Mechanical Ventilation (Fundamentals, Modes & Monitoring)
🧬 1. Etiology & Molecular Pathophysiology
MV ใช้แรงดันบวกจากภายนอก (positive pressure) เพื่อขับอากาศเข้าปอดแทนแรงดันลบตามธรรมชาติ ความเข้าใจ respiratory mechanics เป็นรากฐานของทุก clinical decision
Fundamental Respiratory Mechanics
Compliance (C = ΔV/ΔP): Static compliance: Crs = VT / (Pplat − PEEP); ปกติ 50–100 mL/cmH₂O; ARDS <40; ลดใน stiff lungs (ARDS, pulmonary edema, fibrosis) หรือ stiff chest wall (obesity, abdominal compartment syndrome); Dynamic compliance (Cdyn) = VT/(Ppeak−PEEP) < Crs เสมอ
Resistance (Raw = (Ppeak − Pplat) / Flow): ปกติ <5 cmH₂O/L/s; สูงใน bronchospasm, secretions, small ETT
Time Constant (τ = R × C): บอกความเร็วในการ fill/empty alveolus — obstruction: τ ยาว → ต้องการ expiration นานกว่า → ถ้าสั้นเกิน → auto-PEEP + dynamic hyperinflation — ARDS: heterogeneous τ → pendelluft + stress concentration = VILI mechanism
Driving Pressure (ΔP = Pplat − PEEP = VT/Crs): สะท้อน strain ของ aerated lung unit; Amato et al. 2015: ΔP เป็น strongest predictor ของ ARDS mortality เหนือ Pplat/VT/PEEP; target <15 cmH₂O
Transpulmonary Pressure (PL = Paw − Ppl): true distending pressure ของปอด; Ppl วัดจาก esophageal pressure; มีประโยชน์ใน obese/high IAP
Mechanical Power (MP): total energy/min delivered ต่อปอด (J/min) — Gattinoni simplified formula (VCV only): MP = 0.098 × RR × Vt × [Ppeak − (Pplat − PEEP)/2] — ค่าคง 0.098 แปลง cmH₂O·L → Joule ขาดไม่ได้; สูตรนี้ valid เฉพาะ VCV ที่ constant flow — ใน PCV ใช้ Becher formula: 0.098 × RR × Vt × (ΔP_insp + PEEP) แทน เนื่องจาก decelerating flow ทำให้ P-V loop ต่างกัน; >17 J/min = poor outcome; LDPV protocol targeting ΔP + MP (2024, n=3,468) ลด ICU mortality 47.7% → 41.1%
VILI Mechanisms
- Volutrauma: high VT → stretch → integrin → NF-κB → IL-8/IL-6/TNF-α → VALI
- Barotrauma: high Pplat → overdistension → alveolar rupture → PTX, pneumomediastinum
- Atelectrauma: cyclic opening-closing (low PEEP) → shear → surfactant dysfunction
- Biotrauma: cytokine spillover → systemic → MODS — สาเหตุหลักของ MV mortality
- P-SILI: vigorous spontaneous effort → large negative Ppl → transpulmonary pressure spike → heterogeneous injury; rationale สำหรับ deep sedation ± NMB ใน severe ARDS
🩺 2. Clinical Phenotypes & Advanced Nuances
Indications for Invasive MV
- Hypoxemic failure: PaO₂ <60 mmHg ที่ไม่ตอบสนองต่อ O₂/NIV/HFNC (V/Q mismatch, shunt, diffusion impairment)
- Hypercapnic failure: PaCO₂ ↑ + pH <7.25 + exhausted muscles; COPD: NIV first; severe asthma: พิจารณา early intubation ถ้า fatigue
- Airway protection: GCS ≤8, massive hemoptysis, facial/airway trauma
Ventilator Modes Taxonomy
| Mode | Trigger | Control | Key Feature |
|---|---|---|---|
| VC-AC | Patient/time | Volume | Guaranteed VT; risk respiratory alkalosis; flow starvation |
| PC-AC | Patient/time | Pressure | Decelerating flow; VT varies with compliance; better synchrony |
