Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais

Princípios Básicos d os Ventiladores Artificiais

Jorge Bonassa

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais

Índice Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais .............................................................. 1 Introdução ................ ................ ................ ................. ................ ................ ................1 Conceitos Básicos................... ................ ................. ................. ................ ................2 Sistema de Ventilação.......................... ................. .................. ................. .............2 Resistência das vias aéreas................ ................. ................. ................. ...............8 Resistência através de um tubo.........................................................................8 Resistência do sistema respiratório ................ ................ ................ ................ .11 Complacência ................. ................. .................. ................. .................. ..............12 Complacência do sistema respiratório.............................................................12 Complacência do Sistema de Ventilação.........................................................13 Equação do Movimento............................... .................. .................. .................. .. 14 Constante de Tempo ................ .................. ................... .................. ................16 Medida da Resistência e Complacência no ventilador.....................................18 Trabalho Respiratório .................. ................. .................. ................. ................19 Ciclos e modos de ventilação................. .................................................................21 Ciclos ventilatórios ................................. ................. .................. ................. ......... 21 Modos ventilatórios ................ ................ ............................... ..............................23 Modos ............................... ................ ................ ................ ................ .23 ModoBásicos Controlado .........................................................................................23 Modo Assistido .............................................. ................ ..............................24 Modo SIMV..................... ................. ................ ................ ................. ...........25 Modo CPAP....................... ................ ................. ................ ................ .........26 Modos de Controle ..........................................................................................26 Volume Controlado .................. .................. .................. .................. ..............26 Pressão Controlada ................ .................. ................. .................. ................30 Pressão Suporte ................................. ................. .................. ................. ..... 33 Pressão Limitada.......................... .................. ................. .................. ..........37 VAPS....................... ................. ................ ................ ................. ................ .. 39 Bibliografia .................. .................. .................. .................. .................. .................. .. 42

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Jorge Bonassa

Introdução 85,86 Um dos principais da ventilação mecânica é aliviarrepresenta total ou parcialmente trabalho respiratórioobjetivos do paciente . O trabalho respiratório a energia o necessária para movimentar determinado volume de gás através das vias aéreas e expandir o pulmão, permitindo que ocorram as trocas gasosas a nível alveolar74. O movimento de gases através das vias aéreas, tanto durante a inspiração como durante a expiração, irá gerar forças de atrito opostas à direção do movimento. A expansão do pulmão irá distender estruturas visco-elásticas, envolvendo parede torácica, diafragma, gerando forças de natureza visco-elásticas. Durante a ventilação espontânea, o paciente deve desenvolver através dos músculos respiratórios, uma força inspiratória suficiente para vencer as forças de atrito e as visco-elásticas. A ocorrência da patologia pulmonar invariavelmente representa um aumento das forças que se opõe ao movimento dos gases, exigindo níveis elevados de esforço por parte do paciente, e predispondo a ocorrência da fadiga muscular73. Nessa situação, é indicado o uso de equipamentos - ventiladores artificiais - capazes de “bombear” os gases para dentro dos pulmões, de forma cíclica, permitindo 72 intervalos para que o volume inspirado seja exalado passivamente . Essa forma de

ventilação, pressão positiva para bombear o gás para ocapazes interior dos pulmões, éutilizando a forma mais usual, embora existam equipamentos de gerar uma pressão negativa. Na ventilação com pressão negativa, a pressão é aplicada ao redor da caixa torácica do paciente, através de coletes rígidos, promovendo a expansão do tórax e a inspiração, entretanto essa forma não será abordada nesse capítulo. O objetivo desse capítulo é apresentar uma análise do ponto de vista funcional dos ventiladores artificiais. Para tanto serão apresentados os conceitos básicos envolvidos na ventilação mecânica e a descrição funcional dos ventiladores a partir dos modos de ventilação. Através da utilização de exemplos numéricos pretende-se fornecer ao leitor um guia para o entendimento dos modos de operação dos ventiladores modernos e sua inter-relação com a mecânica respiratória do paciente.

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Conceitos Básicos

Sistema de Ventilação A partir de uma representação simplificada do sistema respiratório e de um ventilador artificial (Fig. 1), é possível a descrição dos mecanismos básicos envolvidos na ventilação mecânica.

VENTILADOR Válvula de fluxo

CIRCUITO RESPIRATÓRIO Ramo inspiratório PACIENTE

Válvula de exalação

Ramo expiratório

Transdutor de pressão Pva CPU

MONITOR

Fluxo

Transdutor de fluxo

PAINEL DE CONTROLES

Figura 1: Representação esquemática de um ventilador conectado ao paciente. A partir dos controles efetuados através do painel de controles e da monitorização realizada pelos transdutores de pressão e fluxo, é realizado o controle das válvulas de fluxo e exalação através do circuito de controle do ventilador. O ventilador inicia a fase inspiratória abrindo a válvula de fluxo e fechando a válvula de exalação. O paciente é representado através das vias aéreas, dos pulmões e da caixa torácica.

O modelo simplificado de ventilador é constituído por uma válvula de fluxo, uma válvula de exalação, transdutores de pressão e fluxo, painel de controles e monitorização e circuito de controle11. A válvula de fluxo do modelo apresenta a via de entrada ligada a uma fonte de ar e/ou oxigênio. A pressão de alimentação das válvulas de fluxo se situa geralmente em torno de 1 a 1,5 atmosferas. Internamente, uma esfera atuando sobre uma sede, controla a abertura da passagem do gás. A posição da esfera em relação à sede define o fluxo inspiratório. O movimento da esfera é realizado por um motor de passo controlado através de microprocessador. Existem diversos modelos construtivos de válvulas de fluxo disponíveis nos ventiladores modernos27(Fig.2).

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MOTOR DE PASSO

TUBO FLEXÍVEL

NÚCLEO

A.

C. PINÇA CAME

SAÍDA

ENTRADA ESFERA

BOBINA

Articulação

SAÍDA

ENTRADA

CAME ESFERA

MOTOR DE PASSO

D. BOBINA

2 4 8 16 32 64 L/min L/min L/min L/min L/min L/min

NÚCLEO ENTRADA SAÍDA

Figura 2: Representação esquemática de diversos modelos construtivos de válvula de fluxo: A. Um motor de passo atuando sobre uma esfera controla a abertura da passagem do fluxo. B. O acionamento da esfera, nesse caso, é realizado por um solenóide proporcional. C. Um mecanismo tipo pinça, acionado por motor de passo, atua sobre um tubo flexível, controlando a área de passagem do fluxo. D. Uma série de solenóides, calibrados com fluxos discretos, obedecendo à relação 2n, ao serem acionados (abertos) na combinação apropriada, permitem ajustar o fluxo requerido. Por exemplo: fluxo 6L/min = solenóides 2 e 4 L/min acionados; 50L/min = solenóides 2, 16 e 32 L/min acionados.

A saída da válvula de fluxo é ligada ao ramo inspiratório do circuito do paciente. A extremidade do ramo expiratório é conectada à válvula de exalação. A atuação de um diafragma sobre um bocal controla a abertura e fechamento do ramo expiratório. O movimento do diafragma também é realizado por um motor de passo controlado pelo microprocessador. Também no caso da válvula de exalação, existem diversas possibilidades construtivas, dependendo do ventilador (Fig. 3).

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MOTOR DE PASSO A.

B.

BOBINA

C.

SOLENÓIDE

ÍMÃ

CAME

SAÍDA

SAÍDA

PEEP

PIP SAÍDA

Fluxo expiratório

Fluxo expiratório D. PINÇA

TUBO FLEXÍVEL

Fluxo expiratório

ÍMÃ BOBINA

Articulação

MOLA

Figura 3: Representação esquemática de diversos modelos construtivos de válvula de exalação: A. Um motor de passo atuando sobre um diafragma flexível controla a abertura do ramo expiratório. B. O acionamento do diafragma é realizado por uma bobina eletromagnética. C. Um solenóide comuta as pressões inspiratória e expiratória, provenientes de válvulas pneumáticas, que atuam sobre o diafragma. D. Uma bobina eletromagnética aciona um mecanismo tipo pinça, que controla a área de passagem de um tubo flexível.

Os sinais de pressão e fluxo são medidos na saída do “Y” do circuito respiratório, onde é conectado o tubo endotraqueal, que se constitui na interface paciente - ventilador. A medição de pressão é realizada por um transdutor de pressão, que transforma o sinal pneumático em sinal elétrico. Os transdutores de pressão atuais incorporam sensores de silício cujas propriedades elétricas são sensíveis à pressão. A medição do fluxo pode ser realizada em diversos pontos do sistema. Existem ventiladores que realizam a medida de fluxo na saída da válvula de fluxo (fluxo inspiratório), e/ou na saída da válvula de exalação (fluxo expiratório). Outros utilizam um sensor junto ao paciente, medindo tanto o fluxo inspiratório como expiratório. Os tipos de sensores mais utilizados para medição do fluxo são pneumotacógrafos, turbinas e anemômetros de fio aquecido 45 (Fig.4).

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais A. Pneumotacógrafo tipo Fleisch B. Pneumotacógrafo de Área FixaC.Pneumotacógrafo de Área Variável P1

P2 P1

Fl ux o

P1

Fl ux o

P 1 - P2 ∆P

P2

P2

Fluxo

P 1 -P2

P1-P2

Fluxo R

Fl u x o

Fl u x o

D.Sensor Tipo Turbina

Fluxo

E.Sensor Tipo Fio Aquecido

Sensor óptico Rotação Fluxo

Fluxo Aletas defletoras

Pás da turbina

Fluxo

∆Temp

Fluxo

Fio de Platina

Figura 4: Representação esquemática de diversos tipos de sensores de fluxo: A. Nos pneumotacógrafos, a passagem do fluxo por uma restrição calibrada, ocasiona uma queda de pressão. Essa queda de pressão, proporcional ao fluxo, é medida por um transdutor de pressão diferencial. Nos pneumotacógrafos tipo Fleisch, que utilizam um arranjo de tubos de pequeno diâmetro em paralelo, a relação entre o fluxo e a queda de pressão P1 - P2 é linear. B. Nos pneumotacógrafos que utilizam uma restrição fixa de maior diâmetro, a relação pressão x fluxo aumenta com o fluxo, e exige a linearização através de algoritmos e/ou circuitos eletrônicos. C. A utilização de uma lâmina flexível, resultando em uma área variável, aumenta a sensibilidade do pneumotacógrafo para baixos fluxos. D. A passagem do gás através de pás fixas direcionadoras de fluxo, causa a rotação das pás rotativas da turbina. A rotação é proporcional ao fluxo e/ou volume deslocado. Os sensores de turbina apresentam pouca sensibilidade para baixos fluxos, influenciados pelo atrito e inércia, sendo mais utilizados para expirometria. E. A passagem do fluxo por um fio de platina aquecido, promove uma troca de calor. Através de um circuito de controle, a corrente elétrica através do fio é aumentada de forma a manter a temperatura constante. A corrente de realimentação é proporcional ao fluxo.

A medida de volume é obtida através do sinal de fluxo. O fluxo representa a velocidade com que um determinado volume de fluído está sendo movimentado. Realizando-se a somatória dos fluxos a cada instante, ou seja, calculando-se a integral do fluxo em relação ao tempo, obtém-se o volume deslocado entre os instantes considerados. A integração do sinal de fluxo pelo microprocessador fornece o valor dos volumes inspiradoefetuados e exalado.através do painel de controles e da monitorização A partir dos controles realizada pelos transdutores de pressão e fluxo, é realizado o controle das válvulas de fluxo e exalação através do circuito de controle do ventilador. O paciente é representado através das vias aéreas, dos pulmões e da caixa torácica, cujas propriedades mecânicas serão discutidas ao longo deste capítulo. A ventilação mecânica é realizada por meio de ciclos ventilatórios, apresentando duas fases: inspiratória e expiratória. De forma bastante simples, o ventilador inicia a fase inspiratória abrindo a válvula de fluxo e fechando a válvula de exalação. Nessa fase ocorre o enchimento dos pulmões com o ventilador exercendo a pressão necessária para vencer o atrito nas vias aéreas e expandir os pulmões. O final da fase inspiratória irá coincidir com o início da fase expiratória, com o ventilador fechando a válvula de fluxo e abrindo a válvula de exalação. Nessa fase ocorre o esvaziamento dos pulmões, 5

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais sendo que a força motriz é a própria pressão no interior dos pulmões, ou seja, via de regra, a exalação é passiva. Os sinais de pressão, fluxo e volume podem ser representados graficamente, permitindo uma análise detalhada do funcionamento do ventilador (Fig. 5), utilizando um exemplo numérico: A

60

) in /m L ( o x u l F

o ri ó t a ri p

B

C

PFI

30

s In

o ri ó t a ri p x E

-30

PFE

-60

0,50 ) L ( e m0,25 u l o V

Vinsp

Vexp

Vexp
0

50 )O40 H30 m c ( 20 o ã s s 10 e r P0

Ppico

2

PEEP

-10 0123

456789

Tempo (s) T in sp .

