Auswirkungen einer High-Flow-Nasenkanüle auf die Verringerung des Totraums und die regionale Verteilung der Ventilation (HFNC)

Hintergrund und Bedeutung In der Vergangenheit wurden Sauerstoff-Nasenkanülen bei hypoxämischen Patienten als Therapie zur Steigerung der arteriellen Oxygenierung eingesetzt. In der Neugeborenengemeinschaft wurden Sauerstoffflüsse > 2 l/min und > 4 l/min bei pädiatrischen Patienten selten verwendet, da die Möglichkeit einer übermäßigen Austrocknung der Nasenschleimhaut und des Risikos einer Hypothermie besteht. Es wurde spekuliert, dass größere pädiatrische und erwachsene Patienten Flussraten von mehr als 4 l/min besser tolerieren können, da die große Oberfläche der Nasenschleimhaut die Hydratation von trockenen Gasen medizinischer Qualität unterstützen kann. Die High-Flow-Nasenkanülentherapie (HFNC) ist eine Form der Atmungsunterstützung, die Flüsse bereitstellt, von denen angenommen wird, dass sie die spontanen inspiratorischen und exspiratorischen Flussraten eines Patienten überschreiten. In den letzten zehn Jahren wurde eine Vielzahl von beheizten und befeuchteten High-Flow-Nasenkanülen (HFNC)-Geräten in die klinische Umgebung eingeführt. Diese Geräte sind für eine optimale Erwärmung und Befeuchtung von medizinischen Gasen und unabhängig von der Durchflusseinstellung vorgesehen. Im Fall von Neugeborenen, die die vorherrschende Patientenpopulation waren, die HFNC erhielt, besteht eindeutig kein Konsens darüber, welche Durchflüsse in dieser Population „hoch“ sind. Wenn „hoch“ eine Flussrate bedeuten soll, die die spontane inspiratorische Flussrate übersteigt, dann gibt es keine vernünftige klinische Messung, um diese Beziehung festzustellen. Daher bleibt die wahre Definition von HFNC ein schwer fassbarer Begriff, und unser Protokoll hofft, etwas Licht in dieses Thema zu bringen.

Unsere prospektive randomisierte Studie zu den Auswirkungen von 3 verschiedenen Sauerstoff-Nasenkanülen-Durchflussraten (niedrig, mittel und hoch) auf Atemfrequenz, SPO2, transkutanes CO2 und regionale Verteilung der Beatmung, gemessen mit EIT, wird Klinikern helfen, eine Reihe von HFNC-Durchflussraten zu definieren bei dem eine Totraumauswaschung ohne positiven Dehnungsdruck auftritt (niedriger Bereich) und bei der eine Totraumauswaschung bei positivem Druck auftritt, der eine regionale Verteilung von Ventilationsänderungen erzeugt.

C. Vorstudien Eine neonatale Quelle definiert HFNC als Flows > 1 l/min und eine andere definiert Flows > 3 l/min als HFNC.1 Die Klassifizierung wird bei größeren pädiatrischen und erwachsenen Patienten weiter erschwert, bei denen überhöhte Flows während HFNC berichtet wurden von denen, die traditionell mit einer Standard-Nasenkanüle verwendet werden, ~ 6 l/min) und bis zu 30-40 l/min.2 Mit der technologischen Fähigkeit, bessere Wärme und Feuchtigkeit bereitzustellen, haben Kliniker herausgefunden, dass HFNC in der Lage sein könnte, einen größeren Anteil von Patienten zu unterstützen, die andernfalls einen kontinuierlichen positiven Atemwegsdruck (CPAP), eine nichtinvasive Beatmung (NIV) oder eine invasive mechanische Beatmung benötigen würden. Es gibt mehrere vorgeschlagene Mechanismen, durch die HFNC eine größere Atmungsunterstützung bieten kann als Standard-Sauerstoffabgabegeräte.

