Физические основы капнографии

Капнограф состоит из системы забора газа для анализа и самого анализатора. Наиболее широко в настоящее время применяется две системы для забора газа и два метода его анализа.

Забор газа: чаще всего применятся методика забора газа непосредственно из дыхательных путей пациента (как правило, это место соединения например, эндотрахеальной трубки, с дыхательным контуром). Менее распространена методика, когда сам датчик расположен в непосредственной близости к дыхательным путям, то как такового «забора» газа не происходит.

Устройства, основанные на аспирации газа с последующей его доставкой к анализатору хотя и наиболее распространены в силу их большей гибкости, удобства в эксплуатации, все же обладают некоторыми недостатками. Пары воды могут конденсироваться в газозаборной системе, нарушая ее проходимость. При попадании паров воды в анализатор точность измерений значительно нарушается. Так как анализируемый газ доставляется в анализатор с затратой некоторого времени, то существует некоторое отставание изображения на экране от реально происходящих событий. Для индивидуально используемых анализаторов, применяющихся наиболее широко, это отставание измеряется миллисекундами и не имеет большого практического значения. Однако при использовании центрально расположенного прибора, обслуживающего несколько операционных, такое отставание может быть довольно значительным, что сводит на нет многие преимущества прибора. Скорость аспирации газа из дыхательных путей также играет определенную роль. В некоторых моделях она достигает 100 – 150 мл/мин, что может оказывать влияние на, например, минутную вентиляцию ребенка.

Альтернативой аспирационным системам являются так называемые проточные системы. В этом случае сенсор присоединяется к дыхательным путям пациента при помощи специального адаптера и располагается в непосредственной близости к ним. Отпадает необходимость в аспирации газовой смеси, так как анализ ее происходит прямо на месте. Сенсор подогревается, что предупреждает конденсацию паров воды на нем. Однако и это приборы имеют отрицательные стороны. Адаптер и сенсор довольно громоздки, добавляя от 8 до 20 мл к объему мертвого пространства, что создает определенные проблемы особенно в педиатрической анестезиологии. Оба устройства располагаются в непосредственной близости от лица пациента, описаны случаи травм вследствие длительного давления датчика на анатомические структуры лица. Следует отметить, что последние модели приборов этого типа снабжаются значительно облегченными сенсорами, так что возможно в недалеком будущем многие из этих недостатков будут устранены.

Методы анализа газовой смеси: разработано довольно большое количество методик анализа газовой смеси для определения концентрации углекислого газа. В клинической практике используются два из них: инфракрасная спектрофотометрия и масс-спектрометрия.

В системах, использующих инфракрасную спектрофотометрию (а таких абсолютное большинство), пучок инфракрасного излучения пропускается через камеру с анализируемым газом. При этом происходит поглощение части излучения молекулами углекислого газа. Система производит сравнение степени поглощения инфракрасного излучения в измерительной камере с контрольной. Результат отражается в графической форме.

Другой методикой анализа газовой смеси, применяемой в клинике, является масс-спектрометрия, когда анализируемая газовая смесь ионизируется путем бомбардировки пучком электронов. Полученные таким образом заряженные частицы пропускаются через магнитное поле, где они отклоняются на угол, пропорциональный их атомной массе. Угол отклонения и является основой анализа. Данная методика позволяет производить точный и быстрый анализ сложных газовых смесей, содержащих не только углекислый газ, но и летучие анестетики и так далее. Проблема заключается в том, что масс-спектрометр стоит очень дорого, поэтому не каждая клиника может это позволить. Обычно используется один прибор, подсоединенный к нескольким операционным. В этом случае нарастает задержка с отображением результатов.

Нужно отметить, что углекислый газ хорошо растворим в крови и легко проникает через биологические мембраны. Это означает, что значение парциального давление углекислого газа в конце выдоха (ЕтСО₂) в идеальном легком должно соответствовать парциальному давлению углекислого газа в артериальной крови (РаСО₂). В реальной жизни этого не происходит, всегда существует артериально-альвеолярный градиент парциального давления СО₂. У здорового человека этот градиент невелик – примерно 1 – 3 мм рт.ст. Причиной существования градиента является  неравномерное распределение вентиляции и перфузии в легком, а также наличие шунта. При заболеваниях легких такой градиент может достигать весьма значительной величины. Поэтому ставить знак равенства между ЕтСО₂  и РаСО₂  нужно с большой осторожностью.

