-6-
2. Historie a základy zpětnovazebně řízené ventilace Ačkoliv by metodika umělé plicní ventilace pacienta měla být velmi známým postupem, není to tak úplně pravdou. Existuje totiž mnoho způsobů jak postiženého ventilovat s klinicky uspokojivým výsledkem. Existují různé školy jak v myšlení, tak v postupech, které k provádění ventilace používají. Není jednoduché podpořit jakýkoliv přístup k ventilaci bez získaného vědeckého podkladu. Některé poznatky však nejsou přijaty všemi experty. Proto zavedení všech algoritmů zpětnovazební ventilace do praxe nebylo možné a jen několik málo je komerčně vhodných k využití. Jejich rozvoj a praktická aplikace je datována od 50.let 20.století.
2.1 Teorie řízení zpětnou vazbou Základní princip systému řízeného zpětnou vazbou je zobrazen na Schématu 1. Záměrem je automaticky dosáhnout a potom udržovat cílové hodnoty nastavené operátorem. Nezbytné stavební kameny tohoto úkolu jsou „comparator-srovnávací obvod, controller-regulátor , process-postup“, který má být kontrolován a „sensor-snímač “. Uživatel nastavuje cílovou hodnotu x. Elektronický obvod srovnává tuto hodnotu s aktuálně měřenou hodnotou y´ a počítá rozdíl (chybu) e (tzv.“controller error“). Controller error (e) je potom použita jako vstup do řídící jednotky (controller-regulátor). Řídící jednotka zpracovává error e proti původním hodnotám, řídí změnu procesu hodnotou u, a změnou svého výkonu P dochází ke změně na měřené hodnotě y.
Schéma 1: Closed loop controller – obecné řízení zpětnou vazbou. Cíl x je srovnáván s aktuální hodnotou y´ a error signal e
je odeslán řídící jednotce. Řídící jednotka
reguluje vstup u do ventilátoru, aby změnil výkon P. Výsledkem je změna výkonu P, která vede ke změně na měřené jednotce y.
-7-
2.2 Typy řízení zpětnou vazbou V případě mechanické ventilace jsou dvě základní metody řízení zpětnou vazbou. Jedná se o řízení parametru mezi jednotlivými dechy (breath by breath control) nebo během dodávaného dechu (intrabreath control). Řízení mezi jednotlivými dechy se týká nastavení řídícího parametru dech po dechu. Ten pak během dechu zůstává konstantní. Řízení v průběhu dodávaného dechu se týká proměnné během dodávaného dechu a proto se může měnit. Řízení zpětnou vazbou může být také založeno na pozitivní nebo negativní zpětné vazbě.
2.3 Negativní zpětná vazba Negativní zpětná vazba řídí okruh za účelem redukovat rozdíl mezi cílem x a měřenou hodnotou y´ aby se rovnal nule. Pro tento účel je aktuální hodnota odečtena od cílové hodnoty. Variabilní výkon u je ovlivňován tak dlouho až je rozdíl mezi x a y´ roven nule. Jedním z komplexních příkladů je původní (MMV) Mandatory minute volume podle Hewlletta (1). Jeho řízení negativní zpětnou vazbou zobrazuje Schéma 2.
Schéma 2: Příklad řízení negativní zpětnou vazbou: mandatory minute volume navržen Hewllettem (1977). Uživatel nastavuje cílový minutový objem (MV). Flow jdoucí do pacienta vytváří rozdíl mezi nastaveným MV a měřeným MV´. Změna e spouští rezervoár, který aktivuje spouštěcí signál t jakmile je rozdíl mezí cílovým MV a měřeným MV´ větší než nastavený Vt. Motor pak dodává nastavený Vt do pacienta. Maximální frekvence je nastavena na f = MV/Vt . (Upraveno podle Hewlett AM, Platt AS, Terry VG: Mandatory minute volume. Anaesthesia 32: 163-169, 1977).