Flüsse, die die exspiratorische Flussrate überschreiten, können während des Ausatmens einen „Gegendruck“ an der nasalen Atemwegsöffnung erzeugen, der dem nasalen CPAP ähnelt. Zusätzlich können Gase ein physiologisches Spülen von Kohlendioxid aus dem anatomischen Totraum über ein anatomisches Leck (nasaler/oraler Atemweg) bewirken. Diese Auswirkungen variieren wahrscheinlich je nach Flow, Atemminutenvolumen, Patientengröße, Leckage und dem Verhältnis zwischen Nasenluftwegöffnung und Prong-Größe. Derzeit gibt es drei von der FDA zugelassene HFNC-Systeme. Die klinische Akzeptanz hängt mit der Tatsache zusammen, dass HFNC kostengünstiger und einfacher zu bedienen ist und eine weniger komplizierte Atemwegsschnittstelle erfordert als ein Standard-CPAP- oder NIV-Gerät. Ein weiterer vorgeschlagener Vorteil besteht darin, dass HFNC-Prongs im Allgemeinen weniger okklusiv sind und weniger Verletzungen der nasalen Atemwege verursachen können als CPAP-Prongs oder eine BiPAP-Maske. Die weit verbreitete Akzeptanz und Anwendung dieses Ansatzes wurde mit sehr wenigen experimentellen Daten implementiert, um die HFNC-Flusseinstellungen als sichere und wirksame Option bei allen Patienten mit hypoxischer Ateminsuffizienz zu unterstützen.

Elektrische Impedanztomographie (EIT) Die elektrische Impedanztomographie nutzt Änderungen der Impedanz in luftgefüllten und gewebegefüllten Räumen, um die regionale Verteilung des Lungenvolumens am Krankenbett zu charakterisieren und zu quantifizieren. Diese Technologie wurde in Studien an Tieren3 und Menschen4,5 validiert, die in den letzten zehn Jahren am Boston Children's Hospital durchgeführt wurden. Die Technologie verwendet eine Reihe von 16 Elektroden, die auf der Brust des Patienten platziert werden (Abbildung 1). Da kleine Ströme zwischen den Elektroden geleitet werden, wird die Impedanz zwischen und zwischen den Reihen gemessen. Durch eine komplexe Abfrage und Manipulation dieser Impedanzwerte entsteht ein zweidimensionales Bild (Abbildung 2), das nachweislich mit klinischen und röntgenologischen Veränderungen bei Patienten korreliert4. Die Fähigkeit, das Lungenvolumen und die regionale Gasverteilung nicht-invasiv und in Echtzeit abzuschätzen, kann uns Aufschluss darüber geben, welche Art der Beatmung effektiver ist.

Physiologische Wirkungen und Sicherheit von HFNC Es gibt mehrere vorgeschlagene physiologische Mechanismen, durch die angenommen wird, dass HFNC wirksam ist. Dazu gehören: 1) Spülen des Totraums der oberen Atemwege von CO2, was einen besseren alveolären Gasaustausch ermöglicht; 2) Bereitstellen eines Flusses, der angemessen ist, um die Inspiration zu unterstützen, wodurch die Inspirationsarbeit des Atmens verringert wird; 3) Verbesserung der Lungen- und Atemwegsmechanik durch Eliminieren der Effekte des Trocknens/Kühlens; 4) Reduzieren oder Eliminieren der metabolischen Kosten der Gaskonditionierung; und 5) Bereitstellen eines positiven exspiratorischen Ausdehnungsdrucks. Während diese Variablen entweder an Tieren oder Menschen gemessen wurden, haben Kurzzeitstudien nur eine kleine Anzahl von Probanden aufgenommen und waren nicht speziell darauf ausgelegt, die Sicherheit von HFNC zu untersuchen.

Hasan et al. beobachteten die Auswirkungen des Drucks, der in einem statischen neonatalen Lungenmodell unter Verwendung von zwei im Handel erhältlichen HFNC-Geräten mit Flüssen zwischen 0-12 l/min und bei unterschiedlichen Leckageeinstellungen erzeugt wurde.6 Sie demonstrierten in einem Nasenlochmodell, bei dem das Leck minimiert wurde (Mund geschlossen), dass ein systematischer Anstieg des simulierten Luftröhrendrucks proportional zu erhöhten Flüssen war. Die gemessenen Atemwegsdrücke waren ähnlich wie bei nasalem CPAP (~5-6 cmH2O bei Flüssen von ~6-8 l/min).

Frizzola und Kollegen maßen Trachealdruck und Gasaustausch bei 13 lungengeschädigten neugeborenen Ferkeln, unterstützt durch N-CPAP und HFNC, unter Bedingungen mit hoher und niedriger Leckage.7 Das wichtigste Ergebnis dieser Studie war, dass die HFNC-Trachealdrücke mit CPAP-Drücken im gleichen Flussbereich vergleichbar waren und dass das Auswaschen des nasopharyngealen Totraums mit einer verbesserten Beatmung und Sauerstoffversorgung verbunden ist, unabhängig vom Trachealdruck allein während der HFNC.

