Ecuación del movimiento del sistema respiratorio

Sus componentes son la presión en el SR en relación con el volumen, elastancia, resistencia, flujo de aire y presiones generadas por el ventilador y el paciente ⁽⁹⁾:

El volumen corriente (V^t) es el volumen de aire que circula entre una inspiración y una espiración. La EMSR tiene como primer componente la presión total del SR (P_rs) generada para mover el V_t hacia el SR. Para simplificar su análisis, la P^rs -en ausencia de flujo- y la presión atmosférica (P_atm) -760 mmHg a nivel medio del mar- equivalen a cero centímetros de agua (cmH₂O), independientemente de la altitud a la que se encuentre el paciente. Durante la ventilación espontánea, la presión negativa ejercida por los músculos inspiratorios (P_mus) -con relación a la P_atm- genera un gradiente de presión capaz de introducir el V^t hacia el SR, denominada presión inspiratoria (P_insp) ^(1,10). El diafragma genera la mayor parte del trabajo ventilatorio en condiciones normales; sin embargo, el resto de los músculos inspiratorios y espiratorios pueden activarse en situaciones de estrés o enfermedad.

Sustituyendo en la ecuación la P_atm por 0 cmH₂O:

EMSR durante la ventilación mecánica invasiva (VMI)

Algunos de los objetivos de la VM son contrarrestar la insuficiencia respiratoria y disminuir el trabajo respiratorio, para lo cual es necesaria una programación adecuada y realizar ajustes al ventilador según la condición clínica del paciente. La sedación y el bloqueo neuromuscular también influyen sobre la interacción paciente-ventilador ⁽¹¹⁾.

En un paciente intubado y bajo VMI intervienen dos presiones que movilizan el gas hacia el SR: P_mus y la presión del ventilador mecánico (P_vent). Ambas son dependientes del V_t, la elastancia (E), el flujo (V) y las resistencias de la vía aérea (R_aw) -de conducción anatómica, fisiológica y la impuesta por la cánula-. Mientras se mantenga el esfuerzo inspiratorio del paciente, la P_rs durante la VMI asistida es:

Sustituyendo:

Durante la relajación de los músculos involucrados en la ventilación, la presión generada en el pulmón es directamente proporcional al volumen inspirado y las fuerzas ejercidas por sus elementos elásticos ⁽¹²⁾. Si los músculos están inactivos, el ventilador realiza el trabajo para mover el aire hacia los pulmones ⁽¹⁾. Esto sucede durante la VMI controlada -cuando el paciente se encuentra bajo sedación profunda, con uso de bloqueadores neuromusculares o una condición del sistema nervioso central o neuromuscular que impida la contracción de los músculos inspiratorios- ⁽¹³⁾:

En caso de que sea aplicada una presión positiva al final de la espiración (PEEP) para evitar el colapso alveolar, esta presión es sumada a la ecuación:

Distensibilidad o compliancia del sistema respiratorio

La distensibilidad se refiere a un cambio de volumen con respecto al volumen inicial (V_i), lo cual ocurre con relación a un cambio de presión ⁽¹⁴⁾:

Por ello, resulta virtualmente imposible determinar la distensibilidad del SR en pacientes bajo VM, pues sería requisito indispensable conocer la magnitud del volumen dentro de los pulmones y la vía aérea, incluyendo el volumen residual, cuyas determinaciones requieren de pruebas de función respiratoria especializadas. Por otro lado, suponiendo un V_i = 0, el denominador de la operación sería 0, dando lugar a una paradoja matemática. Por ello, el concepto de compliancia (C) es más útil para la VM, ya que se refiere a un cambio de volumen con respecto a un cambio de presión:

La compliancia del SR (C_rs) se puede calcular en distintos momentos del ciclo. Cuando no existe flujo de aire (por ejemplo, maniobra de pausa inspiratoria) se denomina compliancia estática (C_st), mientras que cuando existe flujo se denomina compliancia dinámica (C_dyn). La utilidad de la C_rs es describir la facilidad -o dificultad- del SR para expandirse en respuesta a una presión y volumen.

