Thông khí cơ học: Nhịp thở được cung cấp như thế nào?

Tác giả: Bác sĩ Đặng Thanh Tuấn – Trưởng khoa hồi sức ngoại Bệnh viện Nhi Đồng 1.

ĐẠI CƯƠNG:

Mô hình cơ bản của thông khí trong phổi trong thời gian hít vào

Các yếu tố được kiểm soát và đo lường trong quá trình hít vào

• Nhịp thở kiểm soát áp lực
• Nhịp thở kiểm soát thể tích
• Nhịp thở kiểm soát lưu lượng
• Nhịp thở kiểm soát thời gian

Tổng quan về kiểm soát dạng sóng hít vào

Các pha của nhịp thở và biến số pha

• Khởi đầu của hít vào: Biến kích hoạt
• Kích hoạt bởi Thời gian
• Kích hoạt bởi Bệnh nhân
• Biến giới hạn trong khi hít vào
• Giới hạn áp lực
• Giới hạn thể tích
• Giới hạn lưu lượng
• Áp lực an toàn tối đa: Giới hạn áp lực so với chu kỳ áp lực
• Chấm dứt giai đoạn hít vào: Cơ chế chu kỳ (Biến chu kỳ)
• Thông khí theo chu kỳ thể tích
• Thể tích cài đặt so với thể tích thực tế được cung cấp
• Khả năng nén của ống
• Rò rỉ hệ thống
• Thông khí theo chu kỳ thời gian
• Thông khí theo chu kỳ lưu lượng
• Thông khí theo chu kỳ áp lực
• Giữ bơm phồng (Tạm dừng hít vào)
• Giai đoạn thở ra: Biến số đường cơ bản
• Định nghĩa thở ra
• Áp lực đường cơ bản
• Thở ra giới hạn bởi thời gian
• Lưu lượng khí liên tục trong thời gian thở ra
• Giữ thở ra (Tạm dừng thở ra)
• Chậm trễ thở ra
• Áp lực đường thở dương liên tục và áp lực dương cuối kỳ thở ra

Các loại nhịp thở

Tóm lược

Mục tiêu học tập:

Khi hoàn thành chương này, người đọc sẽ có thể:

1. Viết phương trình chuyển động và xác định từng số hạng trong phương trình.

2. Đặt hai tên khác cho thông khí áp lực và thông khí thể tích.

3. So sánh sự cung cấp áp lực, thể tích và lưu lượng trong nhịp thở kiểm soát thể tích và nhịp thở kiểm soát áp lực.

4. Đặt tên cho hai biến kích hoạt bệnh nhân được sử dụng phổ biến nhất.

5. Xác định biến kích hoạt bệnh nhân cần ít công thở nhất cho bệnh nhân thở máy.

6. Giải thích ảnh hưởng đến thể tích được cung cấp và thời gian hít vào nếu máy thở đạt đến giới hạn áp lực tối đa đã đặt trong quá trình thông khí thể tích.

7. Nhận biết ảnh hưởng của rò rỉ bộ dây máy thở quan trọng đối với chỉ số áp lực và số đo thể tích.

8. Xác định ảnh hưởng của giữ bơm phồng trong thời gian hít vào.

9. Cho một ví dụ về máy thở hiện tại cung cấp áp lực âm trong một phần của giai đoạn thở ra.

10. Dựa trên mô tả của đường cong áp lực – thời gian, xác định tình huống lâm sàng trong đó tăng sức cản đường thở ra.

11. Mô tả hai phương pháp áp dụng áp lực liên tục vào đường thở có thể được sử dụng để cải thiện oxy hóa ở bệnh nhân bị thiếu oxy máu kháng trị.

Chọn chế độ thông khí hiệu quả nhất để sử dụng một khi đã quyết định rằng bệnh nhân sẽ cần thở máy, đòi hỏi sự hiểu biết về các chức năng của máy thở. Trả lời cho một số câu hỏi có thể giúp giải thích phương pháp mà máy thở thực hiện việc cung cấp nhịp thở:

(1) Nguồn năng lượng được sử dụng để cung cấp nhịp thở (tức là, năng lượng được cung cấp bởi máy thở hay bệnh nhân) là gì?

(2) Yếu tố nào kiểm soát máy thở để cung cấp nhịp thở (ví dụ: áp lực, thể tích, lưu lượng hoặc thời gian)?

(3) Các giai đoạn của nhịp thở được thực hiện như thế nào (nghĩa là, điều gì bắt đầu một nhịp thở, làm thế nào nó được đưa ra và những gì kết thúc nhịp thở)?