-8-
Systémy řízené negativní zpětnou vazbou mají tři výrazné výhody. 1) Průběh výkonu je řízen velmi přesně. V teoretické terminologii to znamená, že „steady state error“ může být rovna nule. Z toho plyne, že cíle bylo dosaženo v mezích limitů i pokud se změnily vlastnosti systému. 2) Průběh měnlivé odpovědi může být velmi rychlý. 3) Manipulace a vlivy, které nejsou součástí vlastností respiračního systému (např. fyzioterapie, bolestivé podněty) jsou automaticky kompenzovány.
2.4 Pozitivní zpětná vazba V kontrastu s řízením negativní zpětnou vazbou je cílem okruhu řízení pomocí pozitivní zpětné vazby vytvořit rozdíl mezi cílem x a měřenou hodnotou y´ . Za tímto účelem je aktuální hodnota přidána k nominální cílové hodnotě. Variabilní výkon u je dosažen požadovanou diferencí. Systém řízení pozitivní zpětnou vazbou tak funguje jako zesilovač. Zesiluje cílovou hodnotu x , která závisí na aktivitě pacienta. Vhodným příkladem je Automatic tube compensation (ATC) (2). Systém zajišťující pokles rezistivního tlaku podle velikosti tracheální rourky pomocí okamžitého nastavení tlakové podpory (pressure support level). Jinými příklady jsou Proportional assist ventilation (PAV) (3) a Negative impedance ventilation (NIV) (4). PAV i NIV nastavují okamžitou inspirační podporu (řízení v průběhu dechu) založenou na průtoku a objemu, které vstupují do pacienta. Metodika je trochu jiná, ale principy zůstávají stejné jak je zobrazeno na Schématu 3.
Schéma 3:
Proportional assist ventilation (PAV) a Negative impedance ventilation
(NIV). Sensor měří okamžitý flow F a objem V (několiksetkrát za sekundu). Řídící jednotka ve zpětné vazbě počítá Pi , který potřebuje přidat k nulovému tlaku Po. Součet obou je předán ventilátoru (Psupp), který aplikuje okamžitý tlak do dýchacích cest pacienta. Tlak vytváří nový flow F, který je opět veden zpět k novému nastavení Psupp.
-9Pozitivní zpětná vazba je spojena s určitými nevýhodami. 1) Je vnitřně nestabilní. V příkladu zobrazeném na Schématu 3, PAV zesiluje jak pacientovu aktivitu, tak artefakty, protože nemůže rozeznat opravdovou aktivitu pacienta a signální šum. PAV předpokládá, že pacientův respirační drive a ventilační proces jsou bez patologie. Pokud se mění podmínky ventilace nebo pacient přestane dýchat nebo se chová neočekávaně, systém řízený pozitivní zpětnou vazbou selhává (5). 2) Mechanismus pozitivní zpětné vazby jako PAV přidává ventilátoru na komplikovanosti. Je potřeba nastavit nové řídící parametry, které nemají evidentní vztah ke známým parametrům jako jsou inspirační tlak, objem nebo flow. Pro klinickou aplikaci jsou zapotřebí speciální bezpečnostní opatření, která kompenzují tyto nevýhody.
Souhrn principů Tabulka 1 shrnuje výše popsané principy. Tabulka 1:
Typy řízení zpětnou vazbou
Mezi dechy Během dechu Negativní zpětná vazba Regulátor PaCO2 PSV Pozitivní zpětná vazba Regulátor P 0,1 PAV
1) Regulátory PaCO2 pracují s negativní zpětnou vazbou mezi jednotlivými dechy 2) Konvenční Pressure support ventilation (PSV) je regulátor se zpětnou vazbou pracující v rámci dodávaného dechu. Nastavuje flow pro pacienta k udržení nastavené hodnoty inspiračního tlaku v délce inspiria. 3) Regulátor P 0,1 (6) nastavuje úroveň inspiračního tlaku dech po dechu, aby byl dosažen nastavený index hodnoty pro respirační aktivitu (P0,1). Zvýšená aktivita pacienta vede ke zvýšení úrovně tlakové podpory. 4) Proportional assist ventilation nastavuje aktuální inspirační tlak založený na flow - průtoku a objemu vytvořeném pacientem a na základě hodnot rezistance a compliance zadané klinikem. Úkolem regulátorů zpětné vazby je dosáhnout nastaveného cíle co nejrychleji a nejpřesněji jak je to možné.
