Ventilazione non invasiva e PS trial

In quest’ultimo periodo ho visto diversi pazienti con insufficienza respiratoria ipossiemica acuta dovuta a polmonite. Quando l’ossigenoterapia non è più sufficiente, restano due strade: la ventilazione non-invasiva o l’intubazione tracheale. Se la ventilazione non-invasiva è mantenuta a lungo prima di arrendersi al suo fallimento, purtroppo frequente in questa condizione, essa rischia di trasformarsi da opportunità a boomerang: tanto maggiore il tempo perso in ventilazione non-invasiva, tanto minore è la probabilità di sopravvivenza.

Seppur consapevoli di questo, comunque un tentativo di ventilazione non-invasiva può essere ragionevole prima di decidere di passare all’intubazione tracheale: a noi il compito, spesso difficile e complesso, di capire rapidamente chi potrà guarire solo con la ventilazione non-invasiva e chi invece dovrà passare all’intubazione tracheale.

Una breve fase con diversi livelli di pressione di supporto (PS trial) può fornire elementi per aiutarci a prendere una decisione rapida. Per capire come fare ed interpretare un PS trial, ci avvarremo di due ipotetici pazienti, i nostri soliti Mario e Pippo.

Il PS trial

Mario e Pippo hanno entrambi una polmonite con dispnea e PaO₂/FIO₂ < 150 mmHg nonostante ossigenoterapia con High-Flow Nasal Cannula. Iniziamo ad entrambi la ventilazione non-invasiva con maschera facciale. Quello che qui definiamo PS trial è semplicemente la valutazione del pattern respiratorio (volume corrente e frequenza respiratoria) col progressivo incremento di PS. Ogni livello di PS deve essere mantenuto fino alla stabilizzazione del pattern respiratorio, che di solito richiede pochi minuti. L'entità degli aumenti di PS può variare in relazione al contesto clinico, in questo esempio sono applicati incrementi di 4 cmH₂O alla volta.

Nel post commenteremo il risultato del PS trial di Mario e Pippo per decidere se e come proseguire la ventilazione non-invasiva, ma esso può essere anche utilizzato per decidere il livello di assistenza inspiratoria nei pazienti già intubati.

Iniziamo il PS trial di Mario e Pippo impostando PEEP 8 cmH₂O e PS 0 cmH₂O (cioè una CPAP 8 cmH₂O); successivamente aumentiamo il PS a 4, 8 e 12 cmH₂O.  

Durante il PS trial la frequenza respiratoria si modifica in maniera simile in Mario e Pippo: in entrambi è 35-36/min con PS 0 cmH₂O e si riduce a 30-32/min con PS 12 cmH₂O.

Riassumiamo nella tabella 1 la variazione di volume corrente durante il PS trial.

Tabella 1

Nella prima parte della tabella vediamo il volume corrente in ml, nella seconda il volume corrente in ml/kg di peso corporeo predetto o ideale (Predicted Body Weight, PBW, o Ideal Body Weight, IBW), calcolato da sesso ed altezza (177 cm per Mario, 172 cm per Pippo, clicca qui per calcolare facilmente online il PBW). 

La prima cosa che balza all’occhio è che Mario aumenta notevolmente (più del 50%) il volume corrente con l’aumento del PS da 0 a 12 cmH₂O, mentre la variazione di volume corrente di Pippo è trascurabile. Quando espresso in ml/kg PBW, il volume corrente di Mario rimane sotto i 10 ml/kg fino a PS 4 cmH₂O, mentre per Pippo è inferiore a questo valore a tutti i livelli di PS.

Come pensi che questo breve PS trial possa aiutarti a decidere se proseguire o meno la NIV e con che livello di PS in Mario e Pippo?

Basi fisiopatologiche per interpretare il PS trial

Equazione di moto e PS trial

Il PS trial valuta l’effetto sul volume corrente di diversi livelli di supporto inspiratorio. Si può interpretare correttamente il PS trial analizzandone i risultati alla luce dell’equazione di moto dell’apparato respiratorio, che, come i lettori di ventilab ormai ben sanno, è una base ineludibile per capire la ventilazione meccanica.

Riassumiamo rapidamente l’equazione di moto ed il suo significato. A pressione atmosferica, l’apparato respiratorio rimane fermo al volume che raggiunge al termine di una espirazione passiva completa, definito come Capacità Funzionale Residua.

