Variation des exspiratorischen Umschaltkriteriums während assistierter Beatmung bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung – Untersuchung der Patient-Ventilator-Interaktion am Lungenmodell
Adjustment of ventilator off-cycling during pressure support ventilation in chronic obstructive pulmonary disease – A lung model study
by Carsten Volker Zippel
Date of Examination:2015-11-11
Date of issue:2015-11-10
Advisor:Prof. Dr. Onnen Mörer
Referee:Prof. Dr. Onnen Mörer
Referee:Prof. Dr. Stefan Andreas
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Name:Zippel - Variation des exspiratorischen Umsc...pdf
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Format:PDF
Abstract
English
Introduction: During pressure support ventilation (PSV) the ventilator cycles to the expiratory phase when the inspiratory flow falls below a predefined percentage of the peak-flow, the off-cycling criterion. In COPD delayed off-cycling is common due to the slow decrease of the inspiratory flow. The interface, the level of pressure support, the duration of patient inspiratory effort, leakage in non-invasive ventilation and the use of a niv-mode potentially influence the off-cycling. Patient-ventilator synchrony is crucial for the success of ventilation. Methods: COPD was simulated in a lung model. PSV was delivered by a standard ventilator via endotracheal tube (ET), face mask (FM) and ventilation helmet (VH). The off-cycling criterion was varied (10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % of peak flow) at different levels of pressure support (5 cmH2O, 15 cmH2O) and different respiratory rates (15 und 30 bpm). During non-invasive ventilation measurements were repeated with leakage using the ventilators invasive (IV) and non invasive (NIV) mode. Asynchrony-events (wasted efforts, double trigger), inspiratory (TLINSP) an expiratory trigger latency (TLEXP), intrinsic PEEP (PEEPi), pressure time products in different phases of the breathing cycle (PTPPEEP, PTPINSP, PTPEXSP) and the tidal volume (VT) were calculated to analyse the patient-ventilator interaction. Results: Using conventional off-cycling criteria (20 % to 30 % of peak flow) always resulted in delayed cycling. Augmenting the off-cycling criterion led to a reduction of TLEXP, PTPEXSP and PEEPi. Consequently wasted efforts, TLINSP and PTPPEEP were reduced. The use of high off-cycling criteria (50 % - 70 %) caused premature cycling in some situations which was associated with double-triggering and led to a reduction of PTPINSP and VT. Similar results were found for ET and FM without leakage. Patient-ventilator interaction was disturbed in VH which favoured premature off-cycling. The high level of pressure support was associated with prolonged TLEXP when ET and FM were used, using VH tended to show the opposite effect. TLEXP was prolonged in the presence of leakage (IV-mode). This effect was partially corrected by using the NIV-mode. Conclusions: Augmenting the off-cycling criterion above the default setting (20-30% of peak inspiratory flow) improved patient-ventilator interaction in simulated COPD. The augmentation of the off-cycling criterion also led to premature cycling which was especially detected at low respiratory rate an when VH was used. The level of pressure support, the respiratory rate, leakage and the ventilation mode have to be considered when adjusting the off-cycling criterion.
