Oct 302016
 

iceberg1La ventilazione meccanica ha due componenti pressorie principali: la PEEP ed il supporto inspiratorio (figura 1).

Figura 1

Figura 1

La PEEP ha una funzione statica che contribuisce a definire il volume minimo dell’apparato respiratorio, che viene raggiunto alla fine dell’espirazione. Il supporto inspiratorio è la pressione applicata sopra la PEEP e contribuisce alla genesi del volume corrente. Il supporto inspiratorio è alla base del lavoro respiratorio del ventilatore, un dato di scarsissimo interesse clinico. Infatti siamo solitamente interessati al lavoro respiratorio dei muscoli respiratori.

Vediamo l’esempio in figura 2.

Figura 2

Figura 2

A sinistra vediamo un soggetto che respira senza supporto inspiratorio (la linea tratteggiata bianca, che identifica la pressione inspiratoria, è allo stesso livello della PEEP), a destra invece lo stesso soggetto con 8 cmH2O di supporto inspiratorio (la linea tratteggiata bianca è più alta di 8 cmH2O rispetto alla PEEP). Notiamo che il volume corrente raggiunto nei due casi è costante (linea tratteggiata rossa sulla terza traccia). Non abbiamo difficoltà a capire che nello stesso paziente il lavoro respiratorio sia costante tra un respiro e l’altro se resta costante il volume corrente. Nelle due condizioni della figura 2 possiamo quindi ritenere che il lavoro respiratorio totale sia rimasto costante nelle due condizioni: a sinistra tutto il lavoro respiratorio è “occulto” ed è a carico del paziente; a destra vediamo anche il lavoro respiratorio del ventilatore (la pressione che si alza in inspirazione) e nulla sappiamo del lavoro respiratorio residuo rimasto a carico del paziente. Il lavoro respiratorio del paziente, invisibile al monitoraggio di base, è rilevabile solo con il monitoraggio della pressione esofagea, che stima la pressione sviluppata dai muscoli inspiratori. In altre parole, la pressione delle vie aeree nei soggetti in ventilazione assistita rappresente la punta dell’iceberg, la quota di pressione che emerge dal livello del mare (cioè dal livello di PEEP). Ma sotto questo livello possono esistere pressioni negative intrapleuriche talora nettamente superiori a quella positiva nelle vie aeree.

A titolo di esempio, guardiamo la figura 3.

Figura 3

Figura 3

Nella traccia superiore è rappresentato l’aumento della pressione delle vie aeree nella fase inspiratoria (attività del ventilatore), la secondra traccia è la concomitante caduta di pressione esofagea (attività del paziente), la terza il volume progressivamente inspirato.

Lavoro respiratorio e Pressure-Time Product.

Veniamo ora al lavoro respiratorio (Work of Breathing, WoB). Fino ad ora ne abbiamo parlato in termini vaghi, utilizzando questo termine per quantificare genericamente lo sforzo inspiratorio del paziente. In realtà il lavoro dal punto di vista fisico esprime un concetto ben preciso. Ricordiamo forse tutti che in fisica

L = F · s              (1)

cioè il lavoro L è il prodotto della forza F per lo spostamento s. Quindi esiste lavoro quando l’applicazione di una forza produce un movimento. Questo in un sistema lineare. Possiamo scrivere l’equazione del lavoro anche in questo modo:

L = F/cm2 · (s·cm2)       (2)

Abbiamo diviso la forza per una superficie (cm2) e moltiplicato lo spostamento per una superficie: semplificando i cm2, si può tornare facilmete all’equazione 1. E’ però utile questo semplice passaggio per capire cosa è il lavoro respiratorio. Infatti la forza applicata su una superficie (F/cm2) altro non è che una pressione P, ed il prodotto di un’area per una lunghezza (s.cm2) altro non è che un volume V:

L = P · V        (3)

Quindi il lavoro respiratorio è anche definito dal volume generato dall’applicazione di una pressione e la sua unità di misura è il joule (0.1 joule equivale a 1 litro per cmH2O). Lasciamo stare a questo punto matematica ed integrali, e passiamo ad una più intuitiva visualizzazione grafica del lavoro respiratorio.