L'inspirazione è possibile se si applica una pressione superiore a quella atmosferica ($P_{appl}$), in parte utilizzata per aumentare il volume polmonare (pressione elastica, $P_{el}$) ed in parte spesa per far scorrere il flusso inspiratorio nelle vie aeree (pressione resistiva, $P_{res}$).

Questo concetto fondamentale può essere riassunto nella equazione 1:

$$ P_{appl} = P_{el} + P_{res}~~~~~~(1)$$

Questa forma semplificata dell'equazione di moto, che trascura la presenza di un eventuale carico soglia, è sufficiente per proseguire il nostro ragionamento.

A sua volta, la pressione elastica è direttamente proporzionale al volume da introdurre ($V$) ed inversamente proporzionale alla “distensibilità” dell’apparato respiratorio, misurata come compliance ($C$): 

$$ P_{el} = \cfrac{V}{C}~~~~~~(2) $$

mentre la pressione resistiva è direttamente proporzionale all’entità del flusso che scorre nelle vie aeree ($\dot{V}$) ed alla resistenza delle vie aeree ($ R $): 

$$ P_{res} = \dot{V} \cdot {R}~~~~~~(3) $$

L’equazione 1 può quindi essere scritta come:

$$ P_{appl} = \cfrac{V}{C} + \dot{V} \cdot {R}~~~~~~(4)$$

$P_{appl}$ è la somma della pressione generata dai muscoli respiratori ($P_{mus}$) e della pressione inspiratoria del ventilatore ($P_{vent}$): 

$$ P_{mus} + P_{vent} =  \cfrac{V}{C} + \dot{V} \cdot {R}~~~~~~(5)$$

Nei soggetti in respiro spontaneo avremo solo $ P_{mus} $, nei pazienti in ventilazione controllata solo $ P_{vent} $, saranno entrambe presenti durante ventilazione assistita.

Dalla equazione 5 si possono ricavare le variabili che determinano il volume corrente, portando nel membro di sinistra il volume e lasciando tutto il resto a destra :

$$ V = (P_{mus} + P_{vent} -  \dot{V} \cdot {R}) \cdot C~~~~~~(6) $$ 

A prima vista questa equazione potrebbe sembrarti astratta, ma in realtà diventa viva e facilmente comprensibile se impari a leggerla e ti aiuterà a capire bene il PS trial di Mario e Pippo. 

Esplicitata concettualmente, l’equazione 6 ci dice che il volume corrente aumenta se aumenta la somma tra la pressione generata dai muscoli respiratori e quella applicata dal ventilatore, se aumenta la compliance oppure se si riducono flusso e/o resistenza.

Alla luce dell’equazione di moto risolta per il volume (equazione 6), possiamo capire il diverso comportamento di Mario e Pippo all’aumento della pressione di supporto. 

Se il volume corrente aumenta all'aumentare della pressione di supporto, come in Mario, vuol dire che ciascun livello di PS (cioè di $P_{vent}$) si somma ad una $P_{mus}$ che rimane sostanzialmente costante, cioè la somma $P_{mus} + P_{vent}$ aumenta all’aumentare della PS.

Al contrario se il volume corrente rimane sostanzialmente costante, come in Pippo, dobbiamo pensare che all’aumento del PS si riduca parallelamente la pressione generata dai muscoli respiratori. In termini formali possiamo dire che all’aumento di $P_{vent}$, la somma $P_{mus} + P_{vent}$ rimane costante, cioè  $P_{mus}$ si riduce della stessa quantità dell’incremento di $P_{vent}$.

L’applicazione del supporto inspiratorio non modifica in maniera rilevante l’attività dei muscoli respiratori di Mario: il ventilatore si aggiunge ai muscoli respiratori. Al contrario, con l’aiuto del ventilatore i muscoli respiratori di Pippo sono indotti a lavorare di meno, il ventilatore si sostituisce ai muscoli respiratori.

Drive respiratorio e PS trial

Il drive respiratorio è l’intensità dell’output (efferenze) del centro del respiro, che raggiunge i muscoli respiratori attraverso le vie nervose. Il centro del respiro è composto da una rete neuronale situata nel tronco dell'encefalo, tra ponte e midollo allungato.

L’intensità della contrazione dei muscoli respiratori è proporzionale al drive respiratorio: ogni sforzo inspiratorio intenso, ogni condizione che definiamo “distress respiratorio” hanno alla base un drive respiratorio intenso. L’indicatore di drive respiratorio più utilizzato in clinica è la P_0.1, a cui ho dedicato il post del 27/06/2021. 

