Extending the role of capnography during mechanical ventilation

The extended application area of capnography was verified in a bench test study and clinical investigation. The in vitro study involving artificial lungs with different mechanical properties gave insight into the eneven ventilation distribution driven by the markedly altered resistive and/or elastic...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Main Author: Korsós Anita
Other Authors: Babik Barna
Peták Ferenc
Format: Dissertation
Published: 2023-05-16
Subjects:
doi:10.14232/phd.11726

mtmt:34126112
Online Access:http://doktori.ek.szte.hu/11726
Description
Summary:The extended application area of capnography was verified in a bench test study and clinical investigation. The in vitro study involving artificial lungs with different mechanical properties gave insight into the eneven ventilation distribution driven by the markedly altered resistive and/or elastic properties of the individual sides. These findings contributed to a better understanding of ventilation heterogeneities in a lung, including compartments with different time constants. Due to the high reproduction number of SARS-CoV-2 virus, there may be a sudden increase in the number of patients requiring mechanical ventilation. This can lead to an acute shortage of ventilators in critical care. Using capnogaphy in Study I., we demonstrated that the adequacy of ventilator splitting can be verified. However, ventilator splitting can only be considered as a rescue intervention to provide adequate tidal volumes without collateral airflow for two subjects with different respiratory systems. Our experimental results support that this split ventilation modality can be applied without the risk of diminishing patient safety if emergencies arise due to temporal shortages of mechanical ventilators. Therefore, the risk of non-ventilation is higher than that of controlled shared ventilation in terms of morbidity. Moreover, goal-oriented capnography can serve as a bedside approach to ensure the adequacy of tidal volumes on both lungs during this life saving intervention. Capnography as a routinely available monitoring modality may help in emergencies (i.e. in pandemics or combat hospitals) when there is a lack of equipment and/or health care professionals. From this aspect, ventilator sharing can be regarded as a lifesaving manoeuvre in catastrophe medicine. This alternative may have importance during the exacerbation of an upcoming epidemic wave, or devastating war-related tragic events when intensive care specialists may be faced with a shortage of ventilators. Study II. demonstrated that, diabetes affects airway function and the elastic properties of the respiratory tissues, leading to ventilation heterogeneities. This inhomogenous alveolar emptying was confirmed by capnography showing an elevated phase III slope. These intrinsic mechanical and ventilation abnormalities in diabetes were counterbalanced by the increased contractile response of the pulmonary vasculature to hypoxic stimuli, which was able to maintain the normal intrapulmonary shunt fraction and oxygenation ability of the lungs. On the other hand, obesity similarly deteriorated the global respiratory mechanics, and the external trigger worsened gas exchange. The simultaneous presence of diabetes and obesity had additive effects on the worsened respiratory resistance. This synergistic effect may be related to the combination of the external mechanical overload exerted by the upward shift of the diaphragm in obesity, and the enhanced susceptibility of the alveoli to collapse subsequent to type II pneumocyte dysfunction in the presence of diabetes secretion. These pathophysiological changes highlight the importance of lung protective ventilation with high PEEP and low VTs not only in obesity, but also in patients with diabetes. Taking together the findings of the two studies may have clinical relevance. Since a high proportion of the critically ill COVID-19 patients are diabetic and/or obese, detailed information obtained by capnography may help to optimize mechanical ventilation in the case of a necessity for shared ventilation in a population overwhelmed by diabetic and/or obese patients.
Prospektív vizsgálataink során a kapnográfia kiterjesztett alkalmazásának lehetőségeit és előnyeit mértük fel bench test segítségével, valamint egy klinikai vizsgálat során. Az in vitro tanulmányunk hátterében az áll, hogy a SARS-CoV-2, mint ismétlődő koronavírus pandémia rávilágít arra a veszélyre, ami egy magas reprodukciós képességű, nagy tömegeket érintő vírusfertűzés során viharos gyorsasággal kialakulhat. Ebben a helyzetben egyidejűleg nagy számú súlyos betegnek lehet szüksége lélegeztetőgéppel történő szervtámogatásra, ami hirtelen relatív lélegeztetőgép hiányhoz vezethet az egészségügyi ellátórendszerben. Ezért az első tanulmányban kapnográfot alkalmazva támasztottuk alá, hogy az osztott ventilláció koncepciója szükség esetén biztonsággal megvalósítható. Fontos hagsúlyozni, hogy az osztott lélegeztetés a damage controll beavatkozásokkal analóg módon, a terápia akut életmentő fázisaként lehet alkalmas arra, hogy megfelelő légvételi volument juttassunk két, különböző tulajdonságú légzőrendszerrel bíró oldal számára, kollaterális áramlás nélkül, és ezzel a beteg életét megmentsük. Ez magában hordozza annak lehetőségét, hogy a szimultán lélegeztetésre szoruló nagy tömegű beteg túlélése osztott lélegeztetéssel feltételezhetően jobb, mintha egyes betegek egyáltalán nem jutnának lélegeztetőgéphez. A célorientáltan használt kapnográfia segítségével ellenőrízhetővé válik a légvételi volumenek megfelelősége ezen életmentő manőver során. A rutinszerűen elérhető kapnográf tehát hasznos lehet sürgős ellátás során (világjárványok, katonai kórházak), ahol a pillanatnyi igények meghaladhatják a rendelkezésre álló eszköz kapacitást. Ez az alternatíva hasznos lehet egy következő járványhullám vagy háborús esemény során, ahol a korábbiakhoz hasonlóan akut lélegeztetőgép hiánnyal szembesülhetünk. A második klinikai nagy betegcsoporton végzett tanulmányunk igazolta, hogy a diabétesz a légúti funkciót és a légzőrendszeri szövetek elasztikus tulajdonságait károsítva ventillációs heterogenitást okoz. Ez az inhomogén alveoláris ürülés a kapnogram harmadik fázisának emelkedésében nyilvánul meg. A diabétesz okozta intrinszik mechanikai és ventillációs eltéréseket a pulmonális érmeder hipoxiára adott fokozott vazokonstrikciós válaszkészsége ellensúlyozza. Ez a túlzott vazokonstrikció képes a fiziológiás tartományban tartani az intrapulmonális sönt frakcióját, és ezzel biztosítani a tüdő megfelelő oxigenizációs képességét azzal feltételezhető jelenséggel együtt, hogy a kóros pulmonális vaszkuláris ellenállás emelkedése a jobb kamra munkáját növelheti. A kóros elhízás a cukorbetegséghez hasonlóképpen rontja a globális légzőrendszeri mechanikát, ami az obezitásban észlelhető kraniális irányú rekesz elmozdulás okozta külső mechanikus terhelésből adódik. Ezek a patofiziológiai eltérések is rávilágítanak a magas PEEP-pel és alacsony VT-vel történő tüdőprotektív lélegeztetés fontosságára, nemcsak a kórosan elhízott, hanem a diabéteszes populációban is. A két tanulmány eredményeit összekapcsolhatja, hogy a COVID-19 során súlyosan megbetegdettek között nagyszámban találunk kórosan elhízott és/vagy diabéteszes beteget. Az ő lélegeztetésük akár átemetileg osztott módban is a kapnográfia jelentőségét húzza alá.