Graficamente il lavoro respiratorio può essere espresso dal grafico pressione esofagea-volume (figura 4).

Figura 4

Figura 4

Il punto di inizio di questo grafico (punto A) è identificato da pressione e volume di fine espirazione. Nella figura 4 la pressione di fine espirazione è -5 cmH2O ed il volume coincide con la capacità funzionale residua (FRC). L’inspirazione procede con la progressiva riduzione della pressione pleurica (esofagea), ed ogni sua riduzione si associa ad un aumento del volume, relazione descritta dalla curva rossa che arriva al punto B, che conclude l’inspirazione.

L’area compresa entro la linea rossa povrebbe rappresentare il lavoro respiratorio, descrivendo le variazioni di volume derivate dalla variazione di pressione. Il mio parere assolutamente personale è che in effetti questa area possa da sola sufficientemente rappresentare il lavoro respiratorio. Ma la fisiologia ci complica un po’ la vita, e ci dice che il lavoro respiratorio totale in realtà deve comprendere anche l’area compresa tra la variazione di volume e la relazione statica pressione volume della gabbia toracica (linea verde tratteggiata). Non entro ora nel merito del significato del contributo della compliance della gabbia toracica sul lavoro respiratorio: se qualcuno sarà interessato, ne potremo discutere nei commenti al post. Il lavoro respiratorio viene normalmente espresso in lavoro per litro di ventilazione (WoB/L) o per minuto di ventilazione (WoB/min o Power of Breathing, PoB). Queste indicizzazioni però sono discutibili perché non consentono di confrontare il lavoro respiratorio ottenuto a diversi livelli di volume corrente (1,2). Per questi motivi trovo siano del tutto privi di razionale eventuali valori “normali” di lavoro respiratorio.

Il Pressure-Time Product (PTP) è una valida alternativa al lavoro respiratorio per quantificare l’attività dei muscoli inspiratori. Il Pressure-Time Product (si chiama così anche in italiano) è l’area identificata dalla deflessione inspiratoria della pressione esofagea nel tempo (figura 5):

Figura 5

Figura 5

tanto maggiore e tanto prolungata è la riduzione inspiratoria della pressione esofagea, tanto maggiore il Pressure-Time Product. Nella figura 5 il PTP è identificato dall’area tratteggiata obliqua, che inizia dela punto A (inizio inspirazione) e termina al punto B (fine inspirazione). Questo, a mio parere, potrebbe bastare, ma anche in questo caso, come nel lavoro respiratorio, si aggiunge una ulteriore area (quella con i puntini) che è delimitata in alto dalla pressione elastica della gabbia toracica (anche qui approfondiremo se sarà chiesto nei commenti). Il Pressure-Time Product si calcola per minuto di ventilazione, quindi si devono sommare tutti i PTP di un minuto per avere il suo valore. L’unità di misura sono quindi i cmH2O.s-1.min.

Utilizzo clinico di pressione esofagea, lavoro respiratorio e Pressure-Time Product.

La valutazione della pressione esofagea dovrebbe essere un elemento fondamentale durante la ventilazione assistita, soprattutto durante la ventilazione a pressione di supporto. Infatti scegliamo il supporto inspiratorio proprio per ridurre l’attività dei muscoli inspiratori. L’entità dell’attività dei muscoli respiratori è misurata con la riduzione che essi generano della pressione esofagea. Senza valutare la pressione esofagea non possiamo sapere di quanto stiamo “scaricando” di lavoro i muscoli inspiratori. Questa misurazione è probabilmente irrilivante nei soggetti che offrono poche problematiche ventilatorie, ma può diventare decisiva nei pazienti più complessi. Ricordiamo il concetto della punta dell’iceberg: la pressione applicata dal ventilatore (quella che vediamo sul monitoraggio pressorio del ventilatore) è solo la parte visibile della pressione che genera flusso e volume inspiratori; l’altra parte, quella sommersa, è invisibile al comune monitoraggio e dovrebbe costituire il criterio principale su cui dosare l’entità del supporto inspiratorio.

