Efectos de la modalidad de presión soporte en la variabilidad del sistema respiratorio

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1 Efectos de la modalidad de presión soporte en la variabilidad del sistema respiratorio B.F. Giraldo 1, J. Chaparro 1, S. Benito, P. Caminal 1 giraldo@creb.upc.es 1 Centre de Recerca en Enginyeria Biomèdica (CREB), Dep. ESAII, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona. Unitat de Semicrítics, Hospital de la Santa Creu i Sant Pau, Barcelona. Resumen La ventilación mecánica es usada como soporte en la práctica clínica para la asistencia respiratoria en pacientes con problemas respiratorios. Este trabajo presenta un estudio realizado sobre los efectos en el patrón respiratorio de la variación de la modalidad de presión soporte () en un grupo de 0 pacientes, candidatos a la retirada de la ventilación mecánica. Cada paciente fue sometido a dos niveles diferentes de presión soporte: baja y alta. El patrón respiratorio ha sido caracterizado por las series temporales correspondientes al tiempo de inspiración (T I ), la duración del ciclo respiratorio (T Tot ), y el volumen circulante (V T ). La variación de la actividad respiratoria ha sido descompuesta en una componente autorregresiva, una componente periódica y una componente de ruido blanco. Los valores correspondientes a la modalidad de presión soporte alta han presentado un incremento en la variabilidad bruta del tiempo de inspiración y la duración del ciclo respiratorio. Estos registros de alta también han presentado un incremento significativo en la potencia de las oscilaciones para las series temporales T I y T Tot. Tanto para alta como para baja, se ha obtenido un comportamiento aleatorio incorrelado que corresponde a más del 80% de la varianza de cada una de las componentes respiratorias. Palabras claves Ventilación mecánica, modalidad de presión soporte, sistema de control respiratorio, modelo respiratorio. presentan evidencias del comportamiento no lineal del sistema respiratorio [4,5]. La variabilidad del sistema respiratorio se puede considerar compuesta por una parte fija, que se corresponde con los valores medios de las series respiratorias, y una parte variable correspondiente a la magnitud de la desviación respecto al valor medio de las series respiratorias [6,7]. Esta variable, desviación respecto al valor medio, puede considerarse compuesta por una fracción correlada, una fracción oscilatoria, y una fracción aleatoria [8]. Los ventiladores mecánicos permiten suplir la actividad pulmonar en pacientes que presentan insuficiencia respiratoria. Sin embargo una asistencia ventilatoria prolongada puede provocar una disminución del trabajo pulmonar a nivel muscular. Por tanto son muchos los factores que se deben tener en cuenta para determinar el momento de retirar la ventilación mecánica a un paciente. El modelo respiratorio que describe la función mecánica del sistema pulmonar puede ser caracterizado por las siguientes series temporales: tiempo de inspiración (T I ), duración del ciclo respiratorio (T Tot ), y volumen circulante (V T ). En este trabajo se ha estudiado la parte correspondiente a la partición de la actividad variacional para determinar la influencia de la modalidad de presión soporte en la variabilidad del patrón respiratorio. Se ha realizado análisis de autocorrelación, análisis de la potencia espectral y análisis fraccional de la variabilidad para las series temporales T I, T Tot y V T. I. INTRODUCCIÓN Las posibles causas de la variabilidad del patrón respiratorio en respiraciones consecutivas han sido analizadas en [1-3]. El sistema respiratorio está controlado por múltiples parámetros, que a su vez están relacionados con el sistema nervioso central así como con las estimulaciones a nivel químico y que probablemente son determinantes en la variación ciclo a ciclo de la actividad respiratoria. Diferentes estudios II. METODOLOGÍA Pacientes En este estudio han participado 0 pacientes con ventilación mecánica asistida. Estos pacientes fueron estudiados en la Unidad de Semicríticos del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau, de acuerdo con el protocolo aprobado por el comité ético, y con los correspondientes informes de consentimiento.

