Физиология дыхания у новорожденных при неинвазивной респираторной поддержке

АННОТАЦИЯ

В данном обзоре литературы представлены результаты исследований, посвященных физиологии неинвазивной респираторной поддержки у новорожденных. Анализируя взгляды к методам и режимам искусственной вентиляции легких у новорожденных, авторы делают выводы о том, что неинвазивная вентиляция легких является эффективной стратегией снижения респираторного дистресса у новорожденных за счет оптимизации легочной механики, улучшения вентиляции и оксигенации, а также уменьшения работы дыхания.

ABSTRACT

This literature review presents the results of studies on the physiology of non-invasive respiratory support in newborns. Analysing the views on the methods and modes of artificial lung ventilation in newborns, the authors conclude that non-invasive ventilation is an effective strategy for reducing respiratory distress in newborns by optimizing pulmonary mechanics, improving ventilation and oxygenation, and reducing the work of breathing.

Ключевые слова: Физиология дыхания, неинвазивная вентиляция, новорожденные, респираторный дистресс-синдром.

Keywords: Physiology of respiration, non-invasive ventilation, newborns, respiratory distress syndrome.

У детей старшего возраста и взрослых объем легких в состоянии покоя или функциональная остаточная емкость (ФОЕ) пассивно определяется как баланс двух противоположных сил - между отдачей легкого внутрь и отдачей грудной стенки наружу. Однако, у младенцев грудная стенка более податлива [38] что способствует отдаче легких внутрь. Если оставить пассивный баланс этих сил, объем легких в конце выдоха у младенцев будет пропорционально ниже, чем у детей старшего возраста и взрослых. Закрытие дыхательных путей также может происходить во время нормального выдоха [32], что приводит к несоответствию вентиляционно-перфузионного соотношения и гипоксемии. Чтобы предотвратить это, младенцам используют несколько приемов для поддержания ФОЕ выше пассивно определенного объема легких в конце выдоха. К ним относятся создание сопротивления на уровне гортани [24, 28], сокращение инспираторных мышц во время выдоха для уменьшения потока выдыхаемого воздуха и сокращения времени выдоха. Вместе они предотвращают слипание стенок альвеол, тем самым вызывая накопление воздуха в них или динамическую гиперинфляцию [20].

Несоответствие податливости между грудной стенкой и легким повышается у новорожденных с дефицитом сурфактанта или паренхиматозным заболеванием легких. Диафрагма новорожденных и межреберные мышцы содержат меньше мышечных волокон I типа, что увеличивает риск мышечной усталости [17]. Кроме того, более низкая податливость легких увеличивает несоответствие между податливостью легких и грудной стенки, дополнительно снижая ФОЕ и нарушая газообмен [6, 11, 12, 16, 19, 21]. Эти недостатки мешают новорожденным преодолевать повышенные респираторные нагрузки, что делает их уязвимыми к ателектазу и дыхательной недостаточности [38].

Физиология постоянного положительного давления в дыхательных путях. Применение постоянного положительного давления в дыхательных путях (CPAP - continuous positive airway pressure) улучшает эластичность легких и равномерность вентиляции, предотвращая нарушение рекрутирования альвеол и коллапса мелких дыхательных путей во время выдоха в состояние дефицита сурфактанта [2, 15]. Это улучшает вентиляционно- перфузионное соотношение, уменьшает внутрилегочное шунтирование и снижает PaCO₂ [5, 10, 22, 33]. Использование CPAP может также улучшить функцию центральных внутригрудных дыхательных путей [26]. Он поддерживает проходимость дыхательных путей у младенцев с аномально складными центральными дыхательными путями либо за счет перераспределения градиента внутрипросветного давления, либо за счет увеличения объема легких [7, 37]. В верхних дыхательных путях CPAP увеличивает площадь поперечного сечения глотки и снижает сопротивление. CPAP снижает обструкцию верхних дыхательных путей, выступая в качестве стента для поддержания проходимости дыхательных путей.

