 2. Czas trwania wdechu nie powinien być krótszy niż 1 sek. W niektórych chorobach związanych ze wzrostem oporu dróg oddechowych pożądany jest raczej oddech rzadki z możliwie długą fazą wdechu i wydechu. Ciśnienie dodatnie wytwarzane przez respirator u wlotu dróg oddechowych ulega stopniowej redukcji wzdłuż drogi przepływu powietrza, tak iż na ścianę pęcherzyków płucnych działa tylko ok. 25% pierwotnej wartości ciśnienia. ma ter iał dy da kty Aspekty techniczne W celu zapewnienia bezpieczeństwa osoby wspomaganej oddechowo respirator jest wyposażony w rozmaite rozwiązania konstrukcyjne, systemy pomiarowo-kontrolne i zabezpieczenia. Należą do nich: − zastawki kierunkowe zabezpieczające przed cofaniem się gazów, − dodatkowa bateria na wypadek awarii zasilania, − zawór umożliwiający pacjentowi oddychanie powietrzem atmosferycznym w przypadku awarii respiratora, − sygnały świetlne (migające lub o zmienionym kolorze ikony/diody w obszarze interfejsu) i dźwiękowe powiadamiające o nieprawidłowościach w pracy respiratora, − wbudowany kompresor lub ręczny mechanizm wentylacyjny uniezależniający aparat od dostarczania gazów z zewnątrz, − blokaaę ustawień (zwłaszcza w przypadku domowych aparatów wspomagających oddychanie), zabezpieczająca przed przypadkową zmianę ustawień przez osobę niewykwalifikowaną, − oprogramowanie automatycznie wzywające pomoc w razie pojawienia się jakichkolwiek nieprawidłowości. rozdział 33, str. 10 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 − iał dy da kty czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l zabezpieczenie mechaniczne przed udławieniem w postaci kołnierza ochronnego na rurce intubacyjnej. − zabezpieczenie przed nieprawidłowymi parametrami dostarczanej mieszanki powietrznej. Respirator jest urządzeniem automatycznym wyposażonym w mikroprocesor. Naturalne jest więc takie jego zaprojektowanie, aby urządzenie, każdorazowo po włączeniu, samoczynnie przeprowadzało testy wybranych podzespołów. Służą one poprawie bezpieczeństwa osoby wspomaganej i polegają na wykrywaniu ewentualnych nieszczelności, określaniu podatności obiegu oddechowego respiratora oraz sprawdzeniu poprawności funkcjonowania sensorów respiratora oraz elektronicznych układów wykonawczych. Do przykładowych sekwencji testowych należą: − Test zastawki bezpieczeństwa sprawdza prawidłowość działania tej zastawki. Wyświetla ciśnienie wydechowe na pasku ciśnienia. Jeżeli test zastawki bezpieczeństwa zakończył się niepomyślnie to urządzenie sygnalizuje awarię i nie może być uruchomione. − Test ciśnienia końcowo-wydechowego (ciśnienie PEEP, czyli dodatnie ciśnienie, które respirator utrzymuje pod koniec wydechu pacjenta, zapobiega zapadaniu się pęcherzyków płucnych) sprawdza czy system PEEP może generować i utrzymywać wcześniej ustawione poziomy PEEP. Jeżeli test czujnika PEEP zakończył się niepomyślnie to urządzenie sygnalizuje awarię i nie może być uruchomione. − Test czujników: przepływu wydechowego i przepływu tlenu sprawdza prawidłowość działania tych czujników. Jeżeli test czujnika tlenu zakończył się niepomyślnie, należy ponownie skalibrować czujnik tlenu. W przypadku negatywnego wyniku testu czujnika przepływu wydechowego urządzenie sygnalizuje awarię i nie może być