FISIOPATOLOGIA DELL’INSUFFICIENZA

RESPIRATORIA ACUTA.

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IRA: fisiopatologia

ENDURANCE DEI MUSCOLI RESPIRATORI CARICO RESPIRATORIO

BPCO

NEUROMUSCOLARI

NORMALE

MIP norm.

> > RAW> PEEPi dynMIP ridotta

MEP ridottaMIP ridotta

PTI norm.

PTI >>

PTI >>>

FATICA MUSCOLAREFATICA MUSCOLARE

Condizione in cui vi e’ una perdita della capacita’di sviluppare forza e/o velocita’ in risposta ad un carico e che e’ reversibile con il riposo.

(NHBLI-Workshop.Am.Rev.Respir.Dis.1990;142:474-480)

Vitacca M. et al. ERJ 1996;9:1487-1493

Acute exacerbations in COPDPredictors for NIV (n=39)

Acute exacerbations in COPDPredictors for NIV (n=39)

ParametersWeight, kg

NPIApache II, score

pHPaCO2, kPaMIP, cmH20FEV1, % pred.

ParametersWeight, kg

NPIApache II, score

pHPaCO2, kPaMIP, cmH20FEV1, % pred.

Failure53 (12)46 (22)20 (7)

7.34 (0.03)7.8 (1.3)40 (22)26 (11)

Failure53 (12)46 (22)20 (7)

7.34 (0.03)7.8 (1.3)40 (22)26 (11)

Success67 (16)

24 (8) @12 (3)

7.36 (0.03)6.2 (1.0)50 (19)

41 (18) @

Success67 (16)

24 (8) @12 (3)

7.36 (0.03)6.2 (1.0)50 (19)

41 (18) @

0

10

20

30

40

50

60

70

80

< 7,20 7,21-7,25 7,26-7,30 7,31-7,35

Soo Hoo, CHEST 2000

RESPONSE TO THERAPY in COPD RELAPSE

% of Intubation

< 7.20 7.21-7.25

7.26- 7.30 7.31.7.35

Time tonor.h

69±60 36±29 31±24 30±18

Death,%

50 20 8 0

TimeEI

2±2 5±4 8±10 13±18

Death%

21 6 9 5

NMV has a role ?

Paw

VT

Pes

SB PSV

PEEPe

PEEPidyn

Psyche

brain

spinal cord

peripheral nerve

neuromuscularjunction

Muscle cell membrane

transverse tubular system

calcium release

actin myosin cross bridgeformation

FORCE

Fatica centrale: diminuzione del drive centrale (volontario o meno)

Fatica di trasmissione: nervo o giunzioneneuromuscolare

Fatica contrattile: difetto di risposta per un accumulo di sostanze tossiche

• PRESENTANO ALTERAZIONI STRUTTURALI• DISUSO E IPOSSIEMIA • LA FORZA CONTRATTILE• LA SOGLIA DI FATICA• L’ENDURANCE SONO RIDOTTE• IL METABOLISMO OSSIDATIVO E RIDOTTO• LA MASSA MAGRA E RIDOTTA• > CATABOLISMO = ridotta tolleranza allo sforzo

MUSCOLI e COPD

V’L.sec-1

PaocmH2O

PoescmH2O

VTL

PATTERN RESPIRATORIO

VT

Pdi

Pes

Pes max

TTI= Pes/Pesmax*TiTtot*100Stop flow

Pes

Pes max

TTI= Pes/Pesmax* TiTtot* 100

PES = 10 cmH20; Pes max 40 cmH20PES = 10 cmH20; Pes max 25 cmH20Pes = 20 cmh20; Pes max 35 cmH20

50

100

RV FRC TLC

Fatigue area

Non fatigue area

Critical zone

< 45 mmHg

> 45 mm Hg

Roussos CHEST 1985

Pres

sure

% m

ax

% MVV

Endurance time (min)0 5 10 15

100

75

50

MVV

MSV

0 50 75 100 125 150

-125

-75

-25

Pimax(cmH2O)

% della CPT

Ppl

Pab

Upper rib cage

diaphragm

zone of opposition

lower rib cage

EFFETTI DELLA IPERINFLAZIONE SUL DIAFRAMMAEFFETTI DELLA IPERINFLAZIONE SUL DIAFRAMMA

• LUNGHEZZA ( meccanismo di adattamento)

• GEOMETRIA (legge di Laplace)

