Gas exchange with a reflecting system for inhalational anaesthesia

Abstract

In order to reduce comsumption of inhalational anaesthetsics during high flow anaesthesia a system open in regard to oxygen, nitogen and nitrous oxide, but closed to inhalational anaesthetics, was developed. This was achieved by a reflecting filter for inhalational anaesthetics made of active carbon. The principle has been developed into the commersially available Anesthetic Conserving Device (ACD, AnaConDa®).The ACD is a modified heat- and moisture exchanger (HME) containing av bacterial and viral filter as well as a carbon filter. The ACD can be used during surgery for administering the inhalational agents isoflurane and sevoflurane as an alternative to low-flow anaesthesia systems. It can also be used in intensive care units to administer sedation using isoflurane or sevoflurane to critically ill patients. The thesis is based on four papers.



In paper I it is shown that that the wash-in kinetics for sevoflurane delivered by the ACD is similar to a vaporiser. With the ACD, end-tidal sevoflurane accurately reflects arterial sevoflurane tension whereas inspired tension may be underesteimated. Despite an increase in tidal volume of patients in a group with an ACD corresponding to the larger internal volume of the device compared to a conventional HME, the PaCO2 was considerably higher in this group.



In paper II CO2 exchange and airway dead space is compared using an HME, ACD without reflecting filter and ACD with reflecting filter in a laboratory set-up. It is shown that the ACD binds CO2 resulting in a dead space effect 180 ml in excess of its internal volume. This is due to adsorption of CO2 in the ACD during expiration and return of CO2 during the following inspiration.



In paper III the ACD is used without inhalational anaesthetics in patients as well as in a laboratory set-up with varying temperature and humidity. It is confirmed that an ACD used in humans as well as in a test lung increases the dead space effect and CO2 rebreathing to a greater extent than can be explained by its internal volume. This is caused by adsorption of CO2 in the ACD during expiration and release of CO2 during inspiration. It is also shown that rebreathing of CO2 is attenuated but not abolished by humidity.



In paper IV the ACD is used with sevoflurane in humans and in a laboratory set-up. It is shown that sevoflurane attenuates but does not abolish rebreathing of CO2, thereby reducing the dead space effect of the ACD.



In conlusion, the ACD causes a dead space effect larger than its internal volume due to CO2 rebreathing. This may influence the clinical use of the ACD.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Anesthetic Conserving Device (AnaConDa®) är ett nytt, kommersiellt tillgängligt, hjälpmedel för att ge narkosgaser. AnaConDa® är en förgasare och återandningsfilter, vilken ansluts till patientens andningstub under operation eller intensivvård. Filtret fungerar med hjälp av kolpartiklar som binder utandade narkosgasmolekyler till sig vilka återandas vid nästa inandning. Vid vanlig narkosgasdosering återanvänds mer än 90% av utandad narkosgas vid nästa inandning. AnaConDa® fungerar dessutom som fuktvärmeväxlare vilka alltid används vid ventilatorbehandling för att minska kroppsvätskeförluster via andningsvägarna. AnaConDa® kan användas med narkosgaserna isofluran och sevofluran. Till skillnad från intravenösa narkosmedel verkar narkosgaserna isofluran och sevofluran minska skadan på hjärtmuskeln i samband med syrebrist (s.k. farmakologisk konditionering). Detta har lett till ökad användning av narkosgaser i samband med hjärtkirurgi före, under och efter ingreppet. En förutsättning för att ge narkosgas har hittills varit tillgång till narkosapparat med förgasare vilka i regel bara finns på operationsavdelningar. AnaConDa®:n har löst de tekniska/praktiska och miljömässiga problemen för att kunna ge narkosgas utanför dessa, såsom inom intensivvård där ventilatorvårdade patienter behöver rogivande läkemedel.