(4) Nhịp thở có bắt buộc, được hỗ trợ hay tự phát không?

Tất cả các yếu tố này xác định chế độ thông khí, và mỗi khái niệm này sẽ được xem xét trong chương này.

Mô hình cơ bản của thông khí phổi trong thời gian hít vào

Một cách tiếp cận có thể được sử dụng để hiểu cơ học của nhịp thở trong khi thở máy bao gồm sử dụng mô hình toán học dựa trên phương trình chuyển động. Phương trình này mô tả các mối quan hệ giữa áp lực, thể tích và lưu lượng trong nhịp thở tự nhiên hoặc cơ học. Phương trình bao gồm ba thuật ngữ, được xác định trước đây trong Chương 1, cụ thể là PTR (transrespiratory pressure), hoặc áp lực xuyên hệ hô hấp; PE (elastic recoil pressure), hoặc áp lực hồi quy đàn hồi; và PR (flow resistance pressure), hoặc áp lực sức cản lưu lượng. Hình 3.1 cung cấp một biểu diễn đồ họa của từng áp lực này.

Hộp 3.1 tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển động của không khí vào phổi. Lưu ý rằng phía bên trái của phương trình chuyển động trong Hộp 3.1 biểu thị áp lực xuyên hệ hô hấp (PTR), đó là năng lượng (tức là áp lực) cần thiết để thiết lập độ chênh lệch áp lực để di chuyển khí vào phổi. PTR có thể đạt được bằng cách co các cơ hô hấp (Pmus) trong nhịp thở tự nhiên hoặc được tạo ra bởi máy thở (Pvent) trong nhịp thở cơ học. Phía bên phải của phương trình cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến trở kháng (impedance) phải được khắc phục để di chuyển không khí vào phổi. Áp lực hồi quy đàn hồi (PE) là tải đàn hồi được cung cấp bởi phổi và thành ngực, và áp lực sức cản lưu lượng (PR) là tải trọng sức cản đường thở được tạo ra khi khí lưu thông qua đường dẫn khí. Lưu ý rằng độ đàn hồi có thể được định nghĩa là tỷ lệ thay đổi áp lực so với thay đổi thể tích (nghĩa là độ đàn hồi [elastance] là nghịch đảo của độ giãn nở [compliance]). Sức cản của lưu lượng được định nghĩa là tỷ lệ thay đổi áp lực với lưu lượng khí vào phổi. Như được mô tả trong Hộp 3.1, do đó áp lực xuyên hệ hô hấp bằng với áp lực phải được tạo ra để vượt qua độ đàn hồi (hoặc độ giãn nở) của phổi và thành ngực cộng với tải trọng sức cản lưu lượng cần thiết để di chuyển khí vào phổi. Trong một nhịp thở tự nhiên, các cơ hô hấp (tức là cơ hoành và cơ liên sườn bên ngoài) co lại, gây ra sự mở rộng của phổi và lồng ngực. Sự tăng thể tích phổi này dẫn đến giảm (âm tính nhiều hơn) của áp lực trong màng phổi và tăng áp lực xuyên hệ hô hấp (PTR = Palv – Ppl). Độ chênh lệch áp lực được thiết lập bằng sự co thắt của cơ hô hấp (tức là áp lực cơ [Pmus]) trong nhịp thở tự nhiên do đó cung cấp năng lượng để vượt qua trở kháng (độ đàn hồi của phổi và thành ngực + sức cản đường thở) để di chuyển không khí vào phổi.

”Hệ thống hô hấp có thể được hình dung như một ống dẫn được nối với một ngăn đàn hồi (quả bóng bay). Áp lực, thể tích và lưu lượng là các biến tùy thuộc theo thời gian. Sức cản và độ giãn nở là hằng số. Áp lực xuyên lồng ngực là độ chênh lệch áp lực giữa khoang phế nang (Palv), hoặc phổi và bề mặt cơ thể (Pbs). (Xem văn bản giải thích thêm.) Từ Kacmarek RM, Stoller JK, Heuer AJ, eds. Egan’s Fundamentals of Respiratory Care, 11th ed. St. Louis, MO: Elsevier; 2017.”