Texp . Tciclo

Freq. = 60s/Tciclo I : E = 1: Texp./Tinsp

Figura 5: Traçados das curvas de Fluxo, Volume e Pressão indicando os principais parâmetros que podem ser extraídos da leitura gráfica. Os instantes A e B correspondem ao início da fase inspiratória (abertura da válvula de fluxo e fechamento da válvula de exalação) e expiratória (fechamento da válvula de fluxo e abertura da válvula de exalação) respectivamente.

a. Fluxo (L/min) x Tempo (s): A válvula de fluxo é aberta no instante 1seg. - início da

fase inspiratória - e o fluxo atinge o valor de 30L/min. O valor positivo indica que o fluxo é inspiratório. O fluxo é mantido constante em 30L/min até o instante 2seg. Nesse instante a válvula de fluxo é fechada, e o fluxo cai a zero (eixo horizontal). Simultaneamente a válvula de exalação é aberta - início da fase expiratória - e o gás no interior dos pulmões é exalado pela própria pressão no interior dos pulmões. O fluxo atinge o valor máximo de -40 L/min. O valor negativo indica que o fluxo é expiratório. À medida que o pulmão esvazia, diminui a pressão no seu interior e conseqüentemente o fluxo expiratório. O fluxo expiratório zero indica o 6

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais esvaziamento total dos pulmões no instante 3seg. No instante 4s é iniciado um novo ciclo. b. Volume (L) x Tempo (s): No instante 1s é iniciado enchimento dos pulmões através do fluxo inspiratório de 30L/min. O volume é definido como a integral do fluxo em relação ao tempo e pode ser representado graficamente como a área da curva Fluxo x Tempo77. O volume inspirado é a área definida entre o a curva de fluxo inspiratório e o eixo do tempo, e o exalado a área definida pelo fluxo expiratório. Como nesse caso o fluxo é mantido constante, o volume aumenta linearmente, até o valor de 0,5L no instante 2seg. Nesse instante, com o fechamento da válvula de fluxo e abertura da válvula de exalação, se inicia o esvaziamento dos pulmões, com o volume retornando a zero no instante 3s. Durante a exalação o volume diminui de forma exponencial. Caso o volume exalado seja menor que o inspirado, a curva não irá retornar a zero, refletindo a diferença entre os dois valores. c. Pressão(cmH2O) x Tempo (s): Com o início do fluxo inspiratório no instante 1s, ocorre um aumento abrupto de pressão na via aérea, correspondendo à pressão necessária para vencer o atrito e movimentar os gases através das vias aéreas. À medida que ocorre a expansão dos pulmões, e a distensão das estruturas viscoelásticas, ocorre um aumento proporcional de pressão, necessária para vencer as forças visco-elásticas. A pressão atinge seu valor máximo no instante 2 seg., quando ainda existe fluxo inspiratório e os pulmões atingiram o volume máximo durante o ciclo. A pressão retorna ao valor inicial - linha de base - durante a exalação. A pressão da linha de base, durante a fase expiratória, pode ser mantida acima da pressão atmosférica, através do controle da válvula de exalação. Ou seja, a válvula de exalação pode permanecer parcialmente fechada, impedindo a saída de todo o volume de gás do interior dos pulmões. Nesse caso a pressão expiratória é mantida positiva, PEEP -Positive End Expiratory Pressure. Através da análise gráfica pode-se determinar, utilizando os dados do exemplo: - Tempo Inspiratório Tinsp = 2s - 1s = 1s - Tempo Expiratório Texp = 4s - 2s = 2s - Relação I : E = 1: Texp/Tinsp = 1: 2/1 = 1 : 2 - Período do ciclo ventilatório Tciclo = Tinsp + Texp = 1s + 2s = 3s - Freqüência respiratória Freq. = 60s / Tciclo = 60s / 3s = 20 ciclos/minuto - Fluxo inspiratório máximo = 30L/min - Fluxo expiratório máximo = 40 L/min - Volume inspirado Vinsp = 0,5L - Volume exalado Vexp = 0,5L - Pressão inspiratória máxima (pico) Pico = 25cmH2O - Pressão expiratória PEEP = 5 cmH2O A partir dessa descrição sucinta do funcionamento do ventilador artificial podem ser detalhadas as propriedades do sistema respiratório e sua inter-relação com as variáveis envolvidas na ventilação: resistência das vias aéreas e complacência do sistema respiratório versus pressão, fluxo e volume.

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Resistência das vias aéreas

Resistência através de um tubo Para se movimentar um sólido sobre uma superfície, é necessário que a aplicação de uma força suficiente para vencer as forças de atrito. Da mesma forma, para que o ar e /ou oxigênio se movimente através das vias aéreas é necessário que exista uma diferença de pressão positiva na direção do movimento. O fluxo de gás irá se estabelecer função pressão. dessa diferença de épressão e o seudosentido maior para oem de menor A pressão a força motriz fluxo. será do ponto de A descrição de um experimento utilizando um tubo endotraqueal, um manômetro ou transdutor de pressão e um fluxômetro facilita o entendimento do conceito da resistência11 (Fig. 6).

Fluxo

A entrada do tubo Tubo endotraqueal

120

B saída do tubo

PA

100

Fluxômetro

80 60 40 20

Ar/oxigênio 3,5 atm

15

P= =0 B P atm

20 10 Pressão 5 25 0

30 cmH2O

Manômetro

Figura 6: Representação esquemática do arranjo para medida de resistência de um tubo endotraqueal. Para cada fluxo ajustado no fluxômetro, é realizada a medida de pressão na entrada do tubo endotraqueal (ponto A) utilizando-se de um manômetro ou transdutor de pressão.

O fluxômetro está conectado ao tubo endotraqueal, no ponto usualmente conectado ao ventilador. Através de um “T” é realizada a medida da pressão nesse mesmo ponto A, utilizando-se o transdutor de pressão. A outra extremidade do tubo, ponto B, está aberta, ou seja, a pressão no ponto B é a pressão atmosférica. O experimento é conduzido diversosnofluxos diferença de(P entre os pontos A e ajustando-se B. Como a pressão pontoeBmedindo-se é a pressãoaatmosférica =0), a diferença B pressão de pressão entre os dois pontos (PA-PB) é a própria pressão medida pelo transdutor no ponto A PA. Foram obtidos os seguintes valores experimentais: Fluxo (L/min) 20 40 60 80 100 120

PA-PB (cmH2O) 0,5 1,5 3,0 5,0 8,0 11

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Os dados obtidos com esse experimento revelam que: - As pressões medidas em dois pontos distintos do tubo são diferentes quando existe um fluxo através do tubo. A pressão diminui no sentido do fluxo. - A diferença de pressão entre dois pontos do tubo é maior para fluxos mais elevados. A diferença de pressão entre os pontos A e B é a força motriz que movimenta os gases através do tubo, vencendo as forças de atrito. A relação entre a diferença de pressão entre dois pontos de um tubo, ou via aérea, e o fluxo através do mesmo representa a resistência da via aérea Rva entre os dois pontos. Rva = (PA-PB)/Fluxo PA: Pressão na entrada do tubo endotraqueal (cmH2O) PB: Pressão na saída do tubo endotraqueal (cmH2O) Fluxo: Fluxo (L/s) Obs. 60L/min = 1L/s Para o tubo do experimento pode ser calculada a resistência para cada fluxo ensaiado. Rva = (PA-PB)/Fluxo Para Fluxo = 20L/min; (PA - PB)= 0,5cmH2O 20L/min = 20/60L/s = 1/3 L/s Rva @ 20L/min = 0,5cmH O/0,33L/s = 1,5cmH O/L/s 2

2

Calculando-se Rva para os demais fluxos obtém-se: Fluxo (L/min) 20 40 60 80 100 120

Rva (cmH2O/L/s) 1,50 2,25 3,00 3,75 4,8 5,5

Verifica-se que a resistência calculada não é constante, e aumenta com a elevação do fluxo. Esse aumento de resistência em função do fluxo é explicado pela natureza do fluxo que se estabelece no tubo (Fig. 7).

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B PB

PA

Fluxo Laminar: P A -PB = Rva . Fluxo

Aderência

Velocidade das moléculas do gás

Fluxo Turbulento: A P -PB = k1 . Fluxo + k2 . Fluxo2

Velocidade das moléculas do gás Figura 7: Representação dos fluxos laminar e turbulento em um tubo. No fluxo laminar, as moléculas dos gases movimentam-se em camadas concêntricas. A camada em contato com a parede do tubo apresenta velocidade zero, e as demais deslizam entre si, em um movimento ordenado, obedecendo ao mesmo sentido e direção, alcançando velocidade máxima no centro do tubo, apresentando um perfil parabólico. No fluxo turbulento, as moléculas do gás apresentam uma movimentação desordenada, em trajetórias distintas, e o perfil de velocidades apresenta-se achatado.

Para fluxos menores, as moléculas dos gases movimentam-se em camadas concêntricas. A camada em contato com a parede do tubo apresenta velocidade zero, e as demais deslizam entre si, em um movimento ordenado, obedecendo o mesmo sentido e direção, alcançando velocidade máxima no centro do tubo. Esse tipo de fluxo é denominado laminar. Nesse caso, as forças de atrito são resultantes do movimento relativo das moléculas do gás, resultando em uma espécie de resistência intrínseca do gás, em função da viscosidade do gás. Com o aumento do fluxo, as moléculas do gás apresentam uma movimentação desordenada, em trajetórias distintas. Nesse caso, além da viscosidade, também influem na resistência ao fluxo a densidade do gás e o atrito com as paredes do tubo. Esse é o caso mais comum, presente inclusive no sistema respiratório. No caso de fluxo turbulento, a equação que relaciona a queda de pressão entre dois pontos de um tubo e o fluxo através do mesmo é dada por (equação de Rohrer)9,21,29,70,98: PA-PB = K1.Fluxo + K2. Fluxo2 As constantes K1 e K2 representam os componentes da resistência para fluxo laminar e turbulento. Para o caso do tubo endotraqueal do experimento foram obtidos, através de regressão linear os seguintes valores11: K1 = 0,6 e K2= 2 Do ponto de vista prático, o mais usual é determinar a resistência a um determinado fluxo. Ao se proceder dessa forma deve-se lembrar que o valor da resistência 10

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais relaciona exclusivamente a queda de pressão ao fluxo utilizado. Não é correto determinar-se o valor de resistência para um valor de fluxo e utilizá-la indistintamente outros valores. Conforme visto para o tubo endotraqueal, é necessária a utilização de diversos pontos na faixa de fluxos possíveis para determinar-se uma equação que descreva adequadamente o comportamento resistivo da via aérea.

