Các biến số giai đoạn – Thở máy căn bản

Tác giả: Thạc sĩ – Bác sĩ Đặng Thanh Tuấn – Trưởng khoa hồi sức Ngoại – Bệnh viện Nhi Đồng 1 – TPHCM

Máy thở là một cỗ máy cung cấp lưu lượng khí trong một khoảng thời gian nhất định bằng cách tăng áp lực đường thở gần, tăng dần lên đến đỉnh trong khi cung cấp thể tích khí lưu thông. Do thuật ngữ không chính xác, không nhất quán và lỗi thời được sử dụng để mô tả máy thở hiện đại, nhiều bác sĩ lâm sàng thường hiểu sai chính xác chức năng của máy thở. Hiểu các hướng dẫn chính xác mà máy thở tuân theo để cung cấp nhịp thở ở các chế độ thông khí khác nhau là rất quan trọng để quản lý máy thở tối ưu.

Cấu tạo của nhịp thở

Nhịp thở là một sự kiện định kỳ, bao gồm các chu kỳ lặp đi lặp lại của hít vào và thở ra. Mỗi nhịp thở, được định nghĩa là một chu kỳ của hít vào sau khi thở ra, có thể được chia thành bốn thành phần, được gọi là các biến số giai đoạn (phase variables). Các biến số giai đoạn này xác định khi nào hít vào bắt đầu (kích hoạt, trigger), cách lưu lượng được cung cấp trong khi hít vào (mục tiêu, target), khi nào hít vào kết thúc (chu kỳ, cycle) và áp lực đường thở gần trong khi thở ra (đường cơ sở, baseline) (Hình 2.1).

Kích hoạt (trigger)

Biến số kích hoạt xác định khi nào nên bắt đầu hít vào. Nhịp thở có thể được kích hoạt bởi máy thở (ventilator-triggered) hoặc kích hoạt bởi bệnh nhân (patient-triggered). Nhịp thở kích hoạt bởi máy thở sử dụng thời gian làm biến kích hoạt. Nhịp thở kích hoạt bởi bệnh nhân được bắt đầu bằng nỗ lực hô hấp của bệnh nhân, sử dụng áp lực hoặc lưu lượng cho biến kích hoạt.

Kích hoạt thời gian

Với kích hoạt thời gian (time triggering), máy thở bắt đầu một nhịp thở sau khi một khoảng thời gian đã định đã trôi qua kể từ khi bắt đầu nhịp thở trước. Cách phổ biến nhất để đặt kích hoạt thời gian là bằng cách đặt tần số hô hấp (time = 1/rate). Ví dụ, đặt tần số hô hấp của máy thở là 12 nhịp thở mỗi phút tương đương với cài đặt kích hoạt thời gian là 5 giây vì cứ sau 5 giây lại có một nhịp thở sẽ tạo ra 12 nhịp thở mỗi phút. Khi một nhịp thở được bắt đầu bởi một kích hoạt thời gian, nhịp thở đó được phân loại là kích hoạt máy thở – hoặc nhịp thở kiểm soát (control).

Kích hoạt bởi bệnh nhân

Những thay đổi về áp lực và lưu lượng trong bộ dây máy thở do nỗ lực hô hấp của bệnh nhân được phát hiện bởi máy thở. Khi bệnh nhân thực hiện một nỗ lực hô hấp, như đã thảo luận trong chương 1, cơ hoành và cơ hô hấp co lại, áp lực màng phổi giảm xuống, cuối cùng làm giảm áp lực đường thở gần. Điều này làm giảm áp lực đường thở được truyền dọc theo ống dây máy thở và được đo bằng máy thở. Nếu một bộ kích hoạt áp lực (pressure trigger) được cài đặt và mức độ giảm áp lực đường thở gần như được đo bằng máy thở lớn hơn mức cài đặt kích hoạt áp lực, một nhịp thở sẽ được bắt đầu và cung cấp bởi máy thở (Hình 2.2).

Để kích hoạt lưu lượng (flow-triggering), một lưu lượng khí liên tục di chuyển từ nhánh hít vào của máy thở đến nhánh thở ra của máy thở trong giai đoạn thở ra (đường cơ sở). Lưu lượng này được đo liên tục bằng máy thở. Trong trường hợp không có bất kỳ nỗ lực hô hấp nào của bệnh nhân, dòng khí rời khỏi máy thở qua nhánh hít vào phải bằng với lưu lượng khí quay trở lại máy thở thông qua nhánh thở ra. Trong nỗ lực hô hấp của bệnh nhân, một phần lưu lượng này sẽ đi vào bệnh nhân thay vì quay trở lại máy thở, và máy thở sẽ phát hiện lưu lượng giảm ở nhánh thở ra. Nếu sự giảm lưu lượng này quay trở lại máy thở vượt quá kích hoạt lưu lượng đã cài đặt, một nhịp thở sẽ được bắt đầu và được cung cấp bởi máy thở (Hình 2.3).