E’ sufficiente misurare la deflessione inspiratoria della pressione esofagea per quantificare questa attività oppure abbiamo bisogno di calcoli più complessi, come lavoro respiratorio o Pressure-Time Product?

Ritengo che, nella pratica clinica, lavoro respiratorio o PTP non aggiungano nulla all’informazione che ci offre la semplice rilevazione del calo inspiratorio della pressione esofagea (unita alla valutazione qualitativa della curva della pressione esofagea-tempo). Anzi, probabilmente esistono delle distorsioni matematiche possono complicare l’utilizzo di lavoro respiratorio e PTP (1-3).

_°_°_°_

Possiamo ora riassumere i punti salienti del post:

– l’attività dei muscoli respiratori (il loro “lavoro”) diventa visibile solo con la rilevazione della pressione esofagea;

– il livello di attività dei muscoli inspiratori può essere stimato dalla semplice misurazione della riduzione inspiratoria della pressione esofagea, dal lavoro respiratorio (area compresa tra pressione esofagea e volume) o dal Pressure-Time Product (area delimitata dalla variazione inspiratoria della pressione esofagea nel tempo);

a livello clinico, la semplice misurazione della deflessione inspiratoria della pressione esofagea può essere preferibile agli altri indici più complessi.

Un sorriso a tutti gli amici di ventilab.

 

Bibliografia.

  1. Natalini G et al. Analysis of the work of breathing-tidal volume relationship in a vitro model and clinical implications. J Clin Monit Comput 1999;15:119-23
  2. Natalini G et al. Effect of tidal volume and respiratory rate on the power of breathing calculation Acta Anaesthesiol Scand 2005; 49: 643-8
  3. Natalini G et al. Effect of breathing pattern on the pressure-time product calculation. Acta Anaesthesiol Scand 2004; 48: 642-7

Author: Giuseppe Natalini

  10 Responses to “Il lavoro respiratorio”

  1. Splendida relazione Beppe, come sempre… A tuo parere che valore deve avere la variazione di pressione esofagea per essere in una zona di “tranquillità”?. E nel caso di pazienti ove tu immagini una compliance ridotta della gabbia toracica, vedi grossi obesi o situazioni particolari, ci possiamo basare su una semplice maggiore tolleranza od è il caso di effettuare indagini più approfondite, come il PTP? Un abbraccio e grazie

    • Caro Guido, dobbiamo essere consapevoli che possono esistere due problemi opposti guardando la pressione esofagea come stima dell’attività dei muscoli inspiratori.
      Un primo problema è quando la riduzione inspiratoria è assente o troppo bassa. Questo può essere segno di eccessivo supporto inspiratorio (non raramente associato anche all’autociclaggio) o di grave debolezza dei muscoli inspiratori. Quando l’attività inspiratoria è assente, si vede la pressione esofagea aumentare durante l’inspirazione, quando invece è molto bassa siamo nell’ordine di un calo inspiratorio di 1-2 cmH2O.
      Il secondo problema è un eccesso di attivtà inspiratoria. Non esiste un valora soglia di dP esofageo per definirlo. Teniamo conto che in fisiologia questo dP è normalmente dell’ordine di 3-5 cmH2O. Direi quindi che valori più elevati, soprattutto se si associano a segni di eccessivo carico inspiratorio (dispnea, utilizzo dei mm. accessori, tachipnea, basso volume corrente), devono indurre a valutare un incremento del supporto inspiratorio. Un errore comune durante PSV è quello di valutare il volume corrente: se è sufficiente, si accetta il livello di PS. Ma un paziente può ottenere un volume corrente sufficiente a prezzo di un elevato lavoro inspiratorio se riceve un insufficiente supporto inspiratorio, una condizione tutt’altro che favorevole nel medio periodo (vedi anche il post del 8 maggio 2016).
      Infine il problema dei pazienti con elevata elastanza della gabbia toracica. Bisogna distinguere in questo caso le implicazioni dell’elastanza sulle pressioni transpolmonari nella valutazione del VILI da quelle relative al lavoro respiratorio del paziente. Nel primo caso, possono valere i distinguo sulla elastanza toracica, ma quando si parla di lavoro respiratorio questi non sono più appropriati. Infatti se hai un torace rigido che ti impone un elevato lavoro respiratorio, la morale è che il lavoro respiratorio è elevato: indipendetemente dalla causa, il paziente deve lavorare molto. Anche in questa condizione non riesco ad immaginare come il PTP possa fornire informazioni clinicamente più utili della semplice valutazione della pressione esofagea.
      Un caro saluto a te ed alla mia bella Napoli.

