Conceptos clave sobre los equipos de ventilación mecánica
Entendiendo la tecnología detrás de estos equipos de soporte vital
Introducción a la ventilación mecánica
Los ventiladores son equipos biomédicos esenciales en la medicina moderna, ya que brindan asistencia respiratoria vital a los pacientes que no pueden respirar por sí solos o necesitan ayuda para mantener una ventilación suficiente. Esta necesidad puede surgir debido a una variedad de factores, incluyendo enfermedades como el asma o trastornos del sistema nervioso central, lesiones, defectos congénitos, condiciones postoperatorias o la influencia de medicamentos, como los utilizados bajo anestesia general. Por ejemplo, durante los procedimientos quirúrgicos, los anestesiólogos suelen utilizar ventiladores para garantizar que los pacientes sigan recibiendo el oxígeno adecuado.
Los ventiladores funcionan entregando una mezcla de oxígeno y aire a los pulmones del paciente bajo presión positiva. Esta presión ayuda a inflar los pulmones, facilitando el intercambio de gases en los alvéolos, donde el oxígeno se absorbe en la sangre y se expulsa el dióxido de carbono, un producto de desecho del metabolismo celular. El ventilador se puede ajustar para administrar respiraciones a una frecuencia determinada o se puede sincronizar con los propios esfuerzos respiratorios del paciente.
La historia de la ventilación mecánica moderna comenzó con el “pulmón de hierro”, desarrollado en 1927 por Philip Drinker. Este dispositivo, una gran cámara de metal que excluye la cabeza, utilizaba ventilación con presión negativa para ayudar a respirar, y desempeñó un papel crucial durante las epidemias de polio de la década de 1950. Sin embargo, su tamaño y la necesidad de encerrar el cuerpo del paciente llevaron al desarrollo de ventiladores de presión positiva, que fuerzan el aire hacia los pulmones bajo presión. Estos dispositivos ofrecen soporte ventilatorio a través de medios menos restrictivos, como mascarillas nasales o faciales, o directamente en los pulmones mediante intubación. Estos equipos son hoy en día un elemento básico en cuidados intensivos y anestesia
Para entender cómo configurar los ventiladores mecánicos, es importante entender los volúmenes pulmonares, que son las cantidades de aire para las diferentes fases del ciclo respiratorio. Hay cuatro volúmenes principales: volumen corriente (TV), volumen de reserva inspiratorio (IRV), volumen de reserva espiratorio (ERV) y volumen residual (RV). El volumen corriente es el aire desplazado entre la inhalación normal y la exhalación en reposo, siendo los hombres. El volumen de reserva inspiratoria es el aire extra inhalado después de una inhalación normal. El volumen de reserva espiratoria, es el aire extra exhalado con fuerza después de una exhalación normal. La capacidad inspiratoria combina TV e IRV. La Capacidad Vital es el aire máximo exhalado después de una inhalación máxima. La capacidad pulmonar total es el aire total que pueden contener los pulmones. El volumen residual, es el aire que queda en los pulmones después de una exhalación máxima. Finalmente, la capacidad residual funcional es el aire que queda en los pulmones después de una exhalación normal.
En el sector médico, “ventilador”, “respirador” y “resucitador” se refieren a aparatos distintos con funciones únicas. Sin embargo, estos términos a veces son usados indistintamente en conversaciones casuales. Este tipo de confusiones fue bastante evidente durante la pandemia del COVID-19. Los ventiladores ayudan a los pacientes moviendo mecánicamente el aire hacia los pulmones, controlando la frecuencia y el volumen de la respiración, así como la presión y el nivel de oxígeno. Por otra parte, los respiradores, en el sentido estricto de la palabra, se refieren a los sistemas ECMO (oxigenación por membrana extracorpórea), que son mecanismos que oxigenan la sangre fuera del cuerpo, ayudando en la recuperación de los pulmones o el corazón al garantizar que la sangre permanezca rica en oxígeno. Finalmente, los resucitadores, como la máscara con válvula de bolsa (BVM) o el sistema Ambu, ofrecen soporte respiratorio inmediato mediante ventilación con presión positiva. Se operan manualmente para empujar aire hacia los pulmones, son críticos para emergencias respiratorias, por ejemplo en sitios de desastre o accidentes.
