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PV曲線のヒステリシスとR/I比の相関関係

Article

Author: Marcela Rodriguez Jimenez

Date of first publication: 06.02.2024

Last change: 04.04.2024

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要点：準静的PV曲線上の正規化最大距離とリクルートメント対拡張比は、ベッドサイドで使用できる肺リクルータビリティの有望なインジケータである。

臨床的論点

人工呼吸を受けているCOVID-19患者において、低流量の準静的プレッシャー/ボリューム（PV）曲線に基づく肺リクルータビリティ評価とリクルートメント対拡張（R/I）比の間にどのような関係があるのか？

臨床的背景

肺リクルータビリティとPEEPタイトレーションの理論的利点にもかかわらず、ARDS患者におけるそれらの使用と最適な人工呼吸器設定については依然として議論が続いている。これらの戦略は、PaO2/FiO2比（P/F比）が200 mmHg以下である中等度から重度のARDS患者において特に意義がある。
肺リクルートメントに対する反応は患者によって大きく異なるため、肺リクルートメント手技（LRM）を実施する前に肺リクルータビリティを評価する必要がある。
ベッドサイドで肺リクルータビリティを評価し、個々の患者に合わせたPEEPを決定するには、プレッシャー/ボリューム曲線（PV曲線）とリクルートメント対拡張比（R/I比）を使用できる。
PV曲線のヒステリシスパラメータはCT上の肺組織リクルートメントと相関関係があることが示されているが、R/I比とCT評価の相関関係はまだ検証されたことがない。

デザインおよび環境

後ろ向き、単施設コホート研究（Nakayama R, Bunya N, Katayama S, et al. Correlation between the hysteresis of the pressure-volume curve and the recruitment-to-inflation ratio in patients with coronavirus disease 2019. Ann Intensive Care. 2022;12(1):106. Published 2022 Nov 12. doi:10.1186/s13613-022-01081-x1）
2021年1月1日～2021年9月30日の期間に札幌医科大学医学部救急医学講座高度救命救急センターの集中治療室で侵襲的人工呼吸を受けていたCOVID-19患者

患者

COVID-19の診断を受けている
HAMILTON-C6人工呼吸器による侵襲的人工呼吸で治療されている
非侵襲的酸素療法で93%のSpO2を維持できない（その後、日本のCOVID-19治療ガイドラインに従って人工呼吸器を開始した）

選択基準	除外基準
18歳以上	18歳未満
鼻スワブのポリメラーゼ連鎖反応または定量的抗原検査によるCOVID-19の確定診断	Datalogger 5.00による呼吸データの記録なし
Datalogger 5.00を使用した準静的PV曲線とR/I比の同時評価

介入
準静的PV曲線	R/I比（リクルートメント対拡張比）	リクルータビリティ評価
0 cmH2Oから40 cmH2Oまで低流量で拡張、40 cmH2Oから0 cmH2Oまで2 cmH2O/秒の一定の圧力変化で収縮 20 cmH2O時の距離 - 20 cmH2O時の吸気カーブと呼気カーブのボリュームの差を表す 20 cmH2O時の正規化距離 - 最大ボリューム（Vmax）で重み付けされた20 cmH2O時の距離を表す最大距離 - 同じ圧力での吸気カーブと呼気カーブの最大のボリューム差を表す正規化最大距離（NMD） - Vmaxで重み付けされた最大距離を表すコンプライアンスが1.5～2.5 mL/cmH2O（5 cmH2O超）のときのPV曲線の下変曲点として、AOPを特定	PEEPを高レベルから低レベル（通常は15または18 cmH2Oから5または8 cmH2O）に下げるため、およびPEEP低レベル（5または8 cmH2O）時のCrsを計算するために単一呼吸法を使用測定ΔEELV - PEEP高レベル時と低レベル時の間のEELV（呼気終末肺容量）の変化の記録値を表す予測ΔEELV - PEEP低レベル時のCrsとPEEPの変化の積を表すリクルートされたボリューム（ΔVrec） - 測定ΔEELVから予測ΔEELVを減算して算出リクルートメントに寄与した圧力（ΔPrec） - PEEP高レベルと低レベル（または、存在する場合はAOP）間の差と定義リクルートされた肺のコンプライアンス（Crec） - ΔVrecをΔPrecで除算して算出 R/I比 - PEEP低レベル（5または8 cmH2O、または上記のAOP）時のCrsに対するCresの比として計算できるコンプライアンス比（Crs比） - PEEP高レベル（15または18 cmH2O）時のCrsとPEEP低レベル（5または8 cmH2O）時のCrsの間の比として計算	高いPEEPで2分以上患者を換気 PEEPを（15または18 cmH2Oから5または8 cmH2Oに）下げるために単一呼吸法を実施 2分以上経過後にプラトー圧を測定この手順の前に、呼吸回数を8～10回/分に下げた背臥位でリクルータビリティを評価

