L’insufficienza respiratoria acuta

Paolo Tarsia Dipartimento Fisiopatologia Medico Chirurgica e dei Trapianti Università degli Studi di Milano U.O. Broncopneumologia

Funzioni del sistema respiratorio

• •

O 2

–

aria



sangue

–

sangue



cellula CO 2

–

cellula



sangue

–

sangue



aria

•

Regolazione equilibrio acido-base (regolazione del pH)

Componenti del sistema respiratorio

Insufficienza respiratoria

Lung failure Pump failure (anomalia scambi gassosi) (ipoventilazione alveolare) Polmonite Versamento pleurico Interstiziopatia Edema polmonare Embolia polmonare Pneumotorace



O 2 Tempo Difetto Centrale Sedativi



O 2



CO 2 Difetto meccanico Neuromuscolari Cifoscoliosi Fatica BPCO

Modificazioni O 2 e CO 2 in funzione dell’età

PaO

2 (mmHg) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 10 20 30 40 50 Età (anni) 60 70 110 100 90 80 70 60 50 40 30 80 PaCO (mmHg) Caduta 4,13 mmHg ogni 10 anni 2 PaO 2 = 143.6 – (0,39 x età) – (0,56 x BMI) – (0,57 x PaCO 2 ) PaO 2



104 – (0,3 x età)

Insufficienza respiratoria ipossiemica PaO 2 48 mm Hg Aria ambiente

?

PaO 2 60 mmHg Ossigeno 40%

Rapporto PaO

2

/FiO

2

(P/F)

•

Correla la PaO 2 misurata all’EGA con la FiO 2 effettivamente erogata Indicatore rapido, efficace, consolidato degli scambi intrapolmonari dei gas Normale:

–

PaO 2 = 100 mmHg

–

FiO 2 = 0.21 (aria ambiente)

–

PaO 2 /FiO 2 = 100/0.21 = 476 (>400) PaO 2 /FiO 2 > 400 300-400 < 300 < 200 Scambi gassosi Normali Lieve alterazione Moderata alterazione (ALI) Grave alterazione (ARDS)

Insufficienza respiratoria ipossiemica PaO 2 48 mm Hg Aria ambiente PaO 2 /FiO 2 = 48/0,21 = 230 PaO 2 60 mmHg Ossigeno 40% PaO 2 /FiO 2 = 60/0,4 = 150

Differenza alveolo-arteriosa O

2 ∆(A-a) O 2 = P A O 2 – PaO 2 = [(760-47) x FiO 2 ] – (PaCO 2 /0,8) – PaO 2 = 713 x FiO 2 - PaCO 2 /0.8 – PaO 2 = 713 x 0,21 – 40/0,8 – 90 = 10



età/4



4

PAO 2

110 100 90 80 70 60 50 40

PaO 2 PaCO 2

100 90 80 70 60 50 40 30

Età

10 20 30 40 50 60 70

Contenuto arterioso di O

2 CaO 2 = Hb x 1.36 x SO 2 + 0.0031 x PO 2 O 2 legato a Hb CaO 2 = 14 x 1,36 x 0,98 + 0,0031 x 105 CaO 2 = 18,7 + 0,33 CaO 2 ≈ 20 mL/dL O 2 disciolto nel sangue CaO 2 = mlO 2 /dl Hb = g/dl 1.34 mlO 2 /g Hb 0.003 mlO 2 /mmHg/dl

Meccanismi di ipossiemia

RIDUZIONE F I O 2 (es. intossicazione da fumo) ALTERAZIONE V/Q (es. TEP, interstiziopatie, EPA, ARDS, BPCO) SHUNT (es. consolidamento, MAV, difetti intracardiaci) IPOVENTILAZIONE (BPCO, mal. neuromuscolari) ALTERAZIONE DIFFUSIONE (interstiziopatie, EPA, polmonite)

Alterazioni rapporto ventilazione/perfusione

• • •

La pO 2 e la pCO 2 in ogni unità polmonare sono determinate dal rapporto V/Q Anche il polmone sano presenta un certo grado di alterazione

