Respiratory mechanics during mechanical ventilation in health and in disease

Abstract

The elastic pressure-volume (Pel-V) curve of the respiratory system can be used as a guide for improved ventilator management. It may indicate risks of lung damage associated with collapse or overdistension of lung units. The work described in this thesis was aimed at developing methods for the determination and characterisation of the Pel-V curve under static and dynamic conditions and at a better understanding of the Pel-V relationship in health and disease. A Servo Ventilator 900C, controlled by a computer, allowed standardised and accurate recording of extended Pel-V curves. The flow interruption technique was used to determine static Pel-V (Pel,st-V) curves and viscoelastic pressure-volume loops. A method for the determination of the dynamic Pel-V curve during a single prolonged insufflation, which can be used in clinical routines, was developed. An iterative technique was applied for the estimation of parameters characterising the elastic and viscoelastic behaviour of the respiratory system according to linear and non-linear models. During ventilation with small tidal volumes, the Pel,st-V curve was essentially linear in health and disease. At larger tidal volumes it was non-linear. Hysteresis in the Pel,st-V curve was very small in healthy humans and rabbits and in patients with critical lung disease of various kinds. The viscoelastic behaviour was best described by a non-linear model. The high viscoelastic recoil pressure observed at high volumes may contribute to lung damage.



The influence of collapse and recruitment on the Pel-V curve in healthy subjects is not limited to the lower part of the curve, but extends up to high volumes and pressures.



The conceptual and technical development, as described in this thesis, will hopefully pave the way for a better general understanding of the physiology behind the features of the Pel-V curve and for its use in ventilator management in clinical routines.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Patienter, som på grund av lungsjukdom eller annan skada på lungorna inte kan andas tillfredsställande, kan behandlas med hjälp av en respirator som ventilerar lungorna. Respiratorbehandling kan tyvärr tillfoga redan sjuka eller skadade lungor ytterligare skador. Sådana skador kan uppkomma vid ventilation av lungorna vid alltför stora volymer och höga tryck som leder till en övertänjning av lungvävnaden. I redan skadade lungor fungerar inte de ytspänningsnedsättande ämnen som hjälper till att hålla alveolerna (lungblåsorna) luftfyllda (jfr skumbildning med hjälp av tvättmedel). Alveolerna tenderar då att falla ihop vilket innebär att ventilation av lungorna vid alltför små volymer kan leda till att delar av lungorna faller ihop och öppnas upp vid varje andetag, vilket är skadligt. För att minimera risken för skador till följd av respiratorbehandling är det därför önskvärt att kunna skräddarsy behandlingen för varje enskild patient. För att kunna göra detta krävs detaljerad information om respiratoriska systemets (lungor + bröstkorg) mekaniska egenskaper och om hur dessa förändras under den tid som patienten ventileras med respirator. Sådan information kan erhållas genom att vid upprepade tillfällen bestämma förhållandet mellan det elastiska tryck varmed det respiratoriska systemet återfjädrar (Pel) och lungornas volym (V) i form av en tryck- volym-kurva (Pel-V-kurva).



Tillgängliga metoder för bestämning av Pel-V-kurvor kan knappast tillämpas rutin- mässigt på en intensivvårdsavdelning då dessa metoder är komplicerade, tidskrävande och baseras på mycket extra utrustning. Det saknas dessutom tillräcklig kunskap om hur det respiratoriska systemet uppför sig mekaniskt för att på ett adekvat sätt utnyttja Pel- V-kurvor som stöd vid respiratorbehandling av patienter.



Målsättningen med avhandlingsarbetet var:



att utveckla mätmetoder för fysiologiska studier och diagnostiska mätningar av respiratoriska systemets mekaniska egenskaper vid respiratorandning.



att utveckla modeller som tillåter beskrivning av det respiratoriska systemets mekaniska egenskaper.



att bredda kunskapen om respiratoriska systemets fysiologi vid hälsa.



att bredda kunskapen om respiratoriska systemets fysiologi vid sjukdom.



att öka förståelsen av utseendet hos statiska och dynamiska Pel-V-kurvor.



