5. Sistema di sincronizzazione

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1 5. Sistema di sincronizzazione I primi ventilatori erano adibiti a ventilare pazienti senza drive respiratorio (patologie neuromuscolari o pazienti anestetizzati) per cui non vi era nessuna interazione tra la respirazione del paziente (in quel caso assente) e l inizio e la fine della pressurizzazione delle vie aeree (che avveniva a tempo). L evoluzione tecnologica ed il riscontro dell efficacia della ventilazione anche nel paziente con insufficienza respiratoria e drive conservato, ha reso necessaria l introduzione di un componente che consentisse di sincronizzare il ciclo respiratorio del paziente con l attività del ventilatore. Tale sistema, che funziona come innesco o grilletto, prende il nome di trigger. Il trigger è definito inspiratorio quando dà l avvio alla fase inspiratoria ed espiratorio quando attiva il ciclaggio della macchina all espirazione. Nella ventilazione assistita o spontanea il trigger inspiratorio può essere a pressione od a flusso. I recenti ventilatori spesso rendono disponibili entrambi i trigger ed il primo che viene attivato avvia l inspirazione. I recenti ventilatori, che consentono la compensazione delle perdite, hanno un sistema di trigger automatico la cui sensibilità varia in funzione delle perdite rilevate. La tecnologia ha fatto notevoli passi avanti, vedi ad esempio le servovalvole già descritte, per cui la trattazione che seguirà sul funzionamento dei trigger, sarà per forza semplificata e molto rudimentale, con l esclusivo obiettivo di far comprendere i concetti che sono alla base dell attivazione del trigger Trigger a pressione Quando il paziente connesso al circuito è a fine espirazione, la valvola espiratoria si chiude ed, essendo anche la valvola inspiratoria chiusa, l inizio dell inspirazione avverrà in un circuito chiuso con conseguente caduta della pressione. Essa verrà rilevata da un trasduttore di pressione che invierà il segnale ad un microprocessore. Quest ultimo non farà altro che confrontare, istante per istante, la pressione rilevata con la pressione soglia impostata dall operatore. Quando i due valori coincideranno, e quindi la soglia sarà raggiunta, la macchina pressurizzerà le vie aeree dando origine all inspirazione (Figg. 9-10). Nel trigger a pressione ci sarà un tempo che, per quanto breve, farà respirare il paziente in un circuito chiuso senza flusso disponibile. Allo 72 La ventilazione meccanica non invasiva

2 Ingresso gas Serbatoio Valvola inspiratoria Circuito di controllo Sensore di pressione Paziente Valvola espiratoria Ingresso gas Serbatoio Valvola inspiratoria Circuito di controllo Sensore di pressione Valvola espiratoria Ingresso gas Serbatoio Valvola inspiratoria Circuito di controllo Sensore di pressione Valvola espiratoria Figura 9 Nella figura in alto il paziente sta espirando (la valvola inspiratoria è chiusa e quella espiratoria aperta); nella figura al centro il paziente ha terminato l espirazione (nelle vie aeree la pressione è zero e questo è un segnale che chiude la valvola espiratoria); quando il paziente inizia l inspirazione che, avvenendo in un circuito chiuso (figura centrale), crea una depressione. Quando sarà raggiunta la soglia impostata dall operatore si aprirà la valvola inspiratoria e inizierà la pressurizzazione delle vie aeree (figura in basso). Il ventilatore, elementi costitutivi 73

3 Figura 10 Si può notare nella curva della pressione l incisura (cerchio nero) che precede ogni pressurizzazione: rappresenta la depressione nel circuito fino al raggiungimento della soglia del trigger. Paw PEEP soglia Flusso insp. zero esp. Figura 11 La traccia in alto mostra l andamento della pressione nelle vie aeree. Si può notare la depressione che raggiunge il valore soglia e dà il via alla pressurizzazione. La disponibilità di flusso per il paziente è visualizzabile nella traccia in basso. La zona grigia verticale evidenzia il ritardo tra l inizio dell ispirazione del paziente e la reale disponibilità di flusso nel circuito. stimolo neurale dell inspirazione non fa seguito immediatamente l arrivo del flusso nelle vie aeree (Fig. 11). Questo ritardo può rendere, se la sensibilità del trigger non è sufficientemente elevata, scarsamente adattabile il paziente al ventilatore. Si tenga 74 La ventilazione meccanica non invasiva

