Ocena przydatności badania mechaniki oddychania u noworodków

Transkrypt

1 Perinatologia, Neonatologia i Ginekologia, tom 1, zeszyt 4, , 2008 Ocena przydatności badania mechaniki oddychania u noworodków MALWINA KUŹNIAK, MARTA SZYMANKIEWICZ Streszczenie Mechanika oddychania odzwierciedla fizyczne właściwości układu oddechowego. Parametry mechaniki oddychania odzwierciedlają dynamiczne relacje między ciśnieniami, objętościami i przepływem gazów w płucach. Wyjaśniają one proces oddychania i wymiany gazowej zarówno w zdrowych, jak i zmienionych patologicznie płucach. Poniższy artykuł prezentuje argumenty przemawiające za przydatnością wykonywania pomiarów mechaniki oddychania ze względu na ich wartość kliniczną i naukową. Mierzenie mechaniki oddychania dostarcza danych umożliwiających dostosowanie parametrów wentylacji mechanicznej w taki sposób, aby uniknąć ciśnieniowego uszkodzenia płuc, a także wystąpienia niedodmy. Na ich podstawie możliwe jest również opracowywanie wytycznych dotyczących zakończenia sztucznej wentylacji oraz ECMO. Istnieje możliwość zmodyfikowania sposobu leczenia w zależności od rodzaju procesu patologicznego w płucach, ponieważ mechanika oddychania odzwierciedla efekty terapeutyczne środków farmakologicznych. Umożliwia ponadto przewidywanie wystąpienia, ciężkości oraz dynamiki przebiegu choroby płuc. Pomiar parametrów mechaniki oddychania dostarcza danych pozwalających na prognozowanie co do funkcji układu oddechowego w przyszłości, zachorowalności i śmiertelności w zależności od stopnia strukturalnego i czynnościowego uszkodzenia płuc. Należy kontynuować i udoskonalać badanie mechaniki oddychania u noworodków, ponieważ w tej grupie wiekowej istnieją liczne ograniczenia związane z koniecznością użycia odpowiednio przystosowanego sprzętu, trudnościami interpretacyjnymi wyników pomiarów, a także brakiem możliwości wykonywania tych badań na dużych populacjach zdrowych noworodków. Słowa kluczowe: noworodek, mechanika oddychania, podatność, opór, czynnościowa pojemność zalegająca (FRC) Mechanika oddychania odzwierciedla fizyczne właściwości płuc. Opisuje ona dynamiczne relacje między ciśnieniami, przepływem gazów oraz objętościami w płucach. Wyjaśnia proces oddychania zarówno w zdrowych, jak i chorych płucach. Pojedynczy cykl oddechowy składa się z fazy wdechu i wydechu. Do fizjologicznego wdechu dochodzi na skutek aktywacji mięśni wdechowych, przede wszystkim przepony oraz mięśni międzyżebrowych zewnętrznych. W stanach patologicznych płuca mogą zostać wypełnione mieszaniną oddechową albo wskutek zwiększenia ciśnienia pęcherzykowego (respirator z dodatnim ciśnieniem), albo obniżenia ciśnienia na powierzchni ciała (tzw. żelazne płuca). Wydech jest zazwyczaj procesem biernym, jednakże w stanach chorobowych może powodować zaangażowanie mięśni wydechowych (mięśnie brzucha, mięśnie międzyżebrowe wewnętrzne). U noworodków występuje szereg odrębności strukturalnych i czynnościowych, które zmieniają mechanikę oddychania w tym wieku rozwojowym w porównaniu z populacją dzieci starszych lub osób dorosłych. Należą do nich: cylindryczny kształt klatki piersiowej z bardziej poziomym ustawieniem żeber, duża ilość elementów chrzęstnych i tym samym niestabilność (duża podatność) klatki piersiowej, a u noworodków przedwcześnie urodzonych dodatkowo mała ilość włókien typu I ( długodystansowych ) w przeponie oraz wysokie napięcie powierzchniowe będące efektem niedoboru surfaktantu. Zagadnieniem podlegającym analizie w niniejszej pracy jest przydatność mierzenia parametrów mechaniki oddychania u noworodków. Przytoczone poniżej badania przekonują zarówno o wartości klinicznej i praktycznej takich pomiarów, jak i ich użyteczności z naukowego punktu widzenia. Parametry mechaniki oddychania Podstawowe wartości opisujące mechanikę oddychania to: ciśnienie, objętość, przepływ, podatność płuc i opór w drogach oddechowych, stała czasu oraz praca oddechowa. Ciśnienie (P) określane jest jako siła działająca na jednostkę powierzchni, skierowana prostopadle do tej powierzchni. Przepływ gazów do i z układu oddechowego powodowany jest przez różnicę pomiędzy ciśnieniem pęcherzykowym i w drogach oddechowych a ciśnieniem atmosferycznym. Przy spontanicznym oddychaniu ciśnienie wytwarzane jest przez mięśnie oddechowe (podczas wdechu) oraz przez tendencję rozciągniętych tkanek do powrotu do pozycji spoczynkowej (podczas wydechu), natomiast podczas wentylacji mechanicznej ciśnienie wytwarzane jest przez aparaturę. Podczas wdechu ciśnienie przezpłucne (równe różnicy ciśnień pęcherzykowego i atmosferycznego) musi przewyższyć siły sprężystości oraz opór dróg oddechowych. Charakter mieszaniny oddechowej opisują dwie wielkości: objętość i pojemność. Objętość (V) zależy od ciśnienia i temperatury mieszaniny oddechowej. W mechanice oddychania wyróżnia się cztery rodzaje objętości: objętość oddechowa (TV tidal volume), wdechowa objętość zapasowa Katedra i Klinika Neonatologii Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu

2 246 K. Kuźmiak, M. Szymankiewicz (IRV inspiratory residual volume), wydechowa objętość zapasowa (ERV expiratory residual volume), objętość zalegająca (RV residual volume). Na pojemność składają się 2 lub więcej objętości płucne. Wyróżnia się następujące pojemności: całkowita pojemność płuc (TLC total lung capacity), pojemność życiowa (VC vital capacity), czynnościowa pojemność zalegająca (FRC functional residual capacity), pojemność wdechowa (IC inspiratory capacity). Dodatkowo u noworodków wyróżnia się pojemność życiową podczas płaczu (CVC crying vital capacity). Jej ocena jest szczególnie przydatna w przypadku zaburzeń przebiegających z obniżeniem FRC (np. zespół zaburzeń oddychania) [1]. Przepływ (F) określa zmianę objętości mieszaniny oddechowej w czasie. Podczas spokojnego, spontanicznego oddychania przepływ jest laminarny. Natomiast wysoki przepływ czy też przepływ gazów przez rurkę intubacyjną o małej średnicy jest przepływem turbulentnym. Pomiar przepływu polega na mierzeniu zmiany ciśnienia wzdłuż wykalibrowanego oporu. Opisane powyżej trzy wielkości fizyczne stanowią elementy składowe podstawowych pojęć mechaniki oddychania, tj. podatności układu oddechowego i oporu w drogach oddechowych. Podatność (C) definiowana jest jako zmiana objętości wywołana zmianą ciśnienia. Opisuje właściwości elastyczne płuc, czyli wartości ciśnienia niezbędne do zwiększenia objętości układu oddechowego. Jest wykładnikiem liczby otwartych pęcherzyków płucnych. Składają się na nią: podatność płuc, podatność klatki piersiowej, a u pacjentów sztucznie wentylowanych dodatkowo podatność rurki intubacyjnej oraz rur respiratora. Wyróżnia się podatność statyczną i podatność dynamiczną. Na podatność dynamiczną (Cdyn) w znacznym stopniu wpływają parametry sztucznej wentylacji (ciśnienie szczytowo-wdechowe, dodatnie ciśnienie wydechowe, częstość oddechów) oraz objętość oddechowa, a jej wartość jest z reguły niższa od podatności statycznej. Podatność statyczna (Cstat) natomiast zależy od ilości czynnej tkanki płucnej. U noworodka wynosi ok. 1 ml/cm H 2 O. Opór w drogach oddechowych (Raw) obrazuje zmianę ciśnienia niezbędną do wywołania przepływu o wartości 1 l/s. Spowodowany jest działaniem sił tarcia występujących między poruszającymi się cząsteczkami gazów oraz między przepływającym strumieniem gazów a ścianami dróg oddechowych. Za około 70% oporu podczas spontanicznego oddychania odpowiedzialne są górne drogi oddechowe, przede wszystkim nos, jama ustna, gardło i krtań. Dystalne odcinki drzewa oskrzelowego stanowią jedynie 10% całkowitego oporu w drogach oddechowych. Stała czasu (Tc) wyraża stosunek podatności do oporności układu oddechowego i opisuje czas, w jakim płuca wypełniają się mieszaniną oddechową lub z niej opróżniają. Czas potrzebny do opróżnienia płuc z 68% zawartego w nich powietrza odpowiada jednej stałej czasu, natomiast trzy stałe czasu niezbędne są dla opróżnienia płuc z 95% objętości oddechowej. Obliczając stałą czasu u pacjenta sztucznie wentylowanego należy uwzględnić również stałą czasu dla rurki intubacyjnej i dla respiratora. Praca oddechowa (WOB) opisuje ilość pracy wykonanej przeciwko siłom elastycznym i oporowym płuc oraz klatki piersiowej. Odzwierciedla ona energię niezbędną do wywołania przepływu gazów wdłuż kierunku działania danej siły. Podczas spontanicznego oddychania 60-70% pracy oddechowej zużywane jest do pokonania sił statyczno-elastycznych płuc i klatki piersiowej, natomiast pozostałe 30-40% służy do pokonania oporu związanego z obecnością sił tarcia. Metody mierzenia mechaniki oddychania Badanie mechaniki oddychania u noworodków napotyka pewne ograniczenia, z których najbardziej oczywistym jest brak współpracy ze strony pacjenta, a ponadto trudności interpretacyjne wyników pomiarów ze względu na możliwość zadziałania licznych czynników zakłócających ich wiarygodność [1]. Podstawowym urządzeniem służącym do pomiaru mechaniki oddychania jest pneumotachometr. Za jego pomocą można dokonywać pomiarów zarówno u noworodków sztucznie wentylowanych, jak i oddychających spontanicznie. Pneumotachometr za pomocą czujnika przepływu mierzy różnicę ciśnień, potrzebną do wywołania przepływu przez jego światło oraz oblicza objętość przepływu z wartości przepływu przypadającej na jednostkę czasu. Wykorzystywane są również czujniki anemometryczne, w których przepływ obliczany jest na podstawie stopnia ochłodzenia się przepływającego gazu, podgrzanego uprzednio do wysokiej temperatury [1]. Kolejną metodą pomiaru mechaniki oddychania jest pletyzmografia. Mierzy ona zmianę objętości gazów, wywołaną przez zmiany ciśnienia i temperatury spowodowane ruchami oddechowymi noworodka [1]. Techniki wypłukiwania gazów (helu lub tlenku azotu) służą do mierzenia czynnościowej pojemności zalegającej. Polegają one na ocenie obniżenia pierwotnie znanego stężenia gazu krążącego w zamkniętym układzie podczas oddychania mieszaniną helu i powietrza (metoda wypłukiwania helu) lub czystym tlenem (metoda wypłukiwania azotu) do momentu całkowitego wyeliminowania badanego gazu z pęcherzyków płucnych. Przepływ, ciśnienie i objętość dla pojedynczego oddechu mogą być obliczone w momencie zrównania się ciś-

