Ventilator waveform &Capnogram tutorial

Pichaya Petborom

Equation of motion

PTR = PE + PR

• PTR = transrespiratory pressure

• PE = elastic load (pressure to overcome elastance)

• PR = resistive load (pressure to overcome resistance)

Equation of motion

In mechanical ventilation

PTR = PE + PR

PIP = Pplat + PRaw

Equation of motion

Pressure to overcome resistance

Pressure to overcome elastance

Work of breathing

• 0ABCD0 = total WOB

• 0AECD0 = work overcome elastic force

• ABCEA = work overcome resistive force

Ventilator waveform

• Standard waveform

– Flow-time

– Pressure-time

– Volume-time

• Pressure-volume loop

• Flow-volume loop

Phase of breathing

• Beginning of inspiration

• Inspiration

• End of inspiration

• Beginning of expiration

• Expiration

• End of expiration

Ventilation phases

Phase 1: the initiation of patient effort (trigger phase)Phase 2: inspiratory flow phasePhase 3: inspiratory terminationPhase 4: expiratory phase

P-CMV

Volume A/C

PSV

V-CMV

P-SIMV

V-SIMV

Pressure A/C

P-SIMV with CPAP

PSV with CPAP

Asynchrony

• Trigger Asynchrony (Phase 1)– Trigger Asynchrony Can Occur in Any Ventilation

Mode

• Flow Asynchrony (Phase 2)– Volume Ventilation With a Fixed Flow Pattern– Pressure Ventilation With Variable Flow

• Termination Asynchrony (Phase 3)– Delayed Termination– Premature Termination

• Expiratory Asynchrony (Phase 4)

RESPIRATORY CARE FEB 2005 VOL 50 NO 2

PEEPi leads to increase WOB, ineffective triggering

Difficulty of triggering

•Before trigger threshold•Intrinsic PEEP•Inappropriate trigger sensitivity•Decrease drive•Muscle weakness

•After trigger threshold•Machine response time•Initial flow

Mode?, what’s problem ?

Flow-time waveform from Pt receiving intermittent mandatory ventilation :

Ineffective triggering in large TV

Mode ?, Problem?, cause ?

Ineffective triggering, fast rise time

สาเหตุของ ineffective effort และ triggering delay

• การลดลงของ respiratory drive

• Auto-PEEP

• Insensitive valve

• การใช้ HME

การแก้ไขได้แก่ ท าการวดัระดบั auto-PEEP และพยายามตัง้เคร่ืองช่วงหายใจเพื่อลด dynamic hyperinflation เช่น ลด TV, เพิ่มexpiratory time, ลด airway resistance นอกจากนัน้ควรเพิ่มระดบั external PEEP ในผู้ ป่วยท่ีมีข้อบง่ชีห้รือลดระดบัการกระตุ้นเคร่ืองช่วยหายใจเพื่อให้ผู้ ป่วยกระตุ้นเคร่ืองช่วยหายใจให้ง่ายขึน้

Mode ?, What’s problem ? Cause ?

Double triggering: สงัเกตว่า peak inspiratory pressure (PIP) ของการหายใจครัง้ที่ 2 จะสงูกวา่ครัง้แรกเน่ืองจากปริมาตรอากาศใน

ปอดเพิ่มขึน้

Double triggering

• Causes :– การตัง้ flow และ volume ให้กบัผู้ ป่วยไมเ่พียงพอ– ผู้ ป่วยต้องการปริมาตรอากาศหรืออตัราการไหลของอากาศท่ีสงูขึน้อยา่งทนัทีเช่น sighs, ผู้ ป่วยดงึเคร่ืองช่วยหายใจในขณะที่มีอาการไอ

• Treatment:– เพิ่ม flow และ TV ให้เพียงพอกบัความต้องการของผู้ ป่วย หรือลดความต้องการของผู้ ป่วยด้วยการให้ยาคลายเครียด, ในกรณีผู้ ป่วยถอนหายใจหรือไอให้ปลดเคร่ืองช่วยหายใจออกจากผู้ ป่วยก่อนและช่วยหายใจด้วยการบีบ ambu bag จนผู้ ป่วยดีขึน้

Mode ?, problem?, causes ?, Rx?

Pressure support, autotriggering

Autotriggering

• Causes

– Major cause : too high sensitivity set up

(P < 2 cmH2O, flow < 2-3 cmH2O

– Environmental factors:

• Non specific patient movement

• From ventilator :– Fluid thrill in circuit

– Circuit leakage : cuff, chest tube

– Cardiac osscillation

Treatment : เพ่ิมระดบั trigger threshold ให้สงูขึน้ , หาสาเหตท่ีุท าให้เกิดการร่ัวของระบบการช่วยหายใจ

Volume or pressure oriented?