Eine Reihe von Kurzzeitstudien hat das Ausmaß des sich ausdehnenden Drucks in der Lunge bei einer kleinen Gruppe von Säuglingen untersucht. Sreenan et al. fanden heraus, dass bei einer Gruppe von 40 Frühgeborenen ähnliche endexspiratorische Pleuradrücke zwischen einer Standard-Nasenkanüle mit Sauerstoffzufuhr (1-2,5 l/min) und N-CPAP aufrechterhalten werden konnten, ohne Unterschiede bei Entsättigungen, Bradykardie und Apnoe. 8 Dieser Druck ist jedoch aufgrund des Lecks und des Verhältnisses zwischen Luftweg und Kanülengröße wahrscheinlich sehr variabel. Lampland beobachtete ähnliche endexspiratorische Pleuradrücke zwischen HFNC (2-6 l/min) und N-CPAP 6 cm H2O bei Frühgeborenen.9 Eine aktuelle Cochrane-Metaanalyse wertete prospektive, randomisierte, kontrollierte Studien aus, die auf Frühgeborene beschränkt waren.1 Das primäre Ziel dieser Metaanalyse war die Bestimmung der Sicherheit und Wirksamkeit von HFNC. Bei Verwendung als primäre Atemunterstützung nach der Geburt ergab eine Studie ähnliche Raten von Behandlungsversagen bei Säuglingen, die mit HFNC (5-6 l/min) und nasalem CPAP behandelt wurden.10 Nach der Extubation ergab eine Studie, dass Säuglinge, die mit HFNC (1,8 l/min) behandelt wurden, einen signifikant größeren Bedarf an Reintubation hatten als Säuglinge, die mit nasalem CPAP behandelt wurden.11 Eine andere Studie ergab ähnliche Reintubationsraten für befeuchtetes und nicht befeuchtetes HFNC (~ 2-3 l/min)12 und die vierte Studie fand keinen Unterschied zwischen zwei verschiedenen Gerätemodellen, die zur Abgabe von befeuchtetem HFNC (6 l/min) verwendet wurden.13 Es waren nur wenige Patienten in diese Studien eingeschlossen und in zwei Studien (Woodhead, Miller) wurden schlechte methodische Ansätze verwendet. In einer Studie wurde die Aufnahme aufgrund von Infektionen im Zusammenhang mit dem verwendeten HFNC-Gerät abgebrochen.10 Basierend auf diesen Ergebnissen gibt es keine ausreichenden Beweise, um die Sicherheit oder Wirksamkeit von HFNC innerhalb des Bereichs der häufig verwendeten Flows und als Form der Atmungsunterstützung bei Frühgeborenen zu belegen. Diese Daten zeigen auch, dass HFNC, wenn es nach einer Extubation verwendet wird, mit einer höheren Reintubationsrate verbunden sein kann als nasales CPAP.14 Es wurden keine Studien zur Bewertung der Sicherheit und Wirksamkeit bei größeren Säuglingen und anderen pädiatrischen Patienten durchgeführt. Trotz des Mangels an unterstützenden Beweisen wird HFNC immer noch auf vielen pädiatrischen Intensivstationen (PICU) mit Flows von ≥ 20 l/min durchgeführt, und es wurden nur wenige Studien mit Erwachsenen durchgeführt, in denen diese hohen Flows während HFNC verwendet wurden. Daher ist es schwierig, diese Ergebnisse zu extrapolieren, um die Verwendung ähnlicher Flows bei Kindern zu fördern. Es ist offensichtlich, dass HFNC einige der gleichen klinischen Vorteile bieten kann wie CPAP oder sogar NIV mit einem weniger komplizierten nasalen Atemweg oder einer naso-oralen Schnittstelle. Während nasales CPAP als Zwischenform der Unterstützung zwischen Sauerstofftherapie und invasiver Beatmung bei Neugeborenen dient, ist es bei größeren Kindern und Erwachsenen üblicher, mit Bi-Level-NIV als Alternative zur invasiven Beatmung unterstützt zu werden. Es gibt überzeugende Daten, die auch den Einsatz von NIV bei Neugeborenen unterstützen, um die Beatmungseffekte von nasalem CPAP zu verstärken. HFNC liefert nicht nur einen CPAP-ähnlichen Ausgangsdruck, sondern erhöht auch die alveoläre Ventilation auf ein Niveau, das NIV ähneln kann.

D. Design und Methoden

1. Studiendesign

   a. In einer prospektiven, randomisierten Studie mit drei verschiedenen Flussraten von HFNC werden wir die Ergebnisse der regionalen EIT-Verteilung, des transkutanen CO2 und der Atemfrequenz bewerten.

