8. TRABAJO Y ESFUERZO RESPIRATORIO, COSTO DE OXIGENO

Es muy común, encontrar en la documentación de los pacientes graves, la justificación de un episodio de intubación traqueal y ventilación mecánica, porque el paciente presentaba clínicamente un gran trabajo respiratorio, y se estaba fatigando, sin que este trabajo haya sido cuantificado en ningún momento. Desde hace muchos años, el neumólogo y especialista en medicina intensiva respiratoria se han preocupado por encontrar un método sencillo, fiable, y reproductible de medir el trabajo empleado en la respiración. 

Probablemente, la explicación de esta vieja aspiración, se encuentre en la multitud de músculos que intervienen en la respiración (Gráfico 1), sus inervaciones también múltiples (Gráfico 2 ), y su intervención secuencial respecto a reclutamiento en el fallo respiratorio. El principal músculo respiratorio, el diafragma, está muy preparado para soportar el duro trabajo de contraerse  millones de veces a lo largo de una vida,  habiéndose encontrado experimentalmente que la diferencia arteriovenosa de oxígeno en los vasos frénicos es del orden de 16 ml%, lo que representa una capacidad de extracción de oxígeno del 85%. Por otra parte, si se mide la presión transdiafragmática (presión gástrica - presión esofágica) para cuantificar este trabajo, puede ocurrir que predomine el componente gástrico, lo que habla del diafragma, o que predomine el esofágico, en cuyo caso predomina la ación muscular intercostal y accesoria.

Los pacientes, en insuficiencia respiratoria hipoxémica (IR parcial) o en fase de insuficiencia respiratoria hipercápnica (IR global), terminan en parada cardiorrespiratoria si no se suministra un soporte ventilatorio mecánico, que supla ese trabajo que el enfermo es incapaz de hacer, bien por fatiga, condición reversible con el reposo no demasiado prolongado, o por debilidad, condición en principio irreversible, aunque no intratable. Por último, hay que señalar que los términos grado de disnea, trabajo respiratorio, esfuerzo respiratorio (breathlesness en terminología inglesa), y costo de oxígeno no son sinónimos.
 

El trabajo, en términos físicos correctos se definiría como la aplicación de una fuerza en un espacio, o sea, que implica movimiento. Si sustituimos la fuerza por su equivalente: Presión x Superficie, tendremos que la medida del trabajo respiratorio se podría reducir a cuantificar el producto de una presión y un volumen en el caso de fluidos.

Las unidades en el sistema internacional (SI) se recuerdan en la TABLA 1, pudiendo encontrar en la bibliografía, medidas del trabajo respiratorio en gr x cm, en Kg x m, en Kg x m/L, y como es más habitual y reciente, en Julios/L. La interconversión de unidades es fácil sabiendo que 1 Kg x m=10 julios, 1 julio=1 litro x 1 dm de agua= 1 litro x 10 cm de agua y que un consumo de O2 de 1 ml equivale a 2,1 kg x m.

Es importante conocer si el trabajo se expresa por cada ciclo, por cada litro de volumen (Julios/L), o trabajo por minuto (Power, tasa de trabajo, potencia, o Julios/min), pudiendo hacer las conversiones:  W/ciclo=W/min/fR; W/litro=W/min//VE 
 

El trabajo respiratorio tiene una serie de componentes representados por las fuerzas elásticas, viscoelásticas, plastoelásticas, inerciales, gravitacionales, de compresibilidad y distorsión de la pared torácica, sin olvidar que el trabajo en fase acelerativa, se recupera en la fase decelerativa. En la práctica se habla de trabajo para vencer las resistencias al flujo aéreo, trabajo resistivo, que aumenta 88 ciento cincuenta veces  al aumentar quince veces el VE,  y del trabajo empleado en distender el pulmón, en desplazarlo del nivel CRF,  que  es el trabajo elástico. El flujo y el volumen son cuantificables fácilmente, mientras que la presión desarrollada hay que promediarla, ya que por desgracia la presión desarrollada a nivel de la boca no tiene un perfil cuadrado, como se hace en condiciones de laboratorio de fisiopatología 89. Si esta presión fuera cuadrada: 
W = P media  x VT,   y multiplicando y dividiendo por TI, tendríamos:
W = P media x VT x  TI/TI = P media x VT/TI  x TI
P boca media= Integral de P x dt x TI

La ecuación del movimiento simplificada considera que la presión aplicada en nuestro caso por un ventilador mecánico, debe vencer un trabajo elástico(VT/2Csr), un trabajo resistivo que depende de un flujo y una resistencia (VT/TI x R), y debe vencer la autoPEEP.

