Мониторинг концентрации углекислого газа в дыхательных газах

Введение

Капнография – это мониторинг концентрации или парциального давления углекислого газа в дыхательных газах. Основное развитие она получила как инструмент мониторинга, используемый во время анестезии и интенсивной терапии. Обычно она представляется в виде графика (измеряемого в килопаскалях, "kPa" или миллиметрах ртутного столба, "mmHg"), отображающего изменение показателя во времени, или, реже, но более информативно, в зависимости от выдыхаемого объема (известного как объемная капнография). На графике также может отображаться вдох, что важно при использовании систем повторного дыхания. Измерение, выполненное в конце выдоха, называется "концевым приливным" (PETCO2). Капнограмма является прямым монитором вдыхаемой и выдыхаемой концентрации или парциального давления углекислого газа, и косвенным монитором парциального давления углекислого газа в артериальной крови. У здоровых людей разница между парциальным давлением углекислого газа в артериальной крови и выдыхаемом газе очень незначительна (нормальная разница 4–5 мм рт. ст.). При большинстве заболеваний легких и некоторых врожденных пороках сердца (цианотических) разница между парциальным давлением углекислого газа в артериальной крови и выдыхаемом газе увеличивается, что может указывать на новую патологию или изменение в системе сердечно-сосудистой вентиляции.

Медицинское применение

Оксигенация и капнография, хотя и взаимосвязаны, остаются различными элементами в физиологии дыхания. Вентиляция относится к механическому процессу, при котором легкие расширяются и обмениваются объемами газов, однако дыхание описывает обмен газами (в основном кислородом и углекислым газом) на уровне альвеол. Процесс дыхания можно разделить на две основные функции: выведение отходов и пополнение тканей свежим кислородом. Оксигенация (обычно измеряется с помощью пульсоксиметрии) измеряет последнюю часть этой системы. Капнография измеряет выведение углекислого газа, что может быть более клинически значимо, чем оценка оксигенации. Во время нормального цикла дыхания один вдох можно разделить на две фазы: вдох и выдох. В начале вдоха легкие расширяются и свободные газы заполняют легкие. По мере заполнения альвеол этим новым газом, концентрация газа, заполняющего альвеолы, зависит от вентиляции альвеол и перфузии (кровотока), которая доставляет кислород для обмена. Как только начинается выдох, объем легких уменьшается, поскольку воздух выталкивается из дыхательных путей. Объем углекислого газа, выдыхаемого в конце выдоха, образуется как побочный продукт метаболизма в тканях по всему телу. Доставка углекислого газа в альвеолы для выдоха зависит от целостной сердечно-сосудистой системы, обеспечивающей адекватный кровоток из тканей в альвеолы. Если сердечный выброс (количество крови, выкачиваемой сердцем) снижается, способность к транспортировке углекислого газа также снижается, что отражается в уменьшении выдыхаемого количества. Взаимосвязь между сердечным выбросом и конечным титрационным давлением углекислого газа линейна: при увеличении или уменьшении сердечного выброса количество углекислого газа также изменяется в ту же сторону. Следовательно, мониторинг конечного титрационного давления углекислого газа может предоставить важную информацию о целостности сердечно-сосудистой системы, в частности, о том, насколько хорошо сердце способно перекачивать кровь. Количество углекислого газа, измеряемое при каждом вдохе, требует, чтобы сердечно-сосудистая система обеспечивала доставку углекислого газа в альвеолы, которые являются функциональной единицей легких. Во время первой фазы выдоха углекислый газ, транспортируемый в легкие, занимает определенное пространство, которое не участвует в газообмене, называемое мертвым пространством. Вторая фаза выдоха – это когда углекислый газ внутри легких выталкивается вверх по дыхательным путям на пути к выходу из тела, что вызывает смешение воздуха из мертвого пространства с воздухом в функциональных альвеолах, ответственных за газообмен. Фаза III – это заключительная часть выдоха, которая отражает углекислый газ только из альвеол, а не из мертвого пространства. Эти три фазы важно понимать в клинических ситуациях, поскольку изменение формы и абсолютных значений может указывать на нарушение дыхательной и/или сердечно-сосудистой системы.

