Chest compression with a higher level of pressure support ventilation: effects on secretion removal, hemodynamics, and respiratory mechanics in patients on mechanical ventilation.

OBJECTIVE: To determine the efficacy of chest compression accompanied by a 10-cmH2O increase in baseline inspiratory pressure on pressure support ventilation, in comparison with that of aspiration alone, in removing secretions, normalizing hemodynamics, and improving respiratory mechanics in patients on mechanical ventilation.
METHODS: This was a randomized crossover clinical trial involving patients on mechanical ventilation for more than 48 h in the ICU of the Porto Alegre Hospital de Clínicas, in the city of Porto Alegre, Brazil. Patients were randomized to receive aspiration alone (control group) or compression accompanied by a 10-cmH2O increase in baseline inspiratory pressure on pressure support ventilation (intervention group). We measured hemodynamic parameters, respiratory mechanics parameters, and the amount of secretions collected.
RESULTS: We included 34 patients. The mean age was 64.2 ± 14.6 years. In comparison with the control group, the intervention group showed a higher median amount of secretions collected (1.9 g vs. 2.3 g; p = 0.004), a greater increase in mean expiratory tidal volume (16 ± 69 mL vs. 56 ± 69 mL; p = 0.018), and a greater increase in mean dynamic compliance (0.1 ± 4.9 cmH2O vs. 2.8 ± 4.5 cmH2O; p = 0.005).
CONCLUSIONS: In this sample, chest compression accompanied by an increase in pressure support significantly increased the amount of secretions removed, the expiratory tidal volume, and dynamic compliance. (ClinicalTrials.gov Identifier:NCT01155648 [http://www.clinicaltrials.gov/]).

RCT Entities:   Population Interventions Outcomes

Introduction

Most ICU patients require invasive ventilatory support and are therefore subject not only to the benefits gained from the institution of that support, such as maintenance of gas exchange and decreased work of breathing, but also to the deleterious effects associated with it, such as the impairment of the mucociliary transport and mucociliary clearance mechanisms.(,) This impairment, in turn, can lead to stasis of secretions in the airways and consequently result in bronchial obstruction,() which, in the long term, can cause atelectasis and episodes of hypoxemia. In addition, accumulation of bronchial secretions favors the multiplication of microorganisms in unventilated areas, leading to the establishment of respiratory infections, such as ventilator-associated pneumonia.(-)

Some physiotherapy techniques aim to enhance mucociliary clearance and thus prevent bronchial obstruction caused by accumulation of secretions. Chief among these techniques is manual expiratory passive therapy, which is defined as compression of the patient's chest during the expiratory phase with the aim of accelerating expiratory flow and moving secretions from peripheral to central airways, thereby facilitating their expectoration.(,)

The technique of chest compression alone is not always efficient. This is because patients on mechanical ventilation (MV) have impaired mucociliary clearance, which, combined with reduced expiratory flow, results in accumulation of secretions. The combination of techniques that are routinely used by physiotherapists in the ICU, together with adjustment of ventilator settings, can result in greater effectiveness in removing secretions. Therefore, MV can be combined with techniques that increase inspiratory flow, such as ventilator hyperinflation. This technique aims to increase alveolar ventilation and thus facilitate the cough mechanism, assisting in mucus transport. (,) One way to perform ventilator hyperinflation is to increase pressure support (PS) progressively until a peak airway pressure of 40 cmH2O is reached. The application of this technique has resulted in a trend toward an increase in static compliance and in the amount of secretions collected.(,)

The objective of the present study was to compare the efficacy of chest compression combined with a 10-cmH2O increase in baseline inspiratory pressure on PS ventilation with that of aspiration alone in terms of the amount of secretions removed, hemodynamic effects, and respiratory mechanics.

Methods

This was a randomized crossover clinical trial conducted in the ICU of the Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA, Porto Alegre Hospital de Clínicas), in the city of Porto Alegre, Brazil, between May of 2008 and May of 2010. The research project was approved by the HCPA Research Ethics Committee (Protocol no. 07504/2007). Written informed consent was completed by and obtained from the legal guardian of each study participant. Randomization was performed with an online Research Randomizer, version 4.0 (Social Psychology Network, http://www.randomizer.org/), through which patients were allocated to undergo one of two techniques, and then, in the subsequent period, patients underwent the other technique.

