Monitorização da Mecânica Respiratória durante a Ventilação Mecânica

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Monitorização da Mecânica Respiratória durante a Ventilação Mecânica
Introdução
O suporte ventilatório com pressão positiva induz significativas mudanças na mecânica do sistema respiratório. Sua aplicação permite a mensuração de diversos parâmetros fisiológicos com relevância clínica. Atualmente a maior parte dos ventiladores provê monitorização gráfica dos sinais de pressão na via aérea, do fluxo de gás e da troca de volume do sistema respiratório. A partir da monitorização destes sinais é possível se obter dados confiáveis sobre a mecânica respiratória. A monitorização deve ser realizada rotineiramente em todo paciente submetido a suporte ventilatório invasivo. Seus objetivos incluem: diagnóstico preciso das condições fisiopatológicas relacionadas à mecânica respiratória, ajuste adequado dos parâmetros do ventilador respeitando limites fisiológicos e alvos terapêuticos, de forma individualizada, avaliação seqüencial da resposta a diversos tratamentos instituídos.
Equação do movimento de gás no sistema respiratório – implicações para ajuste do ventilador mecânico
A pressão positiva na via aérea (Pva) durante a ventilação mecânica controlada (na ausência de esforço muscular inspiratório) resulta diretamente da insuflação de gás e da resposta pressórica do sistema a mesma. A Pva pode ser decomposta de forma simples em duas partes que se somam: a pressão resistiva (relacionada à passagem do gás pelas vias aéreas até os alvéolos pulmonares) e a pressão elástica (decorrente do estiramento do parênquima pulmonar e da caixa torácica quando da acomodação do volume de gás insuflado nos alvéolos). A pressão elástica é aquela medida em condições de zero fluxo e, portanto, corresponde a pressão alveolar. A pressão resistiva por sua vez é resultante do produto do fluxo de gás e da resistência das vias aéreas, enquanto a pressão elástica resulta da relação entre o volume inspirado e a complacência estática do sistema (por sua vez relacionada à retração elástica do parênquima pulmonar e da caixa torácica).
Além disso, a presença de um dado nível de pressão “basal” ao final da expiração e logo antes do início da inspiração (PEEP) também contribui para a composição final da pressão na via aérea. A equação abaixo ilustra os componentes matemáticos que compõem a Pva.
Pva = Presistiva + Pelástica + PEEP – Pmus
A Pmus = zero na ventilação controlada, isto é, sem esforço muscular respiratório.
Através dessa equação é fácil compreender as implicações que as mudanças de fluxo e/ou de volume causam sobre a Pva no modo ventilatório controlado ciclado a volume (VCV). A Pva ao final da inspiração corresponde ao pico de pressão ou à pressão máxima da via aérea na VCV com fluxo quadrado. As figuras 1 e 2 ilustram aplicações da equação em duas situações práticas bastante freqüentes quando se utiliza este modo ventilatório. Na figura 1 se observa o efeito do aumento do fluxo inspiratório, mantendo-se o mesmo volume corrente, sobre as pressões de via aérea e alveolar. Já na figura 2 verifica-se o efeito da elevação do volume corrente, mantido o mesmo fluxo inspiratório.
A implicação prática destes conceitos é que sempre que se varia o fluxo, a pressão resistiva e, portanto, o pico de pressão, se alteram, e, analogamente, sempre que se varia o volume corrente, a pressão alveolar se modifica na mesma direção. Como a pressão alveolar se correlaciona de forma mais direta com risco de barotrauma, ou lesão pulmonar induzida pelo ventilador, é imprescindível que se proceda à mensuração da pressão alveolar com a manobra da pausa inspiratória na VCV de modo rotineiro.
Figura 1. Efeitos do aumento do fluxo inspiratório do tipo “quadrado” ou constante sobre a Pva ao final da inspiração (pico de pressão) e sobre a pressão alveolar. As setas indicam que o aumento isolado do fluxo produz mudanças significativas apenas na pressão resistiva de vias aéreas e, portanto, aumenta a diferença entre a Pva e a pressão alveolar. Esta última permanece inalterada, dado o volume corrente ser o mesmo nas duas condições. Ou seja, mudanças isoladas do fluxo influenciam o pico de pressão, mas não a pressão alveolar. A rápida elevação da Pva logo no início da inspiração antes da entrada de volume (ponto marcado com *) constitui a pressão resistiva do sistema respiratório.
