Artificial lung ventilation (neonatology)

''This article discusses the use of ALV in neonatology. Other articles related to the topic: Introduction to artificial lung ventilation • Artificial lung ventilation''

Objectives of artificial lung ventilation (ALV):


 * adequate oxygenation (blood oxygenation);
 * adequate ventilation (excretion of carbon dioxide);
 * minimal lung damage (lowest possible pressures, early extubation).

Indication:


 * Neonatal pneumopathy
 * Heart failure
 * Neuromuscular diseases
 * Drug effects (e.g. general anaesthesia)
 * Weakness
 * Airway pathologies,...

Options for respiratory support for a newborn:


 * Giving oxygen (oxygen therapy) – into an incubator or through low-flow nasal cannula
 * Non-invasive respiratory support – high flow nasal cannula, nasal CPAP
 * Conventional ventilation – mandatory or synchronized, pressure- or volume-controlled, hybrid modes
 * Unconventional ventilation – high-frequency, jet
 * Extracorporeal oxygenation (ECMO).

Monitoring during respiratory support


 * non-invasive: blood oxygen saturation ( pulse oximetry ), breathing and heart rate, blood pressure, body temperature;
 * blood gases;
 * normal range of paO2: 7–10 kPa (50–75 mmHg);
 * normal range of paCO2: 4.6–5.4 kPa (35–40 mmHg);
 * permissive hypercapnia (tolerance of higher paCO2 during an acceptable pH level, i.e. pH > 7.25) reduces the risk of developing bronchopulmonary dysplasia;
 * hypocapnia: with each decrease in paCO2 by 1 kPa, the cerebral blood flow decreases by about 30%; the risk of developing periventricular leukomalacia increases;
 * X-ray of the chest (to assess lung inflation, verify the position of the endotracheal cannula, to diagnose lung pathologies).

Care of newborns with respiratory support


 * Minimal manipulation, quiet environment, positioning (position changes help the movement of secrete in the airways), suctioning from the airways and physiotherapy (only in indicated cases), adequate nutrition.

Oxigen giving

 * Oxygen is given warm and humidified. Inhaled oxygen concentration (FiO2 0.21 or 21% corresponds to air inhalation, FiO2 1.0 or 100% corresponds to 100% oxygen inhalation) and blood oxygen saturation (using pulse oximetry) are monitored.
 * It can be given in an incubator or through nasal cannulae. The disadvantage of giving to the incubator is the fluctuation of the level of oxygen administered each time the incubator door is opened.
 * It is used in children with mild signs of RDS or TTN . In case of respiratory failure or the need for a high concentration of oxygen, it is necessary to provide adequate respiratory support (e.g. NCPAP or mechanical ventilation).
 * Target saturation: ≥ 95%.
 * For preterm neonates born before 28 weeks of gestation, target saturations of 91-95% are recommended for oxygen administration. In 2010, the results of the SUPPORT study comparing low (85-89%) and high (91-95%) target saturations were published. The group of children with low target saturations had a lower incidence of severe retinopathy of the preterms, but higher mortality, so now it is recommended to aim for higher saturations. However, the optimal saturation values ​​are not yet fully understood.
 * Oxygen is toxic to tissues due to its ability to form oxygen free radicals such as superoxide (O2−) and hydroxyl (OH-). To defend against these free oxygen radicals, tissues produce antioxidant enzymes such as superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidase. Despite this, breathing 100% oxygen is proven to damage the lungs.

High Flow Nasal Cannula (HFNC)

 * A nasal cannula with a high flow of air or an oxygen/air mixture is used as an alternative to NCPAP.

Nasal CPAP (NCPAP)

 * CPAP ( Continuous positive airway pressure ) is positive pressure continuously administered to the airways. With nasal CPAP, CPAP is administered through short tubes inserted into the nostrils. The goal is to keep the alveoli and airways open and prevent them from collapsing during exhalation. When administering CPAP, it is necessary to insert an orogastric tube to decompress the stomach.
 * Indications: RDS, post-extubation respiratory support, apnoeic pauses (especially mixed and obstructive), ...
 * Setting: Neonates with RDS who have not been given surfactant usually need pressures around 5–8 cm H2O; při lepší compliance plic stačí nižší tlaky. Příliš vysoké tlaky mohou způsobit nadměrné rozpětí plic, v jehož důsledku dochází ke zhoršení ventilace a zadržování oxidu uhličitého.
 * Monitoring: CPAP a FiO2 se upravuje v závislosti na rozboru krevních plynů. Při nutnosti vysokých tlaků CPAP a vysoké frakce vdechovaného kyslíku je nutná intubace a umělá plicní ventilace.
 * Komplikace: Relativně často dochází k otlačení a poškození kůže nosu a obličeje; může dojít ke vzniku pneumotoraxu.