2 Medidas de la ventilación Los registros correspondientes a las señales respiratorias fueron adquiridos mediante la técnica de pletismografía respiratoria por inductancia, sistema no invasivo en el que se colocan dos bandas a nivel de tórax y abdomen del paciente, y se miden los cambios en la corriente inducida, que adecuadamente traducidos y calibrados, indican diferencias de volumen respiratorio. Los pacientes fueron sometidos a dos diferentes niveles de presión soporte (), clasificados como baja (5 ± cmh O) y alta (1 ± cmh O). Para cada nivel de se registró la señal de volumen respiratorio durante 30 minutos, con una frecuencia de muestreo de 50 Hz. Por cada señal registrada se obtuvieron las correspondientes series temporales: tiempo de inspiración (T I ), duración del ciclo respiratorio (T Tot ) y volumen circulante (V T ). La figura 1 presenta a manera de ejemplo los registros obtenidos para un paciente, con baja y alta. oculta por el ruido aleatorio, dado que el análisis de autocorrelación permite determinar si existe estrecha relación entre una respiración y otra a un cierto intervalo temporal. La cuantificación del término memoria a corto plazo se ha contabilizado con el número de retardos consecutivos, comenzando con un retardo de una respiración, cuyos coeficientes de autocorrelación fueron estadísticamente diferentes de cero para p < Análisis de la potencia espectral. El análisis de la potencia espectral se ha utilizado para medir ciclo a ciclo la variabilidad de cada respiración en sus componentes. La potencia espectral expresa la variación de la señal como una función de la frecuencia. Dada la posibilidad de una potencia de base no uniforme, el espectro se ha dividido entre una banda de baja frecuencia (0.0 a 0. ciclos/respiración) y una banda de alta frecuencia (0. a 0.5 ciclos/respiración). Se han comparado los picos significativos de las frecuencias y de las potencia para baja y alta. Análisis fraccional de la variabilidad respiratoria. La variabilidad de los datos se ha modelado con una componente de variación autorregresiva usando un modelo autorregresivo de primer orden (AR1), las variaciones oscilatorias y el ruido blanco no correlado [w(n)] (ecuación 1), x ( n) = a x( n 1) p [ b j 1 sin ( π f j n) + b j cos( π f j n) ] + w( n) j =1 1 + (1) Fig. 1. Representación gráfica de las series temporales tiempo de inspiración (T I ), duración del ciclo respiratorio (T Tot ) y volumen circulante (V T), para un paciente sometido a baja (0 a 30 minutos) y alta (30 a 60 minutos). Comparando baja con alta, se ha producido un incremento en T I (0.95 a 1.6 s), T Tot (.65 a 4.0 s) y V T (563 a 1036 ml). Análisis de datos La señal respiratoria puede ser analizada a través de una componente correlada, una componente oscilatoria y una componente aleatoria. Las magnitudes relativas a estas componentes se pueden obtener a partir de un análisis de autocorrelación y un análisis espectral. Variabilidad bruta. Para cada paciente y para baja y alta, se ha calculado la desviación estándar para cada componente respiratoria. Análisis de autocorrelación. El análisis de autocorrelación se ha utilizado para determinar la fracción de la variabilidad que esta correlada. De esta forma se puede extraer la actividad correlada que está donde x es la parte variable ventilatoria, n es el número de la respiración, a 1 es el coeficiente autorregresivo, p es el máximo número de picos significativos y f j son las frecuencias de los picos significativos. Los coeficientes a 1, b j1 y b j se calculan por el método de mínimos cuadrados. La varianza correspondiente a las componentes autorregresivas y w(n), σ AR, se ha calculados usando el error estándar de la estimación (SEE) (ecuación ), AR ( SEE ) ( 1 a ) σ = () donde la varianza debida a w(n) se ha calculado como (SEE), mientras que la varianza causada por la fracción autorregresiva se corresponde con σ AR (SEE). La varianza debida a las componentes oscilatorias se ha calculado como 0.5 [b j1 + b j ]. El análisis fraccional de la variabilidad respiratoria permite investigar la influencia de la presión soporte en las componentes correlada, oscilante y aleatoria. 1