Морфология нормальной капнограммы: при графическом изображении парциального давления углекислого газа в дыхательных путях пациента в течение вдоха и выдоха получается характерная кривая. Прежде чем приступить к описанию ее диагностических возможностей, необходимо детально остановиться на характеристиках нормальной капнограммы.

Рис. 1 Нормальная капнограмма.

В конце вдоха в альвеолах содержится газ, парциальное давление углекислого газа в котором находится в равновесии с парциальным давлением его же в капиллярах легких. Газ, содержащийся в более центральных отделах дыхательных путей, содержит меньшее количество

СО₂, а наиболее центрально расположенные отделы не содержат его вовсе (концентрация равна 0). Объем этого газа, не содержащего СО₂ представляет собой объем мертвого пространства.

С началом выдоха именно этот газ, лишенный СО₂, поступает в анализатор. На кривой это отражается в виде сегмента АВ. С продолжением выдоха в анализатор начинает поступать газ, содержащий СО₂ во все возрастающих концентрациях. Поэтому, начиная с точки В, отмечается подъем кривой. В норме этот участок (ВС) представлен почти прямой, круто поднимающейся вверх. Почти к самому концу выдоха, когда скорость воздушной струи снижается, концентрация СО₂ приближается к значению, которое называется концентрацией СО₂ в конце выдоха (Ет СО₂). На этом участке кривой (CD)концентрация СО₂ изменяется мало, достигая плато. Наибольшая концентрация отмечается в точке D, где она вплотную приближается к концентрации СО₂  в альвеолах и может использоваться для приблизительной оценки РаСО₂.

С началом вдоха в дыхательные пути поступает газ без СО₂ и концентрация его в анализируемом газе резко падает (сегмент DE). Если не происходит повторного использования отработанной газовой смеси, то концентрация СО₂ остается равной или близкой нулю до начала следующего дыхательного цикла. Если такое повторное использование происходит, то концентрация будет выше нуля и кривая будет выше и параллельна изолинии.

Капнограмма может записываться в двух скоростях – нормальной, как на рисунке 1, или замедленной. При использовании последней детали каждого вдоха не видны, но более наглядна общая тенденция изменения СО₂.

Капнограмма содержит информацию, позволяющую судить о функциях сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также о состоянии системы доставки газовой смеси к больному (дыхательный контур и вентилятор). Ниже приводятся типичные примеры капнограммы при тех или иных состояниях.

Внезапное падение ЕтСО₂ почти до нулевого уровня

Такие изменения на капнограмме указывают на потенциально опасную ситуацию (рис.2)

Рис.2 Внезапное падение ЕтСО₂ почти до нуля может

означать прекращение вентиляции пациента

 

В данной ситуации анализатор не находит СО₂ в анализируемом газе. Такая капнограмма может встречаться при интубации пищевода, рассоединении в дызательном контуре, остановке вентилятора, полной обструкции интубационной трубки. Все эти ситуации сопровождаются полным исчезновением СО₂ из выдыхаемого газа. В данной ситуации капнограмма не дает возможности провести дифференциальную диагностику, так как она не отражает никаких специфических черт, характерных для каждой ситуации. Только после аускультации грудной клетки, проверки цвета кожи и слизистых и сатурации следует думать о других, менее опасных нарушениях, типа поломки анализатора или нарушения проходимости газозаборной трубки. Если исчезновение ЕтСО₂ на капнограмме совпадает по времени с движением головы больного, то в первую очередь следует исключить случайную экстубацию или отсоединение дыхательного контура.

Так как одна из функций вентиляции – удаление СО₂ из организма, то капнография в настоящее время является единственным эффективным монитором, позволяющим установить наличие вентиляции и газообмена.

Все вышеперечисленные потенциально фатальные осложнения могут случиться в любое время; они легко диагностируются при помощи капнографии, что подчеркивает важность этого вида мониторинга.

Падение ЕтСО₂ до низких, но не нулевых значений

На рисунке показана типичная картина такого рода изменений капнограммы.

Медленно Нормальная скорость

Рис 3. Внезапное падение ЕтСО2 до низкого уровня, но не до нуля

Встречается при неполном заборе анализируемого газа. Следует

думать о частичной обструкции дыхательных путей или нарушении герметичности системы.

