associaciÓ catalana d'anestesiologia 1 reanimaciÓ

ASSOCIACIÓ CATALANA D'ANESTESIOLOGIA 1 REANIMACIÓ

NUEVOS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS PARA LA VENTILACIÓN ALVEOLAR

POR OSCILACIÓN A ALTA FRECUENCIA *

ABEL GALVÁN CAMINO

Distinguido Sr. Presidente y miembros de la Asociación Catalana de Anestesiología y Reanimación: Ante todo quiero agradecer la invitación con que me han honrado para hablar sobre los nuevos desarrollos tecnológicos para la ventilación alveolar por oscilación a alta frecuencia. A pesar de lo interesante del tema, el tiempo de que vamos a dis-poner a estas horas de la noche exige la mayor brevedad, por lo que me limitaré a hacer tan sólo una exposición didáctica ilustrada con diapositivas. Asimismo me veo obligado a sintetizar muchos aspectos sin poder analizar minuciosamente algunos fenómenos muy interesantes de esta .tecnología. En 1972 LUCKENHEIMER describió la posibilidad de obtener una adecuada ventilación alveolar mediante volúmenes tidales inferiores a los del espacio muerto. Sin embargo, fue sólo en 1980 cuando esta téc-nica comenzó a tomar un interés creciente por parte de diversos grupos investigadores. A finales de 1980, y después de hacer una valoración de la posible trascendencia de esta técnica, comenzamos en nuestros laboratorios a estudiar la posibilidad y los medios para realizar un lavado de CO2 1 mediante oscilación a alta frecuencia. No conociendo por aquel entonces la descripción de ningún aparato que pudiera efectuar esta técnica, decidimos en febrero de 1981 diseñar y construir un prototipo que pudiera suplir cualquier necesidad, aunque la sobredimensión del mismo aumentara la complejidad de manejo. Nuestro prototipo fue denominado «Oscilador 8800» por poder alcan-zar con él frecuencias máximas de 8800 oscilaciones por minuto.

Sessió del dia 26 de gener de 1982.

586 ANNALS DE MEDICINA

Posteriormente nos llegaron noticias de otros tipos de osciladores que perseguían la misma técnica y con el fin de valorarlos desarrollamos sus prototipos, lo que nos permitió comprobar sus ventajas e inconve-nientes con referencia al nuestro propio.

Para realizar el presente estudio utilizamos equipos de medida de • presión, flujo y volumen, analizadores de CO2 y 02 por rayos infrarro-

. jos, osciloscopios y registradores de tres canales con el fin de visualizar y cuantificar los parámetros anteriores. Como fuente de gases de 02, CO2 y aire utilizamos tres cilindros independientes.

El análisis de esta técnica se puede enfocar bajo dos perspectivas diferentes:

— La primera con la experimentación clínica que mediante la sis-tematización de los resultados nos permita conocer sus orígenes

• y consecuencias. • — La segunda con la experimentación de laboratorios donde se

pueden analizar independientemente las diferentes fases del proceso, cuyos resultados pueden ser tanto cualitativa como cuan-titativamente mejores, cuanto mayor sea el número de paráme-tros que se tengan en cuenta.

No obstante, es de esperar que ambas experiencias se cotejen para obtener una interpretación fidedigna, dando prioridad a la investigación de laboratorio, que nos proporciona el instrumento (en este caso el ventilador por oscilación), el cual nos permite una adecuada experi-mentación clínica.

Analizaremos en primer lugar las diferencias entre la ventilación convencional a altas frecuencias (HFPPV) y la ventilación por oscilación a altas frecuencias (HFOV).

En la primera movilizamos volúmenes tidales superiores a los del espacio muerto, y dado que:

VA = VT — VD VA = F x VA

al disminuir los volúmenes tidales (VT) con el fin de mejorar los resul-tados hemodinámicos, al descender las presiones medias pulmonares,2no habiendo variación en el volumen del espacio muerto (VD), dismi-nuirá el volumen alveolar (VA) y si se quiere mantener una ventilación minuto alveolar fija (VA) habrá que aumentar la frecuencia (F).