Nếu các cơ hô hấp không hoạt động, có thể sử dụng máy thở cơ học để cung cấp năng lượng cần thiết để thiết lập độ chênh lệch áp lực cần thiết để di chuyển khí vào phổi bằng cách tạo ra áp lực dương ở đường thở mở. Do đó, áp lực máy thở (Pvent) được tạo ra trong hít vào đại diện cho áp lực xuyên hệ hô hấp (PTR) cần thiết để vượt qua trở kháng do hệ hô hấp đưa ra (tức là, máy thở thực hiện tất cả các công việc cần thiết để di chuyển không khí vào phổi).

Điều quan trọng là phải nhận ra rằng hai ví dụ được trích dẫn trước đây đại diện cho các thái cực của một sự liên tục. Trong quá trình thông khí tự phát, bệnh nhân cung cấp năng lượng cần thiết để kéo khí vào phổi, trong khi ở ví dụ sau, máy thở cung cấp tất cả năng lượng để đẩy khí vào phổi bệnh nhân. Hãy nhớ rằng có thể sử dụng vô số kết hợp Pmus và Pvent để đạt được tổng lực cần thiết trong quá trình thông khí được hỗ trợ.

Các yếu tố được kiểm soát và trị số đo đạt trong quá trình thì hít vào

Cung cấp một thể tích hít vào có lẽ là chức năng quan trọng nhất mà máy thở thực hiện. Hai yếu tố quyết định cách thức cung cấp thể tích hít vào: thiết kế cấu trúc của máy thở và chế độ máy thở do bác sĩ lâm sàng thiết lập. Bác sĩ lâm sàng cài đặt chế độ bằng cách chọn áp lực hoặc thể tích được xác định trước làm biến mục tiêu (Hộp 3.2).

Biến chính mà máy thở điều chỉnh để đạt được hít vào được gọi là biến số kiểm soát (Điểm chính 3.1).6 Như phương trình chuyển động cho thấy, máy thở có thể kiểm soát bốn biến: áp lực, thể tích, lưu lượng và thời gian. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng máy thở chỉ có thể kiểm soát một biến tại một thời điểm. Do đó, máy thở có thể hoạt động như bộ kiểm soát áp lực, bộ kiểm soát thể tích, bộ kiểm soát lưu lượng hoặc bộ kiểm soát thời gian (Hộp 3.3).

Nhịp thở kiểm soát áp lực

Khi máy thở duy trì dạng sóng áp lực theo một kiểu cụ thể, nhịp thở được mô tả là kiểm soát áp lực. Với thông khí kiểm soát áp lực, dạng sóng áp lực không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về đặc điểm của phổi. Các dạng sóng thể tích và lưu lượng sẽ thay đổi theo sự thay đổi về đặc điểm độ giãn nở và sức cản của hệ thống hô hấp bệnh nhân.

Nhịp thở kiểm soát thể tích

Khi máy thở duy trì dạng sóng thể tích trong một kiểu cụ thể, nhịp thở được cung cấp là kiểm soát thể tích. Trong quá trình thở kiểm soát thể tích, dạng sóng thể tích và lưu lượng không thay đổi, nhưng dạng sóng áp lực thay đổi theo sự thay đổi của đặc điểm của phổi.

Nhịp thở kiểm soát lưu lượng

Khi máy thở kiểm soát lưu lượng, dạng sóng lưu lượng và do đó dạng sóng thể tích không thay đổi nhưng dạng sóng áp lực thay đổi với sự thay đổi trong đặc điểm của phổi của bệnh nhân. Thông khí kiểm soát lưu lượng có thể đạt được trực tiếp bằng một thiết bị đơn giản như lưu lượng kế hoặc bằng một cơ chế phức tạp hơn, chẳng hạn như van điện từ (solenoid valve) (xem Chương 2). Lưu ý rằng bất kỳ nhịp thở nào có dạng sóng lưu lượng được cài đặt cũng có dạng sóng thể tích được cài đặt và ngược lại. Do đó, khi bác sĩ lâm sàng chọn một dạng sóng lưu lượng, dạng sóng thể tích sẽ tự động được thiết lập (Flow = thay đổi Thể tích/Thời gian; Thể tích = Lưu lượng × Thời gian). Trong điều kiện thực tế, các bác sĩ lâm sàng thường chủ yếu quan tâm đến việc cung cấp thể tích và áp lực hơn là đường cong của dạng sóng lưu lượng.

Nhịp thở kiểm soát thời gian

Khi dạng sóng áp lực, thể tích và lưu lượng bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về đặc điểm của phổi, máy thở có thể kiểm soát chu kỳ thở và được mô tả cung cấp nhịp thở như thông khí kiểm soát theo thời gian. Máy thở phản lực tần số cao và máy tạo dao động kiểm soát thời gian hít vào và thở ra và do đó là ví dụ của máy thở cơ học có thể được phân loại là máy thở kiểm soát thời gian.

