Capnografía volumétrica. Otra manera de monitorizar el CO2 espirado

Uno de los gases más importantes producido por el organismo es el dióxido de carbono (CO2), el cual es el principal motor de la respiración. La medición de la concentración de CO2 durante la anestesia general a través del volumen de aire exhalado por el paciente, se denomina capnografía y se realiza mediante métodos no invasivos. Las variaciones de su registro de forma continua, puede dar información sobre la ventilación, perfusión y metabolismo del individuo, siendo así una herramienta muy útil durante la monitorización tanto en anestesia general como en pacientes críticos.

Existen dos tipos de capnografía: la capnografía temporal que se representa a través de una curva o capnograma la concentración de CO2 en aire espirado con respecto al tiempo, y por otro lado la capnografía volumétrica que representa la concentración de CO2 con respecto al volumen de aire exhalado, siendo ésta última el método de referencia para la evaluación de la calidad y cantidad de ventilación.

El objetivo de este artículo es hacer una revisión de la cinética del CO2 en el organismo, los métodos de medición no invasivos de CO2, así como explicar la importancia e información que puede aportar la capnografía volumétrica.

Es importante conocer la cinética del CO2 dentro del organismo para poder entender la información que se puede obtener a través de los diferentes sistemas de medición.

1. Producción de CO2:
   El CO2 se produce a través del metabolismo aeróbico y anaeróbico de todas las células del organismo. La tasa metabólica de cada tipo celular dará lugar a una mayor o menor producción de CO2. Los principales lugares de concentración de estas moléculas son los huesos, las proteínas plasmáticas o disuelto en el líquido extracelular.
   Se pueden diferenciar dos compartimentos que intervienen en la cinética del CO2, en función de la velocidad de intercambio: un compartimento lento, el cual es el tejido óseo, cuya finalidad es amortiguar los incrementos de CO2 en patologías crónicas. Por otro lado, un compartimento rápido, el cual es el líquido extracelular, que permite un intercambio más rápido hacia el medio ambiente.
   En función del estado metabólico del paciente, esta producción podrá variar. En estados hipermetabólicos como fiebre, sepsis o convulsiones, dará lugar a un aumento de la producción, mientras que en estados hipometabólicos como en hipotermia, o con el uso de anestésicos o relajantes musculares, esta producción disminuirá.
2. Trasporte de CO2:
   El CO2 difunde por gradientes de presión entre los diferentes compartimentos tisulares, por lo que ingresa en el torrente sanguíneo en forma de bicarbonato, unido a la hemoglobina como carbaminohemoglobina y en menor medida disuelto en plasma hasta llegar al pulmón. La velocidad de llegada al lugar de eliminación va a estar condicionado por el estado hemodinámico del paciente.
3. Eliminación de CO2:
   La principal vía por donde se elimina el CO2 del organismo es el pulmón. Hay que tener en cuenta que sólo aquellas unidades alveolares correctamente ventiladas y perfundidas (relación V/Q) podrán eliminar este CO2. De esta forma las zonas de shunt pulmonar (áreas perfundidas, pero no ventiladas) y las de espacio muerto alveolar (zonas ventiladas, pero no perfundidas) no podrán realizar esta función y por lo tanto el CO2 transcurrirá directamente hacia la circulación sistémica.

Capnografía convencional

La capnografía es la medición estándar que se utiliza para evaluar de forma continua y no invasiva la ventilación en cualquier paciente anestesiado, ya sea en ventilación

espontánea o mecánica.

Los capnógrafos son los monitores que normalmente se utilizan en anestesia, aportando un valor de CO2 espirado en mmHg, % o en kPa. A parte de este valor de CO2 espirado, dibujan en la pantalla un gráfico de concentración de éste CO2 con respecto al tiempo durante todo el ciclo respiratorio, ofreciendo información ventilatoria muy valiosa procedente del paciente.