  2. Caro Beppe, l’elastanza della gabbia toracica è la causa della quota di lavoro respiratorio isometrico?

    • No Daniele, la quota di lavoro isometrico, quando presente, è a carico sia della compente elastica del polmone che della componente elastica della gabbia toracica.

  3. Grazie Giuseppe.
    Chiedo se al punto B della figura 5 corrisponde la fine inspirazione e non la fine espirazione (come scritto).
    Inoltre domando se la negatività pleurica esprima lo sforzo che attua il paziente per vincere tutte le pressioni: Pmus = Pel + Pres + Peep i ( se presente).
    Possiamo individuare quale percentuale di lavoro viene spesa per le diverse componenti dell’equazione di moto che ho scritto?
    Un caro Saluto
    Elio Virone

    • Grazie per la correzione Elio: hai assolutamente ragione, il punto B della figura 5 corrisponde alla fine della inspirazione. Ho corretto il refuso del post post, che ora appare scritto correttamente in questo punto.
      La negatività pleurica è spesa per vincere sia la componente elastica che quella resistiva che il carico soglia: Pmus = Pel + Pres + autoPEEP. Puoi stimare la pressione esercitata per superare le singole componenti se conosci elastanza e resistenza dell’apparato respiratorio. Infatti puoi riscrivere l’equazione di moto come: Pmus= (elastanza x volume corrente) + (flusso x resistenze) + autoPEEP. In questo modo puoi ricavare la pressione elastica (elastanza x volume corrente) e quella resistiva (flusso x resistenze).
      Un caro saluto ed un vivo apprezzamento.

  4. Ciao Beppe, mi sono accorto che forse non sei il solo a pensarla cosi…anche un bel libro di fisiologia respiratoria (Nunn’s applied respiratory physiology, VII edizione) spiega il lavoro respiratorio totale soltanto con l’area compresa dentro la linea rossa (lavoro respiratorio svolto contro la resistenza al flusso + lavoro svolto contro la resistenza elastica).
    Potresti aggiungerci qualcosa sul contributo della gabbia toracica al lavoro respiratorio totale?
    Anche guardandolo solo graficamente sembra comunque una area non cosi piccola rispetto a quella che quantifica il lavoro speso per vincere carico elastico e resistivo..
    Ciao, a presto