• GRANDEZZA DELLA COMPONENTEOPPOSIZIONALE E INSERZIONALEDELL’AZIONE DIAFRAMMATICA

• EFFETTI DELLE DIFFERENTI PARTI DEL DIAFRAMMA ( arrangiamento meccanico)

pressure

volu

me

healthy

obstructed

PEEP

Resistive and PEEPi WOB

SB

PTP es

Addome+

++

+ -

+torace

SINCRONA ASINCRONA PARADOSSOSINCRONA ASINCRONA PARADOSSO

Medical disorders for wich assessment of RM is needed before surgical approach

1. COPD2. obesity3. Kyphosoliosis4. Neuromuscular5. Poor nutritional status6. Steroids therapy7. Endocrine diseases

Pressure

0

Time s

0,1

P0.1

stimulus

Phrenic nerve latency

MECCANISMI PATOGENICI CHE PORTANO ADIPOSSIEMIA E IPERCAPNIA ARTERIOSA

DIFETTOFUNZIONALE

IPOVENTILAZIONE

ALTERATADIFFUSIONE

ALTERATORAPPORTO V / Q

SHUNTS DX-SX

INSUFFICIENZA RESPIRATORIA IPOSSIEMICA

o Ipoventilazione alveolareo Alterato rapporto V/Qo Shunt intrapolmonario Ridotta diffusione all’ O2o Ridotta pressione inspiratoria parziale di O2 (altitudine)

INTRAPOLMONARI

o Ridotta frazione inspiratoria di O2 o Portata cardiacao Concentrazione di Hbo Il valore di P50 della curva di dissociazione dell' Hbo pHo consumo di O2

EXTRAPOLMONARI

o Alveolari: polmoniti; atelettasie; enfisema polmonare; EPAo Interstiziali: pneumopatie; pneumoconiosi; sarcoidosi; ARDSo Vascolari: embolia polmonare; ipertensione polmonare primitiva

o Shock, insufficienza epatica, sindrome uremicao Sepsi, peritonitio post-traumao post-chirurghicio emorragie

MECCANISMI

CAUSE

MECCANISMI

CAUSE

meccanismi patogenici dell' ipossiemia

A) IPOVENTILAZIONE ALVEOLARE B) SHUNT DX-SX

IPOSSIEMIAIPOSSIEMIAIPERCAPNIA ALVEOLO ALVEOLO

FLUSSOEMATICO

POLMONARESHUNTVENA ARTERIA

FLUSSOEMATICO

C) ALTERATO RAPPORTO V / Q

IPOSSIEMIAIPERCAPNIA

D) ALTERATA DIFFUSIONE

MEMBRANAISPESSITA

MEMBRANAISPESSITA

V ELEVATO

Q RIDOTTO

V ELEVATO

Q RIDOTTO

V RIDOTTA

Q ELEVATO

V RIDOTTA

Q ELEVATO

VENAARTERIA

AB

. .

...

CAUSE DI INSUFFICIENZA RESPIRATORIA IPERCAPNICA

o Ipoventilazione alveolare centraleo Chemosensitivit geneticamente depressao Ipotiroidismoo Diuretici e ventilazione meccanica -> alcalosi metabolicao Errato uso ipnotici, sedativi, narcotici

RIDUZIONE DRIVE INSPIRATORIO

o ↑ Resistenze delle vie aereeo ↓ Compliance gabbia toracicao ↓ Compliance del polmoneo ↑ Iperinflazione dinamica toracica (PEEPi)

AUMENTATO CARICO INSPIRATORIO

o Iperinflazione statica e/o dinamica del toraceo Affaticamento muscolare

DISFUNZIONE DEI MUSCOLI INSPIRATORI

o BPCOo ObesitÓo ARDS

COMBINAZIONE DELLE CAUSE SOPRAELENCATEo Malattie neuromuscolario Trauma toracicoo Disturbi della gabbia toracica

