Time constant: Chúng ta cần biết gì để sử dụng nó?

Time constant: Chúng ta cần biết gì để sử dụng nó?

Time constant: What do we need to know to use it?

Madhuragauri S Shevade, Indian J Respir Care 2019;8:4-7

Dịch: BS. Đặng Thanh Tuấn – BV Nhi Đồng 1

Tóm tắt

Thông khí cơ học là một chiến lược quan trọng để quản lý bệnh nhân mắc các bệnh về đường hô hấp trong các bệnh cảnh cấp tính cũng như mãn tính. Để có thể làm như vậy, chúng ta cần có một sự hiểu biết tốt về sinh lý của hệ hô hấp và mô hình bệnh tật. Hai thành phần chính của sinh lý phổi là độ giãn nở và sức cản và chúng xác định hằng số thời gian (TC, time constant). Độ giãn nở là thước đo độ căng giãn của phổi. Đó là sự thay đổi áp lực bởi sự thay đổi về thể tích. Sức cản là lực đối lập được tạo ra khi không khí lưu thông trong đường thở. Độ giãn nở và sức cản cùng nhau tạo ra một thực thể gọi là TC. TC xác định lượng thời gian thực hiện trong vài giây để đơn vị phổi lấp đầy hoặc trống rỗng. TC bình thường thì thay đổi và còn thay đổi nhiều hơn trong phổi bị bệnh. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các TC và các thành phần của nó để người đọc hiểu rõ hơn.

Giới thiệu

Có hàng triệu bệnh nhân mắc các bệnh về đường hô hấp như hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), hội chứng suy hô hấp cấp tính (ARDS), bệnh lao, viêm phổi và ung thư phổi. [1], [2] Quản lý các bệnh này liên quan đến dùng thuốc và các liệu pháp bổ trợ như thở máy, phục hồi chức năng phổi, dinh dưỡng và tư vấn. Trong số tất cả các liệu pháp này, thở máy chắc chắn là một khía cạnh quan trọng trong việc quản lý bệnh nhân mắc các bệnh hô hấp cấp tính cũng như mãn tính. Nó làm giảm công cần thiết để thở, do đó cho phép phổi nghỉ ngơi và giải quyết vấn đề bệnh căn nguyên. Mọi quyết định ngay từ khi lựa chọn máy thở cho đến việc chọn chế độ và cài đặt tùy thuộc vào tiền sử, tuổi tác, giới tính, sinh lý bệnh của bệnh nhân cũng như mức độ nghiêm trọng của bệnh. Do đó, điều thích hợp là các bác sĩ lâm sàng phải có sự hiểu biết thấu đáo về sinh lý cơ bản của hệ hô hấp trước khi tiến hành quyết định chế độ và cài đặt của nó. Các đặc điểm cơ bản của sinh lý phổi, độ giãn nở và sức cản xác định làm thế nào phổi phồng lên hay xẹp xuống và lượng thời gian cần thiết cho nó thực hiện được gọi là hằng số thời gian (TC). Bài viết này thảo luận về các đặc điểm này và khái niệm về TC.

Độ giãn nở

Độ giãn nở là thước đo mức độ co giãn hoặc đàn hồi của phổi. Nó được xác định bởi sự thay đổi về thể tích (ΔV) bởi sự thay đổi áp suất (ΔP) trong phổi như sau: [3]

Độ giãn nở phổi bình thường là 60-100 ml/cmH₂O. [4] Nhìn chung, độ giãn nở cao được nhìn thấy trong các tình trạng bệnh như COPD, nơi phổi có thể dễ dàng co giãn nhưng không hồi phục trở lại bình thường do sự tắc nghẽn trong đường thở. Phải mất một thời gian dài hơn để thở ra. Trong những trường hợp như vậy, không khí không thể thoát ra khỏi phổi một cách hiệu quả gây ra bẫy không khí (air trapping) và siêu căng phồng phổi (hyperinflation). Độ giãn nở kém hoặc độ giãn nở thấp được nhìn thấy trong các bệnh như xơ nang nơi nhu mô phổi bị cứng và không dễ dàng để căng phồng lên. Độ giãn nở phổi bất thường này dẫn đến tăng công hô hấp. Với độ giãn nở cao, cần nhiều công hơn để phổi thải không khí ra ngoài, trong khi đó, với độ giãn nở thấp, cần nhiều nỗ lực hơn để lấp đầy không khí vào trong phổi.