We included patients who had been on MV for more than 48 h, had not been diagnosed with ventilator-associated pneumonia, had a positive end-expiratory pressure < 10 cmH2O, had an adequate respiratory drive, had undergone aspiration 2 h prior to the protocol being applied, and were hemodynamically stable (mean arterial pressure > 60 cmH2O). The exclusion criteria were having contraindications to increasing positive pressure (undrained pneumothorax and hemothorax or subcutaneous emphysema), having been diagnosed with osteoporosis, having a peak pressure > 40 cmH2O, being a neurosurgical patient, or having declined to participate in the study.

Following inclusion, all participants were placed in the supine position, with the head of the bed elevated 30°, and underwent a single aspiration (number 12 tube; MarkMed Ind. e Com. Ltda, São Paulo, Brazil) with vacuum set at -40 cmH2O of pressure. All participants underwent aspiration 2 h prior to the application of both techniques-this procedure was performed to equate the groups in terms of secretion volume. After that period, hemodynamic and pulmonary parameters were assessed, the results of which corresponded to the patient's baseline evaluation.

Patients randomized to the control group were ventilated with 100% FiO2 for 1 min. Subsequently, each patient was disconnected from the ventilator and underwent aspiration for 15 s, three times. The secretion collected was stored in a collection vial (Intermedical(r); Intermedical-Setmed, São Paulo, Brazil). Hemodynamic and pulmonary parameters were reassessed for variations 1 min after the aspirations, characterizing the control group.

When patients were randomized to the intervention group, they equally underwent aspiration 2 h prior to the procedure, in accordance with the previously described sequence. They were placed in the supine position and received chest compression combined with a 10-cmH2O increase in baseline inspiratory pressure on PS ventilation. Subsequently, they underwent aspiration, and secretion was collected in the same way as for the control group patients. Hemodynamic and pulmonary parameters were reassessed 1 min after the technique was applied, and the results were recorded on a data collection sheet. The secretions collected were then weighed in the same way as for the control group, and weight values were recorded on a data collection sheet.

The secretions collected were weighed on a Cubis(r) scale (Sartorius, Bohemia, NY, USA) in the HCPA Microbiology Laboratory. All measurements were performed by a blinded collaborator who was not part of the study team, and weight values were recorded on a data collection sheet.

We assessed hemodynamic parameters, such as HR, RR, mean arterial pressure, and SpO2 (IntelliVue MP60 monitor; Philips Medizin Systeme Böblingen GmbH, Böblingen, Germany). Respiratory assessment involved measuring peak inspiratory pressure, expiratory tidal volume (VTexp), and dynamic compliance (Cdyn), and these parameters were assessed prior to and after the techniques were applied. Delta values were defined as the difference between baseline and post-treatment values.

The sample size required to obtain a difference of 0.7 ± 1.0 g of secretion collected or more between the groups for a p value < 0.05 and a study power of 80% was calculated to be 32 patients. We used the Statistical Package for the Social Sciences, version 18.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Quantitative data are expressed as mean and standard deviation, whereas categorical data are expressed as absolute and relative frequencies. The groups were compared with the t-test for paired and independent samples and by using the general linear model analysis of variance for variables with normal distribution (as confirmed by the Kolmogorov-Smirnov test). The Wilcoxon test was used for variables with nonparametric distribution, whereas the chi-square test and Fisher's exact test were used for categorical variables.

Results

Between May of 2008 and May of 2010, 34 individuals were included in the study. There was a predominance of male patients, the mean age of the patients was 64.2 ± 14.6 years, and the most common pathology was sepsis (in (41.2%). The other characteristics of the sample are shown in Table 1.

Table 1

Clinical characteristics of the sample of 34 study participants.a

Assessment of variations in HR revealed that, in comparison with the control group, the intervention group showed an increase in HR after the intervention. However, this increase was not clinically relevant. Assessment of variations in RR revealed no significant differences between the groups. In contrast, assessment of variations in VTexp revealed that the intervention group showed a significant increase in VTexp after chest compression combined with hyperinflation, and the same was true for the assessment of variations in Cdyn, i.e., the intervention group showed a significant increase in Cdyn when compared with the control group. Assessment of the other parameters analyzed revealed no significant differences between the groups (Table 2).