• Según el sistema de muestreo de gas, existen dos tipos de capnógrafos:

1. Mainstream: el muestreo se realiza dentro del circuito, encontrándose el sensor entre la conexión del tubo endotraqueal y el circuito respiratorio. Este tipo de capnógrafo permite una lectura a tiempo real, aportando valores muy precisos con respecto a la concentración y forma de la curva. El sensor puede aportar espacio muerto instrumental sobre todo en pacientes de pequeño tamaño.
2. Sidestream: la medida de CO2 se realiza a través de una línea de teflón que recoge una muestra de aire, la cual es llevada hasta una cámara de medición para su análisis mediante una luz infrarroja. De esta forma, la lectura de la muestra de gas no se realiza a tiempo real, siendo el retraso mayor o menor dependiendo de la longitud de la línea de muestreo por lo que se puede perder precisión en las lecturas y los gráficos obtenidos.

Los valores normales de EtCO2 en anestesia varían en función de la especie (perro 35-45 mmHg y gato 30-40mmHg). Los motivos por los que estos valores pueden aumentar o disminuir son multifactoriales y dependen del metabolismo, estado circulatorio, intercambio de gases y de la ventilación del pulmón.

La gráfica que se dibuja durante el ciclo respiratorio tiene varias fases, las cuales son (Figura 1):

• Fase 1 (ventilación del espacio muerto): es el comienzo de la exhalación, representando el espacio muerto de la vía aérea superior.
• Fase 2 (fase ascendente): representa el rápido incremento de la concentración de CO2 en el gas espirado y como el CO2 de los alveolos alcanza la vía aérea superior.
• Fase 3 (meseta alveolar): representa como la concentración de CO2 alcanza un nivel uniforme en toda la corriente de aire procedente de los alveolos hasta la nariz o la boca. El punto que se produce al final de la meseta alveolar representa la máxima concentración de CO2 al final de la respiración, es decir, el EtCO2. Este es el número que aparece en la pantalla del monitor.
• Fase 0: representa el ciclo inspiratorio.
• Ángulo alfa: se encuentra entre la fase 2 y 3. Normalmente este ángulo está entre 100 y 110 grados, haciéndose prominente con el incremento de la pendiente de la fase 3, la cual es dependiente del estado de la ventilación/perfusión del pulmón.
• Ángulo beta: se encuentra después de la fase 3 y antes de la rama descendente, siendo normalmente de 90º. Se utiliza para detectar fenómenos de reinhalación pudiéndose incrementar desde los 90 a 180 grados.

Las variaciones de la morfología de esta gráfica pueden dar mucha información del estado del paciente, por lo que será muy importante su interpretación:

• Un incremento del CO2 en la fase inspiratoria se debe a que se está produciendo reinhalación de CO2, ya sea por agotamiento de la cal sodada, por fallos en la válvula inspiratoria/espiratoria o porque hay un bajo flujo de gas fresco.
• Una disminución del EtCO2 se puede producir por una hiperventilación, hipotensión, hipovolemia, hipotermia, fugas, obstrucciones parciales de la línea de muestreo o incluso un paro cardíaco. El EtCO2 se correlaciona con el gasto cardiaco, por lo que si la curva disminuye de forma progresiva sin cambios en la ventilación minuto puede indicar una hipotensión severa. Del mismo modo es una buena guía para evaluar las maniobras de RCP.
• Un incremento del EtCO2 puede indicar hipoventilación, hipertermia, broncoespasmo (también relacionado con el aumento del ángulo alfa), estimulación adrenal o ventilación de un pulmón previamente no ventilado.

Capnografía volumétrica

A diferencia de la capnografía convencional, la capnografía basada en volumen o volumétrica representa la cantidad de dióxido de carbono (CO2) eliminado en el volumen corriente espirado. La medición se realiza a través de un sensor mainstream unido a un sensor de espirometría, permitiendo medir el volumen de CO2 espirado por respiración o por minuto.

Las ventajas del uso de la capnografía volumétrica es que mejora, simplifica y complementa la monitorización en lo que respecta al metabolismo, circulación y ventilación. Va a proporcionar información sobre la homogeneidad o heterogeneidad de los pulmones, ya que el estudio de las tendencias y los bucles de referencia van a dar un análisis exhaustivo del estado del sistema respiratorio. Además, ayudará a optimizar los ajustes del respirador y a detectar signos iniciales de embolias pulmonares, enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), síndrome de distrés respiratorio agudo (SDRA), entre otras enfermedades.

Figura 2: Pantalla del monitor.
Figura 3: sensor mainstream y sensor de espirometría.

Concepto de espacio muerto

Antes de explicar la información que se puede obtener del análisis de la curva de la capnografía volumétrica, hay que aclarar el concepto de espacio muerto.