uruchomione. − Test filtru I/E sprawdza spadek ciśnienia pomiędzy ramieniem wdechowym i wydechowym całego obiegu oddechowego respiratora poprzez porównanie wartości ciśnienia na filtrach. Zignorowanie tego testu lub zignorowanie błędu może mieć wpływ na niewystarczającą ochronę przed bakteriami lub wystąpienie nadmiernego oporu przy wdechu i wydechu. W przypadku respiratorów pracujących w pętli sprzężenia zwrotnego systemy elektroniczne analizują na bieżąco stan pacjenta i mogą zareagować wpływając na przebieg procesu oddychania. W przypadku nieprawidłowości, respiratory uruchamiają priorytetowy system alarmów klinicznych (opisany poniżej). Popularnym rozwiązaniem zabezpieczającym systemy elektroniczne urządzenia jest wzajemny monitoring mikrokontrolerów, np. jeden kontroluje wentylację, drugi mikrokontroler zbiera dane na temat procesu wentylacji. Jednocześnie obydwa mikrokontrolery realizują wzajemne funkcje kontrolne. Respiratory posiadają zabezpieczenia napięciowe, temperaturowe i nadprądowe. ma ter Aspekty użytkowe Respirator może stanowić niebezpieczeństwo dla pacjenta, jeśli jest źle użytkowany lub pozostawiony bez należytej kontroli [4]. Pacjent poddany takiej terapii wciąż wymaga intensywnej opieki, a dodatkowo forma terapii powoduje zwiększone ryzyko innych chorób [5]. We współczesnych maszynach wspomagających oddychanie możliwe jest generowanie bardzo wielu alarmów informujących o aktualnym stanie pacjenta lub samego urządzenia. Alarmy zorganizowane są zazwyczaj w systemie priorytetowym. rozdział 33, str. 11 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ny ea m. ag h.e du .p l Najwyższy priorytet maję najważniejsze zdarzenia związane bezpośrednio z przebiegiem wentylacji: − Alarm wysokiego ciśnienia. Najprawdopodobniej zablokowane drogi oddechowe lub kaszel [6], możliwe zagięcie rurki intubacyjnej. − Alarm niskiego ciśnienia. Najczęściej przeciek w doprowadzeniu powietrza, lub odłączenie pacjenta od respiratora. − Alarm wzmożonego oddechu. Wywoływany przez zmianę stanu pacjenta: niepokój, przebudzenie, ból. Czasami wywoływany fałszywie przez wilgoć w rurkach. − Alarm bezdechu. Sugeruje, że pacjent z jakiegoś powodu przestał oddychać. Dużo częściej jest to sygnał, że aparatura przypadkowo się odłączyła od pacjenta. Alarmy o niższym priorytecie uruchamiane są np. na skutek nieprawidłowej objętości wydechowej czy zbyt niskiego ciśnienia wdechowego. Uruchomienie alarmu może być spowodowane np. częściowym zatkaniem filtru powietrza wdychanego lub wydychanego. tro 33.6. Szczegóły techniczne przykładowych aparatów ran yz es Respiratory są dość rozpowszechnionymi urządzeniami medycznymi i wiele wymagań technicznych jest wspólnych dla aparatów o różnym przeznaczeniu. Tab. 33.1 przedstawia podstawowe parametry przykładowych urządzeń typu szpitalnego (Carefusion AVEA [7]), transportowego (Drager Oxylog 3000 Plus [8]) i ratunkowego (Pneupac VR1 [9]) Carefusion AVEA: Standardowy respirator szpitalny [7]. − Waga ok. 40kg, wymiary ok 40×40 cm + zmienna wysokość (statyw). − Ciśnienie 0 - 90 cm H2O, (0 – 9,2 kPa) przepływ 0,4 - 150 l/min. − Częstotliwość 1-150 /min dla noworodków, 1-120 dla dorosłych/dzieci. − Objętość oddechowa 2ml – 2.5l. − Trigger przepływu 0.1-20 