4. Adaptive support ventilation Adaptivní podpůrná ventilace

- 20-4. Adaptive support ventilation Adaptivní podpůrná ventilace Adaptivní podpůrná ventilace (ASV) je zpětnovazební režim mechanické ventilace, který byl navržen tak, aby upravoval výkon ventilátoru na bázi dech po dechu. Množství ventilační podpory poskytované ventilátorem je určováno měřenými mechanickými charakteristikami a dechovým úsilím pacienta. Cílem ASV je poskytnout nastavenou úroveň alveolární ventilace při minimální dechové práci. ASV může poskytovat plnou nebo parciální ventilační podporu a proto může být využívána při zahájení, udržování nebo k weaningové fázi mechanické ventilace. 4.1 Historický vývoj ASV je následníkem původního režimu známého jako Mandatory minute volume (MMV), který patří mezi první systémy zpětnovazebné kontroly s cílem nastavené kontrolované hodnoty minutové ventilace (Hewlett 1977). Regulovaným parametrem byla frekvence SIMV dechů, která se zvyšovala, pokud nebylo dosaženo požadované výše minutové ventilace (Erica Engström). Jiným způsobem regulace VE pomocí měnlivé výšky inspirační asistence byl režim EMMV extended MMV na ventilátoru Veolar-Hamilton. Limitace MMV zahrnují možný rozvoj RSB (rapid shallow breathing-rychlé mělké dýchání), nakupení dechů (s rozvojem intrinzického PEEP), dodání nebezpečně velkého dechového objemu, zvětšení anatomického mrtvého prostoru. Od roku 1992 je skupinou J.X.Brunnera rozvíjen nový ventilační systém, původně jako tzv. Adaptivní plicní ventilace (ALV), později s názvem ASV-Adaptivní podpůrná ventilace. Režim ASV je první klinicky úspěšnou a v praxi použitelnou aplikací metody minutové mandatorní ventilace s automatizovanou mikroprocesorem řízenou zpětnovazebnou regulací výkonu ventilátoru podle požadavků klinika na rozsah minutové ventilace a změn vlastností celého respiračního systému. Vychází z poznatků Otise (16) z 50.let 20.století o preferenci ventilačního vzorce minutové ventilace spojeného s nejmenší dechovou prací. Původně teoretická koncepce výpočtu minutové ventilace byla realizována díky možnosti stanovit vlastnosti respiračního

- 21 - systému C stat metodou regresní analýzy on line dech po dechu, bez nutnosti dodržení statických podmínek měření. Režim je od konce 90. let 20.století dostupný na ventilátoru Galileo (Hamilton Medical, Reno, NV) a po provedení softwarových úprav a upgradu režimu i na ventilátoru Rafael stejného výrobce. Obrázek 1: Ventilátor Galileo (Hamilton Medical)

- 22-4.2 Charakteristika režimu Princip ventilace Zpětnovazební autoadaptační regulace výkonu ventilátoru je zajištěna softwarovou výbavou ventilátoru, která kontinuálně zpracovává údaje od pacienta snímané prostřednictvím flow sensoru umístěném mezi Y spojkou a tracheální rourkou. Ze smyčky proud/objem je kontinuálně vyhodnocována hodnota exspirační konstanty - RCe. Poddajnost systému je stanovena metodou lineární regresní analýzy nejmenších čtverců (LSF least squares fitting) podle Iottiho (31). Hodnoty proudu, objemu a tlaku jsou měřeny a vyhodnocovány 200x/sec a podle nich regulátor upravuje výstupní výkon ventilátoru. 4.2.1 Výpočet minutové ventilace Zadáním ideální tělesné hmotnosti IBW ventilátor vypočítá cílovou minutovou ventilaci (VE). ASV definuje normální minutovou ventilaci jako: 100 ml/min/kg podle nastavení Body Wt (pro dospělé) 200 ml/min/kg podle nastavení Body Wt (pro děti). Při zadávání vstupů je nezbytné zvolit adekvátní minutovou ventilaci. Je na lékaři, aby stanovil jaké % VE chce dosáhnout. Minutová ventilace se nastavuje pomocí zadání %MinVol, které společně se zadáním Body Wt určuje celkovou minutovou ventilaci v litrech za minutu. Nastavení %MinVol na 100% hodnotu odpovídá normální minutové ventilaci. Nastavení méně než 100% nebo výše než 100% odpovídá menší nebo větší minutové ventilaci než je normální minutová ventilace. Cílová(target) minutová ventilace je z %MinVol vypočítávána takto: target MinVol = Body Wt x %MinVol /1000 (pro dospělé) target MinVol = Body Wt x %MinVol/500 (pro děti) Například při %MinVol = 100% a Body Wt = 70 kg je cílová minutová ventilace vypočítána na 7,0 l/min. Cílová hodnota může být dosažena počtem kombinací