Oxygenation and capnography, although related, remain distinct elements in the physiology of respiration. Ventilation refers to the mechanical process of which the lungs expand and exchange volumes of gasses, however respiration further describes the exchange of gasses (mainly and ) at the level of the alveoli. The process of respiration can be divided into two main functions: elimination of waste and replenishing tissues with fresh Oxygenation (typically measured via pulse oximetry) measures the latter portion of this system. Capnography measures the elimination of which may be of greater clinical usefulness than oxygenation status. During the normal cycle of respiration, a single breath can be divided into two phases: inspiration and expiration. At the beginning of inspiration, the lungs expand and free gasses fill the lungs. As the alveoli are filled with this new gas, the concentration of that fills the alveoli is dependent on the ventilation of the alveoli and the perfusion (blood flow) that is delivering the for exchange. Once expiration begins to occur, the lung volume decreases as air is forced out the respiratory tract. The volume of that is exhaled at the end of exhalation is generated as a by product of metabolism from tissue throughout the body. The delivery of to the alveoli for exhalation is dependent on an intact cardiovascular system to ensure adequate blood flow from the tissue to the alveoli. If cardiac output (the amount of blood that is pumped out of the heart) is decreased, the ability to transport is also decreased which is reflected in a decreased expired amount of The relationship of cardiac output and end tidal is linear, such that as cardiac output increases or decreases, the amount of is also adjusted in the same manner. Therefore the monitoring of end tidal can provide vital information on the integrity of the cardiovascular system, specifically how well the heart is able to pump blood. The amount of that is measured during each breath requires an intact cardiovascular system to delivery the to the alveoli which is the functional unit of the lungs. During phase I of expiration, the transported to the lungs gas occupies a given space that is not involved in gas exchange, called dead space. Phase II of expiration is when the within the lungs is forced up the respiratory tract on its way to leave the body, which causes mixing of the air from the dead space with the air in the functional alveoli responsible for gas exchange. Phase III is the final portion of expiration which reflects only from the alveoli and not the dead space. These three phases are important to understand in clinical scenarios since a change in the shape and absolute values can indicate respiratory and/or cardiovascular compromise.

Анестезия

Во время анестезии происходит взаимодействие между двумя компонентами: пациентом и аппаратом для подачи анестезии (которым обычно является дыхательный контур и аппарат искусственной вентиляции легких). Критическим соединением между этими компонентами является либо эндотрахеальная трубка, либо маска, и мониторинг обычно осуществляется в этой точке соединения. Капнография напрямую отражает выведение углекислого газа легкими в аппарат анестезии. Косвенно, она отражает продукцию углекислого газа тканями и его транспорт к легким посредством кровообращения. Когда концентрация выдыхаемого углекислого газа соотносится с объемом выдыхаемого воздуха, а не со временем, площадь под кривой представляет собой объем углекислого газа в выдохе, и, следовательно, в течение минуты этот метод позволяет определить скорость выведения углекислого газа в минуту – важный показатель метаболизма. Внезапные изменения скорости выведения углекислого газа во время операций на легких или сердце обычно указывают на значительные изменения в кардиореспираторной функции. Показано, что капнография более эффективна, чем только клиническая оценка, в раннем выявлении неблагоприятных респираторных событий, таких как гиповентиляция, интубация пищевода и отсоединение контура, что позволяет предотвратить повреждение пациента. Во время процедур, выполняемых под седацией, капнография предоставляет более полезную информацию, например, о частоте и регулярности дыхания, чем пульсоксиметрия. Капнография обеспечивает быстрый и надежный метод выявления состояний, угрожающих жизни (неправильное положение трахеальной трубки, неожиданная дыхательная недостаточность, нарушение кровообращения и неисправности дыхательного контура), и предотвращения потенциально необратимых повреждений пациента. Согласно закрытому исследованию ASA (Американского общества анестезиологов), совместное использование капнографии и пульсоксиметрии могло бы помочь предотвратить 93% предотвратимых анестезиологических осложнений.

