I filtri HME sulla branca espiratoria del circuito ventilatorio: problema o soluzione?

Nei post precedenti (del 08/01/2022 e del 21/01/2022 ) abbiamo discusso alcuni aspetti dell'immagine che ripropongo in figura 1 che hanno attirato l'attenzione dei lettori di ventilab. Oggi vediamo che cosa ha colpito me quando ho sono passato davanti al monitor e mi ha fatto fermare per analizzare e risolvere una evidente criticità. Oggi cerchiamo di analizzare in maniera sistematica il problema, che era stato rilevato anche da alcuni lettori di ventilab.

Figura 1

Come puoi vedere nella figura 2, il picco di flusso inspiratorio (0.97 l/s) è più del doppio del picco di flusso espiratorio (0.42 l/s). 

Figura 2

L’inspirazione del volume corrente (che coincide con la presenza di flusso inspiratorio nel tempo inspiratorio) si completa molto velocemente, utilizzando solo i primi 0.44 secondi del 1.2 secondi del tempo inspiratorio. Al contrario l’intero tempo espiratorio (1.2 secondi, come l’inspirazione), non è sufficiente per azzerare il flusso espiratorio. In altri termini, in inspirazione si intuisce una costante di tempo molto bassa ("inspirazione veloce") mentre in espirazione una costante di tempo molto alta ("espirazione lenta"). (Sulla costante di tempo puoi vedere i post del 30/06/2016, del 17/07/2016 e del 05/02/2014).

Un comportamento decisamente abnorme in ventilazione pressometrica, nella quale ci aspetteremmo picchi di flusso inspiratorio ed espiratorio con ampiezza simile (o un picco di flusso espiratorio maggiore di quello inspiratorio in caso di autoPEEP), così come simili dovrebbero essere le morfologie delle curve di flusso inspiratorio ed espiratorio (in assenza di flow limitation).

La compresenza di un’inspirazione “veloce” ed un’espirazione “lenta” può essere spiegata o da una grande differenza tra resistenza inspiratoria ed espiratoria o dalla presenza di flow limitation (sulla flow limitation puoi vedere il post del 04-06-2012). In questo caso possiamo ragionevolmente escludere la flow limitation osservando una normale cinetica di decadimento esponenziale del flusso espiratorio.

Rimane come unica possibile spiegazione una notevole differenza tra le resistenze inspiratorie ed espiratorie. Queste resistenze includono sia la resistenza delle vie aeree del paziente che la resistenza del circuito respiratorio.

Abbiamo visto nella figura 2 che il picco di flusso espiratorio è meno della metà del picco inspiratorio: poichè il flusso è inversamente proporzionale alla resistenza, la resistenza espiratoria è più del doppio di quella inspiratoria, una condizione che sarebbe davvero poco ragionevole attribuire alle vie aeree.

Deduciamo che ci debba essere una resistenza espiratoria aggiuntiva che non appartiene al paziente. 

E così era nel nostro caso: come talvolta (o spesso, a seconda delle abitudini) accade nelle Terapie Intensive, era stato posizionato un filtro antibatterico HME (Heat and Moisture Exchanger) al termine della branca espiratoria del circuito respiratorio per proteggere la valvola espiratoria da possibili contaminazioni presenti nell’espirato.
Il problema è che i filtri HME sono fatti per assorbire umidità, e a questo proposito possono essere utili se messi alla Y del circuito: accumulano l’umidità espirata e la restituiscono immediatamente al paziente durante l'inspirazione.
Quando però un filtro HME viene invece messo sulla branca espiratoria del circuito, esso assorbe l'eventuale umidità in eccesso (è il suo mestiere), ed "inzuppandosi di acqua" diventa una resistenza aggiuntiva tra il paziente e la valvola espiratoria del ventilatore. Una resistenza esclusivamente espiratoria.

Spieghiamo meglio il meccanismo guardando la figura 3, nella quale è raffigurato il circuito di ventilazione, con la parte INSP che porta il flusso di gas dal ventilatore al paziente e quella ESP che raccoglie il flusso espiratorio e lo porta all’esterno, facendolo passa attraverso la valvola espiratoria del ventilatore (disegnata in rosso). 

Figura 3

In verde è disegnato il filtro HME posto sull’uscita espiratoria a protezione della valvola espiratoria.

In espirazione la valvola espiratoria adegua continuamente la propria apertura contro il flusso per mantenere al suo ingresso una pressione uguale alla PEEP impostata.

Se il filtro HME posto al termine della branca espiratoria diventa una resistenza significativa, la pressione a monte del filtro HME (verso il paziente) sarà decisamente più elevata di quella a valle (verso la valvola espiratoria).
In questa condizione la valvola espiratoria continua a modulare la pressione nel tratto interposto tra essa ed il filtro HME, ma è insensibile alla pressione che è a monte del HME (tra HME e paziente), che pertanto diventa determinata dalla resistenza del HME e non dalla valvola espiratoria.