測定と主な結果
登録およびベースライン特性	NMDとR/I比の相関関係	コンプライアンスとリクルータビリティ項目の関係
人工呼吸を受けている日本人COVID-19患者87例のコホート 80例の患者でリクルータビリティを評価 40例の患者で準静的PV曲線とR/I比の両方の評価を実施データ欠測のため、7例の患者を除外	PV曲線のNMDは、R/I比に対して有意な正の相関関係を示した（rho = 0.74、p < 0.001）最大距離と20 cmH2O時の距離はどちらも、R/I比に対する相関関係を示さなかった 20 cmH2O時の正規化距離は、R/I比に対して中程度の相関関係を示した（rho = 0.70、p < 0.001）最大距離時の気道内圧が20 cmH2O未満のサブグループでは、NMDとR/I比の間に強い相関関係が見られた（rho = 0.80、p < 0.001）	R/I比手順中のPEEP高レベル時のCrsは、NMD（rho = 0.14、p = 0.43）またはR/I比（rho = 0.27、p = 0.13）に対して有意な相関関係を示さなかった Crs比（高レベル/低レベル）は、NMD（rho = 0.64、p < 0.001）およびR/I比（rho = 0.67、p < 0.001）に対して中程度の正の相関関係を示した

主要アウトカム

NMDとR/I比の相関関係は、20 cmH2O時の距離のような他のパラメータとR/I比の相関関係よりも有意に高かった。
NMDとR/I比はどちらも、Crsに対する相関関係を示さなかった。その代わりに、Crs比（高レベル/低レベル）に対する相関関係を示した。
上記の結果は、NMDとR/I比が他の肺リクルータビリティ評価パラメータよりも有益である可能性があることを示す。

結論

リクルータビリティ評価において、準静的PV曲線のNMDとR/I比の間には強い相関関係がある。さらに、NMDとR/I比はCrs比（高レベル/低レベル）とも相関する。したがって、NMDとR/I比は、ベッドサイドで実施できるリクルータビリティのインジケータとして有望な可能性がある。

制限

本研究はサンプルサイズが比較的少ないため、その結果のより広範な集団に対する一般化可能性は限られている可能性がある。
本研究の単施設、後ろ向きデザインはバイアスを持ち込む可能性があり、結果の一般化可能性を限定する可能性もある。
著者らは肺リクルータビリティを評価するためのCTデータが欠如していたことを認めており、そのようなデータがあれば、それを基により確実な結果の妥当性検証ができた可能性がある。
本研究はARDSの不均一性を強調しており、これはリクルータビリティのインジケータとしてのコンプライアンスの一貫性に影響を与える可能性がある。
本研究では以前の研究と異なる方法が用いられており（以前の研究では、PV曲線の下変曲点としてAOPが特定され、2分以上経過後にプラトー圧が測定された）、これは結果のばらつきにつながる可能性がある。

