Approccio clinico ai gas del sangue Prof. Aldo Baritussio Clinica medica 1 IV piano Policlinico, stanza 17 tel 049 8212149 E mail: aldo.baritussio@unipd.it

Blood sampling for gases and AB disturbances Arterial. Peripheral venous (turniquet off 1 min before sampling). Central venous. Mixed central venous.

Review article: Can peripheral venous blood gas analysis replace arterial in emergency medical care? A-M Keely. Emergency medicine Australasia 22:493-498, 2010. Mean A-V difference in pH: 0.035 pHunits. Mean A-V difference in pCO2: 5.7 mm Hg. Mean A-V difference in bicarbonate: 1.4 mmol/L. Mean A-V difference in base excess: 0.089 mmol/L. For patients who are not in shock venous pH, bicarbonate and BE have sufficient agreement with arterial values to be interchangeable. There are insufficient data to determine if these relationships persist in shocked patients or in those with mixed acid-base disorders. Agreement betwenn arterial and venous PCO2 is poor, PVCO2 could be used for monitoring trends in selected patients.

Perché basarsi sul sangue arterioso? Il sangue arterioso è ben mescolato. Il sangue venoso no, neanche se prelevato in arteria polmonare

L’ emogasanalisi Sangue arterioso (a. radiale o femorale). Siringa con tracce di eparina. Aria max 1-2%. Misura subito o porta al laboratorio in ghiaccio. La macchina* misura pH, PO2, PCO2, SaO2 e calcola i bicarbonati. Se interessa solo il pH, và bene anche sangue venoso (differenza dall’ arterioso 0.03). Leucocitosi estreme abbassano la PaO2. * I co-ossimetri misurano la “fractional saturation” (HbO2/(HbO2+Hbrid+metHb+COHb); i vecchi ossimetri calcolavano la SaO2 da pH, PaO2, PaCO2, temperatura, dando la “functional saturation”.

Pressioni parziali dei gas (in mm Hg) PO2 PCO2 160 0 150 Vie di conduzione Regione alveolare 102 40 PO2 PCO2 102 40 cap 40 46 92 40 v a Shunt fisiologico (3%) v= arteria polmonare cap=capillare polmonare a= arteria periferica

PaCO2 La PaCO2 (v.n. 36-44 mm Hg) è l’ indice della ventilazione alveolare.

Produzione ed eliminazione della CO2 PCO2 (mm Hg) Produzione di CO2: 200 ml/min 99% eliminata col respiro 1% dal rene 40 PCO2 40 cap 46 40 v a Shunt fisiologico (3%) v= arteria polmonare cap=capillare polmonare refluo dall’ alveolo a= arteria periferica

La regione alveolare Alveoli Pneumocita di tipo 2 Macrofago alveolare Surfactant libero nel lume alveolare Film interfacciale

Composizione del surfactant polmonare Proteine idrofobiche SP-B SP-C Lectine Ca-dipendenti DPPC

Effetto del surfactant suppletivo sulla mortalità perinatale. (Maternitade Santa Joana, Sao Paulo, Brazil)

La ventilazione alveolare Ventilare le vie aeree significa muovere un volume d’aria (V) lungo le vie aeree. V = volume per unita’ di tempo. La ventilazione/minuto e’ il volume d’aria inspirato od espirato al minuto. Questo volume e’ in genere misurato durante l’espirio, per cui la ventilazione/minuto e’ espressa dal simbolo VE. VE =f x VT, ove f e’ la frequenza respiratoria al minuto e VT e’il volume corrente (tidal volume) cioe’il volume mosso ad ogni atto respiratorio. La ventilazione alveolare (VA) è la differenza tra la ventilazione tidalica e la ventilazione dello spazio morto (VD=150 ml). VA= VT-VD=350 ml

Lo spazio morto anatomico si può misurare con il metodo dell’ inspirio di O2 puro o con la formula di Bohr Spazio morto Lo spazio morto fisiologico (anatomico+alveoli ventilati ma non perfusi) è di pochi ml maggiore di quello anatomico.

