Transpulmonary driving pressure and lung stress during assisted ventilation with PAV+: a prospective observational study

Abstract

BackgroundIn the setting of controlled mechanical ventilation (CMV), the driving pressure of the respiratory system (ΔPRS) is calculated as the difference between inspiratory plateau pressure (Pplateau) and positive end-expiratory pressure (PEEP), after performing endinspiratory and end-expiratory maneuvers. ΔPRS serves as an indirect measure of static tidal lung stress through transpulmonary driving pressure (ΔPlung) which is defined as the difference in transpulmonary pressure between the end of inspiration and the end of expiration. However, during assisted mechanical ventilation, expiratory muscle activity is frequently present, resulting in decreased end-expiratory lung volume, potentially affect the validity of ΔPRS as a surrogate of ΔPlung. This prospective observational study was conducted in patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS) receiving proportional assist ventilation (PAV+) and sought to explore the frequency of increased ΔPlung, to examine the relationship between ΔPRS and ΔPlung, as well as to investigate whether dynamic transpulmonary pressure (Plung,sw) and indices of inspiratory effort (trans-diaphragmatic and respiratory muscle pressure swings) remain within physiologically acceptable limits during assisted mechanical ventilation. Methods A total of thirty-one intubated ARDS patients, all instrumented with esophageal balloon catheters (n=31) and a subset with additional gastric balloon catheters (n=22), were enrolled in the study. The patients included were initially ventilated with CMV and during the weaning phase were transitioned to assisted mechanical ventilation with PAV+. After switching to assisted ventilation, key respiratory variables including flow (V’), airway pressure (Paw), esophageal pressure (Pes) and gastric pressure (Pgas), when available, were continuously recorded for a maximum of 24 hours. In the first phase of the analysis, the occluded breaths from PAV+ were identified using a custom developed program for automatic breath analysis. To minimize the contribution of random breaths with irregular characteristics to the analysis, a 7-breath moving average was applied. In each patient, data were further stratified per deciles of increasing lung elastance (Elung) to explore trends across different respiratory mechanics. In the second part of the analysis patients were divided into two groups according to how end-inspiratory transpulmonary pressure (Plung-EI) changed in relation to Elung. With increasing Elung, Group A exhibited increasing Plung-EI and Group B demonstrated either stable or decreasing Plung-EI. Results Among 44,836 occluded breaths, a ΔPlung ≥ 12 cmH2O was infrequently observed, occurring in a median of 0.0% (IQR: 0.0–16.9%) of measurements. A decrease in end-expiratory lung volume due to active expiration was associated with underestimation of ΔPlung by ΔPRS, as indicated by a negative linear correlation between transpulmonary pressure at end-expiration (Plung-EE) and ΔPlung / ΔPRS ratio. Based on the relationship between Plung-EI and increasing Elung, 17 patients were classified into Group A and 14 patients into Group B. Elung increase was associated with increased ΔPlung. In Group A, ΔPlung was driven by increased Plung-EI. On the other hand, in Group B the increase in ΔPlung was attributed to decreased Plung-EE. While ΔPRS demonstrated acceptable diagnostic performance for detecting ΔPlung ≥ 12 cmH₂O [area under the ROC-curve (AUC): 0.87 (95% CI: 0.82–0.92), p-value < 0.001], this performance was attributed exclusively to Group A [AUC: 0.91 (0.86–0.95), p-value < 0.001]. In Group B, ΔPRS did not show predictive ability for detecting elevated ΔPlung reliably [AUC: 0.65 (0.52–0.78), p-value > 0.05]. During the recorded ventilation period, dynamic transpulmonary pressure (Plung,sw) and indices of inspiratory effort remained mainly within the physiologically acceptable limits.ConclusionIn patients with ARDS ventilated with PAV+, injurious tidal lung stress and inspiratory effort were uncommon. In the presence of expiratory muscle activity, ΔPRS tended to underestimate ΔPlung. This limitation reduces the reliability of using ΔPRS as a surrogate of tidal lung stress, irrespective of the mode of assisted ventilation.