    • Caro Gianni, mi fai una domanda a cui è molto difficile rispondere nello spazio di un commento. Comunque ci provo…
      A capacità funzionale residua (FRC), la gabbia toracica ha la tendenza passiva ad espandersi, ma le viene impedito dalla sua unione (attraververso l’interfaccia pleurica) al polmone, che invece a FRC ha la tendenza passiva a ridurre la propria dimensione. L’equilibrio di forze uguali e contrarie che si crea si esprime nella pressione pleurica a FRC che è negativa (circa -4/-5 cmH2O) (punto A nella figura 4).
      Quando i muscoli inspiratori iniziano a contrarsi per espandere il torace, inizialmente vengono aiutati dalla gabbia toracica, che già sta “tirando” per aumentare il proprio volume. In questo momento iniziale ci sono due forze quindi che agiscono insieme per aumentare il volume del polmone: l’attività dei muscoli inspiratori e la forza elastica della gabbia toracica. E’ come se si facesse una specie di tiro alla fune tra il polmone da una parte e muscoli respiratori e gabbia toracica dall’altra.
      Man mano che procede l’espansione dell’apparato respiratorio, si riduce progressivamente la tendenza della gabbia toracica ad espandersi passivamente, perchè il suo volume (aumentando) si avvicina sempre più alla sua dimensione di equilibrio (nella figura 4, progressiva riduzione della distanza tra la linea tratteggiata Ccw e l’asse del volume). Quindi, con l’aumento del volume polmonare, i muscoli respiratori devono agire sempre più sul polmone per espanderlo (nella figura 4, progressivo aumento della distanza tra la linea tratteggiata CL e l’asse del volume) e contemporaneamente devono sostituire sempre più il contributo della gabbia toracica, che “tira” sempre meno verso l’esterno tanto più il suo volume aumenta. Riprendendo la similitudine del tiro alla fune, possiamo immaginare due compagni di squadra (muscoli respiratori e gabbia toracica) che tirano contro un avversario (polmone). Man mano che i due compagni guadagnano terreno, uno dei due (la gabbia toracica) tira sempre meno. Questo implica che l’altro (i muscoli respiratori) debba fare un doppio sforzo: proseguire nel tirare sempre più contro polmone e metterci anche la forza che il compagno fa progressivamente mancare.
      Quando poi il volume della gabbia toracica, durante l’inspirazione, supera il proprio volume di equilibrio elastico (nella figura 4, intersezione della linea tratteggiata Ccw con l’asse del volume), i muscoli respiratori non solo non sono più aiutati nell’espansione dalla gabbia toracica, ma devono vincere anche la sua resistenza. Nel tiro alla fune, possiamo immaginare che a questo punto la gabbia toracica cambi squadra e passi dalla parte del polmone per tirare contro i muscoli respiratori.
      Il significato di questa strana area (tratteggiata verde nella figura 4) è quindi quello di quantificare quella parte di lavoro respiratorio speso per compensare la progressiva perdita del contributo elastico della gabbia toracica all’espansione dell’apparato respiratorio. E lo sia aggiunge al lavoro fatto per espandere il polmone (area rossa nella figura 4).

  5. Ciao, grazie per lo splendido post.
    Volendo fare una stima approssimata (sottolineo approssimata) del lavoro e della potenza respiratoria, in condizioni di riposo, dal tuo grafico ho estrapolato questi dati e i relativi calcoli (perdona la simbologia matematica “incompleta”).
    lavoro L = F x s = P x V potenza W = L / t
    1 joule = 10 cmH2O x 1 litro 1J = 10 cmH2O x 1 L 1 watt = 1 joule / 1 s 1 W = 1 J/s
    L = (0,8 dmH2O x 0,5 L) / 2 = 0,4 J / 2 = 0,2 J / atto respiratorio —> approssimazione usando area del triangolo
    Supponendo una FR = 15 atti/min, quindi un periodo del ciclo respiratorio di 60/15 = 4 s:
    W = 0,2 J / 4 s = 0,05 W = 50 mW
    Per minuto si ha invece:
    50 mW x 60 s = 3 J/min
    La mia domanda è se i valori da me trovati di 50 mW di potenza e di 3 J/min di WoB/min (PoB) sono realistici.
    Grazie mille, con stima!
    Bruno

    • Bruno, innanzitutto complimenti per l’ottimo esercizio! Solo così si impara veramente.
      Per fortuna nella realtà è tutto molto più semplice. Se hai un volume di 0.5 L ed un dP di 8 cmH2O, il lavoro elastico (quello approssimabile con l’area del triangolo) è:
      (0.5 L x 0,8 cmH2O)/2 = 0.2 J
      Abbiamo usato i cmH2O/10 nella formula perchè il J = L * kPa. Poichè 1 cmH2O = 1 hPa, 1kPa = 0.1 cmH2O.
      A questo punto, con una frequenza di 15, il PoB = 0.2 J x 15/min = 3 J/min.
      Come vedi, i tuoi calcoli sono giusti, la via è un po’ più breve…
      Comunque, veramente bravo!

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