El SR está formado por dos estructuras principales colocadas en serie: la caja torácica y los pulmones, junto con las vías de conducción. Las variaciones de uno u otro componente producen cambios de la compliancia total del sistema. Cada una de estas estructuras tiene una presión relevante -la presión de la vía aérea, la presión transpulmonar (P_tp) asociada al parénquima pulmonar y la presión pleural (P_pl) relacionada con la caja torácica-. Por lo tanto, la C_rs está dada por la relación entre el incremento del volumen y el cambio de presión en las tres estructuras ⁽¹⁵⁾. Dicho de otra forma, sería requisito indispensable medir estas presiones en el paciente bajo VM, lo cual es poco factible, y por ello no es práctico determinar la C_rs del paciente. Es por ello que la C_dyn y C_st son de mayor utilidad práctica para la monitorización.

En una persona sin VM, el V_t normal estandarizado al peso ideal es de ~6,6 ml/kg y la C_dyn es de ~200 ml/cmH2O ⁽¹⁶⁾. La C_dyn en pacientes sin VM se determina suponiendo un V_i = 0 ml, volumen final igual al V_t, presión inicial = 0 cmH2O y presión final = P_insp:

Durante la VM la presión inicial es igual al valor de PEEP, mientras que la P_insp es sustituida por la presión inspiratoria pico (P_IP), que también es conocida como presión máxima en la vía aérea (P_max). Al sustituirlas en la ecuación:

Los valores normales de C_dyn en pacientes bajo VMI son de ~10-20 % del valor de la C_st ⁽⁹⁾. La interpretación de esta ecuación requiere especial cuidado, ya que la P_IP está condicionada por las resistencias agregadas del circuito de ventilación, cánula traqueal y vía aérea de conducción del paciente. Por lo tanto, la P_IP tiene un valor más alto que la presión al inicio del flujo de aire en la inspiración. Esto significa que no depende solo de las propiedades del pulmón y de la caja torácica ⁽¹⁷⁾.

Por otro lado, la C_st se calcula durante la maniobra de pausa inspiratoria, en la cual se hace una oclusión de la vía aérea al final de la inspiración durante 2 a 3 segundos. Tras ello, se elimina el componente resistivo de la presión y las presiones de la vía aérea tienden a igualarse, dando como resultado una meseta de presión (P_meseta) ⁽¹⁸⁾. No deben existir fugas en el circuito para que esta medición sea posible, e idealmente el paciente debe estar bajo sedación y bloqueo neuromuscular para abolir el componente de P_mus ⁽¹³⁾. Al eliminar los componentes de la presión atribuibles a la resistencia y el flujo, se obtiene la medición de la presión que más se asemeja a la presión alveolar. Por lo tanto:

La C_st se calcula de la siguiente forma, al suponer V_i = 0 ml, presión final = P_meseta y presión inicial = PEEP:

Es importante tomar en cuenta la PEEP total, que incluye la suma de PEEP programada más PEEP intrínseco (en ocasiones denominada auto-PEEP) en caso de estar presente. La C_st normal es de 50-100 ml/cmH2O ⁽¹⁾. En pacientes con enfermedades restrictivas del parénquima pulmonar como el SDRA, neumonía, enfermedad intersticial pulmonar, entre otras, suele ser < 50 ml/cmH₂O ⁽³⁾. Los valores < 25 ml/cmH2O traducen restricción grave con requerimientos de presión muy altos que permiten movilizar muy poco volumen ⁽¹⁹⁾. La relación entre la presión y el volumen no es lineal -la C_st es baja con volúmenes corrientes bajos, aumenta con volúmenes intermedios y disminuye con niveles altos de volumen pulmonar-, lo cual se acentúa en escenarios de restricción.

Suponiendo que un paciente de 70 kg bajo VMI se encuentra con los parámetros de la Figura 1, es posible calcular C_dyn y C_st tomando en cuenta que se determinó una P_meseta = 12 cmH₂O, sin presencia de PEEP intrínseco (Tabla 1, Paciente 0).

Figura 1: Curvas de presión/tiempo, flujo/tiempo, volumen/tiempo y PCO2/tiempo (en orden descendente) de un paciente bajo ventilación mecánica invasiva sin enfermedad pulmonar. Fuente: elaboración propia mediante Biorender.com 

Tabla 1: Cálculos e interpretaciones de los componentes de la ecuación del movimiento del sistema respiratorio 

Fuente: elaboración propia

Un error frecuente en la interpretación de la C_st es no considerar que la fórmula no recoge los cambios de distensibilidad a diferentes V_t. Por ejemplo, un niño requerirá un menor V_t que un adulto. Para ello, la compliancia específica (C_esp) relaciona la C_rs con el V_t al que esta se mide y su relación con la capacidad residual funcional (CRF). Sin embargo, esto requiere de pruebas de función pulmonar, por lo que no es práctico su uso rutinario. Sin embargo, ha sido particularmente usada para observar el reclutamiento alveolar en respuesta al incremento de PEEP en pacientes con SDRA:

Elastancia del sistema respiratorio

La elastancia es el inverso de la compliancia, es decir, la relación entre el cambio de presión y cambio de volumen. Describe la tendencia a la contracción del SR para restaurar su forma original.