Table 2

Comparison of the variation in hemodynamic and pulmonary parameters in the groups studied.

When the mean amount of secretions collected was evaluated, we found that, in comparison with the control group, the intervention group showed a significant increase in the amount of secretions collected (p = 0.004; Figure 1).

Figure 1

Amount of secretion collected in the control and intervention groups, in median ± standard error (SE). p = 0.004.

Discussion

In the present study, we found that the use of chest compression combined with an increase in PS caused an increase in the amount of secretions collected. In addition, it caused significant increases in VTexp and Cdyn.

Some authors have shown that hyperinflation techniques can prevent lung collapse, reexpand areas of atelectasis, improve oxygenation and lung compliance, and increase the movement of secretions from small to central airways.(,,-) This is due to the increase in tidal volume caused by hyperinflation, which expands the normal alveoli and thus, through the mechanism of interdependence, ultimately reexpands the collapsed alveoli.()

We showed that chest compression combined with an increase in PS increases the amount of secretions collected, which was similarly reported by Lemes et al., who, in a randomized crossover study, found a trend toward an increase in the amount of secretions collected after hyperinflation, with increases in PS, in patients on MV.() In contrast, Unoki et al. showed that, in comparison with tracheal aspiration, chest compression alone resulted in no increases in the amount of secretions collected.() It is possible that chest compression has greater effectiveness when combined with strategies of increasing tidal volume in patients on MV.

The fact that there was a significant increase in VTexp in the intervention group (i.e., those who received chest compression combined with an increase in PS) as compared with the control group is an expected finding, because it is known that increases in inspiratory pressures cause increases in lung volumes. In addition, the increase in peak inspiratory flow caused by hyperinflation can assist in moving secretions from smaller to larger airways, assisting the mucociliary mechanism, reducing airway resistance, and thus contributing to an increase in lung volumes.(-)

Likewise, there was a significant increase in Cdyn in the intervention group as compared with the control group. This result corroborates the findings of Berney et al., who reported a significant increase in lung compliance after ventilator hyperinflation.() Savian et al. presented similar findings, attributing the increase in lung compliance to the fact that hyperinflation leads to better airflow distribution, resulting in re-expansion of collapsed lung units.()

One alternative to ventilator hyperinflation accomplished by increasing PS is manual hyperinflation, which has the same therapeutic goals, with a manual resuscitation bag.( ) Comparison of the two techniques reveals similar results in terms of secretion volume, improvement in respiratory mechanics, and hemodynamic stability.(,) However, ventilator hyperinflation has a significant advantage in that it enables monitoring of the pressures, volumes, and flows used during its performance, thereby allowing fine tuning of the technique.() Another important factor is evident in the study by Ortiz et al., who evaluated the efficacy of manual hyperinflation in a lung model and showed that, although the technique yields safe values of alveolar pressure, it may not promote secretion removal because peak inspiratory flow exceeds peak expiratory flow.()

We conclude that, in comparison with aspiration alone, chest compression combined with an increase in PS significantly increased the amount of secretions collected. In addition, it significantly increased VTexp and Cdyn.

Introdução

Os pacientes internados em UTIs necessitam, em sua maioria, de suporte ventilatório invasivo e, dessa maneira, estão sujeitos não só aos benefícios da instituição desse suporte, tais como a manutenção das trocas gasosas e redução do trabalho respiratório, mas também aos efeitos deletérios associados a ele, como o comprometimento do mecanismo de transporte e de depuração mucociliar.(,) Esse comprometimento, por sua vez, pode acarretar a estase de secreções nas vias aéreas e, consequentemente, levar a obstrução brônquica,() a qual pode, no longo prazo, causar atelectasias e episódios de hipoxemia. Além disso, esse acúmulo de secreções brônquicas favorece o desenvolvimento de microrganismos nessas áreas não ventiladas, acarretando o estabelecimento de infecções respiratórias, como a pneumonia associada a ventilação mecânica (VM).(-)