La PaCO2 è l’ indice della ventilazione alveolare Produzione di CO2 . PaCO2=0.863 x VCO2 . VA Ventilazione alveolare IPERVENTILAZIONE ALVEOLARE PaCO2 IPOVENTILAZIONE ALVEOLARE PaCO2

Ipoventilazione alveolare Riduzione della frequenza del respiro Riduzione del volume corrente Aumento dello spazio morto

Ipoventilazione di origine centrale Sindromi da ipoventilazione centrale: - S. da ipoventilazione centrale congenita:(M. di Ondina, M. di Ondina-Hirschprung, [mutazione PHOX2b omozigote]). - S. da ipoventilazione centrale a insorgenza nell’ adulto ( mutazione di PHOX2b eterozigote). Resezione del corpo carotideo. Respiro di Cheine-Stokes: (associato a cardiopatie, mal. neurologiche, sedazione, sonno, turbe acido-base, prematurità, acclimatazione grandi altezze. Mixedema. Digiuno. Malattie neuromuscolari (meccanismo prevalente periferico). Farmaci:oppiacei, barbiturici, benzodiazepine deprimono i centri del respiro; medrossiprogesterone, teofillina e acetazolamide li stimolano BPCO (ridotto drive ventilatorio da esposizione cronica ad elevata PaCO2). Pazienti a rischio di attacchi fatali di asma bronchiale. Respiro di Cheyne Stokes PHOX2b è un fattore di trascrizione attivo durante lo sviluppo neuronale. I pazienti con S. di Ondina non hanno problemi durante il giorno, ma “si dimenticano di respirare” durante il sonno (specie quello non REM) ed hanno pertanto bisogno di un supporto ventilatorio. Spesso la sindrome di Ondina è associata ad anomalie della innervazione colinergica del tubo gastroenterico (S. di Ondina-Hirschprung). I pazienti con queste patologie sono ad aumenbtato rischio di sviluppare ganglioneuromi e neuroblastomi. Nelle forme da malattie neuromuscolari è la debolezza muscolare che causa ipoventilazione, ma c’ è talvolta anche una ridotta percezione centrale delle necessità ventilatorie, mentre il drive ventilatorio è conservato.

Stimolanti del centro del respiro Medrossiprogesterone Teofillina Acetazolamide CO2+H2O H2CO3 H+ +HCO-3 AC

Effetto della ventilazione sulla CO2 Ipoventilazione Ventilazione normale Iperventilazione PAO2 87 PACO2 50 PAO2 102 PACO2 40 PAO2 120 PACO2 28 PaO2 85 PaCO2 50 PVO2 30 PACO2 55 PVO2 40 PVCO2 46 PaO2 93 PaCO2 40 PaO2 98 PaCO2 28 PVO2 40 PVCO2 46 PaO2 PaCO2 P(A-a)O2 NORM PaCO2 SaO2 inv vene polmonari arteria periferica

La PaCO2 è l’ indice della ventilazione alveolare Produzione di CO2 . PaCO2=0.863 x VCO2 . VA Ventilazione alveolare IPERVENTILAZIONE ALVEOLARE PaCO2 IPOVENTILAZIONE ALVEOLARE PaCO2 CALIAMOCI NELLA REALTA’ CLINICA

La PaCO2 nei diversi contesti clinici Sforzo fisico nella persona normale Asma bronchiale Asma bronchiale grave =/ Ipoventilazione (ridotto drive, spazio morto) Iperventilazione Encefalopatia epatica Acidosi metabolica Embolia polmonare: non c’ è una emogas “tipico” Somministrazione eccessiva di O2 al paziente con BPCO Alcalosi metabolica (non oltre 53-54 mm Hg) BPCO

La PaCO2 è uno dei determinanti del pH plasmatico CO2+H2O H2CO3 H++HCO-3 ACIDOSI RESPIRATORIA PURA: Per ogni 10 mm Hg di aumento della PaCO2 il pH cala di 0.08 unità. ACIDOSI METABOLICA PURA Per ogni 10 mEq/L di HCO3- consumati il pH cala di 0.15 unità

Variazione della bicarbonatemia durante alcalosi respiratoria Nella alcalosi respiratoria cala la PaCO2 (primum movens). Per mantenere costante il pH arterioso il rene elimina bicarbonato (V.N. 22-26 mEq/L). Il calo compensatorio della bicarbonatemia non scende mai sotto i 15 mEq/L. Per cui bicarbonatemia<15 mEq/L non può essere solo compensatoria= possibile consumo=possibile acidosi metabolica. Bicarbonatenia<10 mEq/L =consumo sicuro di bicarbonati=acidosi metabolica certa.