3 Análisis estadístico. Se ha utilizado un análisis de varianza no paramétrico para muestras relacionadas (Wilcoxon s test) para analizar estadísticamente los resultados obtenidos. Los resultados estadísticos son presentados como la media y su desviación estándar (media ± SD). III. RESULTADOS Cambios en la componente respiratoria. La media del número de respiraciones obtenidas en los 30 minutos de registros fue de 774 para baja y 569 para alta. Los valores medios de cada componente respiratoria para baja y alta se presentan en la figura y la tabla I. Todos los parámetros se incrementan con alta, T I (p = 0.006), T Tot (p < ), y V T (p = 0.005). La frecuencia media decrece desde 6 ± 6 respiraciones/minuto durante baja a 19 ± 6 respiraciones/minuto durante alta (p < ). Variabilidad bruta en las componentes respiratorias. La figura 3 presenta el histograma de frecuencias para el tiempo de inspiración (T I ), la duración del ciclo respiratorio (T Tot ) y el volumen circulante (V T ), para los niveles de baja y alta, en el mismo paciente representado en la figura 1. Para este paciente la desviación estándar se ha incrementado desde 0.07s en baja hasta 0.7s en alta para la serie T I ; para la serie T Tot el incremento ha sido de 0.13 a 1.01s respectivamente; en relación con los valores de V T el incremento producido es de 87.4 y 61.9 ml. La figura 4 presenta la desviación estándar de las componentes respiratorias, en cada paciente, en baja y alta. La tabla II presenta los valores medios y su correspondiente desviación estándar. Los valores obtenidos para alta han presentado un incremento significativo en las desviaciones estándares de T Tot, y un pequeño pero también estadísticamente significativo incremento para los valores de la desviación estándar correspondientes a la serie T I. Fig.. Valores medios de las series temporales tiempo de inspiración (T I), duración del ciclo respiratorio (T Tot) y volumen circulante (V T), durante baja y alta presión soporte, en los 0 pacientes estudiados. Fig. 3. Histograma de frecuencias para el tiempo de inspiración (T I), duración del ciclo respiratorio (T Tot) y volumen circulante (V T), a nivel de bajo (trazo discontinuo) y a nivel de alto (trazo continuo), en el mismo paciente de la Fig. 1. TABLA I VALORES DE LAS SERIES RESPIRATORIAS PARA BAJA Y ALTA T I (s) 0.87 ± ± T Tot (s).44 ± ± 1.04 < V T (ml) 467 ± ± Definición de las abreviaciones: T I = tiempo de inspiración, T Tot = duración del ciclo respiratorio, V T = volumen circulante. Fig. 4. Desviación estándar de las series temporales tiempo de inspiración (T I), duración del ciclo respiratorio (T Tot) y volumen circulante (V T) para baja y alta en los 0 pacientes estudiados.

4 TABLA II DESVIACIÓN ESTÁNDAR DE LAS COMPONENTES RESPIRATORIAS PARA LOS NIVELES DE BAJA Y ALTA T I (s) 0.14 ± ± T Tot (s) 0.49 ± ± V T (ml) ± ± TABLE III COEFICIENTES DE AUTOCORELACIÓN PARA RETARDO DE UNA RESPIRACIÓN PARA LOS NIVELES DE BAJA Y ALTA T I ± ± T Tot ± ± V T ± ± Análisis de autocorrelación. La figura 5 presenta los autocorrelogramas de la serie temporal T Tot para los niveles de baja y alta, del mismo paciente presentado en la figura 1. Los niveles de alta presentan un incremento en el coeficiente de autocorrelación con retardo de una respiración, así como un incremento en el número de retardos en las respiraciones, cuyos coeficientes de autocorrelación son significativamente (p < 0.01) distintos de cero. TABLA IV NÚMERO DE RETARDOS EN RESPIRACIONES CONSECUTIVAS CON COEFICIENTES DE AUTOCORRELACIÓN SIGNIFICATIVOS PARA LOS NIVELES DE BAJA Y ALTA T I 0.35 ± ± T Tot 9.35 ± ± V T 5.45 ± ± Análisis espectral. La tabla V presenta los valores correspondientes a las frecuencias de los picos significativos y las potencias de las oscilaciones significativas para cada una de las series analizadas. Para el nivel alto de se ha producido un incremento significativo en la potencia de las oscilaciones para la serie temporal T Tot, y un pequeño aunque estadísticamente significativo incremento en la serie T I. Los valores correspondientes a las frecuencias de los picos significativos no presentan efectos importantes. Fig. 5. Autocorrelograma de la serie temporal duración del ciclo respiratorio (T TOT ), en el mismo paciente presentado en la Fig. 1, para los niveles de baja y alta. TABLA V CARACTERÍSTICAS ESPECTRALES DE LAS OSCILACIONES SIGNIFICATIVAS PARA LOS NIVELES DE BAJA Y ALTA La tabla III presenta los coeficientes de autocorrelación para un retardo de una respiración en cada una de las componentes respiratorias, para los dos niveles de baja y alta. En los resultados obtenidos para alta, los coeficientes de autocorrelación tienden a decrecer para la serie V T, mientras que no presentan ningún efecto en las series T I y T Tot. La tabla IV presenta el número de retardos en respiraciones consecutivas cuyos coeficientes de autocorrelación son significativamente diferentes de cero (p < 0.01), para las series T I, T Tot y V T. Estos resultados no presentan efectos en el número de respiraciones retardadas consecutivas para nivel alto en las series T I, T Tot y V T. Frecuencia ciclos/respiración Potencia (unidades absolutas) T I T Tot V T 0.05± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