El espacio muerto fisiológico (VDphys) hace referencia a la parte de gas que no participa en el intercambio gaseoso, refiriéndose tanto a las vías respiratorias como a las unidades pulmonares que están ventiladas pero que no tienen contacto con el flujo sanguíneo pulmonar.

El VDphys es el sumatorio entre el espacio muerto anatómico (VDaw) y el espacio muerto alveolar (VDalv), considerándose cada parte en un paciente sometido a anestesia y en condiciones de normalidad, 2/3 el VDaw y 1/3 el VDalv con respecto al VDphys.

El VDaw es todo aquel volumen de gas que se encuentra en la cavidad oral, laringe, tráquea y bronquios, el cual es normalmente fijo, aunque se puede incrementar su porcentaje en aquellos pacientes que se encuentran en ventilación mecánica debido al instrumental utilizado (espacio muerto instrumental, VDinst) como los tubos endotraqueales, humidificadores, filtros de aire, etc., disminuyendo la ventilación alveolar.

El VDalv se refiere al volumen de gas que penetra en los alveolos pero que no participa en el intercambio gaseoso. Esta parte de alveolos ventilados, pero no perfundidos, coincide con la zona de West I que se da lugar cuando la presión alveolar es mayor que la presión de los vasos pulmonares, los cuales, se colapsan y detienen el flujo pulmonar en esta región.

El espacio muerto (VD) se calcula mediante la capnografía volumétrica utilizando el concepto de Fowler junto con la fórmula de Bohr, en el que se postula que la interfaz de la vía aérea-alveolar media o el punto de inflexión del capnograma constituye el límite entre el gas transportado por convección en las vías aéreas y por difusión en el compartimento alveolar, midiendo así el espacio muerto de las vías respiratorias de forma no invasiva en cada respiración. La fórmula de Bohr es una ecuación que calcula la porción de VT sin CO2 o VDphys:

VDphys∕VT o VD/VT = (PACO2 − PECO2) ∕ (PACO2 − PICO2)

Donde PACO2 es presión parcial de CO2 alveolar, PECO2 la presión mixta de CO2 de gas espirado y la PICO2 es la presión parcial inspirada de CO2 que se supone que es cero porque es el flujo de gas que no contiene CO2. El espacio muerto se puede expresar como parte de la ventilación por minuto (VD en L/min), como valores absolutos en una respiración (es decir, VDphys en mL) o como una relación con el volumen corriente (VD/VT). La última opción es la mejor porque el espacio muerto está muy influenciado por el tamaño del volumen corriente.

Existe una modificación de la fórmula de Bohr realizada por Enghof en la cual se reemplaza la PACO2 por la PaCO2 (presión arterial de CO2), debido a que la PACO2 es muy difícil de medir de forma fácil e inmediata. Hay que tener en cuenta que esta sustitución provoca una sobreestimación del espacio muerto porque el valor de PaCO2 es mayor que el de PACO2, considerándose un índice de intercambio de gases y no un cálculo de espacio muerto, ya que incluye las alteraciones de V/Q que se produce en el pulmón.

Hoy en día, la fórmula de Bohr se puede aplicar en su totalidad de forma no invasiva porque las mediciones de PACO2 y PECO2 por el capnograma volumétrico fueron validadas adecuadamente. El significado clínico del espacio muerto de Bohr y el índice de Enghof es, por tanto, diferente pero complementario, pudiéndose usar ambos para obtener información sobre la relación V/Q en el pulmón.

Capnograma volumétrico

La gráfica que se obtiene en el capnograma volumétrico es el reflejo de las variaciones de la concentración de CO2 procedente de los alveolos como resultado a su vez, de los cambios producidos en el metabolismo, gasto cardíaco, perfusión pulmonar y ventilación. De esta forma, la capnografía volumétrica permite una monitorización continua de la producción de CO2, de la permeabilidad de las vías aéreas, del estado de ventilación/perfusión, así como el funcionamiento del circuito respiratorio del respirador.

