Studio osservazionale di coorte sulla distribuzione della ventilazione in pediatria che richiede ventilazione meccanica mediante tomografia ad impedenza elettrica (EIT)

A. Scopi/obiettivi specifici Scopo specifico 1: Determinare la conformità regionale e la distribuzione della ventilazione in una coorte di bambini che necessitano di ventilazione meccanica. Ipotesi - In tutti i pazienti verrà scoperta una distribuzione anomala della ventilazione.

Obiettivo specifico 2: determinare i cambiamenti nella distribuzione regionale della ventilazione nel corso della terapia di ventilazione meccanica. Ipotesi - La distribuzione della ventilazione regionale cambierà significativamente con il miglioramento della funzione polmonare del paziente e con il progredire verso la liberazione dalla ventilazione meccanica.

Obiettivo specifico 3: confrontare gli algoritmi di ventilazione guidata EIT precedentemente sviluppati dal team di ricerca BCH con le decisioni del team medico riguardanti la ventilazione meccanica. Ipotesi: gli algoritmi di ventilazione guidata EIT identificheranno i cambiamenti per ridurre al minimo l'atelettasia e la sovradistensione prima delle decisioni del team clinico.

B. Contesto e significato Le decisioni cliniche riguardanti il ​​ventilatore meccanico si basano in gran parte sul giudizio clinico tipicamente basato su valutazioni intermittenti e soggettive di parametri fisiologici rilevanti che riflettono solo la funzione polmonare globale e senza considerazione per la distribuzione regionale della ventilazione. Fino a poco tempo fa non esisteva un modo per determinare la distribuzione regionale della ventilazione senza esporre un paziente a radiazioni sotto forma di radiografia del torace (CXR) o tomografia computerizzata (TC). CT e CXR forniscono informazioni specifiche a livello regionale, ma solo come un'istantanea nel tempo. Determinare in che modo le diverse regioni del polmone rispondono agli interventi terapeutici nel tempo è una sfida. Tuttavia, il nostro team di ricerca ha una vasta esperienza di ricerca con una tecnologia di imaging medico non invasiva e priva di radiazioni chiamata tomografia a impedenza elettrica (EIT). L'EIT fornisce informazioni regionali sui cambiamenti nella ventilazione. Questa ulteriore fonte di informazioni potrebbe aiutare a ottimizzare la ventilazione meccanica fornendo ai medici al posto letto un supporto decisionale continuo poiché i dati EIT possono essere utilizzati per avvisare quando viene rilevato un collasso regionale o un'eccessiva distensione. Tuttavia, ci sono pochi dati che descrivono i cambiamenti nella distribuzione della ventilazione nel tempo o al variare delle condizioni del paziente.

Tomografia ad impedenza elettrica (EIT) Barber e Brown hanno introdotto la tomografia ad impedenza elettrica nella comunità medica all'inizio degli anni '80. Da lì è stato esplorato un ampio spettro di applicazioni in medicina che vanno dallo svuotamento gastrico, alla funzione cerebrale, all'imaging del seno, alla funzione polmonare. Riteniamo che il vantaggio più prezioso dell'EIT risieda nel monitoraggio della funzione polmonare regionale nei pazienti critici. I primi dispositivi EIT erano suscettibili alla scarsa sensibilità e all'interferenza del segnale in ambito clinico. Dopo anni e un rinnovato interesse da parte di alcune aziende commerciali interessate alla tecnologia della ventilazione, molte di queste carenze sono state risolte. Come con qualsiasi nuova modalità, l'EIT e la sua utilità e applicazione clinica devono essere esplorate metodicamente; pertanto proponiamo questo protocollo IRB per avvicinarci ulteriormente in questo viaggio per sviluppare uno strumento clinicamente utile9.

