Feb 262016
 

fishbowlStress e strain sono due concetti sempre più ricorrenti nella ventilazione protettiva del paziente con Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS). Cerchiamo di capire se e come possono esserci utili nella pratica clinica.

Lo strain in fisica descrive la deformazione di un corpo rispetto alla sua struttura iniziale (figura 1).

Applicato al polmone possiamo intendere lo strain come il rapporto tra la deformazione applicata al polmone (cioè il volume corrente) rispetto al suo volume iniziale (cioè la capacità funzionale residua).

Strain

Figura 1

La figura 2 ci aiuta a ricordare che la Capacità Funzionale Residua (FRC, Functional Redisual Capacity) è il volume del polmone alla fine di una espirazione passiva completa.

functional-residual-capacity

Figura 2

Come sappiamo quando si parla di “capacità” (come nel caso della Capacità Funzionale Residua) in spirometria si intende la somma di volumi polmonari. In particolare la Capacità Funzionale Residua è la somma di Volume di Riserva Espiratoria (nella figura 2 ERV, Expiratory Reserve Volume, cioè il volume che possiamo espirare con un’espirazione massimale) ed il Volume Residuo (RV, residual volume, volume che non possiamo espirare, nemmeno con un’espirazione massimale).

Possiamo considerare la capacità funzionale residua come la dimensione iniziale di un contenitore nel quale andiamo ad aggiungere il volume corrente. A parità di volume corrente, un contenitore (cioè una capacità funzionale residua) più grande subirà una deformazione relativa (cioè uno strain) minore rispetto ad un contenitore di dimensioni minori (figura 3).

lung_volumes

Figura 3

Facciamo un esempio. Gino è un soggetto maschio adulto con un polmone sano (figura 4a) ed una capacità funzionale residua di 2500 ml. Gino ventila con un volume corrente di circa 500 ml, lo strain è quindi pari a 500 ml/2500 ml, cioè 0.2. Ipotizziamo che, sfortunatamente, a Gino una ARDS (figura 4b) determini la riduzione della capacità funzionale residua a 800 ml (di solito la gravità della ARDS è direttamente proporzionale alla riduzione della capacità funzionale residua).

rx torace normale vs ards

Figura 4

Se a Gino continuiamo a somministrare 500 ml di volume corrente (come quando era sano), avremo un rapporto volume corrente/capacità funzionale residua di 500 ml/800 ml, cioè uno strain di circa 0.63. Come a tutti i pazienti con ARDS, applichiamo a Gino anche una PEEP, che inevitabilmente contribuisce ad aumentare ulteriormente il volume polmonare al di sopra della capacità funzionale residua. L’incremento di volume indotto dalla PEEP si somma al volume corrente nella determinazione dello strain. Ipotizziamo di applicare 15 cmH2O di PEEP e che questo aumenti il volume polmonare di fine espirazione di circa 300 ml. In questo caso, se si mantiene costante il volume corrente a 500 ml, lo strain sarà quindi (500 ml + 300 ml)/800 ml, cioè 1.

Gino aveva uno strain di 0.2 quando era sano ed uno strain di 1 con l’ARDS, a parità di volume corrente: ha cioè quintuplicato la deformazione del polmone. Un fenomeno tutt’altro che trascurabile, poiché l’aumento dello strain sopra una soglia critica è un elemento determinante per il danno polmonare indotto dalla ventilazione.

E’ quindi importante misurare la capacità funzionale residua e determinare lo strain nei pazienti con ARDS? No, a mio personale parere: ad oggi non è stata identificato un convincente valore soglia di strain da non superare nella pratica clinica. Ed inoltre sappiamo che lo strain indotto dalla PEEP (definito anche strain statico) è meno dannoso dello strain associato al volume corrente (strain dinamico). Quindi, anche qualora fosse dato un valore soglia allo strain, saremmo in difficoltà a scorporare gli effetti della PEEP da quelli del volume corrente.

Il concetto di strain, anche se per ora sembra povero di chiare implicazioni pratiche, è comunque estremamente interessante dal punto di vista concettuale. Ci dice che il volume corrente deve essere proporzionale al volume del polmone ventilabile nei pazienti con ARDS: il volume corrente deve quindi essere adeguato, oltre che al peso ideale del paziente, anche alla gravità della ARDS.