Modos de ventilación
En ventilación mecánica existen dos modos principales: espontánea y obligatoria. La ventilación espontánea permite que los propios esfuerzos respiratorios del paciente controlen el ventilador, promoviendo un proceso respiratorio más natural al activar el dispositivo para ayudar en función de las respiraciones del individuo. Este modo permite que se activen los quimiorreceptores del cerebro y el diafragma, apoyando las funciones fisiológicas normales y reduciendo el riesgo de debilitamiento de los músculos respiratorios. Por el contrario, la ventilación obligatoria está controlada por la máquina, la cual establece y administra todos los parámetros respiratorios, incluidos el volumen corriente y la frecuencia. Por lo general, esto se usa para pacientes que están sedados y no pueden respirar de forma independiente, lo que garantiza un soporte respiratorio constante. La ventilación obligatoria incluye subtipos como la ventilación obligatoria iniciada por el ventilador y la iniciada por el paciente, donde la primera depende de parámetros preestablecidos de la máquina y la segunda de los esfuerzos del paciente para desencadenar una respiración controlada, lo que ayuda a la retirada gradual del soporte ventilatorio. Cada modo ofrece beneficios específicos adaptados a las necesidades y la condición del paciente.
La ventilación obligatoria controlada por volumen, o ventilación obligatoria continua (CMV) es un modo de ventilación mecánica ampliamente utilizado en entornos médicos y quirúrgicos. Funciona entregando un volumen predeterminado de aire a una frecuencia fija, controlando completamente la respiración del paciente. Este método es ideal para pacientes bajo sedación total y aquellos tratados con agentes bloqueadores neuromusculares, ya que garantiza que se entregue un volumen constante de aire según la configuración del operador. Sin embargo, puede resultar muy incómoda para los pacientes que no están completamente sedados, ya que el ventilador ignora cualquier intento de respiración espontánea, lo que puede causar angustia. El enfoque de volumen constante de la ventilación VC puede provocar cambios en la presión inspiratoria máxima, afectados por la distensibilidad pulmonar y la resistencia de las vías respiratorias. Si bien la CMV ofrece ventilación por minuto confiable, asegurando un intercambio de gases constante, su uso puede provocar disfunción y atrofia del músculo del diafragma, lo que lleva a un alejamiento de la CMV como el método de ventilación preferido en la práctica contemporánea.
La ventilación controlada por presión (PCV) es un modo de ventilación mecánica comúnmente empleado en contextos médicos. La PCV funciona suministrando aire a una presión predeterminada durante un tiempo inspiratorio específico y a una frecuencia respiratoria establecida. A diferencia de los modos controlados por volumen en los que el volumen de aire está preestablecido, la PCV establece la presión, lo que permite que el ventilador ajuste el flujo para mantener esta presión durante la inhalación, mientras que la exhalación se produce de forma pasiva. El médico determina la frecuencia de las respiraciones y la presión positiva para inflar los pulmones. El volumen corriente resultante, o el volumen de aire inhalado y exhalado con cada respiración, varía con los cambios en la distensibilidad y la resistencia pulmonar; un aumento de la presión normalmente conduce a un mayor volumen. Esta variación hace que la PCV sea particularmente ventajosa para la atención pediátrica, ya que ofrece un control preciso sobre la presión pulmonar, lo que es beneficioso para las necesidades respiratorias únicas de los pacientes más jóvenes.
La ventilación obligatoria intermitente sincronizada (SIMV) es una estrategia de ventilación mecánica que integra respiraciones controladas asistidas por ventilador con la respiración espontánea del propio paciente. En SIMV, el ventilador administra una cantidad predefinida de respiraciones a volúmenes y frecuencias establecidos, alineados con los esfuerzos respiratorios del paciente. Esto garantiza que el paciente reciba un soporte respiratorio mínimo y al mismo tiempo le permite respirar por sí solo. Las respiraciones espontáneas se producen con el apoyo de una presión inicial, conocida como presión positiva al final de la espiración (PEEP), que mejora la comodidad del paciente al alinearse con su ritmo respiratorio natural. Un beneficio significativo de SIMV es su papel en el proceso de destete de la ventilación mecánica, permitiendo una disminución gradual de las respiraciones obligatorias y fomentando la respiración independiente. Sin embargo, el componente de respiración espontánea en SIMV puede exigir más esfuerzo por parte del paciente en comparación con otros modos, lo que podría provocar fatiga. Esto requiere una supervisión atenta y ajustes por parte de los proveedores de atención médica para garantizar un soporte y seguridad óptimos para el paciente durante el proceso de destete.