V

/Q (differenze regionali) E’ la più comune causa di ipossiemia ma contribuisce anche all’ipercapnia

Alterazioni Ventilazione/Perfusione (

V

/Q) EPA Asma Polmonite BPCO . . . . V/Q normale V/Q ridotto

Alterazioni Ventilazione/Perfusione (

V

/Q)

Enfisema TEP . . . . V/Q normale V/Q aumentato

Shunt intrapolmonare

EPA Atelettasia Polmonite Shunt

Risposta alterazione V/Q e shunt alla somministrazione di ossigeno 700 600 500 400 300 Alterazione rapporto V/Q 200 Normale 100 Lieve Moderata Severa 20 40 60 80 100 Frazione inspiratoria O 2 200 180 160 140 120 100 80 60 Shunt 10% 20% 30% 40% 40 50% 20 40 60 80 100 Frazione inspiratoria O 2

Shunt intrapolmonare

EPA Atelettasia Polmonite Shunt

Unità alveolo capillare ideale

P V O 2 45 mmHg P V CO 2 52 mmHg Arteria Polmonare P A O 2 120 mmHg P A CO 2 38 mmHg P a O 2 120 mmHg P a CO 2 38 mmHg Vena Polmonare

Commistione venosa CO

2 P vp O 2 45 mmHg P vp CO 2 52 mmHg

Commistione venosa CO

2 P vp P a O 120 mmHg 2 6 kPa P vp P a CO 38 mmHg 2 7 kPa P vp CO 2 38 mmHg P vp CO 2 45 mmHg P vp O 2 45 mmHg P vp CO 2 52 mmHg P vp CO 2 52 mmHg Vena Polmonare PCO 2

Commistione venosa CO

2 P vp O 2 120 mmHg P vp CO 2 38 mmHg P vp CO 2 23 mmHg P vp O 2 45 mmHg P vp CO 2 52 mmHg P vp CO 2 45 mmHg P vp CO 2 52 mmHg Vena Polmonare

Commistione venosa O

2 S vp O 2 100% S vp O 2 88% Pv p O 2 57 mmHg P vp O 2 45 mmHg P vp CO 2 52 mmHg S vp O 2 75% 0 38 75 113 150 (mmHg)

Commistione venosa O

2 P pv P pv O 2 16 kPa P pv P pv CO 2 5 kPa S pv O 2 100% P pv O 2 45 mmHg P pv CO 2 53 mmHg S pv O 2 94% S pv O 2 75% Vena Polmonare Vascostrizione ipossica

Diffusione alveolo-capillare

50-100 m 2 100-40 mmHg Diffusione = Superficie x D x (P1 – P2) Spessore 0,5 μm D = solubilità



peso mol

Diffusione Tempo (sec) Adattato da - John B. West. Respiratory physiology: the essentials

Diffusione Tempo (sec) Adattato da - John B. West. Respiratory physiology: the essentials

Limitazione Diffusione Limitazione Diffusione Tempo (sec) Adattato da - John B. West. Respiratory physiology: the essentials

Alterazione Diffusione

Diffusione = Superficie x D x (P1 – P2) Spessore Limitazione Diffusione Adattato da - John B. West. Respiratory physiology: the essentials

Quando diventa pericolosa l’ipossia?

•

Per PaO 2 < 45 mmHg o SaO 2 < 64% difficoltà mentali, perdita di memoria Boycott e Haldane J Physiol 1908

•

Perdita di coscienza per PaO 2 30 mmHg o SaO 2 < 56% Hoffman et al Am J Physiol 1946;145:685-92

•

(Pazienti BPCO possono tollerare PaO 2 sino a 22 mmHg Hutchinson et al BMJ 1964;2:1159-66 )

•

Valori < 30 mmHg per 4-6 minuti: aritmie, danni irreversibili organi nobili, arresto cardiorespiratorio

•

50 mmHg impediscono morte da ipossia Obiettivo : livello minimo PaO 2 da garantire con l’ossigeno terapia