Службы экстренной медицинской помощи

Капнография все чаще используется сотрудниками скорой медицинской помощи для оценки и лечения пациентов в догоспитальной обстановке. К областям применения относятся подтверждение и мониторинг положения эндотрахеальной трубки или воздуховодного устройства, вводимого без визуального контроля. Правильно установленная трубка в трахее обеспечивает проходимость дыхательных путей пациента и позволяет парамедику проводить искусственную вентиляцию легких. Неправильно установленная трубка в пищеводе может привести к смерти пациента, если это не будет вовремя обнаружено. Исследование, опубликованное в журнале Annals of Emergency Medicine в марте 2005 года, сравнивало интубации, выполненные в полевых условиях с использованием непрерывной капнографии для подтверждения правильности установки трубки, и интубации, выполненные без ее использования. Результаты показали нулевое количество нераспознанных ошибок установки трубки в группе с мониторингом по сравнению с 23% ошибок в группе без мониторинга. Американская ассоциация сердца (AHA) подтвердила важность использования капнографии для подтверждения положения трубки в своих рекомендациях по сердечно-легочной реанимации и экстренной сердечно-сосудистой помощи за 2005 год. В своих новых рекомендациях AHA также отмечает, что капнография, косвенно измеряющая сердечный выброс, может использоваться для мониторинга эффективности сердечно-легочной реанимации и в качестве раннего признака восстановления спонтанного кровообращения (ROSC). Исследования показали, что при утомлении человека, проводящего сердечно-легочную реанимацию, конечно-экспираторный уровень углекислого газа (PETCO2) у пациента снижается, а затем повышается, когда к работе приступает новый реаниматор. Другие исследования показали, что первым признаком восстановления спонтанного кровообращения у пациента часто является резкое повышение PETCO2, поскольку возобновляющийся кровоток вымывает углекислый газ из тканей. Аналогично, резкое снижение PETCO2 может указывать на потерю пульса у пациента и необходимость начала сердечно-легочной реанимации. Парамедики также начинают мониторировать уровень PETCO2 у пациентов, не интубированных трахеей, с помощью специальной носовой канюли, собирающей углекислый газ. Высокий уровень PETCO2 у пациента с нарушением сознания или выраженной дыхательной недостаточностью может указывать на гиповентиляцию и возможную необходимость интубации. Низкий уровень PETCO2 у пациентов может указывать на гипервентиляцию. Капнография, обеспечивая измерение вентиляции пациента с каждым вдохом, позволяет быстро выявить ухудшение состояния пациента, предоставляя парамедикам систему раннего предупреждения о состоянии дыхательной системы. По сравнению с оксигенацией, измеряемой пульсоксиметром, капнография позволяет устранить ряд недостатков и обеспечить более точную оценку целостности сердечно-сосудистой системы. Одним из недостатков измерения только пульсоксиметрии является то, что подача дополнительного кислорода (например, через носовую канюлю) может задержать десатурацию у пациента, если он перестал дышать, тем самым отсрочив медицинское вмешательство. Капнография обеспечивает быстрый способ прямой оценки вентиляционного статуса и косвенной оценки функции сердца. Ожидается, что клинические исследования выявят новые области применения капнографии при астме, застойной сердечной недостаточности, диабете, шоке, тромбоэмболии легочной артерии, ацидозе и других состояниях, что может иметь значение для использования капнографии в догоспитальной практике.