Similar a los conceptos de compliancia, la elastancia dinámica (E_dyn) se determina cuando hay flujo de aire, mientras que la elastancia estática (E_st) se mide durante una pausa inspiratoria. La E_dyn y E_st normales oscilan entre 0,0125 y 0,02 cmH₂O/ml y 0,006 a 0,0133 cmH₂O/ml, respectivamente. Sin embargo, los valores de E_dyn aumentan a mayores flujos (20), algo que ocurre cuando aumenta la frecuencia respiratoria, cuando se reduce el tiempo inspiratorio o cuando aumenta el V_t. Por otro lado, el incremento en la PEEP se relaciona con una disminución de la E al evitar que el pulmón se contraiga completamente durante la fase espiratoria ⁽²¹⁾. En la Tabla 1, Paciente 0 se muestran los cálculos de E_st y E_dyn.

La contribución a la elastancia a partir del componente pulmonar (E_L) y de la caja torácica (E_CW) afectan de manera similar la E_dyn y la E_st en pacientes normales y pacientes con enfermedad pulmonar restrictiva. En los primeros la contribución de E_L (~55 %) y E_CW (~45 %) son similares ⁽²⁰⁾, mientras que en la fibrosis pulmonar idiopática -una enfermedad pulmonar restrictiva- aumenta marcadamente el componente de EL (~85 %) sobre E_CW (~15 %) ⁽²²⁾. Por otro lado, en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) las contribuciones sobre la E_st son similares a las de pacientes normales -E_L (~60 %) y E_CW (~40 %)-; sin embargo, para la E_dyn aumenta ligeramente E_L (~65 %) sobre E_CW (~45 %) ⁽²³⁾. Lo que esto traduce es que en enfermedades pulmonares restrictivas la afección es marcada tanto en la mecánica estática como dinámica, mientras que en pacientes con obstrucción es predominantemente evidente en la fase dinámica.

Resistencia al flujo de aire

El flujo de aire (V) es el movimiento de aire a través de un área determinada, lo cual depende de una diferencia de presión. El V va desde una presión mayor a una menor, es variable durante el ciclo respiratorio y está inversamente relacionado con la R_aw. El V en la vía aérea se modifica por las siguientes variables: velocidad del flujo (v), radio de la vía aérea (r), densidad del gas (ρ) y viscosidad del gas (η). A partir de ello, acontecen dos tipos de flujos: turbulento y laminar. El primero está presente en las vías aéreas grandes y en las bifurcaciones, y el segundo está presente en la vía aérea terminal ⁽²⁴⁾. La R_aw inspiratoria describe la oposición al flujo a través del SR o la relación entre el cambio de presión y el cambio de flujo ⁽²⁵⁾. Se expresa en cmH₂O/L/s.

La R_aw está compuesta por la resistencia de las vías aéreas del paciente, la cánula endotraqueal, los equipos de medición y circuitos de VM, el parénquima pulmonar y la caja torácica. Como se mencionó anteriormente, el componente resistivo no está presente en ausencia de flujo cuando se realiza la maniobra de pausa inspiratoria. Es por ello que la R_aw inspiratoria se calcula a partir de la diferencia entre la presión máxima en la vía aérea y la presión meseta -lo cual se conoce como presión transaérea (P_ta)- dividido entre el flujo inspiratorio. Los valores normales de la (P_ta) en pacientes adultos van de 2,5 a 4 cmH₂O. En caso de obstrucción al V, la P_IP se incrementa, pero no la P_meseta, por lo que la P_ta aumenta. Para el cálculo de la R_aw inspiratoria se utiliza la siguiente fórmula:

En el caso del paciente que hemos usado de ejemplo (Figura 1) es posible calcular la R_aw inspiratoria. Para ello, se debe calcular previamente el flujo inspiratorio (V_insp), que es el V_t inspiratorio -en litros- dividido entre el tiempo inspiratorio (t_insp) -un segundo en este caso- (Tabla 1, Paciente 0).