5 Análisis fraccional de la variabilidad respiratoria. La tabla VI presenta las fracciones correspondientes a la variación de la actividad respiratoria debida a la parte correlada y a la parte no correlada aleatoria para cada una de las series analizadas. La variación de la actividad respiratoria debida a la parte oscilatoria no se ha presentado en la tabla dado que representa menos del 1% de la actividad. La parte no correlada aleatoria de las series para baja y alta constituye más del 80% de la varianza de cada una de las componentes respiratorias. Para una alta no se ha encontrado un efecto significativo en la parte no correlada aleatoria [w(n)] para la fracción T I, T Tot y V T ni en la parte correlada para esas series temporales. TABLA VI ANÁLISIS FRACCIONAL DE LA VARIABILIDAD RESPIRATORIA PARA LOS NIVELES DE BAJA Y ALTA Parte correlada Parte ruido T I T Tot V T 9.37 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± IV. DISCUSIÓN Los valores obtenidos para presión soporte alta han presentado un incremento en los valores medios de las series temporales T I, T TOT y V T y en la variabilidad bruta de la duración del ciclo respiratorio y del tiempo de inspiración. El incremento en la variabilidad bruta de las series temporales T I y T Tot está representado gráficamente en el histograma de frecuencias, en el que se observa una amplia dispersión en los valores correspondientes a alta. Los coeficientes de autocorrelación correspondientes a alta tienden a decrecer para V T, mientras que no presentan efectos para los valores de T I y T Tot. Se ha obtenido un incremento significativo en la potencia de las oscilaciones para T I y T Tot, a nivel de presión soporte alta, mientras que no se han presentado efectos importantes en las frecuencias de los picos significativos. La parte no correlada aleatoria de las series para baja y alta constituye más del 80% de la varianza de cada una de las componentes respiratorias. La variación de la actividad respiratoria debida al comportamiento oscilatorio representa menos del 1%. V. CONCLUSIÓN El análisis fraccional de la variabilidad respiratoria ha sido utilizado para determinar la influencia de la presión soporte en la variabilidad del patrón respiratorio. La actividad variacional del sistema respiratorio puede descomponerse en una fracción autorregresiva, una fracción periódica y una fracción de ruido blanco. Se han obtenido cambios significativos en la variabilidad bruta de las series temporales T I y T Tot para cambios en la presión soporte. En cuanto al comportamiento oscilatorio del sistema respiratorio se han obtenido cambios significativos en la potencia de las oscilaciones para las series temporales T I y T Tot. De acuerdo con estos resultados el análisis fraccional de la actividad respiratoria puede ser una metodología prometedora para el análisis del efecto de la variación de la presión soporte en el sistema respiratorio, la cual debe ser validada con un mayor número de pacientes. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido financiado parcialmente por las ayudas CICYT (TIC C0-01) y FIS (99/06). REFERENCIAS [1] M.J. Tobin, M.J. Mador, S.M. Guenter, R.F. Lodato, M.A. Sackner, Variability of resting respieratory center drive and timing in healthy subjects, J. Appl. Physiol., 65, pp , [] E.N. Bruce, Measures of respiratory pattern variability, in Bioengineering approaches to pulmonary physiology and medicine, Plenum Press, pp , [3] M.C. Khoo, Determinants of ventilatory instability and variability, Respiratory physiology, 1, pp , 000. [4] M. Small, K. Judd, M. Lowe, S. Stick, Is breathing in infants chaotic? Dimension estimates for respiratory patterns during quiet sleep, J. Appl. Physiol., 86, pp , [5] P. Caminal, J. Mateu, M. Vallverdú, B. Giraldo, S. Benito, A. Voss, Estimating the respiratory pattern variability by symbolic dynamics, Methods of Information in Medicine, in press, 003. [6] A. Jubran, B.J.B. Grant, M.J. Tobin, Effect of hiperoxic hypercapnia on variational activity of breathing, Am J Respir Crit Care Med, vol. 156, pp , [7] A. Jubran, M.J. Tobin, Effect of isocapnic hypoxia on variational activity of breathing, Am J Respir Crit Care Med, vol. 16, pp , 000. [8] M. Modarreszadeh, E.N. Bruce, B. Gothe, Nonrandom variability in respiratory cycle parameters of humans during stage sleep, J Appl. Physiol., vol. 69, pp , 1990.