Figura 2. Efeitos do aumento do volume corrente sobre a Pva ao final da inspiração (pico de pressão) e sobre a pressão alveolar. As setas indicam que variações isoladas do volume corrente produzem mudanças significativas tanto no pico de pressão quanto na pressão elástica ou alveolar. Notar que a diferença entre a pressão de pico e a pressão alveolar se mantém estável uma vez que a pressão resistiva não se altera, pois o fluxo foi mantido constante.
Monitorização clássica da mecânica respiratória na ventilação ciclada a volume (VCV)
A mensuração da pressão alveolar pode ser facilmente realizada por meio da aplicação de uma pausa inspiratória (fechando-se a entrada e a saída de ar no sistema por um tempo suficiente para equilíbrio das pressões proximal, nas vias aéreas artificiais, ou seja, no circuito do ventilador e na porção distal do sistema, ou seja, nos alvéolos). Durante a pausa a pressão na via aérea mensurada pelo ventilador mecânico se reduzirá até se equalizar com a pressão alveolar. Esta pressão é denominada de pressão de pausa ou pressão de platô. A figura 3 ilustra a realização da pausa inspiratória no modo VCV, ciclos controlados.
Figura 3. Realização de uma pausa inspiratória ao final da inspiração no 2o ciclo respiratório para a mensuração da pressão alveolar que se equilibra com a pressão na via aérea do ventilador mecânico. Observar que o fluxo permanece zero durante a pausa e o VC estável, abolindo a pressão resistiva das vias aéreas. 
A mensuração por si só da pressão de pausa tem grande aplicação clínica. Valores elevados (acima de 30cmH2O) geralmente indicam que o sistema respiratório provavelmente está “sofrendo” estiramento excessivo e indica a necessidade de redução do volume corrente e/ou da PEEP. Vale ressaltar, contudo que valores de pressão de pausa inferiores a 30cmH2O não garantem necessariamente que o parênquima pulmonar esteja protegido de hiperdistensão ou barotrauma, sobretudo em patologias que afetam o pulmão de modo heterogêneo, como ocorre na SDRA e na DPOC exacerbada. Nessas condições podem ocorrer hiperdistensões regionais nos pulmões que não são aparentes na elevação da pressão de pausa do sistema como um todo. Assim quanto menor a pressão de pausa, menores as chances de hiperdistensão alveolar induzida pelo ventilador. São alguns requisitos para mensuração acurada da pressão de pausa: ausência de esforço muscular respiratório (de preferência com sedação, com ou sem bloqueio neuro-muscular associado), tempo de pausa suficiente para se atingir o equilíbrio do sistema, pelo menos 2 a 3 segundos, e ausência de vazamentos tanto na via aérea artificial (defeitos no circuito do ventilador, balonete do tuto traqueal desinsuflado) quanto no próprio parênquima pulmonar como ocorre em casos de fístula bronco-pleural. Em caso de vazamentos a manobra de pausa inspiratória não se acompanha de estabilização da Pva, ao contrário, esta se reduz progressivamente à medida que o volume de gás no interior do sistema vaza para o ambiente externo.
A medida da pressão de pausa permite as medidas clássicas de mecânica respiratória: resistência de vias aéreas (Raw) e complacência estática (Cst).
A Raw é calculada com base nos mesmos princípios físicos relacionados à passagem de um fluido qualquer através de um tubo. A resistência (R) do tubo corresponde à razão entre a diferença de pressão (∆P) entre as duas extremidades do mesmo e a taxa de fluxo (∆P/V). No doente sob ventilação mecânica, a Raw inclui tanto a prótese traqueal quanto as vias aéreas do paciente, sendo às vezes chamada de Raw total do sistema respiratório. A unidade de Raw é dada em cmH2O/l/s e os valores normais se situam em torno de 4 a 8cmH2O/l/s, variando em função do diâmetro interno dotubo e da presença ou não de obstrução ao fluxo aéreo no paciente. Condições como broncoespasmo e presença de secreção nas vias aéreas consistem nas causas mais comuns de elevação da Raw devido a problemas do próprio paciente. No caso da ventilação de pacientes asmáticos ou com DPOC se almeja uma Raw inferior a 20 cmH2O/l/s como meta terapêutica.