Влияние CPAP на респираторный цикл до конца не изучено. Было показано, что CPAP изменяет инфляционный рефлекс Геринга - Брейера, позволяя младенцам адаптироваться к повышенной респираторной нагрузке [8]. Кроме того, было высказано предположение, что CPAP улучшает апноэ за счет постоянной стимуляции носоглотки [25], предположительно за счет активации афферентных механорецепторов гортани [18]. Благодаря своей способности стабилизировать грудную стенку, CPAP может подавить этот рефлекс. Однако клинически было показано, что CPAP улучшает обструктивное, но не центральное апноэ у новорожденных [14]. Другой предложенный механизм, с помощью которого CPAP предотвращает апноэ, включает уменьшение количества нарушений сна, вызванных обструкцией дыхательных путей [5]. Важно отметить, что в то время как CPAP может изменить механику легких и грудной стенки и уменьшить работы дыхания новорожденного, он не помогает ребенку поддерживать вентиляцию во время эпизодов апноэ.

Физиология неинвазивной вентиляции с положительным давлением. Целю неинвазивной вентиляции с положительным давлением (NIPPV - non-invasive positive pressure ventilation) является обеспечение большей вентиляционной поддержки по сравнению с CPAP или уменьшение дыхательной работы. В дополнение к поддержанию исходного давления выше атмосферного на протяжении выдоха, NIPPV также периодически обеспечивает положительное давление выше исходного уровня и может поддерживать альвеолярную вентиляцию во время эпизодов апноэ. Это вызывает повышение среднего давления в дыхательных путях по сравнению с тем, которое возникает при CPAP, и, таким образом, может улучшить оксигенацию за счет поддержания рекрутирования альвеол. Более высокое давление, чем при CPAP может также увеличить дыхательные объемы, улучшая выведение CO₂. Дыхание с контролируемым давлением может запускаться либо аппаратом (несинхронизировано), либо синхронизированно. Синхронизированный NIPPV, по сравнению с CPAP, увеличивает дыхательный объем (ДО), одновременно уменьшая инспираторную работу, что отражается в измерениях давления в пищеводе [22]. Кроме того, минутная вентиляция (МВ) увеличивается, а значения чрескожного CO₂ снижается. Ali N. et al. не обнаружили различий в ДО или МВ между недоношенными новорожденными, получавшими CPAP или неинвазивную вентиляцию с поддержкой давлением [5]. Существуют потенциальные проблемы, связанные с поддержкой CPAP или NIPPV, помимо тех, которые связаны с интерфейсами. В то время как цель CPAP и NIPPV - обеспечить достаточное растягивающее давление для оптимизации рекрутирования альвеол, всегда существует риск чрезмерного расширения легочных единиц и снижения эластичности легких. Снижение эластичности легких может привести к снижению ДО и, как следствие, к увеличению PCO₂ и вентиляции мертвого пространства. Эти формы поддержки, как и инвазивная вентиляция, оказывают положительное давление на дыхательную систему и могут вызывать такие осложнения, как пневмоторакс, интерстициальная эмфизема легких или пневмомедиастинум [29]. В работе, посвященной клиническому исследованию новорожденных с гестационным возрастом 25-28 недель, получавших либо CPAP, либо ИВЛ с интубацией трахеи, частота пневмоторакса в группе CPAP составила 9% по сравнению с 3% в группе интубированных [13]. Аналогичное исследование новорожденных с гестационным возрастом 24-27 недель не обнаружило разницы в пневмотораксе между теми, кто получал CPAP и инвазивную вентиляцию [30]. Чрезмерное расширение легких также увеличивает внутригрудное давление, что может снизить венозный возврат к сердцу и снизить сердечный выброс [9], или задержать венозный возврат из головы и повысить внутричерепное давление [1].

В последние годы необходимость поиска оптимального режима ИВЛ у детей с низкой массой тела при рождении способствовала внедрению в неонатальную практику нервно-регулируемой вентиляции (Neurally Adjusted Ventilatory Assist - NAVA) [1, 31, 36] в которой используется принципиально новый способ триггирования вдоха, основанный на анализе электромиограммы диафрагм. Метод основывается на фиксации нервных импульсов, идущих от дыхательного центра головного мозга по диафрагмальному нерву к диафрагме [1].