Existen tres fases en la gráfica de la capnografía volumétrica (Figura 4):

• FASE I. Es la parte correspondiente al espacio muerto anatómico e instrumental, ya que es la primera fracción de gas que detecta el sensor al inicio de la espiración. Este gas espirado no suele contener CO2, por lo que se verá una línea que transcurre a lo largo del eje X pero que no aumenta su valor en el eje Y. Normalmente suele ser el 10-12 % del VT, por lo que la prolongación de esta fase es indicativa de un aumento del espacio muerto anatómico. Si hay presencia de CO2 en esta fase estará indicando reinhalación o un fallo en el sensor.
• FASE II. Conocida como la fase de transición, en ella se produce la mezcla de gases procedente de la parte distal de las vías aéreas y de los alveolos que experimentan un vaciado rápido. La pendiente de la curva (cuyo valor normal es de 0.36-0.4 mmHg/ml) da información de la velocidad de transición entre estas dos áreas y representa a las unidades pulmonares con diferentes tasas de vaciado de CO2 en las vías respiratorias principales. El punto medio de la curva es el límite que separa el espacio muerto anatómico y el gas de contenido alveolar (PECO2). Esta fase que suele representar el 15-18% del VT, aportando información sobre los cambios de perfusión y sobre la resistencia de las vías aéreas.
• FASE III. Representa la parte del VT (70-75 %) que procede completamente de los alveolos. La pendiente de esta fase (cuyo valor normal de 0.007-0.017 mmHg/ml) es un marcador del flujo sanguíneo pulmonar y representa correlación con el gasto cardíaco. Además, aporta información sobre la heterogeneidad pulmonar, así como aquellas áreas pulmonares que presentan un vaciado rápido y un vaciado lento. El valor final de CO2 en la fase III es la presión parcial de CO2 al final de la espiración (PetCO2) y el punto medio de esta fase corresponde con la presión parcial media alveolar de CO2 (PACO2).

Por otra parte, el capnograma volumétrico también se puede dividir en tres áreas aportando información adicional sobre el estado pulmonar del paciente (Figura 5).

• ÁREA X. Representa el volumen real de CO2 exhalado en cada respiración (VeCO2). Si se suman todos los valores de CO2 exhalado en cada respiración en un minuto, se conocerá la eliminación total de CO2 por minuto (V´CO2). De esta forma, cualquier cambio en la producción de CO2, gasto cardiaco, perfusión pulmonar y ventilación van a afectar al valor de V´CO2 que aparece en el respirador.Una disminución del V´CO2 se puede producir por hipotermia, sedación profunda, parálisis o muerte cerebral, disminución del gasto cardíaco o por pérdida de sangre.También puede ser indicativo de cambios en la circulación sanguínea del área pulmonar como puede pasar en una embolia pulmonar, viendo en este caso también una disminución de la pendiente de la fase II.El aumento del V´CO2 se suele deber a un aumento de la producción por fiebre, septicemia, convulsiones, etc.

• ÁREA Y. Representa el espacio muerto alveolar, es decir, la cantidad de CO2 que se encuentra en los alveolos y no se puede eliminar.Un aumento del espacio muerto alveolar se puede producir por enfisema pulmonar, aumento de la distensión pulmonar, embolia pulmonar, hipertensión pulmonar o alteraciónen el gasto cardíaco.

• ÁREA Z. Representa el espacio muerto anatómico (VDaw), es decir, todo aquel volumen espirado que no contiene CO2 y que no participa en el intercambio de gases. Todo este volumen se encuentra en las vías aéreas, tubos endotraqueales y resto de accesorios artificiales que se encuentran entre el paciente y la pieza en Y del circuito respiratorio del ventilador.

La capnografía volumétrica posee tres funciones principales:

• Monitorización metabólica. El registro continuo del volumen de eliminación total de CO2 por minuto o V´CO2 va a ser un reflejo de la producción corporal de CO2 del paciente siempre y cuando no haya ninguna alteración hemodinámica y/o ventilatoria en el momento de la medición. De esta forma se producirá un aumento de su valor en estados hipermetabólicos (fiebre, convulsiones, por ejemplo) y una caída de su valor cuando el paciente se encuentre en un estado metabólico disminuido.
• Monitorización de la ventilación e intercambio gaseoso. El CO2 es un excelente marcador de la ventilación por su cinética unidireccional, que va desde la célula al medio ambiente. La mejor manera de evaluar esta eficacia/ineficacia ventilatoria es a través del análisis del espacio muerto y de la cinética del CO2, es decir la
• relación VD/VT:
  • VD/VT entre 0.25 a 0.39 la ventilación es excelente.
  • VD/VT entre 0.4 a 0.49 la ventilación es aceptable.
  • VD/VT entre 0.5 a 0.59 la ventilación del paciente está comprometida.
  • VD/VT entre 0.6 a 0.69 la ventilación del paciente es inaceptable.
  • VD/VT mayor de 0.7 la ventilación del paciente está muy comprometida.