3 Ocena przydatności badania mechaniki oddychania u noworodków 247 nienia w górnych drogach oddechowych z ciśnieniem pęcherzykowym. Efekt taki można wywołać powodując okluzję na szczycie wdechu w technice jedno- lub wielokrotnej okluzji. Wartość kliniczna badania mechaniki oddychania u noworodków Podatność płuc jest jednym z najczęściej mierzonych parametrów. Jej zmiany, podobnie jak zmiany innych parametrów mechaniki oddychania, odzwierciedlają zarówno fizjologiczne, jak i patologiczne procesy mające miejsce w układzie oddechowym. W praktyce klinicznej ocena funkcji układu oddechowego podczas wentylacji mechanicznej jest sprawą o bardzo istotnym znaczeniu [2]. Nikischin [3] analizując stosunek ciśnienie/objętość (P/V) za pomocą metody APVNL (analiza stosunku ciśnienieobjętość pod warunkiem nieliniowości analysis of pressurevolume relationships under condition of nonlinearity) u 22 przedwcześnie urodzonych noworodków stwierdził, że ocena podatności płuc może być przydatna do wykrywania nadmiernego rozdęcia płuc u mechanicznie wentylowanych dzieci, o czym można wnioskować z faktu, iż podatność maleje pod koniec wdechu. Wczesne stwierdzenie takiego zagrożenia pozwala zatem dostosować parametry respiratora w taki sposób, aby zapobiec ciśnieniowemu uszkodzeniu płuc. Jednocześnie ocena zmian podatności podczas inflacji, odzwierciedlających rekrutację pęcherzyków płucnych w czasie wdechu oraz ich zapadanie się podczas wydechu, może być wykorzystana do dostosowania wartości PEEP tak, aby zapobiec zapadaniu się pęcherzyków [4, 5]. Badania w podobnym celu przeprowadzili Fisher i współpracownicy [6]. Stwierdzili oni spłaszczenie pętli P/V pod koniec wdechu (pętla kształtu banana) w efekcie nadmiernego rozdęcia płuc, a następnie porównali kształty pętli P/V podczas ostatnich 20% wdechu (C20) oraz podczas całego wdechu. Stosunek C20/C < 0,80 świadczył o rozdęciu płuc. Wcześniejsze prace publikowane przez innych autorów donosiły, iż mierzenie podatności płuc oraz oporu układu oddechowego może być przydatne do przewidywania zachorowalności i śmiertelności po leczeniu dysplazji oskrzelowo-płucnej, a także do oceny efektów terapeutycznych leków takich jak diuretyki, bronchodilatatory oraz kortykosteroidy [7]. Leczenie farmakologiczne może wpływać na mechanikę oddychania. Istnieją badania oceniające, czy farmakologiczne porażenie mięśni, np. przy użyciu bromku pankuronium, zmienia właściwości mechaniczne układu oddechowego u noworodków. Noworodki utrzymują swoją objętość oddechową głównie przez wczesną aktywację mięśni wdechowych pod koniec wydechu oraz poprzez mechanizm zamykania głośni [8]. Intubacja dotchawicza oraz porażenie mięśni zaburzają ten proces, co prowadzi do spadku objętości oddechowej oraz wzrostu oporu układu oddechowego [9]. Wcześniejsze badania Bhutaniego [10] wykazały wzrost całkowitego oporu układu oddechowego oraz stopniowy spadek podatności dynamicznej podczas porażenia mięśni. Z kolei po ustąpieniu porażenia opór układu oddechowego ulega obniżeniu i dochodzi do istotnej poprawy mechaniki oddychania. Przyczyną takich zmian jest prawdopodobnie powrót aktywności tonicznej przepony oraz wzrost czynnościowej pojemności zalegającej (FRC). Burger [11] przeprowadził podobne badania, dotyczące podatności i oporu układu oddechowego w dwóch grupach noworodków. W grupie A pomiarów dokonywano podczas porażenia mięśni bromkiem pankuronium, a następnie po ustąpieniu jego działania. W grupie B mierzono wspomniane wartości w odwrotnej kolejności. Nie stwierdzono jednakże istotnych zmian wartości zarówno oporu, jak i dynamicznej podatności układu oddechowego, niezależnie od przynależności do jednej z badanych grup, a zatem zastosowanie farmakologicznego zwiotczenia mięśni przy użyciu bromku pankuronium nie wpływa na mechanikę oddychania. Kalenga i współpracownicy [2] zbadali grupę 17 przedwcześnie urodzonych noworodków leczonych wentylacją oscylacyjną o wysokiej częstotliwości (HFOV) z powodu zespołu zaburzeń oddychania (RDS respiratory distress syndrome). Celem pracy było określenie, czy optymalizacja początkowej objętości płuc wpływa na mechanikę oddychania w taki sposób, by możliwe było stwierdzenie osiągnięcia objętości optymalnej. Dla RDS charakterystyczne jest obniżenie FRC i podatności płuc oraz zaburzona wymiana gazowa[12]. Postępowanie polegało na stopniowym zwiększaniu ciągłego ciśnienia rozciągającego (CDP continuous distending pressure) aż do ciśnienia optymalnego (optimal CDP; OCDP), czyli zapewniającego prawidłowe utlenowanie przy minimalnej frakcji wdychanego tlenu. Określenie CDP zostało użyte w pracy jako zamiennik dla średniego ciśnienia w drogach oddechowych (MAP) dla odpowiedniego typu aparatury zapewniającej mechaniczną wentylację metodą HFOV. Jednocześnie Kalenga dokonywał pomiaru podatności i oporu układu oddechowego. W efekcie stwierdzono, iż seryjne pomiary podatności nie pozwalają określić optymalnej objętości płuc, jednakże niska początkowa wartość podatności sugeruje, że konieczne będzie zastosowanie wyższego ciśnienia rozciągającego (CDP), ponieważ jest ona wykładnikiem ciężkości choroby płuc. Istnieją również badania na temat relacji między podatnością płuc i optymalnym ich rozciągnięciem podczas wentylacji mechanicznej metodą CMV (controlled mandatory ventilation). Ich rezultaty nie są jednoznaczne, jednakże część autorów stwierdziło poprawę podatności płuc po optymalizacji ustawień PEEP (positive end-expiratory pressure; dodatnie ciśnienie końcowo-wydechowe) [13-15]. Badanie mechaniki oddychania jest użyteczne zarówno z naukowego, jak i czysto praktycznego punktu widzenia. Jako takie wyjaśnia różnorodne procesy mające

