Mekanik ventilasyonun tarihsel gelişimi

Mekanik ventilasyon tanımı

Mekanik ventilasyon tarihine kısa bir bakış

· Mekanik ventilasyon nedir?

Mekanik ventilasyon yaşamsal bir fonksiyon olan solunum işleminin yapay olarak ventilatör adı verilen bir cihaz yardımı ile sürdürülmesidir. Günümüzde özellikle yoğun bakım hekimliğindeki hızlı gelişmeler mekanik ventilasyon uygulamasını tedavinin ayrılmaz bir parçası yapmıştır.  

· Mekanik ventilasyonun tarihsel gelişimi nasıl olmuştur?

Yaşam için gerekli iki fonksiyondan biri olan solunum ile ilgili ilk bilgiler Mısır, Çin ve Yunan kaynaklarında dikkat çekmektedir. Batılı kaynakları ele aldığımızda mekanik ventilasyon uygulamasına ait tarihi gelişim şu şekilde özetlenebilir:

İlk kez Hipokrat MÖ. 460 yılında havayı bilimsel olarak değerlendirmiş ve suda boğulma vakalarında nefes borusuna yerleştirilecek bir kanül vasıtasıyla hastaya hava gönderilmesi gerektiğini bildirmiştir.

MÖ. 380 yıllarında Aristo hayvanların havasız odalarda öldüğünü gözlemlemiş ve yaşamın sürdürülmesi için taze havanın şart olduğunu belirlemiştir.

1493'de Paracelcus yangın körüğü kullanarak bir hastada asiste ventilasyonu denemiştir.

Mekanik ventilasyon uygulamasının ilk örneği ise 1541'de Vesalius tarafından gerçekleştirilmiştir. Vesalius ölmek üzere olan bir köpeği trakeasına yerleştirdiği kanülle havalandırmış ve kalp atışlarındaki düzelmeyi saptamıştır (Şekil 1-1).

1635’de Hook toraks hareketi olmasa da akciğerlere temiz hava ulaştırılması halinde yaşamın devam ettiğini ortaya koymuştur.  

Şekil 1-1. Andreas Wesele Vesalius modern resüsitasyon hakkında bilgi veren ilk bilim adamıdır.

1763’de Smellie bir hastada trakeaya yerleştirdiği metal bir tüple solunum havasını akciğerlere yollamayı başarmıştır. 

1775’de Hunter köpeklerde ekspirasyon ve  inspirasyon için çift körüklü bir sistem kullanmıştır.

1786’da Kite ilk defa ventilasyonda volum sınırlamasının önemini ortaya koymuştur.

Courtois 1790’da ilk kez körük yerine piston silindir kullanarak yapay ventilasyonu gerçekleştirmiştir.

1864'de Alfred Jones "spirophore" adı verilen ve vücudu içine alan ilk tank ventilatörü yani negatif basınçlı ventilatörü tanıtmıştır (Şekil1- 2).  

Şekil 1- 2. Alfred E. Jones’a tarafından sunulan tank ventilatör

1876'da Woillez çelik akciğerin ilk prototipi olan “spirofor”u geliştirmiştir (Şekil1- 3).  

Şekil 1- 3. Woillez’e ait spirofor

1880'de Mac Evven'in endotrakeal tüpü geliştirmesi mekanik ventilasyon uygulamasında bir dönüm noktasıdır.

1886’daTuffer ve Hallion kaflı endotrakeal tüp ve geri solumasız valv ile ilk parsiyel akciğer rezeksiyonunu gerçekleştirmişlerdir.

1893’de Fell ve O’Dwyer, operasyon sırasında hastanın ventilasyonunu bir laringeal  kanül ve ayakla idare edilen  körük yardımıyla sağlamaya başlamışlardır. 1896’da Matas bu sisteme kompresörü de eklemiştir (Şekil 1-4).

Şekil 1- 4. Rudolph Matas’a ait yapay solunum cihazı (Endotrakeal tüp ve Fell –O’Dwyer körüğü  içermektedir) .