- 23 - dechového objemu (Vt) a frekvence (f) podle obrázku 2. Všechny možné kombinace Vt a f jsou rozloženy na zesílené čáře, která je křivkou cílové minutové ventilace. Obrázek 2: Všechny možné kombinace Vt a f, které odpovídající minutové ventilaci 7,0 l/min leží na zesílené čáře. Záleží jen na lékaři jakou výši %MinVol (VE) chce dosáhnout. Chceme-li hypokapnii (při vysokém ICP) nebo při nadprodukci CO 2 (sepse) bude nutná hodnota vyšší (např.150%). Naopak při weaningu může být vhodné trénovat pacienta nastavením hodnoty nižší než 100%. Ventilátor zajistí optimální dechový vzor (Vt a f), aby bylo stanovené výšky VE dosaženo optimální (cílovou) dechovou frekvencí, při níž se spotřebuje minimum dechové práce, a objemem, který neohrozí pacienta hyperinflací nebo atelektraumatem a předchází nástupu rychlého mělkého dýchání (RSB), které pacienta ohrožuje zvýšením neúčinné ventilace mrtvého prostoru, zvýšením intrinzického PEEP a air-trappingem. 4.2.2 Výpočet ventilace mrtvého prostoru Je kalkulován podle Radfordova nomogramu (27) vycházejícího z tělesné hmotnosti (VD = 2,2 ml/kg tedy u 70 kg pacienta = 154ml)

- 24-4.2.3 Výpočet cílové dechové frekvence k minimalizaci dechové práce a nastavení minimální minutové ventilace Výpočet vychází z práce Otise (16) ze začátku 50.let, který dospěl matematickým výpočtem ke stanovení optimální cílové frekvence při nejmenší dechové práci (obrázek 3). Ta je funkcí nejen minutové ventilace a velikosti mrtvého prostoru, ale také elasticko-rezistančních vlastností respiračního systému. Ty charakterizuje měřená exspirační časová konstanta (RCe) (28, 29). Dechová frekvence je potom zvolena tak, aby měl systém čas na vyprázdnění (min Te musí být 3xRCe). Následný výpočet dechové práce (WOB) využívá metody regresní analýzy křivky proud/objem (metodou LSF) (30, 31), která umožní určení Crs a Rrs bez nutnosti navodit kvasistatické podmínky (32). Obrázek 3: Otisova rovnice: f-target=cílová frekvence, RCe=expirační časová konstanta (je funkcí elasticko-rezistečních vlastností respiračního systému, VD=anatomický mrtvý dechový prostor, VE=minutová ventilace, a =koeficient pro průtokovou křivku (sinusoidální proud odpovídá 0,329) Příkladem je stanovení optimálního dechového vzoru pro 70 kg pacienta s normální plící (obrázek 4). Respirační systém (Raw = 5 cmh 2 O/l/s, exspirační rezistance chlopně a hadic = 5 cmh 2 O/l/s, Crs = 50 ml/cmh 2 O) má měřenou

- 25 - RCexp 0,5 s, odhadnutý VD podle Radforda 154 ml a operátorem nastavené %MinVol na 100%. Z těchto hodnot získáme cílový MinVol. MinVol = 100% x 70 kg x 0,1 l/min/kg = 7 l/min Dále je aplikována Otisova rovnice s následujícími parametry: MinVol = 7 l/min, VD = 154 ml, RCexp = 0,5 s, a = 3,5, f (1) = 10 d/min je určena nomogramem podle výrobce (Tabulka 4). Tabulka 4: Iniciální dechová frekvence při nastavení Adult Hmotnost (kg) Pinsp (cm H2O) Ti (s) 30-39 15 1 14 40-59 15 1 12 60-89 15 1 10 90-100 18 1.5 10 >100 20 1.5 10 SIMV frekvence /min Tato frekvence je vložena do Otisovy rovnice. Je proveden výpočet a je získána další frekvence f(2). ftarget = 14 d/min Konečně, cílový dechový objem je získán vydělením MinVol frekvencí (f): Vtarget = 7000 ml/min : 14 d/min = 500 ml Obrázek 4: Stanovení optimálního dechového vzoru pomocí simulace Auto-Otis

