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Developmental changes of pharyngeal airway patency

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Developmental changes of pharyngeal airway patency Powered By Docstoc
					Developmental changes of pharyngeal airway patency : implications for pediatric anesthesia
Review article Pediatric Anesthesia 2006 16:109-122

• The current understanding of pharyngeal airway maintenance mechanisms • The developmental aspects of the mechanism • Implication of developmental changes of pharyngeal airway patency for pediatric anesthesia

Pharyngeal airway maintenance mechanisms 1. Neural balance model • pharyngeal airway size는 두 가지의 상반되는 힘의 균형에 의해 결정 됨 • pharyngeal collapsing forces는 inspiratory pump m.의 contraction 에 의해 발생 (ex. the diaphragm. and external intercostal m.) • collapse에 반대되는 pharyngeal dilating forces는 pharyngeal airway dilator m.의 contraction에 의해 발생

• inspiratory pump와 upper airway motorneurons의 activity는 'neural mechanism'에 의해 조절됨 • level of consciousness, chemical stimuli, airway reflexes가 상호작 용하여 inspiratory and pharyngeal motorneurons의 final activation 을 modulation함 • neural mechanism은 깨어있는 동안에 가장 잘 작동함 • 마취나 수면으로 인한 consciousness level의 감소 -> inspiratory pump m.의 activity가 감소하는 것 이상으로 pharyngeal dilator m. 의 activity를 감소시킴 -> neural balance의 loss를 초래하고 pharyngeal airway가 좁아짐

• hypoxemia, hypercapnia는 potent stimuli이지만 PaO2와 PaCO2의 high threshold에 도달해야 pharyngeal m. activation이 발생 • inspiration 동안의 pump m.의 contraction에 의해 발생한 negative airway pressure는 ‘negative pressure reflex’를 유도함 -> pharyngeal airway m. activation을 증대시키고 inspiratory pump m. activity를 억제하여 pharyngeal airway size를 늘리는 작용 • trigeminal and superior laryngeal n.는 reflex response의 afferent pathway의 중요한 구성 요소 • neural mechanism 중에서 negative pressure reflex가 가장 강력하 게 작용하고 가장 중요한 것으로 생각됨

2. Anatomical balance model • collapsible tube의 lumen size는 rigid box 안의 soft material의 양과 surrounding rigid box size 사이의 balance에 의해 결정됨 • anatomical balance model의 two important anatomical components -> bony enclosure size and soft tissue volume within bony enclosure

# anatomical balance model의 한계점 • pharyngeal airway의 three-dimensional structures를 고려하지 않 음 • 인접한 pharyngeal segments 사이의 관계, lung volume change에 의해 변화가 가능한 airway 사이의 longitudinal tension, head와 neck movement 동안의 soft tissue의 위치 변화 등은 포함되지 않음 • 하지만, pharyngeal obstruction의 pathogenesis를 이해하는 데 유 용함

3. Sequential interaction between anatomical and neural mechanisms • sequential interactions between anatomical and neural mechanisms during sleep

• chemical stimuli에 반응한 pharyngeal m.의 activation은 상대적으 로 역치가 높다
• chemical stimuli는 pharyngeal activation보다는 arousal response 의 induction에 중요함 • arousal response는 neural mechanism의 final stage • arousal response로 pharyngeal obstruction을 극복할 때에는 greater pharyngeal activation이 필요 <- airway maintenance 보다 airway reopening이 더 어렵기 때문

Pathogenesis of pharyngeal obstruction 1. Anatomical and neural hypotheses for pharyngeal obstruction • 'anatomical hypothesis', 'neural hypothesis'

• anatomical mechanism과 neural mechanism 사이의 복잡한 상호작 용 때문에 pharyngeal obstruction에 각각의 hypothesis가 어느 정도 개입되었는지는 정확하게 결정하기 어려움
• pharyngeal m.의 active contraction은 pharynx의 underlying anatomical abnormality를 masking할 수 있기 때문에 neural mechanism의 조절 없이 wakefulness와 sleep 동안에 airway size와 pharyngeal collapsibility를 측정하는 것은 가치가 제한적이다

2. Assessments of pharyngeal collapsibility Wison et al. • 사망한 infants에서 pharyngeal airway의 purely structural properties를 평가 • limitation of the subject population • postmortem rigidity 때문에 collapsibility가 변할 수 있음 Launois et al. • nasal continuous positive pressure (CPAP)의 적용이 pharyngeal m. activation을 억제하는 것으로 알려짐 • airway pressure가 감소되는 정도에 따라 inspiration flow limitation 또는 obstructive apnea가 유도됨 (single breath test) • 처음으로 사람의 sleep 동안 passive pharyngeal airway의 static and dynamic behavior를 평가하는 데 성공함 • 기술적으로 어려워 적용에 한계가 있음