Un elevato drive respiratorio, e l’intensa contrazione muscolare che ne consegue, è segno di malessere del centro respiro che riceve informazioni “negative” dalle sue afferenze, mentre un basso drive respiratorio è segno di benessere del centro del respiro.

Il drive respiratorio è aumentato da una serie di stimoli afferenti al centro del respiro (ipercapnia,  acidosi, ipossiemia, dolore, ansia, stati infiammatori sistemici, stimolazione di fibre nervose e recettori presenti nel parenchima polmonare) o dalla riduzione della inibizione che su di esso esercitano alcune aree corticali cerebrali (1).

La pressione sviluppata dai muscoli respiratori durante l’inspirazione non dipende unicamente dal drive respiratorio, ma anche dalla forza che riescono a generare i muscoli respiratori. Per questo motivo l'aumento del drive respiratorio può non essere accompagnato da un aumento del volume corrente se i muscoli respiratori sono deboli. In questo caso il volume corrente può essere addirittura inferiore al normale pur in presenza di un drive respiratorio molto aumentato. 

In altri casi, una meccanica respiratoria sfavorevole (bassa compliance, alte resistenze, un elevato carico soglia) può impedire ai muscoli respiratori di aumentare di volume corrente al di sopra dei valori fisiologici, pur in presenza di un drive respiratorio molto elevato, perchè per raggiungere questo risultato serviverebbe lo sviluppo di una $P_{mus}$ insostenibile anche per muscoli con normale forza. 

Interpretazione del PS trial di Mario e Pippo

In assenza di supporto inspiratorio (PS 0 cmH₂O) Mario e Pippo hanno entrambi volume corrente 600 ml e una frequenza 36/min, che producono una ventilazione al minuto di 21.6 l/min: hanno per questo lo stesso drive respiratorio? In entrambi il drive respiratorio è soddisfatto da 21.6 l/min di ventilazione? Oppure la ventilazione si ferma a 21.6 l/min per il limite che incontra nei muscoli respiratori, che non riescono a produrne una più elevata?

Il PS trial ci suggerisce la risposta a queste domande.

Pippo all’aumento del supporto inspiratorio mantiene costante il volume corrente. Riguardiamo la equazione 6: se riteniamo che l’aumento di PS (cioè di $P_{vent}$) abbia poco impatto su flusso, resistenza e compliance, la stabilità del volume corrente è spiegabile da una riduzione di $P_{mus}$ uguale all'aumento di $P_{vent}$. Questo comportamento è il segno che la ventilazione di Pippo senza supporto inspiratorio soddisfa già il livello di attivazione del centro del respiro. Il centro del respiro di Pippo è già "sazio" anche senza supporto inspiratorio, e qualsiasi aiuto del ventilatore (=$P_{vent}$) viene utilizzato per ridurre lo sforzo inspiratorio ($P_{mus}$) e non per avere più ventilazione.

Al contrario, Mario all’aumento del supporto respiratorio aumenta il volume corrente. Ciò è interpretabile con il fatto che $P_{mus}$ non si riduce parallelamente all’aumento di $P_{vent}$. Possiamo pensare che la ventilazione di Mario senza supporto inspiratorio sia la massima che egli riesce a sostenere ma che non sia quella necessaria per soddisfare l’intensa attivazione del centro del respiro. Il drive respiratorio di Pippo è "insaziabile", per questo il volume corrente aumenta ad ogni incremento del PS: più $P_{appl}$ si può avere, più si aumenta la ventilazione, avvicinandola sempre più a quella realmente richiesta dal centro del respiro.

A dispetto di un pattern respiratorio simile senza supporto ventilatorio, il PS trial ci fa vedere che il drive respiratorio è maggiore in Mario rispetto a Pippo.

