Respirationsfysiologi Lund April 2012

Patientfall 65 år gammal tidigare somatiskt frisk man (76 kg; 178cm) inkommer på IVA med tilltagande andningssvårigheter efter ca 1 veckas anamnes på luftvägsinfektion. Status vid inkomsten (kl 10.00): AF 32/min; SatO2 90% med O2 10 l/min (oxymask); BT 90/40; HF 115; T 38,5. Arteriell blodgas – v.g. se BGA1. Rtg pulm visar infiltrat i höger ovanlob.

Respirationsfysiologi

BGA 1 BGA 2 BGA 3 BGA 4 pH 7,36 7,38 7,19 7,05 paO2 7,6 8 6,5 6,6 paCO2 4,2 4,5 6,9 9 HCO3- 20 19 22 23 BE -4 -5 -7 -7,2 SaO2 90 92 85 Hb 145 132 112 110 Hct 42 36 34 33 Lact 1,5 2,3 3,2 3,5 O2 10 l/min mask FiO2 60 FiO2 80 FiO2 100 AF 28-30 Resp Mode NIV TU/PEEP TK TU 12 IP PEEP 5 AF 20-26 34-36 18 VT 400-650 360 450 VE 12,4 12,6 8,1

Vad händer i patientens respiratoriska system?

Hypoxemi Alveolär hypoventilation Shunt V/Q …. Difussionsproblem Vad är mest sannolik mekanism i den aktuella situationen?

Shunt

Shunt Venous admixture Anatomical shunt (extrapulmonary) Virtual shunt – assumed value of Svo2 Pathological shunt Physiological shunt Venous admixture in healthy subject Venous admixture calculated from mixing equation

Shunt Shunt Venous admixture QS CC - Ca = QT CC - CV

Shunt och gasutbyte

Konsoliderad lungvävnad och gasutbyte

Shunt, FiO2 and PaO2

Can we measure the shunt? PAC – SvO2 The alveolar gas equation – PAO2 ( ) PIO2 - PĒO2 PAO2 = PIO2 - PaCO2 PĒCO2 PIO2 = FIO2 x (PB - PH2O) PH2O = 6.3 kPa (47 mmHg) at t 37O C

Ventilation Alveolär ventilaton Dead space VE = VA + VD VA = VE - VD

Alveolär ventilation VA = ƒ (VT – VD) VCO2 PaCO2= K VA PaCO2 - ETCO2 VD/VT = PaCO2 VCO2 PaCO2= K VA

VCO2 PaCO2= K VA

Ventilation, perfusion och V/Q

’’Trerumslungan’’

Transpulmonellt tryck, luftvägsdiameter och regional fördelning av compliance.

Lungperfusion

Inverkan av anestesi på ventilation och perfusion

V/Q < 1 V/Q > 1 Effects on oxygenatation Effects on lung mechanics Effects on alveolar dead space and CO2 elimination V/Q > 1 Increases in different pathological situations

Compliance Compliance is defined by a volume change per unit of pressure change C = ΔV/ΔP In the normal range of expanding pressures of -2 to -10 cmH2O, normal lung has best compliance At high or low expanding pressures, the lung is stiffer, less compliant

Total Compliance

Factors influencing Compliance Increases Deflation (Decremental) Age Emphysema Decreased surface tension Decreases Hi or low lung volume Oedema and fibrosis Atelectasis and consolidation Increased surface tension

Statisk vs. dynamisk compliance

FRC Lungornas volym efter normal passiv utandning Systemets jämviktstillstånd Palv = Patm, inget gasflöde i luftvägar 1/3 del av organismens O2 reserv största del av gasutbyte inträffar vid andningmedelläget beskriver indirekt mekaniska egenskaper och antal av funktionella alveoler

FRC – effekt av kroppsläge

FRC och CC

Luftvägsavstängning Closing Capacity (CC) CC - lungvolymen där små luftvägar börjar stänga ökar med stigande ålder ingen effekt av anestesi ökar med olika patologiska tillstånd ödem KOL etc.

Luftvägsavstängning (Closing Capacity, CC) V=FRC+VT V=FRC V</=CV 100 VT FRC V CC RV

Förhållanden mellan CC och FRC V/Q 100 VT FRC V CC CC FRC RV Atelektas

Atelectasis and Airway closure Shunt (% CO) Low V/Q (%CO) 20 10 10 R=0.68 P<0.001 5 R=0.57 P0.001 10 20 0 500 1000 CV-ERV (ml) Atelectasis (cm2) Rothen HU, Sporre B, Engberg G, Wegenius G, Hedenstierna G. Airway closure, atelectasis and gas exchange during general anaesthesia. Br J Anaesth 1998; 81: 681–6