Possiamo però riconoscere che in fondo un’informazione simile ci è offerta anche dalla cara, vecchia compliance (che caratterizza la ARDS fin dalla sua nascita, vedi post del 31/01/2016). Come sappiamo la compliance esprime la variazione di volume dell’apparato respiratorio per ogni cmH2O di pressione ad esso applicato e si misura dividendo il volume corrente per la differenza di pressione statica (cioè di plateau) tra inspirazione ed espirazione. Gino quando era sano probabilmente aveva una normale compliance dell’apparato respiratorio (circa 100 ml/cmH2O), quindi riusciva a ventilare i suoi 500 ml con 5 cmH2O di differenza di pressione tra inspirazione ed espirazione. Quando gli viene l’ARDS, la compliance si riduce a 30 ml/cmH2O (come quella di molti pazienti con ARDS). Meno di un terzo del normale, una riduzione proporzionalmente simile a quella della capacità funzionale residua, che si era ridotta da 2500 a 800 ml. Già quasi 30 anni fa è stato proposto è stato osservato che il valore di compliance corrisponde all’incirca alla percentuale di polmone rimasto normalmente aerato nei pazienti con ARDS (1). Quindi una compliance di 30 ml/cmH2O potrebbe grossolanamente indicare che il 30% del tessuto polmonare è rimasto normalmente ventilabile.

Pensiamo ora a quello che facciamo quando ventiliamo i pazienti con ARDS facendoci guidare dalla driving pressure (vedi post del 28/02/2015): quando scegliamo una PEEP per ridurre la driving pressure, altro non facciamo che aumentare quanto possibile la compliance. Dopo di questo, se necessario, limitiamo il volume corrente (e quindi la driving pressure) per evitare la comparsa di segni di sovradistensione.

Di solito lo strain è associato allo stress, che altro non è che la driving pressure. Stress e strain sono direttamente proporzionali: stress = k · strain.

Per quanto detto finora, questa equazione, relativamente all’apparato respiratorio, diventa: driving pressure = k ·VT/FRC.

Tradotta in italiano, l’equazione ci dice che tanto più è elevata la driving pressure, tanto maggiore è la deformazione che sta subendo il polmone. E’ stato osservato che il rischio di morte nei pazienti con ARDS aumenta quando la driving pressure supera i 15 cmH2O

Dopo quanto detto finora si può almeno intuire perché la costante di proporzionalità tra stress e strain è l’elastanza specifica, cioè il rapporto tra capacità funzionale residua e compliance. Possiamo quindi scrivere l’equazione nella sua forma finale: driving pressure = FRC/compliance · VT/FRC.

E qui ci fermiamo (almeno per oggi) perché ogni ulteriore approfondimento sarebbe interessantissimo, ma certamente non breve. Notiamo però che la driving pressure (una misura molto semplice) riassume in se tutti gli elementi fondamentali nella ventilazione protettiva.

Un’ultima precisazione. Quando misuriamo la pressione nelle vie aeree per calcolare compliance e driving pressure, ci riferiamo a tutto l’apparato respiratorio, tradizionalmente inteso come la somma di polmone e gabbia toracica. Se vogliamo riportare tutti questi concetti al solo polmone, invece della pressione delle vie aeree dobbiamo utilizzare la differenza tra pressione delle vie aeree e pressione esofagea.

Possiamo concludere che:

1) la scelta del volume corrente nel paziente con ARDS deve tener conto della dimensione del polmone che “accetta volentieri la ventilazione”. Questa può essere definita sia dalla capacità funzionale residua sia dalla compliance (che è simile alla percentuale di polmone rimasto normalmente aerato);

2) lo strain al momento è di difficile determinazione (bisogna misurare la capacità funzionale residua) e di vaga utilità clinica (non disponendo di valori soglia praticamente utilizzabili)

3) la driving pressure contiente in sé l’informazione dello strain, è facile da misurare e disponiamo di una possibile soglia di allarme utilizzabile nella pratica clinica (all’incirca sopra i 15 cmH2O).

Come sempre, un sorriso a tutti gli amici di ventilab.

Bibliografia

1) Gattinoni L et al. Pressure-volume curve of total respiratory system in acute respiratory failure. Computed tomographic scan study. Am Rev Respir Dis 1987;136:730-6

2) Amato MB et al. Driving pressure and survival in the acute respiratory distress syndrome. New Eng J Med 2015; 372:747-55