Variazione della bicarbonatemia durante alcalosi metabolica Nella alcalosi metabolica aumenta il pH (primum movens). Per mantenere costante il pH i centri del respiro rispondono riducendo la ventilazione (trattenendo CO2). Una paCO2 di 50-52 mm Hg rappresenta il limite superiore del compenso. Per cui di fronte a PaCO2>52 mm Hg è saggio pensare ad una ipoventilazione alveolare, piuttosto che ad un aumento compensatorio della PaCO2.

I bicarbonati nell’ acidosi respiratoria acuta e cronica CO2+H2O H2CO3 H++HCO-3 Acidosi acuta: PaCO2 aumento stechiometrico HCO3- (max 29 mEq/L) Acidosi cronica: PaCO2 ritenzione renale di HCO3- (36-45 mEq/L) AC ACUTA CRONICA

PaO2 La PaO2 è l’ indice del rapporto tra ventilazione e perfusione

Pressioni parziali di O2 (in mm Hg) Aria inspirata 160 FIO2 0.21 P(A-a)O2=gradiente Alveolo-arterioso in O2 Vie aeree di conduzione 150 Ventilazione alveolare 5 L/min 102 Alveoli Consumo di O2 250 ml/min Capillare polm. 102 40 arteria polmonare Shunt fisiologico (3%) Portata attraverso il circolo polmonare 5 L/min 92 arteria periferica

Determinanti della PAO2 1 PAO2 2 3

Nel polmone normale ogni alveolo carica di ossigeno al massimo l‘ emoglobina dei GR che passano nei capillari polmonari

MISMATCH TRA VENTILAZIONE E PERFUSIONE Alveoli ripieni di liquido Alveoli normali Gli alveoli normalmente aerati non correggono l’ effetto dello shunting di sangue venoso Capillare “shuntante” MISMATCH TRA VENTILAZIONE E PERFUSIONE

Gradiente alveolo-arterioso di O2 P(A-a)O2 (mm Hg) 160 FIO2 0.21 PAO2 si calcola una volta nota la FIO2 PAO2=FIO2 x(PB-PW)-1.2xPaCO2 Respirando a. ambiente: PAO2=0.21x(760-47)-1.2x40=149.7-48=101.7 PaO2=93 P(A-a)O2=101.7-93=9.7 mm Hg (vn <15 mm Hg nel giovane,<30 mm Hg nel vecchio) 150 102 Capillare polm. 102 40 arteria polmonare Shunt fisiologico (3%) 92 PaO2 si misura arteria periferica

Severe Acute Respiratory Syndrome

SARS: commistione di alveoli normali e alveoli che “shuntano” sangue venoso

Quadro gasanalitico in pazienti affetti da SARS Paziente# 1 2 3 4 5 PaO2 50 62 53 77 90 PaCO2 26 33 36 26 29

Quadro gasanalitico in pazienti affetti da SARS all’ ingresso in ospedale, mentre respiravano aria ambiente. Paziente# 1 2 3 4 5 PaO2 50 62 53 77 90 PaCO2 26 33 36 26 29 PAO2 118 110 106 118 115 P(A-a)O2 68 48 53 41 25

Come ovviare a questa situazione Come ovviare a questa situazione? Aumentando la PEEP (pressione nelle vie aeree al termine dell’ espirio) ↑PEEP Recluta nuovi alveoli Aumenta la clearance di liquidi Riduce il ritorno venoso Distende i setti (rottura) cm H2O Nella pratica clinica la PEEP applicata è di 2.5-25.0 cm H2O.