l/min. − 1h działania na baterii, 30 min przy opcji z kompresorem, 4× dłużej przy zastosowaniu zewnętrznej baterii. − Tryby działania: A/C, SIMC, CPAP/PSV, NPPC. ma ter iał dy da kty czn yp ob Tab. 33.1 Podstawowe parametry przykładowych urządzeń do sztucznego wspomagania wentylacji płuc rozdział 33, str. 12 Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 Drager Oxylog 3000 Plus [8]: Respirator przeznaczony do transportu medycznego. − Waga ok. 5,3 kg bez baterii, − wymiary 30×18×18 cm. − Ciśnienie 270 kPa do 600kPa przy przepływie 100 l/min. − Częstotliwość oddechu: 2-60 1/min SIMV, 5-60 1/min CMV, AC. − Objętość oddechowa od 0,05 do 2l. − Czułość triggera przepływu: 1-15 l / min. − 4 godziny działania na baterii. − Łatwy w montażu na łóżku lub w ambulansie dzięki specjalnej obudowie. − Obsługa trybów CMV, AC, SIMV, opcjonalna kapnografia. Pneupac VR1 [9]: Respirator ratowniczy odporny na uszkodzenia mechaniczne, wstrząsy i wibracje. − wentylacja zastępcza pacjentów dorosłych i dzieci − zasilanie pneumatyczne − 2 poziomy stężenia tlenu: 50% i 100% (model VR1 Air Mix) − 3 tryby wentylacji − zastawka ciśnieniowa bezpieczeństwa z alarmem akustycznym − możliwość pracy w rezonansie magnetycznym MRI czn yp ob ran yz es tro ny ea m. ag h.e du .p l Piotr Augustyniak ma ter iał dy da kty Szczególną grupę respiratorów stanowią urządzenia transportowe. Ich użycie jest bowiem zawsze tymczasowe, ale związane z trudnymi warunkami typowymi dla przewozu chorych: możliwością utraty zasilania, koniecznością użycia niezależnego źródła tlenu i łatwością obsługi. Tab. 33.2 przedstawia parametry przykładowych respiratorów transportowych [10]. rozdział 33, str. 13 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 butla tlenowa – czas [min] h.ewentylacja dłatwość u .p stosowania l D, H N 1 35 N, I 1 52 ag alarmy 4h 0,21-1,0 90m D, H m. 10 0,21-1,0 ea E A/C, SIMV j.w + CPAP, PSV j.w j.w czas baterii 4,5 FiO2 zakres E Univent Eagle 754 VersaMed iVent dostępne tryby waga [kg] nazwa zasilanie Tab. 33.2 Wybrane parametry przykładowych respiratorów transportowych (oprac. na podst. [10]) 46 32 60 30 65 77 czn yp ob ran yz es tro ny E 6,8 0,21-1,0 8h D, H N, I 1 Newport HT50 E 6,1 0,21-1,0 75m D, H N 1 Pulmonetic Sys. LVT 1000 G 2,1 CMV, 1,0 Brak D, H N 1 Oceanic Med. IMV Product Magellan G 4,1 A/C, 0,5-1,0 Brak Brak N, I 2 Biomed Devices SIMV IC2A CMV, 0,45-1,0 4h D, H N 2 Pneumac Comp G/E 8,5 IMV 200 G 0,7 CMV, 0,5 Brak Brak N, I 3 Percussionare IMV TXP Legenda: E – prąd elektryczny, G – gaz D – brak łączności (disconnect), H – wysokie ciśnienie (high pressure) 1 – zrozumiałe oznakowanie i łatwy dostęp, 2 – zrozumiałe oznakowanie i dostęp, 3 – niezrozumiałe oznakowanie i trudny dostęp trudny 33.7. Pytania i zagadnienia Przedstaw cele sztucznego wspomagania wentylacji płuc. Jakimi metodami można uzyskać napęd strugi powietrza w drogach oddechowych? Który sposób jest bardziej fizjologiczny i dlaczego? 3. Jakie są fazy oddechu? Jaki jest czynnik napędowy powietrza w każdej z nich? 4. Jaka zależność wiąże ciśnienie wytwarzane przez respirator wraz z ciśnieniem ruchów oddechowych z wielkością przepływu i parametrami mechanicznymi płuc? 5. Narysuj schemat blokowy respiratora i omów jego główne podzespoły. 