В настоящий момент эта технология является прорывной в плане обеспечения синхронизации пациента с аппаратом ИВЛ. В то время когда традиционные аппараты искусственной вентиляции легких улавливают попытку пациента вдохнуть либо по изменению давления в дыхательных путях, либо за счет отклонения потока, аппараты ИВЛ, оснащенные опцией NAVA, фиксирует попытку пациента вдохнуть гораздо раньше - на этапе прохождения нервного импульса от дыхательного центра головного мозга по диафрагмальному нерву к диафрагме. Это позволяет вывести на новый уровень синхронизацию пациента с аппаратом ИВЛ и избежать гиперинфляции и вторичных проблем с триггером, что нередко встречается при использовании традиционных аппаратов ИВЛ.

Технология респираторной поддержки NAVA заключается в фиксации электрической активности диафрагмы (Edi) высокочувствительным датчиком, введенным в пищевод. Благодаря тому, что аппарат ИВЛ и диафрагма получают фактически один и тот же сигнал от дыхательного центра продолговатого мозга, синхронизация идеальна.

Было показано, что NAVA улучшает синхронизацию пациента с аппаратом ИВЛ и оксигенацию у новорожденных [13, 23, 30]. Во время самостоятельного дыхания дыхательный сигнал, исходящий из ствола мозга, проходит через диафрагмальный нерв к диафрагме, вызывая электрическое возбуждение диафрагмы. Диафрагма сжимается и создает в грудной клетке отрицательное давление, вызывая расширение легких и вентиляцию. Центральные и периферические хеморецепторы, а также рецепторы растяжения легких обеспечивают обратную связь для регулирования дыхательной активности. Одним из ограничений неинвазивной вентиляции является то, что уровень прикладываемой поддержки нельзя регулировать пропорционально усилию пациента при каждом вдохе [27].

Первоначально доступный как инвазивный способ поддержки вентиляции легких, NAVA теперь успешно применяется и неинвазивно (NIV-NAVA) у недоношенных новорожденных, выздоравливающих после РДС через носовые канюли, маску или носоглоточный зонд [35].

Изначально уровень NAVA должен быть установлен таким образом, чтобы создаваемое пиковое давление было таким же, как при обычной вентиляции. Уровень достигает «точки разрыва», когда достигается оптимальная разгрузка дыхательной мускулатуры. Любое дальнейшее повышение уровня NAVA приведет к снижению пика EAdi, что свидетельствует о снижении респираторного драйва из-за чрезмерной вентиляции. NAVA в настоящее время является единственным режимом вентиляции, который позволяет эффективно запускать даже при наличии больших утечек воздуха (>75%) [34, 35]. Тем не менее, несмотря на многочисленные исследования, показывающие улучшенную синхронизацию вентилятора [4, 35], его нельзя использовать у пациентов, у которых респираторный привод неспособен производить надежный и устойчивый сигнал EAdi, и он может быть неуместным для крайне недоношенных детей, пациентов с сепсисом и пациентов с травмой центральной нервной системы [34].

Таким образом, доказано, что неинвазивная вентиляция легких является эффективной стратегией снижения респираторного дистресса у новорожденных за счет оптимизации легочной механики, улучшения вентиляции и оксигенации, а также уменьшения работы дыхания. Несмотря на многочисленный выбор, доступный клиницистам, ни один из режимов явно не превосходит другие. Новые режимы, такие как NAVA, предназначены для улучшения синхронизации, могут повысить преимущества неинвазивной вентиляции. В то время как первоначальная цель состоит в том, чтобы избежать интубации, чтобы предотвратить повреждение легких, вызванное аппаратом, необходимы углубленные исследования, чтобы определить эффективность неинвазивной вентиляции для уменьшения бронхолегочной дисплазии и улучшения неврологических исходов у новорожденных.