4 presente che in caso di PEEPi il paziente dovrà prima controbilanciare questa pressione e poi raggiungere la soglia del trigger. Appare evidente come la PEEPi oltre a richiedere uno sforzo muscolare aggiuntivo al paziente aumenti ulteriormente l asincronismo paziente-macchina. Altro elemento di ritardo dell inspirazione è la latenza tra l attivazione del trigger e la reale pressurizzazione delle vie aeree. Con i moderni ventilatori si calcola che complessivamente il ritardo con cui la macchina fornisce il flusso rispetto alla reale richiesta del paziente sia di circa 100 ms Trigger a flusso Con il trigger a flusso si è cercato di ovviare a questa latenza di risposta del ventilatore. Esso si basa sul principio di un flusso continuo (flow by) nel circuito che viene costantemente letto da sensori di flusso presenti nella via inspiratoria ed espiratoria. Le rilevazioni inviate ad un microprocessore verranno, istante per istante, confrontate e poi rapportate al valore soglia di flusso impostato dall operatore. Quando il sensore espiratorio legge un flusso minore rispetto all inspiratorio vuol dire che qualcuno ha sottratto flusso al sistema. Quel qualcuno, ovviamente, è il paziente che sta iniziando l inspirazione. Quando la quota di flusso sottratta corrisponde alla soglia prevista, la macchina pressurizza le vie aeree (Fig. 12). L elemento interessante del trigger a flusso è che, anche quando il paziente inizia l inspirazione e non vi è pressurizzazione delle vie aeree, il paziente trova nel circuito una quota di flusso che elimina (sarebbe meglio dire riduce) la latenza tra stimolo neurogeno e disponibilità del flusso (Fig. 13). Il trigger inspiratorio, pur essendo uno dei tanti elementi costitutivi del ventilatore ed interessando una piccola parte del ciclo respiratorio, è un determinante essenziale nell adattamento del paziente alla ventilazione. Un inappropriato settaggio può provocare un aumentato carico di lavoro inspiratorio del paziente. Non raramente causa di insuccesso della ventilazione sono gli sforzi inefficaci e l autotriggering. Gli sforzi inefficaci sono caratterizzati dal tentativo del paziente di inspirare non seguito dalla pressurizzazione del circuito da parte della macchina per mancato raggiungimento della soglia del trigger (Fig. 14). Il ventilatore, elementi costitutivi 75

5 Ingresso gas Serbatoio Valvola inspiratoria Circuito di controllo Sensore di pressione Parziale Valvola espiratoria Ingresso gas Serbatoio Valvola inspiratoria Circuito di controllo Sensore di pressione Parziale Valvola espiratoria Figura 12 Nell immagine in alto il paziente sta espirando; il sensore espiratorio legge un valore superiore a quello inspiratorio. Quando termina l espirazione i due sensori leggeranno la stessa quantità di flusso e la differenza sarà zero. Solo quando il paziente inizierà l inspirazione il sensore espiratorio leggerà un valore inferiore a quello inspiratorio e quando la differenza sarà pari al valore impostato dall operatore avverranno la chiusura della valvola espiratoria e la pressurizzazione della via inspiratoria (immagine in basso). 76 La ventilazione meccanica non invasiva

6 Paw PEEP Flusso insp. soglia zero esp. Figura 13 Nella curva del flusso si può notare come sin dall inizio dell inspirazione il paziente riceve una quota di flusso; quando tale valore sarà pari a quello impostato dall operatore avverrà la pressurizzazione delle vie aeree (curva in alto). Anche durante la fase che porta all attivazione del trigger (area grigia verticale) il paziente trova una quota di flusso disponibile nel circuito. Figura 14 Si può notare come la frequenza respiratoria del paziente (data dalla somma dei cerchi neri e dei quadrati grigi) sia decisamente superiore agli atti forniti dal ventilatore (frecce nere). Infatti sono presenti numerosi sforzi inefficaci (cerchi neri) in cui il paziente tenta di inspirare senza raggiungere la soglia del trigger e solo alcuni atti in cui essa viene raggiunta (quadrati grigi tratteggiati) dando origine alla pressurizzazione. Il ventilatore, elementi costitutivi 77