Нарушение капнограммы такого рода служит указанием на то, что по каким-то причинам газ не достигаетанализатора в течение всего выдоха. Выдыхаемый газ может просачиваться в атмосферу через, например, плохо раздутую манжетку эндотрахеальной трубки или плохо пригнанную маску. В этом случае полезно проверить давление в дыхательном контуре. Если давление во время ИВЛ остается невысоким – вероятно имеется утечка где-то в дыхательном контуре. Возможно также частичное рассоединение, когда часть дыхательного объема все же доставляется пациенту.

Если же давление в контуре высокое, то наиболее вероятна частичная обструкция дыхательной трубки, что снижает дыхательный объем, доставляемый в легкие.

Экспоненциальное снижение ЕтСО₂

Экспоненциальное снижение ЕтСО₂ в течение некоторого времени, например в течение 10 – 15 дыхательных циклов, указывает на потенциально опасное нарушение деятельности сердечно-сосудистой или дыхательной системы. Нарушения такого рода должны быть скоррегированы немедленно во избежание серьезных осложнений.

Медленно Нормальная скорость

Рис.4 Экспоненциальное снижение ЕтСО₂ наблюдается при внезапных нарушениях перфузии легких, как например при остановке сердца

Физиологической основой изменений, показанных на рис.4 служит внезапное значительное увеличение вентиляции мертвого пространства, что приводит к резкому увеличению градиента парциального давления СО₂  нарушения, приводящие к такого рода нарушениям капнограммы, включают в себя, например, резкую гипотензию (массивная кровопотеря), остановка кровообращения с продолжающейся ИВЛ, эмболия легочной артерии.

Указанные нарушения носят катастрофический характер и соответственно важна быстрая диагностика происшедшего. Аускультация (необходима для определения сердечных тонов), ЭКГ, измерение АД, пульсоксиметрия – таковы немедленные диагностические мероприятия. Если тоны сердца присутствуют, но АД на низком уровне – необходимо проверить явную или скрытую кровопотерю. Менее очевидная причина гипотензии – сдавление нижней полой вены ретрактором или другим хирургическим инструментом.

Если тоны сердца выслушиваются, сдавление нижней полой вены и кровопотеря исключены в качестве причины гипотензии, следует исключить также эмболию легочной артерии.

Только после того, как исключены эти осложнения и состояние больного стабильно, следует подумать о других, более безобидных причинах изменения капнограммы. Наиболее частой из таких причин является случайное незамеченное увеличение вентиляции.

Постоянно низкое значение ЕтСО2 без выраженного плато

Иногда капнограмма представляет картину, представленную на рис.5 безо всяких нарушений дыхательного контура или состояния больного.

Медленно Нормальная скорость

Рис.5 Постоянно низкое значение ЕтСО₂  без выраженного плато

чаще всего указывает на нарушение забора газа для анализа

 

В таком случае ЕтСО₂ на капнограмме, конечно, не соответствует альвеолярному РАСО₂. Отсутствие нормального альвеолярного плато означает, что либо не происходит полного выдоха перед началом следующего вдоха, либо выдыхаемый газ разводится газом, не содержащим СО₂ вследствие малого дыхательного объема, слишком высокой скорости забора газа для анализа или слишком высокого газотока в дыхательном контуре. Существует несколько приемов дифференциальной диагностики этих нарушений.

Неполный выдох можно подозревать при наличии аускультативных признаков бронхоконстрикции или скоплении секрета в бронхиальном дереве. При этом простая аспирация секрета может восстановить полный выдох, устранив обструкцию. Лечение бронхоспазма производится по обычным методикам.

Частичный перегиб эндотрахеальной трубки, перераздутие ее манжеты могут уменьшить просвет трубки настолько, что появится существенное препятствие вдоху со снижением его объема. Неудачные попытки аспирации через просвет трубки подтверждают этот диагноз.

При отсутствии признаков частичной обструкции дыхательных путей следует искать другое объяснение. У маленьких детей с небольшим дыхательным объемом забор газа для анализа может превышать газоток в конце выдоха. При этом происходит разведение анализируемого газа свежим газом из дыхательного контура. Снижение газотока в контуре или перемещение точки забора газа ближе к эндотрахеальной трубке восстанавливают плато капнограммы и повышают ЕтСО₂ до нормального уровня. У новорожденных зачастую просто невозможно провести эти приемы, тогда анестезиолог должен смириться с ошибкой капнограммы.