| PRVC/VC+ | Patient/time | Hybrid | Pressure-limited + volume-targeted; ซ่อน high drive |
| PSV | Patient only | Pressure | Weaning; cycle-off ปัญหาใน COPD (delayed) และ ARDS (premature) |
| SIMV | Mixed | Mixed | ไม่แนะนำสำหรับ weaning; inferior to PSV |
| CPAP | Patient | — | No mandatory breaths; NIV/ETT post-extubation |
| APRV | Time | Pressure | บาง evidence; ไม่ first-line ARDS (ESICM 2024) |
Ventilator Modes Taxonomy
| Mode | Trigger | Control | Key Feature |
|---|---|---|---|
| VC-AC | Patient/time | Volume | Guaranteed VT; risk respiratory alkalosis; flow starvation |
| PC-AC | Patient/time | Pressure | Decelerating flow; VT varies with compliance; better synchrony |
| PRVC/VC+ | Patient/time | Hybrid | Pressure-limited + volume-targeted; ซ่อน high drive |
| PSV | Patient only | Pressure | Weaning; cycle-off ปัญหาใน COPD (delayed) และ ARDS (premature) |
| SIMV | Mixed | Mixed | ไม่แนะนำสำหรับ weaning; inferior to PSV |
| CPAP | Patient | — | No mandatory breaths; NIV/ETT post-extubation |
| APRV | Time | Pressure | บาง evidence; ไม่ first-line ARDS (ESICM 2024) |
🔄 4-Phase Breath Physiology (Trigger → Limit → Cycle → Baseline)
ทุก ventilated breath ดำเนินตาม 4 phase เสมอ — การเข้าใจ phase แต่ละอันทำให้ order ventilator ได้อย่างเป็นระบบ และวิเคราะห์ waveform ได้ครบทุก mode (Chatburn taxonomy)
Phase 1 — Trigger
สิ่งที่ “เริ่ม” inspiration: ventilator ตรวจจับสัญญาณจากผู้ป่วยหรือจากนาฬิกาแล้วเปิดเปลือย demand valve
- Flow trigger (preferred): ventilator ส่ง bias flow ต่อเนื่องไว้ใน circuit (~1–2 L/min); เมื่อผู้ป่วย inhale → เบียง flow drop จาก bias → trigger; ข้อดี: WOB น้อย, responsive กว่า, auto-trigger น้อยกว่า pressure sense; ข้อเสีย: auto-trigger ถ้า circuit leak หรือ water in tubing
- Pressure trigger: ผู้ป่วย inhale → pressure drop ≥2 cmH₂O จาก PEEP → trigger; ใช้ถ้า flow sense auto-trigger จาก circuit leak/cardiogenic oscillation; WOB สูงกว่าเล็กน้อย
- Time trigger (mandatory): ventilator เริ่มตาม set RR — backup ถ้าผู้ป่วยไม่ trigger เอง; patient trigger ทับได้เสมอ
- ระวัง: trigger sensitivity สูงเกิน (over-sensitive) → auto-trigger → alkalosis + patient-ventilator asynchrony; ต่ำเกิน (under-sensitive) → missed trigger → เพิ่ม WOB + fatigue + asynchrony
Phase 2 — Control / Limit
สิ่งที่ “ควบคุม” inspiration — ventilator รักษาตัวแปรใดตัวหนึ่งให้คงที่ตลอด breath (ตัวแปรอื่นสามารถเปลี่ยนแปรเป็น “limited” ได้)
- VCV — limit = flow (constant flow — “square wave”): ventilator ให้ flow คงที่ตลอด; pressure ขึ้นตาม compliance + resistance; Ppeak ≠ alveolar pressure (ต้องทำ inspiratory hold เพื่อวัด Pplat); Ramp/Rise time = ความชันการขึ้นถึง set flow → สั้น = square wave → ยาว = decelerating-like; ปรับตาม patient demand
- PCV — limit = pressure: ventilator ให้ pressure คงที่ตลอด breath; ⚠️ IP = pressure above PEEP ไม่ใช่จาก zero (Ppeak = IP + PEEP); flow เป็น decelerating (เพราะ alveolar pressure ค่อยๆ เพิ่มขึ้น → pressure gradient ลดลง); VT เปลี่ยนตาม compliance + resistance → ต้อง monitor VT เสมอ