•

Prevenzione danno tissutale (cuore, cervello) mantenere > 60 mmHg Murphy R. Emerg Med J 2001;18(5):333-9, Cottrell JJ, et al. Aviat Space Environ Med 1995; 66:126-30, Hoffman C, et al. Am J Physiol 1946;145:685-692

Primi usi dell’O

2

terapia…

Dr. George Holtzapple Ospedale di York in Pennsylvania 1885

• •

Ragazzo di 16 anni Febbre 40°C, brividi, tosse, cianosi, FR 80/min

•

Miscela clorato di potassio + ossido di manganese versati in un secchio d’acqua sopra il quale il paziente inalava

• •

In pochi minuti riduzione della cianosi e della frequenza respiratoria Il paziente è morto…..

a 91 anni !!

"New York Medical Journal“ Sept. 3, 1887

Erogazione ossigeno terapia

Erogazione ossigeno terapia

Principali presidi per erogazione O 2 terapia Cannule nasali FiO 2 = 20% + (4 x flusso di ossigeno in litri) 1 L/min



FiO 2 24% 2 L/min



FiO 2 28% Vmin paziente: Vt 250 mL x 34 atti = 8,5 L/min Vt 700 mL x 34 atti = 23,8 L/min Maschera Venturi FiO 2 24-50% (flussi 2-12 L/min) Maschera con réservoir FiO 2 60-100% (flussi 6->15 L/min) 8-10 L/min



FiO 2 60-70% 10-12 L/min



FiO 2 70-80% > 15 L/min - FiO 2



100%

Potenziali danni da esposizione ad elevate concentrazioni di ossigeno

• • • • • • • • • •

Atelettasie da riassorbimento (già da FIO 2 30-50%) Shunt intrapolmonari Ipossiemia post-operatoria Rischio acidosi respiratoria nella BPCO Vasocostrizione coronaria Aumento Resistenze Vascolari Sistemiche Ridotto Indice Cardiaco Possibile danno da riperfusione post IMA Peggiora performance sistolica miocardica Associato ad aumentata mortalità in pazienti ictus lieve moderato non ipossici Harten JM et al J Cardiothoracic Vasc Anaesth 2005; 19: 173-5, Kaneda T et al. Jpn Circ J 2001; 213-8, Frobert O et al. Cardiovasc Ultrasound 2004; 2: 22, Haque WA et al. J Am Coll Cardiol 1996; 2: 353-7, Thomaon aj et al. BMJ 2002; 1406-7, Ronning OM et al. Stroke 1999; 30

Obiettivi O 2 terapia nell’insufficienza respiratoria acuta ipossiemica

•

Erogazione ossigeno per ottenere saturazione target:

SpO

2

94-98%

Ripristino di valori nel range della normale fisiologia senza indurre potenziale tossicità da ossigeno British Thoracic Society guideline for emergency oxygen use in adult patients. Thorax 2008;63(vi1-vi63)

Contenuto arterioso di O

2 CaO 2 = Hb x 1.36 x SO 2 + 0.0031 x PO 2 O 2 legato a Hb CaO 2 = 14 x 1,36 x 0,98 + 0,0031 x 105 CaO 2 = 18,7 + 0,33 CaO 2 ≈ 20 mL/dL O 2 disciolto nel sangue CaO 2 = mLO 2 /dL Hb = g/dL 1.34 mLO 2 /g Hb 0.003 mLO 2 /mmHg/dL

Distribuzione tissutale di ossigeno

DO

2

= CaO

2

x CO

Hb x SaO 2 + PaO 2 x 0.0031

GS x FC Polmone Sangue Pre-Carico & Inotropismo Cuore

Gas alveolari a livello del mare e in quota West JB Ann Intern Med 2004;141:789-800

0 1500 2500 3000 3600 4600 5500 6100 7300 8848 Gas alveolari a livello del mare e in quota Metri Press. atm PiO 2 PaO 2 PaCO 2 SaO 2 % 760 630 564 523 483 412 379 349 149 122 108 100 91 76 69 63 94 66 60 53 52 44 40 38 41 39 37 36 35 32 29 21 280 253 52 43 34 28 16 7.5

