La ventilazione meccanica invasiva sincronizzata (PTV) nel neonato e il funzionamento del sensore di flusso

Introduzione

La ventilazione meccanica convenzionale (Conventional Mechanical Ventilation – CMV) nel neonato si realizza utilizzando i classici ventilatori a flusso continuo, ciclati a tempo e a controllo di pressione (Time-Cycled Pressure-Limited – TCPL) e prevede, nella quasi totalità dei casi, la sincronizzazione tra l’attività respiratoria spontanea e l’azione del ventilatore (Patient Triggered Ventilation o PTV), necessaria ad evitare il contrasto di fase, cioè che il ventilatore invii la sua mandata meccanica in fase espiratoria (‘lotta’ contro il ventilatore).

Questo tipo di ventilatore consente, quindi, il respiro spontaneo tra gli atti meccanici, il controllo della pressione, l’impostazione di un Tempo inspiratorio (TI) e la sincronizzazione del neonato.

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Per avere una perfetta sincronizzazione, però, abbiamo bisogno di un servomeccanismo elettronico (trigger), che possa innescare l’attività del respiratore quando viene captato l’atto respiratorio spontaneo del neonato ottenendo, così, una ventilazione assistita.

La chiusura della valvola espiratoria, per un tempo di inspirazione (Ti) preimpostato determina l’aumento della pressione nel circuito ventilatorio e quindi la deviazione del flusso dei gas verso il neonato. Se la pressione raggiunge il picco (PIP) prima del termine del Ti la valvola di pressione si apre facendo terminare la fase inspiratoria.

Utilizzando un flusso molto alto, necessario in alcune condizioni cliniche, l’onda pressoria assume una morfologia quadra perché la valvola di pressione interviene precocemente in quanto viene raggiunto prima il picco pressorio impostato, creando una pausa inspiratoria chiamato plateau. A volte si preferisce utilizzare una rampa di 0,2 L/m per realizzare un flusso ottimale a richiesta e ottenere una determinata morfologia d’onda.

L’impostazione, poi, di un target di volume permette all’operatore di selezionare un Volume Tidal (VT) con il vantaggio di tagliare pressioni non necessarie per raggiungere il volume prefissato e utilizzare, invece, la pressione più bassa possibile, che varia da respiro a respiro, in modo automatico al variare della compliance del sistema respiratorio.

Questa impostazione si ottiene settando un volume garantito (VG) corrispondente ad un Volume Tidal (VT), solitamente da 4 a 6 ml/Kg, in tutte le modalità di ventilazione. La modalità di ventilazione a volume garantito (VG) o assicurato (VA) non deve essere confusa con quella a Volume Controllato, utilizzata maggiormente in epoche diverse da quella neonatale, in quanto supera certi concetti e ne risolve i limiti, come il poter impostare, per motivi di sicurezza, un massimo di pressione (Pmax).

Ricordiamo che il danno causato dalla ventilazione meccanica (Ventilator Induced Lung Injury – VILI) non è imputabile alla sola pressione di utilizzo (barotrauma) ma anche ad un eccessivo aumento del volume polmonare (volutrauma) e l’impostazione di un determinato volume (Volume-Targeted Ventilation – VTV) permetterebbe di ridurre il rischio di morte e BPD (Diplasia Bronco-Polmonare), specialmente in neonati di peso molto basso.

Fig. 1 Schema semplificato del principio di funzionamento di un respiratore neonatale, con le caratteristiche principali di essere a Flusso continuo, a pressione limitata e ciclato a tempo (Immagine da Maurizio Ginepro e Marco Debole; materiale didattico, edizione 2002).

Le modalità, più frequenti, di ventilazione convenzionale nel neonato sono rappresentate da:

SIPPV (Synchronised Intermittent Positive Pressure Ventilation o A/C cioè Assistita/Controllata), in cui tutti gli atti sono assistiti dalla macchina (modalità assist/control o A/C).
SIMV (Synchronised Intermittent Mandatory Ventilation), in cui solo alcuni atti sono assistiti dalla macchina, ma con una frequenza respiratoria minima di sicurezza (back up rate) impostata dall’operatore. Il respiratore, in caso, di apnea, dopo un periodo di latenza, la cui durata è prefissata dall’operatore entra in funzione automaticamente (ventilazione obbligatoria intermittente sincronizzata). E’ una modalità utilizzata per lo svezzamento ventilatorio.
PSV (Pressure Support Ventilation): è simile alla modalità SIPPV nel senso che ogni respiro spontaneo del neonato viene supportato dalla macchina, ma il supporto pressorio termina quando il flusso inspiratorio scende al di sotto di un limite predeterminato del picco di flusso, in genere dal 15% al 20%, per cui il pz determina la frequenza e il tempo inspiratorio e I/E. E’ una ventilazione assistita a controllo di pressione dove il passaggio dalla fase inspiratoria a quella espiratoria non è time-cycled ma flow-cycled allo scopo di sincronizzare non solo l’inizio (trigger inspiratorio) ma anche la fine dell’inspirazione spontanea (trigger espiratorio) in base alla decelerazione del flusso. Può essere impiegata in neonati che hanno una valida attività respiratoria.