- PSV — limit = pressure support (above PEEP): patient สามารถหายใจได้เองตาม demand; VT และ flow ขึ้นอยู่กับ effort + compliance
Waveform signature ตาม limit type:
- VCV: pressure-time ”ramp up” (slope ขึ้นเป็นเส้นตรง); flow-time ”square”; ถ้า bump ตอนต้น = สูง resistance
- PCV: pressure-time ”rectangle” (ขึ้นเร็วแล้วคงที่); flow-time ”decelerating”; ถ้า flow ไม่ถึง zero = Ti สั้นเกิน (อาจ air-trap)
- PSV: pressure-time ”rectangle” คล้าย PCV; flow-time decelerating และจะลงถึง Esense แล้วตัด
Phase 3 — Cycle
สิ่งที่ “จบ” inspiration → เปลี่ยนเป็น expiration: ventilator ปิด demand valve → passive expiration
- Time cycling (PCV/PC-AC): จบที่ Ti เสมอ — ถ้า Ti ยาวเกินไป → ผู้ป่วยเริ่ม exhale ก่อนที่ ventilator จะ cycle → ผู้ป่วยทน inspiration ทั้งที่อยาก exhale → เย็น + ทนไม่ได้ (air-hunger)
- Volume cycling (VCV): จบเมื่อถึง set VT — ⚠️ ถ้าใส่ Inspiratory Pause → cycling เปลี่ยนเป็น time ทันที— ventilator hold pressure หลัง deliver VT → วัด Pplat ได้; implement ต่างกันตามรุ่น:
- Pause (sec) = ต่อหลังจาก Ti → total insp time เพิ่มขึ้น
- Pause (%) = กินเวลาใน Ti ไปเลย → delivery time ลดลง; ต้องดู manual รุ่นนั้นๆ
- Flow cycling (PSV — Esense): flow ลดลงถึง % ที่ตั้งของ peak flow → cycle-off — เป็น physiological ที่สุดใน normal breathing
| Esense (%) | Terminate | เหมาะใน | Clinical problem ถ้า wrong |
|---|---|---|---|
| สูง 40–45% | เร็ว | COPD / high compliance | ต่ำเกิน → air trap, delayed cycle, double-trigger |
| Default ~25% | Standard | Most patients | — |
| ต่ำ 5–15% | ช้า | ARDS / low compliance | สูงเกิน → premature cycle, double-trigger, shallow VT |
Phase 4 — Baseline (PEEP)
ความดันที่ maintain ไว้ในขณะ expiration — มี physiological effect สำคัญ
- Extrinsic PEEP (set PEEP): รักษา FRC → ลด atelectasis; เปิด alveoli ที่ collapsed → เพิ่ม V/Q matching; ลด O₂ requirement (เพิ่ม oxygenation เลี่ยงพอย FiO₂ ได้); ใน COPD ช่วย counterbalance auto-PEEP → ลด WOB trigger
- Auto-PEEP (intrinsic PEEP / PEEPi): gas trapped เพราะ expiratory time ไม่พอ → alveolar pressure > airway pressure ตอนสิ้น expiration; ผล: (1) เพิ่ม inspiratory threshold load → ผู้ป่วยต้อง overcome PEEPi ก่อนจะ trigger → missed trigger; (2) dynamic hyperinflation → เพิ่ม intrathoracic pressure → ลด venous return → hemodynamic collapse; (3) barotrauma
- วัด auto-PEEP: expiratory hold maneuver → equilibrated pressure = total PEEP; หรือดู flow-time curve (ถ้า flow ไม่กลับ zero ก่อน next breath → auto-PEEP)
- แก้ auto-PEEP: ลด RR, เพิ่ม inspiratory flow rate (ให้ expiratory time ยาวขึ้น), ตั้ง applied PEEP = 80% PEEPi
Workflow: Order Vent ตาม 4-Phase
คิดตามลำดับนี้ทุกครั้งที่ order ventilator
- Trigger: Flow sense (default) → ปรับ threshold ถ้า auto-trigger; เปลี่ยนเป็น pressure ถ้า leak
