The Respiratory and Hemodynamic Effects of Prone Position According to the Level of PEEP in a Dog Acute Lung Injury Model

잡종견 급성폐손상 모델에서 Prone position 시행시 PEEP 수준에 따른 호흡 및 혈류역학적 효과

Background: Prone position improves oxygenation in patients with ARDS probably by reducing shunt Reduction of shunt in prone position is thought to be effected by lowering of the critical opening pressure (COP) of the dorsal lung because the pleural pressure becomes less positive in prone position compared to supine position. It can then be assumed that prone position would bring about greater improvement in oxygenation when PEEP applied in supine position is just beneath COP than when PEEP is above COP. Hemodynamically, prone position is expected to attenuate the lifting of cardiac fossa induced by PEEP. Based on these backgrounds, we investigated whether the effect of prone position on oxygenation differs in magnitude according to the level of PEEP applied in supine position, and whether impaired cardiac output in supine position by PEEP can be restored in prone position. Methods: In seven mongrel dogs, $PaO_2/F_1O_2$(P/F) was measured in supine position and at prone position 30 min. Cardiac output (CO), stroke volume (SV), pulse rate (PR), and pulmonary artery occlusion pressure (PAOP) were measured in supine position, at prone position 5 min, and at prone position 30 min. After ARDS was established with warmed saline lavage(P/F ratio $134{\pm}72$ mm Hg), inflection point was measured by constant flow method($6.6{\pm}1.4cm$ $H_2O$), and the above variables were measured in supine and prone positions under the application of Low PEEP($5.0{\pm}1.2cm$ $H_2O$), and Optimal PEEP($9.0{\pm}1.2cm$ $H_2O$)(2 cm $H_2O$ below and above the inflection point, respectively) consecutively. Results : P/F ratio in supine position was $195{\pm}112$ mm Hg at Low PEEP and $466{\pm}63$ mm Hg at Optimal PEEP(p=0.003). Net increase of P/F ratio at prone position 30 min, however, was far greater at Low PEEP($205{\pm}90$ mm Hg) than at Optimal PEEP($33{\pm}33$ mm Hg)(p=0.009). Compared to CO in supine position at Optimal PEEP($2.4{\pm}0.5$ L/min), CO in prone improved to $3.4{\pm}0.6$ L/min at prone position 5 min (p=0.0180) and $3.6{\pm}0.7$ L/min at prone position 30 min (p=0.0180). Improvement in CO was attributable to the increase in SV: $14{\pm}2$ ml in supine position, $20{\pm}2$ ml at prone position 5 min (p=0.0180), and $21{\pm}2$ ml at prone position 30 min (p=0.0180), but not to change in PR or PAOP. When the dogs were turned to supine position again, MAP ($92{\pm}23$ mm Hg, p=0.009), CO ($2.4{\pm}0.5$ L/min, p=0.0277) and SV ($14{\pm}1$ ml, p=0.0277) were all decreased compared to prone position 30 min. Conclusion: Prone position in a dog with saline-lavaged acute lung injury appeared to augment the effect of relatively low PEEP on oxygenation, and also attenuate the adverse hemodynamic effect of relatively high PEEP. These findings suggest that a PEEP lower than Optimal PEEP can be adopted in prone position to achieve the goal of alveolar recruitment in ARDS avoiding the hemodynamic complications of a higher PEEP at the same time.