Il PS trial per decidere il supporto respiratorio

Quando proseguire la ventilazione non-invasiva e quando intubare subito

La risposta di Mario (escalation del volume corrente all’aumento del PS) è preoccupante. Ha già una grave insufficienza respiratoria ipossiemica (PaO₂/FIO₂ < 150) che mette seri dubbi sulla possibilità di successo della ventilazione non-invasiva. A questo si associa un drive respiratorio “insaziabile”, cioè il mantenimento di $P_{mus}$ nonostante l’aggiunta di $P_{vent}$, un elemento prognosticamente negativo (2). Poiché il successo della ventilazione non-invasiva è legata anche alla riduzione del drive respiratorio, possiamo concordare che Mario potrebbe meritare l’intubazione già al termine del PS trial. Pippo, nonostante una uguale disfunzione polmonare, sta dimostrando un risultato positivo immediato, la riduzione del drive respiratorio e dello sforzo inspiratorio: per lui possiamo dare fiducia ancora per un po' di tempo alla ventilazione non-invasiva, rivalutandone periodicamente l'efficacia.

Come regolare il livello di PS

Spesso si legge che il PS debba essere incrementato fino al raggiungimento di un volume corrente di 6-8 ml/kg PBW (3). Ritengo che questo approccio non sia appropriato. Sono d'accordo che il PS debba essere aumentato se non si ottiene un volume di almeno 6 ml/kg PBW. Ma dovrebbe essere aumentato anche se, una volta raggiunto questo volume, ulteriori incrementi di PS non modificano in maniera rilevante la dimensione del volume corrente. L'aumento del PS diventa a questo punto efficace nel ridurre $P_{mus}$ senza generare un aumento della pressione transpolmonare e quindi della sovradistensione polmonare. 

Considerazioni finali

Alla luce di quanto abbiamo detto, dopo il PS trial si dovrebbe procedere all'intubazione di Mario ed invece continuare la ventilazione non-invasiva a Pippo con PS 12 cmH₂O.

Abbiamo visto in Mario e Pippo due tra le possibili risposte al PEEP trial. Possono esserci anche altri pattern di variazione del volume corrente durante un PEEP trial, ma conoscere le basi fisiopatologiche del PS trial ci consente di interpretarne il risultato di volta in volta in ciascun paziente in ventilazione assistita. 

Concludo come al solito riassumendo i punti salienti del post:

• il PS trial valuta il trend del volume corrente ottenuto inizialmente in CPAP (cioè senza supporto inspiratorio) e successivamente a livelli crescenti di PS;
• il PS trial può aiutare a:
• capire se intubare un paziente in ventilazione non-invasiva: 
• volume corrente sempre ≥  6-8 ml/kg PBW che continua ad aumentare ad ogni incremento di PS: è segno che la ventilazione non-invasiva non riduce la pressione generata dai muscoli respiratori. Da prendere in forte considerazione il passaggio all'intubazione tracheale;
• volume corrente approssimativamente stabile all'aumento del PS: la ventilazione non-invasiva probabilmente sta riducendo la pressione generata dai muscoli respiratori. E' una risposta da vedere positivamente nei pazienti con ventilazione non-invasiva, se il volume corrente non è chiaramente superiore a 10 ml/kg PBW. Con questo risultato nel PS trial è ragionevole proseguire con la ventilazione non-invasiva.
• scegliere il livello di supporto inspiratorio (sia in ventilazione invasiva che non-invasiva):
• volume corrente < 6 ml/kg PBW: il supporto inspiratorio dovrebbe essere aumentato finché non si raggiunge questo valore;
• volume corrente 6-10 ml/kg PBW: il supporto inspiratorio dovrebbe essere aumentato finché non aumenta significativamente il volume corrente ad ogni successivo incremento di PS. Da valutare con attenzione ogni livello di PS > 20 cmH₂O perchè potrebbe generare sovradistensione polmonare. In questi casi è utile la valutazione della driving pressure (con la misurazione della pressione di plateau durante un'occlusione di fine inspirazione) ed eventualmente della pressione transpolmonare.

Auguro un buon 2024 e, come sempre, un sorriso a tutti gli amici di ventilab.

Bibliografia

1.  Vaporidi K, Akoumianaki E, Telias I, et al.: Respiratory drive in critically ill patients. pathophysiology and clinical implications. Am J Respir Crit Care Med 2020; 201:20–32

2. Tonelli R, Fantini R, Tabbì L, et al.: Early inspiratory effort assessment by esophageal manometry predicts noninvasive ventilation outcome in de novo respiratory failure. a pilot study. Am J Respir Crit Care Med 2020; 202:558–567

3.  Carteaux G, Millán-Guilarte T, De Prost N, et al.: Failure of noninvasive ventilation for de novo acute hypoxemic respiratory failure: role of tidal volume. Crit Care Med 2016; 44:282–290