Grocott MPW et al. NEJM 2009:360:140-9 60 70 97 92 89 85 83 75 71 65

Cosa succede a 9,000 metri – dipende PO 2 atmosferica 46 mmHg (< 1/3 PO 2 livello del mare) PaO 2 ~ 28 mmHg Saturazione arteriosa ossigeno ~70% IMPROVVISA Passeggeri perdono conoscenza in < 60 secondi in caso di depressurizzazione ACCLIMATAMENTO Everest è stato scalato senza ossigeno

Gas alveolari in cima all’Everest P. atm PiO 2 253 43 PaO 2 28 PaCO 2 7.5

HCO 3 10 pH 7,7 SaO 2 % Hb 70 FR TV 18,4 86 1,26 “ Respirare diventa una tale fatica che si ha a malappena la forza di proseguire” “Non sono altro che un singolo angusto polmone boccheggiante, che galleggia tra le nebbie e le cime” Reinhold Messner “Ti senti come se fossi un unico polmone gigante, e respirare è l’unica cosa da fare per stare in vita“ Mike Groom West JB. High Alt Med Biol 2010;11:103-10, Leissner KB et al. J Anest 2009;23:543-53

Contenuto arterioso di O

2 CaO 2 = Hb x 1.36 x SO 2 + 0.0031 x PO 2 O 2 legato a Hb CaO 2 = 14 x 1,36 x 0,98 + 0,0031 x 105 CaO 2 = 18,7 + 0,33 CaO 2 ≈ 20 mL/dL CaO 2 = 18,4 x 1,36 x 0,70 + 0,0031 x 28 CaO 2 = 17,52 + 0,0868 CaO 2 ≈ 17,6 mL/dL O 2 disciolto nel sangue CaO 2 = mlO 2 /dl Hb = g/dl 1.34 mlO 2 /g Hb 0.003 mlO 2 /mmHg/dl

Curva di dissociazione dell’emoglobina P. atm PiO 2 253 43 PaO 2 28 PaCO 2 7.5

HCO 3 10 pH 7,7 SaO 2 % Hb 70 FR TV 18,4 86 1,26 ↑affinità O 2 ↑ pH ↓CO 2 ↓Temp ↓affinità O 2 ↓ pH ↑CO 2 ↑Temp

Contenuto arteriosi di ossigeno in alta quota CaO 2 = Hb x 1.36 x SO 2 + 0.0031 x PO 2 CaO 2 ≈ 20 mL/dL Altitudine (m) 75 5300 6400 7100 8400 CaO 2 (mL/dL) 20 21,5 23,0 19,0 14,0 Grocott MP. N Engl J Med 2009; 360:140–149

“Everest” in utero

PaO 2 , mmHg SaO 2 ,% PaCO 2 ,mmHg pH Hb, g/dL CaO 2 , mL/dL Feto 19-27 Everest 28 Adulto sano 100 65% 40-49 70% 7,5 98 35-45 7,25-35 16,6 15 7,7 18,4 7,35-7,45 15 14 20 Martin DS, et al. Crit Care 2010;14:315

Distribuzione tissutale di ossigeno

DO

2

= CaO

2

x CO

Hb x SaO 2 + PaO 2 x 0.0031

GS x FC Polmone Sangue Pre-Carico & Inotropismo Cuore

Variazioni cardiovascolari in corso di ipossia

DO

2

= CaO

2

x CO

150 125 100 75 50 25 0 Gittata cardiaca FiO 2 21% FiO 2 12,5% Frequenza cardiaca Gittata sistolica PaO 2 Distribuzione tissutale O 2 Naeije R, et al. Chest 1982;82:404-410