Atelectasis and Airway closure intrapulmonary shunt is correlated to the amount of atelectasis poorly ventilated lung units (‘low VA/Q’) are correlated with airway closure (measured by the difference in closing volume and expiratory reserve volume - CV–ERV). no correlation between CV–ERV and atelectasis. Rothen HU, Sporre B, Engberg G, Wegenius G, Hedenstierna G. Airway closure, atelectasis and gas exchange during general anaesthesia. Br J Anaesth 1998; 81: 681–6

V CC Ålder FRC (sittande) FRC (liggande) FRC (liggande+anestesi) 5 FRC (sittande) 4 FRC (liggande) 3 FRC (liggande+anestesi) 2 1 20 40 60 80 Ålder Inverkan av ålder, kroppsläge och anestesi på FRC och relationen mellan FRC och den lungvolym vid vilken luftvägarna börjar falla samman under utandning (CC).(G.Hedenstierna)

FRC - inverkan av anestesi FRC sänkning under anestesi 15 - 20 % (under första 3-10 min) stabilt nedsatt efteråt återställas flera timmar efter anestesi med n-m block eller utan - ingen skillnad

FRC - inverkan av anestesi FRC sänkning under anestesi minskad volym av hela systemet (luftvägar, alveoler) luftvägsavstängning (CC, Closing Capacity) atelektaser

FRC - inverkan av anestesi Ansvariga mekanismer liggande position (0,5-1,0 l) kraniell förskjutning av diafragma ökad intrathorakal blodvolym minskad muskeltonus

FRC - inverkan av anestesi Lungmekanik minskad compliance ökat totalt lungmotstånd (total resistance) Totalt motstånd = luftvägsmot. + vävnadsmot. Trängre luftvägar förändrade elastiska egenskaper ökat muskelarbete (work of breathing) relevant postoperativt

FRC och Luftvägsmotstånd

Atelektasbildning under anestesi 90% av alla sövda patienter överviktiga har mer KOL patienter har mindre eller inte alls ålder spelar ingen roll Minskad FRC och CC>FRC Kompression Absorbtion (hög FiO2)

Lungödem Permeabilitetsödem Kardiogent ödem

Qf = K (Pc – Pis) -  (c - is) Starling’s equation Qf = K (Pc – Pis) -  (c - is) Qf – fluid flux across a membrane P – hydroststic pressure Kf - capillary filtration coefficient  - oncotic reflection coefficient - colloid osmotic pressure

Hydrostatic Forces Qf = K (Pc – Pis) -  (c - is)

Vascular permeability Qf = K (Pc – Pis) -  (c - is)

Oncotic forces Qf = K (Pc – Pis) -  (c - is)

Mekanismer Ökad kapillärtryck Ökad permeabilitet Mitralis stenos, insuffuciens Hjärtsvikt Hypervolemi Ökad permeabilitet Sepsis Inhalation av toxiska substanser Nedsatt lymfatiskt flöde Högt CVP Sänkt interstitiellt tryck Sänkt COP

Experimental: Clinical: Edema begins to form at LAP exceeding 24 mmHg in normal COP; But at 11 mmHg LAP when COP is reduced. Clinical: COP-PAOP gradient has been used to predict mortality Guyton AC Circ Res 1957 7:649 Rackow EC Chest 1982:43

In acute lung injury, any increase in hydrostatic pulmonary capillary pressure increases the amount of plasma traversing the damaged alveolocapillary barrier Increasing left atrial pressure from 3 to 13 mmHg induces an eightfold increase in pulmonary lymphatic flow in dogs with acid-aspiration lung injury as compared to a fourfold increase in animals with normal lungs In patients with ARDS, the transmicrovascular flux of albumin increases proportionally to the microvascular hydrostatic pulmonary pressure calculated from PCWP and pulmonary artery pressure

Safety factors Increased lymphatic flow (up tp 10x) Basal membrane thickening Increased interstitial hydrostatic pressures Decreased interstitial oncotic pressure Activation of epithelial sodium reabsorbtion

Lungfunktion Låg complinace Ökad luftvägsresistans Gasutbyte Interstitiellt ödem har mindre effekt på gasutbyte, ökar områden med låg VA/Q Alveolärt ödem ger hypoxemi pga shunt Hypoxisk vasokonstriktion minskar hypoxemigrad

Effect av Pcap on EVLW and PaO2 Noble, Can Anesth Soc J, 1981;27:286-302

Lung function in different stages of pulmonary congestion/edema. AB congestion BC interstitial edema CD alveolar edema Noble, Can Anesth Soc J, 1981;27:286-302

Work of breathing Volume B A1 A Pressure

Work of breathing Compliance WOB – Elastic WOB Volume B A1 A Pressure

Work of breathing Compliance WOB – Elastic WOB Resistive WOB Volume Airway resistance Tissue resistance Volume B A1 A Pressure

LV FRC P

LV FRC P

LV FRC P

V 1. VT P Relationship between FRC, lung compliance, and work of breathing: effects of PEEP/CPAP VT A FRCA P