Keywords: mechanical ventilation; chronic obstructive pulmonary disease; pressure support ventilation; patient ventilator interaction; cycling-off; non-invasive ventilation
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Einleitung: Bei PSV beendet der Respirator die Druckunterstützung, wenn der Inspirationsfluss auf einen prozentualen Anteil des Spitzenflusses, welcher als Umschaltkriterium be-zeichnet wird, absinkt. Bei obstruktiver Lungenerkrankung ist der Abfall des Inspirationsflusses verlangsamt, wodurch verspätetes Umschalten in die Exspiration begünstigt wird. Der verwendete Beatmungszugang, das etwaige Vorliegen von Leckage bei nicht-invasiver Beatmung, die Höhe der Druckunterstützung und die Atemfrequenz sind potentielle Faktoren, welche das Umschalten in die Exspiration beeinflussen können. Die synchrone Unterstützung der Patienteninspirationsbemühung ist entscheidend für den Erfolg der assistierten Beatmungstherapie. Methode: In einer Lungenmodellstudie wurde obstruktive Lungenmechanik simuliert und der Einfluss der Variation des Umschaltkriteriums auf die Patient-Respirator-Interaktion untersucht. Die Beatmungszugänge Endotrachealtubus, Nasen-Mund-Maske und Beatmungshelm wurden nacheinander in den Versuchsaufbau eingebracht. Bei nicht-invasiver Beatmung wurde mit und ohne Leckage gemessen. Bei Vorliegen von Leckage wurde zusätzlich in einem nicht-invasiven Beatmungsmodus beatmet. Die Höhe der Druckunterstützung (5 cmH2O, 15 cmH2O) und die Atemfrequenz (15/min, 30/min) wurden verändert. Die Patient-Respirator-Interaktion wurde bei Verwendung der Umschaltkriterien 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 % und 70 % des Spitzenflusses analysiert. Aus aufgezeichneten Flusskurven wurden Parameter, welche die Synchronisation zwischen Patient und Respirator beschreiben (nicht-unterstützte Atemzüge, Doppeltrigger, inspiratorische und exspiratorische Triggerlatenz) sowie das Tidalvolumen bestimmt. Aus aufgezeichneten Druckkurven wurden der intrinsische PEEP und Druck-Zeit-Produkte bestimmt, welche in den verschiedenen Phasen des Atemzyklus die durch den Respirator geleistete Entlastung (PTPPEEP, PTPINSP) oder Belastung (PTPEXSP) der Atemmuskulatur beschreiben. Ergebnisse: Bei konventionell eingestelltem Umschaltkriterium (20 % - 30 %) wurde stets verspätetes Umschalten beobachtet. Die Erhöhung des Umschaltkriteriums resultierte in einer Reduktion der exspiratorischen Triggerlatenz, PTPEXSP und des intrinsischen PEEP. In der Folge wurden nicht-unterstützte Inspirationsbemühungen, die inspiratorischen Triggerlatenz sowie der zur Auslösung der Druckunterstützung erforderliche Kraftaufwand (PTPPEEP) reduziert. Bei übermäßiger Erhöhung des Umschaltkriteriums beendete der Respirator die Druckunterstützung vor dem Ende der simulierten Inspirationsbemühung. Vorzeitiges Umschalten ging mit einer Abnahme des Tidalvolumens und der effektive Druckunter-stützung (PTPINSP), sowie der Auslösung von Doppeltrigger, einher. Vorzeitiges Umschalten trat bei niedriger Atemfrequenz bei Verwendung der Umschaltkriterien 50 % bzw. 60 % bis 70 % auf. Bei Beatmung via Endotrachealtubus und Nasen-Mund-Maske wurden vergleichbare Ergebnisse beobachtet. Bei Beatmung via Beatmungshelm war die Interaktion zwischen Patient und Respirator wesentlich beeinträchtigt, wodurch vorzeitiges Umschalten begünstigt wurde. Bei Messungen mit Leckage war die exspiratorische Triggerlatenz verlängert. Bei Verwendung des NIV-Beatmungsmodus konnte die exspiratorische Triggerlatenz teilweise minimiert werden. Bei hoher Druckunterstützung war die exspiratorische Triggerlatenz, bei Beatmung via Endotrachealtubus und Nasen-Mund-Maske, verlängert. Konklusion: Die Variation des Umschaltkriteriums stellt eine effektive Möglichkeit dar, die Patient-Respirator-Interaktion zu optimieren. Bei obstruktiver Lungenerkrankung sollte das Umschaltkriterium, über das konventionell eingestellte Umschaltkriterium hinaus, erhöht werden. Das Umschaltkriterium ist maßvoll zu erhöhen, um eine vorzeitige Unterbrechung der Druckunterstützung zu verhindern. Das Risiko verfrühten Umschaltens ist bei Beatmung via Beatmungshelm, sowie bei niedriger Atemfrequenz, erhöht. Des Weiteren müssen das etwaige Vorliegen von Leckage, der bei nicht-invasiver Beatmung verwendete Beatmungsmodus, die Höhe der Druckunterstützung sowie die Atemfrequenz bei der Wahl des Umschaltkriteriums berücksichtigt werden.
Schlagwörter: maschinelle Beatmung; chronisch obstruktive Lungenerkrankung; COPD; Druckunterstützte Beatmung; Umschaltkriterium; Nicht-invasive Beatmung; Patient-Ventilator Interaktion