Il paziente avrà una pressione espiratoria decisamente più alta rispetto alla PEEP impostata che diventerà un ostacolo alla l’espirazione.

Nella figura 4 puoi vedere la differenza tra la PEEP impostata a 6 cmH₂O (linea orizzontale grigia) e la reale pressione in espirazione, che non riesce a raggiungere nemmeno a fine espirazione il valore impostato ma si ferma di fatto ad una PEEP di 8 cmH₂O (linea orizzontale rossa). In giallo tratteggiato è disegnata la pressione che idealmente avrebbe dovuto esserci durante l’espirazione, cioè un immediato passaggio dalla pressione inspiratoria alla PEEP: possiamo ipotizzare che nel tratto di circuito tra HME e valvola espiratoria la pressione possa essere stata molto simile a questa.

Figura 4

La conferma della corretta interpretazione di quanto stava accadendo si è ottenuta eliminando il filtro HME dalla branca espiratoria. Il risultato immediato lo puoi vedere in figura 5.

Figura 5

 

Il colpo d’occhio è completamente diverso dall’immagine in figura 1, le grossolane differenze tra inspirazione ed espirazione sono scomparse. Ne abbiamo conferma se andiamo a misurare i picchi di flusso inspiratorio ed espiratorio e la durata del flusso in inspirazione (figura 6). 

Figura 6

Residuano piccole differenze, difficili da cogliere senza misurazioni, ed assolutamente compatibili con la normalità.

Il problema che abbiamo descritto può avere implicazioni sfavorevoli per i pazienti. Nel nostro caso non ha creato problemi, limitandosi a dare 3 cmH₂O di autoPEEP (misurati con l'occlusione di fine espirazione) in un paziente restrittivo in sedazione e paralisi.
Ma proviamo a pensare ad un paziente ostruttivo durante ventilazione assistita. L’impedimento all’espirazione ed il conseguente aggravamento dell’iperinflazione dinamica, produrrebbe un incremento del lavoro respiratorio associato ad una minor efficienza diaframmatica dovuta all’appiattimento del muscolo per l’aumento del volume polmonare di fine espirazione. Potrebbe in altre parole perpetuare iatrogenicamente la dipendenza dalla ventilazione meccanica in pazienti con potenzialità di svezzamento da essa.

Considerati i rischi che abbiamo visto, è corretto posizionare un filtro sulla branca espiratoria? I rischi superano i benefici? 

A mio parere non dovrebbe servire alcun filtro se sono corrette l’umidificazione del gas inspirato e la somministrazione delle terapie inalatorie. Durante la somministrazione dei farmaci inalatori potrebbe essere preferibile utilizzare un trigger a pressione per limitare l'effetto del flusso continuo del trigger a flusso (vedi post del 22/05/2011), che potrebbe favorire il passaggio del farmaco dal punto di somministrazione alla valvola espiratoria.

E se umidificazione e somministrazione di farmaci non fossero corretti, la soluzione dovrebbe essere migliorarli e non mettere filtri. In caso di umidificazione inappropriata, applicare un filtro per proteggere il ventilatore mantiene il problema di una eccessiva umidificazione. Se invece il problema sono i farmaci che finiscono nella branca espiratoria, l'utilizzo del filtro mantiene il problema che una parte della terapia che dovrebbe andare al paziente è in realtà "buttata via" nel filtro: l'unica vera soluzione è la corretta somministrazione del farmaco.

Mi rendo conto che a volte possano esserci condizioni in cui posizionare il filtro sull’uscita espiratoria sia comunque il male minore o che possa avere una teorica funzione di evitare la contaminazione ambientale con patogeni: in questi casi sarebbe forse meglio utilizzare un filtro non HME, tenendo comunque sempre d'occhio il monitoraggio delle curve di flusso e pressione per rilevare tempestivamente il momento della sostituzione del filtro.

Facciamo due calcoli…

In questa sezione analizziamo in maniera quantitativa quanto abbiamo descritto finora: un piccolo esercizio di meccanica respiratoria. Se non ti interessa questo approfondimento con calcoli e formule, salta pure alle conclusioni senza problemi.
Nella figura 7 puoi rivedere le curve con una serie di valori rilevati durante i picchi di flusso inspiratorio ed espiratorio.

Figura 7

La Compliance.

Per prima cosa possiamo calcolare la Compliance (C), grazie al fatto che la pressione inspiratoria costante si associa ad periodo senza flusso per oltre metà del tempo inspiratorio: questa è a tutti gli effetti una pressione di plateau (Pplat). La PEEP totale (PEEPtot) è stata misurata con una occlusione di fine espirazione ed ho riportato in figura il valore (9 cmH₂O ). La differenza tra Pplat (25 cmH₂O ) e PEEPtot è la pressione elastica (Pel): 16 cmH₂O .

La compliance, cioè il rapporto tra volume corrente (225 ml) e Pel, è 14 ml/cmH₂O .
Il valore della compliance in seguito consentirà di stimare la Pel a diversi volumi polmonari, essendo sempre Pel il rapporto tra volume (V) e compliance (V/C). La pressione alveolare (Palv) è sempre la somma di Pel e PEEPtot.