I gas nella BPCO Fase PaO2 PaCO2 pH HCO3- A ↓ = = = B ↓ ↓ ↑ = ↑ Perché aumenta la PaCO2? Iperinflazione Aumento della PEEP intrinseca Resistenze Diaframma meno Aumento del lavoro Efficiente respiratorio Ipoventilazione PaCO2

Interpretazione dell’ emogasanalisi Casi FIO2 PaO2 PaCO2 PAO2 P(A-a)O2 Commento A 0.21 85 25 118 33 mismatch B 0.21 85 50 87 2 ipoventila C 0.40 85 30 247 162 intubato (FIO2 0.4) ventilato (PaCO2↓) grave mismatch (P(A-a)O2=162 mm Hg A e B respirano aria ambiente C è ventilato meccanicamente (una PaCO2 di 30-35 mm Hg è OK per l’ intensivista; le disgrazie p.e. [un tubo che si disconnette] comportano acidosi).

Commenti ad alcuni casi clinici Casi FIO2 PaO2 PaCO2 PAO2 P(A-a)O2 Commento A 0.21 85 25 118 33 mismatch/ipervent B 0.21 85 50 87 2 ipoventila C 0.40 85 30 247 162 intubato (FIO2 0.4) ventilato (PaCO2↓) grave mismatch (P(A-a)O2=162 mm Hg P(A-a)O2 100 80 +2SD 60 Media 40 20 -2SD FIO2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Curva di dissociazione dell’ emoglobina Quando PaO2>65-70 mm Hg SaO2>90% SaO2 desiderata Adulto >90% Neonato ≈90% (fibro- plasia retrolenticolare)

IPOSSIA=deficit di ossigeno nell’ organismo IPOSSIEMIA= deficit di ossigeno in circolo

Cause di ipossia Ipossiemia Ridotta PaO2 Ridotta SaO2 Anemia Ridotto trasporto di O2 ai tessuti Ridotta gettata cardiaca Shunt dx-sx sistemico (shock settico) Ridotta assunzione di O2 dai tessuti Danno mitocondriale (cianuro) Emoglobine anomale

Cause di ridotta PaO2 Cause respiratorie Mismatch ventilazione/perfusione Shunt Dx-sx Ipoventilazione alveolare Disturbi diffusivi Cause non respiratorie pressione barometrica FIO2 PVO2

Cause di shunt Dx-Sx Intracardiaco Ipertensione polmonare con forame ovale pervio Tetralogia di fallot S. di Eisenmenger Intrapolmonare Comunicazioni artero-venose anomale Sindrome epatopolmonare

Cause di ridotta SaO2 Causa PaO2 Curva Colore di cute e mucose Bassa PaO2 bassa normale cianosi HbCO normale a sx color ciliegia MetHb normale a sx cianosi profonda SoHb normale a dx bluastro Hb anomale normale a dx assenza di cianosi

Ossimetria digitale SpO2 (Pulse oxymetry) Misura continua e non invasiva della saturazione in O2 dell’ emoglobina. Il risultato è in %. 5° segno vitale. La misura ha senso solo se c’ è polso, perché si basa sulla misura di differenze di assorbimento in assenza e in presenza di flusso.

Ossimetria digitale Si basa sul diverso spettro di assorbimento dell’ emoglobina ossigenata o ridotta in sangue che fluisce con flusso pulsatile Max 850-1000 nm Max 600-750 nm

Ossimetria digitale HbO 940 nm Hb 660 nm FOTODETETTORE I fotodiodi emettono centinaia di volte al secondo ed i dati sono affidati ad un microprocessore.

Ossimetria digitale. La valutazione della SaO2 è corretta al di sopra di saturazioni dell’ 80% (=PaO2 50 mm Hg a pH 7.4). Normalmente SaO2 >95% a riposo <5% sotto sforzo

Limiti della ossimetria digitale Può ritardare il riconoscimento della ipossiemia acuta. Non misura la PaCO2: perciò non informa sullo stato della ventilazione. Non evidenzia nei neonati il rischio legato alla eccessiva somministrazione di ossigeno (Target nei neonati: SaO2 90%).

