Effects of Increasing Respiratory Rate on Ventilatory Efficiency and Mechanical Costs during Low-Tidal-Volume Ventilation: A Prospective Physiological Pilot Study - 02/06/26

Doi : 10.1016/j.aicoj.2026.100098 
Carolin Jung , Erietta Markou, Kai Florian Storch, Jona Wassong, Hans-Joerg Gillmann, Thomas Stueber
 Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Hannover Medical School, Hannover, Germany 

Corresponding author.

Bienvenue sur EM-consulte, la référence des professionnels de santé.
Article gratuit.

Connectez-vous pour en bénéficier!

Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Tuesday 02 June 2026
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Graphical abstract




Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Frequency-based minute ventilation augmentation encounters physiological limits.
Increasing dead space and CO₂ rebreathing diminish ventilatory efficiency.
Mechanical power rises disproportionately while CO₂ elimination gains diminish.
Patients with higher ventilatory ratio derive the least benefit from higher rates.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abstract

Background

During lung-protective ventilation, respiratory rate (RR) is frequently increased to compensate for hypercapnia. Despite its widespread use, however, the physiological consequences of this strategy remain incompletely understood. We aimed to characterize the physiological trade-offs of stepwise RR escalation at fixed tidal volume during controlled ventilation, with a particular focus on dead space partitioning, ventilatory efficiency, and energetic burden.

Methods

In this prospective physiological crossover pilot study, 30 mechanically ventilated ICU patients underwent stepwise RR increases from 15 to 33 min ¹ (primary analysis restricted to ≤27 min ¹) at constant tidal volume (6 mL·kg ¹ ideal body weight (IBW)) under two protocols: complete expiration and fixed I:E ratio (1:1.9). Dead space was assessed using the Enghoff modification of the Bohr equation at two predefined minute ventilation targets (100 and 150 mL·kg ¹ IBW), with capnographic variables derived from quadratic mixed-effects models. Ventilatory efficiency was quantified using the ventilatory ratio (VR), the expected-to-observed PaCO₂ response derived from the alveolar ventilation equation, and the incremental CO 2 elimination per unit additional minute ventilation (ΔV̇CO₂/ΔMV).

Results

A 50% increase in minute ventilation (RR 17→25 min ¹) reduced PaCO₂ by 5.1 mmHg (95% CI 4.2 to 5.9), systematically less than predicted under the assumption of constant dead space fraction. Alveolar dead space increased from 132 to 189 mL (p  <  0.001) and dead space fraction rose from 0.60 to 0.65. Incremental CO₂ elimination efficiency declined with increasing RR (β = −0.95 ml CO₂/L MV per min ¹, 95% CI − 1.41 to −0.49), suggesting plateau formation under complete expiration. Mechanical power increased exponentially, reaching +181% under complete expiration versus +122% under fixed I:E at 27 min ¹. Baseline VR moderated V̇CO 2 trajectories: patients with high VR tended to show declining CO₂ elimination beyond 21–24 min ¹, whereas low-VR-patients showed approximately linear increases.

Conclusions

In this physiological study, RR escalation during low-tidal volume ventilation was associated with progressive decline in ventilatory efficiency, driven by increasing dead space fraction and compounded by rising CO₂ rebreathing. These effects were most pronounced in patients with elevated baseline VR, supporting future investigation of individualized ventilation approaches that balance gas exchange efficiency against mechanical cost.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : mechanical ventilation, respiratory rate, dead space, ventilatory efficiency, respiratory physiology

Abbreviations : ABG, ARDS, CCI, CI, CO 2 , ΔP, EMM, FDR, FiO 2 , IBW, ICU, IQR, I:E, MDT, MP, MV, PaCO 2 , PaO 2 , PaO 2 /FiO 2 , PEEP, PEEPi, P̄ECO 2 , PetCO 2 , PIE, Ppeak, RR, STROBE, V̇CO 2 , VDaw, VDphys, VeCO 2 , ViCO 2 , VILI, VR, VTe, VTi


Plan


© 2026  Publié par Elsevier Masson SAS.
Ajouter à ma bibliothèque Retirer de ma bibliothèque Imprimer
Export

    Export citations

  • Fichier

  • Contenu

Bienvenue sur EM-consulte, la référence des professionnels de santé.

Elsevier s'engage à rendre ses eBooks accessibles et à se conformer aux lois applicables. Compte tenu de notre vaste bibliothèque de titres, il existe des cas où rendre un livre électronique entièrement accessible présente des défis uniques et l'inclusion de fonctionnalités complètes pourrait transformer sa nature au point de ne plus servir son objectif principal ou d'entraîner un fardeau disproportionné pour l'éditeur. Par conséquent, l'accessibilité de cet eBook peut être limitée. Voir plus

Mon compte


Plateformes Elsevier Masson

Déclaration CNIL

EM-CONSULTE.COM est déclaré à la CNIL, déclaration n° 1286925.

En application de la loi nº78-17 du 6 janvier 1978 relative à l'informatique, aux fichiers et aux libertés, vous disposez des droits d'opposition (art.26 de la loi), d'accès (art.34 à 38 de la loi), et de rectification (art.36 de la loi) des données vous concernant. Ainsi, vous pouvez exiger que soient rectifiées, complétées, clarifiées, mises à jour ou effacées les informations vous concernant qui sont inexactes, incomplètes, équivoques, périmées ou dont la collecte ou l'utilisation ou la conservation est interdite.
Les informations personnelles concernant les visiteurs de notre site, y compris leur identité, sont confidentielles.
Le responsable du site s'engage sur l'honneur à respecter les conditions légales de confidentialité applicables en France et à ne pas divulguer ces informations à des tiers.


Tout le contenu de ce site: Copyright © 2026 Elsevier, ses concédants de licence et ses contributeurs. Tout les droits sont réservés, y compris ceux relatifs à l'exploration de textes et de données, a la formation en IA et aux technologies similaires. Pour tout contenu en libre accès, les conditions de licence Creative Commons s'appliquent.