2. Patientenauswahl und Einschluss-/Ausschlusskriterien

   a. Einschlusskriterien i. Alle Patienten, die HFNC wegen Hypoxie erhalten ii. Alter: 1 Tag (> 38 Wochen GA Neugeborenes oder älter) bis 17 Jahre. b. Ausschlusskriterien i. Patienten mit angeborenen Herzfehlern. ii. Patienten, von denen das medizinische Team glaubt, dass sie eine dringende Eskalation der nicht-invasiven Therapie oder eine unmittelbar bevorstehende Intubation benötigen könnten.

   iii. Patienten mit einem FIO2 > 0,6 auf dem höchsten in der Studie angebotenen Flussniveau.

   iv. Patienten mit geschwächtem Immunsystem und/oder Zustand nach Knochenmarktransplantation v. Patienten mit vasoaktiver Unterstützung zur Aufrechterhaltung des Blutdrucks oder der Herzfrequenz vi. Patienten mit bekannter Atemwegsanomalie, z. Pierre-Robin, Tracheomalazie. vii. Patientinnen unter 38 Wochen Gestationsalter viii. Patienten unter 3 kg ix. Wenn das EIT-Band/die Elektroden aufgrund von Größen-/Gewichtsbeschränkungen nicht richtig auf der Brust positioniert werden können x. Wenn das medizinische Team der Ansicht ist, dass der Patient aufgrund medizinischer, sozialer oder emotionaler Bedenken nicht für die Teilnahme an der Studie geeignet ist

3. Beschreibung der Studienbehandlungen oder Expositionen/Prädiktoren Nach informierter Zustimmung werden Patienten, denen eine HFNC-Therapie verordnet wurde, stündlich auf eskalierende Flows (niedrig bis hoch) oder deeskalierende (hoch bis niedrig) randomisiert und dann auf ihre vorherige Flow-Einstellung zurückgesetzt. Je nach Alter werden sie 1 Stunde lang auf drei verschiedene Flusseinstellungen gesetzt, wie in Tabelle 1 gezeigt, mit einem Außendurchmesser der Nasenkanüle, der nicht größer als 50 % des Innendurchmessers der Nasenlöcher ist. Tabelle 1 wurde basierend auf drei bekannten Tidalvolumina von 4, 6 und 8 ml/kg mit einer Inspirationszeit von 33 % und der höchsten normalen Atemfrequenz entwickelt. Messungen von SPO2, EIT, TCM CO2 und Atemfrequenz werden alle 15 Minuten aufgezeichnet. FIO2 wird angepasst, um SPO2 bei 90-95 % zu halten.

   Transkutanes CO2 (TCM) (Sentec) wird 30 Minuten vor der Randomisierung platziert, um eine Äquilibrierung mit der Hautoberfläche zu ermöglichen. Wir platzieren das TCM bei Patienten unter 15 kg auf der linken oberen Brust und bei Patienten > 15 kg am Ohrläppchen. Das Gerät ist von der FDA zugelassen und wärmt die Haut, um die Diffusion von CO2 durch die Hautmembran und den Sensor zu ermöglichen. Dieses Gerät wird es uns ermöglichen, einen modifizierten Belüftungsindex zu entwickeln.

   EIT-Messungen – EIT-Messungen werden vor der Randomisierung und 1 Stunde nach jeder der drei Flussbereichsänderungen durchgeführt. Dazu wird ein Band mit 16 Elektroden um die Brust des Patienten gelegt, direkt unterhalb der Brustwarzenlinie.

   Pulsoximetrie und Co-Oxymetrie – SpO2, S/F-Verhältnis (SpO2-zu-FIO2-Verhältnis), SpHb (nicht-invasives HGB) und SpOC (Sauerstoffgehalt) werden kontinuierlich über einen Zeitraum von 3 Stunden überwacht. Der durchschnittliche SpO2-Wert, das S/F-Verhältnis und der SpOC-Wert werden aus den gestreamten Daten berechnet, die vom Masimo RAD-7 über einen Laptop-Computer erfasst wurden. Untersättigungen werden als SpO2 < 85 % definiert und gemeldet. Excel wird verwendet, um diese Funktionen auszuführen. Eine von der FDA zugelassene Einweg-SPO2-Sonde wird am Finger, Daumen oder Zeh des Patienten angebracht.