Otis, en 1954  demostró que W y VE se relacionan de forma no linear, estando suficientemente comprobado clínicamente, que el trabajo elástico de los pacientes restrictivos es menor a frecuencias respiratorias altas, mientras que el trabajo resistivo se minimiza con un sentido de ahorro energético, a frecuencias bajas.No obstante, la respiración rápida y superficial(fR /VT alta) no es tan eficaz para ahorrar trabajo.
 

La medida del trabajo respiratorio en sujetos normales en respiración espontánea, con un patrón uniforme y monótono, se inició con los trabajos de Peters 90 en 1969, que usaba un computador analógico para convertir el flujo en volumen,  sin olvidar  los trabajos de Ballantine 91 en 1970,  Proctor 92 en 1973 y Henning en 1977 (Gráfico 27).A partir de las curvas o señales de flujo, su integración como volumen, y la presión transpulmonar (presión dentro del pulmón menos la presión fuera de él, que es la presión pleural o esofágica), un primitivo ordenador calculaba ciclo a ciclo el trabajo total acumulado, expresándose en gramos x cm. Incluso se establecieron valores de normalidad:  0,048+/-0,022 Kg x m/L,  y  también 0,073+/-0,014 a un VT  de 1L  y a una fR  de 20, recordando que 0,1 Kg/m/l=1L x 10 cm agua,  y encontrando que en pacientes con grado de disnea I, el trabajo era de 0,08, mientras que el grado de disnea IV, correspondía a trabajos medios de 0,2 Kg x m/L..

Campbell estableció un sistema gráfico (Gráfico 28) en que triangulaba las distintas áreas de las curvas comprendidas entre dos teóricas rectas: la recta de compliance del pulmón, y la recta de compliance de la pared torácica. Esta última puede definirse en pacientes en ventilación controlada con los puntos sin flujo que unen el principio y final de la inspiración, con las curvas de volumen en ordenadas y la presión pleural o esofágica en abscisas. En su defecto, puede calcularse esta compliance de la pared torácica a partir de los datos de la capacidad vital del sujeto, con buena correlación con la antedicha determinación 93. El triángulo comprendido entre las dos rectas de compliance (área rayada horizontal en parte central de Gráfico 30), sería el trabajo elástico(WE), y el área de las curvas que exceden las rectas de compliance (rayado oblicuo) correspondería al trabajo resistivo (WR): a mayor área, mayor trabajo. El trabajo de los músculos inspiratorios en espiración, trabajo postinspiratorio 94,  o trabajo pliométrico con músculo alargado, es un trabajo negativo 95 es un freno al vaciado espiratorio 96, también necesario. El trabajo real  o positivo sería el miométrico en que el músculo se acorta, mientras que la contracción isométrica sin cambio de volumen ni desplazamiento, no representa trabajo, pero sí costo metabólico. 
 

El trabajo en pacientes en ventilación mecánica se parte o divide, entre el paciente y el respirador mecánico, cuya misión es ayudar a soportar y partir la tarea de respirar. Sin embargo, los equipos de ventilación mecánica y la vía aérea artificial, con frecuencia crean o añaden una tasa de trabajo denominada trabajo impuesto o adicional, que debe ser evitado (Gráfico 30, WI).Se considera que una disminución de calibre de 1 mm en el tubo traqueal, aumenta el trabajo en 34-154%. El patrón de asistencia inspiratoria o presión soporte, se ha utilizado para reducir este trabajo impuesto; el paciente inicia el ciclo, lo que abre la válvula de demanda de la máquina, que suministra un flujo hasta que se alcanza una presión prefijada antes. A más presión soporte, menos trabajo del paciente y más trabajo del ventilador (Gráfico 29) compensando el trabajo impuesto por circuitos y tubo traqueal.. La presión de soporte que compensaría el trabajo impuesto sería la que da el mismo nivel de trabajo, con y sin vía artificial, o la que da el mismo desnivel positivo y negativo en el trazo de presión, dando como resultado un trabajo neto de cero.