A continuación, se expondrán diferentes situaciones clínicas en donde se podrán observar los cambios que se pueden producir en la curva de capnografía volumétrica:

1. Síndrome de distress respiratorio agudo (SDRA). En pacientes con SDRA se produce un deterioro del flujo sanguíneo pulmonar microcirculatorio, situación fisiopatológica que genera pulmones pequeños, heterogéneos y con baja distensibilidad, denominados baby lung. Además, esta condición incrementa la posibilidad de desarrollar altas presiones en la vía aérea y distensión alveolar. La gravedad de la enfermedad está asociada a un aumento de la fracción VD/VT. En la gráfica de capnograma se observará una prolongación de la fase I dando lugar a un aumento del espacio muerto anatómico, generalmente provocado por el uso de una PEEP alta. La pendiente de la fase II disminuye por anomalías en la perfusión pulmonar y la pendiente de la fase III aumenta por una mayor heterogeneidad pulmonar (Figura 6).
2. Embolia pulmonar. La embolia pulmonar tiene un efecto particular sobre la eliminación de CO2 debido a que se produce la oclusión de gran cantidad de vasos pulmonares principales de forma aguda. Esto origina un estado de gran inestabilidad hemodinámica, quedando el paciente prácticamente sin perfusión pulmonar. Aquellos pulmones sin patología respiratoria previa y con una ventilación homogénea, el embolismo pulmonar aumenta el VDalv y disminuye de forma brusca el ETCO2 y la V´CO2, pero sin afectar a la pendiente de la fase III (SIII), ya que las unidades pulmonares se vacían al mismo tiempo en paralelo. Si el embolismo se produce en vasos más pequeños dará lugar a un defecto regional en la perfusión pulmonar, por lo que la disminución del ETCO2 y la V´CO2 será proporcional al defecto producido. De esta forma, la embolia leve no provocará cambios bruscos en los valores, pero si en la forma del capnograma y en la SIII.De esta forma, en el capnograma se observaría un aumento de la fase I por incrementarse el espacio muerto anatómico, la pendiente de la fase II disminuye por una perfusión pulmonar deficiente y la fase III presenta una meseta normal, pero con un PetCO2 bajo por reducción del número de alveolos funcionales. También se reduce de forma repentina el V´CO2 (Figura 7).
3. Enfermedad pulmonar obstructiva. En pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva como EPOC, asma o fibrosis quística se puede observar una gráfica con una prolongación de la fase II, un aumento de la PetCO2 y una elevación continua de la pendiente, exenta de meseta, en la fase III. Todo esto está indicando un vaciado asincrónico de los espacios pulmonares con relaciones ventilación/perfusiones distintas, así como un aumento del espacio muerto alveolar (Figura 8).
4. Resistencia aumentada. Tanto en pacientes obesos como en pacientes con un aumento de la resistencia espiratoria, se pueden encontrar capnogramas cóncavos en fase III. Además, en pacientes obesos se puede producir un vaciado bifásico del CO2 hallándose un PeCO2 mayor que la PaCO2 (Figuras 9 y 10).Figura 9: Capnograma cóncavo asociado a aumento de la resistenciaFigura 10: Capnograma asociado a obesidad con vaciado bifásico
5. Maniobra de reclutamiento. Se puede valorar la eficacia de una maniobra de reclutamiento alveolar observando los cambios producidos en el capnograma volumétrico después de dicha maniobra. Se producirá una posible disminución de la fase I, con una pendiente más positiva en la fase II indicando una mejora en la perfusión pulmonar y la pendiente de la fase III se vuelve más horizontal como resultado de un vaciado pulmonar más homogéneo. Además, si la maniobra ha sido satisfactoria, debería observarse un aumento transitorio de V´CO2.
6. Gestión de la PEEP. La capnografía volumétrica se puede utilizar para ver si se está utilizando una PEEP adecuada en determinados pacientes, se haya realizado o no una maniobra de reclutamiento. PEEP demasiado altas aumentan la presión intratorácica y la resistencia vascular pulmonar, disminuyendo de esta forma el retorno venoso. Los cambios que se observarán serán un aumento de la fase I por aumento del espacio muerto por sobredistensión de vías aéreas y alveolos, reducción de la pendiente de la curva de la fase II por disminución de la perfusión y aumento de la pendiente en la fase III por una distribución heterogénea del gas alveolar.