4. Definition von primären und sekundären Ergebnissen/Endpunkten a. Primär i. Sauerstoffversorgung 1. Höherer SPO2 bei niedrigerem FIO2 (S/F-Verhältnis) 2. SpOC und Häufigkeit von Entsättigungen ii. Beatmung 1. Atemfrequenz senken 2. TCM CO2 senken b. Sekundär i. Regionale Verteilungsdifferenz, gemessen durch EIT 1. Fläche und oberes zu unteres Verhältnis werden die primären analysierten Daten sein 2. Regionale Füllung der Lunge wird verglichen.
5. Datenerhebungsmethoden, Bewertungen, Interventionen und Zeitplan (welche Bewertungen durchgeführt, wie oft) Die Daten werden kontinuierlich auf den Computern der einzelnen Geräte (Draeger EIT, Sentec TCM, Masimo SPO2) aufgezeichnet. Die Daten werden entweder mit einem USB-Laufwerk oder einer PCMC-Karte heruntergeladen und zur Analyse in einer Excel-Tabelle zusammengeführt. Die Daten werden alle 15 Minuten für die gesamten 3 Stunden manuell aufgezeichnet.
6. Studienzeitplan a. Siehe Abbildung drei.

E. Kriterien für unerwünschte Ereignisse und Meldeverfahren Da es sich hierbei um eine Pilotstudie handelt, wird der PI jedes schwerwiegende unerwünschte Ereignis überprüfen. Die folgenden Komplikationen werden überwacht, aber nur schwerwiegende Komplikationen werden dem IRB gemeldet. Geringfügige Ereignisse sind: Bradykardie (10 % unter dem Ausgangswert), Anstieg der Atemfrequenz > 20 %, Anstieg des TCpCO2 um 10 mmHg, Anstieg des FIO2 um > 0,3, Hypoventilation (Atemanhalten länger als 15 Sekunden) und Entsättigung (

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 Alle größeren und kleineren Ereignisse werden vom klinischen Forschungskoordinator überwacht und dem PI gemeldet.

F. Methoden der Datenverwaltung Bei der Einreise wird jedem Patienten zum Zwecke der Patientenverfolgung eine eindeutige Nummer zugewiesen, die nicht mit seiner Krankenakte verknüpft ist. Diese Nummer wird in ein privates, passwortgeschütztes BCH-Forschungslaufwerk eingegeben, auf das nur das Studienpersonal von BCH zugreifen kann.

Während der Datenerfassung (3 Stunden) wird für jeden manuell einzugebenden Datenpunkt eine Tabelle am Krankenbett aufbewahrt.

G. Qualitätskontrollmethode Die Qualität der Datenübermittlung wird durch einen zweiten Ermittler sichergestellt, der die manuellen und elektronischen Daten bestätigt. SPSS-Software wird 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 erstellt werden.

H. Datenanalyseplan Wir gehen davon aus, dass Unterschiede von >10 % in der Atemfrequenz zwischen den Flusseinstellungen als signifikant betrachtet werden. Wir betrachten einen Unterschied von > 20 % bei TCM CO2 und SPO2 als signifikant.

EIT-Daten: Das Lungenbildgebungssystem ist das Dräger EIT 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 wird gemäß dem Grazer Konsensus für elektrische Impedanztomographie (GREIT) (15) unter Verwendung der Electrical Impedance and Diffuse Optical Reconstruction Software (16) durchgeführt. Einfach ausgedrückt besteht die Idee darin, alle Verschiebungen im Zentrum der Ventilation zu beobachten, indem das Verhältnis der ventralen zu dorsalen Impedanzänderungen ( ) während jedes Teils der Studie bewertet wird. Impedanzänderungen zeigen an, wie offen oder geschlossen die Lunge ist. Dieser Ansatz wurde zuvor von unserer Forschungsgruppe ausführlich beschrieben (17).

I. Statistische Aussagekraft und Überlegungen zur Stichprobe Die Aussagekraftanalyse zeigt auf der Grundlage wiederholter Messungen von drei verschiedenen Flüssen pro Patient, dass 35 Patienten (7 pro Alterskategorie) für eine Effektgröße von 0,2, ein Alpha von 0,05 und eine Aussagekraft von 0,8 erforderlich sind. Unterschiede in den Mittelwerten Oxygenierung (SPO2- und S/F-Verhältnis), Ventilation (TCM CO2) und EIT (U/L-Verhältnis) zwischen jeder Behandlungsgruppe werden stündlich über den dreistündigen Testzeitraum nach der Randomisierung unter Verwendung von ANOVA mit Tukey-Post verglichen -hoc-Test.

J. Studienorganisation Pilotstudie einer einzelnen Institution.