Beobachtete Kohortenstudie zur Verteilung der Ventilation in der Pädiatrie, die eine mechanische Ventilation erfordert, durch elektrische Impedanztomographie (EIT)

A. Spezifische Ziele Spezifisches Ziel 1: Bestimmung der regionalen Compliance und Verteilung der Beatmung in einer Kohorte von Kindern, die eine mechanische Beatmung benötigen. Hypothese – Abnormale Ventilationsverteilung wird bei allen Patienten entdeckt.

Spezifisches Ziel 2: Bestimmung von Veränderungen in der regionalen Verteilung der Beatmung im Verlauf der mechanischen Beatmungstherapie. Hypothese – Die Verteilung der regionalen Beatmung wird sich signifikant ändern, wenn sich die Lungenfunktion des Patienten verbessert und sie sich von der mechanischen Beatmung befreien.

Spezifisches Ziel 3: Vergleich von zuvor entwickelten Algorithmen der EIT-geführten Beatmung durch das BCH-Forschungsteam mit Entscheidungen des medizinischen Teams bezüglich mechanischer Beatmung. Hypothese – EIT-gesteuerte Beatmungsalgorithmen werden Änderungen zur Minimierung von Atelektase und Überdehnung früher erkennen als Entscheidungen des klinischen Teams.

B. Hintergrund und Bedeutung Klinische Entscheidungen bezüglich des mechanischen Beatmungsgeräts beruhen stark auf klinischer Beurteilung, die typischerweise auf intermittierenden und subjektiven Bewertungen relevanter physiologischer Parameter basiert, die nur die globale Lungenfunktion und ohne Berücksichtigung der regionalen Verteilung der Beatmung widerspiegeln. Bis vor kurzem gab es keine Möglichkeit, die regionale Verteilung der Ventilation zu bestimmen, ohne einen Patienten einer Strahlenbelastung in Form einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs (CXR) oder einer Computertomographie (CT) auszusetzen. CT und CXR liefern regionalspezifische Informationen, jedoch nur als Momentaufnahme. Zu bestimmen, wie verschiedene Regionen der Lunge im Laufe der Zeit auf therapeutische Interventionen ansprechen, ist eine Herausforderung. Unser Forschungsteam verfügt jedoch über umfangreiche Forschungserfahrung mit einer nicht-invasiven und strahlungsfreien medizinischen Bildgebungstechnologie namens elektrische Impendenztomographie (EIT). EIT liefert regionale Informationen über Änderungen in der Beatmung. Diese zusätzliche Informationsquelle könnte dazu beitragen, die mechanische Beatmung zu optimieren, indem sie den Klinikärzten am Krankenbett eine kontinuierliche Entscheidungsunterstützung bietet, da die EIT-Daten verwendet werden können, um zu warnen, wenn ein regionaler Kollaps oder eine Überdehnung erkannt wird. Es gibt jedoch nur wenige Daten, die Änderungen in der Verteilung der Beatmung im Laufe der Zeit oder als sich der Zustand des Patienten ändert.

Elektrische Impedanztomographie (EIT) Barber und Brown führten die elektrische Impedanztomographie in den frühen 1980er Jahren in der medizinischen Gemeinschaft ein. Von dort aus wurde ein breites Spektrum an Anwendungen in der Medizin erforscht, das von Magenentleerung, Gehirnfunktion, Brustbildgebung bis hin zur Lungenfunktion reicht. Wir sind davon überzeugt, dass der wertvollste Nutzen der EIT in der Überwachung der regionalen Lungenfunktion bei kritisch kranken Patienten liegt. Frühe EIT-Geräte waren im klinischen Umfeld anfällig für schlechte Empfindlichkeit und Signalstörungen. Nach Jahren und einem erneuten Interesse einiger an Lüftungstechnik interessierter gewerblicher Unternehmen wurden viele dieser Mängel behoben. Wie bei jeder neuen Modalität müssen EIT und ihr klinischer Nutzen und ihre Anwendung methodisch erforscht werden; Daher schlagen wir dieses IRB-Protokoll vor, um uns auf diesem Weg zur Entwicklung eines klinisch nützlichen Werkzeugs einen Schritt näher zu bringen9.