1909'da Janeway ve Green cerrahi kullanım için ilk intermittent (aralıklı) zorunlu pozitif basınçlı ventilatörü geliştirmişlerdir (Şekil 1-5).

Şekil 1 - 5. Janeway’nin anestezi cihazı

1911 yılında Drager resüsitasyon için pulmotoru geliştirmiştir (Şekil 1 - 6).

Şekil 1 - 6. Drager’in geliştirdiği Pulmotor

1928'de Drinker tank içi basıncın elektrikli bir motor ile değiştirilebildiği ilk çelik akciğeri tanıtmıştır (Şekil 1-7).

Şekil 1 - 7. Drinker’in geliştirdiği çelik akciğerin bir modifikasyonu

1931'de Emerson'ın geliştirdiği Drinker'in benzeri çelik akciğer 1948-49 yıllarındaki Los Angeles Polio epidemilerinde yaygın kullanım alanı bulmuştur.

Crafoord, Frenckner ve Andreason 1940 yılında “spiropulsatör” olarak adlandırılan ve “aralıklı pozitif basınç” uygulayan bir ventilatörü kullanıma sokmuşlardır.

Mörch  1941’de “aralıklı pozitif basınç” uygulayan ilk piston ventilatörü yapmıştır (Şekil 1- 8).

Şekil 1 - 8: Ernst Trier Mörch’ ün geliştirdiği piston ventilatör

Modern anlamda pozitif basınçlı mekanik ventilasyon ilk olarak, 1952 Danimarka ve 1953'de İsveç'te ortaya çıkan polio epidemilerinde Engström tarafından uygulanmıştır.

 “Erişkinin sıkıntılı solunum sendromu (Adult Respiratory Distress = ARDS)”  tedavisinde sürekli pozitif havayolu basıncı uygulanması 1971 yılında gündeme gelmiştir. Ayni yıl Oberg ve Sjöstrand yüksek frekanslı pozitif basınçlı ventilasyonu takdim etmişlerdir.

1973 yılında mekanik ventilasyonun sonlandırılmasında “aralıklı zorunlu ventilasyon uygulaması” ileri bir teknik olarak gündeme gelmiştir.

1980’den itibaren  mikroişlemci  ventilatörler hızla yaygınlaşırken “basınç kontrollü” ve “basınç destekli” ventilasyon gibi yeni modlarla günümüze kadar gelinmiştir.

Kaynaklar:

1.Pillbeam SP: Mechanical ventilation: Physiological and Clinical Application. 2nd Ed. St Louis,Mosby-Year book,Inc;1992,p 1.

2.Barach AL, Hylan AB, Petty TL: Perspective in pressure breathing. Resp Care 20:627, 1975.

3.Perel A, Stock MC: Handbook of mechanical ventilatory support. 1st Ed. Williams and Wilkins, Philadelphia,1992,p 3.

4.Kirby RR,Banner MJ, Downs JB (eds):Ventilatory support. 1st Ed Churchill Livingstone Inc, New York,1990,p 1.

SOLUNUM MEKANİĞİNE AİT TEMEL KAVRAMLAR

Ventilasyon 

Respirasyon 

Akciğer basınçları ve Basınç farkları 

Kompliyans ve Rezistans

· Ventilasyon nedir?

Spontan solunum yada spontan ventilasyon basitçe, havanın akciğer içine ve dışına hareketidir. Ventilasyonda temel amaç, oksijenden zengin havanın akciğerlere alınması ve yüksek oranda karbondioksid içeren solunum havasının dışarı atılmasıdır.

· Respirasyon nedir?

Respirasyon inhale edilen gazın membrandan geçiş hareketidir. İkiye ayrılır: Eksternal ve internal respirasyon.

Eksternal respirasyon:

Oksijenin akciğerlerden kan dolaşımına, karbondioksitin ise dolaşımdan alveollere hareketidir.

İnternal respirasyon

Hücresel düzeyde; oksijenin kandan hücre içine, karbondioksitin ise hücre dışına ve dolaşımına geçişidir.