Pressure-time waveform

Mode ?, Diagnosis ?Management ?

VCV , Flow starvation

VCV, flow starvation

Intrinsic PEEP in PCV

What Causes a Decreased VT During PCV?

Change in mechanics

• airway resistance:

– . e.g., bronchospasm

• respiratory system compliance . .e.g, pulmonary edema,

pneumothorax

AutoPEEP • expiratory resistance

• expiratory time

– e.g., rate, Inc. Ti

Inspiratory time • e.g., rate if I:E ratio constant

Mode, Dx ?

VCV, Auto –PEEPThe increase in peak airway pressure, which

indicates the development of trapped gas

Difficult to trigger from PEEPi

Waveform after applied PEEP

Dx ?

Dynamic hyperinflation

การวดั AutoPEEP in passive pt

The value obtained after 2-3 S of end-expiratory occlusion is the mean value after equilibration, provided the airway is

open

การวดั AutoPEEP ใน spontaneous breathing patients

Respiratory care Jan 2005 vol 50

Dx ?

Over-distension “beak” on a PV loop

Dx, Rx ?

Dx ?

Delayed termination

(Mechanical I time >

neural I time)Flow drop ช่วงท้ายแสดงว่ามีPt terminateion

Mode, Dx ?

Pressure support, delayed termination

Small inspiratoryzero flow

plateau at the end of the inspiratory

flow waveform → flow into

lung has stopped just

prior to mechanical expiration

On pressure support 10 cmH20 →premature termination

Capnogram

Ventilation

• Measured by the end-tidal CO2– Partial pressure (mmHg) or volume (% vol) of CO2

in the airway at the end of exhalation

– Breath-to-breath measurement provides information within seconds

– Not affected by motion artifact, poor perfusion or dysrhythmias

αangle

β angle

12

3

4

ETCO2

ลมหายใจที่ออกจาก anatomic dead space

Respiratory care Jan 2005

End-tidal CO2 (EtCO2)

• Reflects changes in

– Ventilation - movement of air in and out of the lungs

– Diffusion - exchange of gases between the air-filled alveoli and the pulmonary circulation

– Perfusion - circulation of blood

ประโยชน์ของ capnography• Noninvasive, real-time monitor of ventilation

• Detection of emergency situation (esophageal intubation, PE, airway obstruction, circuit disconnection)

• Assessment of effectiveness of CPR

• Assessment of responsive to bronchodilator treatment

Mainstream vs. Sidestream

Capnometer ที่นิยมใช้ปัจจุบันมี 2 ชนิด1) Main steram ข้อดีเหมาะกับ Pt ที่ on ETT เสมหะ ละอองน า้อุดตันยาก ข้อเสียเพิ่ม dead space

และเพิ่มน า้หนักบริเวณ ETT ท าให้หกังอหรือหลุด ต้อง callibration บ่อย2) Side stream ข้อดี เบา เหมาะกับ Pt ไม่ได้ใส่ ETT ข้อเสียอุดตันบ่อยเพราะท่อเล็ก อ่านค่าได้ช้ากว่า

a-A Gradient

r r Alveolus

PaCO2

VeinA te y

Ventilation

Perfusion

arterial to Alveolar Difference for CO2

Right

Ventricle

Left

Atrium

EtCO2

End-tidal CO2 (EtCO2)• Normal P(a-ET) CO2 gradient

– ปกติ ETCO2 < PaCO2 1-5mmHg เน่ืองจากภาวะปกติจะมี alveolar dead space อยูเ่ลก็น้อย

– Wider differences found

• In abnormal perfusion and ventilation » Pulmonary hypoperfusion

» PE

» Cardiac arrest

» Positive pressure ventilation (especially PEEP)

» High rate, low TV ventilation

• Incomplete alveolar emptying

• Poor sampling

Capnography Waveform

Normal range is 35-45mm Hg (5% vol)

3 key features: baseline starting at zero, sharp increase in CO2 concentration, steady alveolar plateau

Normal Waveform

45

0

Hyperventilation(decrease in ETCO2)

• Possible causes:

✓ Increase in respiratory rate

✓ Increase in tidal volume

✓Decrease in metabolic rate

✓ Fall in body temperature (hypothermia)