Hamilton Medicalの技術を使用してこれらの結果を日々の臨床業務に取り入れる方法

ARDS患者のPEEPまたはLRMに対する反応は、各個人の肺のリクルータビリティに依存し、したがって患者ごとに大きく異なるため、予測することは難しい。PEEPの増加またはLRMの実施は、特にリクルータビリティが低い患者では有害となる可能性がある。過度に高いPEEPは肺の過膨張を引き起こし、その結果左右の心機能障害が生じる可能性がある。
PV曲線上の最大距離時の気道内圧が20 cmH2O未満の患者においてNMDとR/I比の間に強い相関関係があることは、NMDがPEEPの安全範囲内での肺リクルータビリティの有益なマーカーであることを示唆する。これを理解しておくと、医療専門家はより多くの情報を基に個々の患者のPEEP設定を決定することができ、最適な肺リクルートメントの確保と過膨張リスクの軽減につながる。
Hamilton Medical人工呼吸器のP/V Tool技術を使用して取得したNMDは、以前にあるCTスキャン研究で検証されている（Chiumello D, Arnal JM, Umbrello M, et al. Hysteresis and Lung Recruitment in Acute Respiratory Distress Syndrome Patients: A CT Scan Study [published correction appears in Crit Care Med. 2022 Mar 1;50(3):e339]. Critical Care Medicine. 2020;48(10):1494-1502. doi:10.1097/CCM.00000000000045182）。それに対してR/I比は、まだCTスキャンやヒステリシスなどの参照法と直接的に比較検証されたことはない。
エビデンスは、P/V Toolは肺リクルートメントの測定手段として適応性と信頼性が高く効果的であることを示している。現在の換気モードを変更する必要がないため、臨床実践にスムーズに組み込むことができる。

リソース

Hamilton Medicalは、P/V Toolを使用したリクルータビリティの評価、リクルートメント手技の実施、PEEPの設定について説明する教材を幅広く提供しています。記事、動画、Eラーニングモジュールなどにアクセスするには、以下のリンクをクリックしてください。

P/V Toolのトレーニング

Footnotes

References

1. Nakayama R, Bunya N, Katayama S, et al. Correlation between the hysteresis of the pressure-volume curve and the recruitment-to-inflation ratio in patients with coronavirus disease 2019. Ann Intensive Care. 2022;12(1):106. Published 2022 Nov 12. doi:10.1186/s13613-022-01081-x
2. Chiumello D, Arnal JM, Umbrello M, et al. Hysteresis and Lung Recruitment in Acute Respiratory Distress Syndrome Patients: A CT Scan Study [published correction appears in Crit Care Med. 2022 Mar 1;50(3):e339]. Crit Care Med. 2020;48(10):1494-1502. doi:10.1097/CCM.0000000000004518

Correlation between the hysteresis of the pressure-volume curve and the recruitment-to-inflation ratio in patients with coronavirus disease 2019.

Nakayama R, Bunya N, Katayama S, et al. Correlation between the hysteresis of the pressure-volume curve and the recruitment-to-inflation ratio in patients with coronavirus disease 2019. Ann Intensive Care. 2022;12(1):106. Published 2022 Nov 12. doi:10.1186/s13613-022-01081-x

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36370227/

BACKGROUND

Since the response to lung recruitment varies greatly among patients receiving mechanical ventilation, lung recruitability should be assessed before recruitment maneuvers. The pressure-volume curve (PV curve) and recruitment-to-inflation ratio (R/I ratio) can be used bedside for evaluating lung recruitability and individualing positive end-expiratory pressure (PEEP). Lung tissue recruitment on computed tomography has been correlated with normalized maximal distance (NMD) of the quasi-static PV curve. NMD is the maximal distance between the inspiratory and expiratory limb of the PV curve normalized to the maximal volume. However, the relationship between the different parameters of hysteresis of the quasi-static PV curve and R/I ratio for recruitability is unknown.