· İnspirasyon nedir?

Ventilasyon sırasında, akciğerlere hava girişi inspirasyon olarak adlandırılır. Spontan ventilasyonda, inspirasyon toraks ve göğüs boşluğunun ekspansiyonu ile sağlanır. Bunun için  inspiratuar kasların özellikle diyafragma ve eksternal interkostal adalelerin kasılmaları gerekmektedir.

· Ekspirasyon nedir?

Akciğerlerden hava çıkışı ekspirasyon olarak adlandırılmaktadır ve normalde pasif bir olaydır.Ekspirasyon sırasında, solunum kasları gevşer, toraks boşluğunun hacmi azalır ve solunum havası alveol dışına itilir.

· Akciğerde hava hareketleri nasıl oluşur?

Akciğerde oluşan hava hareketlerinin temeli basınç değişiklikleridir. Gaz ve sıvıların daima yüksek basınç bölgelerinden, düşük basınç bölgelerine doğru hareket edeceği düşünülürse ventilasyon sırasındaki hava hareketi de ağız ve burunla başlayan “iletici havayolları" ile alveoller arasındaki basınç farkları ile ortaya çıkmaktadır. Nitekim ağız ve alveol arasındaki basınç farkı ortadan kalktığında hava akımıda durmaktadır.

· Ventilasyon sırasında oluşan basınç değişiklikleri hangi birim ile değerlendirilir?

Ventilasyon sırasındaki basınç değişikliklerinin değerlendirilmesinde birim olarak genellikle "santimetre su (cmH2O)" kullanılır. Ayrıca her basınç için bir “baseline” yani  “sıfır” değerine ihtiyaç vardır. Bu sıfır referans noktası bir atmosfer basıncına eşittir ve deniz seviyesinde *760 mmHg = 1034 cmH2O’dur.  (*:1cmH2O= 1.36mmHg)

· Solunum mekaniğinde gaz akımını sağlayan basınçlar nelerdir?

Solunum mekaniğinde başlıca 4 basınç ve bunların birbirleri ile etkileşimleri önem taşır (Şekil 2-1).

1) Ağız Basıncı (Pm): Genelde "havayolu açılma basıncı (Pawo = Airway Opening Pressure) veya "havayolu basıncı (Paw = Airway Pressure)" olarak adlandırılmaktadır. Bu değer üst havayolu yada proksimal havayollarına ait basınç olarak değerlendirilir ve üst havayoluna pozitif basınç uygulanmadığı sürece “Pawo” değeri sıfırdır.

2) Vücut yüzeyi basıncı (Pbs = Body Surface Pressure): Hasta hiperbarik oda gibi basınçlı bir odada bulunmadığı veya negatif basınçlı ventilasyon uygulanmadığı sürece bu değer de atmosferik basınca eşittir ve sıfır kabul edilir.

3) Alveoler basınç (PA) : "İntrapulmoner basınç" olarak da adlandırılır. Alveol yüzeyine yansıyan basınç değerini ifade eder.

4) İntraplevral basınç (Ppl) : Parietal ve visseral plevra arasındaki potansiyel boşluğun basıncıdır. Normal Ppl ekspirasyonun sonunda “-5 cmH2O”dur. Spontan inspirasyon sonunda bu değer yaklaşık “-10 cmH2O” değerine ulaşır.

Şekil 2 - 1: Solunum mekaniğinde gaz akımını sağlayan basınçlar ve basınç gradiyentleri.

· Ventilasyon sırasında basınç kavramlarının önemi nedir?

Akciğer volümlerinin oluşması basınç farkları sonunda oluşan gaz akımları ile mümkündür yani ventilasyonun gerçekleşmesi basınç farklarına(gradientlerine) bağlıdır. Buna göre solunum mekaniğinden başlıca 4 temel basınç farkı sorumludur (Şekil 2-1):

1)Transtorasik basınç (Pw) : Pw = PA - Pbs.

   Alveolar boşluk ve vücut yüzeyi arasındaki basınç farkıdır. Bu değer akciğerler ve göğüs duvarının ayni anda ekspanse  olması için gerekli basıncı gösterir.