Die elektrische Impedanztomographie nutzt Änderungen der elektrischen Impedanz zwischen luftgefüllten und gewebe- oder flüssigkeitsgefüllten Räumen, um die regionale Verteilung des Lungenvolumens am Krankenbett zu charakterisieren und zu quantifizieren. Diese Technologie wurde in Studien an Tieren10 und Menschen11, 12 validiert. Die Technologie verwendet eine Reihe von 16 Elektroden, die über der Brust des Patienten platziert werden. Da zwischen den Elektroden kleine Ströme fließen, die für die Testperson nicht nachweisbar sind, wird die Impedanz zwischen und zwischen den Reihen gemessen. Durch eine komplexe Abfrage und Manipulation dieser Impedanzwerte entsteht ein zweidimensionales Bild, das nachweislich mit klinischen und radiologischen Veränderungen bei Patienten korreliert.11 Die Fähigkeit, das Lungenvolumen und die regionale Gasverteilung nicht-invasiv und in Echtzeit abzuschätzen, kann uns Aufschluss darüber geben, welcher Beatmungsmodus oder welche Einstellung zur Optimierung der Überdruckbeatmung effektiver ist.

Wir haben uns für eine Partnerschaft mit Draeger Medical (Lübeck, Deutschland) im Rahmen eines CTA entschieden, um die Verwendung ihres kommerziell erhältlichen Produkts in Europa (nicht von der FDA zugelassen) durch die europäische Richtlinie 93/42/EWG (Medizinprodukte) zu untersuchen und die EN ISO zu erfüllen 9001 und EN ISO 13485 Anforderungen. Das Boston Children's Hospital verfügt über umfangreiche Erfahrung mit seinem Prototypsystem, das zum Endprodukt mit dem Namen PulmoVista 500 führte. Das PulmoVista 500 verwendet 16 Elektroden, um die für die Bildrekonstruktion verwendeten Spannungen zu messen. Mathematische Simulationen basierend auf dieser Elektrodenanordnung zeigen eine räumliche Auflösung von 15 % des Thoraxdurchmessers; allerdings nimmt die Auflösung zur Körpermitte hin auf 20 % ab. Während CT-Scanner normalerweise Bilder mit 512 x 512 oder mehr Pixeln liefern, bestehen EIT-Bilder des PulmoVista 500 nur aus 32 x 32 Pixeln, was im Vergleich zu CT-Bildern 256-mal weniger Pixel sind9. Unser Team beabsichtigt jedoch, EIT am Bett und in der Umgebung der Intensivstation zu verwenden, um die Beatmungstherapie in Zukunft zu steuern, anstatt ein hochauflösendes Diagnosewerkzeug wie CT oder MRT zu sein. Unsere Absicht ist es nicht, die CT- oder MRT-Bildgebung der Lunge zu ersetzen, sondern ein bettseitiges Instrument zur Steuerung der Beatmung in der Zukunft zu entwickeln, das kontinuierlich und mit sehr geringen Risiken angewendet werden kann. Die Charakterisierung einer Kohorte schwerkranker mechanisch beatmeter Kinder, wie in diesem Protokoll vorgeschlagen, stellt einen wichtigen Schritt in Richtung klinischer Nützlichkeit von EIT dar.

C. Vorstudien Aktuelle Strategien zur Bereitstellung einer lungenprotektiven Beatmung beruhen auf der Vermeidung von Zuständen, die mit einer Lungenschädigung verbunden sind. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung individualisierter Beatmungspläne. Die Verwendung von EIT hat sich als genaue Methode zur Überwachung regionaler Lungenvolumenänderungen bei Tieren und Menschen erwiesen.10, 13, 14 Während sowohl radiologische als auch EIT-Bilder Informationen über die regionale Luftverteilung in der Lunge liefern, unterscheiden sich die Bildeigenschaften dieser Modalitäten erheblich. Röntgenbilder der Lunge geben Aufschluss über den Luftgehalt und geben je nach Aufnahmezeitpunkt den endinspiratorischen, den endexspiratorischen Zustand oder einen dazwischen liegenden Lungenzustand wieder. EIT-Bilder spiegeln die Lungenfunktion wider, nicht die Lunge selbst, was bedeutet, dass EIT eher belüftete Lungenregionen als morphologische oder anatomische Strukturen der Lunge darstellt.9 Dennoch sind die in EIT- und CT-Bildern enthaltenen regionalen Informationen eng miteinander verknüpft, wenn pathologische Zustände wie Pleuraerguss oder Atelektase zu nicht belüfteten und nicht belüfteten Lungenregionen führen. Während CT-Bilder Lungenregionen mit eingeschlossener Luft (z. Pneumothorax) wegen des großen Luftgehalts schwarz, EIT zeigt diese Regionen auch schwarz an, weil sie nicht belüftet werden.15, 16 Umgekehrt kann ein CT-Bild einen Bereich mit konsolidiertem Lungengewebe aufgrund des hohen Flüssigkeitsgehalts in weißer Farbe anzeigen, während dieser Bereich im EIT-Bild in schwarzer oder dunkelblauer Farbe dargestellt werden kann, wenn dieser Bereich nicht oder nur teilweise ventiliert wird .17 EIT hat sich in Tiermodellen und menschlichen Fallberichten als genaue Bestimmungsgröße für Pneumothoraces erwiesen.15, 18, 19 In jüngerer Zeit wurden von einer Reihe von Forschern EIT-abgeleitete Parameter verwendet, um atelektatische, überdehnte und angemessen rekrutierte Lungen in verschiedenen Lungenregionen zu unterscheiden.10, 20-28 Trotz der Fähigkeit von EIT, das regionale Lungenverhalten zu überwachen, hat sich bis letztes Jahr, als Dr. Wolf, Arnold und Kollegen entwickelten eine EIT-geführte mechanische Beatmungsstrategie, die sich in einem Tiermodell als vielversprechend erwies.29 Durch dieses translationale Modell konnten sie zeigen, dass die EIT-geführte Beatmung einem nationalen und standardisierten Beatmungsprotokoll namens Acute Respiratory Distress Syndrome Network überlegen war ( ARDSNet) Beatmungsprotokoll.30-33 Das Ziel dieser Studie ist es, die regionale Verteilung bei pädiatrischen Patienten zu untersuchen, die eine mechanische Beatmungstherapie benötigen.