Intubace novorozence
thumb|300px|Schéma správného umístění endotracheální kanyly. A – endotracheální kanyla. U novorozenců se používají ET kanyly bez manžety. C – [[trachea. D – jícen.|odkaz=Special:FilePath/Endotracheal_tube_colored.png]]
 * Intubace je zavedení endotracheální (ET) kanyly do trachey. Používají se sterilní ET kanyly bez nafukovací manžety s vnitřním průměrem 2,5 – 4 mm (pro novorozence s hmotností < 1 kg: 2,5 mm; 1–2 kg: 3,0 mm; 2–3 kg: 3,5 mm; nad 3 kg: 4 mm). ET kanylu lze zavést ústy či nosem. Při orální intubaci lze odvodit hloubku zavedení ET kanyly podle vzorce: 6 + hmotnost dítěte v kg (tzn. dítěti o hmotnosti 1,5 kg zafixujeme ET kanylu na 7,5 cm v úrovni rtů). U novorozenců se používají laryngoskopy s rovnými lžícemi o velikostech 00 až 1 (velikost 00 pro děti s hmotností < 1 kg; velikost 0 pro 1–3 kg; velikost 1 > 3 kg). K zavedení ET kanyly lze použít zavaděč. Úspěšnou intubaci lze prokázat klinickou odpovědí (vzestupem akce srdeční), viditelnými pohyby hrudníku, poslechem nad plícemi či kapnometrem (měřením vydechovaného oxidu uhličitého). Správnou polohu zavedení lze ověřit pomocí rentgenového snímku hrudníku (konec ET kanyly má být pod hlasivkovými vazy a nad karinou, nebo přibližně v úrovni Th1–Th4).


 * Rozlišuje se intubace urgentní (neodkladná) a elektivní (plánovaná).
 * Před elektivní intubací se doporučuje premedikace k prevenci uvolnění stresových hormonů provázeného vzestupem krevního a intrakraniálního tlaku (s následným rizikem rozvoje intrakraniálního krvácení).
 * K premedikaci se používá kombinace:
 * atropin (vagolytický efekt – prevence bradykardie způsobené např. podáním myorelaxace);
 * analgezie (fentanyl má rychlejší nástup účinku než morfin; může způsobit ztuhnutí hrudní stěny, které lze zmírnit pomalým podáním a následným podáním myorelaxace – suxamethonia);
 * myorelaxace (prevence vzestupu intrakraniálního tlaku; např.: mivacurium či sukcinylcholin).

Sedace

 * Morfin je zlatý standard analgezie. U mechanicky ventilovaných novorozenců se používá úvodní dávka (50–150 µg/kg) následovaná kontinuální infuzí (5–20 µg/kg/h). Postupem času se rozvíjí tolerance, proto bývá nutné zvýšit dávku. Abstinenční syndrom se může objevit po 48 hodinách kontinuální infuze morfinu, ale obvykle bývá pozorován až po 4–5 dnech. K tlumení abstinenčních příznaků se používá morfin (v sestupných dávkách) či metadon, dále klonidin, popř. benzodiazepiny.
 * Chloralhydrát (30–50 mg/kg p.o. či p.r.), promethazin (0,5 mg/kg i.v./p.o.) a další léky.

Paralýza

 * Indikace: zralý novorozenec se syndromem aspirace mekonia, perzistující plicní hypertenzí či GBS sepsí, který je neklidný, hypoxický či asynchronní s ventilátorem navzdory sedaci. Novorozenec s vrozenou brániční kýlou či závažným plicním intersticiálním emfyzémem. Novorozenec, který aktivně vydechuje proti ventilátoru navzdory sedaci.
 * Pancuronium ve formě bolusů – nutnost monitorace bilance tekutin vzhledem k riziku zadržování tekutin;
 * Vecuronium.