Список литературы:

1. Анурьев А.М., Горбачев В. И, Анурьева Т.М., Петрова И.Л.  Применение нервнорегулируемой искусственной вентиляции легких у недоношенных новорожденных //Вестник интенсивной терапии имени А. И. Салтанова. -2020.-№2.-С. 122-128
2. Миткинов О.Э., Горбачев В.И. Неинвазивная вентиляция легких у новорожденных. Иркутск: РИО ГБОУ ДПО ИГМАПО, 2014.
3. Abdel Hady H., Matter M., Hammad A., El Refaay A. et al. Hemodynamic changes during weaning from nasal continuous positive airway pressure //Pediatrics.- 2018. - №122 (5). – P.1086 – 1090.
4. Alander M., Peltoniemi O., Pokka T., Kontiokari T. Comparison of pressure-, flow-, and NAVA-triggering in pediatric and neonatal ventilatory care //Pediatr. Pulmonol. - 2012. - №47 (1). – P.76 – 83.
5. Ali N., Claure N., Alegria X., D'Ugard C. et al. Effects of non-invasive pressure support ventilation (NI-PSV) on ventilation and respiratory effort in very low birth weight infants. // Pediatr. Pulmonol. – 2017. - №42 (8). – P.704 – 710.
6. Bhutani V.K., Abbasi S., Long W.A., Gerdes J.S. Pulmonary mechanics and ener­getics in preterm infants who had respiratory distress syndrome treated with synthetic surfactant. // J. Pediatr. – 1992. - №120 (2). – P.18 – 24.
7. Davis S., Jones M., Kisling J., Angelicchio C. et al. Effect of continuous positive airway pressure on forced expiratory flows in infants with tracheomalacia. // Am. J. Respir. Crit. Care. Med. – 1998. - №158 (1). – P.148 – 152.
8. Deegan P.C., Nolan P., Carey M., McNicholas W.T. Effects of positive airway pressure on upper airway dilator muscle activity and ventilatory timing. // J. Appl. Physiol. (1985). – 1996. - №81 (1). – P.470 – 479.
9. Diblasi R.M. Nasal continuous positive airway pressure (CPAP) for the respiratory care of the newborn infant. // Respir. Care.-2019.-№54(9).-1209 – 1235.
10. Djalilov D. Современные взгляды к терапии гемодииамических нарушений при искусственной вентиляции легких у новорожденных с респираторным дистресс-синдромом//Архив исследований. – 2020.-
11. Dreizzen E., Migdal M., Praud J.P., Magny J.F. et al. Passive compliance of total respiratory system in preterm newborn infants with respiratory distress syndrome. //J. Pediatr. – 1988. - №112 (5). – P.778 – 781.
12. Dreizzen E., Migdal M., Praud J.P., Saby M.A. et al. Passive total respiratory system compliance and gas exchange in newborns with hyaline membrane disease. // Pediatr. Pulmonol. – 1989. - №6 (1). – P.2 – 7.
13. Dunn M.S., Kaempf J., de Klerk A., de Klerk R., Reilly M., Howard D. et al. Ran­domized trial comparing 3 approaches to the initial respiratory management of preterm neonates. // Pediatrics. – 2017. - №128 (5). – P.1069 – 1076.
14. Gerhardt T., Bancalari E. Maturational changes of reflexes influencing inspiratory timing in newborns. // J. Appl. Physiol. Respir. Environ. Exerc. Physiol. – 1981. - №50 (6). – P.1282 – 1285.
15. Gibu C.K., Cheng P.Y., Ward R.J., et al. Feasibility and physiological effects of noninvasive neurally adjusted ventilatory assist in preterm infants. //Pediatric Research.-2017.-№82(4).-Р.650–657.
16. Goldsmith L.S., Greenspan J.S., Rubenstein S.D., Wolfson M.R. et al. Immediate improvement in lung volume after exogenous surfactant: alveolar recruitment versus increased distention. // J. Pediatr.-1991.-№119 (3). – P.424 – 428.
17. Heldt G.P., McIlroy M.B. Distortion of chest wall and work of diaphragm in preterm infants. // J. Appl. Physiol. (1985). – 1987. - №62 (1). – P.164 – 169.
18. Kattwinkel J., Nearman H.S., Fanaroff A.A., Katona P.G. et al. Apnea of prematurity. Comparative therapeutic effects of cutaneous stimulation and nasal continuous positive airway pressure. // J. Pediatr. – 1975. - №86 (4). – P.588 – 592.