D. Design und Methoden (1) Studiendesign In einer prospektiven Beobachtungsstudie werden wir die regionale Compliance und Verteilung der Beatmung durch EIT bei Patienten, die eine mechanische Beatmung benötigen, objektiv messen.

(3) Beschreibung der Studienbehandlungen oder Expositionen/Prädiktoren Nach der Teilnahme an der Genehmigung und der Einverständniserklärung werden Patienten, die die Einschlusskriterien und keines der Ausschlusskriterien erfüllen, (1) auf die exakt gleiche Einstellung des von der FDA zugelassenen Draeger V500-Beatmungsgeräts umgestellt. (2) Eine klinische Beurteilung durch den verantwortlichen Atemtherapeuten und die Pflegekraft wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die geänderten Einstellungen angemessen sind und dem Praxisstandard entsprechen. (3) Das PulmoVista 500 EIT-Gerät wird gemäß dem bereitgestellten Schulungs- und Betriebshandbuch eingerichtet und sicherheitsgeprüft. (4) Das bereitgestellte Elektrodensystem wird wie in Abbildung 2 um die Brust des Patienten gelegt. (5) Das EIT-System wird mit dem Elektrodenarray und dem V500-Beatmungsgerät verbunden. (6) Sobald die Signalqualität als angemessen festgestellt wurde, wird eine Aufzeichnung durchgeführt und sicher gespeichert. (7) Der EIT-Gurt und das Gerät werden entfernt und wieder eingelagert, und das V500-Beatmungsgerät verbleibt für den Beatmungskurs am Patienten. Die anfängliche Einrichtungs- und Überwachungszeit beträgt ca. 1 Stunde. (8) Wiederholte Aufzeichnungen werden in den ersten 5 Tagen jeden Morgen durchgeführt, dann jeden zweiten Tag, wenn > 5 Tage mechanische Beatmung erforderlich sind, und innerhalb von 2 Stunden nach größeren Eingriffen wie Bauchlage, Erhöhung oder Verringerung des PEEP oder MAP von 2 cmH2O oder mehr, Rekrutierungsmanöver, Intubation (bei nicht-invasiver Beatmung) und vor und nach der Extubation. Follow-up-Überwachungsereignisse dauern ungefähr 30 Minuten. Ohne die Zustimmung der Krankenpflegekraft und des Atemtherapeuten wird keine Einrichtungs- oder Überwachungssitzung durchgeführt.

Änderung der Behandlungsexpositionen

Die Umstellung des Patienten auf das Draeger V500 Beatmungsgerät findet in den folgenden Situationen nicht statt:

1. Patienten, die von der Forschung in Zusammenarbeit mit dem medizinischen Team als zu instabil erachtet werden, um auf das V500 umgestellt zu werden, die jedoch stabil genug sind, um den EIT-Gürtel anzulegen, werden ohne das Draeger V500-Beatmungsgerät untersucht. Stattdessen wird eine manuelle Aufzeichnung der Einstellungen und Messungen des Beatmungsgeräts durchgeführt.
2. Eingeschriebene Patienten, die eine nicht-invasive Beatmung erhalten. (5) Datenerhebungsmethoden, Bewertungen, Interventionen und Zeitplan (welche Bewertungen durchgeführt, wie oft) Daten werden aus mehreren Quellen gesammelt. Die Erstbewertung wird innerhalb von 48 Stunden nach Beginn der mechanischen Beatmung durchgeführt. Vitalfunktionen, letztes Blutgas, CXR-Bericht, Beatmungseinstellungen, pulmonalmechanische und EIT-Bilder werden aufgezeichnet. Vitalfunktionen werden von T3 erfasst. Blutgas wird von Powerchart erfasst. Lungenmechanik- und EIT-Bilder werden vom PulmoVista 500-System erhalten. PulmoVista erhält die Einstellungen des Beatmungsgeräts und die Lungenmechanik über eine Verbindung zum Beatmungsgerät Draeger V500. Ein manuelles Fließschema (Papier) der Befunde wird aufgezeichnet und mit den elektronischen Dateien verglichen. Nach der Überprüfung wird das manuelle Flowsheet ordnungsgemäß entsorgt.

Das Pulmovista 500-System zeichnet nicht nur die regionale Verteilung der Beatmung, sondern auch klinisch nützliche und aktuell aufgezeichnete Informationen wie dynamische Compliance, Widerstand und Einstellungen des Beatmungsgeräts auf. Während das Forschungsteam die Beatmung zu diesem Zeitpunkt nicht anhand von EIT-Bildern/-Daten leiten wird, können die täglich zusammengefassten Trenddaten nützlich sein. Eltern werden nicht davon ausgeschlossen, die Bilder zu sehen, wenn sie dies wünschen. Es werden jedoch keine Daten weitergegeben, es sei denn, das Team fordert dies an. EIT-Bilder oder -Daten werden nicht für routinemäßige klinische Behandlungen oder Eingriffe verwendet, es sei denn, es bestehen Sicherheitsbedenken, bei denen das Team unverzüglich benachrichtigt und um eine klinische Bewertung gebeten wird. Bitte beachten Sie den Abschnitt „Risiko/Nutzen“ des Online-CHeRP-Protokolls.

(6) Studienzeitplan (falls zutreffend)

1. Die anfängliche Einrichtung und Aufzeichnung erfolgt so bald wie möglich nach Beginn der mechanischen Beatmung. Die gesamte Einrichtung und Aufnahme wird voraussichtlich 1 Stunde dauern.
2. In den ersten 5 Tagen der mechanischen Beatmung werden jeden Morgen routinemäßige nachfolgende Aufzeichnungen durchgeführt; dann jeden zweiten Tag bis zur Befreiung.
3. Interventionelle Aufzeichnungen werden innerhalb von 2 Stunden nach Änderungen von 2 cmH2O oder mehr bei PEEP oder MAP, Bauchlage, Intubation, Extubation oder Beatmungsmodi (einschließlich ECMO oder HFV) durchgeführt.

E. Kriterien für unerwünschte Ereignisse und Meldeverfahren Die folgenden Komplikationen werden während des Bildgebungsprozesses überwacht, einschließlich der Studienzeitpläne 1-3 oben, und schwerwiegende Komplikationen werden unverzüglich dem IRB gemeldet. Zu den geringfügigen Ereignissen gehören: Hautreizung, die > als 1 Stunde nach dem Abnehmen des Gürtels anhält, Anstieg der Atemfrequenz um > 20 %, vorübergehende Hypoventilation, bestimmt durch einen Anstieg des ETCO2 um 10 mmHg, vorübergehender Anstieg des FIO2 um > 0,3 und vorübergehend Hypoxie, bestimmt durch eine Entsättigung (< 88 %) für mehr als 1 Minute. Geringfügige Ereignisse, die mehr als dreimal auftreten, werden dem IRB mit einem Aktionsplan zur Vermeidung gemeldet.

Wichtige Ereignisse, die die Studie stoppen und dem IRB unverzüglich gemeldet werden, sind:

• Entsättigung < 80 % (kontinuierlich überwacht durch Pulsoximetrie) für länger als 1 Minute.
• Bradykardie < 60 BPM
• Abnahme der Lungen-Compliance, die mit dem Gürtel in Zusammenhang steht. Alle unerwünschten Ereignisse werden wöchentlich vom gesamten Forschungsteam überprüft und ein detaillierter Fallbericht wird erstellt. Wenn größere oder kleinere Ereignisse mehr als dreimal auftreten, wird die Studie nicht fortgesetzt, bis das Forschungsteam und IRB der Ansicht sind, dass die Fortsetzung sicher ist.