La tomografia dell'impedenza elettrica sfrutta i cambiamenti nell'impedenza elettrica tra gli spazi pieni d'aria rispetto a quelli pieni di tessuto o liquido al fine di caratterizzare e quantificare la distribuzione regionale del volume polmonare al letto del paziente. Questa tecnologia è stata convalidata in studi su animali10 e umani11,12. La tecnologia utilizza una serie di 16 elettrodi posizionati sul torace del paziente. Quando piccole correnti, che non sono rilevabili dal soggetto, vengono fatte passare tra gli elettrodi, l'impedenza viene misurata tra e tra le serie. Attraverso una complessa interrogazione e manipolazione di questi valori di impedenza, si forma un'immagine bidimensionale che ha dimostrato di essere correlata con i cambiamenti clinici e radiografici nei pazienti.11 La capacità di stimare il volume polmonare e la distribuzione regionale del gas in modo non invasivo e in tempo reale può darci un'idea di quale modalità di ventilazione o impostazione sia più efficace nell'ottimizzare la ventilazione a pressione positiva.

Abbiamo scelto di collaborare con Draeger Medical (Lubecca, Germania) attraverso un CTA per esplorare l'uso del loro prodotto disponibile in commercio in Europa (non approvato dalla FDA), attraverso la direttiva europea 93/42/CEE (dispositivi medici) e soddisfa la norma EN ISO 9001 e EN ISO 13485. Il Boston Children's Hospital ha una vasta esperienza con il proprio sistema prototipo che ha portato al prodotto finale denominato PulmoVista 500. Il PulmoVista 500 utilizza 16 elettrodi per misurare le tensioni utilizzate per la ricostruzione dell'immagine. Le simulazioni matematiche basate su questa disposizione degli elettrodi dimostrano una risoluzione spaziale del 15% del diametro toracico; tuttavia la risoluzione diminuisce al 20% verso il centro del corpo. Mentre gli scanner CT in genere forniscono immagini costituite da 512 x 512 o pixel superiori, le immagini EIT dal PulmoVista 500 consistono solo di 32 x 32 pixel, che sono 256 volte meno pixel rispetto alle immagini CT9. Tuttavia, il nostro team intende utilizzare l'EIT al capezzale e all'interno dell'ambiente di terapia intensiva per guidare la terapia ventilatoria in futuro piuttosto che essere uno strumento diagnostico ad alta risoluzione come la TC o la risonanza magnetica. Il nostro intento non è quello di sostituire l'imaging TC o MRI del polmone, ma sviluppare uno strumento al posto letto per guidare la ventilazione in futuro che possa essere applicato in modo continuo e con pochissimi rischi. La caratterizzazione di una coorte di bambini in condizioni critiche ventilati meccanicamente, come proposto in questo protocollo, rappresenta un passo importante verso l'utilità clinica dell'EIT.