La respiración espontánea asistida (ASB) es un modo de ventilación mecánica que ayuda a los pacientes capaces de respirar por sí solos pero que tienen dificultades con la absorción de oxígeno o la expulsión de CO2 debido a insuficiencia respiratoria o debilidad muscular. En ASB, el ventilador mejora los esfuerzos respiratorios del paciente al actuar como una fuente de presión adicional, compartiendo así el trabajo respiratorio. Una ventaja clave de este modo es que los pacientes pueden iniciar y controlar su respiración, lo que ayuda a mantener algunos procesos respiratorios normales. ASB ajusta la presión de soporte para cada respiración en función de las necesidades del paciente, garantizando una ventilación adecuada incluso cuando faltan esfuerzos espontáneos. Esta flexibilidad permite un soporte personalizado. Sin embargo, la implementación de ASB requiere un monitoreo preciso para equilibrar el nivel de soporte, evitando los riesgos de sobreventilación o ventilación insuficiente.
La ventilación por suspiro es un método utilizado por los ventiladores para proporcionar una respiración profunda y complementaria a los pacientes, que complementa su respiración espontánea. Ocurre una vez cada pocos minutos para prevenir o revertir la atelectasia (el colapso de partes del pulmón debido a los alvéolos desinflados) manteniendo o aumentando el volumen pulmonar. La implementación de suspiros, que aumentan el volumen inspirado en un 50%, mejora la oxigenación y la mecánica pulmonar, particularmente en la ventilación con control de presión (PCV) y la ventilación con presión de soporte (PSV) para pacientes con síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA). La frecuencia y el perfil del suspiro se pueden ajustar para satisfacer las necesidades individuales del paciente y las condiciones respiratorias, lo que permite un soporte respiratorio personalizado. En entornos de ventilación controlada por presión, se pueden programar intervalos entre suspiros, lo que garantiza que los alvéolos permanezcan abiertos o se vuelvan a abrir si colapsan, contrarrestando los riesgos de colapso pulmonar asociados con volúmenes corrientes bajos y mejorando la función respiratoria y la homogeneidad de la distribución en pacientes con SDRA.
La presión positiva al final de la espiración (PEEP) es una variable muy importante de la terapia respiratoria, especialmente en la ventilación mecánica, cuyo objetivo es prevenir el colapso de los alvéolos al final de la espiración manteniendo una presión positiva por encima de los niveles atmosféricos. La PEEP ayuda en el “reclutamiento” de los alvéolos, mejorando la oxigenación. La implementación de PEEP a través de ventiladores mecánicos aumenta y sostiene la presión de soporte, facilitando una adecuada ventilación pulmonar. Ajusta la presión respiratoria para garantizar una respiración eficaz del paciente, mejorando los niveles de oxígeno y la función alveolar, y aumenta la capacidad residual funcional (FRC) para prevenir el colapso de las vías respiratorias. Además, la PEEP optimiza la saturación de oxígeno en la sangre y el intercambio de gases al aumentar la tensión arterial de oxígeno (PaO2) y reducir la necesidad de una alta concentración de oxígeno (FiO2), minimizando así los riesgos de toxicidad del oxígeno.
Parámetros y controles del ventilador
El ciclo respiratorio comprende la inspiración, donde el aire ingresa a los pulmones, y la espiración, donde sale el aire. La inspiración implica alcanzar una presión inspiratoria máxima (PIM), que indica la presión durante el esfuerzo máximo contra un sistema cerrado. En la ventilación con control de presión, el ajuste de presión infla los pulmones a un volumen específico, seguido de una presión meseta (Pmes) durante una pausa inspiratoria, lo que refleja la distensibilidad pulmonar. La espiración implica la aplicación de presión positiva al final de la espiración (PEEP) para prevenir el colapso alveolar y fomentar la reapertura de los alvéolos colapsados. El flujo, que afecta el suministro de volumen de aire, se ajusta para satisfacer las necesidades del paciente, optimizando la eficiencia del ciclo respiratorio. Los ajustes en la presión y el flujo previenen el colapso alveolar, algo especialmente crucial para los pacientes obesos con mayor riesgo de padecer esta afección. La introducción del modo de ventilación controlada por flujo (FCV) tiene como objetivo mejorar el reclutamiento pulmonar al garantizar un flujo espiratorio constante, destacando la adaptabilidad de las estrategias de ventilación para mejorar los resultados de los pacientes.