Resistência do sistema respiratório mesma relação entreou pressão e fluxo encontrada tubo7,9,21,70 endotraqueal é válida para oA sistema respiratório, seja, para as vias aéreas no naturais . No caso do sistema respiratório, os pontos extremos podem ser considerados como a pressão na boca, ou no caso do paciente em ventilação mecânica, a traquéia Ptr, e a pressão intrapulmonar a nível alveolar Palv. Conhecendo-se as pressões traqueal e alveolar para um determinado fluxo, é possível o cálculo da resistência das vias aéreas do paciente. Considerando a fase inspiratória, com um fluxo inspiratório constante, pode ser utilizada a fórmula da resistência do tubo endotraqueal, onde P A = Ptr e PB= Palv Rva = (Ptr-Palv)/Fluxo Por exemplo, se durante a fase inspiratória, com um fluxo de 30L/min, a pressão traqueal fosse 15cmH2O e a pressão alveolar 5cmH2O, resultaria: 30L/min = 30/60 L/s = 0,5 L/s Rva = (15-5)cmH2O/0,5L/s = 20cmH2O/L/s As mesmas considerações feitas para o tubo endotraqueal em relação ao fluxo laminar e turbulento se aplicam para o sistema respiratório. Além disso, nem sempre dispomos de fluxo constante. Por exemplo, para estimarmos a resistência expiratória, dispomos de um fluxo decrescente, e conseqüentemente irão ocorrer alterações de resistência no decorrer da fase expiratória. Devido à natureza elástica das via aéreas, também 4 irão ocorrer alterações decorrentes da própria deformação das vias aéreas . Apesar da importância das considerações apresentadas, para os objetivos desse capítulo é suficiente entender a relação entre os gradientes de pressão e o fluxo ao longo das vias aéreas. No paciente em ventilação mecânica a pressão é medida antes do tubo endotraqueal. Portanto os valores medidos de resistência utilizando-se a pressão inspiratória proximal, referida como pressão na via aérea Pva, é na realidade a soma das resistências do tubo endotraqueal e das vias aéreas do paciente. Rva = Rva.tubo + Rva.paciente = (Pva-Palv)/Fluxo A soma das resistências do tubo endotraqueal e do sistema respiratório se constitui na própria resistência das vias aéreas Rva. A diferença de pressão entre a entrada do tubo endotraqueal e a alveolar (Pva-Palv) é denominada Pressão Resistiva Pres. A resistência das vias aéreas pode então ser simplificada: Rva = Pres/Fluxo

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Complacência

Complacência do sistema respiratório O aumento do volume pulmonar durante a fase inspiratória ocasiona uma expansão dos pulmões e conseqüentemente da parede torácica, distendendo as estruturas elásticas do sistema respiratório. Analogamente a um sistema de molas, essa estrutura elástica irá exercer uma força contrária e proporcional à deformação, por sua vezpulmão, proporcional ao volume inspirado. Essa forçapositiva. elástica,Adistribuída pelaosuperfície do irá gerar uma pressão intrapulmonar relação entre volume inspirado e a variação de pressão no interior dos pulmões representa a complacência do sistema respiratório7,24,70,82(Fig. 8).

Volume (L)

Complacência: Cs r = t gα = Volume Palv-PEEP e

Palv

m lu o α

V

Palv - PEEP

1/Csr=1/Cp + 1/Cct

0 10 PEEP

20

30

30 40 20 Pressão 50

40

50 Pressão alveolar (cmH2O)

10

0

60 cmH2 O

Figura 8: Representação de um arranjo para determinação da relação entre o volume inspirado e a variação de pressão no interior dos pulmões, definida como complacência do sistema respiratório. A medida da pressão deve ser realizada em condições estáticas (fluxo zero). A curva Pressão x Volume, representa a curva de complacência do sistema respiratório (pulmão e parede torácica). A inclinação da curva em observa-se, um determinado pontovolumes determina a complacência o volume considerado. Pelo traçado do exemplo, que para baixos a inclinação para da curva, ou seja, a complacência, é menor.

Na presença de pressão expiratória positiva PEEP, a variação de pressão resultante do aumento do volume, é a pressão alveolar subtraída do PEEP. Csr = Volume/(Palv-PEEP) L/cmH2O O aumento de pressão intrapulmonar (Palv - PEEP) devido ao volume inspirado se constitui na pressão elástica (Pel), relativa ao volume. A complacência do sistema respiratório pode então ser simplificada: Csr = Volume/Pel 12

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Por exemplo, se durante a ventilação, com PEEP de 5cmH2O e volume corrente de 0,5 L, a pressão alveolar no final da inspiração fosse 15cmH2O, resultaria o seguinte valor de complacência: Csr = 0,5L /(15-5)cmH2O = 0,05L/cmH2O. Ou seja, nesse caso, um aumento de volume de 50ml ocasiona um aumento de 1cmH2O no interior dos pulmões. Inversamente, considerando a complacência de 0,05L/cmH 2O e PEEP 5cmH2O, para um volume inspirado de 0,75L, a pressão no interior dos pulmões resultaria: Palv = Vol (L) / Crs (L/cmH2O) + PEEP(cmH2O) = 0,75L/0,05L/cmH2O = 15 + 5 = 20cmH2O Da mesma forma que a resistência, a complacência não apresenta um valor constante. Alterações da complacência podem ocorrer em função de uma maior ou menor recrutamento alveolar, propiciado, por exemplo, pela utilização da PEEP. A utilização de volumes elevados pode causar uma hiperinsuflação dos pulmões, com uma diminuição da complacência devido à restrição imposta pela parede torácica.

Complacência do Sistema de Ventilação Além da complacência do sistema respiratório, incorporando a parede torácica e os pulmões, o próprio ventilador juntamente com o circuito respiratório apresenta uma complacência intrínseca,é cujo efeitopor poderá na ventilação O circuito do ventilador formado tubos,interferir muitas vezes flexíveis,mecânica. e volumes compressíveis, como as jarras de umidificação. Nos casos de ventiladores utilizados em anestesia, incorporando foles ou bolsas de reinalação, a complacência do sistema de ventilação apresenta valores significativos. O efeito dessa complacência intrínseca irá depender do modo de ventilação utilizado. Por exemplo, se a modalidade ventilatória empregada fornece um volume predeterminado ao paciente, parte desse volume pode ficar comprimido no próprio circuito, não participando da ventilação, diminuindo o volume corrente efetivo. Para se calcular a complacência intrínseca do sistema de ventilação é necessário insuflar um volume pré-determinado no interior do circuito, obstruindo todas as suas saídas, e verificar a variação de pressão resultante. De forma prática, isso pode ser realizado, obstruindo-se a saída do “Y” do circuito e certificando-se que não existam vazamentos, selecionando a modalidade ciclada a volume, ajustando-se um volume em torno de 100ml e um fluxo de 10L/min, geralmente disponíveis nos ventiladores. Deve-se então observar qual a pressão inspiratória Pva obtida no interior do circuito e realizar o cálculo da complacência. Por exemplo, supondo que a pressão na via aérea ao final da inspiração fosse 20cmH2O, a complacência do circuito seria: Ccirc = Volume/Pva = 100ml/20cmH2O = 5ml/cmH2O Isso significa que durante a ventilação mecânica, 5ml de volume permanecerá no circuito para cada 1cmH2O de pressão na via aérea. Ou seja, se durante a ventilação, a pressão inspiratória atingisse 15cmH2O, o volume perdido no circuito seria: Volume perdido = Ccirc. x Pva = 5ml/cmH 2O x 15cmH2O = 75ml

13

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais O efeito da complacência do sistema de ventilação deve ser avaliado principalmente na ventilação de pacientes com complacência reduzida, principalmente crianças. Nesse caso, o circuito deve ser otimizado, reduzindo-se o comprimento e diâmetro dos tubos, empregando-se materiais com pouca distensibilidade e reduzindo-se os volumes compressíveis. Quando a medida da complacência é efetuada no paciente conectado ao ventilador, é importante verificar onde está sendo realizada a medida do volume. Se o volume considerado nos cálculos, é o volume medido no ramo expiratório do circuito, então a complacência medida incorpora o circuito do paciente. Nesse caso, para se determinar a complacência do paciente deve-se descontar do valor obtido a complacência do circuito. Se o volume utilizado nos cálculos de complacência é medido através de um sensor diretamente posicionado na entrada do tubo endotraqueal, então o valor obtido é a própria complacência do paciente. Equação do Movimento A partir das definições de resistência e complacência é possível relacionar as propriedades do sistema respiratório e do sistema de ventilação com as pressões, fluxos e volumes desenvolvidos durante a ventilação. Retornando ao modelo do sistema de ventilação (Fig.1), a pressão na via aérea Pva é medida na entrada do tubo endotraqueal. Durante a fase inspiratória, considerando-se o paciente em ventilação controlada, sem esforço inspiratório, o valor da Pva irá incorporar tanto a componente resistiva Pres como a componente elástica Pel 7,11,13,22,24,49,66,70,82

. Considerando é medido na mesma posição, ou seja, é o volume efetivamente inspiradoque peloo volume paciente: Pva = Pres + Pel + PEEP = Rva . Fluxo + Volume/Csr + PEEP A partir dessa equação a curva de pressão pode ser mais bem descrita utilizando-se os conceitos de resistência e complacência. Considerando como exemplo dois pacientes com mecânicas respiratórias distintas: Paciente 1: R1 = 20cmH2O/L/s; C1 = 0,025L/cmH2O Paciente 2: R1= 40cmH2O/L/s; C2=0,05L/cmH2O Utilizando os mesmos parâmetros ventilatórios do exemplo, Volume 0,5L, Fluxo inspiratório constante 30L/min e PEEP 5cmH2O, obtém-se os seguintes traçados de pressão (Fig.9):

14

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais 60

) n i /m L ( o x u l F

o ri ó t a ri p s In

30


-30

Pa ci en te 1: R1 20; C1 0, 025

Pac ie nt e 2: R2 40; C2 0, 05

PFE2

PFE1 -60 T1=R1.C1

T2=R2.C2

0,50 ) L ( e m0,25 u l o V

3 6, 8%Vin sp

3 6 , 8 % Vi n s p

0

50

Pres = Rva.Fluxo Pel = Volume/Csr

) 40 O H30 m c ( 20 o ã s 10 s e r P0 2

Pres1=10cmH O

Pres2=20cmH O

2

2

Pel1 = 20cmH O 2

Pel2=10cmH O 2

-10 012345678

9

Tempo (s)

Figura 9: Traçados das curvas de Fluxo, Volume e Pressão para dois pacientes com mecânicas respiratórias distintas. No exemplo foram utilizados fluxo inspiratório (30 L/min) e volume (0,5L) constantes. Pode-se observar que apesar de apresentarem o mesmo pico de pressão, as pressões alveolares nos dois pacientes são diferentes. Além disso,no paciente 2, devido a uma constante de tempo maior, a exalação ocorra de forma mais lenta, com o pico de fluxo expiratório menor.

1- No instante 1s a válvula de fluxo é aberta, liberando um fluxo de 30L/min através da das vias aéreas. Nesse instante, o volume inspirado ainda é zero e a pressão na via aérea: Pva = Rva.Fluxo + Volume/Csr + PEEP Paciente 1: Pva1= 20cmH2O/L/s . 0,5L/s + 0L / 0,025L/cmH2O + 5cmH2O Pva1= 15cmH2O Paciente 2: Pva2= 40cmH2O/L/s . 0,5L/s + 0L/ 0,05L/cmH2O + 5cmH2O Pva2= 25cmH2O 2- No instante 1,5s a válvula de fluxo permanece aberta. Nesse instante o volume inspirado atingiu 250ml. Portanto a pressão elástica Pel no interior dos pulmões aumentou. Como o fluxo foi mantido constante, e considerando-se que não ocorreram mudanças nas resistências das vias aéreas, a pressão resistiva Pres também permaneceu constante. Calculando-se a pressão na via aérea para essa nova situação Paciente 1: Pva = 20 . 0,5 + 0,25 / 0,025 +5 = 10 + 10 + 5 = 25cmH 2O 15

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Paciente 2: Pva=40 . 0,5 + 0,25 / 0,05 + 5 = 20 + 5 + 5 = 30 cmH 2O

3- No final da fase inspiratória, no instante 2s, o volume atingiu 0,5L, e a válvula de fluxo ainda está aberta: Paciente 1: Pva = 20. 0,5 + 0,5/0,025 + 5 = 10 + 20 + 5 = 35cmH 2O Paciente 2: Pva = 40 . 0,5 + 0,5/0,05 + 5 = 20 + 10 + 5 = 35cmH 2O

Esse exemplo ilustra uma situação onde dois pacientes com mecânicas respiratórias distintas, apresentam o mesmo valor de pressão na via aérea Pva ao final da inspiração, ou pressão de pico (Ppico). Entretanto no Paciente 1 a pressão Ppico é composta de 10cmH2O de pressão resistiva e 20cmH2O de pressão elástica, além da PEEP. Ou seja, a pressão intrapulmonar no paciente 1 é de 25cmH2O. No Paciente 2, a pressão resistiva é de 20cmH2O e a elástica 10cmH2O, resultando em uma pressão intrapulmonar de 15cmH2O, inferior à do Paciente 1. A simples verificação do pico de pressão Ppico não reflete corretamente os níveis de pressão a que efetivamente estão submetidos os alvéolos durante a ventilação.