Sin embargo, en las oscilaciones de alta frecuencia lo que moviliza-mos es un volumen tidal inferior al del espacio muerto, lo que, según la fórmula anterior, no nos permitirá la ventilación alveolar.

No obstante, cuando se aumenta la frecuencia, se ha comprobado en clínica por varios autores 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 que se logra una adecuada venti-lación alveolar.

A. GALVÁN CAMINO. DESARROLLOS PARA LA VENTILACIÓN ALVEOLAR 587

Nosotros vamos a describir un modelo pulmonar y una primera ley básica, que nos ha permitido a nivel de laboratorio verificar que se puede realizar un lavado de CO2 utilizando volúmenes tidales inferio-res a los del espacio muerto.

Debido a las altas frecuencia l que se utilizan en esta técnica, se emplea la denominación de hertz o hertzíos para indicar el número de ciclos por segundo, lo que equivale a dividir por sesenta el número de respiraciones por minuto. Asimismo al hablar de esta técnica pasamos del concepto de la ventilación convencional al concepto de la ventilación por oscilación, terminología muy adecuada para distinguirla de la ven-tilación convencional. Su estudio pertenece al campo de la mecánica ondulatoria, que se ocupa del transporte de una vibración en un medio elástico. En nuestro caso la vibración se produce en la boca y el medio elástico que la transporta a los alveolos es el gas pulmonar. Por tanto, lo que efectuamos es un movimiento de un volumen a nivel de la boca, el cual genera una onda de presión que alcanza a los alveolos.

Los tipos de osciladores descritos hasta el momento son los de pistón, jet, membrana y nuestro multiplicador de frecuencias. A conti-nuación vamos a analizar básicamente los mismos, distinguiendo entre osciladores volumétricos, en los cuales la onda de presión generada varía cn función de la compliance y resistencia de las vías aéreas, y los osci-ladores manométricos, cuya onda de presión es constante aunque varíen estos parámetros respiratorios.

La figura 1 muestra el oscilador de pistón donde el gas es movili-zado por un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro,

entrada aire

complementario

oscilador

------ V

I I

/\ tubo

endotraqueal

OSCILADOR DE PISTON

FIG. 1

588 ANNALS DE MEDICINA creando la oscilación que se transmite al paciente. La relación I/E se puede variar mediante una excéntrica, y la frecuencia viene propor-cionada por la velocidad del motor. Existen básicamente dos variantes, una con entrada suplementaria de aire y de la atmósfera que convierte al sistema en manométrico y otra con válvulas inspiratorias o espira-torias que proporcionan una oscilación volumétrica, y en donde los elevados volúmenes compresibles generados por la presencia de estas válvulas hacen al sistema poco adecuado para oscilación.

El oscilador a jet (fig. 2) está basado en el principio del jet conven-cional, diferenciándose de éste por generar volúmenes más pequeños y frecuencias más elevadas, debiendo poseer los componentes de go-bierno tiempos de respuesta muy cortos. El sistema permite variar la relación I/E y la frecuencia mediante el control electrónico de la elec-troválvula. La regulación del volumen se consigue aumentando o dismi-nuyendo la presión generada por el regulador. Es un oscilador mano-métrico que reduce el espacio muerto, ya que aplicando el teorema de Bernouilli, a igualdad de presión con menor sección, mayor es la velo-cidad de salida, lo que permite que el volumen atraviese el espacio muerto hasta convertirse en turbulento y genere la oscilación. Debido a los tiempos de respuesta originados por la inercia de las electrovál-vulas no es posible la realización de frecuencias elevadas.

capacidad CC) presión

L _ _ electroválvula regulador

manómetro

generador

de tiempos OSCILADOR A CHORRO

JET

FIG. 2

A. GALVAN CAMINO. DESARROLLOS PARA LA VENTILACIÓN ALVEOLAR 589

Otro tipo de oscilador descrito para la experimentación clínica es el de membrana. Éste se basa en el movimiento de una membrana den-tro de una cámara, efectuado por un motor eléctrico. Su comportamiento es similar al de los altavoces en donde una corriente eléctrica atraviesa una bobina móvil que se encuentra alojada en un campo permanente, que a su vez está unida a una membrana, lo que permite convertir las variaciones de corriente eléctrica en el desplazamiento de dicha mem-brana, comprimiendo y descomprimiendo el aire a frecuencias audibles.