2)Transhavayolu basıncı (PTA) : PTA = Paw - PA.

   Havayolu ve alveoller arasındaki basınç farkıdır. Bu formülde Paw genellikle havayolu açıkken ölçülen değerdir. ”PTA” havanın havayollarında iletiminden sorumludur ve havayollarında akıma karşı oluşan dirence bağlıdır.

3)Transrespiratuar basınç (PTR): Pawo - Pbs.   

    Havayolu açılma basıncı ve yüzey basıncı arasındaki basınç farkıdır. Bu değer özellikle pozitif basınçlı ventilasyonda inflasyon için gerekli basınç değerini gösterir. Buna göre "Pbs" atmosferik basınçdır ve genellikle sıfır kabul edilir. "Paw" ise mekanik ventilasyon sırasında ventilatör göstergesinde okunan basınç değeridir.

Transrespiratuar basınç iki komponenti içermektedir:

Pw ; elastansı yenmek için gerekli basınç yani transtorasik basınç gradienti.

PTA ; havayolu rezistansını yenmek için gereken kuvvet ayni  transhavayolu basıncı .Buna göre;

PTR = Pw + PTA = (Pawo - Pbs) = (PA - Pbs) + (Paw - PA) olarak formüle edilebilir.

4) Transpulmoner basınç (PL) : Akciğer içi ve dışı arasındaki basınç gradiyentidir. Bir başka deyişle alveol (PA) ve plevra boşluğu (Ppl) arasındaki basınç farkı olarak tanımlanabilir. PTP olarak da kısaltılmaktadır. “PTP=PL= PA- Ppl” olarak formüle edilebilir. PL alveolar insuflasyonu sürdürmekten sorumludur ve “alveolar distansiyon basıncı” olarak da adlandırılır.

· Basınç gradiyentleri ile spontan solunum arasındaki etkileşim nasıldır?

Spontan solunum sırasında oluşan hava hareketi şu şekilde özetlenebilir (Şekil 2-2).

Spontan inspirasyon sırasında, *torasik  volüm artarken, intraplevral basınç atmosferik basınca göre daha negatif hale gelmektedir. Yani negatif intraplevral basınç ekspiryum sonunda “-5 cm H2O” iken inspirasyon sonunda “-10 cmH2O”' ya yaklaşır. Bu basınç alveolar boşluğa yansır ve intraalveolar basınç (PA) atmosferik basınca göre daha negatif hale geçer*. Bu durumda transpulmoner basınç farkı (PL) artar oysa ağız veya vücut yüzeyindeki basınçlar hala atmosferiktir. Böylece ağız ve alveol arasında bir basınç gradiyenti oluşur{PTA = 0-(-10) =+ 10 cmH2O} ve ağızdan alveole doğru hava akımı başlar. Alveollerin hava ile dolması sonucu intraalveoler basınç negatif değerden yine “0”  değerine ” ulaşır. Bu esnada alveol basıncı atmosferik basınca eşittir ve akciğere daha fazla akım oluşturulamaz. Bu durum inspiryum sonunu işaret eder.

Ekshalasyon süresince solunum kasları gevşer, torasik volüm azalır ve intraplevral basınç istirahat değeri olan ”( -5 cmH2O) değerine geri döner. Alveol basıncıda elastik akciğer dokusunun büzüşmesi, diyafragma ve kostaların normal pozisyona gelmesi ile artar ve hafifçe pozitif hale geçer. Bu anda ağız basıncı intraalveol basınçtan daha düşüktür. Oluşan "transhavayolu basınç farkı" havanın akciğer dışına hareketini sağlar. Alveol ve ağız basınçları sıfıra eşitlendiği anda ekshalasyon son bulur.

Şekil 2 - 2: Spontan ventilasyon  mekaniği

· Mekanik ventilasyon sırasında basınç gradiyentleri kullanılır mı?