Vid bestämning av Pel-V-kurvor måste patienten "andas" enligt ett särskilt mönster. För detta ändamål utnyttjade vi möjligheten att styra en respirator (Servo Ventilator 900C, Siemens-Elema AB, Sverige) utifrån. Först konstruerade vi en liten apparat som kopplades till Servo Ventilatorn för att styra andningsfrekvensen. Därefter utvecklade vi ett mera avancerat system, som gjorde det möjligt att styra flera parametrar från en persondator. Patienten kunde på så sätt automatiskt bringas att andas enligt ett speciellt mönster. Med detta system kan Pel-V-kurvor bestämmas under statiska och dynamiska förhållanden.



Statiska Pel-V-kurvor kan bestämmas med "flödesavbrottsteknik", som bygger på att många andetag studeras. För varje studerat andetag avbryts flödet till och från patienten vid olika lungvolymer. Ur varje sådant avbrutet andetag erhåller man information inte bara om respiratoriska systemets elastiska egenskaper utan också om dess resistiva egenskaper (andningsmotstånd). Dessutom kan egenskaper som ligger mitt emellan de elastiska och de resistiva, så kallade viskoelastiska egenskaper, urskiljas. Kurvan kan uppmätas för såväl inandning som utandning. Denna metod lämpar sig därför för detaljerade studier av respiratoriska systemet och har i avhandlingens delarbeten tillämpats på friska och sjuka människor samt på friska kaniner.



För att möjliggöra mätningar i klinisk rutin utvecklades en dynamisk metod med vilken man snabbt kan bestämma en Pel-V-kurva ur en enda stor inandning. Viskoelastiska egenskaper bidrar till denna dynamiska kurva. Den dynamiska mätmetoden tillämpades på grupper av friska människor och på en grupp patienter med svår lungsjukdom.



Vid analysen av inspelade data utnyttjades i flertalet delarbeten iterativa metoder då uppställda ekvationer inte kunde lösas analytiskt. Med hjälp av sådana metoder kan man steg för steg söka sig fram till en lösning.



Både den statiska och den dynamiska metoden visade sig uppfylla högt ställda krav och gav resultat med god reproducerbarhet. Resultaten från delarbetena visade att vid låga andningsvolymer kunde Pel-V-kurvan beskrivas med relativt enkla matematiska samband både vid hälsa och vid sjukdom. Däremot när lungorna tänjdes ut till stora volymer, krävdes mera komplexa, ickelinjära samband. De statiska Pel-V-kurvorna uppvisade ingen hysteres, dvs inandningskurvan och utandningskurvan följdes åt. Detta gällde för både hälsa och sjukdom.



Respiratoriska systemets viskoelastiska egenskaper kunde inte beskrivas på ett tillfredsställande sätt med klassiska, linjära modeller. Framför allt vid stora volymer krävdes ickelinjära samband. Det viskoelastiska återfjädringstrycket steg till höga värden vid ventilation med stora andetagsvolymer. Därmed ökade trycket i alveolerna avsevärt. Det viskoelastiska trycket kan alltså bidraga till att lungorna skadas vid respiratorandning. Eftersom Pel-V-kurvor som bestäms med den dynamiska metoden speglar både elastiskt och viskoelastiskt tryck är dessa kanske att föredra i klinisk rutin då övertänjning av lungorna ska påvisas.



En mycket detaljerad studie av Pel-V-kurvor för normala lungor utfördes. De stora skillnader som observerades mellan kurvor inspelade före och efter en stor uppblåsning ("rekryteringsmanöver") av lungorna tyder på att stora delar av lungorna kanske faller ihop och återöppnas vid respiratorandning även då man har friska lungor.



Sammanfattningsvis kan sägas att målsättningen bakom avhandlingen har uppfyllts. För att resultatet ska kunna omsättas i rutinmässig sjukvård krävs det att tillverkare av respiratorer bygger in automatiska mätsystem i kommande produkter.

• author: Svantesson, Cecilia
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Marini, John J, University of Minnesota, USA
• organization: Clinical Physiology (Lund)
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Respiratory Medicine and Allergy; Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: Recruitment, Collapse, Overdistension, Viscoelasticity, Elastic pressure-volume curve, Respiratory disease, Health, Human, Rabbit, Positive end-expiratory pressure, Anaesthesiology, intensive care, Anestesiologi, intensivvård
• pages: 164 pages
• defense location: Föreläsningssal 1, University Hospital of Lund
• defense date: 1997-12-06 09:30:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFL -- 1013 -- SE
• ISBN: 91-628-2766-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 85d8236e-a810-47ee-9244-2075b3bf09dd (old id 29672)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:17:10
• date last changed: 2018-11-21 21:03:50