7 Se il ventilatore di cui disponiamo non ci fornisce le curve di pressione e di flusso, lo sforzo inefficace sarà identificato evidenziando le contrazioni addominali del paziente alle quali non fa seguito l invio del flusso da parte della macchina. Gli sforzi inefficaci possono essere conseguenza di un settaggio troppo duro del trigger (come nella Figura 14, rettangolo nero tratteggiato) o di un mancato controbilanciamento con PEEPe della PEEPi a fronte di una scarsa forza muscolare del paziente. Nel primo caso sarà sufficiente rendere più sensibile il trigger (Fig. 15); nel secondo bisognerà cercare di adattare il più possibile la PEEPe alla PEEPi (cosa non semplice nella ventilazione non invasiva) o scegliere tecniche di ventilazione che mettano a riposo i muscoli respiratori. A volte lo sviluppo dell autopeep è conseguenza della ventilazione stessa. Un ciclo respiratorio con tempo inspiratorio prolungato e tempo espiratorio ridotto potrebbe non consentire l eliminazione del volume corrente; la PEEP che si viene a creare può rendere più difficile il raggiungimento della soglia del trigger da parte del paziente. Figura 15 Rispetto alla figura 14 il trigger è stato reso più sensibile (rettangolo grigio tratteggiato) con completa risoluzione degli sforzi inefficaci. Notare come la frequenza degli atti forniti dal ventilatore (cerchio nero) sia superiore a quella della Figura La ventilazione meccanica non invasiva

8 cerchietti Figura 16 Esempio di autotriggering. I trigger con soglia molto bassa (rettangolo grigio tratteggiato) sono all origine, in questo paziente, di autotriggering con elevata frequenza respiratoria (cerchio nero). Anche l entità della pressione di supporto può essere causa di asincronismo. Infatti, maggiore è il supporto pressorio maggiore sarà la riduzione del drive respiratorio del paziente (che in qualche modo finisce per demandare lavoro alla macchina). Ciò comporta o un ritardo nel raggiungimento della soglia del trigger o il mancato raggiungimento dello stesso. In entrambi i casi vi sarà un asincronismo paziente-macchina. Come accennato in precedenza, un altra causa di asincronismo è l autotriggering. Esso è l attivazione impropria della pressurizzazione delle vie aeree da parte della macchina per raggiungimento della soglia del trigger in assenza di sforzo inspiratorio del paziente. Ovviamente alla base dell autotriggering vi sarà il settaggio troppo sensibile del trigger (Fig. 16). In queste condizioni, movimenti del circuito, secrezioni nel tubo endotracheale o lo stesso battito cardiaco (soprattutto nei pazienti dopo intervento cardiochirurgico) possono creare delle modificazioni pressorie nel circuito che vengono lette come attivazione del trigger. Il paziente riceverà atti inspiratori in più non richiesti ed in fasi del proprio ciclo respiratorio molto diverse. Il ventilatore, elementi costitutivi 79

9 Figura 17 Aumentando la soglia del trigger (rettangolo grigio tratteggiato) vi è una completa scomparsa del fenomeno dell autotriggering (con conseguente sincronizzazione macchina/paziente). È compito dell operatore individuare il problema ed eventualmente settare i trigger con soglia più alta (Fig. 17) Trigger espiratorio Nelle ventilazioni pressometriche spontanee il trigger espiratorio è in genere a flusso. Esso si basa su un principio molto semplice: durante le fasi iniziali dell inspirazione il flusso verso il paziente è molto elevato. Ciò dipende dal delta pressorio tra circuito ed alveoli e dalla compliance del sistema respiratorio. Man mano che l atto procede, il delta pressorio si riduce così come la compliance toraco-polmonare con conseguente progressiva riduzione del flusso inspiratorio. Quando la caduta del flusso ha raggiunto un valore soglia percentuale rispetto al picco di flusso, quello è il segnale per il ventilatore per ciclare e passare all espirazione (Figg ). In genere tale valore è settato dalle ditte costruttrici al 25% del picco di flusso (ciò vuol dire che, se ad esempio il picco di flusso è stato di 100 l/min, quando il flusso scenderà a 25 l/min la macchina ciclerà). 80 La ventilazione meccanica non invasiva