- 26 - Podle Otisovy rovnice vybírá ASV dechový vzor s vyšší frekvencí a nižším Vt u restriktivních pacientů a dechový vzor s pomalou frekvencí a větším Vt u pacientů s COPD. Pokud není detekováno respirační úsilí (pasivní pacient), jsou ventilátorem dodávané mandatorní (dual - control) objemové (volume targetted) dechy s tlakovou charakteristikou (pressure targetted breaths), které jsou časově cyklované (time cycled).tedy dechy s duální kontrolou. Inspirační tlak každého mandatorního dechu je určen ze vztahu tlak/objem během předchozího dechu. Minimální inspirační tlak je 5 cmh 2 O nad PEEP a změna tlaku mezi jednotlivými dechy je max 2 cmh 2 O. Inspirační čas a poměr I : E pro mandatorní dechy jsou řízeny algoritmem ASV a určeny výpočtem podle cílové frekvence a měnící se impedance systému (RCe). Vlastní režim lze charakterizovat jako FS-IMPV (Fully Synchronized Intermittent Mandatory Pressure Ventilation). V plně kontrolovaném režimu pracuje ventilátor jako PCV nebo PSIMV, při spontánní dechové aktivitě jako PSV. Jakmile je detekováno dechové úsilí (aktivní pacient), jsou dodávány objemové, tlakově limitované, proudově cyklované dechy. Tedy opět dechy s duální kontrolou. Pokud pacient zvýší dechové úsilí nad cílový VE, algoritmus ASV automaticky snižuje počet mandatorních dechů a řízeným parametrem se stává Vt. Pokud je Vt adekvátní ASV snižuje inspirační podporu (Pinsp). Pacient tak určuje frekvenci, Ti, Te a VE (pokud je vyšší než cílová VE). ASV regulátor monitoruje a vede pacienta pomocí změn inspiračního tlaku. Změny vyžadující zásah lékaře jsou PEEP, ETS, FiO 2 a inspirační trigger. Praktická činnost ASV vychází z výše uvedených základních principů, které zobrazuje Schéma 5. Jednotlivé principy můžeme zobrazit následovně:

- 27 - Schéma 5: Základní principy režimu ASV 1. Nastavení základních parametrů (zadává lékař) Tělesná hmotnost, %MinVol, PEEP, FiO 2, P max, citlivost ETS a inspiračního P/F triggeru 2. Automaticky nastavené parametry Frekvence PSIMV dechů (podle Otisova vzorce) Inspirační tlak PEEP max = PEEP + 25 cmh 2 O, Pi < (PEEP max 10 cmh 2 O) Inspirační čas 3. Algoritmus provozu zhodnocení pacienta-testování 5 iniciálními PC SIMV dechy s měnlivou výškou Pi (určení RCe = VT/ V peak,exp ), výpočet C dyn (V/P = VT/P peak PEEP), C stat ze vztahu P aw (t) = VT/C + V (t) x R + PEEP i automatický výpočet ventilačního algoritmu k dosažení minimální WOB zahájení optimalizované ventilace pomocí PC SIMV/PSV s automatizovanou úpravou f-simv a Pi udržování optimalizované ventilace pomocí f PC SIMV a výše tlakové podpory Pi (stupeň inspirační tlakové asistence Pi a počtu mandatorních dechů je zpětnovazebně regulován jak na úrovni vztahu f tot a f PC SIMV, tak mezi výší Pi a VT) viz obrázek 5.

- 28 - Obrázek 5: ASV monitor 4.2.4 Bezpečnostní limity ASV 1. Prevence barotraumatu a regionální inflace plíce V tmax = 10 x VD nebo 22 x IBW Maximální tlak generovaný ventilátorem je P max 10 cmh 2 O 2. Prevence atelektraumatu z nízkého end-exspiračního plicního objemu VT min = 2,2 x VD nebo 4,4 x IBW P min = PEEP + 5 cmh 2 O 3. Prevence hypoventilace (bradypnoe) f min = 5 d/min 4. Prevence rychlého mělkého dýchání (RSB) f max = VE / VT min, f max = 60/ 3xRCe) = 20/RCe pro inspirium alespoň Ti = 1x RCe pro expirium alespoň Te = 2x RCe 5. Maximální frekvence mandatorních dechů: 60 d/min 6. Minimální frekvencve mandatorních dechů: 5 d/min 7. Minimální Ti: RCe (0,5 sec) 8. Maximální Ti: 2x RCe (3 sec) 9. Minimální Te: 3x RCe 10. Maximální Te: 12 sec