A complacência é o parâmetro que avalia a elasticidade do sistema respiratório. Seu inverso é denominado de elastância. É calculada através da relação entre a variação de volume (∆V) em relação à variação de pressão (∆P). Durante o suporte ventilatório a complacência estática (Cst) do sistema respiratório corresponde à relação entre o VC e a diferença entre a pressão alveolar ao final da inspiração medida em fluxo zero, ou seja, a pressão de pausa ou de platô menos a pressão basal (geralmente a PEEP). A unidade de Cst é dada em ml/cmH2O e os valores normais se situam em torno de 60 a 80ml/cmH2O. Na SDRA, em situações de distensão abdominal e no edema agudo de pulmão há redução da Cst, enquanto nos pacientes com enfisema pulmonar, como ocorre na DPOC, ela está elevada. A variação da Cst em função da PEEP constitui método empregado para ajuste da “PEEP ideal” em pacientes com SDRA. A figura 4 ilustra o fenômeno de equilíbrio da pressão alveolar com a pressão de via aérea durante a pausa inspiratória e a obtenção dos valores de Raw e Cst com base nos valores de fluxo e de volume corrente ajustados no ventilador mecânico no modo VCV em ciclo controlado.
Figura 4. Cálculo da resistência de vias aéreas (Raw) e da complacência estática (Cst) do sistema respiratório em um paciente sob ventilação mecânica no modo controlado em VCV. Conhecendo-se o VC, com fluxo inspiratório do tipo constante ou “quadrado” e mensuração da pressão de pausa ou de platô, é possível se calcular a Raw e a Cst.
A complacência dinâmica (Cdyn) é aquela que leva em conta não apenas a capacidade do sistema em acomodar o volume, mas também o fluxo de gás. Ou seja, inclui as propriedades elásticas e resistivas do sistema. Pode ser obtida dividindo-se o VC pela máxima variação de pressão, ou pela fórmula Cdyn = VC / (Ppico-PEEP). A Cdyn tem menor aplicação na prática do dia-a-dia do que a Cst.
No modo VCV em ciclos controlados é ainda possível se extrair dados relacionados à mecânica pulmonar através da simples inspeção do formato da curva pressão-tempo sem a necessidade da pausa inspiratória. Uma vez que a Pva é a variável resultante dos ajustes de VC e fluxo, o seu formato ao longo da inspiração em fluxo constante permite inferir se há variações de complacência à medida que o pulmão é insuflado. Se a Cst não varia durante a inspiração, a subida da Pva é linear ao longo da mesma. Por outro lado, em um paciente com SDRA em fase precoce, com colapso alveolar revertido parcial ou totalmente durante a insuflação do VC (“tidal recruitment”), a Cst aumenta durante a inspiração, tornando a subida da curva de pressão não linear, e sim de formato convexo. Já o emprego de um VC excessivo pode causar o inverso, isto é, a Cst pode diminuir ao final da inspiração por hiperdistensão do parênquima pulmonar. Cabe destacar que este tipo de análise não pode ser realizado quando se adota um fluxo inspiratório “em rampa”2, 4. A figura 5 ilustra diferentes padrões da curva pressão-tempo e as possíveis causas para mudanças de formato comparando-os com curva de um paciente com pulmões normais e ajuste adequado do VC.
Figura 5. Diferentes desenhos esquemáticos da curva pressão-tempo na VCV com fluxo constante (“quadrado”) em ciclos controlados. No ciclo da esquerda observa-se subida linear da pressão ao longo de toda inspiração. Neste caso a Cst não varia com a insuflação pulmonar. No ciclo do meio verifica-se uma convexidade na curva indicando menor variação de pressão ao longo do tempo, indicando aumento da Cst. A causa deste fenômeno pode decorrer de abertura de alvéolos colapsados ao longo da insuflação pulmonar. No ciclo da direita, nota-se uma concavidade da curva na porção final da inspiração, achado compatível com hiperdistensão do sistema respiratório, possivelmente por ajuste de VC excessivo.