METHODS

We analyzed the data of 33 patients with severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) who received invasive mechanical ventilation. Respiratory waveform data were collected from the ventilator using proprietary acquisition software. We examined the relationship of the R/I ratio, quasi-static PV curve items such as NMD, and respiratory system compliance (Crs).

RESULTS

The median R/I ratio was 0.90 [interquartile range (IQR), 0.70-1.15] and median NMD was 41.0 [IQR, 37.1-44.1]. The NMD correlated significantly with the R/I ratio (rho = 0.74, P < 0.001). Sub-analysis showed that the NMD and R/I ratio did not correlate with Crs at lower PEEP (- 0.057, P = 0.75; and rho = 0.15, P = 0.41, respectively). On the contrary, the ratio of Crs at higher PEEP to Crs at lower PEEP (Crs ratio (higher/lower)) moderately correlated with NMD and R/I ratio (rho = 0.64, P < 0.001; and rho = 0.67, P < 0.001, respectively).

CONCLUSIONS

NMD of the quasi-static PV curve and R/I ratio for recruitability assessment are highly correlated. In addition, NMD and R/I ratio correlated with the Crs ratio (higher/lower). Therefore, NMD and R/I ratio could be potential indicators of recruitability that can be performed at the bedside.

Hysteresis and Lung Recruitment in Acute Respiratory Distress Syndrome Patients: A CT Scan Study.

Chiumello D, Arnal JM, Umbrello M, et al. Hysteresis and Lung Recruitment in Acute Respiratory Distress Syndrome Patients: A CT Scan Study [published correction appears in Crit Care Med. 2022 Mar 1;50(3):e339]. Crit Care Med. 2020;48(10):1494-1502. doi:10.1097/CCM.0000000000004518

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32897667/

OBJECTIVES

Hysteresis of the respiratory system pressure-volume curve is related to alveolar surface forces, lung stress relaxation, and tidal reexpansion/collapse. Hysteresis has been suggested as a means of assessing lung recruitment. The objective of this study was to determine the relationship between hysteresis, mechanical characteristics of the respiratory system, and lung recruitment assessed by a CT scan in mechanically ventilated acute respiratory distress syndrome patients.

DESIGN

Prospective observational study.

SETTING

General ICU of a university hospital.

PATIENTS

Twenty-five consecutive sedated and paralyzed patients with acute respiratory distress syndrome (age 64 ± 15 yr, body mass index 26 ± 6 kg/m, PaO2/FIO2 147 ± 42, and positive end-expiratory pressure 9.3 ± 1.4 cm H2O) were enrolled.

INTERVENTIONS

A low-flow inflation and deflation pressure-volume curve (5-45 cm H2O) and a sustained inflation recruitment maneuver (45 cm H2O for 30 s) were performed. A lung CT scan was performed during breath-holding pressure at 5 cm H2O and during the recruitment maneuver at 45 cm H2O.

MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS

Lung recruitment was computed as the difference in noninflated tissue and in gas volume measured at 5 and at 45 cm H2O. Hysteresis was calculated as the ratio of the area enclosed by the pressure-volume curve and expressed as the hysteresis ratio. Hysteresis was correlated with respiratory system compliance computed at 5 cm H2O and the lung gas volume entering the lung during inflation of the pressure-volume curve (R = 0.749, p < 0.001 and R = 0.851, p < 0.001). The hysteresis ratio was related to both lung tissue and gas recruitment (R = 0.266, p = 0.008, R = 0.357, p = 0.002, respectively). Receiver operating characteristic analysis showed that the optimal cutoff value to predict lung tissue recruitment for the hysteresis ratio was 28% (area under the receiver operating characteristic curve, 0.80; 95% CI, 0.62-0.98), with sensitivity and specificity of 0.75 and 0.77, respectively.

CONCLUSIONS

Hysteresis of the respiratory system computed by low-flow pressure-volume curve is related to the anatomical lung characteristics and has an acceptable accuracy to predict lung recruitment.