F. Datenverwaltungsmethoden Bei der Einreise wird jedem Patienten zum Zweck der Patientenverfolgung eine eindeutige Nummer zugewiesen, die nicht mit seiner Krankenakte verknüpft ist. Diese Nummer wird in eine private, passwortgeschützte BCH-Forschungsdatenbank (RedCap) eingegeben, auf die nur das Studienpersonal von BCH zugreifen kann.

Während der Datenerfassungsperioden wird für jeden manuell einzugebenden Datenpunkt eine Tabelle am Krankenbett aufbewahrt. Diese Tabelle wird nach Überprüfung der elektrischen und manuellen Daten vernichtet.

G. Qualitätskontrollmethode Die Qualität der Datenübermittlung wird durch einen zweiten Ermittler sichergestellt, der die manuellen und elektronischen Daten bestätigt. RedCap und SPSS-Software werden verwendet, um bei der Analyse der Daten zu helfen und die Datenintegrität sicherzustellen, indem Warnungen für nicht ausgefüllte Felder sowie unerwartete oder möglicherweise falsch eingegebene Ergebnisse eingerichtet werden.

H. Datenanalyseplan EIT-Daten: Das Lungenbildgebungssystem ist das Dräger PulmoVista 500 (Dräger Medical, Lübeck, Deutschland). Sechzehn koplanare Elektroden werden äquidistant um den Thorax auf Höhe des parasternalen sechsten Interkostalraums platziert. Die Referenzelektrode wird auf der rechten Seite des Bauches in der Nähe der Taille platziert. Die Elektroden Nr. 1 und Nr. 16 werden symmetrisch links bzw. rechts vom Brustbein platziert, so dass die Elektroden Nr. 8 und Nr. 9 die Wirbelsäule überspannen. Diese Konfiguration führt zu transversalen Bildern in der radiologischen Konvention, kaudal nach kranial, ähnlich einem Katzenscan. Die Lungenbildrekonstruktion erfolgt gemäß dem Grazer Konsensus für elektrische Impedanztomographie (GREIT)34 unter Verwendung der Electrical Impedance and Diffuse Optical Reconstruction Software.35 Die Daten der einzelnen Probanden werden gefiltert und die Bilder werden mithilfe der oben genannten Open-Source-Softwareplattform rekonstruiert. Jedes rekonstruierte Lungenbild wird dann in interessierende Regionen segmentiert und Änderungen der Impedanz für jede Region werden transkribiert. Das Verfahren wird für jede der einzelnen Fächer der EIT-Aufnahmen wiederholt. Darüber hinaus werden wir nur zu Beobachtungszwecken einen Algorithmus verwenden, der von der aktuellen Forschungsgruppe entwickelt wurde, um festzustellen, wann Änderungen in der Lungenmechanik wahrscheinlich eine Überdehnung oder einen Kollaps der Lunge widerspiegeln.20 Diese diskreten Punkte und die mechanischen Beatmungseinstellungen, bei denen sie erfasst wurden, werden transkribiert und mit dem Pflegestandard pro Praxiseinheit verglichen. Impedanzänderungen zeigen an, wie offen oder geschlossen die Lunge ist. Dieser Ansatz wurde zuvor von unserer Forschungsgruppe ausführlich beschrieben.20 I. Statistische Aussagekraft und Überlegungen zu Stichproben Alterskategorien

1- < 6 Monate 6 Monate - < 1 Jahr 1-7 Jahre 8-14 Jahre > 14 Jahre Dies ist eine Pilot-Beobachtungsstudie an künstlich beatmeten Kindern auf unseren pädiatrischen Intensivstationen. Wir haben ein Ziel von 50 Patienten innerhalb von zwei Jahren vorgeschlagen. Wir rechnen mit einer Abbrecherquote von 10 %. Unser Ziel wäre es, 5-7 Patienten für jede Alterskategorie unten zu erhalten. Da unsere Erfahrung und die vorläufigen Daten auf diesem Gebiet schwere Lungenverletzungen und die Tatsache betreffen, dass wir heterogene mechanisch beatmete Patienten untersuchen möchten, waren wir nicht in der Lage, eine genaue Stichprobengröße zu bestimmen, und haben dies daher als Pilotstudie festgelegt . Patienten mit Lungenerkrankungen mit geringem Lungenvolumen, wie z. B. ARDS, CDH, hypoxische respiratorische Insuffizienz, Patienten, die wegen möglicher ECMO verlegt werden, und Asthmatiker werden bevorzugt behandelt.

J. Studienorganisation Pilotstudie einer einzelnen Institution.