Los patrones de ventilación controlada, o el de controlada-asistida en que el enfermo dispara ciclos adicionales aparte de la frecuencia pautada (enciende el trigger o disparador), se pensaba que descargaban al paciente hasta que aparecieron los trabajos de Marini 97.Este prolífico autor, demostró que cuando el paciente inicia un ciclo de la máquina, trabaja no sólo para iniciarlo sino también para mantenerlo una vez iniciado el flujo de gas, así que no le descarga de trabajar el patrón de asistida. Quizás tras esta publicación y las múltiples de Banner, siempre preocupado por trabajo impuesto por el ventilador y sus circuitos, se han popularizado los patrones de presión soporte. Este patrón emularía la mano del anestesista comprimiendo la bolsa, en el despertar anestésico, como un modo de compensar todo el trabajo impuesto. Lo ideal sería  dejar al enfermo en un soporte o descarga parcial que ocurriría cuando para mover medio litro de gas se hace un trabajo de  0,25 julios, o lo que es lo mismo: 0,5 Julios/L, que sería lo mismo que 5 Julios/min. Se mantiene una cifra de trabajo crítico, útil para determinar también la dependencia de un ventilador, trabajo significativo, considerándose el nivel de corte en 1,3-1,7 julios. La realidad es que los pacientes trabajan bastante por encima de este umbral crítico cuando se les pauta respiración espontánea conservando la vía artificial (oxígeno en T), como se muestra en el Gráfico 30.

Marini utilizó en sus estudios la planimetria con digitalizador electrónico,  y sus cálculos consistían en hacer la diferencia entre los trazos de Pvias o Pesof entre patrón controlado y asistido siempre que ambos patrones tengan el mismo flujo, volumen y fR.

Una de las mejores herramientas de que dispone el médico interesado en la mecánica respiratoria, y en la problemática de la interfase paciente-ventilador, han sido los modernos equipos con tecnología de microprocesador, validados con el sistema tradicional, que permiten planimetrar el área de las curvas presión-volumen. La señal de volumen se obtiene mediante un minineumotacógrafo que se intercala en cualquier circuito de ventilador o se acopla a una mascarilla de respiración no invasiva (mide flujo, lo integra a volumen, y también informa de la presión en vía aérea). La otra señal, necesaria para medir el esfuerzo respiratorio espontáneo, así como para calcular la presión transpulmonar (necesaria para los cálculos de resistencia, compliance, PEEP intrínseca, P0,1 y producto presión tiempo), es la que suministra una sonda esofágica provista de un balón que debe quedar en el tercio inferior esofágico, teniendo todas las utilidades de una     sonda nasogástrica (aspiración digestiva, nutrición), por lo demás. En condiciones pasivas, la P vías y la P esof. miden respectivamente, el trabajo del sistema respiratorio, y el de la pared torácica. A partir de estas señales, el microprocesador calcula en tiempo real el trabajo respiratorio, lo parte o divide entre enfermo y máquina, y proporciona valores y tendencias de toda la mecánica ventilatoria, lo que permite adaptar el patrón de la máquina para que el enfermo tenga al menos un trabajo mínimo.

Si no se dispone de estos equipos, puede hacerse una estimación del trabajo del ventilador en cualquier paciente conectado a cualquier equipo, siempre que el tipo de flujo programado sea constante o cuadrado, con lo cual volumen y tiempo pueden sustituirse entre sí. Es el método del trapezoide o paralelogramo, sugerido por Marini 98, quien proponía varias fórmulas, que relacionaban geométricamente el trazo presión-tiempo, a un VT1 (Gráfico 31 parte superior),  y a otro VT2, mitad del anterior (VT2=VT1/2). Consideraba la presión pico a VT1, y la extrapolación al inicio del ciclo (P0), asi como la presión pico a VT2, que denominaba P2.

Puede simplificarse aun más el cálculo, si consideramos el área de un paralelogramo debido a las resistencias, y el área de un triángulo, debido al trabajo elástico (Gráfico 31 parte inferior).En este caso no habría que usar dos ciclos con VT y VT/2, sino sólo uno con meseta, y sumando ambas áreas y sacando factor común VT:  Área total= Área del paralelogramo + Área del triángulo, es decir: VT(P pico - P meseta + 1/2 P meseta)= VT x (P pico - P meseta/2)

Como las presiones se miden en cm de agua, se divide el resultado por 10 para convertirlas en dm de agua, y tendremos julios(VT en litros y  P en dm de agua).
 