Sức cản đường thở

Lực cản hoặc lực ma sát đối nghịch với luồng không khí trong quá trình hô hấp được gọi là sức cản đường thở. [5], [6] Đó là sự khác biệt về áp suất ở miệng và áp suất trong phế nang (ΔP), chia cho lưu lượng khí ( ̇ ).

Sức cản đường thở (R_aw) thường được tính bằng cách sử dụng 

Theo động lực học chất lỏng, sức cản có thể được tính bằng phương trình Hagen-Poiseuille như hình dưới đây: [6]

Trong đó

P là chênh lệch áp suất giữa hai đầu của một hình trụ (phế nang và miệng)

η là độ nhớt của khí

l là chiều dài của đường thở

̇V là lưu lượng không khí  

r⁴ là bán kính đường thở lũy thừa 4.

Như vậy

Thông thường, sức cản đường thở khoảng 0,52,5 cmH₂O/L/s. [7] Điều này có nghĩa là, để di chuyển dòng khí 1 L/s vào hoặc ra khỏi phổi, một cá nhân khỏe mạnh cần tạo ra áp suất khoảng 0,5 - 2,5 cmH₂O thấp hơn áp suất khí quyển. [7] Sức cản này thay đổi thông qua các thế hệ khác nhau của đường thở trong phổi do sự khác biệt về cấu trúc.

R_aw phụ thuộc vào nhiều yếu tố làm tăng hoặc giảm sức đề kháng. Một trong những yếu tố là bán kính hoặc diện tích mặt cắt ngang của đường thở. R_aw cao khi đường kính của đường thở nhỏ và theo phương trình Hagen-Poiseuille đã thảo luận trước đây trong bài viết này, việc giảm bán kính làm tăng sức cản.

Lưu lượng khí hoặc dòng khí hỗn loạn cũng xác định lượng sức cản được tạo ra trong đường thở. Khi không khí có xu hướng chảy theo kiểu thẳng hoặc tuyến tính, nó được gọi là lưu lượng tầng (laminal flow). Lưu lượng tầng có sức cản ít hơn và dường như thường có mặt trong các đường dẫn khí nhỏ hơn. Lưu lượng nhiễu loạn

(turbulent flow) được tạo ra khi có một luồng khí lưu lượng cao đi qua đường thở có đường kính lớn. Lưu lượng của không khí là không tuyến tính hoặc ngẫu nhiên [Hình 1].

Hình 1: Mô hình của lưu lượng tầng (laminar flow) so với lưu lượng hỗn loạn (turbulent flow)

Sức cản đường thở thay đổi trong suốt đường thở và có xu hướng cao nhất trong các đường thở ở giữa trong các thế hệ 4-8. [3] Hơn nữa, dọc theo các thế hệ của đường thở, mặc dù đường kính giảm, sức cản cũng có xu hướng giảm khi đường thở ngắn hơn với phân nhiều nhánh. Do đó, sức cản được phân phối trong các đường dẫn khí nhỏ làm cho sức cản kết hợp nhỏ hơn.

Những đặc điểm này giúp chúng tôi hiểu các biến thiên được thấy trong các tình trạng bệnh khác nhau. Cũng phải nhớ rằng cả độ giãn nở phổi và sức cản đường thở đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như ống nội khí quản và cài đặt máy thở.

Với sự tắc nghẽn trong phổi, sức cản đường thở tăng lên. Tắc nghẽn có thể được gây ra bởi sự tiết đàm quá mức, viêm trong đường thở, co thắt cơ trơn trong cơn hen suyễn hoặc khối u trong thành khí quản hoặc bên ngoài đường thở chèn ép vào. Sức cản đường thở có xu hướng giảm khi dùng thuốc giãn phế quản.

Trên lâm sàng, sức cản đường thở được đo bằng xét nghiệm chức năng phổi tiên tiến được gọi là phép đo thể tích toàn thân (body plethysmography) và các giá trị thu được giúp hiểu được mức độ của bệnh. [6]

Hằng số thời gian là gì?