Vi har undersökt hur narkosgas tas upp i blodet hos patienter som ska genomgå en hjärtoperation vid tillförsel via en AnaConDa® jämfört med via en vanlig narkosapparat med förgasare (studie I). Likvärdiga koncentrationer av narkosgasen sevofluran uppmättes i blodet oavsett om gasen tillfördes via förgasare eller AnaConDa®. Det finns mätbara skillnader i volym hos en vanlig fuktvärmeväxlare och den större AnaConDa®. Volymen av det inre av anordningen utgör s.k. skadligt rum varmed avses att gasutbyte med blodet inte sker i denna del av andningssystemet. Det större skadliga rummet hos AnaConDa kompenserades med motsvarande ökning av andetagsvolymen hos de patienter som fick narkosgas via AnaConDa®. Trots kompensation för volymsskillnaden mellan fuktvärmeväxlare och AnaConDa® så fann vi att koldioxidhalten i blodet hos patienter där AnaConDa® använts var högre än förväntat. Hög koldioxidhalt i blodet kan leda till oregelbunden hjärtrytm, förhöjt tryck i skallen och i blodkretsloppet genom lungorna.

46

AnaConDa®:ns eftertraktade egenskap är återandning och –utnyttjande av narkosgas. I studie II undersökte vi om filtret ger återandning av koldioxid i laboratorieförsök med en 20 liters plastflaska som lungmodell. Under dessa förhållanden gav AnaConDa® filtret en betydande återandning av koldioxid. Varje andetag behövde ökas med ca 180 ml (normalt andetag hos vuxen människa cirka 500 ml) för att bibehålla ursprunglig koldioxidnivå i andningsluften när AnaConDa®:n användes istället för en vanlig fuktvärmeväxlare.

I studie III undersöktes om fukt och värme påverkar AnaConDa®-filtrets återandning av koldioxid. Hos patienter efter hjärtoperation kopplades AnaConDa® in istället för en vanlig fuktvärmeväxlare och storleken på det skadliga rummet och koldioxidåterandningen mättes. När AnaConDa® användes hos patienter uppmättes det skadliga rummet betydligt större än skillnaden i intern volym med en fuktvärmeväxlare. Koldioxid återandades betydligt mer vid AnaConDa- användning (53%) jämfört med vid fuktvärmeväxlare (29%). I laboratorieförsök visades att fukt minskade koldioxidåterandning och storleken på det skadliga rummet. Värmehöjning från rumstemperatur till kroppstemperatur påverkade däremot inte koldioxidåterandning och storleken av det skadliga rummet.

När narkosgasen sevofluran användes i AnaConDa®:n i studie IV minskade såväl återandningen av koldioxid hos hjärtopererade patienter som det skadliga rummet. Den återandade halten koldioxid sjönk ju högre koncentration av sevofluran som användes. Det skadliga rummet uppmättes till 40 ml större än AnaConDa®:s fysiska interna volym vid den högsta använda sevoflurankoncentrationen. I laboratorieförsök visades att koldioxidåterandningen avtog i närvaro av sevofluran och storleken på skadligt rum minskade. Sevofluran minskade således, men tog inte helt bort, koldioxidåterandningen och storleken på skadligt rum vid AnaConDa® användning.

AnaConDa® är ett nytt hjälpmedel för tillförsel av narkosgaserna isofluran och sevofluran till patienter i behov av sedering/sövning både på operation och inom intensivvård. Denna avhandling visar emellertid att inte bara narkosgas reflekteras i AnaConDa®:s filter utan också koldioxid. Detta bör beaktas vid användning av AnaConDa®.

• author: Walther Sturesson, Louise
• supervisor: Mikael Bodelsson; Gunnar Malmkvist; Björn Jonson; Anders Johansson
• opponent: Professor Stenqvist, Ola, Avdelningen för anestesi och intensivvård, Göteborgs universitet
• organization: Anesthesiology and Intensive Care
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Anesthesiology and Intensive Care
• keywords: anesthetic conserving device, inhalational anaesthesia, carbon dioxide, Gas exchange
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:30
• pages: 55 pages
• defense location: Föreläsningssal 2, Centralblocket, Skånes universitetssjukhus, Lund
• defense date: 2013-04-05 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-00-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e1b6440d-1b3d-4604-a9e5-9aead198cd93 (old id 3565281)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:00:16
• date last changed: 2019-05-22 00:31:36