Khi một nhịp thở được bắt đầu bởi một kích hoạt áp lực hoặc lưu lượng, nhịp thở đó được phân loại là một nhịp thở bệnh nhân kích hoạt, hoặc nhịp thở hỗ trợ (assist). Sự khác biệt giữa kích hoạt áp lực và lưu lượng trong máy thở hiện đại nói chung là không đáng kể về mặt lâm sàng. Một bệnh nhân chỉ có thể kích hoạt máy thở trong giai đoạn thở ra (đường cơ sở). Những nỗ lực hô hấp của bệnh nhân trong khi hít vào sau khi một nhịp thở được bắt đầu sẽ không kích hoạt một nhịp thở khác.

Hỗ trợ kiểm soát

Có thể kết hợp một bộ kích hoạt bệnh nhân (hỗ trợ) và bộ kích hoạt máy thở (kiểm soát) để tạo ra chế độ kích hoạt lai được gọi là hỗ trợ kiểm soát (A/C, assist-control). Với bộ kích hoạt kết hợp này, cả tần số hô hấp kiểm soát (bộ kích hoạt thời gian) và bộ kích hoạt áp lực hoặc lưu lượng đều được cài đặt. Nếu một lượng thời gian được cài đặt bởi bộ kích hoạt thời gian đã trôi qua mà không có nhịp thở do bệnh nhân kích hoạt, máy thở sẽ bắt đầu nhịp thở kiểm soát. Tuy nhiên, nếu bệnh nhân kích hoạt máy thở, thông qua bộ kích hoạt áp lực hoặc lưu lượng, trước khi hết kích hoạt thời gian, máy thở sẽ khởi động nhịp thở của máy thở và đồng hồ kích hoạt thời gian sẽ đặt lại. Điều quan trọng cần lưu ý là không có sự khác biệt về các đặc điểm khác của nhịp thở (tức là, mục tiêu, chu kỳ và đường cơ sở) giữa nhịp thở của kiểm soát, được kích hoạt theo thời gian và nhịp thở hỗ trợ được kích hoạt bởi bệnh nhân. Hỗ trợ và kiểm soát chỉ có thể mô tả liệu nhịp thở được kích hoạt bởi bệnh nhân hay máy thở.

Nhiều máy thở cho biết nhịp thở được cung cấp là một nhịp thở kiểm soát (control) hay hỗ trợ (assist), bằng cách có một đèn flash nhấp nháy chữ A hay chữ C trên màn hình. Ngoài ra, người ta có thể xác định nhịp thở được cung cấp là nhịp thở kiểm soát hay hỗ trợ bằng cách kiểm tra đường cong áp lực trên màn hình máy thở. Nhịp thở được kích hoạt bởi bệnh nhân, sẽ có đoạn lõm âm trên đường cong áp lực ngay trước khi hít vào, trong khi đó, nhịp thở kiểm soát được kích hoạt theo thời gian là không có đoạn lõm âm đó. Sự lõm xuống của đường cong áp lực đối với nhịp thở do bệnh nhân kích hoạt là phản ánh nỗ lực hô hấp của bệnh nhân, dẫn đến giảm áp lực đường thở gần (Hình 2.4).

Tần số hô hấp thực tế của máy thở sẽ phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tần số kiểm soát của kích hoạt thời gian và tần số nỗ lực hô hấp của bệnh nhân.

Giả sử kiểu thở bên trong của bệnh nhân là đều đặn, nếu kích hoạt thời gian được đặt sao cho tần số kiểm soát là 10 nhịp thở mỗi phút (cứ sau 6 giây lại thở một lần) và tần số nỗ lực hô hấp của bệnh nhân là 20 nhịp thở mỗi phút (cứ sau 3 giây lại có một nhịp thở) thì tất cả các nhịp thở sẽ là nhịp thở hỗ trợ, vì bệnh nhân sẽ kích hoạt máy thở trước khi hết hạn kích hoạt thời gian. Do đó, nhịp hô hấp thực tế sẽ là 20 nhịp thở mỗi phút. Trong trường hợp này, việc tăng nhịp thở kiểm soát trên máy thở từ 10 đến 15 nhịp thở mỗi phút (giảm kích hoạt thời gian từ 6 xuống 4 giây) sẽ không ảnh hưởng đến nhịp hô hấp nếu bệnh nhân kích hoạt máy thở cứ sau 3 giây.