6. Przedstaw systematykę respiratorów pod względem inwazyjności połączenia respiratora z układem oddechowym pacjenta. 7. Wymień rodzaje respiratorów z uwagi na parametr, na którym oparte jest sterowanie wentylacją. 8. Czym różni się tryb wspomagania od trybu zastępowania oddechu? 9. Przedstaw sposoby synchronizacji wspomagania z oddechem własnym pacjenta. 10. Na czym polega metoda wentylacji ustnikowej? Jakie ma zalety, a jakie wady w stosunku do metody intubacyjnej? ma ter iał dy da kty 1. 2. rozdział 33, str. 14 Piotr Augustyniak Elektroniczna Aparatura Medyczna, rozdz. 33, Kraków 2015 ag h.e du .p l 11. Narysuj schemat rozmieszczenia sensorów w układzie dostarczania powietrza wdechowego w respiratorze. 12. Wymień sensory używane do pomiaru ciśnienia w respiratorach. Przedstaw zasadę działania wybranego sensora. 13. Wymień sensory używane do pomiaru przepływu w respiratorach, Przedstaw zasadę działania wybranego sensora. 14. Wymień systemy pomiarowo-kontrolne i zabezpieczenia stosowane w respiratorach w celu zapewnienia bezpieczeństwa osoby wspomaganej oddechowo. 15. Na czym polega automatyczny test respiratora? Wymień podstawowe sekwencje testowe. m. 33.8. Bibliografia ma ter iał dy da kty czn yp ob ran yz es tro ny ea [1] Chatburn, Robert L. Fundamentals of mechanical ventilation. Cleveland Heights, Mandu Press Ltd., 2003. [2] http://www.zawalny.daminet.pl/cc.htm. [3] www.hamilton-medical.com [4] Make, Barry J and al., et. Mechanical ventilation beyond the instensive care unit. Report of a consensus conference of the American College of Chest Physicians. 5, 1998, Chest, Vol. 113. [5] Marini, John J. Mechanical ventilation: past lessons and the near future. Critical Care, 2013, Vol. 17. [6] Woodruff, D. W. A quick guide to vent essentials. 2005, www.modernmedicine.com. [7] http://www.carefusion.com [8] http://www.draeger.com [9] http://www.smiths.com [10] Boitano L.J., Benditt J.O. "An Evaluation of Home Volume Ventilators that Support Open-Circuit Mouthpiece Ventilation" Respiratory Care 2005 vol. 50 nr 11 str 1457-1461 [11] Chipman D., Caramez M. P., Miyoshi E., Kratohvil J. P., Kacmarek R. M. "Performance comparison of 15 Transport Ventilators" Respiratory Care 2007vol. 52 nr 6, str. 740-751 [12] Statemernt on Home Care for Patients with Respiratory Disorders, Am. J. Respir. Crit. Care Med. vol. 171 2005, str. 1443-1464 [13] Szkulmowski Z. Techniki wentylacji, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu; http://anestezjologia.bydgoszcz.pl/index.php?option=com_docman&task=doc_do wnload&gid=83 [14] Szkulmowski Z. Respiratory, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu; http://www.anestezjologia.bydgoszcz.pl/index.php?option=com_docman&task=do c_download&gid=82 [15] White A.C., O'Connor H. H., Kirby K., "Prolonged Mechanical Ventilation: Review of Care Settings and an Update on Professional Reimbursement", Chest 2008 vol. 133, str. 539-545 Autor dziękuje studentom: Elwirze Borawskiej-Hnatio, Małgorzacie Bulanowskiej, Stanisławowi Ciesielce, Patrycji Dyrcz, Kai Kasper, Paulinie Michoń, Natalii Milaniak, Elwirze Nowiszewskiej oraz Urszuli Pawłowskiej za pomoc w przeglądzie literatury, na której opiera sie ten rozdział. rozdział 33, str. 15