C. Studi preliminari Le attuali strategie per fornire una ventilazione polmonare protettiva si basano sull'evitare le condizioni associate al danno polmonare. C'è un crescente interesse nello sviluppo di piani di trattamento di ventilazione meccanica personalizzati. È stato dimostrato che l'uso dell'EIT è un metodo accurato per monitorare le variazioni del volume polmonare regionale negli animali e nell'uomo.10, 13, 14 Mentre le immagini radiologiche e EIT forniscono entrambe informazioni sulla distribuzione regionale dell'aria nei polmoni, le caratteristiche dell'immagine fornite da queste modalità sono molto diverse. Le immagini radiologiche del polmone forniscono informazioni sul contenuto d'aria e riflettono, a seconda del momento in cui sono state scattate le immagini, lo stato di fine inspirazione, di fine espirazione o una condizione polmonare intermedia. Le immagini EIT riflettono la funzione polmonare, non il polmone stesso, il che significa che EIT mostra regioni polmonari ventilate piuttosto che strutture morfologiche o anatomiche del polmone.9 Tuttavia, le informazioni regionali contenute nelle immagini EIT e CT sono strettamente correlate tra loro quando condizioni patologiche come versamento pleurico o atelettasia portano a regioni polmonari non aerate e non ventilate. Mentre le immagini TC mostrano regioni polmonari con aria intrappolata (ad es. pneumotorace) in nero a causa del grande contenuto d'aria, l'EIT mostra anche quelle regioni in nero perché non sono ventilate.15, 16 Viceversa un'immagine TC può indicare una regione di tessuto polmonare consolidato in un colore bianco a causa dell'elevato contenuto di fluidi, mentre questa regione potrebbe essere visualizzata nell'immagine EIT in colore nero o blu scuro, se questa regione non è o è solo parzialmente ventilata .17 È stato dimostrato che l'EIT in modelli animali e casi clinici umani è un determinante accurato dei pneumotorace.15, 18, 19 Più recentemente, i parametri derivati ​​dall'EIT sono stati utilizzati per differenziare il polmone atelettasico, sovradisteso e adeguatamente reclutato in diverse regioni polmonari da un certo numero di ricercatori.10, 20-28 Nonostante la capacità dell'EIT di monitorare il comportamento polmonare regionale, l'uso di indici derivati ​​dall'EIT non ha dimostrato di migliorare i risultati negli animali o nell'uomo con danno polmonare acuto fino all'anno scorso, quando Drs. Wolf, Arnold e colleghi hanno sviluppato una strategia di ventilazione meccanica guidata EIT che si è dimostrata promettente in un modello animale.29 Attraverso questo modello traslazionale sono stati in grado di dimostrare che la ventilazione guidata EIT era superiore a un protocollo di ventilazione nazionale e standardizzato chiamato Acute Respiratory Distress Syndrome Network ( ARDSNet) Protocollo ventilatore.30-33 L'obiettivo di questo studio è esaminare la distribuzione regionale nei pazienti pediatrici che richiedono terapia di ventilazione meccanica.

D. Disegno e metodi (1) Disegno dello studio In uno studio prospettico osservazionale misureremo obiettivamente la compliance regionale e la distribuzione della ventilazione mediante EIT nei pazienti che necessitano di ventilazione meccanica.

(3) Descrizione dei trattamenti dello studio o delle esposizioni/predittori Dopo l'approvazione della partecipazione e il consenso informato, i pazienti che soddisfano i criteri di inclusione e nessuno dei criteri di esclusione (1) passeranno alla stessa identica impostazione sul ventilatore Draeger V500 approvato dalla FDA. (2) Verrà condotta una valutazione clinica da parte del terapista respiratorio e dell'infermiere responsabili per garantire che le impostazioni trasferite siano appropriate e secondo lo standard della pratica. (3) Il dispositivo PulmoVista 500 EIT sarà configurato e sottoposto a controlli di sicurezza in base alla formazione fornita e al manuale operativo. (4) Il sistema di elettrodi fornito sarà posizionato intorno al torace del paziente come nella figura 2. (5) Il sistema EIT sarà collegato alla serie di elettrodi e al ventilatore V500. (6) Una volta determinata la qualità del segnale appropriata, verrà eseguita una registrazione e salvata in modo sicuro. (7) La cintura e il dispositivo EIT verranno rimossi e riposti in deposito e il ventilatore V500 rimarrà sul paziente per il ciclo di ventilazione. L'impegno iniziale per la configurazione e il monitoraggio è di circa 1 ora. (8) Le registrazioni ripetute verranno eseguite ogni mattina per i primi 5 giorni, poi a giorni alterni se sono richiesti > 5 giorni di ventilazione meccanica ed entro 2 ore dopo interventi importanti come posizione prona, aumento o diminuzione della PEEP o MAP di 2 cmH2O o superiore, manovre di reclutamento, intubazione (se in ventilazione non invasiva) e prima e dopo l'estubazione. Gli eventi di monitoraggio di follow-up dureranno circa 30 minuti. Nessuna sessione di preparazione o monitoraggio sarà effettuata senza l'approvazione dell'infermiere al capezzale e del terapista respiratorio.