Algumas técnicas de fisioterapia visam aprimorar o clearance mucociliar e, dessa forma, evitar a obstrução brônquica por acúmulo de secreção. Dentre essas técnicas, destaca-se a terapia expiratória manual passiva, que é definida como uma força compressiva no tórax do paciente durante a fase expiratória, visando a aceleração do fluxo expiratório e consequente remoção de secreção das vias aéreas mais periféricas para as centrais, facilitando, assim, sua expectoração.(,)

A técnica de compressão torácica isolada nem sempre se apresenta eficiente, isso porque os pacientes em VM apresentam comprometimento do clearance mucociliar, o que, associado a redução do fluxo expiratório, resulta no acúmulo de secreção. A associação de técnicas rotineiramente utilizadas pelo fisioterapeuta na UTI, com ajustes realizados no ventilador mecânico, pode resultar numa maior efetividade em relação à remoção de secreção. Logo, a VM pode ser associada a técnicas de incremento do fluxo inspiratório, como a hiperinsuflação ajustada pelo ventilador mecânico. Essa técnica objetiva aumentar a ventilação alveolar e, dessa forma, facilitar o mecanismo da tosse, auxiliando no transporte do muco.(,) Uma maneira de realizar essa manobra com o ventilador mecânico é através da hiperinsuflação com aumentos progressivos da pressão de suporte (PS) até atingir uma pressão de pico nas vias aéreas de 40 cmH2O. Essa técnica demonstrou uma tendência a aumento da complacência estática e da quantidade de secreção aspirada após sua aplicação.(,)

O presente estudo teve como objetivo comparar a eficácia da manobra de compressão torácica, associada ao acréscimo de 10 cmH2O na pressão inspiratória basal em modo ventilatório com PS, com aquela da aspiração isolada em relação à quantidade de secreção removida, efeitos hemodinâmicos e na mecânica pulmonar.

Métodos

Trata-se de um ensaio clínico randomizado cruzado, realizado no CTI do Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA) no período entre maio de 2008 e maio de 2010. O projeto de pesquisa foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa do HCPA (protocolo no. 07504/2007). Todos os pacientes que participaram do estudo tiveram o termo de consentimento informado devidamente preenchido e assinado pelo seu responsável. A randomização foi realizada através do programa on-line Research Randomizer, versão 4.0 (Social Psychology Network, http://www.randomizer.org/), pelo qual se realizava a alocação para a primeira técnica a ser realizada, e, posteriormente, no turno posterior, o paciente realizava a outra técnica.

Foram incluídos pacientes que estiveram em VM por um período superior a 48 h, sem diagnóstico de pneumonia associada à VM, com pressão expiratória positiva final < 10 cmH2O, com adequado drive respiratório, que tenham sido submetidos a aspiração 2 h antes da aplicação do protocolo e hemodinamicamente estáveis (pressão arterial média > 60 cmH2O). Os critérios de exclusão foram apresentar contraindicações para o incremento da pressão positiva (pneumotórax e hemotórax não drenados ou enfisema subcutâneo), ter diagnóstico de osteoporose, apresentar pressão de pico > 40 cmH2O, ser paciente neurocirúrgico ou se negar a participar do estudo.

Após a inclusão no estudo, todos os pacientes foram posicionados em decúbito dorsal com a cabeceira elevada em ângulo de 30°, foram submetidos a aspiração uma única vez (sonda número 12; MarkMed Ind. e Com. Ltda, São Paulo, Brasil) e com vácuo ajustado em -40 cmH2O de pressão. Todos os pacientes foram submetidos a aspiração 2 h antes da realização de ambas as técnicas - esse procedimento foi realizado a fim de equiparar os grupos em relação ao volume de secreção. Após esse período, foram coletados os parâmetros hemodinâmicos e pulmonares, os quais correspondiam à avaliação basal dos pacientes.