Tuy nhiên, việc tăng nhịp thở cài đặt lên trên 20 nhịp thở mỗi phút (giảm kích hoạt thời gian xuống dưới 3 giây) sẽ dẫn đến tất cả các nhịp thở là nhịp thở kiểm soát theo thời gian. Tần số hô hấp được kích hoạt theo thời gian cài đặt về cơ bản là tần số dự phòng, nếu bệnh nhân không kích hoạt máy thở ở tần số cao hơn tần số dự phòng, máy thở sẽ cung cấp nhịp thở kiểm soát kích hoạt theo thời gian ở tần số hô hấp dự phòng đã cài đặt.

Hầu hết các máy thở đều hiển thị nhịp hô hấp thực tế. Nếu nhịp hô hấp thực tế cao hơn nhịp hô hấp được kích hoạt theo thời gian, thì phải có nhịp thở hỗ trợ của bệnh nhân. Đối với những bệnh nhân có nhịp thở không đều, trong đó thời gian giữa các nỗ lực hô hấp của bệnh nhân, có thể có sự kết hợp giữa nhịp thở hỗ trợ của bệnh nhân và nhịp thở kiểm soát theo thời gian.

Mục tiêu (target)

Biến mục tiêu có lẽ là các biến số giai đoạn bị hiểu sai nhiều nhất. Một phần của sự nhầm lẫn này xuất phát từ thực tế là các tên khác thường được sử dụng cho biến này, bao gồm cả kiểm soát (control) và giới hạn (limit).

Biến mục tiêu điều chỉnh cách lưu lượng được quản lý trong khi hít vào. Các biến thường được sử dụng cho mục tiêu bao gồm lưu lượng và áp lực. Thể tích, cụ thể là thể tích khí lưu thông, về mặt kỹ thuật không phải là biến mục tiêu vì nó không làm rõ cách thức lưu lượng được cung cấp, cài đặt một thể tích khí lưu thông không xác định liệu thể tích đó có được cung cấp trong một khoảng thời gian ngắn (tốc độ lưu lượng cao) hoặc một khoảng thời gian dài (tốc độ lưu lượng thấp). Lưu ý rằng thể tích được cung cấp trên mỗi đơn vị thời gian, là định nghĩa của lưu lượng, là một biến mục tiêu.

Phương trình từ chương 1 liên quan lưu lượng, áp lực và sức cản của hệ hô hấp giúp làm rõ vai trò của biến mục tiêu:

Q = (Pair – Palv)/R

Q = lưu lượng

Pair = áp lực đường thở gần

Palv = áp lực phế nang

R = sức cản đường thở

Biến mục tiêu là biến độc lập trong phương trình này, giá trị của nó được cài đặt bởi nhà cung cấp và đạt được bởi máy thở. Mục tiêu có thể là lưu lượng hoặc áp lực đường thở gần, nhưng không phải cả hai cùng một lúc. Khi lưu lượng hoặc áp lực đường thở được đặt bởi máy thở là biến mục tiêu, biến kia sẽ trở thành biến phụ thuộc, giá trị của nó được xác định bởi biến mục tiêu, sức cản đường thở và áp lực phế nang.

Mục tiêu lưu lượng

Với mục tiêu lưu lượng (flow target), lưu lượng được chọn là biến số độc lập. Máy thở chỉ đơn giản là cung cấp lưu lượng theo cài đặt của nhà cung cấp. Do đó, áp lực đường thở gần trở nên phụ thuộc vào lưu lượng (biến mục tiêu), sức cản đường thở và áp lực phế nang. Kiểu dạng sóng lưu lượng (flow waveform pattern), mô tả kiểu di chuyển của dòng khí, cũng được chọn. Các dạng sóng lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất là lưu lượng hằng định (constant flow) và lưu lượng giảm tốc (decelerating ramp).

Với kiểu dạng sóng lưu lượng hằng định, còn được gọi là kiểu dạng sóng hình vuông hoặc hình chữ nhật (square or rectangle waveform), tốc độ dòng thở ngay lập tức tăng lên mức đã đặt và duy trì hằng định trong chu kỳ hô hấp. Với mô hình dạng sóng giảm tốc, tốc độ dòng thở cao nhất khi bắt đầu hít vào, khi nhu cầu lưu lượng bệnh nhân thường lớn nhất, và sau đó giảm dần xuống lưu lượng bằng không (Hình 2.5).

