Effects of increasing respiratory rate on ventilatory efficiency and mechanical costs during low-tidal-volume ventilation: a prospective physiological pilot study - 06/06/26

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.

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Highlights

Frequency-based minute ventilation augmentation encounters physiological limits.
Increasing dead space and CO 2 rebreathing diminish ventilatory efficiency.
Mechanical power rises disproportionately while CO 2 elimination gains diminish.
Patients with higher ventilatory ratio derive the least benefit from higher rates.

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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 PaCO 2 response derived from the alveolar ventilation equation, and the incremental CO 2 elimination per unit additional minute ventilation (ΔV̇CO 2 /ΔMV).

Results

A 50% increase in minute ventilation (RR 17→25 min −1 ) reduced PaCO 2 by 5.1 mmHg (95% CI 4.2–5.9), 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 CO 2 elimination efficiency declined with increasing RR (β = −0.95 ml CO 2 /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 CO 2 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 CO 2 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.

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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


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