Para ello se suelen emplear altavoces de 12" de buena respuesta a frecuencias bajas (fig. 3), en donde la frecuencia y los volúmenes son gobernados por el generador eléctrico. Éste es un oscilador manomé-trico a presión positiva y negativa, en donde la salida de gas se realiza a través de poros efectuados en la membrana del altavoz. Es un sistema de bajo rendimiento debido a los pequeños volúmenes que se generan, por lo que para suplir esta deficiencia se suelen colocar varios altavoces en fase.

1 osciloscopio

-.— 02_

--/ , amplificador —0.-

- ‘ \.•..---.

— — —

\, generador

, de señales

—1 —

OSCILADOR DE MEMBRANA

FIG. 3

Nuestro oscilador (fig. 4), denominado multiplicador de frecuencias, ha sido desarrollado para estudiar en el laboratorio el comportamiento de los gases a altas frecuencias, así como los problemas derivados de la medida de parámetros, desgaste de materiales, ajustes, etc. Está ba-sado en cuatro cilindros que guardan el gas a presión constante sumi- •


nistrado por cuatro amplificadores fluídicos, interconectables a un cabe-zal rotatorio que posee ocho puertas de entrada con una sola salida para conectar al paciente. Estas ocho puertas son interconexionadas a su vez por ocho uniones o puertas de unión.

n (9 : ...\--. atmósfera l _ ,

i . . . . ,• • . , . .

‘f. \ / -,, z ------ -----! /./•----atmfra 1

a paciente _—manometro

O O O

1 X i < ..1 2:—•" / ... FiO,

r ; °

, 1 ,

,• ,

: : , , capacidad variable atmfra ,

OSCILADOR MULTIPLICADOR : _____ _.g ____ DE FRECUENCIA regulador de caudal

I F NI í I .1300

FIG. 4

• La frecuencia de oscilación viene determinada al multiplicar la velo-

cidad del rotor por el número de puertas que compongan un ciclo, por ejemplo conectando primero al paciente con el primer cilindro, luego a la atmósfera, a continuación al segundo cilindro, seguidamente a la atmósfera, y así sucesivamente. Por tanto, cuando la puerta del paciente ha dado una vuelta, el paciente ha sido oscilado cuatro veces con una , relación I :E = 1: 1. Existe la posibilidad de poder variar estas puertas uniéndolas entre sí, para que el elemento multiplicador, en lugar de 4, sea 3, 2 o 1. También se puede variar la interconexión entre ellas para modificar la relación I: E.

En el multiplicador de frecuencia se pueden conectar resistencias variables entre los cilindros y el paciente con el fin de lograr flujos desacelerados o constantes que vienen en función de la presión de los cilindros. También es posible interconectar dos presiones negativas


variables a cualquiera de los cilindros, generando volúmenes negativos que crean oscilaciones a presión positiva y negativa.

Se trata por tanto de un oscilador volumétrico fácilmente conver-tible en manométrico a presión positiva o a presión positiva-negativa, lo que le confiere unas características ideales, restringidas, tan sólo, por la sobredimensión del mismo, haciendo su uso posible únicamente en laboratorios, debido a su difícil manipulación y calibración.

Una vez diseñado y construido nuestro multiplicador de frecuencias y disponiendo de los medios para realizar nuestra experimentación de laboratorio, elaboramos a continuación un modelo pulmonar sencillo y completo (fig. 5). Las medidas se obtuvieron del Comroe '' y las capa-cidades se calcularon para una distribución óptima. Como se puede apreciar a partir de la tráquea y hacia los alveolos, los diferentes bron-quiolos se tornan cada vez más elásticos.