Pressione resistiva e resistenza durante il picco di flusso inspiratorio.

Il flusso è sempre generato da una differenza di pressione, definita anche pressione resistiva (Pres).
La Pres che genera il picco di flusso inspiratorio (PIF) è la differenza tra la pressione nelle vie aeree (Paw) quando c’è il PIF (25 cmH₂O, in questo caso casualmente uguale a Pplat) e Palv nello stesso momento.
Al momento del PIF, nei polmoni ci sono 116 ml di volume (sopra il volume di fine espirazione), che determinano una Pel in quell’istante di 8 cmH₂O (V/C). Sommando Pel e PEEPtot, stimiamo una Palv di 17 cmH₂O.
La Pres del PIF è la differenza tra Paw e Palv: 25 cmH₂O - 17 cmH₂O = 8 cmH₂O .
La resistenza è calcolata come rapporto tra Pres e flusso da essa generato. La resistenza durante il PIF è pertanto: 8 cmH₂O / 0.97 l/s =  8 cmH₂O·l^-1·s.

Pressione resistiva e resistenza durante il picco di flusso espiratorio.

Ripetendo gli stessi calcoli sul picco di flusso espiratorio (PEF), possiamo stimare una Pel durante il PEF di 14 cmH₂O, generata dai 190 ml di volume che sono ancora nei polmoni in quel momento. Sommando a questa la PEEPtot si ottiene una Palv durante PEF di 23 cmH₂O.
La Pres del PEF è 3 cmH₂O, cioè la differenza tra i 23 cmH₂O di Palv e la Paw che c’è durante il PEF, cioè 20 cmH₂O (figura 7). La resistenza durante il PEF è quindi: 3 cmH₂O/ 0.42 l/s =  7 cmH₂O·l^-1·s.

Il fatto che resistenza inspiratoria ed espiratoria (calcolate al momento dei rispettivi picchi di flusso) siano simili (8  e 7 cmH₂O·l^-1·s, rispettivamente) conferma che la differenza tra resistenza inspiratoria ed espiratoria non sia attribuibile al paziente. Infatti abbiamo fatto i calcoli utilizzando i 20 cmH₂O di pressione durante il PEF che evidentemente il ventilatore misura prima (a monte) del filtro HME. Forse la figura 8 può aiutarti a comprendere meglio la spiegazione: nei cerchi azzurri trovi le pressioni rilevate in diversi punti nel momento del PEF, nei riquadri grigi sulla destra le differenze di pressione tra i vari punti. 

Figura 8

Il filtro HME oppone una resistenza al flusso che può essere misurata conoscendo la differenza di pressione a monte ed a valle di esso. A monte del filtro HME, durante il PEF, ci sono i 20 cmH₂O che abbiamo misurato, a valle stimiamo ci sia la PEEP impostata (6 cmH₂O), che la valvola espiratoria dovrebbe mantenere costante per tutta l'espirazione.

La Pres del filtro HME durante PEF risulta così essere 14 cmH₂O, che con il flusso di 0.42 l/s fa calcolare una resistenza di 33 cmH₂O·l^-1·s.

Il paziente nell’espirazione deve vincere sia la propria resistenza (7 cmH₂O·l^-1·s) che quella del HME (33 cmH₂O·l^-1·s), per un totale di 40 cmH₂O·l^-1·s. Una resistenza enorme in gran parte (83%) determinata dal HME.
Per questo motivo la presenza del HME è la causa del problema espiratorio e la sua rimozione ne è la soluzione.

Conclusioni.

Proviamo a sintetizzare i punti principali di questo post:

1. il monitoraggio grafico rileva problemi, anche gravi, che non sono rilevati dagli allarmi del ventilatore meccanico: solo la valutazione delle curve di pressione e flusso ci ha consentito la diagnosi e soluzione del problema in un attimo;
2. la necessità di utilizzare filtri sulla branca espiratoria del circuito del ventilatore è condizionata da inadeguata umidificazione delle vie aeree e/o inefficiente somministrazione di farmaci inalatori. In questi casi la soluzione prioritaria dovrebbe essere l'ottimizzazione di umidificazione ed erogazione dei farmaci piuttosto che mettere un filtro a protezione della valvola espiratoria;
3. qualora si renda comunque opportuno mettere un filtro al termine della branca espiratoria del circuito respiratorio, potrebbe essere forse preferibile scegliere un filtro antibatterico/antivirale non HME e mantenere comunque sotto stretto controllo le curve di pressione e flusso ed assicurarsi che:

• la pressione espiratoria ritorni rapidamente al valore della PEEP impostata fin dall’inizio dell’espirazione;
• se si è in ventilazione pressometrica, che la morfologia del flusso inspiratorio ed espiratorio siano grossolanamente speculari nei pazienti passivi senza flow limitation.
  

Come sempre, un sorriso a tutti gli amici di ventilab.