Los parámetros clave de la ventilación incluyen presión, flujo, volumen y tiempo, entre otros. La presión es la fuerza que impulsa el flujo de aire contra el circuito del paciente y la resistencia de las vías respiratorias. Esta presión se mide en centímetros de agua (cmH2O). El flujo, la tasa de aire entregada para alcanzar el volumen corriente establecido, afecta la presión requerida; Los flujos más altos requieren presiones más altas y reducen el tiempo para entregar el volumen, medido en litros por minuto (LPM) con flujos máximos de hasta 50–70 L/min según el fabricante. El volumen, que indica el aire movido por ciclo respiratorio, busca garantizar un intercambio gaseoso adecuado, se muestra como volumen minuto (volumen total de gas inspirado en 1 minuto) y se mide en litros o litros-minuto. El tiempo gobierna la frecuencia de la respiración y la relación inspiración/espiración (I:E), afectando la eficiencia del intercambio de gases. La ventilación mecánica empuja activamente el aire hacia los pulmones durante la inspiración, mientras que la espiración es pasiva y depende del retroceso pulmonar.
Los modos de ventilación, como Asistencia/Control (A/C), Ventilación obligatoria intermitente síncrona (SIMV) y Ventilación obligatoria continua (CMV), entre otros, dictan el nivel de soporte y control según la condición y la capacidad respiratoria del paciente. Las configuraciones adicionales incluyen la forma de onda del flujo inspiratorio, que da forma al flujo de aire durante la inspiración; volumen corriente, el volumen de aire intercambiado con cada respiración, típicamente 6–8 ml/kg; y la frecuencia respiratoria, configurada para adaptarse a las necesidades del paciente. Los ajustes de sensibilidad determinan el esfuerzo requerido por parte del paciente para iniciar una respiración, mientras que la concentración de O2 inspirado (FiO2) ajusta el porcentaje de oxígeno administrado, que oscila entre el 21 y el 100 %. La presión PEEP/CPAP mantiene la presión alveolar al final de la espiración para evitar el colapso, establecida en 0–20 cmH2O. Los límites de presión alta y baja garantizan un funcionamiento seguro, con configuraciones de suspiro que ofrecen respiraciones profundas periódicas para mejorar la función pulmonar.
Componentes y circuitos del ventilador
El funcionamiento del ventilador mecánico depende de ciertos componentes clave. Un elemento central de este sistema es el circuito del paciente, un tubo que conecta el ventilador con el paciente, puede ser desechable o reutilizable, según las necesidades del paciente y el tipo de ventilador. Conectado al ventilador a través de puertos de entrada y salida, el circuito integra un humidificador/nebulizador para ingresar humedad y medicamentos, y un filtro inspiratorio para bloquear contaminantes. El aire fluye hacia el paciente a través de una válvula inspiratoria y llega a él a través de un tubo endotraqueal o una mascarilla. La válvula espiratoria asegura que el aire salga del paciente y pasa a través de un filtro espiratorio para proteger el ventilador de las partículas exhaladas. Los hospitales utilizan salidas de pared para aire y oxígeno, lo que requiere regulación para un uso seguro, con cilindros de gas comprimido como respaldo. Un compresor también puede actuar como fuente de aire de respaldo, comprimiendo el aire ambiente para mantener el suministro del sistema.
Internamente, el sistema ajusta la presión del gas, mezcla aire y oxígeno y controla el flujo. En la entrada del sistema, las entradas de aire y oxígeno están equipadas con trampas de agua para detener la acumulación de humedad. Los sensores de presión deben desconectar el suministro de aire y activar una alarma cuando la presión de entrada al sistema cae por debajo de niveles seguros (35 psi). Una válvula solenoide controla el flujo de gas hacia el mezclador. Los mezcladores de oxígeno/aire y los controles de flujo ajustan los niveles de oxígeno y la velocidad del flujo para satisfacer las necesidades del paciente. Los filtros bacterianos y las válvulas de retención protegen contra la contaminación y mantienen el flujo de gas unidireccional. En los modos CPAP o PEEP, un controlador aplica presión para garantizar que solo se ventile el gas que exceda una presión específica. Las señales de control, determinadas por la configuración del proveedor de atención médica y los datos del sensor sobre presión, flujo y concentración de oxígeno, guían los ajustes del ventilador. Las interfaces permiten la configuración de parámetros y muestran información crítica, incluidas alertas sobre desviaciones de las condiciones establecidas.