Além das curvas que analisam as variáveis respiratórias ao longo do tempo os ventiladores atuais disponibilizam as chamadas alças (loops) correlacionando as variáveis de fluxo-volume e pressão-volume. A análise qualitativa das alças permite diagnosticar problemas de mecânica respiratória conforme ilustram as figuras 6 e 7.
Figura 6. Alça volume-pressão com o registro de 3 ciclos respiratórios em VCV, modo controlado, de um mesmo paciente. Em a, o paciente se encontrava com pulmões normais. Em b, a curva se inclinou para direita com surgimento de um ponto de inflexão superior (“bico de pássaro”) no final da inspiração. Este achado é compatível com hiperdistensão pulmonar 
por piora da complacência do sistema, como ocorre na SDRA. Em c, o VC foi reduzido e a PEEP aumentada diminuindo o efeito de hiperdistensão pelo VC.
Figura 7. Curva fluxo-volume em VCV, modo controlado, em paciente com broncoespasmo. Observar a concavidade da curva de fluxo expiratório indicativa de limitação anormal ao fluxo aéreo e a resposta após a administração de broncodilatador (pós-BD).
4. Monitorização da mecânica respiratória durante a ventilação pressão controlada (VPC)
A monitorização da mecânica pulmonar tem sido classicamente realizada na modalidade VCV. Entretanto, atualmente se utiliza, até de modo mais frequente, a ventilação pressão controlada ciclada a tempo (PCV) em algumas situações clínicas. Nesta modalidade as principais variáveis ajustadas do ventilador são: a pressão da via aérea acima da PEEP (mantida constante) e o tempo inspiratório. O volume corrente e o fluxo inspiratório são variáveis dependentes desses ajustes, da impedância (resistência e complacência) e da constante de tempo do sistema respiratório. A elevação da pressão da via aérea resulta em aumento de volume corrente e de fluxo para um mesmo tempo inspiratório com conseqüente aumento da pressão alveolar e vice-versa (Figura 8).
Por definição, uma constante de tempo em ventilação mecânica corresponde ao tempo necessário para que a pressão intra-alveolar atinja 63% da pressão medida na porção proximal do tubo endotraqueal. O produto da resistência pela complacência compõe a constante de tempo do sistema respiratório. Assim, em um paciente com Raw de 10cmH2O/L.s e uma Cst de 0,04L/cmH2O, a constante de tempo inspiratória é de 0,4s (10 x 0,04). Ou seja, ao aplicarmos uma pressão de 20cmH2O na via aérea proximal ao tubo, levará 0,4s até que a pressão alveolar atinja 63% desse valor, ou cerca de 12cmH2O. Para que a pressão distal atinja 86% da pressão proximal (17cmH2O) serão necessárias duas constantes de tempo ou 0,8s, e para 95% (19cmH2O), serão requeridas três constantes de tempo ou 1,2s. Atingindo-se 5 constantes de tempo (2s) as pressões se tornam virtualmente iguais. Assim variações do ajuste do tempo inspiratório (Ti) implicam em variações na pressão alveolar na mesma direção até o limite de 3 a 5 constantes de tempo. A equalização entre as pressões proximal e distal resulta em desaceleração do fluxo até zero. Através da monitorização das curvas de mecânica pulmonar pode-se inferir que a pressão alveolar atinge a pressão da via aérea quando o fluxo inspiratório desacelera até zero (Figura 9).
Figura 9. Efeitos da variação do tempo inspiratório (Ti) sobre o VC, fluxo e pressão alveolar na VPC, ciclos controlados. O tempo inspiratório programado foi de 0,5, 1,0 e 1,5s, respectivamente nos 1o, 2o e 3o ciclos. Observar no terceiro ciclo respiratório o aumento da pressão alveolar até se igualar à pressão na via aérea, momento em que o fluxo inspiratório zera. Enquanto a pressão alveolar se mantém inferior à pressão da via aérea, incrementos do Ti resultam em aumento do VC até um valor máximo. A partir daí o prolongamento do Ti não resulta em incremento adicional do VC.