Mục tiêu áp lực

Với mục tiêu áp lực (pressure target), áp lực đường thở gần được chọn là biến độc lập. Máy thở cung cấp lưu lượng để nhanh chóng đạt được và duy trì áp lực đường thở trong suốt quá trình hít vào. Do đó, lưu lượng trở nên phụ thuộc vào áp lực đường thở gần (biến mục tiêu), sức cản và áp lực phế nang (Hình 2.6).

Các chế độ nhắm mục tiêu áp lực tự nhiên tạo ra một dạng sóng lưu lượng giảm tốc. Phương trình trước có thể được sử dụng để giải thích tại sao:

Q = (Pair – Palv)/R

Trong giai đoạn hít vào, khi không khí lấp đầy phế nang, áp lực phế nang tăng. Vì áp lực đường thở gần như hằng định trong giai đoạn hít vào của nhịp thở mục tiêu áp lực, và giả sử sức cản không thay đổi đáng kể trong quá trình thở, lưu lượng phải giảm khi áp lực phế nang tăng. Do đó, lưu lượng sẽ cao nhất khi bắt đầu hít vào và giảm dần xuống khi giai đoạn hít vào diễn ra.

Mục tiêu lưu lượng vs áp lực

Sự khác biệt giữa các chế độ sử dụng mục tiêu lưu lượng và áp lực là rõ ràng nhất khi có sự thay đổi trong hệ thống hô hấp, do sự thay đổi về sức cản đường thở (resistance) hoặc độ giãn nở phổi (compliance) hoặc do kết quả của nỗ lực hô hấp (respiratory efforts) của bệnh nhân. Khi có sự thay đổi trong hệ hô hấp, biến mục tiêu đã đặt không thay đổi, trong khi đó, biến phụ thuộc khác thay đổi, vì máy thở không thể đặt đồng thời cả lưu lượng và đường thở gần.

Để minh họa sự khác biệt này, hãy tưởng tượng hai bệnh nhân, Bệnh nhân A và Bệnh nhân B, có hệ thống hô hấp giống hệt nhau được thở máy (Hình 2.7). Bệnh nhân A có chế độ nhắm mục tiêu theo lưu lượng, trong khi Bệnh nhân B có chế độ nhắm mục tiêu theo áp lực. Nếu hai bệnh nhân cắn ống nội khí quản trong giai đoạn hít vào, mỗi bệnh nhân sẽ trải qua sự gia tăng cấp tính về sức cản đường thở. Trong kịch bản này, hai chế độ máy thở sẽ phản ứng khác nhau với sự thay đổi trong hệ thống hô hấp. Đối với Bệnh nhân A, do biến mục tiêu là lưu lượng, lưu lượng vẫn không bị ảnh hưởng và cần tăng áp lực đường thở cao hơn để duy trì lưu lượng cài đặt. Đối với Bệnh nhân B, do biến mục tiêu là áp lực, áp lực đường thở gần vẫn không bị ảnh hưởng và cần có lưu lượng thấp hơn để duy trì áp lực đường thở gần cài đặt.

Nếu, thay vì cắn các ống nội khí quản, bệnh nhân thực hiện một nỗ lực hô hấp bằng cách co thắt các cơ hít vào của họ trong khi hít vào, mỗi bệnh nhân sẽ giảm áp lực phế nang. Trong kịch bản này, hai chế độ máy thở sẽ một lần nữa phản ứng khác nhau với sự thay đổi của hệ hô hấp. Đối với Bệnh nhân A, do khả năng thay đổi mục tiêu là lưu lượng, lưu lượng vẫn không bị ảnh hưởng và áp lực đường thở gần thấp hơn được yêu cầu để duy trì lưu lượng cài đặt. Đối với Bệnh nhân B, do biến mục tiêu là áp lực, áp lực đường thở gần vẫn không bị ảnh hưởng và cần có lưu lượng cao hơn để duy trì áp lực đường thở gần cài đặt.