배 경: 호흡부전의 치료에 있어 환자 체위를 prone position으로 하는 시도는 20년 전부터 보고되어 왔으며 폐산소화 및 심박출량 향상에 효과가 있다는 것이 알려져 있다. Prone position시 폐산소화의 호전은 임상 및 동물 실험에서 단락 감소에 의한 것으로 알려져 있으며 그 중요 기전은 supine position에 비해 prone position때 중력 의존부 폐의 늑막압이 더 작아 폐포 개방압이 줄어들기 때문인 바 저자 등은 prone position이 폐산소화에 미치는 효과는 supine position에서 사용한 PEEP의 폐포 고비 개방압과의 관계에 따라 달라질 것으로 추정하였다. Prone position에서의 심박출량 증가에 대하여는 양압환기시 발생하는 cardiac fossa lifting 현상이 prone position에 의해 완화될 수 있다는 주장이 제기된 바 있어 prone position이 또한 supine position에서 PEEP에 의해 초래된 심박출량 저하를 완화시킬 수 있는지를 잡종견 급성 폐손상 모델을 통해 알아보고자 하였다. 방 법 : 잡종견 7 마리 ($20.0{\pm}3.9$ kg)를 정맥 마취 후 기관내관을 삽관하고 인공호흡기를 Vt 15 ml/kg, f 20/min, I : E=1 : 3, pause 10%, PEEP 0 cm $H_2O$, $F_1O_2$ 1.0으로 설정하였다. 혈압, 분당맥박수, 폐동맥쐐기압, 심박출량 등의 측정과 동맥혈가스분석을 위해 서혜동맥과 폐동맥 천자술을 시행하였다. 대조기에 supine position 및 prone position 30분에 각각 호흡 지표 ($PaO_2/F_1O_2$[P/F], 총호흡기계탄성 [Cst]와 supine position, prone position 5분 및 prone position 30분에 혈류역학적 지표(평균동맥압, 분당 맥박수, 심박출량, 박출용적)을 측정하고 섭씨 38도의 생리식염수 (30~50 ml/kg)를 기관내관을 통하여 주입하여 급성 폐손상을 유도한 뒤 constant flow 법에 의해 inflection point(Pflex)를 측정하였다. 급성 폐손상에서의 supine position과 prone position실험은 Pflex보다 2 cm $H_2O$ 낮은 PEEP(Low PEEP)과 2 cm $H_2O$ 높은 PEEP (Optimal PEEP)에서 순차적으로 시행하고 각각 통일 시간대에 상기 지표들을 측정하였으며 Optimal PEEP 실험 마지막에 다시 supin position으로 체위를 바꾸고 5분 뒤 혈류역학적 지표들을 측정하였다. 결 과: 1. Prone position 시행시 Low PEEP 및 Optimal PEEP에서의 호흡 효과의 차이 Low PEEP하에서 P/F 비는 supine position에서 $195{\pm}112$ mm Hg, prone position 30분에서 $400{\pm}33$ mm Hg였고 (p<0.001) Optimal PEEP하에서 P/F 비는 supine position에서 $466{\pm}63$ mm Hg, prone position 30분에서 $499{\pm}63$ mm Hg였다 (p=0.016). Prone position에 의한 P/F 비 싱승량은 Low PEEP하에서 $205{\pm}90$ mm Hg로 Optimal PEEP($33{\pm}33$ mm Hg) 하에서 보다 유의하게 높았다(각각 p<0.05). 2. Prone position의 혈류역학적 효과 Low PEEP하에서 심박출량은 supine position($3.0{\pm}0.7$ L/min) 과 비교하여 prone position 5분 $3.3{\pm}0.7$ L/min(p=0.0180)로 증가하였고 prone position 30분 $3.7{\pm}0.8$ L/min(p=0.0630)로 차이가 없었다. 분당맥박수는 각각 $141{\pm}22\;min^{-1}$, $141{\pm}22\;min^{-1}$(p=0.8658) 및 $176{\pm}28\;min^{-1}$(p=0.0280)이었고 폐동맥쐐기압은 차이가 없었다. Optimal PEEP하에서 평균동맥압은 각각 $87{\pm}19$ mm Hg, $107{\pm}18$ mm Hg(p=0.0180) 및 $108{\pm}16$ mm Hg(p=0.0180), 심박출량은 각각 $2.4{\pm}0.5$ L/min, $3.3{\pm}0.6$ L/min(p=0.0180) 및 $3.6{\pm}0.7$ L/min(p=0.0180), 그리고 박출용적은 각각 $14{\pm}2$ml, $20{\pm}2$ ml(p=0.0180) 및 $21{\pm}2$ ml(p=0.0180)였다. 분당맥박수는 체위 변경에 따른 차이가 없었고 폐동맥쐐기압은 각각 $10.1{\pm}2.4$ mm Hg, $9.1{\pm}2.7$ mm Hg(p=0.0180) 및 $9.0{\pm}3.1$ mm Hg(p=0.0679) 이었다. Optimal PEEP하 prone position에서 다시 supine position으로 체위를 바꾸고 5분 후 평균동맥압은 $92{\pm}23$ mm Hg, 심박출량은 $2.4{\pm}0.5$ L/min, 그리고 박출용적은 $14{\pm}1$ ml로 모두 감소하였다(모두 p<0.05). 결 론 : 잡종견 급성폐손상 모델에서 prone position은 비교적 낮은 수준 PEEP의 폐산소화 호전 효과를 중대시켰고, 비교적 놓은 수준 PEEP에 의한 심박출량 저하를 완화시켰다. 이러한 결과들은 심박출량을 유지하면서 폐산소화를 호전시키고자 하는 ARDS 환자에서의 기계환기의 목표를 달성하는데 있어 prone position이 supine position보다 유리하다는 것을 시사한다.