4 248 K. Kuźmiak, M. Szymankiewicz miejsce w płucach. Przykładem jest praca Bhata [17] oceniająca wpływ pozycji ciała przedwcześnie urodzonych, wymagających podaży tlenu noworodków, na utlenowanie krwi, mechanikę oddychania, objętość płuc oraz wzajemne relacje między tymi parametrami. Wcześniejsze badania [16] donosiły, że wyższy stopień utlenowania u przedwcześnie urodzonych noworodków ułożonych w pozycji na brzuchu w okresie poporodowym wynika z poprawy mechaniki oddychania, wyższych objętości płuc oraz lepszego stosunku wentylacji do perfuzji. Bhat wykazał, że u noworodków wymagających podaży tlenu saturacja hemoglobiny tlenem i czynnościowa pojemność zalegająca (FRC) były istotnie wyższe w pozycji na brzuchu w porównaniu do pozycji na plecach i istniała znacząca korelacja między tymi czynnikami. Podobny związek nie występował u dzieci nie wymagających suplementacji tlenu. Ponadto noworodki, u których podaż tlenu była konieczna, wymagały dostarczenia wyższych stężeń tlenu przy ułożeniu na plecach niż na brzuchu. Nie stwierdzono występowania istotnych statystycznie różnic między wartościami podatności oraz oporu układu oddechowego w zależności od pozycji ciała. Wyniki powyższego badania pozwoliły wysnuć wnioski, że noworodki wymagające podaży tlenu powinny być monitorowane w pozycji na plecach przed podjęciem decyzji o zakończeniu suplementacji tlenem. Rodzice dzieci wymagających podaży tlenu, u których podjęto decyzję o tlenoterapii domowej, powinni być poinformowani, że ilość dostarczanego tlenu, potrzebnego do utrzymania adekwatnej saturacji, zależy od pozycji ciała dziecka [17]. Badanie mechaniki oddychania dostarcza również informacji dotyczących przewidywania oraz rozwoju chorób układu oddechowego, a więc jest przydatne zarówno z klinicznego, jak i epidemiologicznego punktu widzenia. Istnieje zaledwie kilka prac oceniających czynność płuc poprzedzającą zachorowanie w powiązaniu z następnie występującą chorobą układu oddechowego [18-22]. Głównym ograniczeniem tego typu badań jest brak prostych, wiarygodnych i powtarzalnych testów czynnościowych, możliwych do wykonania na dużej populacji zdrowych noworodków. Obecnie używane testy w większości wymagają stosowania zaawansowanego sprzętu oraz sedacji, stąd można je wykonywać jedynie w specjalistycznych ośrodkach badawczych. Wyjątkiem jest technika pojedynczej okluzji (SOT single occlusion technique). Technika ta, nieinwazyjna, łatwa i szybka w wykonaniu, dostarcza informacji na temat podatności i oporu układu oddechowego oraz stałej czasu. Można ją stosować u noworodków i dzieci oddychających spontanicznie, zarówno podczas spokojnego snu, jak i czuwania [23]. Cechuje ją małe zróżnicowanie w odniesieniu do zbierania danych, ich selekcji i analizy zarówno między różnymi badaczami, jak i w przypadku badań powtarzanych przez tego samego obserwatora, stąd wniosek, że można ją stosować na dużej populacji zdrowych noworodków i niemowląt [24]. Dużym atutem tej techniki jest istnienie wytycznych dotyczących sprzętu, przetwarzania sygnału, gromadzenia danych, kontroli i kryteriów akceptacji wyników [25-27]. Dotychczas opublikowane prace oceniające opór dróg oddechowych oraz sprężystość płuc przedstawiają znacznie zróżnicowane wyniki. Seryjne pomiary mechaniki oddychania odzwierciedlające postęp lub cofanie się zmian chorobowych będących przyczyną jej zaburzeń, mogą potencjalnie stanowić podstawę do zakończenia wsparcia oddechowego metodą NCPAP u noworodków. Jednakże trudno jest interpretować wyniki tych pomiarów ze względu na wspomniane wcześniej ich zróżnicowanie. Można domniemywać, iż te różnice mogą być wytłumaczone czynnikami demograficznymi, a także zróżnicowaniem wzorca oddechowego, zarówno osobniczym, jak i międzyosobniczym. Pandit i współ. [28] stwierdzili, iż opór w drogach oddechowych ulega obniżeniu wraz z wiekiem, przyrostem masy ciała, częstością oddychania (RR respiratory rate) oraz objętością oddechową (VT), natomiast wzrasta jako funkcja iloczynu RR VT oraz stosunku czasu wdechu do czasu wydechu (TI/TE). Z kolei sprężystość maleje wraz z wiekiem, wzrostem masy ciała, VT oraz u płci żeńskiej, natomiast rośnie wraz ze wzrostem RR oraz TI/TE. Dane te są potencjalnie przydatne w praktyce klinicznej w interpretacji zmierzonych wartości oporu i sprężystości pod kątem podejmowania decyzji dotyczących kontynuowania bądź zakończenia wsparcia oddechowego. Z kolei znajomość wartości stałej czasu pomaga w takim ustawieniu parametrów wentylacji mechanicznej, aby nie doszło do powstania niedodmy wskutek usunięcia nadmiernej ilości powietrza z płuc bądź do powstania zjawiska pułapki powietrznej w efekcie zalegania nadmiaru powietrza. Natomiast znajomość wartości pracy oddechowej pozwala zobiektywizować decyzję o ekstubacji noworodka [1]. Argumentem wspierającym powyższą tezę jest także praca Garga [29], dowodząca, iż seryjne pomiary mechaniki oddychania dają podstawę do zakończenia leczenia metodą ECMO (extracorporeal membrane oxygenation). Dotychczas decyzję o zakończeniu krążenia pozaustrojowego podejmowano empirycznie, na podstawie klinicznej poprawy wymiany gazowej, prężności gazów we krwi tętniczej oraz obrazu radiologicznego, co z jednej strony mogło prowadzić do przedwczesnej dekaniulacji, z drugiej zaś zbędnie przedłużony czas utrzymywania bypassu mógł doprowadzić do poważnych komplikacji. Podstawą do przeprowadzenia badań przez Garga było założenie, iż poprawa wyników pomiarów mechaniki oddychania odzwierciedla polepszenie wydolności płuc, a zatem jest czynnikiem predykcyjnym udanego zakończenia leczenia ECMO. Mierzono opór płucny, podatność dynamiczną oraz objętość oddechową. Badania wykazały wysoką wartość predykcyjną podatności dynamicznej, która sukcesywnie rośnie wraz z efektywnością leczenia. Stwierdzo-

