Respirazione artificiale: cos'è e come funziona la ventilazione meccanica post pandemia

In tema di respirazione artificiale meccanica, è importante domandarsi cosa sia mancato prima e cosa invece abbiamo oggi a disposizione per fornire sostegno e pronto intervento dinnanzi ai devastanti sintomi del Covid-19.

In questo articolo, il bioingegnere Armando Ferraioli affronta proprio il delicato tema della ventilazione artificiale dopo la pandemia, spiegandoci cos'è e come funziona il tutto. Ormai godiamo di una conoscenza più analitica e approfondita di quella ingegneria della respirazione umana che è stata la base della creazione delle macchine per la ventilazione assistita. Macchine che esistevano già, ma il cui uso non era conosciuto e applicato nella sua interezza e nella maniera più adatta.

Solo oggi Armando Ferraioli ha realizzato un'opera in cui analizza con dettaglio puntuale principi, progettazione e gestione degli strumenti per la respirazione artificiale, articolando la trattazione in ben due tomi. Buona lettura.

Cos'è e come funziona l'apparato respiratorio

L’apparato respiratorio (o sistema respiratorio) è l’insieme di organi e tessuti deputati all’importante processo della respirazione. Esso consiste nell’assimilazione dell’ossigeno inspirato con l’aria e nella contemporanea espulsione dell’anidride carbonica, generata dall’attività cellulare che rappresenta un prodotto di scarto. In sintesi, l’apparato respiratorio è costituito da un gruppo di organi altamente specializzati a garantire la corretta ossigenazione del sangue e l’eliminazione della CO2. Poiché questi gas sono destinati ad immettersi nel circolo ematico e da questo poi essere espulsi, le vie respiratorie accoppiano necessariamente ventilazione e perfusione. Il processo meccanico definito comunemente respirazione artificiale prende il nome di ventilazione polmonare, mentre il termine “respirazione” indica l’intero processo che va dall’immissione dell’ossigeno alla sua utilizzazione, per l’ossidazione dei substrati e la conseguente produzione di energia.

L’apparato respiratorio è dotato di una organizzazione perfetta, unica nel suo genere, dove le vie aeree, se paragonate ad una rete autostradale di vitale importanza, risultano dotate di una “corsia preferenziale” di transito rapido per gas e molecole (ossigeno, anidride carbonica, idrogenioni, ecc.) per il controllo dell’omeostasi dell’organismo (equilibrio acido-base). In questa corsia preferenziale riservata sia al traffico di sangue che di aria, l’omeostasi può essere aumentata in pochi secondi di oltre dieci volte secondo le necessità metaboliche, senza che si verifichi alcun ingorgo o ritardo di circolazione poiché la viabilità dei bronchi e dei vasi può essere in realtà espansa reclutando aree normalmente non utilizzate, attivando in tal modo un’infinità di cortocircuiti o di strade accessorie.

La corsia preferenziale per i gas e per il sangue rimane sempre libera anche quando il traffico bronchiale e vascolare polmonare risulta compromesso. Per tale motivo l’insufficienza respiratoria (ipossiemia, ipercapnia ed acidosi respiratoria) si instaura solo nelle forme avanzate e terminali di molte patologie ostruttive e restrittive delle vie aeree e vascolari polmonari. Ciò, purtroppo, è stato fin troppo noto a tantissime persone nel corso della pandemia generata dal Covid19. E proprio in relazione a questo delicato tema che ha sconvolto le nostre vite e che ancora oggi reca con sé strascichi e paure è necessario fornire risposte concrete e rapide alle esigenze più imminenti in materia.

Come funzionano le vie aeree

Le vie aeree sono dotate di un moderno sistema “semaforico” azionato da meccanismi di “feedback” neuro-chimici in grado di adeguare istantaneamente la circolazione di sangue e di gas alle necessità dei distretti periferici dell’organismo, con la rapida distribuzione della circolazione ematica verso le zone polmonari meglio raggiunte dal traffico dell’aria.

Questi riflessi sono tutti riconducibili alle interazioni “ipossia alveolare-ipercapnia-acidosi-alcalosi respiratoria”. Gli idrogenioni (come l’ossigeno e l’anidride carbonica) sono autorizzati a superare le barriere emato-encefaliche-liquorali per raggiungere istantaneamente il centro respiratorio (SNC) paragonabile ad una stazione di monitoraggio tipo “tutor” (con verifica istantanea degli ingressi in transito) situato nel bulbo, nel ponte encefalico e nel sistema arterioso.

La rete viaria bronchiale è dotata di innumerevoli “stazioni di servizio” (alveoli) che offrono: una superficie di oltre 200 m2 per favorire scambi tra la totalità del sangue circolante e l’aria che incessantemente affluisce e defluisce dai polmoni; un sistema di condizionamento dell’aria che adegua la qualità dell’aria respirata in termini di temperatura, umidità, purezza e composizione chimica; un meccanismo di “smaltimento dei rifiuti” con trasporto automatico (depurazione muco-ciliare) su di un “nastro trasportatore” (ciglia vibratili) del muco prodotto; un servizio di “disinfezione e sterilizzazione” delle vie aeree in termini di batteriostasi e sterilizzazione (enzimi, defensine, surfactante, ecc.). Questi meccanismi di depurazione diventano poi inefficienti (come accade nella BPCO, nelle polmoniti e nel cancro del polmone), laddove si accumulano detriti cellulari, sostanze ossidanti e scorie nelle vie aeree ingombrandole, dando luogo a bronchiti e polmoniti che rappresentano vere discariche “abusive”, dove si accumula il materiale che dovrebbe essere invece asportato e distrutto.