19. Keens T.G., Bryan A.C., Levison H., Ianuzzo C.D. Developmental pattern of muscle fiber types in human ventilatory muscles. // J. Appl. Physiol. Respir. Environ. Exerc. Physiol. – 1978. - №44 (6). – P.909 – 913.
20. Kosch P.C., Stark A.R. Dynamic maintenance of end-expiratory lung volume in full-term infants. // J. Appl. Physiol. Respir. Environ. Exerc. Physiol. – 1984. - №57 (4). – P.1126 – 1133.
21. Krauss A.N., Auld P.A. Measurement of functional residual capacity in distressed neonates by helium rebreathing. //J.Pediatr.-1970.-№77(2). – P.228 – 232.
22. Kurz H. Influence of nasopharyngeal CPAP on breathing pattern and incidence of apnoeas in preterm infants. // Biol. Neonate.-2019.-№76(3).-P.129- 133
23. LoVerde B., Firestone K.S., Stein H.M. Comparing changing neurally adjusted ventilatory assist (NAVA) levels in intubated and recently extubated neonates //Journal of perinatology.-2016.-№36(12).-Р.1097-1100.
24. Mansell A., Bryan C., Levison H. Airway closure in children. //J. Appl. Physiol. – 1972. - №33 (6). – P.711 – 714.
25. Martin R.J., Nearman H.S., Katona P.G., Klaus M.H. The effect of a low continuous positive airway pressure on the reflex control of respiration in the preterm infant. // J. Pediatr. – 1977. - №90 (6). – P.976 – 981.
26. Michna J., Jobe A.H., Ikegami M. Positive end-expiratory pressure preserves surfactant function in preterm lambs. // Am. J. Respir. Crit. Care. Med. – 1999. - №160 (2). – P.634 - 639.
27. Migliori C., Motta M., Angeli A. Nasal bilevel vs. continuous positive airway pressure in preterm infants //Pediatr. Pulmonol.-2015.-№40.-P.426-430.
28. Millar D., Lemyre B., Kirpalani H., Chiu A. et al. A comparison of bilevel and ventilator-delivered non-invasive respiratory support. // Arch. Dis. Child. Fetal. Neonatal. Ed. – 2016. - №101 (1). – P.21 – 25.
29. Miller M.J., Carlo W.A. Continuous positive airway pressure selec­tively reduces obstructive apnea in preterm infants //J.Pediatr.-1985.-№106(1).- P.91-94.
30. Morley C.J., Davis P.G., Doyle L.W. et al. Nasal CPAP or intubation at birth for very preterm infants. //N.Engl.J.Med.-2008.-№358.-P.700-708
31. Narchi H., Chedid F. Neurally adjusted ventilator assist in very low birth weight infants:current status//World J.of Methodology.-2015.-№5(2).-Р.62-67
32. Papastamelos C., Panitch H.B., England S.E., Allen J.L. Developmental changes in chest wall compliance in infancy and early childhood. // J. Appl. Physiol. (1985) – 1995. - №78 (1). – P.179 – 184.
33. Siew M.L., Te Pas A.B., Wallace M.J. et al. Sur­factant increases the uniformity of lung aeration at birth in ventilated preterm rabbits //Pediatr.Res.-2018.-№70(1).-P.50-55.
34. Sinderby C., Navalesi P., Beck J., Skrobik Y. et al. Neural control of mechanical ventilation in respiratory failure. //Nat. Med.-2019.-№5.-P.1433 – 1436.
35. Stein H., Firestone K. Application of neurally adjusted ventilatory assist in neonates. // Semin. Fetal. Neonatal. Med. – 2014. - №19 (1). – P.60 – 69.
36. Stein H., Howard D. Neurally adjusted ventilatory assist in neonates weighing < 1500 grams: a retrospective analysis //Journal of pediatrics.-2012.-№160(5).-Р.786–789.
37. Wiseman N.E., Duncan P.G., Cameron C.B. Management of tracheobronchomalacia with continuous positive airway pressure. // J. Pediatr. Surg. – 2015. - №20 (5). – P.489 – 493.
38. Zhang H., Dysart K., Kendrick D.E. Prolonged respiratory support of any type impacts outcomes of extremely low birth weight infants //Pediatric Pulmonology.-2018.-№53(10).-Р.1447–1455.