V 1. 2. VT VT P Relationship between FRC, lung compliance, and work of breathing: effects of PEEP/CPAP 2. VT A FRCA VT B FRCB P

V 1. 2. VT VT VT P Relationship between FRC, lung compliance, and work of breathing: effects of PEEP/CPAP 2. VT VT A FRCA C FRCC VT B FRCB P PEEP

PEEP effekter Ökar FRC (alveoler och luftvägar) Förhindrar alveolär kollaps Öppnar kollaberade alveoler Minskar expiratorisk luftvägsavstängning Motverkar mot dynamisk kompression (skillnad) Effekt på V/Q, gasutbyte (hypoxemi) (VD) Effekt på compliance och luftvägsmotstånd Effekt på andningsarbete och VO2resp Protektiv effekt (VILI)

PEEP/CPAP vid lungödem Fördelning av ekstravaskulärt lungvatten. Bedenberg CE. Ann Thorac Surg 1978. Hopewell PC. Am Rev Respir Dis 1979. +10

Patientfall Under de närmaste 2 timmarna behandlas patienten med NIV: TU 8/5, FiO2 60%. Vg se BGA2 (kl. 12.00). Samtidigt visar patienten tecken till cirkulatorisk instabilitet, ffa i form av lågt BT och stigande laktat. Patienten har fått hittills 2000 ml RA. Behandlande läkare ordinerar ytterligare vätska och under nästa 3 timmar patienten får 3000 ml RA och 500 ml 5% Albumin som inte leder till önskad cirkulatorisk effekt. Noradrenalin infusion påbörjas. Patientens respiratoriska tillstånd försämras ytterligare trots ändringar i NIV inställningar, vg se BGA3. Patienten sövs (Fentanyl, Propofol, Celocurin) och intuberas. I samband med intubationen desatureras patient till 50%. Efter intubationen är pat svårsyresatt, svårventilerad, cirkulatoriskt extremt instabil; se BGA 4.

BGA 1 BGA 2 BGA 3 BGA 4 pH 7,36 7,38 7,19 7,05 paO2 7,6 8 6,5 6,6 paCO2 4,2 4,5 6,9 9 HCO3- 20 19 22 23 BE -4 -5 -7 -7,2 SaO2 90 92 85 Hb 145 132 112 110 Hct 42 36 34 33 Lact 1,5 2,3 3,2 3,5 O2 10 mask FiO2 60 FiO2 80 FiO2 100 AF 28-30 Resp Mode NIV TU/PEEP TK TU 12 IP PEEP 5 AF 20-26 34-36 18 VT 400-650 360 450 VE 12,4 12,6 8,1

Varför allting blir bara sämre?

Oxygenering och hjärtminutvolym

Två hypoxemi-utlösande mekanismer: låg V/Q och låg PvO2

Shunt, cardiac output and oxygenation Qs/Qt

A B C B C A Alveolär kollaps, volutrauma, biotrauma och VILI. V=FRC V=FRC+1/xVT C B C A V=FRC+VT P2 P1 P

La Place lag P = 2r V P

‘’buying time manouver’’ Ashbough 1967 PEEP Suter et al. 1975 VD/VT; Qs/Qt; Crs; DO2 Optimal PEEP Kirby et al. 1975 Reduction Qs/Qt 15% Super-PEEP Demers et al. 1977 Highest SvO2 Best PEEP Caroll et al. 1988 PaO2>60 with FIO2<60 Minimal PEEP ‘’buying time manouver’’ Ashbough 1967

N Eng J Med 1975; 292: 284-289 The end-expiratory pressure resulting in maximum oxygen transport and the lowest dead space fraction bothe resulted in the greatest total static compliance The end-expiratory pressure varied between 0 and 15 cmH2O and correlated inversely with FRC at ZEEP.

Optimum PEEP P Suter NEJM 1075

Maisch s et al. An An 2008; 106:175

Dynamisk Compliance

Dynamisk Compliance

Hypoxaemia during induction The normal store of oxygen is approximately 1500 ml may be increased to 3700 ml with preoxygenation with 100% oxygen. 50% this increase is from the increase in the oxygen concentration in the FRC Farmery AD, Roe PG. Br J Anaesth 1996; 76: 284–91

dPpl/dPaw Pinsky MR Curr Op Crit Care 2002

Transmural wall tension Chamber radius Systolic pressure T = Pr Transmural wall tension P.r  = 2h Chamber radius Systolic pressure (transmural) Ventricular Volume ITP Pleural pressure Outflow impedance Vascular Compliance Vascular Resistance

Manipulating DO2 Initial state Transfusion FiO2 or PEEP Crystalloid Inotropes Hb 9 12 12 12 12 SaO2 0.89 0.89 0.93 0.93 0.93 EDVI 60 60 60 95 95 EF 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 HR 110 110 110 110 110 DO2I 213 283 296 469 625 % increase 33.3 4.5 58.3 33.3