Author: Giuseppe Natalini

  12 Responses to “Strain, compliance e driving pressure nella ventilazione protettiva dei pazienti con ARDS”

  1. Ciao Giuseppe.
    Intanto consentimi un ringraziamento particolarmente sentito per il post, ti assicuro, chiaro ed esaustivo molto più di articoli e relazioni sull’argomento.
    Solo qualche dubbio. In merito alla difficile determinazione dello “strain” e ai suoi possibili valori soglia, mi pare che in letteratura si parli di valori normali tra 0,8-1 con valori ritenuti certamente patologici e pericolosi già oltre 1.5-2.0; così come mi pare di aver letto che il valore dell’elastanza specifica, cioè il k della formula, sia abbastanza costante su valori di 12 cm/H2O anche in presenza di un quadro di ARDS. Se così fosse (e dal momento che: se stress = k x strain, allora lo strain sarebbe la risultante del rapporto stress/k) allora si confermerebbe, come ritieni, che valori di “driving pressure” superiori a 15 cm/H2O si avvicinerebbero pericolosamente ad uno “strain” ritenuto certamente dannoso.
    In ultimo volevo chiederti se, più che alla driving pressure, dovremmo riferirci alla pressione transpolmonare quando parliamo di “stress”.
    Un caro saluto.
    Baldo

    • Caro Baldo, innanzitutto grazie per avermi spinto a parlare di strain, cosa che non faccio molto volentieri perchè mi mette sempre in difficoltà per le sue equivoche implicazioni pratiche. Spero che dal post si sia almeno intuito il perchè. Veniamo ora alle questioni che poni.
      – valore normnale dello strain: Non ritengo però che uno strain di 0.8-1 sia normale. Se così fosse, per me e te, che abbiamo una FRC di circa 2500 ml, potrebbe essere normale un volume corrente di 2000-2500 ml… Come abbiamo visto nell’esempio di Gino, in condizioni di normalità lo strain potrebbe essere di circa 0.2.
      – valori soglia: si è in effetti visto su modelli animali che il VILI è indotto da valori di strain superiori a 1.5-2. Nel caso di un soggetto sano (ad esempio il nostro Gino), questo si tradurrebbe in volumi correnti maggiori di 1.5 volte la FRC, quindi di circa 3750 ml!!!. Ovviamente un assurdo. Se 1.5 fosse una soglia per lo strain, questo significherebbe che in gravissima ARDS con una FRC di 500 ml, potremmo utilizzare un volume corrente di 500 ml (se associato ad un aumento di FRC dovuto alla PEEP non superiore a 250 ml): ovviamente un altro assurdo, altro che ventilazione con basso volume corrente! Questa inconsistenza di un valore soglia di strain, ha guidato alla formazione del concetto di “stress raisers”: le aree di disomogeneità polmonare moltiplicano localmente i valori di stress e strain, raggiungendo in questi punti valori patologici, anche se globalmente i valori restano entro limiti di sicurezza. Purtroppo la necessità di introdurre il concetto di “stress raisers” è la conferma che, al momento, dal punto di vista pratico non ci è di aiuto ragionare in termini di strain.
      – soglia della driving pressure: il calcolo che fai è essere corretto e fuorviante allo stesso tempo. La driving pressure che descrive lo strain è infatti già la driving pressure transpolmonare (la differenza tra transpolmonare a fine inspirazione ed a fine espirazione). Se assumessimo per questa driving pressure transpolmonare il valore soglia di 15 cmH2O, arriveremmo a conclusioni impraticabili (figlie degli stessi ragionamenti che abbiamo fatto al punto precedente). Infatti considerando che mediamente il rapporto tra Elastanza del polmone e quella dell’apparato respiratorio è circa 0.5, questo significherebbe che il limite di driving pressure calcolato sulla pressione delle vie aeree (cioè la driving pressure che ci siamo abituati a conoscere su ventilab e quella a cui fa rifermiento l’articolo di Amato su NEJM del 2015) sarebbe di circa 30 cmH2O!
      Come vedi Baldo la questione dello strain è certamente molto intrigante, ma al momento penso sia ben lontana da possibili implicazioni cliniche. Impariamo quindi per ora a ventilare i pazienti con ARDS senza porci il problema della valutazione dello strain. O, meglio ancora, se ragioniamo in termini di strain, facciamolo senza avere alcun limite quantitativo da rispettare, ma per svilupapre una forma mentale utile quando si approccia un “baby lung”.

  2. Grazie per la luce su questioni tutt’altro che facili e condivise durante l’attività quotidiana in TI.
    Solo una perplessità.
    Osservando pz e ventilatore, durante un tentativo di fare meno danni possibile, ci si accorge che nel momento in cui si applicano peep crescenti a parità di assistenza i volumi correnti aumentano in quanto aumenta la compliance. Ciò a dire che la peep ha una sorta di effetto dinamico nel modificare l’ FRC. Quindi attribuire un ulteriore volume determinato dalla peep a quello corrente nella determinazione dello strain, potrebbe non essere completamente corretto in un sistema dinamico …….
    Forse però mi è sfuggito un passaggio !
    Grazie
    Marco