La sincronizzazione

L’aspetto fondamentale per realizzare la ventilazione assistita nelle varie modalità è la perfetta sincronia tra fase inspiratoria spontanea del neonato e l’intervento automatico del respiratore con la chiusura della valvola espiratoria.

I benefici della ventilazione con il trigger

Utilizzo di pressioni di picco più basse.
Miglioramento degli scambi gassosi (aumento pO2 e diminuzione pCO2).
Riduzione del barotrauma e volutrauma.
Minor incidenza di pneumotorace e displasia broncopolmonare (BPD).
Riduzione del lavoro respiratorio.
Aiuta lo svezzamento dalla ventilazione meccanica (weaning).

Il sistema di sincronizzazione

Per realizzare la sincronia neonato/macchina è necessario un sistema di trigger in grado di rilevare prontamente il segnale fisiologico proveniente dal neonato.

Tra i sistemi di sincronizzazione riportiamo:

Trigger a pressione che viene attivato dalla deflessione negativa del segnale di pressione determinato dall’inspirazione spontanea del paziente.
Capsula pneumatica addominale o di Graseby che rileva l’aumento della pressione addominale conseguente alla contrazione del diaframma.
Trigger ad impedenza toracica: il segnale di inspirazione spontanea deriva dalle modificazioni di impedenza transtoracica valutate per mezzo di elettrodi applicati sul torace e un monitor cardiorespiratorio.
Trigger a flusso: questo strumento rileva il flusso aereo a livello del raccordo tra crociera e cannula tracheale.

In ambito neonatale il sistema più utilizzato è il sensore di flusso, che è un classico anemometro a filo caldo posto tra crociera e raccordo del tubo endotracheale, che è un trigger estremamente sensibile in grado di cogliere l’inspirazione anche di un neonato con età e peso estremamente bassi. Si parla, così, di Ventilazione Assistita Flusso-Sincronizzata (Flow-Synchronized Assisted Ventilation).

Vantaggi del sensore di flusso rispetto ad altri sistemi di rilevamento

Specifico di inspirazione spontanea.
Richiede un piccolo sforzo inspiratorio da parte del neonato per essere attivato (0.2 ml/min) e quindi è adatto anche nei piccoli pretermine.
Breve tempo di risposta (response time), che il tempo intercorrente tra l’inizio del respiro spontaneo e l’inizio del ciclo meccanico.
Insensibile a qualsiasi segnale (finestra temporale) per un periodo di 0,2 sec. sopra al Ti impostato e questo per consentire al pz di espirare in maniera adeguata.
Facile gestione.

Autotriggering (auto-cycling)

E’ definito autotriggering il fenomeno che conduce all’autoattivazione e inappropriata attivazione del ventilatore per diverse cause come:

Eccessiva condensa nel circuito ventilatorio.
Perdite dai raccordi tra circuito e trachea.
Secrezioni abbondanti.

Funzionamento del sensore di flusso

Il sensore di flusso è un tipico anemometro (pneumotacografo) a filo di platino, che è placcato con tungsteno ed è sottilissimo avendo un diametro di qualche μm ed è lungo 1-2 mm. Il filo viene riscaldato ad una temperatura costante elevata di 400° C e se viene investito da un flusso di gas esso perderà temperatura e varierà la resistenza, richiedendo maggiore energia per conservare la stessa temperatura. Ricordiamo che la resistenza elettrica di alcuni metalli dipende dalla temperatura ed è quindi possibile ottenere una relazione tra la resistenza calcolata sul filo e la velocità del flusso d’aria. Il filo di platino di resistenza R_f è attraversato da una corrente (I) e il calore sviluppato per l’effetto Joule sarà dato da Q = R_f ∙ I ² e al passaggio di un flusso di gas, con un certa temperatura, esso scambierebbe il calore con il gas (raffreddamento per convezione).