De todos es conocido que los pacientes en fracaso respiratorio preterminal, hacen un uso de todos sus músculos respiratorios, el diafragma el esencial, pero también los intercostales, y los llamados accesorios: escaleno, esternocleidomastoideo, incluso se observa la apertura de las aletas nasales, sobre todo en pediatría, en graves insuficiencias respiratorias. En la citada fase preterminal, a pesar de los signos clínicos expresivos de un enorme trabajo respiratorio, la medida de los volúmenes de gas que el enfermo mueve en cada ciclo, muestra unos valores ridículos, mínimos. Cualquier enfermo insuficiente respiratorio, tanto si es preferentemente obstructivo, que no respira obligatoriamente a frecuencias lentas, los pacientes preferentemente restrictivos, y en casos mixtos, los más habituales, en la fase de fracaso global, todos adoptan un patrón restrictivo, o sea bajos volúmenes corrientes y alta frecuencia respiratoria. Estos volúmenes tidal mínimos, muchas veces son inferiores a 50-100 ml en adultos, incluso próximos a cero, empleándose enormes presiones  para mover poco o ningún volumen. Este sería el caso del enfermo que hace un enorme esfuerzo respiratorio en cuanto a presión, sin el componente de espacio, o volumen que dijimos con anterioridad. Es un trabajo isométrico, absolutamente ineficaz pues no mueve volumen. También sería típico de esta situación de trabajo isométrico, el realizado en pacientes conectados a un circuito de ventilador, que respiran "por fuera del ventilador mecánico", intentando obtener un flujo o un volumen, que la máquina no le entrega porque sus válvulas de demanda no se abren. El paciente hace una depresión inspiratoria tan rápida o tan escasamente transmitida, por estar alejado el sensor de demanda de este ventilador, que su esfuerzo no sirve para obtener flujo, con lo cual, salvo que sedemos o relajemos al paciente, que cambiemos el circuito, o mejoremos el patrón respiratorio de la máquina, el paciente consume una cantidad importante de oxígeno sin ningún beneficio, y se agotará o desestabilizará con el tiempo.
 

El concepto de costo de oxígeno 99 de los músculos  respiratorios (VO2mr) es distinto al consumo de oxígeno total, que tradicionalmente se medía cuantificando el ascenso del trazado espirométrico del sujeto, que respiraba gas de una campana, cuyo oxígeno se consumía en varios minutos. Dado que estos espirómetros de circuito cerrado tenían un absorbente de carbónico (cal sodada), la variación en la pendiente espirométrica informaba únicamente del consumo de oxígeno. La relación entre la producción de carbónico  y el consumo de oxígeno (RQ) es de 0,8 en situación fisiológica, valor utilizado por defecto siempre, sin entrar en las conocidas variaciones de este cociente respiratorio, según el nutriente que el sujeto utilice preferentemente. Este consumo de oxígeno es el necesario para la vida y función de todo el organismo, incluyendo el consumo específico y propio de la musculatura respiratoria, que es mínimo y se estima en 1-3 %  del consumo total: 7,5 ml/min, y también 0,25-1,5 ml/litro de ventilación por minuto, lo que confunde a veces.

Campbell en un sencillo (Gráfico 32) y elegante estudio realizado en 1957 hizo una estimación del consumo de oxígeno respiratorio específico, haciendo  respirar a un sujeto de un espirómetro, con un circuito alternativo que permitía en un momento dado, girando una llave,  imponer un estímulo o tarea extra, una carga (circuito bajo agua, cuya columna tenía que vencer). De esta forma se podía estimar el consumo de la musculatura respiratoria como la diferencia entre el ascenso del trazado espirométrico con la carga, menos el ascenso espirométrico sin la carga. En el caso de pacientes en soporte mecánico ventilatorio, la situación es más fácil, pues se podría  medir el consumo con y sin máquina, o sea, en patrón controlado y en patrón espontáneo. Este sería el consumo de oxígeno respiratorio o costo de oxígeno, mínimo en condiciones fisiológicas, y crucial y exagerado en situaciones de grave insuficiencia respiratoria. Además, esfuerzo muscular pulmonar no es lo mismo que esfuerzo o costo metabólico, pues la caja del tórax y el pulmón se transfieren entre ambas, energía en inspiración y espiración .