Hằng số thời gian (TC, time constant) là lượng thời gian mà đơn vị phổi sử dụng để làm đầy phế nang trong quá trình hít vào (TC hít vào) hoặc làm trống phế nang trong khi thở ra (TC thở ra) ở áp suất ổn định. [7],[8] TC là một thông số duy nhất có thể cho chúng ta biết về đặc điểm hô hấp tổng thể. Nó được đo bằng giây và là tích số của độ giãn nở và sức cản đường thở.

TC = C_L × R_aw

trong đó:

TC là 1 TC

C_L là độ giãn nở phổi

R_aw là sức cản đường thở.

Một TC là thời gian cần thiết để lấp đầy hoặc làm trống 63% đơn vị phổi. [7],[9] Hai TC lấp đầy 86% đơn vị phổi và ba TC lấp đầy 95% đơn vị phổi. [7],[9] Vào cuối năm TC, phổi được cho là đầy đủ 100%. [7],[9] Điều này xảy ra khi phổi không có bất kỳ tình trạng bệnh lý nào. Đối với phổi bình thường với tích số của độ giãn nở 0,1 L/cmH₂O và R_aw là 1,0 cmH₂O/L/s, TC là 0,1 s. [8]

TC có vai trò gì đối với hệ thống hô hấp và xử trí bệnh?

Có nhiều yếu tố khác nhau chi phối thời gian cần thiết để đổ đầy phổi. Như đã đề cập ở trên, TC phụ thuộc vào độ giãn nở phổi và sức cản đường thở của người đó. Thông thường, các yếu tố này thay đổi trong phổi. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến cách thông khí diễn ra trong phổi. Áp suất và thể tích sẽ khác nhau tùy thuộc vào TC của đơn vị phổi [Hình 2].

Hình 2: Ảnh hưởng của tắc nghẽn và hạn chế đến nhịp thở và thời gian hằng định trong thì hít vào và thở ra (Adapted from West JB, Respiratory Physiology: The essentials, 4th Ed, 2000, Williams and Wilkins)

Bệnh tắc nghẽn đường thở

Khi tắc nghẽn và viêm xuất hiện trong đường thở của bệnh nhân mắc các bệnh như COPD và hen suyễn, có sự gia tăng sức cản đường thở. [8] Do đó, phải mất một thời gian dài hơn để lấp đầy hoặc làm trống các đơn vị phổi, tạo ra một TC dài hơn. Những bệnh nhân này đòi hỏi thời gian thở ra dài hơn thường theo sau trong khi đặt tần số thở trên máy thở cơ học. Nếu thời gian thở ra dài hơn không được cung cấp cho những bệnh nhân này, điều đó có thể dẫn đến việc thở ra không hoàn toàn gây ra tình trạng nhịp thở chồng (breath stacking) và bẫy khí (air trapping). [8] Kết quả siêu bơm phồng dẫn đến sự gia tăng công thở, làm cho bệnh nhân khó thở và mệt mỏi. Siêu căng phồng này cũng làm tăng công cơ tim dẫn đến suy tim. Điều trị giãn phế quản cũng cải thiện TC bằng cách giảm R_aw trong phổi hen và giảm mức độ nghiêm trọng của chứng ngưng thở khi ngủ. [13]

Bệnh xơ phổi 

Trong các bệnh phổi xơ hóa như xơ nang và bệnh phổi kẽ, độ giãn nở của phổi thấp. Điều này dẫn đến việc làm đầy phổi với không khí nhanh hơn phổi với độ giãn nở bình thường. Theo cùng một cách, chúng trống rỗng nhanh chóng do độ co đàn hồi cao. Do đó, TC kết quả là nhỏ hơn.

Ngưng thở khi ngủ

Trong các tình trạng bệnh như ngưng thở khi ngủ do tắc nghẽn (OSA), thường được tìm thấy chồng chéo với COPD, đặc điểm phổi ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của bệnh. [13] Thật thú vị, tăng C_L cùng với siêu bơm phồng chứng tỏ là một cơ chế bảo vệ khỏi ngưng thở khi ngủ. Tuy nhiên, sự gia tăng của R_aw làm giảm chứng ngưng thở khi ngủ và các triệu chứng của nó. [13] C_L và R_aw cao ở những bệnh nhân như vậy làm trì hoãn việc làm trống phổi dẫn đến tăng TC. Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng một TC thở ra tăng hơn 0,5 giây có liên quan đến khả năng mắc chứng ngưng thở khi ngủ nghiêm trọng gấp 11 lần. [13] Do đó, các chiến lược để giảm R_aw có thể sẽ là một chìa khóa quan trọng trong việc quản lý OSA.