Постоянно низкое значение ЕтСО₂ с выраженным плато

В некоторых ситуациях капнограмма будет отражать постоянно низкое значение ЕтСО₂ с выраженным плато, сопровождающимся увеличением артериально-альвеолярного градиента парциального давления СО2 (рис.6).

Медленно Нормальная скорость

Рис.6 Постоянно низкое значение ЕтСО₂ с выраженным

альвеолярным плато может быть признаком гипервентиляции

или увеличенного мертвого пространства. Сравнение ЕтСО₂  и

РаСО₂  позволяет различить эти два состояния

 

Может сложиться впечатление, что это результат ошибки аппаратуры, что вполне возможно, особенно если калибровка и сервис проводились давно. Проверить работу аппарата можно определив свое собственное ЕтСО₂. Если же прибор работает нормально, то такая форма кривой объясняется наличием большого физиологического мертвого пространства у больного. У взрослых причиной тому являются хронические обструктивные заболевания легких, у детей – бронхопульмонарная дисплазия. Кроме того, увеличение мертвого пространства может быть результатом умеренной гипоперфузии легочной артерии вследствие гипотонии. В этом случае коррекция гипотонии восстанавливает нормальную  капнограмму.

Постоянное снижение ЕтСО₂

Когда капнограмма сохраняет свою нормальную форму, но наблюдается постоянное снижение ЕтСО₂ (рис.7), возможны несколько объяснений.

Эти причины включают в себя снижение температуры тела, что обычно наблюдается при длительных операциях. Это сопровождается снижением метаболизма и продукции СО₂. Если при этом параметры ИВЛ остаются неизменными, то наблюдается постепенное снижение ЕтСО₂. такое снижение лучше заметно при низкой скорости записи капнограммы.

 

Медленно Нормальная скорость

Рис. 7 Постепенное снижение ЕтСО₂ указывает либо на

снижение продукции СО₂, либо на снижение легочной перфузии

 

Более серьезной причиной такого типа нарушений капнограммы является постепенное снижение системной перфузии, связанное с кровопотерей, депрессией сердечно-сосудистой системы или комбинацией этих двух факторов. Со снижением системной перфузии снижается и легочная перфузия, а значит – увеличивается мертвое пространство, что сопровождается вышерассмотренными последствиями. Коррекция гипоперфузии разрешает проблему.

Чаще встречается обычная гипервентиляция, сопровождающаяся постепенным «вымыванием» СО₂ из организма с характерной картиной на капнограмме.

Постепенное повышение ЕтСО₂

Постепенное повышение ЕтСО₂  с сохранением нормальной структуры капнограммы (рис.8) может быть связано с нарушениями герметичности дыхательного контура с последующей гиповентиляцией.

Медленно Нормальная скорость

Рис.8 Повышение ЕтСО₂  связано с гиповентиляцией, повышением

продукции СО₂ или абсорбцией экзогенного СО₂ (лапароскопия)

 

Сюда же относятся такие факторы, как частичная обструкция дыхательных путей, повышение температуры тела (особенно при злокачественной гипертермии), абсорбция СО₂ при лапароскопии.

Небольшая утечка газа в системе ИВЛ, приводящая к снижению минутной вентиляции но с сохранением более-менее адекватного дыхательного объема, на капнограмме будет представлена постепенным повышением ЕтСО₂

вследствие гиповентиляции. Восстановление герметизации разрешает проблему.

Частичная обструкция дыхательных путей, достаточная, чтобы снизить эффективную вентиляцию, но не нарушающая выдох создает аналогичную картину на капнограмме.

Повышение температуры тела вследствие слишком энергичного согревания или развития сепсиса приводит к повышению продукции СО₂, а соответственно и повышению ЕтСО₂ (при условии неизменной вентиляции). При очень быстром подъеме ЕтСО₂ следует иметь ввиду возможность развития синдрома злокачественной гипертермии.

Абсорбция СО₂ из экзогенных источников, как например из брюшной полости при лапароскопии, приводит к ситуации, аналогичной повышению продукции СО₂. Этот эффект обычно очевиден и следует сразу за началом инсуффляции СО₂ в брюшную полость.

Внезапное повышение ЕтСО₂

Внезапное кратковременное повышение ЕтСО₂ (рис.9) может быть вызвано различными факторами, увеличивающими доставку СО₂ к легким.