5 Ocena przydatności badania mechaniki oddychania u noworodków 249 no, że minimalna podatność dynamiczna związana z udaną dekaniulacją wynosi 0,6 ml/cm H 2 O, natomiast wartość 0,8 ml/cm H 2 O pozwala na pewniejsze przewidywanie zakończenia leczenia ECMO z sukcesem. Wystąpiła również odwrotna zależność pomiędzy wartością podatności dynamicznej w momencie dekaniulacji a czasem trwania wentylacji mechanicznej, następującej po leczeniu ECMO, tzn. dzieci mające wyższą podatność wymagały krótszego czasu wspomagania oddychania. Seryjne pomiary oporu w drogach oddechowych mają niską wartość predykcyjną. Obserwowano jedynie spadek jego wartości w momencie dekaniulacji w porównaniu z wartością podczas rozpoczęcia ECMO. Badania te mogą być przydatne do określenia najwcześniejszego czasu, w którym możliwe jest zakończenie utlenowania pozaustrojowego z sukcesem. Fitzgerald i współpracownicy [31] wykorzystali badania mechaniki oddychania prowadzone wśród noworodków ze skrajnie małą urodzeniową masą ciała (ELBW; <1000 g) do oceny, czy dzieci z zespołem zaburzeń oddychania (zwanym w pracy zespołem błon szklistych, HMD hyaline membrane disease) mają bardziej zaburzone funkcje płuc i napęd oddechowy podczas rozwoju przewlekłej choroby płuc (chronic neonatal lung disease; CNLD) niż dzieci wyłącznie z chorobą niedojrzałych płuc (ILD immature lung disease). Wyjaśnienia wymaga zróżnicowanie pomiędzy dwoma wspomnianymi grupami noworodków. Noworodki z niedojrzałymi płucami, bez towarzyszącego zespołu zaburzeń oddychania (ILD), charakteryzują się występowaniem bezdechu jako początkowego problemu oddechowego, z następowym małym wysiłkiem oddechowym przez kilka dób; średnim zapotrzebowaniem na tlen (FiO 2 < 0,45) ewoluującym w czasie 1-2 tygodni; niewielką (lub żadną) odpowiedzią na leczenie surfaktantem; niewielkimi lub niespecyficznymi zmianami w obrazie RTG klatki piersiowej oraz koniecznością utrzymania następujących parametrów respiratora: PIP < 20 cm H 2 O, oddechów/minutę. Z kolei noworodki z zespołem zaburzeń oddychania (HMD) w ciągu kilku godzin po urodzeniu rozwijają tachypnoe z towarzyszącym zapadaniem się klatki piersiowej; ich zapotrzebowanie na tlen jest wysokie (FiO 2 > 0,50); wykazują zazwyczaj spektakularną odpowiedź na suplementację surfaktantem; na zdjęciu RTG klatki piersiowej widoczny jest powietrzny bronchogram, obraz mlecznej szyby; parametry respiratora to: PIP > 20 cm H 2 O, częstość oddechów 40-60/min. Pomiar i analiza następujących parametrów mechaniki oddychania: częstość oddychania, objętość oddechowa, wentylacja minutowa, opór, podatność, impedancja płuc, praca oddechowa oraz ciśnienie otwarcia dróg oddechowych 100 ms po rozpoczęciu wdechu i maksymalne ciśnienie wdechowe wykazały brak znaczących różnic między dziećmi z HMD i ILD. Wartości podatności płuc i oporu w drogach oddechowych u badanych noworodków w niewielkim stopniu odbiegały od wartości prawidłowych, w przeciwieństwie do mniej niedojrzałych dzieci z ich charakterystycznym profilem obniżonej podatności i podwyższonego oporu płucnego [30]. Autorzy pracy wywnioskowali, że uzasadniony jest konserwatywny optymizm co do rozwoju prawidłowej lub bliskiej prawidłowej czynności płuc u noworodków ze skrajnie małą urodzeniową masą ciała, niezależnie od ich przynależności do jednej z badanych grup. Do podobnych wniosków doszli Merth i współ. [33], którzy oceniali wybrane parametry mechaniki oddychania w grupie zdrowych, przedwcześnie urodzonych noworodków, porównując je z kontrolną grupą zdrowych noworodków urodzonych o czasie. Ponieważ przed 37. tygodniem ciąży płuca osiągają jedynie woreczkową fazę rozwoju, poród przedwczesny może być związany z zahamowaniem wzrostu i rozwoju płuc, co potencjalnie mogą odzwierciedlać zmienione mechaniczne właściwości układu oddechowego [32]. Badacze stwierdzili te same wartości FRC w obu grupach dzieci skorygowane do długości ciała. Podatność układu oddechowego była niższa u noworodków przedwcześnie urodzonych, jednakże różnicę tę eliminowało odniesienie do wieku ciążowego. Objętość płuc również była podobna w tym samym wieku postkoncepcyjnym, aczkolwiek noworodki urodzone przedwcześnie były mniejsze, a tym samym miały mniejsze objętości płuc, od noworodków urodzonych w terminie w tym samym wieku postnatalnym. Konkluzją tych badań było stwierdzenie, że wiek ciążowy < 37 tygodni jest związany z prawidłową mechaniką oddychania w odniesieniu do wielkości ciała oraz z prawidłową dystrybucją wentylacji u zdrowych noworodków bez chorób krążeniowo-oddechowych. Badanie mechaniki oddychania może służyć zarówno do oceny relacji pomiędzy uszkodzeniami strukturalnymi i właściwościami mechanicznymi płuc, jak i do przewidywania długoterminowych efektów tych uszkodzeń, dokonanych w ciągu kilku pierwszych tygodni życia u przedwcześnie urodzonych noworodków głównie przez ekspozycję na wysokie stężenia tlenu oraz mechaniczną wentylację. Postnatalne uszkodzenie płuc powoduje obstrukcję dróg oddechowych, hiperinflację, obniżenie objętości oddechowej i zmiany mechaniki płuc [34]. De Mello i współpracownicy [35] wykazali, iż podatność płuc maleje wraz z liczbą patologicznych znalezisk w tomografii klatki piersiowej u noworodków z bardzo małą urodzeniową masą ciała. Dzieci, u których stwierdzono 3 lub więcej anomalie strukturalne płuc, wykazywały większe zapotrzebowanie na tlen i mechaniczną wentylację oraz ze zwiększonym prawdopodobieństwem rozwijały przewlekłą chorobę płuc. Obniżenie podatności płuc może być wyjaśnione istnieniem zwłóknień okołooskrzelowych, zmniejszeniem liczby pęcherzyków płucnych i zastępowaniem prawidłowej tkanki płucnej przez tkankę włókninową. Związek między znaleziskami tomograficznymi i podatnością wskazuje głównie na choroby dotyczące miąższu płucnego. Nie wykazano korelacji między oporem układu