DO

2

: effetti variazioni PaO

2

, Hb, CO

1000 Yuh-Chin T. CHEST 2005; 128:554S–560S

DO

2

= CaO

2

x CO

CO 800 600 Hb FiO 2 400 FiO 2 200 FiO 2 PaO 2 SaO 2 Hb CO 0,21 98 96 13 5,3 0,21 45 75 7 4 +22% 0,35 68 92 7 4 +9% 0,60 124 98 7 4 +48% 0,60 124 98 10,5 4 +50% 0,60 124 98 10,5 6

Insufficienza respiratoria

Lung failure Pump failure (anomalia scambi gassosi) (ipoventilazione alveolare) Difetto Centrale Sedativi Polmonite Versamento pleurico Interstiziopatia Edema polmonare Embolia polmonare Pneumotorace



O 2



O 2



CO 2 Difetto meccanico Neuromuscolari Cifoscoliosi Fatica BPCO

Ipoventilazione alveolare

•

Ventilazione minuto Volume corrente x frequenza respiratoria 500 mL x 15 rpm = 7500 mL/min

•

Ventilazione alveolare (V t – spazio morto anatomico) x FR (500 – 150) x 15 = 5250 mL/min

CO 2

“output CO

2

”

CO 2 CO 2

V’ E

O 2

V’ A V’CO 2

Efficacia scambi gassosi polmonari (V D /V T ) Trasporto CO 2 + Riserve CO 2

Q’CO 2

Attività tissutale + Tamponi

Ipoventilazione alveolare

• •

Il Volume di gas fresco che arriva agli alveoli nell’unità di tempo (Ventilazione alveolare – Va) è diminuito Provoca sempre un aumento della pCO 2 PaCO 2 = VCO 2 x k Va VCO 2 = quantità di CO 2 Prodotta dall’organismo Va = Ventilazione alveolare = (Vt – Vd) x FR Va e pCO 2 sono inversamente proporzionali

05/2001 - Pz 68 aa M, forte fumatore, obeso, dislipidemico, iperteso

• • • • • • •

Ricovero per precordialgia, dispnea e alterazioni ECG ischemia/SVS (no mov. enzimi), Rx torace negativo x focolai Ore 22 Peggioramento dispnea Iniziato O 2 occhialini bassi flussi Ore 6 Persistenza dispnea



alzato flusso O 2 Ore 9 Permane dispnea, broncostenotico



O 2 reservoir 8 L/min, aminofillina 1 fl ev, idrocortisone 500 mg ev Ore 11 Ancora dispnea



O 2 reservoir 15 L/min Ore 13 Paziente dispnoico e rallentato

•

EGA in FiO 2 ~100%: pH 6,9, PaCO 2 167, PaO 2 136, HCO 3 44, SaO 2 90% Pressochè impossibile riscontrare pH < 7,15 e PaCO 2 > 110 in assenza di iperossigenazione McNichol e Campbell Lancet 1965;i:336-8

Meccanismi ritenzione CO

2

nel BPCO in O

2

terapia

•

Ridotto drive ipossico

•

Spiazza CO 2 legato a Hb

•

Peggioramento rapporto ventilazione/perfusione

Perchè una SaO 2 del 100 % è peggio di una SaO 2 del 100 % ???!!!

PaO 2 PaCO 2 pH SaO 2

FiO

2

40 %

150 mmHg 53 mmHg 7.30

100 %

FiO

2

85 %

410 mmHg 75 mmHg 7.15

100 %

Unità basso rapporto V/Q nella BPCO P V O 2 45 mmHg P V CO 2 53 mmHg Arteria Polmonare P A O 2 60 mmHg P A CO 2 68 mmHg P a O 2 60 mmHg P a CO 2 68 mmHg Vena Polmonare

Unità basso rapporto V/Q nella BPCO + O 2 P V O 2 45 mmHg P V CO 2 53 mmHg Arteria Polmonare P A O 2 60 mmHg P A CO 2 68 mmHg P a O 2 60 mmHg P a CO 2 68 mmHg Vena Polmonare