Las unidades de medida del costo respiratorio serían al igual que se expresa el consumo de oxígeno (VO2) y la producción de CO2 (VCO2), en ml/min, y en condiciones STPD o de los físicos (standard temperatura, presión, gas dry). La confusión en las cifras que aparecen en la literatura sobre el costo de oxígeno obedece a que se expresan como porcentaje del consumo de oxígeno con la carga o estímulo, o como porcentaje del consumo sin carga (métodos A y B descritos por Ibáñez). La aparición de los calorímetros en neumología, cuidados críticos, y últimamente en las unidades de nutrición, proporcionó una herramienta adicional para medir el consumo de oxígeno, a partir de la determinación del volumen o ventilación minuto (VE), de la FIO2, de la FEO2, y de la FECO2. La experiencia con el uso de estos equipos ha demostrado que la reproductibilidad en la medida del VO2 es de un 7% (unos 20 ml/min), debido a errores en la medida de las concentraciones de oxígeno inspiradas y espiradas, sobre todo cuando la FIO2 es alta. Esto explicaría incluso valores negativos100 del VO2 res, lo cual es imposible.

La correlación entre el VO2res y el trabajo mecánico de la respiración (W) medido por el método de Campbell de triangulación, es de 0,22 a 0,31, en parte por problemas de metodología, porcentajes en que se expresan los antedichos, estados no estables de los pacientes, medidas demasiado cortas o demasiado largas, etc. Pero esta falta de correlación depende sobre todo de la eficiencia de la respiración 89, que es menor por ejemplo en situaciones de carga resistiva, que en condiciones de hiperventilación. Se define    la eficiencia (epsilon)   de la respiración, como W/VO2 resp,  y esta eficiencia  varía entre 1-25%, pues el calor liberado en la contracción muscular no se valida, no se valoran las contracciones isométricas antedichas, las descargas catecolamínicas que las cargas respiratorias imponen, el trabajo cardiaco, el efecto Fenn de velocidad de acortamiento de los músculos, etc.

Si consideramos que W= P x VT x fR, teniendo en cuenta que fR=1/TT, y multiplicando y dividiendo por el tiempo inspiratorio(TI), tendremos: W=P x VT/TI x TI/TT, que expresa que el trabajo respiratorio depende de la presión, del flujo, y del tiempo inspiratorio, y nos lleva al concepto del índice o Producto Presión Tiempo(PPT o PTP). En una contracción isométrica,  presión y tiempo de contracción son índices del VO2 resp, habiéndose encontrado un coeficiente de correlación de 0,74 entre el VO2 resp y el índice tensión-tiempo diafragmático (TTdi) que normalmente es de 0,02, con una reserva  hasta 0,15 en cargas inspiratorias (Gráfico 33).

Un trabajo en que no se contemple un espacio (volumen, en nuestro caso de la función pulmonar), no es útil, pero sí es costoso, y su cuantificación puede hacerse planimetrando el área de las curvas de presión frente al tiempo y a la frecuencia respiratoria (Gráfico 34).El índice o producto presión-tiempo lo calculan los equipos actuales de medida de mecánica y  trabajo respiratorio, con las tres medidas básicas de flujo, presión en vías y presión esofágica, expresándose en cm x s / min.

Puede usarse el PTP esofágico o el diafragmático, pues la medida del tiempo inspiratorio puede ser problemática (Gráfico 35) según se haga a partir de las señales de flujo, o de la P diafragmática, siendo TIf y Tie, la duración del flujo y la duración del esfuerzo respectivamente.Como el cálculo del PPT se hace a partir de la Presión esofágica en algunos equipos actuales de medida,  en patrones de ventilación controlada sin apenas oscilaciones de la P esof, no puede obtenerse este índice.

El trabajo por litro es un pobre parámetro predictor del VO2 resp, correlacionando mejor  el power-VO2 resp, y aun mejor el PPT, que tiene en común con el trabajo, la medida de presión, aunque la intensidad de la disnea es muy compleja, interviniendo en el llamado desaliento(breathlessness) múltiples parámetros, como las oscilaciones de la presión esofágica, el flujo inspiratorio, el tiempo de ciclo, TI/TT, y la frecuencia respiratoria, por supuesto. Esta complejidad,  analizada quizás demasiado extensamente en este capítulo,  la resumía bastante bien H. Bageant, en el prólogo de su libro de ventilación mecánica. Su esposa, cansada del poco tiempo que le dedicaba a ella, durante la confección del libro, le recriminaba: ¿cómo puedes dedicar tanto tiempo a un proceso tan simple como la respiración? Todo consiste en coger el aire bueno, y expulsar el aire malo.