4- O início da fase expiratória ocorre através do fechamento da válvula de fluxo e

abertura da válvula de exalação. Durante a fase expiratória, supondo uma válvula de exalação ideal, que não ofereça resistência ao fluxo, ocorre uma rápida despressurização do circuito, e a pressão na via aérea se reduz ao valor da PEEP programada. Nesse instante, inverte-se o sentido do fluxo, ou seja, a pressão intrapulmonar é maior que a pressão na via aérea Pva. A força motriz do fluxo expiratório é a própria pressão elástica no interior dos pulmões. No caso do Paciente 1, a pressão elástica atingiu 20cmHO, e no paciente 2, 10cmH O. Essa é 2 2 Supondo a pressão disponível para movimentar os gases através das vias aéreas. que a resistência expiratória seja igual à inspiratória, a equação do movimento irá determinar o fluxo expiratório no início da expiração: Pva=Pres + Pel + PEEP Pres = Pel Rva.Fluxo exp. = Volume/Csr Paciente1: Fluxo exp1 = Volume/Csr/Rva = 20cmH2O/20cmH2O/L/s = 1L/s = 60L/min Paciente 2: Fluxo exp2 = 10cmH2O/40cmH2O/L/s = 0,25L/s = 15L/min

Constante de Tempo À medida que ocorre o esvaziamento dos pulmões diminui a pressão elástica e conseqüentemente o fluxo expiratório. O tempo necessário para que o pulmão exale todo o volume, irá depender dos valores da complacência e resistência do paciente. Quanto maior a complacência, menor a pressão elástica para um determinado volume, e conseqüentemente, menor a força motriz para exalação. Por outro lado, quanto maior a resistência, menor o fluxo expiratório, para determinada pressão elástica. O produto da resistência e complacência define a constante de tempo do sistema 24,27 respiratório, relacionada com o tempo de esvaziamento do pulmão : T = Rva. Csr (s) Calculando-se a constante de tempo para os casos do exemplo: Paciente 1: T = 20cmH2O/L/s . 0,025L/cmH2O = 0,5 segundos 16

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Paciente 2: T = 40cmH2O/L/s . 0,05L/cmH2O = 2 segundos O esvaziamento do pulmão obedece a uma equação do tipo exponencial. De acordo com essa equação, a partir do início da exalação, o volume no interior dos pulmões diminui para 36,8%, 13,5%, 5% e 1,8% do volume inicial, respectivamente após 1, 2, 3, 4 e 5 constantes de tempo (Fig. 10). 60

Pausa inspiratória

o ri tó

) n i m / (L o x u l F

ira p s n I

Pausa expiratória

30

o ri ó t a ir p x E

Presença de fluxo expiratório

-30

-60 Volume inspirado (%)

0,50

100

) (L e m0,25 u l o V

37 13,5 5

0

50 ) 40 O H30 m (c o20 ã s 10 s e r P0

Pva

2

Palv

Auto PEEP

-10 0

1 2 3 4 N . Con stan tes de Tempo T = RC o

5

0

1 2 3 4 N . Cons tante s de Tempo T = RC o

5

Figura 10: Traçados gráficos das curvas de Fluxo , Volume e Pressão, relacionando a constante de tempo com os valores de volume e pressão durante a fase expiratória. São representadas as pausas inspiratória e expiratória, que permitem a visualização da pressão alveolar no final da inspiração e exalação respectivamente. Nos traçado de pressão é representada em linha pontilhada a pressão alveolar.

Para o paciente 1 o tempo necessário para a exalação completa seria de aproximadamente 2,5s e para o paciente 2 , 10s. Caso não se permitisse tempo suficiente para a exalação, iniciando-se um outro ciclo ventilatório, resultaria em uma pressão positiva no interior dos pulmões ao final da exalação, referida como auto PEEP ou PEEP intrínseco42,62 .

17


Medida da Resistência e Complacência no ventilador Para que se possa identificar as componentes resistiva e elástica durante a ventilação, os ventiladores dispõem de um recurso, a pausa inspiratória, que retarda a abertura da válvula de exalação em relação ao momento em que ocorreu o fechamento da válvula de fluxo. Durante a pausa inspiratória, não existe fluxo navia aérea (Fluxo =0 e Pres=0), portanto a pressão na via aérea Pva, medida pelo ventilador, é a própria pressão intrapulmonar. Pva = Rva.0 + Volume/Csr + PEEP = Volume/Csr + PEEP = Pel + PEEP A pressão da via aérea na pausa é denominada pressão deplateau " " (Pplat), e a pressão máxima inspiratória, anterior à pausa, pressão de pico Ppico. A diferença entre a pressão de pico Ppico e a de plateau Pplat é a pressão resistiva Pres. Pausa: Pva = Pplat = Pel + PEEP = Volume/Csr + PEEP; Pres = 0 Pres = Ppico-Pplat = Rva . Fluxo Conhecendo-se Ppico, Pplat, PEEP, fluxo no instante da pausa e volume inspirado é possível determinar os valores de complacência e resistência51,60,70,81,82,93 (Fig. 11): Rva = (Ppico - Pplat)/Fluxo Csr = Volume /(Pplat-PEEP)

18

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Pa ci en te 1: R1 20; C1 0, 025

60

) n i /m L ( o x u l F

Pac ie nt e 2: R2 20; C2 0, 025 PAUSA

PAUSA

o ri ó t a ri p s In

30


-30

-60 0,50 ) L ( e m0,25 u l o V

50

Rva=(Ppico-Pplat)/Fluxo Csr=Volume/(Pplat-PEEP)

) 40 O H30 m c ( 20 o ã s 10 s e r P0

Ppico

2

Pres Pplat PEEP

Pel

-10 0

1

2

34

5

6

7

8

9

Tempo (s)

Figura 11: Traçados gráficos representando a pausa inspiratória. Medindo-se o pico de pressão Ppico, a pressão na pausa inspiratória Pplat, a PEEP, o fluxo no instante da pausa e o volume inspirado é possível se determinar os valores de complacência e resistência.

Trabalho Respiratório O trabalho mecânico representa a energia requerida para deslocar um corpo, ou fluído, vencendo-se as forças opostas ao movimento. No caso da ventilação mecânica, as variáveis que determinam o trabalho, são as pressões elásticas e resistivas e o 74 volume. O trabalho respiratório pode ser definido pela equação : Vf

Trabalho respiratório = Área curva PV =³ P.dV Vo

A representação gráfica do trabalho (integral da pressão em relação ao volume) é a área sob a curva da pressão em relação ao volume, ou curva PV, onde podem ser visualizados as componentes elástica e resistiva (Fig. 12).

19


Pva

r s C / e m u l o V = l e P

Volume (L) P E E P

Fluxo cte

o x u l F . a v R = s e r P

u a e t la p P

o ic p P

início exp.

Trabalho W = Área PxV W

Wel

Wres

início insp.

0

10

20

=

PdV .

³ elástico Wel: Trabalho Wres: Trabalho resistivo 30

40

50 Pressão (cmH2O)

30 40 20 Pressão 50

10

0

60 cmH2 O

Figura 12: A representação gráfica do trabalho mecânico (integral da pressão em relação ao volume) é a área sob a curva da pressão em relação ao volume, ou curva PV, onde podem ser visualizadas as componentes de trabalho para vencer as forças elásticas (Wel) e resistivas (Wres). O cálculo do trabalho baseado na pressão medida na via aérea (Pva) representa o trabalho realizado pelo ventilador.

O trabalho mecânico aumenta à medida que são deslocados maiores volumes e/ou são requeridas pressões mais elevadas durante a ventilação. Geralmente o trabalho mecânico é medido durante a fase inspiratória, já que a exalação usualmente é passiva, e a energia utilizada é a própria força elástica do sistema respiratório. Em uma expiração ativa, os músculos respiratórios efetivamente irão realizar um trabalho mecânico. Durante a ventilação mecânica a fração de trabalho realizado pelo ventilador e pelo paciente irá depender do modo de ventilação, das características do 23,33,37,48,58,59,61,63,64,69,90,94,96 ventilador e dos parâmetros ajustados durante a ventilação . O cálculo do trabalho baseado na pressão medida na via aérea resulta no trabalho realizado pelo ventilador. Para cálculo do trabalho realizado pelo paciente é necessária a utilização da pressão pleural (Figura 13), Na prática, é utilizada a pressão esofágica (Pes), medida através de um meio menos invasivo, a introdução de um pequeno balão no esôfago. A pressão esofágica reflete o esforço exercido pelos músculos respiratórios durante a inspiração8,70,74.

20


Volume (L)

Trabalho W = Área PxV W . ³PdV Wel: Trabalho elástico Wres: Trabalho resistivo =

C

Fluxo espontâneo

p

C

C

início exp.

Volume insp.

C

p

ct

Wres Wel

c t

início insp.

-20

Pesofágica

-15

-5

-10

cmH2O -30 30 20 10

0

5 Pressão esofágica (cmH2O)

-20 0

-10

Figura 13: Para medida do trabalho realizado pelo paciente deve ser utilizada a pressão esofágica (Pesofágica), que reflete o esforço exercido pelos músculos respiratórios durante a inspiração. Durante a inspiração espontânea, o trabalho para vencer as forças elásticas (Wel) é definido pela área entre as curvas da complacência do pulmão (Cp) e da caixa torácica Cct.

Ciclos e modos de ventilação A descrição funcional do ventilador artificial pode ser feita a partir dos modos como são controlados os ciclos ventilatórios. Os modos ventilatórios definem a forma como os ciclos ventilatórios são iniciados, mantidos e finalizados. O ciclo ventilatório inclui tanto a fase inspiratória como a expiratória, entretanto as classificações dos ciclos e dos modos têm se baseado principalmente na fase inspiratória. Para os objetivos desse capítulo serão definidos e classificados os tipos de ciclos ventilatórios e os principais modos de controle, utilizando-se a terminologia usualmente utilizada no meio clínico, preterindo-se uma classificação eminentemente técnica. Ciclos ventilatórios Os ciclos ventilatórios podem ser classificados em três tipos: 1- Ciclos Controlados 2- Ciclos Assistidos 3- Ciclos Espontâneos Essa classificação leva em conta a forma como os ciclos são iniciados, efetivamente controlados e finalizados. Os ciclos controlados são iniciados, controlados e finalizados exclusivamente pelo ventilador. Os ciclos controlados são iniciados geralmente de acordo com um critério 21

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais de tempo. Por exemplo, ao ser ajustada uma freqüência respiratória de 12 ciclos/minuto, o ventilador irá automaticamente iniciar os ciclos controlados a cada 5 segundos. Os ciclos controlados também podem ser iniciados por algum critério de "backup". Por exemplo, se o ventilador detectar ausência de ciclos respiratórios por um período superior a um tempo máximo de apnéia admissível e/ou programado, irá iniciar o ciclo controlado. Outro mecanismo de "backup" poderia ser o volume minuto. De qualquer forma, o início do ciclo controlado será sempre determinado pelo ventilador. A partir do início do ciclo controlado, o ventilador irá determinar a forma de atuação das válvulas de fluxo e exalação de acordo com o modo de controle selecionada. O final do ciclo controlado é determinado em função do critério específico do modo de ventilação. Por exemplo, o ciclo poderá terminar por tempo, ou então ao ser atingido um volume programado. Os ciclos assistidos são iniciados pelo paciente, controlados e finalizados pelo ventilador. Durante a fase de controle dos ciclos assistidos, dependendo da forma como é realizado o controle, o ventilador pode permitir que o paciente modifique o ciclo assistido. O início do ciclo assistido (“disparo”) se dá pelo reconhecimento do esforço inspiratório do paciente pelo ventilador. Esse reconhecimento pode se dar basicamente por pressão ou fluxo (Figura 14).