- 10 2.5 Historický vývoj ventilace řízené zpětnou vazbou Mechanická ventilace podporuje respirační funkce intubovaných pacientů ve třech zřetelně odlišných, ale někdy se překrývajících oblastech (7): Podpora ventilace – eliminace CO2, dosažení požadované úrovně arteriálního pH Podpora ventilační pumpy – krátkodobá nebo dlouhodobá podpora respiračních svalů Podpora oxygenace Regulace negativní zpětnou vazbou publikována v literatuře je dělena na podkladě těchto tří základních kategorií. Souhrn zobrazuje Tabulka 2. Tabulka 2: Souhrn literatury: Ventilace řízená negativní zpětnou vazbou Autor
Proměnná hodnota Řízení výkonu Vent Oxy RP
Saxton 1953
ET CO2
P insp
X
-
-
Frumin 1957
ET CO2
P insp
X
-
-
Mitamura 1971
Mixed exp.CO2
Vt, f
X
-
-
Coles 1973
ET CO2
Vt
X
-
-
Lampard 1973
ET CO2
Vt
X
-
-
Schulz 1974
Pa CO2
Vt
X
-
-
Hewllett 1977
Minute ventilation
fSIMV
X
-
X
Coon 1978
Art.pH
Vt
X
-
-
Smith 1978
ET CO2
f
X
-
-
Ohlson 1982
ET CO2
Vt
X
-
-
Chapman 1985 ET C2
Minute vent.
X
-
-
East 1986
ET CO2, FRC
f ,PEEP
X
X
-
Ritchie 1987
ET CO2
Vt
X
-
-
East 1988
FRC
PEEP
-
X
-
Rudowski 1990 ET CO2
Vt, f
X
-
-
Dojat 1992
PSV level
X
-
X
Laubscher 1994 Alveolar ventilation
Pinsp,fSIMV,Te X
-
X
Linton 1994
Alveolar ventilation
Pinsp,fSIMV,Te X
-
X
Waisel 1995
SpO2
PEEP, FiO2
-
X
-
Iotti 1996
P0,1 alv.volume
PSV level
-
-
X
Zone of comfort
- 11 Podpora ventilace První zpráva o ventilátoru řízeném zpětnou vazbou publikovaná v roce 1953 (8) popisuje elektromechanickou substituci lidského respiračního centra. Způsob řízení byl založen na ET CO2 a regulaci inspiračního tlaku. Stejný princip uvedl později do praxe J.Frumin (9). Jeho známý anesteziologický přístroj „Autoanestheton“ měl integrované řízení ventilace zpětnou vazbou. ET CO2 bylo měřeno a srovnáváno s cílovou hodnotou. Inspirační tlak byl posléze nastaven tak, aby zajistil cílové ET CO2. Mnoho autorů během let po studii provedené Fruminem užívalo regulátory zpětné vazby. Většina z nich využívala ET CO2
a s příchodem prvních
intravaskulárních senzorů buď arteriálního pH nebo PaCO2 se zpětnou vazbou. Regulátor výkonu byl buď tlak, dechový objem (Vt) nebo dechová frekvence. Mitamura a kol. (1975) (10) byli první, kteří zavedli nastavení dvou proměnných (Vt a f) k řízení CO2. Byli také prvními, kteří zavedli dechovou práci (WOB) jako parametr k výběru dechového vzoru. Konečně East a kol. řídili ventilaci a plicní expanzi prostřednictvím nastavení PEEP (11). Nedostatkem výše popsaných technik bylo, že klinik musel nastavit základní dechový vzor. Tento postup limitoval praktické využití těchto regulátorů. Laubscher a kol. (12) byli první, kteří označili tento problém a publikovali algoritmus (1994), který nepotřeboval žádný vstup od operátora a automaticky vybíral adekvátní dechový vzor pro zahájení ventilace.