    • Se ho ben capito il tuo quesito, esso può essere riformulato in questo modo: se l’applicazione della PEEP mantiene reclutate a fine espirazione aree polmonari che sarebbero escluse dalla ventilazione in assenza di PEEP, è proprio corretto attribuire tutto l’aumento di volume indotto dalla PEEP alla variazione di volume (ovvero il numeratore dello strain)? Oppure nel caso ipotizzato potrebbe essere più appropriato suddividere l’aumento di volume determinato dallo PEEP in due componenti: una parte che in realtà aumenta la FRC (il denominatore dello strain) ed una parte che invece viene aggiunta al volume corrente?
      La domanda è legittima, anche considerando che lo strain legato alla PEEP ha un impatto ben minore sul VILI rispetto allo strain dinamico (quello dovuto al volume corrente).
      Ma al momento la definizione di strain applicata al polmone prevede che si faccia come descritto nel post: il volume della PEEP al numeratore.
      Ma, caro Marco, ribadisco: chi l’ha detto mai che dobbiamo considerare lo strain come un criterio quantitativo per gestire la ventilazione nella ARDS? Ho fatto il post sullo strain perchè richiesto più volte, e spero di aver aiutato a far capire tutti i grandi limiti che esso ha.
      Ribadisco il mio punto di vista: utilissimo dal punto di vista concettuale per farci ragionare e capire le problematiche dell’approccio al baby lung (e che quindi perchè l’indicizzazione del VT al peso ideale può essere assolutamente inadeguata), al momento inutile dal punto di vista pratico.
      Al letto del paziente quindi lasciamo quindi perdere ‘sto benedetto strain (perlomeno fino a nuovi sviluppi).

  3. Buongiorno ai lettori del blog e al Dr. Natalini….avrei una domanda sulla parte iniziale per la misurazione dello strain quando si applica la PEEP, perché la sua applicazione va ad aumentare il tidal volume e non sulla FRC? Grazie per tutti gli spunti di riflessione. Raffaele

  4. Salve, Giuseppe!
    Perdona il fastidio delle domande:
    1. per impostare correttamente il ventilatore (con PEEP trial) devo: mantenere una Pplateau inferiore a 30 cmH2O; mantenere una Driving Pressure inferiore a 15 cmH2O; mantenere uno stress index pari a 1; mantenere uno strain prossimo a quello misurabile a polmone sano (per quanto sia impossibile da calcolare nella pratica). E’ corretto?
    2.lo stress di cui parli nel post, in rapporto di proporzionalità diretta con lo strain, è equivalente allo stress index??
    Grazie!!!!!!!!!!!!

    • Ciao Jessica, la tua pazienza ti ha premiata! Ecco la risposta alle tue domande.
      1) per impostare correttamente il ventilatore dovrei:
      – scegliere un volume corrente ragionevole (circa 6-7 ml/kg di perso ideale, riducibile in caso di necessità)
      – mantenedo costante questo volume corrente, scegliere la PEEP che determina la minor driving pressure
      – se così facendo non ho segni di stress index > 1 nè una pressione di plateau > 30 cmH2O, starei piuttosto tranquillo. Per avere una driving pressure > 15 cmH2O con un volume corrente di 380-450 ml (range spesso utilizzato nella ARDS), dovrei avere compliance minori di 25-30 ml/cmH2O. Dovesse accadere, potrebbe essere in effetti da rivalutare se può essere ridotto il volume corrente.
      – da ricordare che in alcuni pazienti una pressione di plateau superiore a 30 cmH2O non significa sovradistensione polmonare. In questi casi sarebbe però utile associare la pressione esofagea (il cui utilizzo non può essere trattato nello spazio di un commento);
      2) stress e stress index sono due concetti diversi. Lo stress proporzionale allo strain è la driving pressure transpolmonare; lo stress index è un indicatore che suggerisce se stiamo somministrando il tidal volume su un punto di flesso.

  5. Giuseppe, perdonami ancora, ma ti chiedo un aiuto chiarificatore:
    Il VILI può essere determinato da: ATELETTRAUMA (correlato alla PEEP), STRESS TIDALICO (equivalente alla Driving pressure), STRAIN (equivalente alla driving pressure transpolmonare ossia alla variazione inspiratoria della pressione transpolmonare- vedi post del 7/2/2012), STRESS FINE INSPIRAZIONE (equivalente alla pressione transpolmonare fine inspirazione).
    Ho trovato divergenze tra le vostre definizioni di STRESS e STRAIN e quelle offerte da Chiumello in: https://www.researchgate.net/publication/265262371_Stress_e_strain_polmonare_durante_ventilazione_meccanica_per_sindrome_da_distress_respiratorio_acuto
    Mi dici se ho mixato bene questi dati?

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