Proměnné umělé plicní ventilace

 * FiO2 (fraction of inspired oxygen) = koncentrace kyslíku ve vdechovaném vzduchu (0,21–1,00 neboli 21–100 %);
 * PIP (peak inspiratory pressure) = maximální inspirační tlak; otevírá alveoly;
 * PEEP (positive end-expiratory pressure) = pozitivní tlak na konci výdechu; brání kolapsu alveolů při výdechu; udržuje funkční reziduální kapacitu plic;
 * MAP (mean airway pressure) = střední tlak v dýchacích cestách; ovlivňuje oxygenaci; příliš vysoký MAP snižuje žilní návrat a tím snižuje srdeční výdej;
 * MAP = (PIP — PEEP) × [Ti : (Ti + Te)] + PEEP.
 * VT (tidal volume) = dechový objem;
 * Ti (iT) = inspirační čas, Te (eT) = exspirační čas;
 * (dechová) frekvence = počet dechů za minutu; závisí na délce inspiračního a exspiračního času (a naopak).


 * compliance plic
 * charakterizována poddajností (elasticitou a roztažitelností) alveolů, hrudní stěny a plicního parenchymu – čím nižší compliance, tím tužší (méně poddajné) plíce;
 * compliance plic je snížená při deficitu surfaktantu, plicní hypertenzi, ARDS, pneumonii, kardiopulmonálním bypassu, …
 * při snížené compliance je třeba optimální PEEP, vyšší PIP a vyšší inspirační čas.


 * rezistence dýchací cest
 * rezistence dýchacích cest je zvýšená při bronchospasmu nebo tracheobronchomalacii;
 * na rezistenci dýchacích cest se podílí i endotracheální kanyla – její rezistence je nepřímo úměrná čtvrté mocnině průměru ET kanyly (čím užší ET kanyla, tím výrazně vyšší rezistence);
 * při zvýšené rezistenci je třeba nižší dechová frekvence a delší expirační čas.

Oxygenace

 * okysličování krve – optimálně podle aktuálních potřeb organismu
 * je ovlivněna vazebnou kapacitou hemoglobinu a srdečním výdejem; dále plicními a srdečními zkraty
 * závisí na frakci vdechovaného kyslíku (FiO2) a na středním tlaku v dýchacích cestách (MAP)
 * MAP závisí na PIP, PEEP, iT
 * monitoruje se pomocí neinvazivního měření saturace hemoglobinu kyslíkem, pomocí vyšetření krevních plynů (paO2 – parciální tlak kyslíku v arteriální krvi) a hladiny laktátu
 * spotřebu kyslíku lze snížit sedací, paralýzou, hypotermií.

Ventilace

 * vylučování oxidu uhličitého
 * závisí na minutové ventilaci (= dechový objem × dechová frekvence)
 * dechový objem závisí na rozdílu PIP a PEEP
 * monitoruje se pomocí vyšetření krevních plynů (paCO2 – parciální tlak oxidu uhličitého v arteriální krvi).
 * toleruje se tzv. permisivní hyperkapnie – tedy vyšší pCO2 za podmínky přijatelného pH (obvykle pH > 7,25), která umožňuje snížit riziko plicního baro/volumotraumatu.

Typy konvenční mechanické ventilace

 * řízená ventilace (objemově či tlakově řízená);
 * podpůrné ventilační režimy (objemová či tlaková podpora);
 * hybridní ventilační režimy (kombinace různých ventilačních režimů).

Tlakově řízená ventilace, PCV (pressure controlled ventilation)
Umožňuje dodání nastaveného maximálního inspiračního tlaku (PIP) a poté pasivní výdech do atmosférického tlaku nebo předem nastaveného pozitivního tlaku (PEEP), který brání kolapsu alveolů. Dechové objemy závisí na plicní compliance a rezistenci.
 * nastaven je počet dechů, PIP a PEEP;
 * monitoruje se minutová ventilace.

Objemově řízená ventilace, VCV (volume controlled ventilation)
Umožňuje dodání nastaveného dechového objemu (VT) a poté pasivní výdech do atmosférického tlaku nebo předem nastaveného pozitivního tlaku (PEEP), který brání kolapsu alveolů. Maximální inspirační tlaky (PIP) závisí na plicní compliance a rezistenci.
 * nastaven je dechový objem, počet dechů (neboli minutová ventilace) a PEEP;
 * monitorují se tlaky v dýchacích cestách.