- Limit/Control: เลือก PCV (ตั้ง IP above PEEP + Ti) หรือ VCV (ตั้ง VT + flow rate + ramp time); PSV = ตั้ง PS level
- Cycle: Ti (PCV); VT ± pause และตรวจ pause type sec vs % (VCV); Esense (PSV)
- Baseline: PEEP
- Universal: FiO₂ + alarm (VT min/max, RR max, Ppeak max, MV min/max, apnea backup)
Disease-Specific Phenotypes
ARDS: VT 4–6 mL/kg PBW; Pplat <30; ΔP <15; high PEEP; prone ≥16h ใน severe — ดู ARDS monograph
Obstructive (COPD/asthma): RR 8–12; Flow 80–100 L/min; I:E 1:3–4; applied PEEP = 80% PEEPi; permissive hypercapnia (pH >7.20); hemodynamic collapse หลัง intubation = auto-PEEP → disconnect + bag
Neuromuscular: VT 8 mL/kg; RR 12–16; maintain partial ventilatory support เพื่อป้องกัน diaphragm atrophy
🩻 3. Advanced Diagnostics & Formal Criteria
Post-Intubation Assessment
- ABG ใน 30 นาที; CXR (ETT tip 2–4 cm เหนือ carina; T4–T5 level); EtCO₂ waveform confirmation
Ventilator Mechanics
Inspiratory hold → Pplat (hold 0.5–1.5 sec; flow = 0): target <30 cmH₂O
- Crs = VT / (Pplat − PEEP) — normal 50–100; ARDS <40
- Raw = (Ppeak − Pplat) / Flow — normal <5 cmH₂O/L/s
- ΔP = Pplat − PEEP — target <15 cmH₂O
Expiratory hold → auto-PEEP (PEEPi): total PEEP = set PEEP + PEEPi; applied PEEP = 80% PEEPi ใน COPD
P0.1 (100ms occlusion pressure): respiratory drive; >3.5–4.0 cmH₂O = high drive → P-SILI risk; <0.5 = needs full support; guide PSV titration ใน weaning
Waveform Interpretation
- VC pressure-time: steep slope = low compliance; initial bump = high resistance
- Flow-time: ไม่กลับ zero ก่อน next breath = auto-PEEP
- Double triggering: patient triggers 2nd breath ขณะยัง expiring → ลด inspiratory time / เพิ่ม flow rate
Oxygenation Monitoring
| Parameter | Formula | Target |
|---|---|---|
| P/F ratio | PaO₂/FiO₂ | ≥300 normal; <300 = ARDS |
| S/F ratio | SpO₂/FiO₂ | 235 ≈ P/F 200; 315 ≈ P/F 300 |
| OI | Pmean×FiO₂×100/PaO₂ | >16 severe (ECMO consideration) |
Oxygenation target 2024: SpO₂ 92–96%; PaO₂ 55–80 mmHg; liberal vs conservative: no mortality difference (meta-analysis 13 RCTs 2024); avoid hyperoxia (SpO₂ >99% + high FiO₂ → ROS + resorption atelectasis)
ARDSNet FiO₂/PEEP Table
| FiO₂ | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Low PEEP | 5 | 5–8 | 8–10 | 10 | 10–12 | 14 | 14–18 | 18–24 |
| High PEEP | 5 | 8–10 | 10–12 | 14 | 14–16 | 18 | 18–22 | 22–24 |
💊 4. Management & Pharmacodynamics
IBW (Devine Formula)
- Male: PBW = 50 + 0.91 × (Height cm − 152.4)
- Female: PBW = 45.5 + 0.91 × (Height cm − 152.4)
Standard Initial Settings
| Parameter | Initial Value | Rationale |
|---|---|---|
| Mode | VC-AC | Guaranteed VT; familiar |
| VT | 6–8 mL/kg PBW | 4–6 ใน ARDS |
| RR | 16–20 /min | Adjust ตาม pH/PaCO₂; สูงถึง 35 ใน ARDS |
| FiO₂ | 1.0 → wean ≤0.6 | Target SpO₂ 92–96% |
| PEEP | 5–8 cmH₂O | 10–20 ใน ARDS |
| Flow rate | 60 L/min | 80–100 ใน COPD/asthma |
| I:E ratio | 1:2 | 1:3–4 ใน obstruction |
| Trigger | Flow −2 L/min | Pressure −2 ถ้าไม่มี auto-PEEP |