Unità basso rapporto V/Q nella BPCO + O 2 P V O 2 45 mmHg P V CO 2 53 mmHg Arteria Polmonare P A O 2 263 mmHg P A CO 2 68 mmHg P a O 2 263 mmHg P a CO 2 68 mmHg Vena Polmonare

Unità basso rapporto V/Q nella BPCO + O 2 P V O 2 45 mmHg P V CO 2 53 mmHg Arteria Polmonare P A O 2 263 mmHg P A CO 2 68 mmHg P a O 2 225 mmHg P a CO 2 68 mmHg Vena Polmonare

Commistione venosa CO

2 P pv O 2 2 120 mmHg P pv CO 2 2 38 mmHg P pv CO 2 38 mmHg P pv CO mmHg 2 2 45 P pv O 2 60 mmHg P pv CO 2 68 mmHg P pv CO 2 2 68 mmHg Vena Polmonare

Aumento FiO 2 aumenta mismatch V/Q FiO 2 2 60 % FiO 2 2 35 % FiO 2 2 21 % 68 mmHg 53 mmHg 38 mmHg Vasocostrizione ipossica P A A CO 2 2 Rapporto V/Q

Meccanismi ritenzione CO

2

e somministrazione O

2 HbCO 2 + O 2 HbO 2 + CO 2

 

O 2



Vasocostrizione polmonare ipossica alveoli con basso rapporto V/Q Drive ipossico



CO 2



Perfusione alveoli con basso rapporto V/Q



Perfusione alveoli con elevato rapporto V/Q Joosten SA et al. Med J Aust 2007;186:235-8

PaCO

2

-ventilazione alveolare

PCO 2 VA Hughes JMB. Eur Respir Mon 2005;31:106-26; Aubier M et al. Am Rev Resp Dis 1980; 122: 747–754

•

Indicazioni O 2 terapia nella BPCO riacutizzata Come principio generale, la prevenzione dell’ipossia tissutale sovrasta il timore di ritenzione di CO 2

• • • •

Obiettivo: mantenere livelli di ossigenazione adeguati senza precipitare l’ipercapnia e l’acidosi respiratoria Target SaO 2 88-92% Somministrare FiO 2 28-31% (Venturi = occhialini) Agustì et al. Eur Respir J 1999) Aumentare FiO 2 se saturazione cade < 88%

•

Ridurre FiO 2 se saturazione > 93-94% o il paziente diventa soporoso

•

FiO 2 < 40-50% sufficienti nella maggior parte riacutizzazioni, se fabbisogno maggiore sospettare polmonite, TEP, atelettasia Adattata da ERS/ATS position paper. Eur Respir J 2004; 23: 932–946; NICE guideline COPD. Thorax 2004;59(Suppl I):1-232; BTS guideline emergency O 2 . Thorax 2008;63(vi1-vi63)

Effetto Bohr

↓affinità O 2 ↓ pH ↑CO 2 ↑Temp

Effetto Bohr

Effetto Bohr

Ossigenoterapia controllata e BPCOr

405 pazienti con sospetta BPCO riacutizzata (214 pz accertati) Randomizzati a O 2 terapia controllata (target SpO 2 88-92%) versus O 2 terapia libera Austin MA. BMJ 2010;341: c5462.doi:10.1136/bmj.c5462

Carta di avviso BPCO: Informazioni per il personale di Emergenza Medica Nome

_________________________________

Sono affetto da BPCO ed ho avuto precedenti episodi di insufficienza respiratoria con aumento dei valori di CO emogasanalitica) è la seguente: 2 all’emogasanalisi. I risultati dell’emogasanalisi nel corso delle precedenti riacutizzazioni indicano che l’ossigenoterapia ottimale per il mio caso (in attesa di rivalutazione

Saturazione ottimale di ossigeno ____% Non superare ___% Questi valori sono stati ottenuti mediante ossigeno al ______%, idealmente mediante maschera Venturi

Ossigeno terapia a titolazione automatizzata Lellouche F, et al. Can Respir J 2013;20(4):259-61, Cirio S, Nava S. Respir Care 2011;56:429-34