Variações na Raw e na Cst do sistema respiratório resultam em mudanças na constantede tempo e portanto no volume corrente e no fluxo inspiratório. A figura 10 mostra o efeito que a variação da resistência de vias aéreas produz sobre o fluxo e o VC na VPC. Tanto o aumento da Raw, quanto a redução da Cst podem reduzir de forma marcante o VC e modificar o padrão de desaceleração do fluxo inspiratório.
Figura 10. Efeitos de variações da Raw e na Cst em um paciente em VPC, ciclos controlados. Tanto o aumento da Raw, quanto a redução da Cst reduzem forma marcante o VC e modificam o padrão de desaceleração do fluxo inspiratório.
Durante o uso de VPC é imprescindível a monitorização da mecânica pulmonar através das curvas de volume, pressão e fluxo versus tempo e ajuste adequado de alarmes de VC alto e baixo.
5. Mensuração da mecânica respiratória pela técnica do ajuste linear dos mínimos quadrados
A mecânica respiratória pode ainda ser calculada sem a necessidade de pausa inspiratória e mesmo em situações em que a ventilação ocorre de com qualquer padrão de fluxo respiratório ou em VCV ou VPC. Isto é possível porque em teoria, conhecendo-se pelo menos três conjuntos de dados simultâneos para Paw, Fluxo e Volume no tempo, pode-se solucionar a equação de movimento do gás no sistema respiratório (ver acima) para as incógnitas representadas pela Raw, Cdyn e PEEP. Contudo, devido ao ruído normalmente presente nestes sinais, uma estimativa fiel das incógnitas somente pode ser obtida se um grande número de conjuntos de dados for processado. Atualmente, os modernos ventiladores mecânicos usam informações de Paw, fluxo e volume extraídas de um ciclo respiratório com uma alta taxa de amostragem, por exemplo, de 60 a 100Hz. Ou seja, em uma situação com freqüência respiratória de 20 irpm, 180 a 300 conjuntos de dados são obtidos para cada ciclo respiratório6. A partir destes dados o ventilador “calcula” os valores de Raw e Cdyn através do método matemático de ajuste dos mínimos quadrados, “encaixando” a equação do movimento de gás no sistema respiratório no conjunto de dados extraídos. As variáveis da equação que “melhor se ajustam” aos dados obtidos permitem este cálculo. Este método é conhecido no campo da estatística como ajuste dos mínimos quadrados, no qual se utiliza o procedimento de regressão linear múltipla. Em alguns algoritmos o método é restrito a fase inspiratória do ciclo, pois estimativas calculadas na fase expiratória podem se situar longe da realidade devido à presença de limitação ao fluxo aéreo, como ocorre em pacientes com DPOC. A acurácia do método também é limitada se houver esforço muscular intenso ou errático do paciente, o que pode gerar muito ruído nos sinais extraídos. A figura 11 ilustra como funciona o método de ajuste dos mínimos quadrados na ventilação mecânica. A grande vantagem deste método é que ele não requer padrão respiratório especial, é aplicado ciclo a ciclo e em qualquer modo ventilatório (VCV ou VPC) e pode refletir de forma mais realista a mecânica pulmonar vigente no modo ventilatório efetivamente usado. Como ele é aplicado em todo o ciclo e não apenas no momento final da inspiração, pode resultar em valores um pouco diferentes do método tradicional da pausa inspiratória.
Figura 11. Obtenção dos dados para aplicação da técnica do ajuste linear dos mínimos quadrados durante a VCV, modo controlado. A curva de pressão obtida pela equação do movimento de gás no sistema respiratório (pontos em forma de diamante) é comparada com a curva “real” obtida pelo ventilador.
