BACKGROUND: Mechanical ventilation is a useful supportive treatment for patients with respiratory failure who are not able to maintain the level of ventilation required to maintain the oxygenation and carbon dioxide elimination. Mechanical ventilation is often life-saving but it also has risks. Thermodynamic analyses are used to test the feasibility of processes leading to a better understanding of the systems overall performance. Energy losses (entropy) and the destruction of maximum useful work (exergy) leading to reduced respiratory work of breathing efficiency, can be calculated by thermodynamic analysis of the respiratory muscles.
OBJECTIVE: To determine the entropy generation, exergy destruction and glucose consumption during and after weaning from mechanical ventilation in patients with respiratory failure by thermodynamic analysis.
METHODS: In this study, a human respiratory system during and after weaning from mechanical ventilation was modelled thermodynamically using the first and second laws of thermodynamics. Work of breathing data is adapted from the literature. Mass and energy analyzes are carried out according to the 1st law of thermodynamics while entropy generation is calculated according to the 2nd law of thermodynamics which enables us to measure energy losses. In this thermodynamic model, the body temperature was considered at 37 °C, and surrounding air condition was taken at 25 °C.
RESULTS: Exergy destructions during and after weaning from mechanical ventilation were calculated as 2.23x10-2 and 1.75x10-2 kJ/min, respectively. Entropy generation by the patients through the breathing cycle was 7.48x10-5 (kJ/K)/min during mechanical ventilation while 5.89x10-5 (kJ/K)/min after weaning from mechanical ventilation, respectively. The glucose consumed for work of breathing in patients during and after weaning from mechanical ventilation was calculated as 0.58-0.45 mmol/min, respectively.
CONCLUSION: After weaning from mechanical ventilation, the patients have significantly decreased entropy generation, exergy destruction and glucose consumption indicating to the improvements in structure of respiratory mechanics and diaphragm perfusion. The reductions in entropy generation and exergy destruction after weaning from mechanical ventilation indicates also an increase in the mechanical efficiency of the respiratory muscles. According to the results of the energy balance analysis, the decrease in muscle energy requirement was determined and it was found by the calculations that the patient used 1.3 times more glucose during mechanical ventilation than after weaning from mechanical ventilation for work of breathing. In this study, thermodynamic approach was used to determine the benefit of mechanical ventilation. More powerful work and multidisciplinary data are needed to progress reliable procedures.
GİRİŞ: Mekanik ventilasyon, solunum yetmezliği olan ve oksijenasyon ile karbondioksit eliminasyonunu sürdürmek için gereken ventilasyon seviyesini koruyamayan hastalar için yararlı bir destekleyici tedavidir. Mekanik ventilasyon genellikle hayat kurtarıcıdır ancak riskleri de bulunmaktadır. Termodinamik analizler sistemlerin genel performansının daha iyi anlaşılmasını sağladığından, proseslerin uygulanabilirliğini test etmek için kullanılmaktadır. Solunum iş verimliliğinin azalmasına yol açan enerji kayıpları (entropi) ve maksimum yararlı iş (ekserji) yıkımı, solunum kaslarının termodinamik analizi ile hesaplanabilmektedir.
AMAÇ: Solunum yetmezliği olan hastalarda mekanik ventilasyon sırasında ve mekanik ventilasyondan ayrılma sonrasında entropi üretimi, ekserji yıkımı ve glikoz tüketiminin termodinamik analiz ile belirlenmesidir. Bu çalışma ile, solunum yetmezliği olan hastalardaki hasarlı solunum mekaniği yapısının termodinamik olarak karakterize edilmesi ve solunum mekaniğindeki termodinamik değişikliklerin çözümlenmesi hedeflenmiştir.
YÖNTEM: Bu çalışmada, insan solunum sistemi mekanik ventilasyon sırasında ve mekanik ventilasyondan ayrılma sonrasında termodinamiğin 1. ve 2. kanunları uygulanarak termodinamik olarak modellenmiştir. Hastaların mekanik ventilasyon sırasındaki ve sonrasındaki solunum iş yükü datası literatürden alınmıştır. Termodinamiğin 1. kanunu uygulanarak kütle ve enerji analizleri yapılırken, termodinamiğin 2. kanunu uygulanarak enerji kayıplarını ölçmemizi sağlayan entropi üretimi hesaplanmıştır. Bu termodinamik modelde vücut sıcaklığı 37 °C olarak kabul edilmiş ve çevre havası 25 °C olarak alınmıştır.
BULGULAR: Ekserji yıkımı, mekanik ventilasyon sırasında ve sonrasında sırasıyla 2.23x10-2 kJ/min ve 1.75x10-2 kJ/min olarak hesaplanmıştır. Bir solunum döngüsü boyunca hastalar tarafından üretilen entropi miktarı ise mekanik ventilasyon sırasında 7.48x10-5 (kJ/K)/min iken mekanik ventilasyondan ayrıldıktan sonra 5.89x10-5 (kJ/K)/min olmuştur. Enerji analizi sonuçlarına göre solunum işi için harcanan glikoz miktarları, mekanik ventilasyon sırasında ve mekanik ventilasyondan ayrılma sonrasında sırasıyla 0.58-0.45 mmol/min olarak hesaplanmıştır.
SONUÇ: Mekanik ventilasyondan ayrılma sonrasında hastalar; entropi üretimi, ekserji yıkımı ve glikoz tüketimini önemli ölçüde azaltmıştır ve bu da solunum mekaniği ve diyafram perfüzyonunun yapısındaki iyileşmelere işaret etmektedir. Mekanik ventilasyon sonrasında entropi üretimi ve ekserji yıkımındaki azalmalar aynı zamanda, solunum kaslarının mekanik verimliliğinde artış olduğunu da göstermektedir. Enerji dengesi analizlerinin sonuçlarına göre, kas enerji ihtiyacında azalma tespit edilmiştir ve solunum işi için hastanın mekanik ventilasyon sırasında, mekanik ventilasyon sonrasına göre 1.3 kat daha fazla glikoz kullandığı hesaplamalarla görülmüştür. Bu çalışmada, mekanik ventilasyonun yararının belirlenmesinde termodinamik yaklaşım kullanılmıştır. Güvenilir prosedürler geliştirebilmek için daha güçlü çalışmalara ve multidisipliner verilere ihtiyaç vardır.