6 250 K. Kuźmiak, M. Szymankiewicz oddechowego i znaleziskami morfologicznymi w płucach. Suplementacja egzogennym surfaktantem jest powszechnie przyjętym sposobem leczenia zespołu zaburzeń oddychania noworodków. Chung i współpracownicy [39] poszukiwali odpowiedzi na pytanie, jaki jest mechanizm szybkiej poprawy utlenowania krwi tętniczej po podaniu surfaktantu i czy odpowiedzialne są za nią zmiany parametrów mechaniki oddychania. W badaniach innych autorów [36, 37] podanie surfaktantu zwierzętom laboratoryjnym powodowało zarówno polepszenie wymiany gazowej, jak i poprawę uprzednio zmniejszonej podatności płuc. Badania na populacji ludzkiej nie wykazały podobnego efektu, jeśli chodzi o podatność układu oddechowego, wentylację minutową oraz całkowity opór układu oddechowego [38]. Analiza przeprowadzona przez zespół Chunga [39] nie wykazała również istotnych zmian mechaniki oddychania podczas obserwacji. Stwierdzono poprawę indeksu oksygenacji (OI oxygenation index) oraz tętniczo-pęcherzykowej różnicy prężności tlenu ((A-a) DO 2 ), a stosunek objętości przestrzeni martwej do objętości oddechowej sukcesywnie malał po podaniu surfaktantu. Powyższe czynniki dowodzą według autorów, że to właśnie zmniejszenie fizjologicznej przestrzeni martwej spowodowane rekrutacją niedodmowych pęcherzyków płucnych, a nie zmiany mechaniki oddychania, jest pierwotnie odpowiedzialne za poprawę utlenowania po terapii surfaktantem. Z kolei Cotton [40] również wykazał, że dostarczenie egzogennego surfaktantu do niedodmowych pęcherzyków płucnych powoduje ich rekrutację, o czym świadczy wzrost FRC 30 minut po podaniu substancji czynnej powierzchniowo. Jednakże jako przyczynę poprawy utlenowania podał stabilizację pęcherzyków płucnych, a nie ich rekrutację. Niemniej istnieją prace donoszące o poprawie dynamicznej podatności płuc oraz wymiany gazowej podczas wentylacji mechanicznej po terapii surfaktantem [41]. Szybką i istotną poprawę mechaniki oddychania oraz lepsze utlenowanie krwi tętniczej przynosi metoda leczenia zespołu zaburzeń oddychania polegająca na płukaniu płuc roztworem surfaktantu (SLL surfactant lung lavage) i następowym podaniu surfaktantu. Odnotowano znaczny wzrost podatności dynamicznej, spadek oporu dróg oddechowych i średniego ciśnienia w drogach oddechowych [42]. Badania mechaniki oddychania przynoszą również wyjaśnienie mechanizmów kompensacyjnych występujących u przedwcześnie urodzonych noworodków. Davis [43] badał, jakie zmiany w mechanice oddychania noworodków powodują westchnienia, a więc szybkie, głębokie wdechy, po których następuje przedłużony wydech. Stwierdził wzrost podatności układu oddechowego, obniżenie oporu płucnego oraz brak zmian wartości FRC w następstwie westchnienia. Rezultat tych obserwacji sugeruje, że dochodzi wówczas do rekrutacji niedodmowych pęcherzyków płucnych oraz redystrybucji objętości płuc, co w efekcie daje optymalny stosunek ciśnieniowo-objętościowy. Prawdopodobny stopień zaburzenia czynności oddechowych w przyszłości u noworodków leczonych na oddziale intensywnej terapii można oszacować poprzez badanie mechaniki oddychania [44-46]. Potrzebna jest jednak prosta technika, możliwa do wykonania przyłóżkowo zarówno u zdrowych, jak i u chorych noworodków. Taką techniką jest pneumotachografia, za pomocą której można ocenić wzorzec oddechowy. Na wzorzec oddechowy wpływa zarówno czynność ośrodka oddechowego, jak i mechanika oddychania. Schmalisch [47] stwierdził, że wzorzec ten różni się istotnie u dzieci z CLD w porównaniu z kontrolną grupą zdrowych dzieci. Charakterystyczny kształt pętli przepływ-objętość (TBFVL tidal breathing flow-volume loop), a szczególnie jej części wydechowej, oraz zwiększona częstość oddychania i skrócony czas wdechu u dzieci z CLD wskazują na zaburzenie funkcji oddechowych. Jednakże technika ta nie jest w pełni wiarygodna ze względu na wpływ kontroli nerwowej na kształt pętli TBFVL, dlatego autorzy sugerują jej wykorzystanie jako badania pierwszego rzędu, oceniającego czynność układu oddechowego u noworodków po wypisaniu z oddziału intensywnej terapii. Natomiast przyczyny zaburzeń funkcji oddechowych powinny być badane bardziej wyspecjalizowanymi metodami [47]. Podsumowanie Przedstawione powyżej badania przekonują o przydatności mierzenia mechaniki oddychania u noworodków. Dostarczają one istotnych danych pozwalających dostosować parametry sztucznej wentylacji w taki sposób, aby zapobiec powstawaniu niedodmy lub zjawiska pułapki powietrznej, a w następstwie rozedmy u noworodków z niewydolnością oddechową. Tym samym przyczyniają się do zapobiegania uszkodzeniu płuc wskutek urazu ciśnieniowego czy objętościowego. Efekty terapeutyczne środków farmakologicznych, a także leczenia za pomocą mechanicznej wentylacji, mogą być oceniane za pomocą zmierzonych parametrów mechaniki oddychania. Dzięki temu możliwa jest odpowiednia modyfikacja stosowanego leczenia stosownie do dynamiki zmian chorobowych. Mierzenie wybranych wartości mechaniki oddychania pozwala przewidywać wystąpienie oraz ciężkość przebiegu choroby płuc, a także jej postęp bądź cofanie się. Pomaga ponadto ustalić relacje pomiędzy strukturalnymi uszkodzeniami płuc a zaburzeniami ich funkcji. Znajomość podstawowych parametrów mechaniki oddychania pozwala także ustalić wytyczne postępowania podczas kończenia leczenia za pomocą wybranych metod przyrządowych lub środków farmakologicznych, a także sformułować zalecenia co do dalszego postępowania. Istnieją także badania dowodzące, że możliwe jest ostrożne formułowanie rokowania dotyczącego funkcji od-