Maggiore sarà la velocità del flusso di gas maggiore sarà il raffreddamento del filo di platino richiedendo così ulteriore energia elettrica per mantenere la sua temperatura (400°C). La differenza di corrente che si realizza verrà registrata come differenza di potenziale elettrico, che produrrà la misura del flusso di gas (vedi Fig. 2).

Il filo, che rappresenta il sensore, ha una massa ridottissima e consente di realizzare un tempo di risposta brevissimo di qualche decina di microsecondi, ottenendo così risposte istantanee, a cui si associa la capacità di rilevare valori bassi di velocità, rendendo questo sistema idoneo per misurare flussi come quelli espressi da neonati o prematuri, che sono dell’ordine di 0.2-0.5 L/min. Il minimo flusso di funzionamento, considerato affidabile è 0,2 L/min., mentre valori minori vengono eliminati e visualizzati come flusso zero.

La presenza di un solo filo, però, non darebbe informazioni circa la direzione del flusso e quindi è indispensabile, per discriminare il flusso inspiratorio da quello espiratorio, posizionare due fili riscaldati in serie, di cui uno è schermato da un profilo di plastica così come realizzato nel sensore della Dräger.

In fase inspiratoria il primo filo che il flusso incontra è schermato per cui non verrà investito dal gas inspiratorio e non si raffredderà, mentre il secondo filo quello più vicino al neonato verrà investito in pieno dal flusso di gas e si raffredderà (vedi Fig. 2) in proporzione al flusso aereo che lo attraversa e questa differenza verrà registrata come differenza di potenziale elettrico, che produrrà il segnale, opportunamente amplificato, di flusso, permettendo, inoltre, di conoscere anche il valore del volume corrente, del volume minuto e delle perdite. Le perdite sono calcolate come differenza tra volume corrente inspiratorio ed espiratorio.

In fase espiratoria entrambi i fili vengono investiti dal flusso proveniente dal neonato, raffreddandosi entrambi (vedi figura in basso), consentendo il riconoscimento del momento dell’espirazione. Possono, anche sussistere in fase di costruzione, sensori a due fili riscaldati posti in serie senza la schermatura di uno di essi e la direzione del flusso si determina, in questo caso, individuando quale filo si raffredda per primo.

**In Fig. 3 il sensore di flusso e il ventilatore neonatale Babylog VN 500 – Dräger**

A seconda del verso della corrente di gas i due fili vengono raffreddati in modo asimmetrico e dunque nel corso dell’inspirazione il flusso di gas che investe il filo a ridosso dello schermo (2 filo colorato in rosso) è minore di quello che non è schermato. Viceversa in fase di espirazione, entrambi i fili vengono raffreddati in egual misura (colorati entrambi in azzurro). La differenza di raffreddamento serve soltanto ad individuare la direzione del flusso. I due fili sono riscaldati e mantenuti a temperatura costante di circa 400°C. Per questi motivi il sensore di flusso a doppio filo caldo garantisce un range di misura più ampio ed una maggiore sensibilità per flussi ridotti, per cui viene particolarmente utilizzato in neonatologia e TIN.

Considerazione conclusiva

Per ottenere una ottimale sincronizzazione e quindi una appropriata ventilazione assistita, si è ben compreso, che non è sufficiente avere a disposizione la sola tecnologia, seppur sofisticata, applicata alla clinica ma è fondamentare il connubio tra questa e l’azione del sanitario formato e preparato nella gestione dei vari aspetti specifici riguardanti non solo la ventilazione ma anche altri come quello del corretto controllo del sistema di sincronizzazione, evitando, così, conseguenze che potrebbero compromettere la funzione polmonare del neonato e peggiorare la sua patologia e a tal proposito si consideri il risvolto negativo legato all’autotriggerazione.

Riferimenti

Branca, F. P. (2000) Fondamenti di ingegneria clinica Vol.1., editore Springer.
Eichenwald, E.C., Hansen, A. R., Martin, C.R. & Stark, A. R. (2017) Manuale di Neonatologia Cloherty e Stark’s 8 ª edizione, Antonio Delfino Editore.
Moretti, C. (2002) Disturbi respiratori del neonato – Dalla patogenesi alla terapia Masson Editore.

Ringraziamenti

Con affetto e stima siamo grati al Dr. Marco Streppone e Dr. Nicola Gridi (Draeger Italia) per il loro supporto tecnico per quanto riguarda i principi di funzionamento del sensore di flusso neonatale.