Waveform: Regular Shape, Plateau Below Normal

• Indicates CO2 deficiency

✓ Hyperventilation

✓ Decreased pulmonary perfusion, hypotension

✓ Hypothermia

✓ Decreased metabolism

• Interventions

✓ Adjust ventilation rate

✓ Evaluate for adequate sedation

✓ Evaluate anxiety

✓ Conserve body heat

Hypoventilation(increase in ETCO2)

• Possible causes:

✓Decrease in respiratory rate

✓Decrease in tidal volume

✓ Increase in metabolic rate

✓Rapid rise in body temperature (hyperthermia)

Waveform: Regular Shape, Plateau Above Normal

• Indicates increase in ETCO2✓ Hypoventilation

✓ Respiratory depressant drugs

✓ Increased metabolism, hypertermia

• Interventions

✓ Adjust ventilation rate

✓ Decrease respiratory depressant drug dosages

✓ Maintain normal body temperature

Dx ?

4 5

0

bronchospasm

• Bronchospasm hampers ventilation

– Alveoli unevenly filled on inspiration

– Empty asynchronously during expiration

– Asynchronous air flow on exhalation dilutes exhaled CO2

• Alters the ascending phase and plateau

– Slower rise in CO2 concentration

– Characteristic pattern for bronchospasm

– “Shark Fin” shape to waveform

Capnography Waveform Patterns

45

0

Hypoventilation

Normal

45

0

45

0

Bronchospasm

Hyperventilation

45

0

Slow-timeconstant

alveolar units continue to mix alveolar gas with

dead-space gas. Prolonging the expiratory phase allows

the end-tidal CO2 (PETCO2) to be more reflective of PaCO2.

Dx ?

“Melting away” of the alveolar plateau Dx: pneumothorax

Cause?

Capnogram with a rising baseline (A): indicates clinically important rebreathing of CO2

which may be due to mechanical problems or therapeutic use of mechanical dead space

ปัจจยัท่ีมีผลต่อค่า ETCO2

Decrease ETCO2 Increase ETCO2

Decrease CO2 production• hypothermia, anesthesia, hypothyroid

Increased CO2 production•Fever, shivering, hyperthyroidism, NaHCO3, light anesthesia, malignant hyperthermia, tourniquet release

Increase CO2 elimination•hyperventilation

Decrease CO2 elimination•Hypoventilation, rebreathing, bronchial intubation

Decreased pulmonary blood flow•Reduced CO, hypovolemia, PE, cardiac arrest

Increase pulmonary blood flow•Increase CO

Technical errors•Curcuit disconnection, sampling tube leak, ventilator malfunction, airway obstruction, accidental tracheal extubation

Technical errors•Exhausted CO2 absorber, inadequate fresh gas flows, faulty valves, leaks in breathing system, faulty ventilator

Sudden Loss of Waveform

✓ Apnea

✓ Airway Obstruction

✓ Dislodged airway (esophageal)

✓ Airway disconnection

✓ Ventilator malfunction

✓ Cardiac Arrest

• Hyperventilation

Causes ?

• Esophageal intubation

• Cardiac arrest

• Pulmonary embolism

• ค่า ETCO2 ต ่าลงจนเป็นศนูย์อย่างรวดเร็ว

Dx ?

• Rebreathing

• CO2 absorber malfunction

• Baseline ไม่แตะศนูย์

Faulty Ventilator Circuit Valve

• Baseline elevated

• Abnormal descending limb of capnogram

• Allows patient to rebreath exhaled gas

Inadequate Seal Around ETT

• Possible causes:

✓Leaky or deflated endotracheal or tracheostomy cuff

✓Artificial airway too small for the patient

Obstruction

• Possible causes (upslant ของระยะท่ี 2 ):✓ Partially kinked or occluded artificial airway

✓ Presence of foreign body in the airway

✓ Obstruction in expiratory limb of the breathing circuit

✓ Bronchospasm

• Muscle relaxants

• General anesthesia✓ The cleft on the alveolar plateau is due to spontaneous

respiratory effort

Muscle Relaxants

• “Curare Cleft”:✓ Appears when muscle relaxants begin to subside

✓ Depth of cleft is inversely proportional to degree of drug activity

• Normal capnogram

✓ Spontaneous ventilation in children

✓ Sampling from nasal cannula or O2 mask in adults

• Esophageal intubation

• Capnogram indicating a fluttering expiratory valve with

• rebreathing

Capnogram indicating a fluttering expiratory valve withrebreathing

Capnogram indicating patient-ventilator asynchrony during

intermittent mandatory ventilation. The arrows indicate spontaneous breaths.

Fighting ☺