La mayoría de los estudios de capnografía volumétrica realizados en animales son estudios experimentales en los que se utiliza un modelo con pulmón de cerdo. Uno de los estudios más importantes en este ámbito, es el estudio realizado por Tusman G. en el que se pudo validar la ecuación del espacio muerto de Bohr.

Si se buscan estudios de capnografía volumétrica en especies concretas se hallan 9 trabajos realizados en caballos en los últimos 20 años y 3 en perros en los últimos 10 años.

Con respecto a caballos, 4 de los estudios se centran en el uso de la capnografía volumétrica en pacientes con patologías respiratorias específicas como es el EPOC, embolismo pulmonar u obstrucción recurrente de vías respiratorias ya sea para el diagnóstico de la enfermedad o para evaluar la función pulmonar en estas patologías.

Los otros estudios utilizan la capnografía volumétrica no como monitor único, si no como un aporte extra de información para obtener datos sobre el espacio muerto, conocimientos sobre la fisiología del colapso y reclutamiento alveolar, estimación del VT o para ver la diferencia entre el uso o no de PEEP.

En pequeños animales, como se ha mencionado anteriormente, solo existen 3 estudios en perro. Destaca un estudio de 2017 (Bumbacher S) en el que se evalúan tres volúmenes corrientes distintos en perros ventilados mecánicamente por volumen, monitorizando y analizando los datos obtenidos por capnografía volumétrica para saber cuál es el más apropiado.

Los otros dos estudios se centran en la evaluación de la curva de capnografía volumétrica y sus variables en broncoconstricción.

1. Munir, K & Himmelstoss, M (2016). Capnografía volumétrica. Hamilton Medical
2. Schauvliege, S (2016). Patient monitoring and monitoring equipment. En Duke-Novakovski,T ; de Vries, M & Seymour, C (Eds), BSAVA Manual of Canine and Feline Anaesthesia and Analgesia, 3rd ed., (p. 79-82). British Small Animal Veterinary Association.
3. Martín Hernán Benites Albanese et al (2019) Capnografía volumétrica y su aplicación en la monitorización de la ventilación mecánica. Revista Chilena de Medicina Intensiva, 34 (3),1-10. https://www.medicina-intensiva.cl/revista/edicion.php?id=68.
4. Tusman,G (n.d.). La capnografía volumétrica aplicada a la minitorización hemodinámica. http://www.ventilacionanestesiapediatrica.com/site/PDF/GT_capnografia_volumetrica.pdf.
5. Kremeier,P; Böhm, S; Tusman, G. (2019).Clinical use of volumetric capnography in mechanically ventilated patients. Journal of Clinical Monitoring and Computing. 34 (1), 7–16. DOI: 10.1007/s10877-019-00325-9.
6. Verscheure,S; Massion, P; Verschuren,F; Damas,P & Magder,S (2016). Volumetric capnography: lessons from the past and current clinical applications. Critical care. 20(1):184. DOI: 10.1186/s13054-016-1377-3.
7. Kallet, RH; Alonso, JA & Matthay,MA.(2012). Quantifying the severity of acute lung injury using dead-space ventilation: should the lung injury score be updated? Respiratoy Care. 57(3):477-9. doi: 10.4187/respcare.01737.
8. Tusman G, Sipmann FS, Borges JB, Hedenstierna G, Bohm SH. (2011). Validation of Bohr dead space measured by volumetric capnography. Intensive Care Med. 37(5):870-4. doi: 10.1007/s00134-011-2164-x
9. Bumbacher S, Schramel JP, Mosing M. (2017). Evaluation of three tidal volumes (10, 12 and 15 mL kg-1) in dogs for controlled mechanical ventilation assessed by volumetric capnography: a randomized clinical trial.