Hội chứng suy hô hấp cấp tính

Thông thường, TC được tính toán bằng kỹ thuật một nhịp thở với giả định rằng tất cả các đơn vị phổi có TC đồng nhất. Tuy nhiên, như đã thảo luận ở trên, TC thay đổi theo các yếu tố bên ngoài như trạng thái bệnh, sức cản do ống nội khí quản, bộ dây máy thở và van thở của máy thở. [14] Các biến này phụ thuộc vào lưu lượng, do đó sự gia tăng lưu lượng dẫn đến thời gian thở ra kéo dài dẫn đến tăng TC. [14] ARDS là một tình trạng bệnh không đồng nhất với tổn thương phổi đáng kể và thời gian cần thiết để bơm phồng và xẹp đơn vị phổi là khác nhau. So với phổi không bị tổn thương, sự không đồng nhất trong các đặc điểm của phổi và TC lớn hơn nhiều. [15] Để xác định thời gian bơm phồng lên/xẹp xuống chính xác hơn, các nghiên cứu hình ảnh của phổi sử dụng chụp cắt lớp vi tính đã được chứng minh là một phương pháp tốt hơn trong các nghiên cứu trên động vật. [15] Những nghiên cứu hình ảnh này có thể tính toán các giá trị thực tế của TC, có lẽ có thể được sử dụng trong thực hành lâm sàng như một công cụ quản lý bệnh. Với kỹ thuật này, cũng có thể thấy sự khác biệt giữa TC cục bộ và TC tổng thể của phổi. [15] Nghiên cứu sâu hơn để có một sự rõ ràng hơn về lĩnh vực này.

Thông khí cơ học

Loại chế độ thông khí cơ học (thể tích so với áp suất) làm các TC khác nhau. [7] Trong điều kiện bệnh dẫn đến độ giãn nở và sức cản bất thường, TC khác nhau nhiều hơn.

Điều quan trọng là phải biết TC và các thay đổi trong khi xử trí bệnh nhân trên máy thở cơ học.

Ví dụ: nếu độ giãn nở là 0,1 L/cmH₂O và sức cản là 2 cmH₂O/L/giây, thì TC là TC = C × R_aw = 0,1 × 2 = 0,2 s. Phổi sẽ lấp đầy hoàn toàn sau năm TC, tức là 0,2 × 5 = 1 s. Điều này có nghĩa là bệnh nhân sẽ cần 1 giây để hoàn thành hít vào. Dựa trên điều này, nếu người ta muốn đặt tỷ lệ I:E thành 1:2, thì thời gian thở ra sẽ là 2 giây, làm cho tổng chu kỳ thở là 3 giây. Do đó, nhịp hô hấp sẽ là 60 s/3 s = 20 nhịp thở trong một phút.

Trong một phổi bị bệnh, một số phần nhất định có thể bị ảnh hưởng nhiều hơn những phần khác. TC cho các phần của phổi có thể khác nhau. Do đó, khi chọn các cài đặt như tần số thở, cần phải đạt được sự cân bằng để cho phép phổi phồng lên và xẹp xuống để thông khí thích hợp. Đặt thời gian hít vào và thở ra <3 TC dẫn đến việc hít vào và thở ra không hoàn toàn. [16] Nếu tần số thở được đặt cao, các đơn vị phổi bị ảnh hưởng sẽ không lấp đầy hoặc trống hoàn toàn trong khi phần bình thường sẽ nhận thông khí tốt.

Áp lực dương cuối thì thở ra (PEEP) và thể tích khí lưu thông (V_T) đã cho thấy có ảnh hưởng đến TC của phổi. Một nghiên cứu báo cáo rằng sự gia tăng PEEP và V_T dẫn đến sự gia tăng thời gian cần thiết để thở ra hoàn toàn không khí ra khỏi phổi. [17] Do đó, các thiết lập máy thở cần phải được thiết lập cẩn thận để tránh bất kỳ sự gia tăng công thở của bệnh nhân.