Ventilační režimy
Názvy a charakteristiky ventilačních režimů se mohou lišit v závislosti na výrobci ventilátoru.
 * Režim IPPV, intermitentní ventilace pozitivním přetlakem (Intermitent Positive Pressure Ventilation)

Nesynchronizovaný ventilační režim, který se používá u paralyzovaných či apnoických pacientů. Frekvence se nastavuje vyšší než je pacientova spontánní dechová frekvence. Nesynchronizovaný ventilační režim. Frekvence se nastavuje nižší než je pacientova spontánní dechová frekvence, pacient tudíž může spontánně dýchat mezi řízenými dechy. Synchronizovaný ventilační režim, který podpoří nastavený počet dechů za minutu. Nádechové úsilí pacienta (trigger) spustí řízený dech. Pokud pacient dýchá rychleji, ventilátor podpoří pouze nastavený počet dechů. Pokud pacient dýchá pomaleji než je nastavený počet dechů, ventilátor synchronizuje všechny dechy a navíc dodá potřebný počet dechů k dosažení nastaveného počtu. Nastavuje se PIP, PEEP, dechová frekvence, inspirační čas a trigger (senzitivita nádechového úsilí). Synchronizovaný ventilační režim, který podpoří každé nádechové úsilí pacienta. Podpora nádechu je ukončena po uplynutí nastaveného inspiračního času. Pokud pacient dýchá pomaleji než je nastavený počet dechů, ventilátor synchronizuje všechny dechy a navíc dodá potřebný počet dechů k dosažení nastaveného počtu. Pokud pacient dýchá rychleji než je nastavený počet dechů, jsou podpořené všechny dechy a při velmi vysoké dechové frekvenci či dlouhém inspiračním čase je riziko zadržování vzduchu v plicích (air trapping) a tudíž riziko air leak. Nastavuje se PIP, PEEP, dechová frekvence, inspirační čas a trigger (senzitivita nádechového úsilí). Synchronizovaný ventilační režim, který podpoří každé nádechové úsilí pacienta (podobně jako SIPPV). Podpora nádechu je ukončena při poklesu průtoku na nastavenou hodnotu. Inspirační čas je proměnný podle náplně plic (inflace). Riziko air trapping a air leak je nižší než u režimu SIPPV. Nastavuje se PIP, PEEP, dechová frekvence a senzitivita ukončení (procento maximálního průtoku v nádechu). Ventilátor dodává nastavený dechový objem (obvykle 4–7 ml/kg). Ventilátor změří vydechnutý objem a podle toho dodá potřebný PIP k dosažení nastaveného dechového objemu. Nastavuje se maximální PIP. Pokud při nastaveném maximálním PIP nedojde k výměně nastaveného dechového objemu, spustí se alarm. Tento režim se obvykle používá v kombinaci s PSV či SIPPV. Nefunguje při vysokém leaku (úniku vzduchu).
 * Režim CMV (Continuous Mandatory Ventilation)
 * Režim IMV (Intermitent Mandatory Ventilation)
 * Režim SIMV (Synchronized Intermitent Mandatory Ventilation)
 * Režim SIPPV (Synchronised Intermittent Positive Pressure Ventilation) neboli AC (Assist Control)
 * Režim PSV, tlakově podporovaná ventilace (Pressure Support Ventilation)
 * Režim VG (Volume Guarantee)

Vysokofrekvenční ventilace (HFV)
Princip: výměna velmi malých dechových objemů o vysoké frekvenci. Výhody: využití malých dechových objemů umožňuje snížit riziko barotraumatu.
 * dechové objemy jsou srovnatelné nebo menší než mrtvý prostor
 * frekvence se vyjadřuje v Hz (1 Hz = 1 cyklus/s = 60 dechů/min.)

Indikace HFV:
 * plicní intersticiální emfyzém (PIE)
 * air leak syndromy (pneumothorax, plicní intersticiální emfyzém)
 * syndrom dechové tísně novorozenců (RDS)
 * předstupeň mimotělní podpory (PPHN, MAS, pneumonie, hypoplastické plíce, vrozená brániční kýla)

Vysokofrekvenční ventilace pozitivním přetlakem (HFPPV)

 * (frekvence dechů 60–100/min, objem: 3–4 ml/kg)