PATOLOGIEMIDOLLARI

↓ DELLA RISPOSTAVENTILATORIA ALLA

IPERCAPNIA E IPOSSIA

DEPRIVAZIONEDI SONNO

RISVEGLI

APNEE DEL SONNODI ORIGINE CENTRALE PaCO2 ↑

PaO2 ↓

PATOLOGIEDELLA GABBIA

TORACICA

DEBOLEZZA MUSCOLIRESPIRATORI

↓ COMPLIANCE DELPOLMONE E DELLAGABBIA TORACICA

↑ DELLE RESISTENZEAL FLUSSO

↓ VOLUMECORRENTE

↑ SPAZIOMORTO

FISIOLOGICO

↑ FREQUENZARESPIRATORIA

↑ Ti / Ttot COMPARSADI FATICAMUSCOLI

RESPIRATORI

PATOLOGIEDELLE VIE

AEREESUPERIORI

OSTRUZIONEPARZIALE

FATICA DEIMUSCOLI

DILATATORI

APNEE DEL SONNODI ORIGINE OSTRUTTIVA

ALTERATO RAPPORTOVENTILAZIONE / PERFUSIONE

PATOLOGIEPARENCHINALI

CAUSE NON POLMONARI DI INSUFFICIENZA RESPIRATORIA

ENCEFALITE

DISORDINI SISTEMANERVOSO AUTONOMO

APNEA DEL SONNODI ORIGINE CENTRALE

ABUSO SEDATIVI

POLIOMELITE

QUADRIPLEGIA

PATOLOGIA DELMOTONEURONE

MIASTENIA

DISTROFIA MUSCOLARE

MIOPATIE CONGENITE

OBESITA'

MALNUTRIZIONE

TRAUMA TORACICO

CIFOSI

SCOLIOSI

++

++

++

++

++

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

++

++

++

++

++

++

++

++

++

+

++

+

RIDOTTODRIVE

VENTILATORIO

OSTRUZIONEVIE AEREESUPERIORI

↓ COMPLIANCEGABBIA

TORACICA

FATICAMUSCOLI

RESPIRATORI

CAUSE DI IPOSSIEMIA

Apnea

Inability to Oxygenate

Inability to Ventilate

Inability to Protect Airway

Anatomical AirwayObstruction

Unstable CardiovascularStatus

Chest Wall Integrity

Cardiac Arrest

Excessive Secretion

CNS pathology, respiratory drive depression, muscular weakness

ARDS, pneumonia, apnea

CNS depression, respiratory drivedepression, muscular weakness

Coma, GI bleed, overdose convulsion, trauma

Tumor, edema, head andneck trauma

Recent cardiac arrest, multiplesystem disease

Trauma, pleural fistula pneumothorax

To be determined

Aspiration, bronchorhea

RESPIRATORY FAILURE

PUMP FAILURE

ALVEOLARHYPOVENTILATION

PCO2 PO2 PCO2 PO2Normal

LUNG FAILURE

IMPAIRED GASEXCHANGE

Upper AirwayMuscleWeakness

InspiratoryMuscleWeakness

ExpiratoryMuscleWeakness

PharyngealNarrowing

ImpairedSwallowing

Reduced Lung& Chest WallCompliance

Low TLC

Poor Cough

Increased RV

ObstructiveSleep Apnoeas

Rapid RespiratoryFrequency

Low TidalVolume

ChestInfections

Ventilation / PerfusionMismatching

IncreasedTi / Ttot

IncreasedPhysiologicalDead Space

Low VC

InspiratoryMuscleFatigue

Increased Workof Respiration

PCO2

PO2

HEARTHb

TISSUES

O2

O2

LUNG

HEART Hb

O2

O2

INSUFFICIENZA RESPIRATORIA

IPERCAPNIA ANOSSIAAUMENTO

DELLE SECREZIONI

AUMENTODELLE

RESISTENZEPOLMONARI

ISCHEMIA MIOCARDICA

INSUFF. VENTRICOLARE

SINISTRA

INSUFF.VENTRICOLARE

DESTRA

ACIDOSI

ALTERAZIONINEUROPSICHICHE

>RESISTENZE POLMONARIVASOCOSTRIZIONE CUTANEA

E VISCERALE

>DRIVE RESPIRATORIO>VOLUME MINUTORESPIRO CHEINE-STOCKESAPNEA

>CATECOLAMINETACHICARDIAIPERTENSIONE ARTERIOSAVASOCOSTRIZIONERENALEDISTURBI DEL RITMO

RAPPORTO VENTILAZIONE / PERFUSIONE

A

B A B

P

Sanguearterioso

Sanguevenosomisto

Aria

INSUFFICENZA VENTRICOLARE SX

CPAP Mask

SaO2 75 SaO2 90

COCO22OO22

IPOSSIEMIA= pO2 <60 mmHg o SatO2 < 90%

• Ipoventilazione alveolare

• Alterazione della diffusione

• Alterazione del rapporto ventilazione/perfusione

• Shunt destro/sinistro

Possibili cause:Possibili cause:

Spazio morto anatomico =

150 ml

350 ml

IPOVENTILAZIONE ALVEOLAREIPOVENTILAZIONE ALVEOLARE

Aumento PaCO2 PaCO2 = VCO2

VASomministrazione di O2 PaO2 aumenta

1

2

IPOSSIEMIA= pO2 <60 mmHg o SatO2 < 90%

• Ipoventilazione alveolare

• Alterazione della diffusione

• Alterazione del rapporto ventilazione/perfusione

• Shunt destro/sinistro

Possibili cause:Possibili cause:

OO22

alveolo capillare

COCO22

100 100 mmHgmmHg

40 40 mmHgmmHg

40 40 mmHgmmHg46 46 mmHgmmHg

DIFFUSIONE ALVEOLODIFFUSIONE ALVEOLO--CAPILLARECAPILLARE

50

75

100

0 0.25 0.5 0.75 1

Tempo di permanenza di un eritrocita nel capillare alveolare = 0.75 s

pO2

s

PO2 alveolare

ALTERAZIONE DELLA DIFFUSIONEALTERAZIONE DELLA DIFFUSIONE

COCO22

RAPPORTO VENTILAZIONE/PERFUSIONERAPPORTO VENTILAZIONE/PERFUSIONE

V

Q

= 1

OO22

OO22

COCO22

0

50

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

pOpO22

%HbO%HbO22

TT

pCOpCO22

pHpH

0

5

10

15

20

0 200 400 600 800

O2 100%

SHUNTSHUNTO2

ml/100 ml

PO2 mmHg

PCO2 arteriosa = 35-45 mmHg

Ventilazione PaCO2 = VCO2

VA•Ipoventilazione

•Alterazione ventilazione/perfusione

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100

HbOHbO22%%007575

97.597.5

COCO2 2 discioltadisciolta

Volumi %Volumi %

COCO22 plasmaplasma

pCOpCO22

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

arterioso venoso misto

carbamino

carbonati

disciolta

COCO22 nel sanguenel sangue

(HCO3-)

PCO2

pH arterioso = pK + log = 7.4

Acidosi = pH

Alcalosi = pH

CO2 + H2O H2CO3 H+ +HCO3-

Equilibrio acidoEquilibrio acido--basebase

(<7.35)

(>7.45)

CO2+H2O

H2CO3

HH+++ HCO+ HCO33--

HCOHCO33--

NaNa+ + ++CO2+ KHbO2

KHb CO2 +O2

H+ + KHbO2

O2 +HHb + K+

Reazioni Reazioni catabolichecataboliche

COCO22

CO2 + H2O H2CO3

TESS

UTI65%

27%

8%8%

PERIFERIAPERIFERIA

CAPILLARE ALVEOLARECAPILLARE ALVEOLAREALV

EOLO

OO22

O2+ HHb + HCO3- HCO3

-

Na+ +

H2CO3

+ H2OCO2

CO2

HbO2

pH 7.30

PaCO2 75

PaO2 60

HCO3- 33

BE 5

O2 sat 91%

acidosiipercapniaipossiemiaSistemi tampone alti

ACIDOSI ACIDOSI RESPIRATORIARESPIRATORIA

pH 7.30

PaCO2 30

PaO2 68

HCO3- 18

BE -4

O2 sat 94%

acidosiipocapnianormossiemiaSistemi tampone bassi

ACIDOSI ACIDOSI METABOLICAMETABOLICA

pH 7.50

PaCO2 24

PaO2 68

HCO3- 18

BE -4

O2 sat 94%

alcalosiipocapnianormossiemiaSistemi tampone bassi

ALCALOSI ALCALOSI RESPIRATORIARESPIRATORIA

pH 7.50

PaCO2 55

PaO2 68

HCO3- 42

BE 14

O2 sat 94%

alcalosiipercapnianormossiemiaSistemi tampone alti

ALCALOSI ALCALOSI METABOLICAMETABOLICA

05

101520253035404550

6.9 7.1 7.3 7.5 7.7

PCO2=40

POMPA RESPIRATORIA

DRIVE RESPIRATORIOCOMANDO DEL SNC

CAPACITA' DIPOMPA

POMPA MUSCOLARE RESPIRATORIA

CARICO SULLA POMPA

PROCESSODI AFFATICAMENTO

SCOLIOSI DEFORMITA' DELLA CASSATORACICA

ALTERATA FUNZIONE E STRUTTURASISTEMA RESPIRATORIO

COMPLIANCE SVANTAGGI MECCANICA MALDISTRIBU. VASI POLMO.MUSCOLI INSPIR. VENT/PERF.

RIDOTTA RISPOSTA FATICA MM AUMENTO RICHIESTA CO2 ventilatoria Vd/Vt A-a D02

ETA' ipertenpolmo

IPOSSIEMIA IPERCAPNIA

INSUFFICIENZA RESPIRATORIA

FARMACI FATT.METABOLICI SNC BPCO MALAT. RESTRIT.