DISPARO POR FLUXO Detecção do Fluxo esforço 90

Sensibilidade

) 60 in 30 m / (L o x -30 lu F

-60 DISPARO POR PRESSÃO Pressão 50

) O40 H m30 c ( o20 ã s10 s e r P0

Sensibilidade

2

Detecção do esforço

-10

Figura detecção esforço inspiratório para o início do ciclo de ventilatório (“disparo”), pode ser através14: de Apressão ou do fluxo. No disparo por pressão, na ausência fluxo, o esforço inspiratório dofeita paciente (pressão alveolar negativa) é transmitido integralmente à via aérea (condição isométrica), causando a queda de pressão. No disparo por fluxo, o esforço do paciente desvia um fluxo contínuo presente na via aérea, detectado por um sensor de fluxo. Nesse caso, a pressão alveolar negativa não é transmitida à via aérea, não sendo detectada queda de pressão na via aérea.

No disparo por pressão, é necessário que não exista fluxo na via aérea. Assim, a queda na pressão alveolar resultante do esforço inspiratório do paciente é transmitida integralmente à via aérea, sendo possível sua detecção através de um transdutor. O sinal do transdutor de pressão é comparado com o nível de sensibilidade ajustado, determinando o disparo do ciclo. No disparo por fluxo, é necessário que o ventilador mantenha um fluxo contínuo na via aérea. A queda de pressão alveolar resultante do esforço do paciente irá determinar o gradiente de pressão necessário para desviar o 22

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais fluxo para o interior dos pulmões. O fluxo inspirado é medido por um sensor de fluxo, cujo sinal é comparado com a sensibilidade ajustada. O desempenho dos diferentes tipos de disparo irá depender das características construtivas de cada ventilador. Uma menor deflexão de pressão na via aérea, no caso do disparo por fluxo, não deve ser confundida com uma menor queda de pressão a nível alveolar. Existem, entretanto, situações onde a indicação de determinado tipo é mais adequada. Por exemplo, na ventilação neonatal onde se utiliza fluxo contínuo, é impraticável a utilização de disparo por pressão. Após a detecção do esforço inspiratório são acionados os sistemas de controle para abertura da válvula de fluxo e fechamento da válvula de exalação. O intervalo entre a detecção do esforço e o acionamento do fluxo é um período crítico onde o trabalho respiratório pode assumir valores elevados, no caso de uma oferta de fluxo insuficiente no início do ciclo 46, 83, 84. A partir do início do ciclo assistido, o controle de término ocorre de forma exatamente igual ao verificado nos ciclos controlados. Dependendo da forma de controle disponibilizada pela modalidade ventilatória, o ventilador pode ser sensível ao esforço do paciente modificando o ciclo assistido. Isso ocorre, por exemplo, nos ciclos assistidos durante a ventilação VAPS2,12-15. Finalmente, os ciclos espontâneos são iniciados pelo paciente, podendo ser controlados e finalizados parcial ou totalmente pelo paciente. Os ciclos espontâneos podem ser controlados exclusivamente pelo paciente ou podem ser parcialmente assistidos pelo ventilador. O ventilador pode manter, por exemplo, um fluxo contínuo no circuito, o paciente pode respirar espontaneamente, controlando totalmente a freqüência, o fluxo e o volume inspirado33,37,50. Outra forma de ciclo espontâneo, parcialmente assistido, ocorre quando o ventilador de alguma forma auxilia a inspiração do paciente, aumentando, por exemplo, o fluxo e/ou pressão na via aérea em resposta a um esforço espontâneo, como ocorre com a Ventilação com Pressão Suporte44,45,54,55,78. Nesse caso, o paciente mantém um controle parcial sobre o fluxo e volume inspirados e sobre o instante de término do ciclo. Modos ventilatórios Os modos ventilatórios podem ser classificados a partir de dois critérios básicos: -

Tipos de ciclos disponibilizados pela modalidade: Modos Básicos Tipo de controle exercido sobre os ciclos: Modos de Controle

Modos Básicos Geralmente os ventiladores apresentam quatro modos de ventilação, baseados nos tipos de ciclos disponibilizados pelo ventilador: Controlado, Assistido, SIMV e CPAP. Modo Controlado Durante o modo controlado, geralmente designado pela sigla CMVControlled ( Mandatory Ventilation), o ventilador disponibiliza apenas ciclos controlados, baseados na freqüência respiratória programada. A freqüência respiratória pode ser programada diretamente, ou derivada de outros parâmetros. Por exemplo: - o ventilador dispõe de controles de tempo inspiratório Tinsp e expiratório Texp: 23

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais -

Freq.resp = 60s/ (Tinsp + Texp); o ventilador dispõe de controle de volume minuto (Vmin) e volume corrente (Vc): Freq. Resp. = Vmin/Vc.

A partir da freqüência respiratória programada, o ventilador irá definir o período entre os ciclos controlados. Cada período corresponde a uma “janela” de tempo, onde o ventilador irá iniciar um ciclo controlado. Por exemplo, para uma freqüência programada de 12 ciclos/minuto (Fig.15): Janela de tempo = Período T = 60s / Freq. = 60s/12 = 5 segundos Nesse caso o ventilador irá iniciar um ciclo controlado coincidindo com o início da “janela” de 5 segundos. Modo Controlado ) 40 O H30 m (c o 20 ã s 10 s re P0 2

0

1

2

3

4

0005 1234

Ciclocontrolado

1

Ciclocontrolado

2

3

4

Ciclocontrolado

Janela 1

1

2

3

4

Ciclocontrolado

Janela 2

Janela 3

Janela 4

Modo Assistido / Controlado ) 40 O H30 m c ( o 20 ã s 10 e r P0 2

0

1

2

3

4

0

Ciclocontrolado

1

2

3

0

1

2

30

Ciclo assistido Janela 3

Ciclocontrolado Janela 1

Janela 2

Esforço inspiratório

1

2

3

4

Ciclo assistido

5 Ciclo controlado

Janela 4


Modo SIMV / (CPAP) ) 40 O H30 m c ( o 20 ã s 10 s re P0 2

0

1

2

Ciclo controlado

3

4

0

1

2

0

Ciclo assistido Janela 1


3

1

2

Ciclo assistido

3


4

5

6

4

0

Ciclo espontâneo Janela 2

1

2

3

4

0

1

2

Janela 3

8

9

10

4

5

Janela 4


7

3

Ciclo assistido

Ciclo controlado

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Figura 15: No Modo Controlado, o ventilador irá iniciar um ciclo controlado a cada janela de tempo, definida a partir da freqüência respiratória programada (Janela = Freq./60s). No modo Assistido/Controlado, o ventilador irá iniciar um ciclo assistido na ocorrência do esforço do paciente, reiniciando a contagem da janela de tempo (janelas variáveis); ao final da janela, na ausência de esforço, é iniciado um ciclo controlado. No modo SIMV, o ventilador mantém as janelas fixas, e permite apenas um ciclo assistido por janela, atendendo os demais esforços inspiratórios com ciclos espontâneos. Um ciclo controlado só ocorre após uma janela de apnéia, ou após uma janela onde só ocorreu um ciclo controlado. O modo CPAP é um caso particular do SIMV, onde a freqüência respiratória é ajustada em zero, permitindo apenas ciclos espontâneos (sem janelas).

Modo Assistido No modo assistido o ventilador disponibiliza ciclos controlados e assistidos. Geralmente o modo assistido é denominado assistido/controlado, já que o ventilador pode, na ausência de esforço inspiratório do paciente, manter os ciclos controlados na freqüência programada. Nesse modo é necessária, além da freqüência respiratória, a programação do nível de sensibilidade assistida outrigger para reconhecimento do 24

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais esforço inspiratório do paciente. No modo assistido, da mesma forma que no controlado, o ventilador define as janelas de tempo baseadas na freqüência respiratória programada. Para melhor descrição desse modo, será utilizado como exemplo, uma freqüência respiratória de 12 ciclos/minuto, resultando em janelas de 5 segundos, e ciclos controlados com tempo inspiratório de 1 segundo. O ventilador envia um ciclo controlado no início da primeira janela (Fig. 15). Como o tempo inspiratório do ciclo do exemplo é de 1segundo, irão restar 4 segundos para o término da janela. Se durante o tempo remanescente o paciente não exibir nenhum esforço, o ventilador irá iniciar uma nova janela com um ciclo controlado. Se o paciente, antes de concluída a janela, exercer um esforço reconhecido pelo ventilador será iniciado um ciclo assistido e ao mesmo tempo reiniciada a contagem de tempo da janela. Novamente, após o término do ciclo assistido, o ventilador irá aguardar o término da janela de tempo, para só então, na ausência de esforço inspiratório, iniciar um ciclo controlado. Como a contagem da janela é reiniciada a cada ciclo assistido, sua duração irá variar de acordo com a própria freqüência respiratória do paciente, que poderá exceder a freqüência ajustada. No caso do exemplo, se o paciente exibir esforços inspiratórios a cada 3 segundos, portanto sistematicamente antes do final da janela de tempo, serão enviados 20 ciclos assistidos. Caso contrário, se o paciente entrar em apnéia, o ventilador irá iniciar o ciclo controlado em cada janela de 5 segundos, mantendo a freqüência programada. Modo SIMV modo de ventilação intermitente denominado os SIMV (No ventilador disponibiliza ciclos Synchronized Intermittent Mandatorysincronizada, Ventilation), ousualmente controlados, assistidos e espontâneos. Nesse modo também o ventilador utiliza as janelas de tempo. Entretanto, diferente do que ocorre no modo assistido, a contagem da janela de tempo não é reiniciada a cada ciclo, dessa forma a duração das janelas se mantém fixa. Utilizando como exemplo a mesma freqüência do exemplo anterior, irão resultar janelas de 5segundos (Fig. 15). O ventilador envia um ciclo controlado iniciando a contagem da janela de tempo. Se durante o tempo remanescente da janela, após o ciclo controlado o paciente não exibir nenhum esforço, o ventilador irá iniciar uma nova janela com um ciclo controlado. Caso contrário, ao detectar o esforço do paciente antes do término da janela, e após um ciclo controlado, irá iniciar um ciclo assistido sem, entretanto, reiniciar a contagem de tempo da janela. Supondo que ao final do ciclo assistido ainda restasse 2 segundos para o término da janela. Se nesse intervalo remanescente, após um ciclo assistido, o paciente exibir outro esforço inspiratório, o ventilador irá disponibilizar um ciclo espontâneo. Outros esforços dentro da mesma janela, também, irão resultar em ciclos espontâneos. Ao término dessa é iniciada uma janela consecutiva. tenham ciclos assistidos e/ouum ciclo espontâneos na janela anterior, oCaso ventilador nãoocorrido irá iniciar a janela enviando controlado, mas irá prioritariamente aguardar o esforço do paciente. O primeiro esforço do paciente, na nova janela, irá resultar em um ciclo assistido, e os demais espontâneos. Outra janela é iniciada ao término da anterior. Como existiram ciclos espontâneos, novamente não é enviado nenhum ciclo, e o ventilador permanece aguardando o esforço do paciente até o final da janela. Se o paciente não exibiu nenhum esforço na janela anterior, a nova janela é iniciada com um ciclo controlado. Como no modo SIMV o ventilador prioriza o esforço do paciente, de forma a estimular a ventilação espontânea e favorecer o desmame, podem ocorrer períodos relativamente longos de apnéia, para freqüências respiratórias baixas. Supondo que tenha sido ajustada no ventilador uma freqüência de 6 ciclos/minuto, as janelas resultantes seriam de 10 segundos. Se o paciente exercer um esforço inspiratório no início de uma janela, realizando uma apnéia a seguir, o ventilador só irá enviar um 25

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais ciclo controlado após o término da segunda janela consecutiva, quando terão decorrido aproximadamente 20segundos. Nesse caso, a programação de mecanismos de backup é aconselhável. Modo CPAP No modo CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) o ventilador disponibiliza apenas ciclos espontâneos. O modo CPAP é caracterizado pela manutenção de uma pressãoprogramando-se positiva constante nas viasrespiratória aéreas. Emzero alguns ventiladores o modocaso CPAP obtido freqüência no modo SIMV. Nesse a é modo é designado SIMV/CPAP. Os modos básicos apresentados e os ciclos disponibilizados em cada um são apresentados sinteticamente a seguir: Modo Controlado Assistido/Controlado SIMV CPAP