Tổng quan về kiểm soát dạng sóng hít vào

Hình 3.2 cung cấp một thuật toán để xác định các loại nhịp thở khác nhau có thể được cung cấp bởi máy thở cơ học. Hình 3.3 cho thấy các dạng sóng cho thông khí kiểm soát áp lực và thể tích, và Hộp 3.4 liệt kê các điểm cơ bản có thể giúp đơn giản hóa việc đánh giá nhịp thở trong khi thì hít vào.

Các dạng sóng áp lực đường thở được thể hiện trong Hình 3.3 minh họa những gì bác sĩ lâm sàng sẽ thấy trên màn hình đồ họa của máy thở khi khí được cung cấp.

Máy thở thường đo các biến ở một trong ba nơi: (1) ở đường thở trên, hoặc đường thở gần, nơi bệnh nhân được kết nối với máy thở; (2) bên trong, gần nơi mà các đường ống máy thở chính kết nối với máy thở; hoặc (3) gần van thở ra.*

Các máy thở kiểm soát vi xử lý có khả năng hiển thị các dạng sóng này dưới dạng đồ thị vô hướng (một biến được biểu diễn theo thời gian) và các vòng lặp trên màn hình. Hầu hết các máy thở thế hệ hiện tại, như Dräger Infinity V500 và CareFusion AVEA, đều có màn hình tích hợp. Như đã thảo luận trong Chương 9, thông tin đồ họa này là một công cụ quan trọng có thể được sử dụng để quản lý tương tác bệnh nhân – máy thở.

Các pha của nhịp thở và các biến số pha

Phần sau đây mô tả các giai đoạn của nhịp thở và biến số kiểm soát từng phần của nhịp thở (nghĩa là biến số pha). Như được tóm tắt trong Hộp 3.5, biến số pha đại diện cho tín hiệu được đo bằng máy thở có liên quan đến một khía cạnh cụ thể của nhịp thở. Biến số kích hoạt bắt đầu hít vào. Biến số giới hạn giới hạn giá trị của áp lực, thể tích, lưu lượng hoặc thời gian trong khi thì hít vào. Điều quan trọng là nhận ra rằng biến số giới hạn không kết thúc hít vào. Các biến số chu kỳ kết thúc hít vào. Biến số đường cơ bản thiết lập đường cơ bản trong khi thở ra, trước khi hít vào được kích hoạt. Áp lực thường được xác định là biến số đường cơ bản.

Khởi đầu của hít vào: Biến số kích hoạt

Cơ chế mà máy thở sử dụng để bắt đầu hít vào là cơ chế kích hoạt (biến số kích hoạt). Máy thở có thể bắt đầu thở sau một thời gian định sẵn (kích hoạt thời gian) hoặc bệnh nhân có thể kích hoạt máy (kích hoạt bệnh nhân) dựa trên thay đổi áp lực, lưu lượng hoặc thể tích.

Kích hoạt áp lực và lưu lượng là các biến số kích hoạt phổ biến nhất, nhưng kích hoạt thể tích và kích hoạt thần kinh từ tín hiệu cơ hoành có thể được sử dụng. Hầu hết các máy thở cũng cho phép người vận hành kích hoạt nhịp thở bằng tay (Điểm chính 3.2).

”Lưu ý rằng dạng sóng thể tích có hình dạng tương tự như dạng sóng áp lực xuyên lồng ngực (áp lực phổi) (tức là, áp lực gây ra bởi hồi quy đàn hồi [độ giãn nở] của phổi). Dạng sóng lưu lượng có hình dạng tương tự như dạng sóng áp lực xuyên đường thở (áp lực hít vào đỉnh trừ áp lực cao nguyên [PIP – Pplat]) (vùng bóng mờ của dạng sóng áp lực – thời gian). Các khu vực bóng mờ đại diện cho áp lực gây ra bởi sức cản, và các khu vực mở đại diện cho áp lực gây ra bởi hồi quy đàn hồi. Từ Kacmarek RM, Stoller JK, Heuer AJ, eds. Egan’s Fundamentals of Respiratory Care, 11th ed. St. Louis, MO: Elsevier; 2017.”