A mayor R_aw, se requiere una mayor velocidad de flujo para poder vencerla y lograr el paso del volumen de aire hacia la vía aérea inferior y los alveolos. La R_aw es mayor en la tráquea y disminuye gradualmente hasta llegar a los alveolos. Por lo tanto, en la inspiración se requiere una mayor velocidad de flujo al inicio para vencer la resistencia impuesta por la primera bifurcación de los bronquios. La velocidad disminuye paulatinamente conforme avanza por los bronquiolos, que generan una resistencia menor, hasta llegar a los alveolos. Durante la espiración ocurre lo inverso, ya que la R_aw se incrementa conforme el gas sale de los alveolos e ingresa a la vía aérea de conducción de los bronquiolos y posteriormente a los bronquios. En situaciones de obstrucción de la vía aérea, la inspiración del ventilador vence la R_aw. Debido a que la espiración es un mecanismo dependiente del paciente, es posible que no venza la R_aw, ocasionando atrapamiento aéreo ⁽²⁶⁾.

A manera de resumen, la presión ejercida en cada momento en el SR tiene los siguientes componentes: 1) elástico, necesario para la distensión del parénquima pulmonar, 2) resistivo, necesario para hacer avanzar el flujo de aire contra las resistencias de la vía aérea, y 3) inercial, debido a los cambios en el parénquima pulmonar causados por la aceleración del flujo de aire. Por lo tanto, la carga elástica es la presión requerida para vencer la elasticidad del SR y la carga resistiva es la presión requerida para vencer la resistencia al flujo del circuito del ventilador, el tubo endotraqueal y las vías respiratorias. El componente inercial es despreciable y no medible en la cabecera del paciente ⁽²⁵⁾.

Modificación de la EMSR en escenarios patológicos

La EMSR puede ser utilizada durante el monitoreo continuo de la persona que está bajo VMI para la toma de decisiones orientadas según las características de la enfermedad. Con la intención de optimizar la ventilación según las necesidades del paciente, es posible predecir los cambios que ocurrirán al momento de realizar ajustes a los parámetros programados del ventilador. A continuación, se presentan dos escenarios clínicos comunes en los que se aplica la EMSR para la toma de decisiones en la cabecera.

Escenario 1: restricción

En el primer escenario de restricción tenemos a un paciente masculino que se encuentra bajo VMI, sedoanalgesia y bloqueo neuromuscular debido a SDRA -caracterizado por inflamación heterogénea de la membrana alveolocapilar, edema, disfunción del surfactante pulmonar, proliferación celular y fibrosis, que ocasionan una disminución marcada de la C_rs -se encuentra con los parámetros ventilatorios que se muestran en la Figura 2a. La P_meseta es de 30 cmH₂O y el t_insp de 0,5 segundos. En la Tabla 1 (paciente 1) se muestran los cálculos e interpretaciones de los componentes necesarios para sustituirlos y realizar el cálculo de la EMSR.

Figura 2: Curvas de presión/tiempo, flujo/tiempo, volumen/tiempo y PCO2/tiempo (en orden descendente) de dos pacientes bajo ventilación mecánica invasiva. a. escenario restrictivo b. patrón obstructivo Fuente: elaboración propia mediante Biorender.com 

Es posible observar que la C_st de este paciente con SDRA se encuentra muy disminuida. Dicho de otra forma, la E_st se encuentra muy aumentada debido a afección pulmonar grave de características restrictivas. Situaciones similares pueden presentarse en otros escenarios como neumonía grave, obesidad, incremento de la presión intraabdominal, entre otros ⁽²⁷⁾. La R_aw de este paciente se encuentra dentro del rango de valores normales. Por lo tanto, la P_ta -equivalente a la presión resistiva- se encuentra dentro del rango normal ⁽¹⁾.

Para aplicar la EMSR en este paciente es necesario tomar en cuenta algunas suposiciones iniciales:

Al estar bajo sedoanalgesia y bloqueo neuromuscular, se elimina el componente de P_mus. Por lo tanto:

En este caso podemos usar únicamente la E_st, ya que no estamos considerando la mecánica de la caja torácica. Existen adaptaciones a la fórmula para poder evaluar el componente de elastancia de la caja torácica (E_dyn) ⁽⁹⁾.

En la Tabla 2, Paciente 1 se muestran los cálculos y aplicaciones de la EMSR para este paciente.

Tabla 2: Cálculos y aplicaciones de la ecuación del movimiento del sistema respiratorio en dos escenarios de restricción y obstrucción 

Fuente: elaboración propia