Vysokofrekvenční oscilační ventilace (HFOV)
Proměnné:
 * využívá trvalého distenčního tlaku (MAP, mean airway pressure) s velmi rychlou oscilací tlaku kolem MAP; tímto se vytváří velmi malé dechové objemy, často menší než mrtvý prostor
 * indikace:
 * selhání konvenční ventilace u donošeného novorozence (PPHN, MAS)
 * air leak syndromy (pneumothorax, plicní intersticiální emfyzém)
 * selhání konvenční ventilace u nedonošených novorozenců (závažný syndrom dechové tísně novorozenců, plicní intersticiální emfyzém, plicní hypoplázie) nebo ke snížení barotraumatu při potřebě vysokých tlaků při konvenční ventilaci
 * frekvence (Hz): 10 Hz = 10 cyklů/s = 600 cyklů/min.
 * MAP, mean airway pressure (cm H2O) = střední tlak v dýchacích cestách
 * vysoký MAP může snížit srdeční výdej snížením žilního návratu a tím snížit krevní tlak
 * amplituda = delta P = kolísání kolem MAP

Vysokofrekvenční trysková ventilace (HFJV)

 * vstřikování plynů o vysoké rychlosti;
 * frekvence 240-600 dechů/min.;
 * dechové objemy srovnatelné nebo trochu větší než je mrtvý prostor;
 * výdech je pasivní;
 * indikace: především plicní intersticiální emfyzém (PIE), jinak viz HFV.

ECMO
náhled|Schéma ECMO

Komplikace intubace

 * poranění, zavedení endotracheální kanyly příliš hluboko - intubace do pravého bronchu, pneumotorax, atelektáza.

Poranění plic v důsledku umělé plicní ventilace

 * Ventilator-induced lung injury (VILI) je akutní poranění dýchacích cest a plicního parenchymu umělou plicní ventilací;
 * patofyziologie VILI: poškození plic (buněčné a strukturální poškození, edém alveolů) → zánět → fibrotizace a hojení → vymizení edému (reabsorpce) → opravy (odstranění intraalveolární debris, obnova extracelulární matrix, reepitelizace povrchu alveolů, tvorba nových kapilár);
 * barotrauma: ruptura alveolů v důsledku zvýšeného transalveolárního tlaku (vysoký PIP); air leak syndromy (pneumotorax, pneumomediastinum, podkožní emfyzém)
 * volu(mo)trauma: poškození nadměrnou inflací plic (vysoký PEEP+VT);
 * atelektotrauma: poškození kolapsem alveolů s následnou reexpanzí (ventilace bez PEEP či bez surfaktantu);
 * biotrauma: indukce zánětu (aktivace makrofágů → uvolnění cytokinů TNF-α a IL-1 → stimulace cévního endotelu k uvolnění intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) a E-selectinu; přilnutí neutrofilů k endotelu a transmigrace do intersticiálního alveolárního prostoru;
 * ergotrauma: poškození dynamickými parametry ventilace;
 * dynamické namáhání (rozdíl objemů, rozdíl tlaků, vysoký průtok) je škodlivější než statické namáhání (PEEP);
 * ventilator-associated lung injury (VALI) - termín se používá při nejasnosti, zda došlo ke zhoršení vlastního onemocnění plic nebo zda to bylo za přispění umělé plicní ventilace (není jasná kauzalita).
 * auto-PEEP (intrinsic positive end expiratory pressure) - vzniká, pokud nedojde k dostatečnému výdechu, postupně narůstá PEEP, zvyšuje se riziko barotraumatu, zhoršuje se schopnost pacienta triggerovat nádech,
 * heterogenní ventilace - ventilace různých oblastí plic je různá v závislosti na alveolární compliance, rezistenci dýchacích cest a dependenci (horní vs. dolní oblasti plic);
 * mismatch ventilace/perfuze (zvýšený mrtvý prostor - oblasti relativně převentilované oproti perfuzi; snížené shunty - oblasti relativně podventilované oproti perfuzi);
 * atrofie svaloviny bránice, slabost dýchacích svalů,
 * snížená mukociliární motilita - vede k retenci sekretů a rozvoji pneumonie.

Systémové komplikace umělé plicní ventilace

 * snížený srdeční výdej, narušení monitorace hemodynamiky,
 * zhoršená perfuze splanchniku, stresové vředy trávicího traktu, hypomotilita trávicího traktu,
 * retence tekutin,
 * akutní renální selhání,
 * zvýšený intrakraniální tlak,
 * zánět,
 * narušený spánek.

Komplikace oxygenoterapie

 * toxicitu kyslíku způsobují reaktivní formy kyslíku, které dokáží poškodit tkáně indukcí nekrózy či apoptózy, pokud množství reaktivních forem kyslíku překročí antioxidační schopnost organismu.

Související články

 * Umělá plicní ventilace • Umělá plicní ventilace/SŠ (sestra)
 * Oxygenoterapie • Hyperbarická oxygenoterapie • Toxicita kyslíku