Capnography is increasingly being used by EMS personnel to aid in their assessment and treatment of patients in the prehospital environment. These uses include verifying and monitoring the position of an endotracheal tube or a blind insertion airway device. A properly positioned tube in the trachea guards the patient's airway and enables the paramedic to breathe for the patient. A misplaced tube in the esophagus can lead to the patient's death if it goes undetected. A study in the March 2005 Annals of Emergency Medicine, comparing field intubations that used continuous capnography to confirm intubations versus non use showed zero unrecognized misplaced intubations in the monitoring group versus 23% misplaced tubes in the unmonitored group. The American Heart Association (AHA) affirmed the importance of using capnography to verify tube placement in their 2005 CPR and Emergency Cardiovascular Care Guidelines. The AHA also notes in their new guidelines that capnography, which indirectly measures cardiac output, can also be used to monitor the effectiveness of CPR and as an early indication of return of spontaneous circulation (ROSC). Studies have shown that when a person doing CPR tires, the patient's end tidal (PETCO2, the level of carbon dioxide released at the end of expiration) falls, and then rises when a fresh rescuer takes over. Other studies have shown when a patient experiences return of spontaneous circulation, the first indication is often a sudden rise in the PETCO2 as the rush of circulation washes untransported from the tissues. Likewise, a sudden drop in PETCO2 may indicate the patient has lost pulses and CPR may need to be initiated. Paramedics are also now beginning to monitor the PETCO2 status of nonintubated patients by using a special nasal cannula that collects the carbon dioxide. A high PETCO2 reading in a patient with altered mental status or severe difficulty breathing may indicate hypoventilation and a possible need for the patient to be intubated. Low PETCO2 readings on patients may indicate hyperventilation. Capnography, because it provides a breath by breath measurement of a patient's ventilation, can quickly reveal a worsening trend in a patient's condition by providing paramedics with an early warning system into a patient's respiratory status. When compared to oxygenation which is measured by pulse oximetry, there are several disadvantages that capnography can help address to provide a more accurate reflection of cardiovascular integrity. One shortcoming of measuring pulse oximetry alone is that administration of supplemental oxygen (ie. via nasal cannula) can delay desaturation in a patient if they stopped breathing, therefore delaying medical intervention. Capnography provides a rapid way to directly assess ventilation status and indirectly assess cardiac function. Clinical studies are expected to uncover further uses of capnography in asthma, congestive heart failure, diabetes, circulatory shock, pulmonary embolus, acidosis, and other conditions, with potential implications for the prehospital use of capnography.

Зарегистрированные медсестры

Зарегистрированные медсестры, но особенно респираторные терапевты (RRT) в отделениях интенсивной терапии могут использовать капнографию, чтобы определить, правильно ли расположена носогастральная трубка (используемая для питания) – в трахее, а не в пищеводе. Обычно пациент кашляет или испытывает рвотный рефлекс при неправильном расположении трубки, но большинство пациентов в отделениях интенсивной терапии находятся под седацией или в коме. Случайное попадание носогастральной трубки в трахею вместо пищевода может привести к попаданию питания в легкие, что представляет угрозу для жизни. Если на мониторе отображаются типичные формы волн, необходимо подтвердить правильность расположения трубки.

Диагностическое использование

Капнография предоставляет информацию о продукции углекислого газа, легочной перфузии, альвеолярной вентиляции, паттернах дыхания и выведении углекислого газа из анестезионной дыхательной цепи и аппарата искусственной вентиляции легких. На форму кривой влияют некоторые заболевания легких; в частности, обструктивные состояния, такие как бронхит, эмфизема и астма, при которых нарушается смешивание газов в легких. Состояния, такие как легочная эмболия и врожденные пороки сердца, влияющие на перфузию легких, сами по себе не изменяют форму кривой, но существенно влияют на соотношение между выдыхаемым углекислым газом и парциальным давлением углекислого газа в артериальной крови. Капнография также может использоваться для измерения продукции углекислого газа, являющейся показателем метаболизма. Повышенная продукция углекислого газа наблюдается при лихорадке и ознобе. Сниженная продукция наблюдается при анестезии и гипотермии.

Рабочий механизм

Капнографы работают по принципу, что углекислый газ является полиатомным газом и, следовательно, поглощает инфракрасное излучение. Луч инфракрасного света пропускается через образец газа, чтобы достичь датчика. Присутствие углекислого газа в газе приводит к уменьшению количества света, попадающего на датчик, что изменяет напряжение в цепи. Анализ быстрый и точный, но присутствие закиси азота в газовой смеси изменяет поглощение инфракрасного излучения посредством явления уширения столкновений. Это необходимо учитывать при измерении углекислого газа в выдыхаемом человеком воздухе, измеряя его способность поглощать инфракрасное излучение. Эта методика была признана надежной Джоном Тиндаллем в 1864 году, хотя устройства XIX и начала XX веков были слишком громоздкими для повседневного клинического использования. Сегодня технологии значительно улучшились и способны измерять концентрацию углекислого газа практически мгновенно, что стало стандартной практикой в медицинских учреждениях. В настоящее время существует два основных типа датчиков углекислого газа, используемых в клинической практике: датчики основного потока и датчики бокового потока. Оба эффективно выполняют одну и ту же функцию – количественно определяют количество углекислого газа, выдыхаемого с каждым вдохом.