6. Monitorização da auto-PEEP e da hiperinsuflação dinâmica
Durante a ventilação mecânica frequentemente pode ocorrer um esvaziamento incompleto do sistema respiratório, o mesmo pode não atingindo o volume expiratório ao final da expiração correspondente a capacidade residual funcional (CRF). Neste caso a pressão alveolar elástica ao final da fase expiratória não atinge o estado de equilíbrio esperado com a pressão proximal na via aérea caracterizando o que se denomina de auto-PEEP ou PEEP intrínseca (PEEPi). Pacientes com limitação anormal ao fluxo aéreo como os portadores de DPOC ou simplesmente aqueles com broncoespasmo grave ou excesso de secreções respiratórias frequentemente apresentam esta condição anormal da mecânica respiratória por apresentarem constantes de tempo excessivamente longas. Por outro lado, é possível se induzir a presença de auto-PEEP mesmo em pacientes com pulmões sadios, simplesmente elevando-se a frequência respiratória de tal modo a abreviar o tempo expiratório tornando-o insuficiente para a saída do volume corrente garantindo o esvaziamento pulmonar até a CRF. A figura 12 ilustra a identificação e mensuração da auto-PEEP estática durante a ventilação controlada em um paciente com DPOC. A simples inspeção da curva de fluxo x tempo pode identificar este fenômeno à beira-do-leito.
Figura 12. Identificação e mensuração da auto-PEEP ou PEEP intrínseca (PEEPi) estática durante a ventilação controlada em um paciente com DPOC. O fluxo expiratório não retorna a linha de base, não zera, antes do disparo da inspiração acarretando hiperinsuflação dinâmica. Através de uma pausa expiratória a válvula exalatória é fechada no instante final da expiração equalizando a pressão alveolar à pressão proximal do circuito do ventilador possibilitando a determinação da auto-PEEP. A presença da PEEPi faz com que a PEEP total aplicada a este paciente seja de 10cmH2O e não apenas de 5cmH2O. Notar que o VC encontra-se com seu valor de base acima de zero, indicando aprisionamento aéreo acima da CRF.
Vale ressaltar que a interação entre a PEEPi e a PEEPe não necessariamente resulta em uma pressão alveolar expiratória final que corresponde a soma algébrica das mesmas. Devido a complexas interações entre as unidades alveolares, as vias aéreas inferiores e o ventilador pulmonar a aplicação de PEEPe pode ter efeitos variáveis e imprevisíveis sobre a auto-PEEP e a hiperinsuflação dinâmica dependendo do mecanismo fisiopatológico que a causa.
Alguns detalhes técnicos são relevantes para mensuração da auto-PEEP. Faz-se necessário zerar a PEEP para mensuração do seu valor exato. Deve-se atentar para se realizar uma pausa expiratória de pelo menos 3 a 4s visando garantir um complete equilíbrio entre a PEEPi e a pressão medida no circuito do ventilador. Sendo a auto-PEEP muito sensível a mudanças no tempo expiratório é crucial que sua determinação seja registrada em conjunto com a análise de todos os ajustes do ventilador de forma detalhada. Níveis de auto-PEEP acima de 8 a 10cmH2O se associam a comprometimento hemodinâmico, da troca gasosa e da mecânica respiratória. Sua presença durante a ventilação assistida também é causa comum de assincronia paciente-ventilador. Neste caso em particular a sua medida exata pelo método da pausa expiratória não é possível ante a presença de esforço muscular respiratório, principalmente se houver ativação da musculatura expiratória induzindo variações significativas na pressão alveolar.
7. Resumo
A mensuração rotineira da mecânica respiratória é facilmente realizada nos modernos ventiladores mecânicos. A monitorização ciclo a ciclo, em tempo real, das curvas de fluxo, volume e pressão além das alças de volume-pressão e de fluxo-volume, possibilita a extração de dados qualitativos e o cálculo acurado da resistência de vias aéreas e da complacência do sistema respiratório. As manobras de pausa inspiratória e expiratória são simples e permitem a mensuração rotineira da pressão de platô e a auto-PEEP. A identificação da hiperinsuflação dinâmica pode ser ainda facilmente obtida pela análise da curva de fluxo x tempo. A monitorização da mecânica respiratória é útil tanto para o diagnóstico da condição subjacente do paciente como para um ajuste individual e otimizado do ventilador mecânico.