7 Ocena przydatności badania mechaniki oddychania u noworodków 251 dechowych po przebyciu choroby układu oddechowego lub np. po przedwczesnym porodzie. Jednakże w związku z wieloma ograniczeniami pomiarów mechaniki oddychania, związanymi z trudnościami technicznymi, interpretacyjnymi lub trudnościami w przeprowadzeniu szeroko zakrojonych, wiarygodnych pomiarów na dużej populacji zdrowych noworodków, konieczne są dalsze badania w celu gromadzenia jak największej ilości istotnych danych oraz opracowywania coraz doskonalszych metod pomiarowych. Piśmiennictwo [1] Szymankiewicz M. (2001) Mechanika oddychania. [W:] Wspomaganie utlenowania i wentylacji noworodków, red. Szymankiewicz M. OWN, tom VI, Poznań. [2] Kalenga M., Battisti O., Francois A. i wsp. (1998) High-frequency oscillatory ventilation in neonatal RDS: initial volume optimization and respiratory mechanics. J. Appl. Physiol. 84: [3] Nikischin W., Gerhardt T., Everest R., Bancalari E. (1998) A new method to analyze lung compliance when pressurevolume relationship is nonlinear. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 158: [4] Matamis D., Lemaire F., Harf A. i wsp. (1984) Total respiratory pressure volume curves in the adult respiratory distress syndrome. Chest 86: [5] Servillo G., Svantesson C., Beydon L. i wsp. (1997) Pressure volume curves in acute respiratory failure: automated low flow inflation versus occlusion. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 155: [6] Fisher J. B., Mammel C. M., Coleman I. i wsp. (1988) Identifying lung overdistention during mechanical ventilation by using volume-pressure loops. Pediatr. Pulmonol. 5: [7] Graff M. A., Novo R. P., Diaz M. wsp. (1986) Compliance measurement in respiratory distress syndrome: the prediction of outcome. Pediatr. Pulmonol. 2: [8] Fisher J. T., Mortola J. P., Smith J. B. i wsp. (1982) Development of the control of breathing. Am. Rev. Respir. Dis. 125: [9] Miller J., Law A. B., Parker R. A. i wsp. (1994) Effects of morphine and pancuronium on lung volume and oxygenation in premature infants with hyaline membrane disease. J. Pediatr. 125: [10] Bhutani V. K., Abbasi S., Sivieri E. M. (1988) Continuous skeletal muscle paralysis: effect on neonatal pulmonary mechanics. Pediatrics 81: [11] Burger R., Fanconi S., Simma B. (1999) Paralysis of ventilated newborn babies does not influence resistance of the total respiratory system. Eur. Respir. J. 14: [12] Fletcher M. E., Dezateux C. A., Stocks J. (1992) Respiratory compliance in infants: a preliminary evaluation of the multiple interrupter technique. Pediatr. Pulmonol. 14: [13] Sivan Y., Deakers T.W., Newth C. J. L. (1991) Effects of endexpiratory pressure on respiratory compliance in children with acute respiratory failure. Pediatr. Pulmonol. 11: [14] Suter P. M., Fairley H. B., Isenberg M. D. (1978) Effect of tidal volume and positive end-expiratory pressure on compliance during mechanical ventilation. Chest 73: [15] Mathe J. C., Clement A., Chevalier J. Y. i wsp. (1987) Use of inspiratory pressure-volume curves for determination of appropriate positive end-expiratory pressure in newborns with hyaline membrane disease. Intensive Care Med. 13: [16]Lioy J., Manginello F. P. (1988) A comparison of supine and prone positioning in the immediate postextubation period of neonates. J. Pediatr. 112: [17]Bhat R. Y., Leipala J. A., Singh N. R.-P. i wsp. (2003) Effect of posture on oxygenation,lung volume and respiratory mechanics in premature infants studied before discharge. Pediatrics 112: [18]Young S., Arnott J., O Keeffe P. T. (2000) The association between early life lung function and wheezing during the first 2 yrs of life. Eur. Respir. J. 15: [19]Martinez F. D., Morgan W. J., Wright A. L. (1988) Diminished lung function as a predisposing factor for wheezing respiratory illness in infants. N. Engl. J. Med. 319: [20]Dezateux C., Stocks J., Wade A. M. (2001) Airway function at one year: association with premorbid airway function, wheezing, and maternal smoking. Thorax 56: [21]Clarke J. R., Salmon B., Silverman M. (1995) Bronchial responsiveness in the neonatal period as a risk factor for wheezing in infancy. Am. J.Respir. Crit. Care Med. 151: [22]Adler A., Tager I. B., Brown R. W. (1995) Relationship between an index of tidal flow and lower respiratory illness in the first year of life. Pediatr. Pulmonol. 20: [23]Lodrup K. C., Mowinckel P., Carlsen K. H. (1992) Lung-function measurements in awake compared to sleeping newborn-infants. Pediatr. Pulmonol. 12: [24]Katier N., Uiterwaal C. S. P. M., de Jong B. M. i wsp. (2005) Feasibility and variability of neonatal and infant lung function measurement using the single occlusion technique. Chest 128: [25]Frey U., Stocks J., Coates A. (2000) Specifications for equipment used for infant pulmonary function testing. ERS/ATS Task Force on Standards for Infant Respiratory Function Testing. European Respiratory Society/American Thoracic Society. Eur. Respir. J. 16: [26]Frey U., Stocks J., Sly P. (2000) Specification for signal processing and data handling used for infant pulmonary function testing. ERS/ATS Task Force on Standards for Infant Respiratory Function Testing. European Respiratory Society/American Thoracic Society. Eur. Respir. J. 16: [27]Gappa M., Colin A. A., Goetz I. (2001) Passive respiratory mechanics: the occlusion techniques. Eur. Respir.J. 17: [28]Pandit P. B., Pyon K. H., Courtney S. E. i wsp. (2000) Lung resistance and elastance in spontaneously breathing preterm infants: effect of breathing pattern and demographics. J. Appl. Physiol. 