Cos'è la ventilazione artificiale meccanica

La ventilazione artificiale meccanica costituisce il trattamento di prima scelta in presenza sia di gravi patologie a carico dell’apparato respiratorio che di patologie extra polmonari, che determinano la compromissione della respirazione autonoma. Condizione quest’ultima di elevata instabilità clinica che, se non corretta tempestivamente, potrebbe comportare la morte del paziente. Qualunque sia l’eziopatogenesi nella compromissione della funzione respiratoria autonoma, la condizione che si determina è sempre costituita dall’incapacità/impossibilità per il paziente di svolgere/mantenere un lavoro respiratorio adeguato al fabbisogno di ossigeno metabolico. Si rende necessario pertanto l’applicazione di un supporto invasivo esterno alla funzione respiratoria. Tale supporto è costituito dalla Ventilazione Meccanica Artificiale (VAM) che mediante apposite apparecchiature (ventilatori meccanici) vicaria la respirazione autonoma nei soggetti in cui essa risulta alterata, compromessa o artificialmente inibita. Le indicazioni generali sulla ventilazione artificiale invasiva sono determinate sia dallo squilibrio tra lavoro respiratorio autonomo che dall’efficacia: dello scambio di gas a livello della membrana alveolo-capillare, del trasporto e dello scambio di ossigeno a livello tissutale, nonché della rimozione dell’anidride carbonica. 

Funzionamento e obiettivi della ventilazione meccanica artificiale

Il funzionamento e gli obiettivi della VAM comprendono la riduzione dell’ipossiemia, dell’ipercapnia, delle atelettasie polmonari nonché della fatica muscolare (ovvero il miglioramento della distress respiratoria, ecc.). Da questa premessa traspare tutta la complessità che riveste l’apparato respiratorio e ancor più la ventilazione meccanica. Tantissimi aspetti correlati all’apparato respiratorio sono evidentemente “ingegneristici” così come tutto ciò che è correlato alla ventilazione meccanica. Questo testo, scritto da un ingegnere medico, è stato suddiviso in due volumi.

Il volume I “L’ingegneria dell’apparato respiratorio” è fondamentalmente una trattazione completa dell’apparato respiratorio anche da un punto di vista ingegneristico che include: la fisica rilevante; l’anatomia e la fisiologia dell’apparato respiratorio; il controllo e i meccanismi della respirazione; la capacità e i volumi polmonari e relative relazioni con la circolazione; la ventilazione, la perfusione ed il trasferimento diffusivo dei gas respiratori; il trasporto dei gas nel sangue; le misurazioni e le proprietà delle specie di emoglobina; i test della funzione polmonare; le equazioni sottostanti; la misurazione e il monitoraggio della funzione respiratoria; la progettazione e la funzione del ventilatore meccanico; la ventilazione a pressione positiva; le impostazioni da effettuare sul ventilatore meccanico; le modalità delle ventilazioni meccaniche; l’analisi delle forme d’onda del ventilatore fino alle particolarità della fisiologia respiratoria.

Il volume II “La ventilazione meccanica”, dopo una breve sinossi dell’apparato respiratorio, traccia la terminologia delle pressioni respiratorie; gli obiettivi della ventilazione meccanica; i concetti basilari dei parametri ventilatori; un compendio della ventilazione meccanica con una sua introduzione particolareggiata, in cui si descrive lo schema di un ventilatore meccanico; la schematizzazione della ventilazione meccanica e la sua classificazione; le nozioni fondamentali ad essa correlate; le modalità di base della ventilazione meccanica; le variabili essenziali; le tipologie dei respiri; un approccio più moderno alle modalità di ventilazione meccanica ed i principi ingegneristici della stessa; la classificazione dei ventilatori meccanici; la composizione del sistema di ventilazione; le variabili di fase, le varie modalità e quelle operative; l’analisi delle forme d’onda del ventilatore e la loro visualizzazione; i parametri di controllo; la sincronizzazione e l’asincronia paziente-ventilatore; la ventilazione ad alta frequenza; i problemi e gli errori legati alla ventilazione meccanica; il monitoraggio del ventilatore; i danni polmonari indotti dalla ventilazione meccanica; le funzioni speciali; gli effetti fisiologici della NPPV; l’ossigenoterapia; l’umidificazione e la nebulizzazione; il supporto vitale extracorporeo; l’apparecchio per l’anestesia; l’emogasanalisi.

La parte “Appendici” riporta la nomenclatura delle tecniche di ventilazione sia in italiano che in inglese; il listato delle metodiche di ventilazione sia standard che alternative; i simboli e le equazioni delle variabili respiratorie; il glossario dei termini relativi all’apparato respiratorio e quello specifico relativo alla ventilazione meccanica; le abbreviazioni e la simbologia; appendici relative ai calcoli respiratori e ai valori normali elettrolitici sia del trasporto dell’ossigeno che emodinamici, oltre ad un’ampia bibliografia della documentazione consultata nella stesura del testo. Vi auguro una buona lettura.