Os pacientes randomizados para o grupo controle foram ventilados pelo período de 1 min com FiO2 a 100%. Em seguida, cada paciente era desconectado e submetido a aspiração durante 15 s por três vezes. A secreção aspirada foi armazenada em um frasco coletor (Intermedical(r); Intermedical-Setmed, São Paulo, Brasil). As variações dos parâmetros hemodinâmicos e pulmonares foram recoletadas 1 min após a aplicação das aspirações, caracterizando o grupo controle.

Quando os pacientes eram randomizados para o grupo intervenção, eles foram igualmente submetidos a aspiração 2 h antes do procedimento, seguindo a sequência previamente descrita. Os pacientes foram posicionados em decúbito dorsal e receberam a manobra de compressão torácica associada à VM com PS com acréscimo de 10 cmH2O na pressão inspiratória positiva inicial. Em seguida, os pacientes foram submetidos a aspiração, e a secreção foi coletada da mesma maneira que os pacientes do grupo controle. Os parâmetros hemodinâmicos e pulmonares foram recoletados 1 min após a aplicação da técnica, e os resultados foram transcritos para a folha de coleta de dados. As secreções aspiradas foram então pesadas da mesma maneira que no grupo controle, e o peso foi transcrito para a folha de coleta de dados.

As secreções aspiradas foram pesadas no Laboratório de Microbiologia do HCPA, em uma balança Cubis(r) (Sartorius, Bohemia, NY, EUA), por um colaborador cegado que não fez parte do estudo, e o peso foi transcrito para a folha de coleta de dados.

Foram coletados parâmetros hemodinâmicos, tais como FC, FR, pressão arterial média e SpO2 em monitor IntelliVue MP60 (Philips Medizin Systeme Böblingen GmbH, Böblingen, Alemanha). Para a avaliação respiratória, foram mensurados a pressão de pico inspiratório, o volume corrente expirado (VCE) e a complacência dinâmica (Cdyn), sendo esses parâmetros coletados antes e após a realização das técnicas. A diferença entre os parâmetros iniciais menos os finais caracterizaram os valores Δ.

O cálculo amostral foi realizado a fim de obter-se uma diferença de 0,7 ± 1,0 g ou mais de secreção aspirada entre os grupos para um valor de p < 0,05 e poder do estudo de 80%; logo, eram necessários 32 pacientes. O programa utilizado foi Statistical Package for the Social Sciences, versão 18.0(SPSS Inc., Chicago, IL, EUA). Os dados quantitativos foram descritos através de média e desvio-padrão, e os dados categóricos, através de frequência absoluta e proporção. Os grupos foram comparados utilizando-se o teste t para amostras pareadas e independentes e o modelo linear geral para análise de variância das variáveis com distribuição normal (confirmadas pelo teste de Kolmogorov-Smirnov). O teste de Wilcoxon foi utilizado para as variáveis com distribuição não paramétrica, enquanto o teste do qui-quadrado e o teste exato de Fisher foram utilizados para as variáveis categóricas.

Resultados

Foram incluídos no estudo 34 indivíduos entre maio de 2008 e maio de 2010. Houve predomínio de pacientes do gênero masculino, a média de idade dos pacientes foi 64,2 ± 14,6 anos, e a patologia predominante foi sepse (41,2%). As demais características da amostra estão demonstradas na Tabela 1.

Tabela 1

Características clínicas da amostra de 34 pacientes incluídos no estudo.a

O resultado de variação da FC no grupo intervenção, comparado com o grupo controle, demonstrou um aumento da FC após a intervenção, porém, sem relevância clínica. A variação da FR não apresentou diferença significativa entre os grupos; já a variação do VCE apresentou um aumento significativo no grupo intervenção, demonstrando um aumento do VCE após a realização da compressão torácica associada à hiperinsuflação, comportamento similar observado na avaliação da variação da Cdyn, que apresentou um aumento significativo em comparação à do grupo controle. As demais variações dos parâmetros analisados não demonstraram diferenças significativas entre os grupos (Tabela 2).

Tabela 2

Comparação da variação dos parâmetros hemodinâmicos e pulmonares nos grupos estudados.

Quando a média da quantidade de secreção aspirada foi avaliada, observamos que o grupo intervenção apresentou um aumento significativo na quantidade de secreção aspirada quando comparado ao grupo controle (p = 0,004; Figura 1).