MODELO PULMONAR PARA OSCILACIONES DE ALTA FRECUENCIA .3 In :g> li111 E 111 e TRÁQUEA

'...PI,:.•• :• :, IP :,.. .›.: . MEIMOMM BRONQUIOLOS

o Illill l A . 8 PRINCIPAL

1111 I e

11' . 1

..,.' BRONQUIOLOS

*

1\'. LOBAR 9

12,7 3 BRONQUIOLOS 1 , 1 SEGMENTARIOS

' . .o 1 ?

o BRONQUIOLOS 1

2.7 SUBSEGMENTARIOS : 4 \ o BRONQUIOLOS

ST FI PEQUEÑOS lup . BRONQUIOLOS

dilliklimi BRONQUIOLOS H TERMINALES i .11 BRONQUIOLOS 11

U' U RESPIRATORIOS CONDUCTOS ALVEOLAR ALVÉOLOS

FIG. 5


Todas estas resistencias y compliances se pueden unificar en una única resistencia y compliance que sea equivalente a la total del pulmón. En realidad esto es lo que hasta ahora han hecho los fabricantes para calibrar los aparatos. Para ello se utiliza un recipiente rígido cuya compliance se calcula por volumen compresible con transformación isotérmica, y la resistencia equivalente por regulación del diámetro de entrada.

Nosotros sustituimos la base de nuestro recipiente por una super-ficie elástica, asemejándolo de esta manera, más a la configuración pul-monar (fig. 6). Por lo tanto pasamos de un pulmón en el que la com-pliance se obtenía por volumen compresible con transformación iso-térmica, a un simulador en el que la capacidad total es igual a la capa-cidad residual funcional más el volumen tidal, añadiéndole una mem-brana cuya elasticidad compensa la compliance total pulmonar y en donde la resistencia de entrada, equivalente a la total, no varía.

RESISTENCIA 4

COMPLIANCE COMPLIANCE

ELASTICA RIGIDA

FIG. 6

Con el fin de simplificar el estudio se tomaron independientemente las compliances y resistencias ele las diferentes partes en que se dividió el sistema pulmonar, siéndonos válida la totalidad para comprobar efec-tos de distribución de las oscilaciones y por tanto de su ventilación.

A continuación tomamos el recipiente rígido lleno de CO2 y veri-ficamos diferentes diámetros de entrada en el mismo, equivalentes a las resistencias de las vías aéreas y calculamos su tiempo de difusión (fig. 7).


.00 01- 0 0,5

0/5 lo -

SO -

04 7°-

60-

06 50-

•

40 -

30

20^

I I 1 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 SO 55 60

minutos s,

•

Difusión del Carbónico en función del tiempo

y superficie de difusión

FIG. 7

Luego conectamos este recipiente a un oscilador por jet (fig. 8) y tam-bién a nuestro «oscilador 8800» (fig. 9), tomando además otro reci-piente equivalente al anterior, según se ha descrito, con una membrana elástica.

Al poner ambos recipientes a oscilar a una frecuencia baja de 2 hertz (120 r.p.m.) observamos que el layado de CO2 del oscilador 8800 con el recipiente de membrana descendió rápidamente, mientras que per-maneció estable en el recipiente rígido (fig. 10). La misma experiencia se repitió con el oscilador a jet, con idénticos resultados (fig. 11).

Comprobamos que, efectivamente, se producía el layado de CO2 tan pronto colocábamos una membrana elástica en nuestro recipiente, expe-riencia repetida con diferentes .materiales elásticos con verificación de