Curva di dissociazione dell’ emoglobina In questo intervallo un calo importante della paO2 provoca un calo piccolo della SaO2

Ossimetria digitale: artefatti e problemi luce ambiente la lettura Indocianina, fluoresceina, blu di metilene Smalto da unghie nero, verde o blu Emoglobina <5 g/dl HbS e HbF non interferiscono HbCO dà valori falsamente elevati Ipotermia: segnale inadeguato Arresto cardiaco: segnale inadeguato Stasi periferica Ittero non interferisce

Chetoacidosi diabetica (15 anni, M) VN Glicemia 355 mg/dl >105 Chetoni urinari ++++ - Ph 7.18 7.36-7.44 HCO3- 13 mEq/L 22-26 Anion gap 20 mEq/L 10-14 PaCO2 39 mm Hg 36-44 PaO2 65 mm Hg >92 P(A-a)O2 38 mm Hg <15 Commento: Acidosi metabolica e acidosi respiratoria Nell’ acidosi metabolica pura la PaCO2 scende di 1-1.5 mm Hg per ogni mEq di bicarbonati consumati. Nelnostro caso, se l’ acidosi metabolica fosse pura, la PaCO2 attesa dovrebbe essere <30 mm Hg. Due spiegazioni possibili: la chetoacidosi Potrebbe essere all’ inizio ed i centri respiratori non hanno ancora iniziato a compensare. E’ più probabile che ci siano problemi respiratori che compromettono il compenso, ad esempio una polmonite.

Vie di inizio e fine delle acidosi metaboliche N= box di normalità

Dispnea/febbre/opacità polmonare 75 anni. M. GB 52.000/uL (N90%) infezione (sepsi) Hb 10.6 g/dl anemia PLT 37.000/uL consumo pH 7.38 PaCO2 26 mm Hg iperventilazione PaO2 78 mm Hg mismatch V/P SaO2 93% HCO3- 15 mEq/L acidosi metabolica Glicemia 155 mg/dl diabete Creatinina 6.2 mg/dl insufficenza renale (acidosi metabolica) Na 129 mEq/L ritenzione di liquidi K 3.8 mEq/L Cl 95 mEq/L Lactate 6.3 mmol/L (valori normali 0.6-2.2) Anion gap=(129+3.8)-(95+15)=22.8 anion gap acidosis P(A-a)O2=0.21x(760-47) – (1.2 x 26) – 78=39 mismstch V/P Conclusione acidosi metabolica (shock settico+insufficenza renale) compensata con l’ iperventilazione in paziente con mismatch ventilo/perfusorio da polmonite.

Platipnea in paziente cirrotico (1) Paziente di 38 anni con cirrosi alcoolica. Da alcune settimane lamenta dispnea che migliora in posizione distesa (Platipnea). Obiettivamente: modesto soffio bronchiale alla base dx (conferma Rx di piccolo versamento a dx). Emogas respirando aria ambiente: pH 7.46, PaCO2 28 mm Hg, PaO2 46 mm Hg, P(A-a)O2=(760-47)x0.21 – (1.2 x 28)-46=68.7 Cioè il paziente iperventila per cercare di compensare un grave mismatch ventilo/perfusorio.

Platipnea in paziente cirrotico (2) Diagnosi differenziale Versamento pleurico: può causare dispnea, ma non è compatibile con la platipnea. Embolia polmonare? Possibile, ma non compatibile con la platipnea. Ipertensione polmonare? Possibile (è una dei quadri polmonari talora associati alla cirrosi) ma non compatibile con la platinea. Sindrome epato-polmonare. (Presenza di shunt A-V alle basi dei polmoni, indotti da “fattori” sfuggiti alla funzione emuntoria del fegato. (Questi pazienti hanno ortodeossia).

Dispositivi per la somministrazione di O2 Dispositivo Serbatoio (ml) Flusso (L/min) FIO2 (approx) Cannula nasale 50 1 2 3 4 5 6 0.21-0.24 0.24-0.48 0.28-0.34 0.34-0.38 0.38-0.42 0.42-0.46 Maschera facciale 120-250 5-10 0.40-0.60 Maschera con serbatoio: Rirespirazione No rirespirazione 750-1250 5-7 0.33-0.75 0.40-1.00 Maschera con effetto Venturi Miglior controllo FIO2 max 0.50