Figura 1

Quantidade de secreção aspirada nos grupos controle e intervenção, em mediana ± erro padrão (EP). p = 0,004.

Discussão

No presente estudo, observamos que a utilização de compressão torácica associada ao incremento da PS ocasionou um aumento na quantidade de secreção aspirada. Além disso, o VCE e a Cdyn também apresentaram aumentos significativos após a realização da técnica.

Alguns autores demonstraram que as técnicas de hiperinsuflação podem prevenir colapsos pulmonares, reexpandir áreas de atelectasia, aprimorar a oxigenação e a complacência pulmonar, assim como incrementar o movimento de secreções das pequenas vias aéreas para as vias aéreas centrais.(,,-) Isso ocorre pelo aumento do volume corrente gerado pela hiperinsuflação, que expande os alvéolos normais e, dessa forma, através do mecanismo de interdependência, acaba reexpandindo também os alvéolos colapsados.()

Demonstramos que a realização da compressão torácica associada ao incremento da PS aumenta a quantidade de secreção aspirada, o que foi similarmente demonstrado por Lemes et al. que, através de um estudo randomizado cruzado, observaram uma tendência a aumento de secreção aspirada após a hiperinsuflação, com aumentos da PS, em pacientes em VM.() Em contrapartida, Unoki et al. não demonstraram aumentos da quantidade de secreção aspirada após a aplicação da compressão torácica isolada quando comparada com a aspiração traqueal.() Possivelmente, a compressão torácica apresenta maior efetividade quando associada a estratégias de incremento de volume corrente em pacientes sob VM.

Em relação ao aumento significativo do VCE evidenciado após a aplicação da técnica de compressão torácica associada ao aumento da PS, em relação ao grupo controle, esse é um achado esperado, pois sabe-se que aumentos das pressões inspiratórias geram aumentos dos volumes pulmonares. Além disso, o aumento do pico de fluxo inspiratório causado pela hiperinsuflação pode auxiliar no deslocamento da secreção das vias aéreas de menor calibre para as vias aéreas de maior calibre, auxiliando o mecanismo mucociliar, diminuindo a resistência nas vias aéreas e, consequentemente, contribuindo para o aumento desses volumes.(-)

Da mesma forma, a Cdyn apresentou um aumento significativo no grupo intervenção quando comparado ao grupo controle. Esse resultado corrobora os achados de Berney et al., os quais demonstraram um aumento significativo da complacência pulmonar após hiperinsuflação com ventilador mecânico.() Savian et al. apresentaram achados semelhantes, atribuindo esse aumento da complacência pulmonar ao fato de que a hiperinsuflação distribui melhor o fluxo de ar, resultando na reexpansão de unidades pulmonares colapsadas.()

Uma alternativa à hiperinsuflação realizada através do incremento da PS no ventilador mecânico é a realização da hiperinsuflação manual, a qual apresenta os mesmos objetivos terapêuticos, utilizando-se um ressuscitador manual.() Quando comparadas as duas técnicas, evidenciam-se resultados semelhantes em relação a volume de secreção, aprimoramento da mecânica respiratória e estabilidade hemodinâmica.(,) Entretanto, a realização da técnica com a utilização do ventilador mecânico apresenta uma grande vantagem, que é a monitorização das pressões, volumes e fluxos utilizados durante a técnica, permitindo assim um melhor ajuste da mesma.() Outro fator importante fica evidente no estudo realizado por Ortiz et al., que avaliaram em um modelo pulmonar a eficácia da manobra de hiperinsuflação manual e demonstraram que a técnica apresenta valores seguros de pressão alveolar; entretanto, ela pode não favorecer a remoção de secreção devido ao fato de o pico de fluxo inspiratório exceder o pico de fluxo expiratório.()

Podemos concluir que a compressão torácica associada ao incremento da PS demonstrou um aumento significativo da quantidade de secreção aspirada nos pacientes submetidos à técnica quando comparados com aqueles que foram somente submetidos a aspiração. Além disso, o VCE e a Cdyn aumentaram significativamente após a aplicação da técnica.