Lung-Protective Strategy (ทุก MV patients)
- VT ≤8 mL/kg PBW (4–6 ใน ARDS)
- Pplat <30 cmH₂O
- ΔP <15 cmH₂O (primary target post-Amato 2015)
- PEEP ≥5 cmH₂O (prevent atelectrauma)
- Permissive hypercapnia (pH >7.20) ถ้าจำเป็น
Sedation (PADIS 2018)
- Analgesia-first: fentanyl/morphine IV; target RASS −1 ถึง 0
- Propofol/dexmedetomidine ≯ midazolam; daily awakening + daily SBT standard of care
- Deep sedation + NMB: severe ARDS (P-SILI prevention), prone, severe asynchrony; ไม่ routine หลัง ROSE trial (NEJM 2019)
VAP Prevention Bundle
- HOB 30–45°; oral chlorhexidine daily
- Minimize sedation; daily awakening + daily SBT
- Cuff pressure 20–30 cmH₂O; circuit change เฉพาะเมื่อ visibly soiled
- Early EN; stress ulcer prophylaxis
Troubleshooting Acute Deterioration — DOPES
ถ้าไม่แน่ใจ → disconnect + bag manually 100% O₂ ก่อนเสมอ
- D — Dislodged ETT
- O — Obstructed ETT
- P — Pneumothorax
- E — Equipment failure
- S — Stacked breaths / auto-PEEP / high PEEP hemodynamic
📚 5. Landmark Trials & Literature
ARDSNet / NHLBI Network (NEJM 2000) — 861 patients; VT 6 vs 12 mL/kg PBW; mortality 31% vs 39.8% (p=0.007; 22% relative RR reduction); ลด plasma IL-6 ยืนยัน biotrauma; กำหนด standard care lung-protective ventilation
Amato et al. (NEJM 2015) — Post-hoc mediation analysis, 9 RCTs (n=3,562); ΔP strongest predictor ของ ARDS mortality เหนือ Pplat/VT/PEEP; shift paradigm → ΔP-targeted ventilation
PROSEVA (Guerin et al., NEJM 2013) — Prone ≥16h ใน severe ARDS (P/F <150); 28-day mortality 16% vs 32.8%; NNT=6 — standard of care ใน severe ARDS
LOV-S trial (NEJM 2022) — Staircase RM + high PEEP vs low PEEP ใน moderate-severe ARDS; ต้อง stop early เพราะ ↑ mortality (55.3% vs 49.3%); aggressive high-pressure RM ไม่แนะนำ
ACURASYS (NEJM 2010) — Cisatracurium 48h ใน moderate-severe ARDS; ลด 90-day mortality (HR 0.68); reduce VILI markers
ROSE trial (NEJM 2019) — Cisatracurium vs light sedation; ไม่มีความแตกต่าง 90-day mortality; NMB ยังมีบทบาทใน P-SILI/asynchrony แต่ไม่ routine ทุก ARDS
LUNG SAFE study (JAMA 2016) — 29,144 patients, 50 countries; 40% ARDS ไม่ได้รับ lung-protective VT; mortality 34.9%; implementation gap ขนาดใหญ่ใน real world
Mechanical Power Studies (2019–2024) — MP >17 J/min เป็น independent predictor ของ mortality; LDPV protocol targeting ΔP + MP (2024, n=3,468) ลด ICU mortality 47.7% → 41.1% — สูตร ดู section 1 (Gattinoni simplified, VCV only)
AARC 2024 Liberation Guidelines — ดู ETT Weaning monograph ใน Notion สำหรับรายละเอียด
🔧 Ventilator Waveform & 4-Phase Framework
จากโน้ต ICU Round 25 Jun — framework สำหรับทำความเข้าใจ + order ventilator ทุก mode
4-Phase Framework (Trigger → Limit → Cycle → Baseline)
ทุก ventilated breath ผ่าน 4 phase ตามลำดับนี้เสมอ — เมื่อเข้าใจ framework นี้สามารถ order ventilator และวิเคราะห์ waveform ได้ทุก mode อย่างเป็นระบบ (Chatburn taxonomy)
Phase 1 — Trigger: อะไร “เริ่ม” inspiration?