Εισαγωγή Κατά τον ελεγχόμενο μηχανικό αερισμό, η οδηγός πίεση του αναπνευστικού συστήματος (ΔPRS) υπολογίζεται ως η διαφορά της θετικής τελοεκπνευστικής πίεσης (PEEP) από την σταθερή τελοεισπνευστική πίεση plateau (Pplateau). Η μέτρηση των πιέσεων PEEP και Pplateau που απαιτούνται για τον υπολογισμό της ΔPRS απαιτούν τη διενέργεια χειρισμών τελοεκπνευστικής και τελοεισπνευστικής παύσης, αντίστοιχα. Η ΔPRS χρησιμοποιείται ως έμμεσος δείκτης του στατικού κυψελιδικού στρες που οφείλεται στη μεταβολή του όγκου και το οποίο εκφράζεται από την οδηγό διαπνευμονική πίεση (ΔPlung). Η ΔPlung υπολογίζεται από τη διαφορά της τελοεκπνευστικής από την τελοεισπνευστική διαπνευμονική πίεση. Ωστόσο, κατά τον υποβοηθούμενο μηχανικόαερισμό η δραστηριότητα των εκπνευστικών μυών παρατηρείται συχνά και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του τελοεκπνευστικού πνευμονικού όγκου ενώ το γεγονός αυτό επηρεάζει και την εγκυρότητα της ΔPRS ως έμμεσου δείκτη της ΔPlung. Η παρούσα μελέτη αποτελεί μια προοπτική μελέτη παρατήρησης που περιέλαβε διασωληνωμένους ασθενείς με σύνδρομο οξείας αναπνευστικής δυσχέρειας (ARDS) οι οποίοι ελάμβαναν αναλογικά υποβοηθούμενο μηχανικό αερισμό (PAV+). Κύριοι στόχοι της μελέτης είναι η εκτίμηση της συχνότητας εμφάνισης αυξημένων τιμών οδηγού διαπνευμονικής πίεσης ΔPlung, η διερεύνηση της συσχέτισης μεταξύ της ΔPRS και ΔPlung. Τέλος, σκοπός της μελέτης αποτελεί και η αξιολόγηση τόσο της δυναμικής διαπνευμονικής πίεσης (Plung,sw) όσο και το κατά πόσο οι δείκτες εισπνευστικής προσπάθειας, όπως η δυναμική δια-διαφραγματική πίεση και η δυναμική πίεση του συνόλου των αναπνευστικών μυών (trans-diaphragmatic and respiratory muscle pressure swings), παραμένουν εντός φυσιολογικά αποδεκτών ορίων κατά τη διάρκεια του υποβοηθούμενου μηχανικού αερισμού. Μεθοδολογία Συνολικά, στη μελέτη εντάχθηκαν τριάντα ένας (31) διασωληνωμένοι ασθενείς με ARDS. Όλοι οι ασθενείς έφεραν διοισοφάγειο καθετήρα μέτρησης της υπεζωκοτικής πίεσης (n=31), ενώ υποομάδα αυτών έφερε και καθετήρα μέτρησης της γαστρικής πίεσης (n=22). Οι ασθενείς που εντάχθηκαν στην μελέτη υποστηρίζονταν με αναλογικά υποβοηθούμενο μοντέλο (PAV+) αερισμού. Πραγματοποιήθηκε συνεχής καταγραφή βασικών αναπνευστικών παραμέτρων όπως η ροή (V’), η πίεση αεραγωγών (Paw), η οισοφάγεια πίεση (Pes) και η γαστρική πίεση (Pgas), εφόσον ήταν διαθέσιμη. Σε κάθε ασθενή που εισήχθη στη μελέτη, η συνεχής καταγραφή των ανωτέρω παραμέτρων διήρκεσε για μέγιστο χρονικό διάστημα 24 ωρών. Στο πρώτο στάδιο της ανάλυσης των δεδομένων που συλλέχθηκαν, οι αναπνοές που χαρακτηρίζονταν τελοεισπνευστική παύση ελαχίστων χιλιοστοδευτερολέπτων (η οποία πραγματοποιείται αυτόματα στο PAV+) εντοπίστηκαν μέσω της εφαρμογής υπολογιστικού προγράμματος το οποίο αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση αναπνοών με άτυπα χαρακτηριστικά στην ανάλυση, εφαρμόστηκε η μέθοδος κινητού μέσου όρου επτά