Modifica delle esposizioni al trattamento

Il passaggio del paziente al ventilatore Draeger V500 non avverrà nelle seguenti situazioni:

1. I pazienti che sono ritenuti troppo instabili dalla ricerca in collaborazione con il team medico per passare al V500, ma sono abbastanza stabili per applicare la cintura EIT saranno studiati senza il ventilatore Draeger V500. Verrà invece condotta la registrazione manuale delle impostazioni e delle misurazioni del ventilatore.
2. Pazienti arruolati che ricevono ventilazione non invasiva. (5) Metodi di raccolta dei dati, valutazioni, interventi e programma (quali valutazioni eseguite, quanto spesso) I dati saranno raccolti da diverse fonti. La valutazione iniziale verrà eseguita entro 48 ore dall'inizio della ventilazione meccanica. Verranno registrati i segni vitali, l'ultimo gas del sangue, il rapporto CXR, le impostazioni del ventilatore, la meccanica polmonare e le immagini EIT. I segni vitali saranno raccolti dal T3. L'emogas sarà catturato da Powerchart. La meccanica polmonare e le immagini EIT saranno ottenute dal sistema PulmoVista 500. Il PulmoVista otterrà le impostazioni del ventilatore e la meccanica polmonare tramite una connessione al ventilatore Draeger V500. Verrà registrato un foglio di flusso manuale (cartaceo) dei risultati e confrontato con i file elettronici. Una volta verificato, il foglio di flusso manuale verrà smaltito correttamente.

Il sistema Pulmovista 500 tende non solo alla distribuzione regionale della ventilazione, ma anche a informazioni clinicamente utili e attualmente registrate come la compliance dinamica, la resistenza e le impostazioni del ventilatore. Mentre il gruppo di ricerca non guiderà la ventilazione in questo momento dalle immagini/dati EIT, i dati di tendenza riepilogati giornalmente potrebbero essere utili. I genitori non saranno esclusi dal vedere le immagini se lo desiderano. Tuttavia, nessun dato verrà condiviso se non richiesto dal team. Le immagini o i dati EIT non verranno utilizzati per cure o interventi clinici di routine, a meno che non vi siano problemi di sicurezza in cui il team verrà immediatamente informato e gli verrà chiesto di valutare clinicamente. Consultare la sezione Rischi/Benefici del protocollo CHeRP online.

(6) Cronologia dello studio (se applicabile)

1. L'impostazione iniziale e la registrazione verranno condotte il prima possibile dopo l'inizio della ventilazione meccanica. Si prevede che la configurazione e la registrazione totali richiedano 1 ora.
2. Le successive registrazioni di routine saranno condotte ogni mattina per i primi 5 giorni di ventilazione meccanica; poi a giorni alterni fino alla liberazione.
3. Le registrazioni interventistiche saranno condotte entro 2 ore dopo cambiamenti di 2 cm H2O o più in PEEP o MAP, posizione prona, intubazione, estubazione o modalità di ventilazione (inclusi ECMO o HFV).

E. Criteri per gli eventi avversi e procedure di segnalazione Le seguenti complicazioni saranno monitorate durante il processo di imaging che include le tempistiche dello studio 1-3 di cui sopra e le complicazioni maggiori saranno immediatamente segnalate all'IRB. Gli eventi minori includono: irritazione cutanea che continua per > di 1 ora dopo la rimozione della cintura, aumento della frequenza respiratoria di > 20%, ipoventilazione temporale determinata da un aumento di ETCO2 di 10 mmHg, aumento temporale di FIO2 > 0,3 e ipossia determinata da una desaturazione (<88%) per più di 1 minuto. Gli eventi minori che si verificano più di 3 volte verranno segnalati all'IRB con un piano d'azione su come evitarli.

Gli eventi principali che interromperanno lo studio e saranno immediatamente segnalati all'IRB sono:

• Desaturazione < 80% (continuamente monitorata mediante pulsossimetria) per più di 1 minuto.
• Bradicardia < 60 BPM
• Diminuzione della compliance polmonare determinata per essere associata alla cintura. Tutti gli eventi avversi saranno esaminati settimanalmente dall'intero gruppo di ricerca e verrà sviluppato un rapporto dettagliato sul caso. Se gli eventi maggiori o minori si verificano più di 3 volte, lo studio non continuerà fino a quando il team di ricerca e l'IRB non riterranno che sia sicuro continuare.