10 Paw PEEP 100% Flusso zero soglia insp. 25% esp. Figura 18 Quando il flusso inspiratorio ha raggiunto una soglia percentuale rispetto al suo massimo (picco) il ventilatore ciclerà. Figura 19 Trigger espiratorio settato al 25% del picco di flusso (linea grigia tratteggiata). Nei più moderni ventilatori la soglia del trigger espiratorio può essere settata dall operatore. Tale possibilità consente di adattare ancora meglio l atto respiratorio al paziente. In un bronchitico cronico riacutizzato l inspirazione deve essere breve e con flussi molto elevati per consentire un adeguato tempo espiratorio. Un trigger settato al 25% prolungherebbe inutilmente il Ti creando asincronismo macchina-paziente. Alcuni studi Il ventilatore, elementi costitutivi 81

11 hanno evidenziato come in effetti la contrazione del diaframma cessi in questi pazienti molto precocemente ed un ritardo nel ciclaggio prolunghi il Ti che per il paziente è già terminato sia come stimolo neurogeno sia come forza muscolare (Fig. 20). Aumentare questa percentuale significa anticipare il ciclaggio cioè l espirazione (Fig. 21). Ovviamente aumentare la percentuale della soglia significa tagliare precocemente l inpirazione e tale scelta può risultare molto deleteria se il paziente selezionato non necessita di un Ti breve. Esiste inoltre un trigger espiratorio a pressione che fa parte del sistema Ti Ti excess Paw td Flow Pdi EMGd Figura 20 Confronto tra pressurizzazione delle vie aeree (Paw), flusso (Flow), pressione diaframmatica (Pdi) ed elettromiografia del diaframma (EMGd) in paziente con BPCO riacutizzata e trigger espiratorio settato al 25%. Si può notare come ci sia un prolungamento di pressurizzazione delle vie aree (cioè del Ti): malgrado la fine della contrazione del diaframma (linea grigia) sia precoce, il ciclaggio è tardivo (linea nera). 82 La ventilazione meccanica non invasiva

12 Figura 21 Trigger espiratorio settato al 75% del picco di flusso (linea grigia tratteggiata). Si può notare come, rispetto alla figura 19, il ciclaggio sia molto più precoce. di sicurezza. Esso garantisce l apertura della valvola espiratoria ad un valore settato dall operatore se durante l inspirazione vi è un aumento eccessivo di pressione (ad esempio, colpo di tosse del paziente). Segnaliamo alla fine di questo capitolo, per completezza espositiva, che esiste un altro sistema di trigger che prende il nome di trigger ombra, registrato dal marchio Respironics, che si basa su principi completamente diversi da quelli espressi in dettaglio in precedenza. Per ulteriori informazioni rinviamo all articolo citato nelle letture consigliate. Letture consigliate Goulet G. et al.: Pressure vs flow triggering during pressure support ventilation. Chest (111): , Hess D.R.: Ventilator waveforms and the physiology of pressure support ventilation. Respiratory Care 50(2):166-86, Hess D.R., Kacmarek R.M.: Essential of mechanical ventilation, McGraw-Hill, Nilsestuen J.O., Hargett K.D.: Using ventilator graphics to identify patient-ventilator asynchrony. Respiratory Care 50(2) , Il ventilatore, elementi costitutivi 83

13 Prinianakis G. et al.: Effects of the flow waveform method of triggering and cycling on patient-ventilator interaction during pressure support. Intensive Care Med. (29) , Sykes K.S., Young J.D.: Respiratory support in intensive care, BMJ Books, Tassaux D. et al.: Impact of expiratory trigger setting on delayed cycling and inspiratory muscle workload. Am. J. Respir. Crit. Care Med. (172): ), Torri G., Calderini E.: Tecniche di ventilazione artificiale, Fogliazza Editore, La ventilazione meccanica non invasiva