Isono et al. • neural mechanism에 독립적으로 anatomical mechanism을 평가하 는 simple methods를 발전시켰다 • 전신 마취 시 근 이완제의 투여로 생기는 total m. paralysis는 pump m. contraction과 pharyngeal m. contraction의 state-dependent와 individual variability를 제거할 수 있음 • 이런 상황에서 endoscopy를 통해 passive pharynx의 static mechanism을 조사할 수 있음

• CSA = Amax - B*exp(-K*Paw)

• Pclose -> estimated closing pressure • K-value -> K-value가 클 때, CSA의 급격한 감소 K-value의 증가는 collapsibility의 증가

• 성인과 소아의 sleep-disordered breathing(SDB)의 기전에 anatomic hypothesis의 contribution을 증명하는 데 성공 • pharyngeal wall property의 static evaluation이 pharyngeal obstruction의 dynamic process를 밝힐 수는 없다 • 전신 마취가 필요하여 임상 적용에 제한이 있음

Schwartz et al. • upstream pressure가 critical closing pressure (Pcrit) 아래로 fall -> cessation of flow and occlusion of the collapsible conduit • sleeping adult humans에서 inspiratory flow limitation의 기전을 설 명

Marcus et al. • sleeping children과 infants로 적용을 확대 • inspiratory flow를 제한한 동안에 maximum inspiratory flow rate (Vmax)는 nasal mask pressure (Pn)와 직접적 관련이 있음 • Pcrit는 Vmax가 0일 때의 압력으로 정의함 • 이 방법은 sleeping, anesthetized human의 pharyngeal obstruction 기전을 조사하는 데 유용한 방법임

• gradual Pcrit - neural mechanism이 active하게 작동하는 active pharynx의 neural collapsibility를 반영할 수 있음 • Intermittent Pcrit – pharyngeal m. activation을 막음, Pcrit 측정 동 안 hypotonic pharyngeal airway를 유지할 수 있음

Pharyngeal airway patency in neonates and infants 1. Anatomical mechanisms in neonates and infants • relatively collapsible pharyngeal airway with limited contribution of neural mechanisms • the Pclose of the passive pharynx was close to the atmospheric pressure • infant의 2/5가 positive Pclose • 효과적인 pharyngeal dilator가 없기 때문에 neonatal airway는 positive airway pressure support가 필요

• small maxilla and mandible for the relatively large cranium -> possible anatomical imbalance in neonates • 해부학적인 불균형은 생후 1년 동안에 maxilla와 mandible이 cranium에 비해 많이 자라면서 향상 된다

• •

생후 1년 동안 Pclose가 점차 감소 K-value에 의해 나타나는 pharyngeal wall stiffness는 점차 증가

•

polysomnography 결과 sleep 동안의 obstructive apnea의 빈도는 생후 2-7 주에 가장 높고 (0.1 events per 1h of sleep) 생후 7주 후부터 현저하게 감소 (0 events per 1h of sleep)

2. Neural mechanisms in neonates and infants • strong negative pressure reflex • involvement of chemical stimuli

• compensates for the relative high collapsibility of the passive pharyngeal -> stabilization of pharyngeal airway patency and infrequency of obstructive episodes during infancy • 대부분의 자는 아이들은 neck flexion으로 reopening

• gradual Pcrit (-25 cmH2O)은 passive Pclose (-3.6+-2.7 cmH2O) 보다 현저히 적음 (more negative) -> sleeping infant가 pharyngeal airway stabilization의 potential ability를 가짐을 나타냄
• strong negative pressure reflex와 chemical stimuli으로 pharyngeal m.이 recruitment되기 때문에 pharyngeal airway obstruction의 reversal을 위해 full wakening이 필요하지는 않음 • apnea termination과 관련된 cortical arousal의 incidence는 SDB가 있는 infants의 NREM sleep에서 18%, REM sleep에서 12% 밖에 안 됨

Pharyngeal airway patency in children 1. Anatomical mechanisms in children • mandible과 maxilla의 성장이 계속되어 pharynx를 둘러싼 증가된 bony enclosure를 보임 • bony structure안의 soft tissue volume의 증가와 adenoid나 tonsil 같은 lymphoid tissue의 hypertrophy는 반대로 작용할 수 있음 • passive Pclose가 infant에 비해 더 감소하는 것은 anatomical balance가 pharyngeal patency를 향상시킴을 나타냄 • passive Pclose가 대기압보다 많이 낮으며 all age group 중에 가장 낮음 -> 대기압 하에서 support 없이 열리며 해부학적으로 가장 안정 적 -> sleep 동안의 obstructive apnea events가 드물다