Медленно Нормальная скорость

Рис.9 Внезапное, но кратковременное повышение ЕтСО₂ означает повышение доставки СО₂ к легким.

Наиболее частым объяснением подобному изменению капнограммы служит внутривенная инфузия бикарбоната натрия с соответствующим увеличением экскреции СО₂ легкими. Сюда же относятся снятие турникета с конечности, что открывает доступ крови, насыщенной СО₂ в системную циркуляцию. Подъем ЕтСО₂ после инфузии бикарбоната натрия обычно весьма кратковременен, в то время как аналогичный эффект после снятия турникета продолжается более длительное время. Ни одно из вышеперечисленных событий не представляет серьезной угрозы и не указывает на какие-либо значительные осложнения.

Внезапный подъем изолинии

Внезапный подъем изолинии на капнограмме приводит к повышению ЕтСО₂ (рис.10) и указывает на загрязнение измерительной камеры прибора (слюна, слизь и так далее). Все, что нужно в этом случае – очистка камеры.

Медленно Нормальная скорость

Рис.10 Внезапный подъем изолинии на капнограмме обычно

указывает на загрязнение измерительной камеры

 

Постепенное повышение уровня ЕтСО₂ и подъем изолинии

Такой тип изменения капнограммы (рис.11) указывает на повторное использование уже отработанной газовой смеси, содержащей СО₂.

Медленно Нормальная скорость

Рис.11 Постепенное повышение ЕтСО₂ вместе с уровнем изолинии предполагает повторное использование дыхательной смеси.

Значение ЕтСО₂ обычно повышается до тех пор, пока не установится новое равновесие между альвеолярным газом и газами артериальной крови.

Хотя этот феномен встречается довольно часто при использовании разных дыхательных систем, появление его при использовании закрытого дыхательного контура с абсорбером при ИВЛ является признаком серьезных нарушений в контуре. Наиболее часто встречается заедание клапана, что превращает однонаправленный  газоток в маятникообразный. Другой часто встречающейся причиной такого нарушения капнограммы является истощение емкости абсорбера.

Неполный нервно-мышечный блок

На рис.12 показана типичная капнограмма при неполном нервно-мышечном блоке, когда появляются сокращения диафрагмы и газ, содержащий СО₂ попадает в анализатор.

Медленно Нормальная скорость

Рис.12 Подобная капнограмма указывает на неполный нервно-мышечный блок.

Так как диафрагма более устойчива к действию мышечных релаксантов, ее функция восстанавливается раньше функции скелетных мышц. Капнограмма в этом случае является удобным диагностическим интсрументом, позволяющим грубо определить степень нервно-мышечного блока во время анестезии.

Кардиогенные осцилляции

Этот тип изменений капнограммы показан на рис.13. он вызван изменениями внутригрудного объема в соответствии с ударным объемом.

Медленно Нормальная скорость

Рис.13 Кардиогенные осцилляции выглядят как зубцы в фазе выдоха

Обычно кардиогенные осцилляции наблюдаются при относительно небольшом дыхательном объеме в сочетании с невысокой частотой дыхания. Осцилляции возникают в конечной части дыхательной фазы капнограммы во время выдоха, так как изменение объема сердца приводит к «выдоху» небольшого объема газа при каждом сердечном сокращении. Такой тип капинограммы является вариантом нормы.

Как видно из вышеприведенного обзора, капнограмма служит ценным диагностическим инструментом, позволяющим не только мониторировать функции системы дыхания, но и диагностировать нарушения сердечно-сосудистой системы. Кроме того, капнограмма позволяет выявить нарушения в анестезиологическом оборудовании на раннем этапе, предупреждая тем самым возможность серьезных осложнений во время анестезии. Такие качества сделали капнографию абсолютно необходимой частью мониторинга в современной анестезиологии до такой степени, что ряд авторов считают капнографию более необходимой, чем пульсоксиметрию.

Литература

3. Богданов А.А. Капнометрия и капнография (капнография в картинках). Русский анестезиологический сервер. http://rusanesth.com/Anaesthesia/index.htm

[1] Бронходилататор – это один из самых распространенных медпрепаратов, используемых для лечения бронхиальной астмы.

[2] Провокационная ингаляционная проба, проба ухудшающая самочувствие, например, с антигенами промышленной пыли

[3] Сатурация - насыщение жидкости углекислым газом