88: [29]Garg M., Lew C. D., Ramos A. D. i wsp. (1991) Serial measurement of pulmonary mechanics assists in weaning from extracorporeal membrane oxygenation in neonates with respiratory failure. Chest 100: [30]Coates A. L., Vallinis P., Mullahoo K. i wsp. (1994) Pulmonary impedance as an index of severity and mechanism of neonatal lung disease. Pediatr Pulmonol. 17: [31]Fitzgerald D. A., Mesiano G., Brosseau L., Davis G. M. (2000) Pulmonary outcome in extremely low birth weight infants. Pediatrics 105: [32]Brody J. S., Thurlbeck W. M. (1986) Development, growth and aging of the lung. [W:] Handbook of Physiology. Section 3. The Respiratory System. Vol. III. Mechanics of Breathing. Part 1., red. Fishman A.P., Macklem P. T., Mead J. American Physiological Society, Bethesda, Maryland. [33]Merth I. T., de Winter J. P., Borsboom G. J. J.M., Quanjer Ph. H. (1995) Pulmonary function during the first year of life in healthy infants born prematurely. Eur. Respir. J. 8: [34]Koumbourlis A. C., Motoyama E. K., Mutich R. L. i wsp. (1996) Longitudinal follow-up of lung function from childhood to adolescence in prematurely born patients with neonatal chronic lung disease. Pediatr Pulmonol 21(1):

8 252 K. Kuźmiak, M. Szymankiewicz [35] De Mello R. R., Dutra M. V. P., Ramos J. R. i wsp. (2003) Lung mechanics and high-resolution computed tomography of the chest in very low birth weight premature infants. Sao Paulo Med. J [36] Jobe A., Ikegami M., Glatz T. i wsp. (1981) Duration and characteristics of treatment of premature lambs with natural surfactant. J. Clin. Invest. 67: [37] Metcalfe I. L., Pototschnik R., Burgoyne R., Enhorning G. (1982) Lung expansion and survival in rabbit neonates treated with surfactant extract. J. Appl. Physiol. 53: [38] Davis J.M., Veness-Meehan K., Notter R.H. i wsp. (1988) Changes in pulmonary mechanics after the administration of surfactant to infants with respiratory distress syndrome. N. Engl. J. Med. 319: [39] Chung E. H., Ko S. Y., Kim I. Y. i wsp. (2001) Changes in dead space/tidal volume ratio and pulmonary mechanics after surfactant replacement therapy in respiratory distress syndrome of the newborn infants. J. Korean Med. Sci. 16: [40] Cotton R. B., Olsson T., Law A. B. i wsp. (1993) The physiologic effects of surfactant treatment on gas exchange in newborn premature infants with hyaline membrane disease. Pediatr. Res. 34: [41] Couser R. J., Ferrara T. B., Ebert J. i wsp. (1990) Effects of exogenous surfactant therapy on dynamic compliance during mechanical breathing in preterm infants with hyaline membrane disease. J. Pediatr. 116: [42] Szymankiewicz M., Gadzinowski J., Kowalska K. (2004) Pulmonary function after surfactant lung lavage followed by surfactant administration in infants with severe meconium aspiration syndrome. J. Matern. Fetal Neonatal Med. 16(2): [43]Davis G. M., Moscato J. (1994) Changes in lung mechanics following sighs in premature newborns without lung disease. Pediatr. Pulmonol. 17: [44]Hjalmarson O., Sandberg K. L. (2005) Lung function at term reflects severity of bronchopulmonary dysplasia. J. Pediatr. 146: [45]Lui K., Lloyd J., Ang E. i wsp. (2000) Early changes in respiratory compliance and resistance during the development of bronchopulmonary dysplasia in the era of surfactant therapy. Pediatr. Pulmonol. 30: [46]Schmalisch G., Wauer R. R., Bohme B. (2000) Effect of early ambroxol treatment on lung functions in mechanically ventilated preterm newborns who subsequently developed a bronchopulmonary dysplasia (BPD). Respir. Med. 94: [47]Schmalisch G., Wilitzki S., Wauer R. R. (2005) Differences in tidal breathing between infants with chronic lung diseases and healthy controls. BMC Pediatrics 5: 36. J Malwina Kuźniak Klinika Neonatologii Uniwersytet Medyczny w Poznaniu ul. Polna 33, Poznań malwa_kk@poczta.onet.pl Evaluation of usefulness of lung mechanics measurements in newborns Lung mechanics reflects physical features of the respiratory system. Lung function measurements describe dynamic relationships between pressures, gas flows and volumes in the lungs. Their results explain process of breathing and gas exchange in both healthy and injured lungs. This article presents arguments, that there is a need of lung mechanics measurements, because they are of clinical and educational value. Lung function measurements provides data, that allow to adjust parameters of mechanical ventilation to avoid both lung injuries caused by barotrauma and atelectasies of the lungs. Guidelines concerning weaning of mechanical ventilation, NCPAP or ECMO might be established on the basis of lung mechanics. There is a possibility to modify treatment according to the pathological process in the lungs, because lung mechanics reflects therapeutic effects of the pharmaceutics. It also allows to predict appearance, severity and dynamics of lung disease. It provides data to establish prognosis concerning future lung function, morbidity and mortality according to lung function and structural disorders. There is still a need to continue lung function measurements in newborns because there are many limitations according to necessary equipment, difficulties to interpret the results of the measurements and to examine large populations of healthy neonates. Key words: neonate, lung mechanics, compliance, resistance, functional residual capacity (FRC)