Podpora ventilační pumpy Jiným nedostatkem řídícího algoritmu popsaného výše bylo, že pracoval pouze při absenci spontánního dýchání. Francouzská skupina byla první, která zavzala spontánní aktivitu do výpočtu, aby mohlo dojít k přechodu mezi řízenou ventilací a tlakovou podporou podle ET CO2 (13). Laubscher a kol. (14) přenesli tuto myšlenku dále a vytvořili přechod od pasivní ventilace k aktivní ventilaci jako integrální součást pro jejich regulátor Adaptive lung ventilation (ALV). Oba přístupy byly řízeny negativní zpětnou vazbou. Pokud pacient dýchal více, ventilátor poskytoval menší podporu. Režimy s pozitivní zpětnou vazbou – Negative impedance ventilation a Proportional assist ventilation (PAV) poskytuje více podpory, pokud se zvyšuje pacientovo respirační úsilí. Ventilátor tak funguje jako „pomocné
- 12 respirační svalstvo“ a zesiluje dechovou aktivitu pacienta. Iotti a kol. (6) se pokusili kombinovat dva principy zpětné vazby měřením úrovně inspiračního tlaku = alveolární objem (dechový objem mínus mrtvý dechový prostor) a P0,1 (nespecifické měření respirační aktivity pacienta). Poukázali na to, že je možné kombinovat pozitivní a negativní zpětnou vazbu.
Podpora oxygenace Jen málo autorů se věnovalo automatizaci arteriální oxygenace (PEEP a FiO2), protože dochází k výrazné interakci s kardiovaskulárním systémem a potýká se tak s více problémy než automatizace ventilace.
2.6 Komerčně dostupné režimy řízené zpětnou vazbou Mandatory minute ventilation zavedená Hewllettem (1) je po léta využívaná ve formách automatického mechanismu k udržení minutové ventilace na nastavenou hodnotu. Klinik nastavuje časování, dechový objem a frekvenci (nebo minutový objem) a ventilátor nastavuje frekvenci, inspirační tlak nebo obě veličiny, aby dosáhl nastavených hodnot. Různí výrobci realizovali odlišné typy MMV. Jejich výběr ukazuje Tabulka 3. Tabulka 3: Vybrané příklady implementací MMV
Režim
Nastavené proměnné Ventilátorem řízené Výrobce promměné
Původní MMV f, Vt
f
Žádný
MMV
MinVol, Vt
f
CPU-1(Ohmeda)
MMV
MinVol, Vt
f, Pinsp
Evita 4(Drager)
MMV
MinVol
Pinsp
Veolar(Hamilton Medical)
AutoMode
ASV
Vt, f
%MinVol
Pinsp,Psup,Mode
Servo 300A
(PRVC nebo VS)
Siemens
Pinsp, Psup, f, Ti
Galileo(Hamilton Medical)
- 13 Ve všech dostupných implementacích MMV, kromě jedné (ASV), klinik pevně nastavuje dechový objem, inspirační čas a dechovou frekvenci. V kontrastu s uvedeným, Adaptive support ventilation vybírá dechový vzor automaticky s cílem nejmenší možné dechové práce. Režim je založen na kontinuálním měření plicní mechaniky a v podstatě následuje řídící schéma Adaptive lung ventilation (ALV) (14). ASV představuje první komerčně využitelný MMV algoritmus na bázi vlastního rozhodování podle aktuálních dat pacienta. Tato schopnost je unikátní mezi všemi současně dostupnými metodami MMV.
2.7 Praktické problémy ventilace řízené zpětnou vazbou Mechanickou ventilaci můžeme rozdělit do tří fází: iniciace, udržování a weaning. Pouze málo studií bylo věnováno weaningu a žádná se nevěnovala iniciaci – tedy jak zahájit zpětnovazebné řízení. Faktem je, že všechny navržené regulátory, kromě ALV vyžadovaly manuální výběr iniciálního dechového vzoru. Problém iniciální fáze není jednoduchý, protože přístroj postrádá kontext, který je vždy dostupný klinikovi. Laubscher a kol.(15) vymysleli metodu zahájení ventilace bez vkladu klinika tak, aby mohla být aplikována na všechny pacienty bez rozdílu velikosti nebo patologie. Metoda zahrnuje tlakově podporované, proudově cyklované dechy, nebo tlakově řízené, časově cyklované dechy, vycházející z toho, zda zahajuje ventilaci pacient nebo přístroj. Tento nový typ ventilačního režimu je podobný tlakově řízené SIMV. Studie ukázaly, že automatické nastavení derivované ventilátorem bylo akceptovatelné pro všechny pacienty a tato metoda mohla být použita jako startovací procedura pro ventilaci řízenou zpětnou vazbou.