Kích hoạt Thời gian

Với kích hoạt thời gian, máy thở cung cấp nhịp thở bắt buộc bằng cách bắt đầu thì hít vào sau khi hết thời gian định sẵn. (LƯU Ý: Thời gian đã đặt dựa trên tổng thời gian chu kỳ (TCT), là tổng thời gian hít vào (TI) và thời gian thở ra (TE) hoặc TCT = TI + TE). Nói cách khác, số lượng nhịp thở bắt buộc được cung cấp bởi máy thở được dựa trên chiều dài của TCT. Ví dụ: nếu nhịp thở được đặt ở mức 20 nhịp thở mỗi phút, máy thở sẽ kích hoạt hít vào sau 3 giây trôi qua (60 giây/phút chia cho 20 nhịp thở/phút = 3 giây).

Trước đây, thông khí được kích hoạt theo thời gian không cho phép bệnh nhân bắt đầu thở (tức là, máy thở “không nhạy cảm” với nỗ lực thở của bệnh nhân). Do đó, khi cài đặt chế độ kiểm soát (control mode) được chọn trên các máy thở như Emerson Post-Op đầu tiên, máy sẽ tự động kiểm soát số lượng nhịp thở được cung cấp cho bệnh nhân.

Máy thở không còn được sử dụng theo cách này. Những bệnh nhân tỉnh hầu như không bao giờ bị khóa, và họ có thể hít thở khi họ cần. Bác sĩ lâm sàng thiết lập kích hoạt thời gian bằng kiểm soát tần số (rate hoặc frequency), có thể là núm vặn hoặc bàn phím cảm ứng. Đôi khi, các bác sĩ lâm sàng có thể nói rằng một bệnh nhân đang “bị kiểm soát”, hoặc ở “chế độ kiểm soát”, để mô tả một người bị ngưng thở hoặc bị dùng thuốc an thần hoặc dùng thuốc liệt cơ và không có nỗ lực để tự thở (Hình 3.4). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng máy thở phải được đặt sao cho nó nhạy cảm với nỗ lực hít vào của bệnh nhân khi người bệnh không còn bị ngưng thở hoặc bị liệt cơ.

Kích hoạt Bệnh nhân

Trong trường hợp bệnh nhân cố gắng tự thở trong khi thở máy, phải có máy thở để đo nỗ lực để tự thở của bệnh nhân. Khi máy thở phát hiện những thay đổi về áp lực, lưu lượng hoặc thể tích, nhịp thở của bệnh nhân sẽ xuất hiện. Áp lực và lưu lượng là các cơ chế kích hoạt bệnh nhân phổ biến (ví dụ: hít vào bắt đầu nếu phát hiện áp lực mở đường thở âm hoặc thay đổi lưu lượng). Hình 3.5 minh họa một nhịp thở được kích hoạt bởi bệnh nhân thực hiện một nỗ lực hít vào (nghĩa là, nỗ lực hít vào của bệnh nhân có thể được xác định là sự lệch áp lực dưới đường cơ bản xảy ra trước khi bắt đầu thở cơ học). Để có kích hoạt bệnh nhân xảy ra, bác sĩ lâm sàng phải chỉ định cài đặt độ nhạy, còn được gọi là kiểm soát nỗ lực của bệnh nhân (hoặc kích hoạt bệnh nhân). Cài đặt này xác định thay đổi áp lực hoặc lưu lượng cần thiết để kích hoạt máy thở. Càng ít sự thay đổi áp lực hoặc lưu lượng để kích hoạt nhịp thở, máy càng nhạy cảm với nỗ lực của bệnh nhân. Ví dụ, máy thở nhạy hơn với nỗ lực của bệnh nhân ở cài đặt − 0,5 cm H2O so với cài đặt −1 cm H2O. Các thiết bị cảm biến thường được đặt bên trong máy thở gần phía đầu ra của hệ thống; tuy nhiên, trong một số hệ thống, áp lực hoặc lưu lượng được đo tại đường thở gần.

Mức độ nhạy để kích hoạt áp lực thường được đặt ở khoảng -1 cm H2O. Bác sĩ lâm sàng phải đặt mức độ nhạy phù hợp với nhu cầu của bệnh nhân. Nếu nó được đặt không chính xác, máy thở có thể không đủ nhạy với nỗ lực của bệnh nhân và bệnh nhân sẽ phải làm việc quá sức để kích hoạt nhịp thở (Hình 3.6). Nếu máy thở quá nhạy, nó có thể tự động kích hoạt (tức là, máy kích hoạt nhịp thở mà không cần bệnh nhân nỗ lực) (Nghiên cứu trường hợp 3.1).