Controlado X X X

Ciclo assistido x x

Espontâneo x x

Modos de Controle Além dos modos básicos anteriormente descritos, os ventiladores apresentam modos específicos, como Volume Controlado, Pressão Controlada, Pressão Suporte, VAPS, que se referem ao tipo de controle exercido sobre os ciclos ventilatórios. Volume Controlado O modo de controle Volume Controlado - VC se aplica aos ciclos controlados e assistidos, nos modos básicos Controlado, Assistido/Controlado e SIMV. Nesse modo, o ventilador controla a válvula de fluxo de forma a manter o fluxo programado durante a fase inspiratória, ou seja, o fluxo é o parâmetro controlado (“fixo”) e a pressão na via aérea é resultante (“livre”). Diversos padrões de fluxo podem ser utilizados: constante, acelerado, desacelerado, senoidal 1,25,41,47,71,79,80. A equação do movimento relaciona os parâmetros controlados (sublinhado) e os resultantes (duplo sublinhado). Pva = Rva.Fluxo + Volume/Csr + PEEP O volume inspirado a cada instante é determinado exclusivamente pelo fluxo. O volume é a integral do fluxo no tempo e pode ser representado graficamente pela área do gráfico Fluxo x tempo, entre o instante inicial e o instante considerado. O ciclo será finalizado quando o volume inspirado atingir o valor de volume controlado programado. Fixando os conceitos através de um exemplo numérico (Fig. 16): Paciente: Rva 20cmH2O/L/s; Csr 0,05L/cmH2O Ventilador: Fluxo = 45L/min constantes; Volume 0,75L, PEEP 5cmH2O

26

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais MODO VOLUME CONTROLADO

Paciente: Rva 20; Csr 0,05 90

Fluxo Constante

60

Fluxo Desacelerado

) n i 30 m / (L o x -30 lu F

-60

1,00 ) (L0,75 e 0,50 m u l o0,25 V

0

50 ) O40 H m30 (c o20 ã s10 s e r P0

Ppico1

2

Ppico2 Pplat2

Pplat1

-10 0

1

2

34

5

6

7

8

9

Tempo (s)

Figura 16: No modo Volume Controlado o ventilador apresenta padrão de fluxo fixo, terminando a fase inspiratória ao ser atingido o volume programado. Durante o período de pausa inspiratória é possível visualizar a pressão a nível alveolar. A utilização de fluxo controlado decrescente resulta em uma diminuição do pico de pressão Ppico, em relação ao fluxo constante. Isso ocorre devido à diminuição da pressão resistiva no final da inspiração.

Durante a fase expiratória, a pressão no interior dos alvéolos está em equilíbrio com a pressão da via aérea PEEP 5cmH O. No início do ciclo, o ventilador fecha a válvula de exalação e abre a válvula de fluxo2 no valor ajustado de fluxo controlado 45L/min (0,75L/s). No início da fase inspiratória, quando o volume inspirado é zero, a pressão na via aérea será: Pva = 20cmH2O/L/s . 0,75L/s + 0/ 0,05L/cmH2O + 5cmH2O Pva = 20cmH2O No instante inicial, a pressão na via aérea se eleva de 5 para 20cmH 2O, como resultado da pressão resistiva requerida para movimentar os gases através das vias aéreas. Como o fluxo é constante o volume aumenta linearmente. Após 1 s: Volume = 0,75L/s . 1s = 0,75L 27

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais A pressão na via aérea nesse instante será: Pva = (20cmH2O/L/s . 0,75L/s + 0,75L/0,05L/cmH2O + 5cmH2O) Pva = (15+15+5)cmH2O = 35cmH2O Nesse instante o ventilador terá completado o volume e irá fechar a válvula de fluxo. Supondo que tenha sido programada uma pausa inspiratória de 0,5 s, o ventilador irá aguardar esse período até abrir a válvula de exalação. No período de pausa, na ausência de fluxo (FC(t)=0), a pressão na via aérea - pressão de plateau Pplat - irá refletir a pressão intrapulmonar: Pplat = (20cmH2O/L/s . 0L/s + 0,75L/0,05L/cmH2O + 5cmH2O) Pplat = (0 + 15 + 5) cmH2O = 20cmH2O Ao final da pausa o ventilador abre a válvula de exalação permitindo o esvaziamento dos pulmões. A exalação geralmente ocorre de forma passiva e obedece à equação de esvaziamento do pulmão apresentada anteriormente (Equação do Movimento). Supondo, que o fluxo utilizado não fosse constante, mas apresentasse um perfil desacelerado, iniciando com 60L/min (1 L/s) e terminando em 30L/min (0,5L/s), o que resultaria no mesmo fluxo médio de 45L/min do exemplo anterior. Calculando as pressões nos instantes inicial e final: instante inicial: Pva = (20cmH 2O/L/s . 1L/s + 0L / 0,05L/cmH2O + 5cmH2O) Pva = (20cmH2O + 5cmH2O) = 25cmH2O instante final: Pva = (20cmH2O/L/s . 0,5L/s + 0,75L/0,05L/cmH2O + 5cmH2O) Pva = (10cmH2O + 15cmH2O + 5cmH2O) = 30cmH2O Para o mesmo volume e tempo inspiratório, o padrão de fluxo desacelerado resultou em um pico menor de pressão. A redução do fluxo no final da inspiração ocasionou uma diminuição da componente resistiva da pressão. Observa-se também, que no instante inicial a pressão foi maior que no caso anterior, em função de um fluxo inicial mais elevado. Dependendo do ventilador, ao se mudar o padrão de fluxo de constante para desacelerado, deve-se observar se o novo padrão resultou de um aumento do fluxo inicial e redução do final, mantendo-se o fluxo médio constante, ou apenas diminuição do fluxo final. No segundo caso, irá ocorrer um aumento do tempo inspiratório, cujo efeito sobre a ventilação deve ser considerado (por exemplo, ocorrência de auto-PEEP). Os efeitos que podem ser observados nas pressões em função da alteração dos controles do ventilador e da mecânica respiratória do paciente em um ciclo no modo VC com padrão de fluxo constante e pausa inspiratória (de forma a visualizar a pressão de plateau), são apresentados a seguir (Tabela 1): Ventilador Fluxo Volume  ()  () -

Paciente R C  ()  ( )

Ppico  ( )  ( )  ( )  ( )

Pressões Pplateau  ()  ()

Ppico-Pplateau  ()  () -

Tabela 1: Relações entre os parâmetros ajustados no ventilador, a mecânica respiratória do paciente e as pressões resultantes no modo Volume Controlado.

28

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Tomando como exemplo um ciclo onde tenha sido aumentado o fluxo programado, mantendo-se inalteradas as demais variáveis, de acordo com a equação do movimento, irá ocorrer um aumento da pressão resistiva (Ppico-Pplat) e conseqüentemente da pressão de pico Ppico. Como o volume é mantido constante, a pressão elástica se mantém inalterada (Pplat). O efeito inverso é observado com a diminuição do fluxo. As demais possibilidades estão resumidas na Tabela 1. A principal característica do modo VC é a manutenção do fluxo e volume controlados independente da impedância (resistência e complacência) do sistema respiratório. Essa característica pode trazer alguns inconvenientes durante os ciclos assistidos, quando o paciente apresenta esforço inspiratório mais intenso. O esforço do paciente representa um termo de pressão negativa (Pei) no segundo lado da equação do movimento: Pva = Rva.Fluxo + Vol/C + PEEP - Pei A forma de controle no modo VC impede que o ventilador altere o fluxo inspiratório em função do esforço do paciente.Quando o paciente exerce um esforço, como o fluxo e o volume a cada instante permanecem fixos, ocorre uma queda de pressão na via aérea, proporcional ao esforço (Fig. 17). MODO VOLUME CONTROLADO

90

Fluxo(fixo) constante

60

) in 30 /m L ( o x -30 u l F

-60

1,00

Volume constante (fixo)

) (L0,75 e 0,50 m lu o0,25 V

0

50 Ciclo assistido com Esforço inspiratório

) O40 2

H m30 c ( o20 ã s10 s e r P0

-10

elevado

Esforço inspiratório 0123


Tempo (s)

29

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Figura 17: No modo Volume Controlado, os ciclos assistidos também apresentam padrão de fluxo fixo. No caso de esforços inspiratórios intensos, ocorre uma queda de pressão na via aérea, devido à insuficiência do fluxo ofertado pelo ventilador em relação à demanda do paciente.

O esforço representa a demanda de fluxo do paciente e uma oferta insuficiente de fluxo do ventilador, irá resultar em um aumento acentuado do trabalho respiratório do paciente32,65,68,69,84. Durante os ciclos assistidos no modo VC, o fluxo inspiratório ajustado no ventilador deve ser suficiente para atender a demanda do paciente e 65,69,84,91 minimizar as incursões negativas de pressão na via aérea . Pressão Controlada O modo de controle Pressão Controlada - VC se aplica aos ciclos controlados e assistidos, nos modos básicos Controlado, Assistido/Controlado e SIMV. Nesse modo, o ventilador controla a válvula de fluxo de forma a manter a pressão na via aérea constante, no valor programado, durante a fase inspiratória. A partir dessa forma de controle, a cada instante o fluxo será resultante do nível de pressão controlada PC programada e da mecânica respiratória do paciente, ou seja, a pressão na via aérea é o parâmetro controlado (“fixo”) e o fluxo o parâmetro resultante (“livre”)17,57,67,89. A equação do movimento relaciona os parâmetros controlados (sublinhado) e os resultantes (duplo sublinhado). Pva = PC = Rva . Fluxo + Volume/Csr + PEEP Fluxo = (PC - Volume/Csr - PEEP)/Rva O fluxo resultante é proporcional ao gradiente de pressão entre a via aérea e o interior dos pulmões e inversamente proporcional à resistência das vias aéreas. No início do ciclo os pulmões estão vazios, e o gradiente de pressão e conseqüentemente o fluxo são máximos. À medida que ocorre o enchimento dos pulmões, diminui o gradiente de pressão e o fluxo. O fluxo será zero quando a pressão no interior dos pulmões atingir o valor da pressão na via aérea PC. Isso só irá ocorrer se o tempo inspiratório for suficientemente longo. No modo PC o tempo inspiratório é controlado diretamente, ou seja, o ciclo é terminado quando for atingido o tempo inspiratório programado. Dessa forma, o volume inspirado será resultante dos ajustes da pressão controlada, do tempo inspiratório e da mecânica respiratória do paciente. Para entender a dinâmica do ciclo no modo PC, é necessário utilizar o conceito da constante de tempo, definida anteriormente. A constante de tempo representa o produto da resistência pela complacência, e está relacionado com o tempo requerido para que ocorra o enchimento completo do pulmões, ou ainda, para que a pressão no interior dos pulmões atinja o mesmo valor da pressão na via aérea, em uma situação de equilíbrio. São requeridos os seguintes tempos para que a pressão intrapulmonar e o volume inspirado alcancem as porcentagens indicadas de pressão controlada PC e do volume máximo possível a essa pressão: n. const. Tempo 1 2 3 4 5

% 63 86,5 95 98,2 99,3

30

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais O volume máximo (Vol.Max) é o volume do pulmão quando a pressão intrapulmonar atingir o valor da pressão controlada PC: Vol.max = (PC-PEEP). Csr Fixando os conceitos através de um exemplo numérico (Fig. 18): Paciente: Rva 20cmH2O/L/s; Csr 0,05L/cmH2O Ventilador: PC 25cmH2O; Tempo inspiratório 1 s, PEEP 5cmH2O

MODO PRESSÃO CONTROLADA

90

Fluxo variável (livre)

60

) in 30 /m L ( o x -30 lu F

-60

1,00

Volume variável (livre)

) L (0,75 e 0,50 m lu o V0,25

0

50 ) O40 H m30 c ( o20 ã s10 s e r P0

Ciclo assistido

2


-10 0123

456789

Tempo (s)

Figura 18: No modo Pressão Controlada o ventilador apresenta fluxo livre, de forma a manter a pressão na via aérea constante, e os ciclos são terminados por tempo. O volume inspirado depende dos ajustes da pressão controlada, do tempo inspiratório e da mecânica respiratória do paciente. Durante os ciclos assistidos, o ventilador aumenta o fluxo proporcionalmente ao esforço do paciente, otimizando o sincronismo.