Những nỗ lực hô hấp đáng kể của bệnh nhân có thể được phát hiện ở những người được thông khí theo mục tiêu lưu lượng bằng cách kiểm tra dạng sóng áp lực. Do áp lực đường thở gần giảm khi nỗ lực hô hấp, các nhấp nhô ở dạng sóng áp lực trong chế độ nhắm mục tiêu lưu lượng là biểu hiện của nỗ lực hô hấp của bệnh nhân (Hình 2.8). Điều quan trọng cần lưu ý là một bệnh nhân, mặc dù đã nỗ lực hô hấp làm giảm áp lực đường thở, không thể kích hoạt máy thở trong giai đoạn hít vào. Bệnh nhân chỉ có thể kích hoạt máy thở trong giai đoạn thở ra (đường cơ sở).

Chu kỳ (cycle)

Biến chu kỳ xác định khi nào chấm dứt giai đoạn hít vào của nhịp thở. Thuật ngữ “đến chu kỳ”, đồng nghĩa với việc chấm dứt hít vào. Các biến số được sử dụng nhiều nhất cho chu kỳ bao gồm thể tích, thời gian và lưu lượng.

Đối với nhịp thở có chu kỳ thể tích (volume- cycled breaths), giai đoạn hít vào tiếp tục cho đến khi một thể tích đã được cung cấp. Đối với nhịp thở theo chu kỳ thời gian (time-cycled breaths), giai đoạn hít vào tiếp tục cho đến khi hết thời gian định sẵn. Đối với nhịp thở theo chu kỳ lưu lượng (flow-cycled breaths), giai đoạn hít vào tiếp diễn cho đến khi lưu lượng thở giảm xuống giá trị cài đặt.

Chu kỳ lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất với các chế độ nhắm mục tiêu áp lực, trong đó lưu lượng được cung cấp để duy trì áp lực đường thở cụ thể. Như đã đề cập ở trên, các chế độ nhắm mục tiêu áp lực tự nhiên tạo ra một dạng sóng lưu lượng giảm tốc, với lưu lượng cao nhất ở đầu nhịp thở và giảm dần khi giai đoạn hít vào diễn ra. Với chu kỳ lưu lượng, máy thở được cài đặt để chấm dứt nhịp thở khi lưu lượng hít vào giảm xuống một tỷ lệ phần trăm được chọn của lưu lượng hít vào đỉnh. Việc tăng tỷ lệ lưu lượng hô hấp tối đa để chu kỳ xảy ra sẽ làm giảm thời gian hít vào và ngược lại (Hình 2.9).

Chu kỳ áp lực không thường được sử dụng như một phương thức chu kỳ độc quyền mà thường được sử dụng liên kết với các chế độ theo mục tiêu lưu lượng, theo chu kỳ thể tích như một cơ chế an toàn để ngăn chặn việc tạo ra áp lực đường thở cao nguy hiểm. Nếu đạt được áp lực đường thở quá cao trước khi thể tích khí lưu thông đã được cung cấp, cơ chế chu kỳ áp lực sẽ chấm dứt thì hít vào.

Đường cơ sở ( Baseline)

Biến số đường cơ sở đề cập đến áp lực đường thở gần trong giai đoạn thở ra. Áp lực này có thể bằng với áp lực khí quyển, được gọi là áp lực cuối thì thở ra bằng không (ZEEP), trong đó máy thở cho phép đàn hồi hoàn toàn phổi và thành ngực, hoặc có thể được giữ trên áp lực khí quyển gọi là áp lực dương cuối thì thở ra (PEEP) (Hình 2.10). Lợi ích của PEEP sẽ được thảo luận trong chương 5 (Hội chứng suy hô hấp cấp tính) và chương 6 (Bệnh phổi tắc nghẽn). Trong chương tiếp theo, các biến số giai đoạn này sẽ được trộn lẫn và khớp với nhau để xây dựng các chế độ thông khí chung.

Suggested Readings

1. Cairo J. Pilbeam’s mechanical ventilation: physiological and clinical applications. 5th ed. St. Louis: Mosby; 2012.

2. Chatburn R. Classification of ventilator modes: update and pro-posal for implementation. Respir Care. 2007;52:301– 23.

3. Chatburn R, El-Khatib M, Mireles-Cabodevila E. A taxonomy for mechanical ventilation: 10 fundamental maxims. Respir Care. 2014;59:1747–63.

4. MacIntyre N. Design features of modern mechanical ventilators. Clin Chest Med. 2016;37:607–13.

5. MacIntyre N, Branson R. Mechanical ventilation. 2nd ed. Philadelphia: Saunders; 2009.

6. Tobin M. Principles and practice of mechanical ventilation. 3rd ed. Beijing: McGraw-Hill; 2013.