DRIVE CENTRALE ECCESSIVO CARICOMUSCOLI RESPIRATORI

INSUFFICIENZA RESPIRATORIA

ENDURANCE INADEGUATA DEIMUSCOLI RESPIRATORI

MALNUTRIZIONEMAL.NEUROMUSCOLARI

FATT.METAB. IPERINFLAZION

COPD

> RESISTANCES < RECOIL

< FLOW , HYPERINFLATION , V/Q ABNORM.EXACERBATION

viral bacterial fliud imbalanceirritants cardiac dysfunction

exudate, inflammation lung oedemamuscle constriction recoil uncoupling< AIRWAY DIAMETER>resistances, muscle impair.Hyperinflation,V/Q abnormVENTILATORY FAILURE

Bronchospasm> airway mucusairway inflammation

> RAWAir trappingDiaphragmflattering

> PEEPi > elastic recoilMusclesweakness

Respiratory muscle failure

dyspnoea > work of breathing

< VT > PaCO2

Airspace collapse, alveolar fillingobesity

Low VA/Q shunthypoxia

Surfactant abnsairspace filling< Crspost-op changes

Airway narrowingalveolar hypoventilation

Airspace closure

Low VA/Q shunt

hypoxemia

< venous return< LV afterload

> FiO2PEEP

PEEP

CPAP/PEEPIPAP

CPAP/PEEPIPAP

> FiO2

Ppl

Pab

Upper rib cage

diaphragm

zone of opposition

lower rib cage

EFFETTI DELLA IPERINFLAZIONE SUL DIAFRAMMAEFFETTI DELLA IPERINFLAZIONE SUL DIAFRAMMA

• LUNGHEZZA ( meccanismo di adattamento)

• GEOMETRIA (legge di Laplace)

• GRANDEZZA DELLA COMPONENTEOPPOSIZIONALE E INSERZIONALEDELL’AZIONE DIAFRAMMATICA

• EFFETTI DELLE DIFFERENTI PARTI DEL DIAFRAMMA ( arrangiamento meccanico)

0 50 75 100 125 150

-125

-75

-25

Pimax(cmH2O)

% della CPT

INSUFFICIENZA RESPIRATORIAINSUFFICIENZA RESPIRATORIA

INSUFFICIENZA DIPOMPA TORACICA

INSUFFICIENZA DIPOMPA TORACICA

INSUFFICIENZA DIPARENCHIMA

INSUFFICIENZA DIPARENCHIMA

IPOVENTILAZIONEALVEOLARE

IPOVENTILAZIONEALVEOLARE

ALTERATI SCAMBIGASSOSI

ALTERATI SCAMBIGASSOSI

↑ PaCO2 ↓ PaO2

↑ PaCO2 ↓ PaO2

= PaCO2 ↓ PaO2

= PaCO2 ↓ PaO2

FLOW (L/m)

PAO(cmH2O)

VT(ml)

PES(cmH2O)

SPONTANEOUS BREATHINGSPONTANEOUS BREATHING

PTP PTP esesPeepiPeepi dyndyn

pressure

volu

me

healthy

obstructed

PEEP

Resistive and PEEPi WOB

FLOW (L/m)

PAO(cmH2O)

VT(ml)

PES(cmH2O)

PDI(cmH2O)

RespiratoryRespiratory MuscleMuscle StrengthStrength

PES MAX

PDI MAX

Time (sec)

PDI max

PDIX Ti/Ttot / 100TTi =

50

100

RV FRC TLC

Fatigue area

Non fatigue area

Critical zone

< 45 mmHg

> 45 mm Hg

Roussos CHEST 1985

Pres

sure

% m

ax

Pressure

0

Time s

0,1

P0.1

Addome+

++

+ -

+torace

SINCRONA ASINCRONA PARADOSSOSINCRONA ASINCRONA PARADOSSO

Primary discharge diagnosis and ICD-9-M codes

COPD 32,7Respiratory failure 11,9Pneumonia 13,1Upper respiratory tract infections 6,0Lung malignancy 1,8Other respiratory 1,8Heart failure 12,0Ischemic heart disease and

acute myocardial infarction 4,7Arrhytmias 1,3Other cardiovascular 2,5

Diagnosis %

69,8%

20,4%

previous lung function, previous ADL, age,

hypercapnia, muscles, nutrition, comorbility.

PredictivePredictive factorsfactorsforfor ARFARF