Durante a fase expiratória, a pressão no interior dos alvéolos está em equilíbrio com a pressão da via aérea PEEP 5cmH2O. No início do ciclo, o ventilador fecha a válvula de exalação e abre a válvula de fluxo. Através de algoritmos de controle o ventilador irá estabelecer o fluxo requerido para atingir a pressão controlada ajustada PC 25cmH 2O. O fluxo requerido, no início da fase inspiratória, quando o volume inspirado é zero: 31

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Fluxo = (PC - Volume/Csr - PEEP)/Rva Fluxo = (25cmH2O - 0L / 0,05L/cmH2O - 5cmH2O) / 20cmH2O/L/s Fluxo = 20cmH2O /20 cmH2O/L/s = 1L/s = 60L/min No instante inicial, o fluxo inspiratório será 60L/min. No próximo instante, com a entrada de um volume inicial, ocorre o aumento da pressão no interior dos pulmões, e a conseqüente diminuição do fluxo, e assim sucessivamente. Através da equação que descreve o enchimento dos pulmões à pressão constante, é possível determinar o volume e a pressão no interior dos pulmões no final da inspiração, após 1 s. A constante de tempo nesse caso é: R.C = 20cmH2O/L/s . 0,05L = 1 s Portanto, após 1 segundo, correspondente a 1 constante de tempo, o volume inspirado será constante de tempo o volume no seu interior será 63 % do volume máximo em situação de equilíbrio. Vol max = (25cm-H2O - 5cmH2O) . 0,05L/cmH2O = 1L Vol insp = 0,63 . Vol max = 0,63 L Para esse volume, a pressão elástica, no interior do pulmão será: Pel = Palv = Vol insp/Csr+PEEP = 0,63L / 0,05L/cmH2O + 5cmH2O = 12,6cmH2O + 5cmH2O = 17,6 cmH2O. Nesse caso, no final da inspiração, a pressão intrapulmonar no final da inspiração não atingiu o valor ajustado de pressão controlada. Para que isso ocorresse, o tempo inspiratório deveria ser superior a 3 constantes de tempo, nesse caso, 3 segundos. Durante o modo PC, um importante parâmetro de controle é o tempo inspiratório, e seu ajuste está diretamente relacionado com a mecânica respiratória do paciente. Tempos inspiratórios curtos podem ser insuficientes para promover um volume adequado. Por outro lado, tempos inspiratórios longos significam, para uma dada freqüência respiratória, tempos expiratórios menores. E da mesma forma que o pleno enchimento dos pulmões à pressão pretendida demanda no mínimo 3 constantes de tempo, a exalação total do volume inspirado também requer no mínimo 3 constantes de tempo, e idealmente 5 constantes de tempo. No caso de um tempo expiratório insuficiente, o próximo ciclo inspiratório será iniciado com os pulmões ainda mantendo um volume residual do último ciclo, caracterizando a presença do auto-PEEP ou PEEP intrínsico62,42. Os efeitos observados sobre o volume e a pressão alveolar durante o modo PC, em função de alterações nos principais parâmetros de controle e na mecânica respiratória do paciente são apresentados a seguir (tabela 2). Foi considerado que o tempo inspiratório Tinsp ajustado é inferior a 3 constantes de tempo. No caso em que o tempo inspiratório exceder esse valor, a pressão alveolar irá praticamente se igualar à pressão controlada. Ventilador PC T.INSP

 () -

 () -

Paciente R

C

Volume

Palv

Ppico-Pplateau

 () -

 ()

 ()  ()  ()  ()

 ()  ()  ()  ()

 () -

 () -

Tabela 2: Relações entre os parâmetros ajustados no ventilador, a mecânica respiratória do paciente e os parâmetros ventilatórios resultantes no modo Pressão Controlada.

32

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Tomando como exemplo um ciclo onde tenha ocorrido um aumento da resistência da via aérea do paciente, mantendo-se inalteradas as demais variáveis. O aumento da resistência implica no aumento da constante de tempo, e conseqüentemente o enchimento dos pulmões se dará de forma mais lenta. Portanto, para o mesmo tempo inspiratório, considerando-se que seja inferior a 3 constantes de tempo, irá resultar em uma diminuição do volume inspirado e da pressão intrapulmonar. O efeito inverso é observado com a diminuição da resistência. As demais possibilidades estão resumidas na Tabela 2. A principal característica do modo PC é a dependência entre a mecânica respiratória do paciente e o fluxo e volume inspiratórios. Ao manter constante a pressão na via aérea, o modo PC previne a ocorrência de pressões elevadas, determinantes no mecanismo de lesão pulmonar na presença de diferenças de resistência e complacência a nível alveolar3, 26,34,35,39,43,52,53,75,76,87,89. Em contrapartida, uma deterioração da mecânica respiratória, irá resultar em uma diminuição dos volumes inspirados. Conforme visto, o modo VC não permite a alteração de fluxo durante os ciclos assistidos (fluxo “fixo”), o que pode resultar em aumento de trabalho respiratório do paciente. Como no modo PC, o ventilador ajusta automaticamente o fluxo de forma a manter constante a pressão na via aérea (fluxo “livre”), o resultado de um esforço inspiratório do paciente é o aumento proporcional de fluxo (Fig. 18). Essa forma de controle é bastante adequada à natureza dos ciclos assistidos. Considerando, na equação do movimento o esforço do paciente Pei, o fluxo inspiratório durante o modo PC será: Fluxo = (PC + Pei - Volume/Csr - PEEP)/Rva Ou seja, o efeito do esforço inspiratório do paciente é equivalente ao aumento da pressão controlada, já que esse esforço irá atuar no sentido de aumentar o gradiente de pressão entre a via aérea e o interior dos pulmões. Tomando o exemplo numérico anterior, e considerando um esforço inspiratório de 10cmH2O, resulta um fluxo inicial: Fluxo = (25cmH2O + 10cmH2O - 0L / 0,05L/cmH2O - 5cmH2O)/20cmH2O/L/s Fluxo = 30cmH2O /20 cmH2O/L/s = 1,5L/s = 90L/min O ventilador aumentou o fluxo de 60 para 90L/min no início da inspiração para atender ao esforço do paciente, e evitar a queda de pressão na via aérea observada durante os ciclos assistidos no modo VC. Assim, o modo PC permite a redução do trabalho respiratório do paciente durante os ciclos assistidos, não assegurando, entretanto, o volume corrente56,67. Pressão Suporte O modo de controle Pressão Suporte - PS se aplica exclusivamente aos ciclos espontâneos nos modos básicos SIMV e CPAP. A modalidade PS pode ser utilizada conjuntamente com as modalidades VC ou PC, no modo básico SIMV. O tipo de controle exercido sobre os ciclos espontâneos no modo PS é idêntico ao exercido sobre os ciclos assistido durante o modo PC, onde a pressão é o parâmetro controlado (“fixo”) e o fluxo o parâmetro resultante (“livre”). Entretanto, diferente do modo PC onde o término do ciclo ocorre por tempo, no modo PS o ventilador continuamente monitoriza o valor do fluxo inspiratório e termina o ciclo quando for atingido um determinado valor mínimo, ou fluxo de corte. Esse valor de fluxo mínimo 33

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais para término ciclo pode ser um valor fixo ou uma porcentagem do fluxo inicial. O tempo inspiratório dos ciclos no modo PS será dependente do esforço e da mecânica respiratória do paciente. A equação do movimento pode ser colocada em termos de pressão suporte PS e esforço do paciente Pei, relacionando os parâmetros controlados (sublinhado) e os resultantes (duplo sublinhado): Pva = PS = Fluxo/Rva + Volume/Csr + PEEP - Pei Fluxo = (PS + Pei - Volume/Csr - PEEP)/Rva A pressão suporte atua no sentido de complementar o esforço do paciente, possibilitando que sejam vencidas as forças resistivas e elásticas do sistema respiratório e de ventilação. Considerando que a soma do esforço inspiratória e da pressão suporte se constitui na força motriz do ciclo, para uma determinada demanda inspiratória do paciente, a pressão suporte pode ser ajustada para propiciar desde um suporte total (PS 100%, Pei 0%), até a ausência de suporte (PS 0%, Pei 100%)5, 16,19,20,28,30,54,59,92,95 . Fixando os conceitos através de um exemplo numérico (Fig. 19): Paciente: Rva 20cmH2O/L/s; Csr 0,05L/cmH2O; Esforço inspiratório 10cmH2O Ventilador: PS 25cmH2O; PEEP 5cmH2O

34

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais MODO PRESSÃO SUPORTE

Fluxo pico

90

Fluxo pico

60

) n i 30 m / (L o x -30 lu F

25% Fluxo pico

25% Fluxo pico

-60

1,00 ) (L0,75 e 0,50 m u l o0,25 V

0

50 ) O40 H m30 (c o20 ã s10 s e r P0 2

-10

Ciclo espontâneo


Ciclo espontâneo


Tempo (s)

Figura 19: O modo de controle Pressão Suporte - PS se aplica exclusivamente aos ciclos espontâneos. O ventilador auxilia a inspiração do paciente aumentando a pressão na via aérea, liberando um fluxo livre similar ao encontrado no modo Pressão Controlada PC. O ventilador continuamente monitoriza o valor do fluxo inspiratório e termina o ciclo quando for atingido um determinado valor mínimo, ou fluxo de corte. O tempo inspiratório e volume dos ciclos no modo PS serão dependentes do esforço e da mecânica respiratória do paciente.

Durante a fase expiratória, a pressão no interior dos alvéolos está em equilíbrio com a pressão da via aérea PEEP 5cmH2O. Ao detectar o esforço do paciente, o ventilador fecha a válvula de exalação e abre a válvula de fluxo. Através de algoritmos de controle o ventilador irá estabelecer o fluxo requerido para atingir a pressão suporte ajustada PS 25cmH2O. O fluxo requerido, no início da fase inspiratória, quando o volume inspirado é zero: Fluxo = (PS + Pei - Volume/Csr - PEEP)/Rva Fluxo = (25cmH2O +10cmH2O - 0L / 0,05L/cmH2O - 5cmH2O) / 20cmH2O/L/s Fluxo = 30cmH2O /20 cmH2O/L/s = 1,5L/s = 90L/min No instante inicial, o fluxo inspiratório será 90L/min. No próximo instante, com a entrada de um volume inicial, ocorre o aumento da pressão no interior dos pulmões, e a conseqüente diminuição do fluxo, e assim sucessivamente.

35

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Caso não se utilizasse a pressão suporte (PS=PEEP), para o mesmo nível de esforço o paciente receberia o seguinte fluxo: Fluxo = (5cmH2O +10cmH2O - 0L / 0,05L/cmH2O - 5cmH2O) / 20cmH2O/L/s Fluxo = 0,5 L/s = 30L/min Para manter o fluxo de 90L/min o paciente deveria exercer um esforço inspiratório três vezes maior do que o requerido com o uso da pressão suporte. Durante os ciclos espontâneos ocorre uma inspiração ativa, o enchimento dos pulmões será influenciado tanto pela constante de tempo, conforme durante o modo PC, como pelo esforço do paciente. Visualizando-se que o esforço do paciente atua no mesmo sentido do aumento da pressão suporte, já que esse esforço reflete em uma diminuição da pressão intrapulmonar e conseqüente aumento do gradiente que gera o fluxo, a mesma equação que rege o enchimento dos pulmões durante o modo PC se aplica. Entretanto o esforço do paciente não se mantém em um valor constante e fixo durante toda a inspiração, o que irá influenciar o tempo de enchimento em relação a uma inspiração passiva. No caso do exemplo, como o fluxo inspiratório inicial foi de 90 L/min, adotando-se um critério de 25% para término do ciclo resultaria: Fluxo término = 25% . 90 L/min = 22,5L/min = 0,375L/s O volume inspirado irá depender tanto dos níveis de pressão suporte, da mecânica respiratória e do esforço inspiratório do paciente. Os protocolos clínicos adotam geralmente como pressão suporte mínima o valor de 5cmH2O, que seria a requerida para vencer as resistências intrínsecas do sistema de ventilação. Quando o paciente, conseguir manter a ventilação com esse nível de suporte seria possível à retirada do suporte ventilatório31,40,44,54-56. Os ciclos com pressão suporte apresentam o fluxo, volume e tempo inspiratório totalmente dependentes do esforço inspiratório e da mecânica respiratória do paciente. Os efeitos observados sobre o fluxo, volume e tempo inspiratório durante o modo PS, apesar de poderem ser definidos teoricamente com relativa precisão, são influenciados na prática pelas características específicas de cada dos ventilador. A seguir são apresentadas algumas relações, em função de alterações nos principais parâmetros de controle e na mecânica respiratória do paciente (Tabela 3). Ventilador PS  ( ) -

Esforço  ( ) -

Paciente R -

 ( ) -

C -

 ()

Fluxo

 ( )  ( )  ( )  ( )

Volume  ()  () ?  ()

Tinsp ? ? ?