- Patient trigger — Flow sense: ventilator detect baseline circuit flow drop (threshold ~1–2 L/min) → preferred; sensitive กว่า pressure sense; auto-triggering น้อยกว่า
- Patient trigger — Pressure sense: pressure drop ≥2 cmH₂O จาก PEEP → ใช้ถ้า flow trigger auto-trigger บ่อย (leak หรือ cardiogenic oscillation); work of breathing สูงกว่าเล็กน้อย
- Time trigger: ventilator เริ่มตาม set RR โดยอัตโนมัติ (mandatory breath); ถ้าผู้ป่วย trigger เองก่อน = patient trigger override
Phase 2 — Control / Limit: อะไร “ควบคุม” inspiration (ไม่ให้เกินค่าที่ตั้ง)?
- PCV — limit = pressure: Inspiratory Pressure (IP) คือ pressure above PEEP ไม่ใช่จาก zero → Ppeak = IP + PEEP (เช่น IP 15 + PEEP 8 = Ppeak 23 cmH₂O); ต้องดูกราฟ pressure-time ยืนยันเสมอ เพราะบางรุ่นแสดงผลต่างกัน
- VCV — limit = flow (บางรุ่น limit ด้วย VT หรือ Ti เพิ่มเติม); Ramp time / Rise time / Slope = ความชันที่ขึ้นถึง limit flow → สั้น = เร็ว (square wave pattern) → ยาว = ค่อยๆ ขึ้น (decelerating-like); ปรับตาม patient demand เพื่อลด asynchrony
- PSV — limit = pressure support level (above PEEP; patient determines flow/VT)
Phase 3 — Cycle: อะไร “จบ” inspiration → เปลี่ยนเป็น expiration?
- PCV cycling = time: จบที่ Ti ที่ตั้งไว้เสมอ
- VCV cycling = volume: จบเมื่อถึง set VT — ⚠️ ข้อยกเว้นสำคัญ: ถ้าใส่ Inspiratory Pause จะเปลี่ยน cycling เป็น time ทันที แทนที่จะจบที่ volume → ventilator hold pressure หลังจากส่ง VT แล้ว; implement ต่างกันตามรุ่น:
- Pause = วินาที (sec): pause ต่อจากหลังจากครบ Ti; total inspiratory time = Ti + pause
- Pause = เปอร์เซ็นต์ (%): กินเวลาใน Ti ไปเลย; Ti ไม่เพิ่ม แต่ actual delivery time ลดลง → ต้องตรวจสอบ manual ของ ventilator รุ่นนั้นๆ
- PSV cycling = flow (Esense): เมื่อ inspiratory flow ลดลงถึง % ที่ตั้งของ peak inspiratory flow → cycle-off
| Esense | Behavior | ใช้ใน |
|---|---|---|
| สูง 40–45% | Terminate เร็ว | COPD/high compliance (ป้องกัน air trap + delayed cycle) |
| Default ~25% | Standard | Most patients |
| ต่ำ 5–15% | Terminate ช้า | ARDS/low compliance (ป้องกัน premature cycle + double-trigger) |
Phase 4 — Baseline: ความดันที่ค้างไว้ระหว่าง expiration = PEEP
Workflow: Order Ventilator ตาม 4-Phase
เมื่อสั่ง order ให้คิดตามลำดับนี้:
- Trigger: Flow sense (default); ปรับ threshold ถ้า auto-trigger / ใช้ pressure sense ถ้า circuit leak
- Limit/Control: เลือก mode (PCV vs VCV) → ตั้ง IP (PCV) หรือ VT + flow + ramp (VCV); PSV = ตั้ง pressure support level
- Cycle: ตั้ง Ti (PCV); ตั้ง VT ± pause (VCV); ตั้ง Esense (PSV)
- Baseline: ตั้ง PEEP
- Universal: ตั้ง FiO₂ + alarm ทุกครั้ง (VT min/max, RR max, Ppeak max, MV min/max, apnea time)