αναπνοών. Επιπλέον, τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από την καταγραφή κάθε ασθενούς κατηγοριοποιήθηκαν σε δεκατημόρια κατά αυξανόμενη ελαστικότητα πνεύμονα (Elung), έτσι ώστε να διερευνηθούν μεταβολές των παραμέτρων που αναφέρθηκαν σε σχέση με τη μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων του πνεύμονα. Στο δεύτερο στάδιο της ανάλυσης, οι ασθενείς ταξινομήθηκαν σε δύο ομάδες, αναλόγως του προτύπου της σχέσης μεταξύ της τελοεισπνευστικής διαπνευμονικής πίεσης (Plung-EI) και της αυξανόμενης Elung που παρουσίαζε κάθε ασθενής. Στην Ομάδα A συμπεριλήφθηκαν ασθενείς που εμφάνιζαν αύξηση της Plung-EI με την αύξηση της Elung, ενώ στην Ομάδα B κατατάχθηκαν ασθενείς που εμφάνισαν σταθερή ή μειούμενη Plung-EI παρά την αύξηση της Elung. Αποτελέσματα Συνολικά αναλύθηκαν 44.836 αναπνοές με αυτόματη τελοεισπνευστική παύση. Αναπνοές με τιμές ΔPlung ≥ 12 cmH₂O καταγράφηκαν σπάνια, με διάμεσο επιπολασμό 0.0% (διατεταρτημοριακό εύρος: 0.0–16.9%). Επίσης, παρατηρήθηκε αρνητική γραμμική συσχέτιση μεταξύ της διαπνευμονικής πίεσης στο τέλος της εκπνοής (Plung-EΕ) και του λόγου ΔPlung/ ΔPRS, οφειλόμενη στην μείωση του τελοεκπνευστικού πνευμονικού όγκου κατά την ενεργητική εκπνοή, καταλήγοντας σε υποεκτίμηση της ΔPlung από την ΔPRS. Όσον αφορά την ταξινόμηση των ασθενών στις Ομάδες Α και Β με βάση την μεταβολή της Plung-EI κατά την αύξηση της Elung, δεκαεπτά ασθενείς (17) ταξινομήθηκαν στην Ομάδα Α, παρουσιάζοντας αύξηση της Plung-EI, και δεκατέσσερις (14) στην Ομάδα B εμφανίζοντας σταθερή ή μειούμενη Plung-EI. Σε αμφότερες τις ομάδες, η αύξηση της Elung συσχετίστηκε με αύξηση της ΔPlung. Ωστόσο, στην Ομάδα Α η αύξηση της ΔPlung οφειλόταν σε αυξημένη Plung-EI στο τέλος της εισπνοής, ενώ στην Ομάδα B σχετιζόταν με μείωση της Plung-EΕ στο τέλος της εκπνοής. Η ΔPRS, ως εργαλείο ανίχνευσης τιμών ΔPlung ≥ 12 cmH₂O εμφάνιζε ικανοποιητική διαγνωστική ακρίβεια, με εμβαδό της περιοχής κάτω από την καμπύλη ROC (AUC) 0.87 (95% διάστημα εμπιστοσύνης: 0.82–0.92, P < 0.001). Η απόδοση αυτή οφειλόταν αποκλειστικά στην Ομάδα A [AUC: 0.91 (0.86–0.95), P < 0.001]. Αντίθετα, στην Ομάδα B η ΔPRS δεν εμφάνιζε διαγνωστική ακρίβεια τέτοια έτσι ώστε να ανιχνεύει αξιόπιστα αυξημένες τιμές ΔPlung [AUC: 0.65 (0.52–0.78), P > 0.05]. Τέλος, καθ’ όλη τη διάρκεια της καταγραφής, η δυναμική διαπνευμονική πίεση (Plung,sw) καθώς και οι δείκτες έντασης εισπνευστικής προσπάθειας παρέμειναν κυρίως εντός των φυσιολογικά αποδεκτών ορίων. Συμπέρασμα Συμπερασματικά, σε ασθενείς με ARDS υπό υποβοηθούμενο μηχανικό αερισμό με PAV+, παθολογικές τιμές κυψελιδικού στρες και υπερβολικής αναπνευστικής προσπάθειας ήταν σπάνιες. Παρά ταύτα, κατά την παρουσία δραστηριότητας των εκπνευστικών μυών, η ΔPRS τείνει να υποεκτιμά την ΔPlung. Επομένως, το εύρημα αυτό υπογραμμίζει την περιορισμένη χρησιμότητα της ΔPRS ως δείκτη του κυψελιδικού στρες κατά τον υποβοηθούμενο αερισμό.