Co je správný cíl? Pokud regulátor nastavuje minutovou ventilaci, funkční reziduální kapacitu nebo hodnoty krevních plynů, zůstává základní otázka: co je správný cíl?! Jaký je vhodný dechový objem nebo frekvence, aby se dosáhlo požadované minutové ventilace? Laubscher a kol.(14) byli přesvědčeni, že WOB by mělo být použito jako obecné pravidlo, pokud chceme určit dechový objem (Vt)
- 14 a frekvenci (f). Jejich řízení režimu ALV bylo založeno na práci Otise a Fenna (16). Cílem nastavené alveolární ventilace formou Vt a f je dosažení dechového vzoru, který odpovídá minimální dechové práci (WOB). Jiný příklad se týká výběru PaCO2 jako cíle. V dřívějších regulátorech byla zadávána „normální“ hodnota. Vyvíjené postupy umožňovaly dosažení normální hodnoty PaCO2 různou minutovou ventilací. Nicméně jaká je správná hodnota PaCO2? Permisivní hyperkapnie je používána jako označení, že ventilační vzor je nedostatečný k udržení normálních hodnot CO2. Jasně řečeno, hyperkapnie není cíl, ale nutné zlo, abychom se vyhnuli katastrofálním účinkům vysokých tlaků, které jsou potřeba k udržení normokapnie. Tradiční technologie řízení zpětnou vazbou, řečeno definicí, je založena na nastavení cíle, kterého je možno dosáhnout jakkoliv. Permisivní hyperkapnie odstraňuje cíl s rigidním řízením.
Řízení rigidní nebo adaptivní? Výhoda řízení pomocí negativní zpětné vazby je v tom, že nastavený cíl možno dosáhnout s vysokou přesností. Můžeme říci, že regulátor negativní zpětné vazby uzamkne cíl a rigidními silami pomocí určitého dechového vzoru dosáhne jeho hodnot. Podle Folgeringa (17) je fyziologie odlišná: cíl není rigidní, ale závislý na mnoha faktorech a řízení není explicitní, ale implicitní. Např. u pacientů s ARDS vysoké tlaky v dýchacích cestách dosažené při normokapnii jsou příliš vysoké a mohou poškodit plicní parenchym. U těchto pacientů může být hyperkapnie akceptována jako důsledek protektivní ventilace plic. V tomto kontextu můžeme říci, že s benefitem dosažení nastaveného cíle přichází cena dosažení tohoto cíle. Proto ventilace na normální hodnoty PaCO2 může vést k vysokým tlakům v dýchacích cestách, velkým dechovým objemům a následně k poškození plíce. Důležitým momentem tedy je, že cíle závisí na kontextu. Nejsou tedy rigidní a uvedené důvody potom vedou k vytvoření adaptivního řízení.
- 15 2.8 Optimální poměr benefit-riziko První regulátory zpětné vazby pro ventilaci byly navrženy tak, aby dosáhly nastaveného cíle PaCO2 bez ohledu na riziko postižení plíce vysokými tlaky (18). Později byly regulátory vyvíjeny tak, že se snažily nalézt optimální dechový vzor a dosáhnout cíle (19). Například Adaptive support ventilation (ASV) vybírá dechový vzor podle elasticko-rezistančních vlastností systému a nejnižší WOB. Rudowski a kol. (20) použili index barotraumatu k výběru optimálního dechového vzoru. V obou případech je však vždy intermediární proměnná pro ventilaci, alveolární ventilace, nastavena klinikem. Pokud je optimální poměr benefit-riziko nalezen přístrojem potom cíl krevního plynu musí být také určen přístrojem. Schéma 4 ukazuje diagram takového algoritmu.