- 29 - S bezpečnostními limity bezprostředně souvisí pravidla strategie Lung protective (obrázek 6). Ne všechny kombinace VT a f jsou pro pacienta bezpečné. Vysoké objemy mohou plíci přeplňovat a malé objemy nemohou poskytnout dostatečnou alveolární ventilaci. Vysoké frekvence mohou vést k dynamické hyperinflaci, nahromadění dechů a ke vzniku autopeepu. Nízké frekvence vedou k hypoventilaci a apnoe. Proto je potřeba limitovat kombinaci VT a f. ASV za tímto účelem používá dvojí strategii: Operátorem zadané vstupy pro ASV určují absolutní hranice Vnitřní výpočty založené na sledování a změnách plicní mechaniky, které určují tzv. dynamické bezpečnostní limity A: Limit vysokého dechového objemu a tlaku B: Limit nízkého dechového objemu C: Limit vysoké frekvence D: Limit nízké frekvence. Obrázek 6: Pravidla strategie lung protective : zajišťují vyhnout se vysokým objemům a tlakům (A), nízké alveolární ventilaci (B), dynamické hyperinflaci a hromadění dechů (C) a apnoe (D).

- 30 - ASV nemění hodnoty nastavené operátorem, nicméně se změnou vlastností plicní mechaniky se mění dech po dechu dynamické bezpečnostní limity a tak je neustále zajišťován bezpečný dechový vzor (obrázek 7). Obrázek 7: Dynamické limity pro ochranu plíce: aktuální změny podle plicní mechaniky Optimální dechový vzor je revidován dech po dechu podle měřené RCe a C dyn. Podle Otisovy rovnice je vypočítán nový dechový vzor. Např.v případě bronchokonstrikce, zvýšení RCe vyžaduje prodloužení Te. Dochází ke stanovení nového cílového dechového vzoru s větším VT a nižší frekvencí pro dosažení exspiračního equilibria (obrázek 8). Obrázek 8: Změny cílových hodnot při bronchokostrikci

- 31 - V případě nastavení nevhodné hodnoty %MinVol nebo extrémního stavu plicní mechaniky, který je neslučitelný s pravidly Lung protective, ASV hlásí: Unable to meet target -cíl nemůže být dosažen (obrázek 9). Obrázek 9: Nevhodně nastavená hodnota %MinVol, která je inkompatibilní s pravidly strategie Lung protective. ASV vybírá nejbližší bezpečný bod. K dosažení cíle je použita následující strategie: Aktuální VT je menší než cílový VT, inspirační tlak se zvýší Aktuální VT je větší než cílový VT, inspirační tlak se sníží Aktuální VT je roven cílovému VT, inspirační tlak se nemění Aktuální f je menší než cílová f, SIMV frekvence se zvýší Aktuální f je vyšší než cílová f, SIMV se sníží Aktuální f je rovna cílové f, SIMV frekvence se nemění ASV vždy umožní pacientovi spontánní ventilaci. Podpoří jakékoliv spontánní dechové úsilí a výrazně zlepšuje synchonizaci pacient ventilátor. Weaning může být proto zahájen velmi brzy i při 100% nastavení %MinVol. V případě nutnosti tzv. tréninku pacienta je %MinVol snižováno na různé hodnoty (VE), které klinik považuje za bezpečné pro případ vyčerpání pacienta a plného převzetí respiračního úsilí ventilátorem. Nicméně ani vysoké %MinVol nebrání pacientovi v uplatnění vlastní dechové aktivity a následnému snižování ventilační podpory. Ke preciznímu sledování lze využít trendového displeje

- 32 - nebo ASV monitor, který zobrazuje cílový optimální dechový vzor a aktuální dechový vzor včetně inspirační podpory. Výše inspirační podpory je velmi důležitá. Pokud pacient toleruje Pinsp < 8-10 cmh 2 O a fcontrol = 0 a pokud je uspokojivá f Spont a VE lze považovat weaning za ukončený (33). Pochopení teoretických podkladů, algoritmů a omezení vložených do režimu ASV je základním předpokladem porozumění funkce režimu a jeho bezpečného využití v praxi.