F. Modalità di gestione dei dati Al momento dell'ingresso, ad ogni paziente verrà assegnato un numero univoco e svincolato dalla propria cartella clinica ai fini della tracciabilità del paziente. Questo numero verrà inserito in un BCH di proprietà privata, database di ricerca protetto da password (RedCap) accessibile solo dal personale dello studio BCH.

Durante i periodi di raccolta dei dati verrà tenuto un foglio di calcolo al posto letto per ciascun punto dati da inserire manualmente. Tale foglio di calcolo verrà distrutto una volta verificati i dati elettrici e manuali.

G. Metodo di controllo della qualità La qualità del trasferimento dei dati sarà assicurata da un secondo investigatore, che confermerà i dati manuali ed elettronici. Il software RedCap e SPSS verrà utilizzato per aiutare ad analizzare i dati e garantire l'integrità dei dati stabilendo avvisi per campi non compilati e risultati imprevisti o eventualmente inseriti in modo errato.

H. Piano di analisi dei dati Dati EIT: il sistema di imaging polmonare è Dräger PulmoVista 500 (Dräger Medical, Lübeck, Germania). Sedici elettrodi complanari saranno posizionati equidistanti attorno al torace a livello del sesto spazio intercostale parasternale. L'elettrodo di riferimento verrà posizionato sul lato destro dell'addome vicino al punto vita. Gli elettrodi n. 1 e n. 16 sono posizionati simmetricamente rispettivamente a sinistra ea destra dello sterno, in modo che gli elettrodi n. 8 e n. 9 siano a cavallo della colonna vertebrale. Questa configurazione porta a immagini trasversali nella convenzione radiologica, da caudale a craniale, simili a una scansione del gatto. La ricostruzione dell'immagine del polmone verrà eseguita secondo il consenso di Graz per la tomografia ad impedenza elettrica (GREIT)34 utilizzando l'impedenza elettrica e il software di ricostruzione ottica diffusa.35 I dati di ciascun soggetto verranno filtrati e le immagini ricostruite utilizzando la suddetta piattaforma software open source. Ogni immagine polmonare ricostruita verrà quindi segmentata in regioni di interesse e verranno trascritte le variazioni di impedenza per ciascuna regione. La procedura verrà ripetuta per ciascuna delle singole registrazioni EIT dei soggetti. Inoltre, utilizzeremo, solo in modo osservativo, un algoritmo che è stato sviluppato dall'attuale gruppo di ricerca per identificare quando è probabile che i cambiamenti nella meccanica polmonare riflettano la sovradistensione o il collasso del polmone.20 Questi punti discreti e le impostazioni del ventilatore meccanico su cui sono stati raccolti saranno trascritti e confrontati con lo standard di cura per unità pratica. I cambiamenti di impedenza indicano quanto è aperto o chiuso il polmone. Questo approccio è stato precedentemente descritto in dettaglio dal nostro gruppo di ricerca.20 I. Potere statistico e considerazioni sul campione Categorie di età

1- < 6 mesi 6 mesi - < 1 anno 1-7 anni 8-14 anni > 14 anni Questo è uno studio osservazionale pilota su bambini ventilati meccanicamente all'interno delle nostre unità di terapia intensiva pediatrica. Abbiamo proposto un obiettivo di 50 pazienti entro due anni. Prevediamo un tasso di abbandono del 10%. Il nostro obiettivo sarebbe quello di ottenere 5-7 pazienti per ogni categoria di età sottostante. Poiché la nostra esperienza e i dati preliminari in questo campo riguardano gravi lesioni polmonari e il fatto che desideriamo esplorare pazienti eterogenei ventilati meccanicamente, non siamo stati in grado di determinare con precisione una dimensione del campione e abbiamo quindi stabilito che si tratta di uno studio pilota . Sarà data la preferenza a pazienti con malattie polmonari a basso volume come, ma non solo, ARDS, CDH, insufficienza respiratoria ipossica, pazienti trasferiti per possibile ECMO e asmatici.

J. Organizzazione dello studio Studio pilota a singola istituzione.