‹. CAPACIDAD

S. Y 1 _ ___,- PRESION 1 1_4 ..:__ U pri ...

REGULADOR

n

i - ELECTROVALVULA MANOMETRO v

GENERADOR TIEMPOS

1

CAPACIDAD )VIEMBRANA

PRESION LE--"" + n —

1 } ,

REGULADOR ¿ ^—' I ELECTROVALVULA

MANOMETRO --

i SI— l GENERADOR TIEMPOS ENSAYO DE LAVADO DE CO, CON JET

FIG. 8

t_ aso°

_.. 0 , , \

MEMBRANA —I. ( • 1

8800

(15 ENSAYOS DE LAVADO DE CO,

1 CON OSCILADOR

FIG. 9 ,


%cc),

90-

80-

90 -

50 -

20•

10 -

O I 2 3 4 5 6 7 e 9 10 I I 12

minutos A CON PAINIBRANA

a RIGIDA

LAVADO DE CO2 CON OSCILADOR

FIG. 10

los resultados anteriores. La figura 12 muestra las diferentes curvas obtenidas, en A, con el recipiente rígido en reposo; B, el recipiente con membrana en reposo; C, rígido oscilado con el 8800; D, rígido osci-lado con jet, y en E y F, oscilado con membrana, ratificando nuestro recipiente de membrana la efectividad en el lavado de CO2.

Por lo tanto, en nuestro modelo pulmonar, ventilado con volúme-nes y promediados entre el 0,5 y el 5 % del volumen total, donde la oscilación provoca un movimiento pendular de volumen que movilizado en la entrada genera una onda de presión que se transmite a la super-ficie elástica distendiendo la misma. Esta energía potencial almacenada, cuando cesa la onda de presión, emite otro volumen que genera otra nueva onda de presión hacia el exterior, desplazando finalmente el volu-men de la entrada a su posición inicial.


Estos movimientos de volúmenes generados por la onda de presión entre la entrada y la superficie elástica y viceversa, que se encuentran desfasados, producen un aumento del coeficiente de difusión molecular que hace posible el lavado de CO2. •

A continuación estudiamos la influencia de diversas parámetros en el lavado de CO2, cuyas gráficas exponemos, como son la morfología del flujo, volúmenes de :lavado, relación 1: E, variabilidad de las vías aéreas, aumento de las frecuencias, etc.; pudiendo confirmar que la velo-cidad del lavado del CO2 se ve incrementada por la superficie y elasti-cidad de la membrana.

% 100-

90.

130.

60-

60 -

40.

30-

20. •

A

10 -

O O T 1'2 .-

A CON MEMBRANA minutos 6 RIGIDA

•

LAVADO DE CO2 CON JET

FIG. 11


co, lOO-

-

80-

70 -

-

50 -

40 -

30 -

20

10 -

e 1 . 1 F E l e e e e e e, 6 10 15 20 26 30 36 40 45 5C 55 60 0

A Rígido en toposo minutosEl te Con membrana on raposo C = Rígido con oscilador D = Rígido con Jet E e• Con membrana con oscilador dor F Con membrana con jet

DIFUSION DEL CARBONICO EN FUNCION DEL SISTEMA

FIG. 12

Volúmenes de lavado de 420 ml/min. CO2 en recipientes cuya com-pliance era de 5 X 10-4 1/cm H20, con una superficie elástica del 8 % de la superficie total; con un volumen de lavado del 1 % del volumen total y con una frecuencia de 10 hertz, eran de fácil consecución, con-firmándonos éstas y otras muchas pruebas que el sistema es válido para poder obtener un adecuado lavado de CO2.

En nuestras investigaciones no encontramos datos discrepantes como los ocurridos a los investigadores clínicos, y si por el contrario podemos confirmar que los valores de una adecuada ventilación alveolar son fun-ción de los osciladores que se utilicen.


El estudio y la experimentación de esta técnica, nos predice un avance en nuestro conocimiento pulmonar, que nos conllevará a una mejor realización de la ventilación alveolar, pero a pesar de su efecti-vidad muchos interrogantes se nos abren referentes a otros mecanismos que se ponen en juego en el proceso de la respiración. Debiendo no olvi-dar el amplio desarrollo obtenido en ventilación convencional, logrado por las diferentes técnicas mandatorias que se encargan de complemen-tar la ventilación espontánea del paciente, conceptc2 introducido en un respirador fabricado en 1977 por nuestro laboratorio.

Por último me queda agradecer una vez más a la Asociación Cata-lana de Anestesiología y Reanimación y a su Presidente, la invitación con que me han honrado. Creo que queda patente una vez más el van-guardismo catalán, una de las virtudes que más les caracteriza y que se corrobora con la presencia de todos ustedes a estas horas de la noche.

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