Mekanik ventilasyon sırasında da hava hareketi akciğer basınç gradiyentlerinin etkilenmesi ile oluşturulur.  Bu konu şu şekilde özetlenebilir :

Bütün ventilatör modları ya intraplevral basıncı azaltarak yada havayolu açılma veya intraalveoler basıncı artırarak transpulmoner basınç değerini yükseltirler. Örneğin negatif basınçlı ventilasyonda, vücut yüzey basıncı negatiftir. Bu değer plevral boşluğa yansır ve transpulmoner basınç artar. Pozitif basınçlı ventilasyonda ise vücut yüzey basıncı (Pbs) atmosferik değerde iken havayolu açılma (Pawo) ve havayolları (Pwa) basınçları pozitiftir. Böylece alveoler basınç (PA)** pozitif hale gelir ve yine “PL” artar.

· Spontan ventilasyon sırasında kompliyans ve rezistans nedir?

Ventilasyon sırasında akım ve basınç etkisi ile oluşturulan akciğer volümleri “komplians ve rezistans” olarak bilinen iki kavrama bağlıdır.

· Kompliyans (C) nedir?

Kompliyans herhangi bir yapının basınç karşısında genişleyebilme bir diğer anlamda distansiyon haline geçebilme yeteneğidir. Örneğin kolaylıkla şişebilen bir balon çok kompliyanttır. Genişlemeye dirençli maddeler ise non-kompliyant kabul edilir. Elastans (e) ise kompliansın zıttıdır. Bu durum formüle edilirse C = 1/e veya e = 1/C'dir. Elastans bir yapının gerildikten sonra orjinal şekline dönme eğilimidir. Örneğin golf topu, tenis topundan daha elastiktir. Çünkü orjinal şeklinde kalma eğilimindedir. Tenis topu ise daha kompliyanttır.

· Pulmoner fizyolojide kompliyansın rolü nedir?

Kompliyans bir anlamda basınç değişikliklerine uygun volüm değişikliği olarak  ifade edilebilir (C = DV/DP), (Şekil 2 - 3). Solunum  işlemi sırasında da basınç etkisiyle akciğerlerin genişlemesini etkileyen/engelleyen 2  önemli kuvvet vardır:

1. Elastik güçler : Akciğer ve toraksın elastik özeliklerini içerir.
2. Sürtünme kuvveti: İki faktöre bağlıdır:
1. Solunum sırasında hareket eden veya yer değiştiren doku ve organların oluşturdukları direnç,
2. Havayollarında gaz akımına karşı oluşan direnç.

İşte pulmoner fizyolojide akciğerin insuflasyonuna yani basınç değişiklikleri karşısında  genişlemesine engel olan elastik güçleri tanımlamak ve ölçmek için kompliyans kullanılmaktadır. Akciğerlerin normal kompliyansı, akciğer dokusu ve onu çevreleyen toraks dokularının kompliyansları toplamıdır. Spontan solunum sırasında total kompliyans yaklaşık “0,1 L/cmH2O”dur. Ancak kompliyans değeri kişinin postürü, pozisyonu ve  bilinç durumuna bağlı olarak değişiklik gösterir. Bu nedenle normal değeri “0,02 - 0,17 L/cmH2O (20 - 170 ml/ cmH2O)” gibi geniş bir sınır içerisinde kabul edilir.

Şekil 2 - 3: Normal akciğerde bir volum- basıç eğrisi (İşaretli bölge inspiryum sırasında elastik  güçleri yenen solunum işini gösterir)

· Mekanik ventilasyon sırasında kompliyansın rolü nedir?

Genel olarak akciğer dokusu ve toraks yapıda oluşan değişiklikler kompliyansı etkileyeceğinden mekanik ventilasyon süresince kompliyansın monitorizasyonu hastadaki değişiklikleri izlemek için değerli bir yöntemdir. Mekanik ventilasyon sırasında kompliyans ölçümü gaz akımının olmadığı anda yapılır ve "statik kompliyans (CS)" veya "efektif kompliyans" olarak tanımlanır. Pozitif basınçlı mekanik ventilasyon uygulanan entübe ve primer akciğer patolojisi olmayan  hastalarda bu değer; erkeklerde ortalama 40 - 50 ml/cmH2O, kadınlarda  35 - 45 ml/cmH2O'dur ve her iki cinsiyette 100 ml/cmH2O'ya kadar yükselebilir. Kompliansın azaldığı durumlarda aynı volümü verebilmek için uygulanan basıncın arttırılması gerekir.