Seguridad y mantenimiento en Ventilación
La ventilación mecánica, si bien contribuye a salvar la vida de pacientes con problemas respiratorios, conlleva varios riesgos. Las infecciones son una preocupación importante, ya que los tubos endotraqueales (ET) o de traqueotomía que facilitan el suministro de aire pueden introducir gérmenes en los pulmones, lo que podría provocar neumonía. El colapso pulmonar, o neumotórax, representa otro peligro en el que el aire se filtra hacia el espacio pleural, lo que provoca el colapso del pulmón y desencadena problemas respiratorios graves que requieren atención urgente. El daño pulmonar debido a la presión de los ventiladores, conocido como barotrauma, ocurre cuando los pulmones están demasiado estirados, a pesar de los esfuerzos por minimizar la aplicación de presión. Además, el uso de sedantes para mantener la comodidad del paciente puede provocar efectos de sedación prolongados, incluida pérdida de memoria y síntomas depresivos. También es fundamental reconocer que la ventilación mecánica puede no garantizar la supervivencia; para algunos pacientes gravemente enfermos, puede que solo retrase lo inevitable, por lo cual es necesaria una comunicación clara con respecto a los objetivos de la atención y los posibles resultados.
Los ventiladores están equipados con varias características de seguridad para proteger a los pacientes y alertar a los profesionales de la salud sobre posibles problemas. Una característica de seguridad esencial es la alarma de desconexión, que se activa ante cualquier desconexión dentro del circuito del paciente, como un tubo endotraqueal desprendido o una fuga, lo que permite una intervención rápida. Otra función vital es la alarma de pérdida de aire, que señala cualquier interrupción o reducción en el suministro de aire, crucial para el rendimiento del ventilador. La alarma de alta presión, que se activa cuando la presión del circuito durante la inspiración excede un umbral predeterminado, indica posibles complicaciones como aumento de la resistencia de las vías respiratorias o asincronía paciente-ventilador, lo que exige atención inmediata. Además,incluyen alarmas para la notificación inmediata de fallas eléctricas y cuentan con fuentes de energía de respaldo, como baterías, para mantener su funcionalidad.
Como todos los equipos biomédicos, los ventiladores requieren mantenimiento y pruebas de rutina para garantizar su confiabilidad y eficiencia. El proceso comienza con un examen visual para identificar cualquier daño físico, seguido de limpieza y desinfección para eliminar riesgos de infección. La integridad del filtro de aire, se evalúa y se aborda mediante limpieza o reemplazo según sea necesario. Se realizan verificaciones de seguridad eléctrica para reparar daños y garantizar una conexión a tierra adecuada, seguidas de una verificación operativa utilizando un simulador configurado según las especificaciones del fabricante. Este paso incluye la calibración del sensor y el reemplazo de componentes desgastados para mantener un rendimiento óptimo. Las pruebas periódicas se centran en la precisión de la configuración, la funcionalidad de las alarmas y el rendimiento en condiciones simuladas. Las normas y directivas internacionales regulan el diseño, fabricación y uso de ventiladores mecánicos para garantizar su seguridad y eficacia. Por ejemplo, la Organización Internacional de Normalización (ISO) ha publicado la norma ISO 80601–2–12, que especifica los requisitos mínimos que deben cumplir los ventiladores invasivos y no invasivos. Estos requisitos cubren una amplia gama de aspectos, incluido el rendimiento del ventilador, las características de seguridad y la información que debe proporcionar el fabricante. Además, la Asociación Estadounidense de Atención Respiratoria (AARC) ha publicado pautas sobre el inicio y manejo seguros de la ventilación mecánica. Estas pautas brindan las mejores prácticas para el uso de ventiladores, incluida la competencia y la capacitación necesarias para los proveedores de atención médica, y la importancia de un enfoque interdisciplinario para la seguridad del paciente y mejores resultados.
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Para saber más…
Biomedical device technology : principles and design (Second). (2016). . Charles C. Thomas Publisher. February 16 2024
Khandpur R. S. (2005). Biomedical instrumentation : technology and applications. McGraw-Hill.