Một nghiên cứu báo cáo rằng áp lực cao nguyên, độ giãn nở tổng và sức cản phổi tổng có thể được tính bằng các kỹ thuật đo trực tiếp TC. [18] Các tác giả cho rằng phép đo thời gian thực này được sử dụng ở nhiều chế độ thở khác nhau là một công cụ tốt để theo dõi áp lực trong phổi để tránh barotrauma và tổn thương phổi. [18]

Phần kết luận

Hiểu các đặc điểm cơ bản chi phối cách hệ thống hô hấp hoạt động là điều cần thiết và vẫn còn nhiều điều cần khám phá khi nói đến sinh lý phổi. TC đại diện cho tình trạng của hệ hô hấp và có thể được sử dụng trong việc xác định và sửa đổi các chiến lược trong thở máy và quản lý bệnh. Bằng chứng khoa học liên tục cần được tạo ra để có thể khám phá và hiểu rõ hơn về vai trò của TC trong bệnh phổi và thở máy.

References  

Global Burden of Disease. Available from: https://www.vizhub.healthdata.org/gbdcompare/. [Last accessed on 2018 Feb 15].  

Ghoshal AG, Ravindran GD, Gangwal P, Rajadhyaksha G, Cho SH, Muttalif AR, et al. The burden of segregated respiratory diseases in India and the quality of care in these patients: Results from the Asia-Pacific burden of respiratory diseases study. Lung India 2016;33:611-9.  

West JB. Respiratory Physiology: The Essentials. 9th ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2012.  

Abernathy C, Harken AH, Moore EE. Abernathy's surgical secrets. In: Alden H. Harken EEM, editor. 6th ed. Mosby/Elsevier; 2009. p. 517. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/book/97 80323057110. 

Carlo WA, Ambalavanan N. Conventional mechanical ventilation: Traditional and new strategies. Pediatr Rev 1999;20:e117-26.  

Kaminsky DA. What does airway resistance tell us about lung function? Respir Care 2012;57:85-96

Kackmarek R, Wilkins R, Stoller JK. Egan's Fundamentals of Respiratory Care. 9th ed. Philadelphia: Mosby/Elsevier; 2009.  

Physiology. 2nd ed. Philadelphia: Mosby/Elsevier; 2007.  

Hess DR. Respiratory mechanics in mechanically ventilated patients. Respir Care 2014;59:1773-94.  

Fuhrman BP, Zimmerman JJ. Pediatric Critical Care E-Book. 5th ed. Philadelphia: Elsevier Health Sciences; 2011.  

Kamat SS. Practical Applications of Mechanical Ventilation. 2nd ed. New Delhi: Jaypee Brothers Medical Publishers Ltd.; 2015.  

Arnal JM. Bedside tip: How to Use the Expiratory Time Constant. Available from: https://www.hamiltonmedical.com/News/Newsletterarticles/Article~2018-04-04~Bedside-tip:-Howto-use-the-expiratory-time-constant~a90bbb8e6848-4854-ad6f-2f8e86e16f81~.html. 

Wiriyaporn D, Wang L, Aboussouan LS. Expiratory time constant and sleep apnea severity in the overlap syndrome. J Clin Sleep Med 2016;12:327-32.  

Guttmann J, Eberhard L, Fabry B, Bertschmann W, Zeravik J, Adolph M, et al. Time constant/volume relationship of passive expiration in mechanically ventilated ARDS patients. Eur Respir J 1995;8:114-20.  

Henderson WR. Expiratory Time Constant Heterogeneity in Experimental Acute Respiratory Distress Syndrome (dissettation). Vancouver: The University of British Columbia; 2016.  

Pilbeam SP, Cairo JM. Mechanical Ventilation: Physiological and Clinical Applications. 4th ed. Philadelphia: Mosby; 2006.  

Henderson WR, Dominelli PB, Molgat-Seon Y, Lipson R, Griesdale DE, Sekhon M, et al. Effect of tidal volume and positive end-expiratory pressure on expiratory time constants in experimental lung injury. Physiol Rep 2016;4. pii: e12737.  

Al-Rawas N, Banner MJ, Euliano NR, Tams CG, Brown J, Martin AD, et al. Expiratory time constant for determinations of plateau pressure, respiratory system compliance, and total resistance. Crit Care 2013;17:R23.  

 

Thực hiện: BS. Đặng Thanh Tuấn – BV Nhi Đồng 1 (30/01/2019)