· Rezistans nedir?

Ventilasyon sırasında rezistans veya  "ventilasyonla ilişkili sürtünme kuvveti" gaz akımına karşı gösterilen direnci ifade eder. Solunum sırasında hava akımına karşı oluşturulan direnç başlıca iletici havayollarının anatomik yapısına, akciğer parankim dokusuna ve diyafragma, göğüs kafesi, karın içi organları gibi  komşu organ/ dokuların hareket edebilme yeteneklerine bağlıdır. Rezistansın arttığı durumlarda alveoler düzeyde yeterli tidal volumü oluşturabilmek çin daha güçlü bir akım veya basınç gerekmektedir. 

· “Havayolu rezistans eşitliği” nedir?

Akciğerdeki gaz akımları üzerine en önemli direnç iletici havayollarına ait anatomik yapılar tarafından oluşturulmaktadır. İşte akciğerde havayollarındaki gaz akımı, basınç ve rezistans arasındaki etkileşimi tanımlayan kavrama  "havayolu rezistans eşitliği (Raw)" denilmek ve “Transairway pressure = PTA” basınç gradiyentinin akıma bölünmesi ile hesaplanmaktadır (Raw =  PTA /Akım = cm H2OL/san).

Bu eşitliğin pratik açıklaması sabit akım hızında havayolu direncinin arttığı durumlarda uygulanan basıncın çoğunun havayollarında kaybedileceği ve alveollere ulaşamayacağıdır. Doğal olarak bu durum alveollerde daha düşük basınç ve gaz değişimi için daha az volüm demektir. Diğer bir yorum da obstrükte havayollarını aşabilmek için daha yüksek gaz akımınına gereksinim duyulacağı yani solunum eforunun artacağıdır. Örneğin 0,5 L/san’lik gaz akımı sırasında akciğer patolojisi olmayan kişilerde rezistans değeri yaklaşık 0,6 - 2,4 cmH2O/L/san iken  amfizem veya astım gibi havayolu patolojileri olan hastadalarda bu değer 13-18 cmH2O/L/san’ye kadar yükselebilmekte ve alveoler ventilasyon önemli derecede azalmaktadır.  

· Mekanik ventilasyon sırasında rezistansın rolü nedir?

Mekanik ventilasyon sırasında havayolu rezistansı sıklıkla değerlendirilen bir parametredir. Çünkü mekanik ventilasyon sırasında havayollarındaki gaz akışı başlıca gazın viskositesine/ yoğunluğuna, iletici havayollarının çapına,ventilatör sistemindeki tüplerin çaplarına, uzunluklarına ve tüplerden geçen gazın akımının hızına bağlıdır. Ancak genelde mekanik ventilasyon sırasında gazın viskosite ve  dansitesi sabittir, tüp çapı ve havayolu uzunlukları da değişmemekte fakat anatomik havayollarının lümen çaplarında oluşacak  değişiklikler ventilatörden gelen gaz akımını dolayısıyla hastaya ulaşacak volümü önemli derecede etkileyecektir. Buna göre mekanik ventilasyon sırasında havayolu rezistans eşitliğini dikkatle izlemek gerekir. Ayrıca küçük çapta endotrakeal tüp kullanımı, mukozal ödem, bronkospazm ve aşırı  sekresyon da  havayolu rezistansının önemli derecede artacağını, pozisyonla da hastanın havayolu direncinin değişebileceğini unutmamak gerekir.Bu durumlarda yeterli tidal volümü hastaya ulaştırabilmek için daha yüksek akım veya basınç uygulaması şarttır.

*:Boyle yasası; sabit sıcaklıkta volüm arttıkça basınç