Schéma 4: Regulátor PaCO2 pro optimální benefit – riziko se strategií permisivní hyperkapnie. Cíl PaCO2 není jednoznačně nastaven, ale je spíše algoritmem založeném na všeobecné strategii (plná a přerušovaná čára) a aktuálním měřeném stupni potencionálního postižení plic. V tomto případě je to poslední měřený inspirační tlak PIP. Jakmile se PIP mění, cíl pro PaCO2 se mění také a tím je zajištěno adaptivní řízení. Plnou čáru můžeme nazvat „agresivní strategii“, zatímco čára přerušovaná představuje „konzervativní strategii“, protože s dodávaným PIP je výsledkem vyšší PaCO2. Konvenční regulátor se zpětnou vazbou s jedním nastaveným cílem PaCO2 by byl prezentován pouze horizontální čarou.
- 16 Cíl PaCO2 vede k určitému ventilačnímu vzoru, který je derivován z aktuální hodnoty tlaku v dýchacích cestách. Při nízkých tlacích je normální hodnota akceptována. Pokud inspirační tlak narůstá, aby dosáhl současné cílové hodnoty, pravý cíl PaCO2 je současně zvyšován, aby byl kompatibilní s aktuálním tlakem v dýchacích cestách. Tento průběh může být nazýván „ventilační strategie“. Pokud se vlastnosti plíce pacienta zlepší, dodávaný tlak vytváří větší objem, který způsobí nižší PaCO2 . Inspirační tlak klesá, protože regulátor se snaží udržet stabilní PaCO2. Tak je vybrán nový nižší cíl PaCO2. Tento proces je pak opakován tak dlouho, než je dosaženo nového „steady state“. Výsledkem je, že regulátor vybírá dechový vzor, který je kompromisem mezi normálním PaCO2 a nízkými inspiračními tlaky. Úroveň kompromisu může být jiná pacient od pacienta a záleží na důležitosti dosažení normokapnie.
Je možný automatický weaning řízením zpětnou vazbou? Jen málo výzkumných skupin se věnovalo vývoji algoritmu asistovaného weaningu. Strickland a Hasson (21) navrhli regulátor k provedení fáze weaningu pacienta podle pulzní oximetrie, dechové frekvence a minutové ventilace. Dojat a kol. (22) koncipovali expertní systém, který přímo nastavil parametry ventilátoru během weaningové fáze vedoucí až k extubaci pacienta. Obě skupiny analyzovali, jak klinik nastavuje ventilátor během weaningu a výsledky použili jako základ jejich algoritmů. Linton a kol. (23) použili algoritmu ALV, který nespouští aktivně weaningový proces, ale snižuje respirační podporu, pokud pacient dýchá sám dostatečně silně. Tímto způsobem odhalili pacientovu schopnost dýchat spontánně.
Respirační management intubovaných pacientů je sám o sobě komplexní problém i pokud si odmyslíme péči o dýchací cesty, analgosedaci nebo infekci. Je nutno brát v úvahu čtyř dimenzionální tvar celkové strategie nastavení ventilátoru: čas, fyziologii, primární plicní onemocnění a hlavní terapeutický přístup. Zahájení (start-up), podpora-udržování ventilace a weaning jsou hlavní dimenze v čase. V každé fázi můžeme označit další tři zřetelně odlišné dimenze. První dimenze zahrnuje ventilaci, oxygenaci a podporu respiračních svalů (ventilační pumpa). Druhou dimenzí je typ plicního postižení (ARDS-tuhá
- 17 plíce, COPD – vysoká rezistence dýchacích cest). Třetí dimenze je strategická, představuje rizika daného ventilačního managementu a popisuje úroveň rizika přijatelnou pro léčbu pacienta. Tato dimenze má tři možnosti terapeutického přístupu: agresivní, vyvážený a konzervativní. Pokud uvažujeme polymorbiditu (akutní, chronickou) a četné problémy (ventilace, respirační pumpa) získáváme velké množství kombinací v určité fázi ventilace v daném čase. Kombinacemi všech můžeme získat celkem až 252 klinických problémů k řešení. Aby byly metody řízení zpětnou vazbou klinicky užitečné musí být schopny řešit více úkonů současně než izolované problémy. Zůstává výzvou do budoucna, zda vložit všechna částečná a izolovaná řešení pouze do jednoho zásadního rozhodnutí.