 ()

Tabela 3: Relações entre os parâmetros ajustados no ventilador, a mecânica respiratória do paciente e os parâmetros ventilatórios resultantes no modo Pressão Suporte.

O aumento do nível de pressão suporte ou do esforço inspiratório representam um aumento tanto no fluxo como no volume inspirados. O tempo inspiratório será predominantemente influenciado pela constante de tempo do sistema respiratório e pela duração do esforço inspiratório. O aumento da resistência diminui o fluxo inspiratório, retardando o enchimento dos pulmões. Dependendo do valor de fluxo definido pelo ventilador para término do ciclo, poderão ocorrer efeitos distintos sobre o tempo inspiratório e o volume. Se o ventilador 36

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais utilizar uma porcentagem do fluxo inicial para término do ciclo, a diminuição do fluxo inicial, irá resultar na diminuição do fluxo de término, com o conseqüente prolongamento, à vezes excessivo, do tempo inspiratório. Teoricamente, o prolongamento do tempo inspiratório, compensaria de certa forma a diminuição do fluxo, mantendo o volume constante. Entretanto na prática o paciente exerce um esforço expiratório, abreviando tempos inspiratórios longos. Outras vezes, dependendo do tipo de controle exercido pelo respirador, devido ao aumento da resistência da via aérea, ocorre uma pressurização repentina do circuito respiratório, observando-se valores significativos de fluxo, que irão distender apenas o espaço morto do circuito. A partir desse valor de fluxo inicial, o ventilador irá definir um critério de término relativamente elevado, causando um término prematuro do ciclo, com diminuição de volume e tempo inspiratório. Existem ventiladores onde é possível atenuar o fluxo inspiratório inicial de forma a evitar oscilações de pressão e ciclagem prematura do ciclo. A ocorrência de auto-PEEP, decorrente de aumento do tempo inspiratório, também contribui para a diminuição de volume. Nos ventiladores onde o critério de término é um valor de fluxo fixo, o pico de fluxo inicial não iria interferir na duração do ciclo. A duração do tempo inspiratório iria depender do fluxo resultante na via aérea, e do valor definido pelo ventilador para término do ciclo. Por exemplo, caso o paciente apresente um valor de complacência normal, o fluxo inspiratório irá decair lentamente, mantendo-se provavelmente acima do valor de fluxo de término, resultando em um prolongamento do tempo inspiratório, e possivelmente manutenção do volume corrente. A diminuição da complacência resultaria em uma queda mais acentuada do fluxo, devido à elevação mais acentuada da pressão intrapulmonar. O fluxo inicial não seria afetado, já que é influenciado basicamente pela resistência. Os efeitos observados nesse caso seriam a diminuição do tempo inspiratório e do volume corrente. Pressão Limitada O modo de Pressão Limitada é comumente encontrado nos ventiladores neonatais, e se aplica aos ciclos controlados e assistidos, nos ventiladores que permitem a ventilação sincronizada (Assistida e/ou SIMV). Nesse modo, o ventilador mantém um fluxo contínuo na via aérea através de uma válvula de fluxo ou de um simples fluxômetro12. Durante a fase expiratória o fluxo contínuo é desviado para o ambiente através da válvula de exalação que permanece aberta, ou parcialmente fechada de forma a gerar uma pressão expiratória positiva. Os ciclos são iniciados pelo fechamento da válvula de exalação, quando o fluxo contínuo é dirigido para o interior dos pulmões. O enchimento dos pulmõesse dá de forma semelhante ao que ocorre no modo VC, com a pressão na via aérea sendo o parâmetro resultante, obedecendo a equação do movimento. Pva = Fluxo.Rva + Volume/Csr + PEEP No modo VC, a válvula de exalação é fechada a uma pressão de 120cmH 2O, e o ciclo é terminado quando for atingido o volume programado. Isso significa, que a menos que seja ativado um limite de alarme, a pressão na via aérea pode se elevar até 120cmH2O. No modo Pressão Limitada, o valor de pressão com que a válvula de exalação é fechada não é fixo, mas pode ser ajustado pelo operador, se constituindo em um limite de pressão inspiratória. Se durante a fase inspiratória a pressão na via aérea se mantiver abaixo do limite ajustado, a válvula de exalação permanecerá fechada, e todo o fluxo ajustado será dirigido ao paciente, resultando em um padrão análogo ao encontrado no modo VC. Caso contrário irá limitar a pressão na via aérea permitindo que parte do fluxo contínuo escape para o ambiente. A partir do instante 37

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais em que o limite de pressão é atingido, o fluxo inspiratório irá diminuir de forma exponencial, com o mesmo padrão apresentado no modo PC, de acordo com a equação do movimento. A pressão passa a ser o parâmetro controlado e o fluxo e volume os parâmetros resultantes. Pva = Plimite = Fluxo.Rva + Volume /C + PEEP No modo Pressão Limitada, da mesma forma que no modo PC, o tempo inspiratório é controlado diretamente, ou seja, o ciclo é terminado quando for atingido o tempo inspiratório programado. O volume inspirado será resultante dos ajustes de fluxo, do limite de pressão inspiratória, do tempo inspiratório e da mecânica respiratória do paciente. É importante perceber a diferença fundamental entre o modo PC e o Pressão Limitada. No primeiro o fluxo é livre, ou seja, o valor ajustado de pressão será necessariamente atingido e mantido pelo ventilador através do controle da válvula de fluxo, de forma a adequar a oferta de fluxo em situações de demanda variável. No modo Pressão Limitada o fluxo é fixo, não sendo necessariamente atingido o valor ajustado como limite de pressão através do controle da válvula de exalação. Na presença de esforço inspiratório do paciente, irá ocorrer o mesmo efeito observado no modo VC, ou seja, queda de pressão na via aérea e aumento do trabalho respiratório (Fig 20). MODO PRESSÃO LIMITADA

90 60

) n i 30 /m L ( o x -30 u l F

Fluxo constante

Fluxo decrescente

Fluxo constante (fixo)

-60

1,00 ) (L0,75 e 0,50 m lu o0,25 V

0

50

Limite de Pressão

) 40 O H m30 (c o20 ã s10 s e r P0 2


-10 0123

456789

Tempo (s)

38

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais Figura 20: No modo Pressão Limitada o fluxo é fixo, e o limite de pressão é realizado pela válvula de exalação. Na presença de esforço inspiratório do paciente, irá ocorrer o mesmo efeito observado no modo VC, ou seja, queda de pressão na via aérea e aumento do trabalho respiratório.

Nas aplicações neonatais e pediátricas, a utilização de fluxos inspiratórios mais elevados, que excedam a demanda inspiratória do paciente, pode reproduzir o efeito do fluxo livre. Nesse caso a reserva de fluxo é o excesso que escapa pela válvula de exalação. VAPS O modo de controle VAPS - Ventilação Volumétrica Assistida com Pressão Suporte se aplica aos ciclos controlados e assistidos nos modos básicos Controlado, Assistido e SIMV. Os modos de ventilação Volume Controlado e Pressão Controlada se distinguem pela forma como é exercido o controle de fluxo. De forma sucinta no modo VC o fluxo é o parâmetro controlado (“fixo”) e a pressão na via aérea é resultante (“livre”); no modo PC a pressão na via aérea é controlada (“fixa”) e o fluxo é resultante (“livre”). Conforme discutido, a equação do movimento relaciona os parâmetros controlados (sublinhado) e os resultantes (duplo sublinhado). No modo VC: Pva = Rva.Fluxo + Vol/Csr + PEEP + Pei No modo PC: Pva= PC = Rva.Fluxo + Vol/Csr + PEEP + Pei No modo VAPS o ventilador exerce um duplo controle, de forma a assegurar que, durante a fase inspiratória dos ciclos controlados e assistidos, até que seja atingido o volume controlado: 1- O fluxo resultante na via aérea seja maior ou igual ao Fluxo Controlado; 2- A pressão resultante na via aérea seja maior ou igual à Pressão Controlada. Um exemplo didático para compreensão do tipo de controle exercido no modo VAPS é a comparação entre um ciclo assistido no modo VC com a ocorrência de um esforço inspiratório do paciente e um ciclo assistido no modo VAPS com o mesmo esforço inspiratório (Fig. 21).

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Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais MODO VAPS CICLO ASSISTIDO VOLUME CONTROLADO 90

CICLO ASSISTIDO VAPS Fluxo variável (livre)


60

) n i 30 m / (L o x -30 lu F


-60

1,00

Volume constante (controlado)

) (L0,75 e 0,50 m u l o0,25 V

0

50 ) O40 H m30 (c o20 ã s10 s e r P0 2

Pressão Suporte

Queda de pressão

Esforço -10 inspiratório 0123


Tempo (s)

Figura 21: No modo VAPS, aplicável aos ciclos controlados e assistidos, o ventilador controla simultaneamente os níveis de fluxo e pressão na via aérea. Nos ciclos assistidos no modo Volume Controlado, o esforço do paciente ocasiona uma depressão na curva de pressão, indicando que o paciente assumiu uma parcela do trabalho respiratório. No modo VAPS, através de um duplo controle, combinando-se os algoritmos do modo VC e PS, o ventilador evita a queda observada de pressão nos ciclos assistidos, elevando o fluxo inspiratório “livre” além do fluxo controlado “fixo”.

No primeiro ciclo, na ausência de esforço inspiratório, o ventilador realiza todo o trabalho respiratório, e a pressão na via aérea apresenta a morfologia típica do modo VC. No segundo ciclo, o esforço do paciente ocasiona uma diminuição da pressão intrapulmonar, que é refletida na pressão da via aérea. Observa-se uma depressão na curva de pressão em relação ao ciclo controlado, indicando que o paciente assumiu uma parcela do trabalho respiratório. Na presença de esforços elevados por parte do paciente e fluxos insuficientes por parte do respirador, as quedas de pressão no decorrer do ciclo poderão apresentar valores acentuados, representando aumentos significativos de trabalho respiratório do paciente. Essa situação obviamente é indesejada nos ciclos assistidos, quando se pretende aliviar a carga sobre os músculos respiratórios, geralmente em uma fase aguda da insuficiência respiratória. No modo VAPS, através de um duplo controle, combinando-se os algoritmos do modo VC e PS, o ventilador evita a queda observada de pressão nos ciclos assistidos, elevando o fluxo inspiratório “livre” além do fluxo controlado “fixo”, sempre que a 40

Princípios Básicos dos Ventiladores Artificiais pressão na via aérea estiver abaixo de um nível mínimo ajustado. O modo VAPS requer o ajuste de fluxo, volume e pressão suporte, e o ciclo resultante será uma combinação dos ciclos do modo VC e PC ou PS. Se em função dos ajustes dos controles de fluxo e volume, a pressão resultante na via aérea for superior ao valor ajustado de pressão suporte, prevalecerá o controle tipo VC, caso contrário prevalecerá o controle tipo PS. o ventilador irá automaticamente acionar o fluxo “livre” em complementação ao fluxo “fixo” impedindo a queda de pressão abaixo do nível ajustado. Na concepção srcinal do modo VAPS2, 11,13-15, os ciclos são terminados da mesma forma que o ciclo no modo VC, ao ser atingido o volume programado, sendo possível também à programação de pausa inspiratória. Nesse caso, a pausa mantém o controle da pressão na via aérea, permitindo a ocorrência do fluxo “livre”. Existem variações, onde o término do ciclo segue o critério de término do modo PS, através de um valor de fluxo de corte. Nesse caso pode ocorrer aumento do volume inspirado em relação ao controlado18,36,38,45,57.

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