2. Neural mechanism in children • wakefulness에서 NREM stage 2, REM sleep으로 진행하여도 apneic events가 발견되지 않음 • SDB를 가진 환자는 NREM stage 2, REM sleep에서 apneic, hypopneic 동안의 EMG activity가 stable breathing을 하는 환자에 비해 적다 • wakefulness와 sleep 동안에 neural mechanism을 작동할 필요가 없 다 <- pharyngeal airway가 stable anatomical structures를 갖고 있 기 때문 • SDB children에서 NREM, REM sleep 동안 SDB events의 51%와 35%가 cortical arousal 없이 해결됨 <- compensatory negative pressure reflex와 chemical stimuli가 있기 때문

Pharyngeal airway patency in adults 1. Anatomical mechanisms in adults • preferential growth of the mandible이 느려짐

• adenoid와 tonsil은 atrophy anatomical balance는 향상되는 것 같다
• 하지만 몸 전체의 soft tissue의 양이 현저히 증가 pharynx 주변의 soft tissue가 증가 (protrusion of submental soft tissue) -> anatomical imbalance, pharyngeal airway patency의 감소 • passive Pclose는 children에 비해 높고 infants와 거의 비슷

• apnea frequency가 children (less than one episodes per 1h of sleep time)보다 adults (less than five per 1h of sleep)에서 높음

2. Neural mechanisms in adults • 성인에서는 anatomical abnormality를 보상하기 위한 negative airway reflex -> 강한 genioglossus EMG activity가 나타남 • 성인에서 깨어있는 동안에는 negative pressure reflex가 작동하지만 수면 중에는 현저히 억제됨 • neural mechanism이 없을 때 adults와 infants가 동등한 collapsible pharyngeal airway를 가지고 있음 -> 하지만, 성인에서 현저한 upper airway resistance의 증가가 있고 수면 중 obstructive events 가 더 잘 발생 (different contribution of the neural mechanisms to pharyngeal airway maintenance) • 수면 중 pharyngeal obstruction의 reversal이 cortical arousal과 관 련됨 - infant, children과 대조적 (subcortical arousal은 infants와 children이 normal sleep architecture를 유지하는데 장점이 있음)

Pharyngeal airway management during anesthesia 1. Pharyngeal airway management in neonates and small infants during anesthesia • neonates와 infants는 anatomical imbalance를 갖고 있고 neural compensatory mechanism에 의존함 • 전신 마취의 induction 중에 mask ventilation이 어려울 수 있음 • 흡입마취, 정맥마취에 상관없이 마취 유도 전에 IV line 갖추는 것이 권장됨 • 마취는 negative airway pressure를 생성하여 inspiration 시에 pharyngeal collapsing forces를 증가시키며, infants가 agitated, struggling을 보이거나 preexisting partial pharyngeal obstruction을 갖고 있을 때 악화됨

• CPAP 또는 assisted positive airway pressure ventilation은 환자가 충분히 마취될 때까지 airway pressure를 Pclose 위로 증가시키고 upper airway patency를 유지하는데 도움이 됨 • sniffing position 같은 적절한 head and neck positioning과 mandibular advancement는bony enclosure size를 증가시켜 anatomical imbalance를 교정 • 수술 후 residual anesthetics를 최소화해야 함 -> neural mechanism에 대한 억제 작용을 줄이기 위해 • neonate가 완전히 깨고 적절한 호흡을 할 때 extubation 해야 함 • obstructive apnea/hypopnea는 보통 짧고 2-3번 이상일 때는 pathological임을 고려해야 함 • obstructive apnea/hypopnea는 silent이고 snoring sound를 동반하 는 경우는 드물다

• thoracoabdominal synchrony도 잘 살펴야 함 • lateral position이 supine보다 기도 유지에 도움이 됨 (중력에 의해 soft tissue가 기도를 막는 것을 줄임) • prone position이 중력의 영향을 덜 받아 도움이 될 것이라 생각되지 만 passive pharynx의 Pclose가 증가

2. Pharyngeal airway management in children during anesthesia • pharyngeal airway patency가 극적으로 향상됨 • neural mechanism 없이도 more stable anatomical pharyngeal structure를 갖고 마취 유지 동안에도 잘 유지됨

• inhalation induction이 상대적으로 쉽게 시행될 수 있음 (less pharyngeal obstruction) • 하지만 소아 마취 의사들은 inhaltion induction 중 upper airway obstruction을 흔히 경험함 -> 전신 마취의 excitatory aspect와 관련 됨 (diaphragm activity의 증가로 pharyngeal collapsing force는 증 가하지만 pharyngeal dilating force는 감소하기 때문) • stable anatomical pharyngeal structure를 가진 아이에서 diaphragm activity를 억제하는 deep anesthesia 상태에서는 obstruction이 발생하지 않음

• deep extubation 도 시행될 수 있음


				
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posted:4/24/2008
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