Effekter av High Flow nesekanyle på dødromsreduksjon og regional fordeling av ventilasjon (HFNC)

Bakgrunn og betydning Historisk har oksygennesekanyler blitt brukt hos hypoksemiske pasienter som en terapi for å øke arteriell oksygenering. I neonatalsamfunnet har oksygenstrømmer >2 L/min og > 4 L/min hos den pediatriske pasienten sjelden blitt brukt på grunn av potensialet for overdreven uttørking av neseslimhinnen og risiko for å utvikle hypotermi. Det har blitt spekulert i at større pediatriske og voksne pasienter er i stand til å bedre tolerere strømningshastigheter på over 4 l/min fordi det store neseslimhinneoverflaten kan støtte hydrering av tørre gasser av medisinsk kvalitet. High flow nasal cannula (HFNC) terapi er en form for respiratorisk støtte som gir strømninger som antas å være i overkant av en pasients spontane inspiratoriske og ekspiratoriske strømningshastigheter. I løpet av det siste tiåret har en spredning av HFNC-enheter (oppvarmet-fuktet nesekanyle) blitt introdusert i kliniske omgivelser. Disse enhetene er ment å gi optimal oppvarming og fukting av medisinske gasser og uavhengig av strømningsinnstilling. Når det gjelder nyfødte, som har vært den dominerende pasientpopulasjonen som mottar HFNC, er det tydeligvis ingen konsensus om hvilke strømninger som utgjør "høy" i denne populasjonen. Hvis "høy" er ment å bety en strømningshastighet som overstiger spontan inspiratorisk strømningshastighet, er det ingen rimelig klinisk måling for å fastslå dette forholdet. Dermed forblir den sanne definisjonen av HFNC et unnvikende begrep, og protokollen vår håper å kaste lys over dette emnet.

Vår prospektive randomiserte studie av effekten av 3 forskjellige oksygen-nesekanylestrømningshastigheter (lav, middels og høy) på respirasjonsfrekvens, SPO2, transkutan CO2 og regional fordeling av ventilasjon målt av EIT vil hjelpe klinikere med å definere en rekke HFNC-strømningshastigheter hvor utvasking av dødrom skjer uten positivt distenterende trykk (lavt område) og hvor utvasking av dødrom skjer med positivt trykk som skaper regional fordeling av ventilasjonsendringer.

C. Foreløpige studier En neonatal kilde definerer HFNC som strømninger > 1 L/min og en annen definerer strømninger >3 L/min som HFNC.1 Klassifisering er ytterligere komplisert hos større pediatriske og voksne pasienter der strømninger under HFNC har blitt rapportert å være i overkant av de som tradisjonelt brukes med en standard nesekanyle ~ 6 L/min) og så høye som 30-40 L/min.2 Med den teknologiske evnen til å gi bedre varme og fuktighet, har klinikere funnet ut at HFNC kan være i stand til å støtte en større del av pasienter som ellers ville kreve kontinuerlig positivt luftveistrykk (CPAP), ikke-invasiv ventilasjon (NIV) eller invasiv mekanisk ventilasjon. Det er flere foreslåtte mekanismer som HFNC kan gi større respirasjonshjelp enn standard oksygentilførselsenheter.

Strømmer som overstiger ekspiratorisk strømningshastighet kan gi "mottrykk" ved neseluftveisåpningen under utånding som ligner på nasal CPAP. I tillegg kan gasser gi en fysiologisk rensing av karbondioksid fra det anatomiske dødrommet via anatomisk lekkasje (nasal/oral luftvei). Disse effektene vil sannsynligvis variere basert på strømning, minuttventilasjon, pasientstørrelse, lekkasje og forholdet mellom nasal luftveisåpning/spissstørrelse. Det er for tiden tre FDA-godkjente HFNC-systemer. Klinisk aksept er relatert til det faktum at HFNC er rimeligere, enklere å betjene og krever et mindre komplisert luftveisgrensesnitt enn en standard CPAP- eller NIV-enhet. En annen foreslått fordel er at HFNC-stifter generelt er mindre okklusive og kan forårsake mindre neseskader i luftveiene enn CPAP-stifter eller en BiPAP-maske. Den utbredte aksepten og bruken av denne tilnærmingen har blitt implementert med svært lite eksperimentelle data for å støtte HFNC-flytinnstillinger som et trygt og effektivt alternativ hos alle pasienter med hypoksisk respirasjonssvikt.

Elektrisk impedanstomografi (EIT) Elektrisk impedanstomografi utnytter endringer i impendans i luftfylte versus vevsfylte rom for å karakterisere og kvantifisere regional fordeling av lungevolum ved sengekanten. Denne teknologien har blitt validert i dyre3 og mennesker4, 5 studier utført i løpet av det siste tiåret ved Boston Children's Hospital. Teknologien bruker en serie på 16 elektroder plassert over pasientens bryst (Figur 1). Ettersom små strømmer føres mellom elektrodene, måles impedansen mellom og mellom seriene. Gjennom en kompleks avhør og manipulering av disse impedansverdiene, dannes et todimensjonalt bilde (Figur 2), og det har vist seg å korrelere med kliniske og radiografiske endringer hos pasienter4. Evnen til å estimere lungevolum og regional distribusjon av gass non-invasivt og i sanntid kan gi oss innsikt i hvilken ventilasjonsmåte som er mer effektiv.

Fysiologiske effekter og sikkerhet av HFNC Det er flere foreslåtte fysiologiske mekanismer som HFNC antas å være effektiv. Disse inkluderer: 1) spyling av dødrommet i øvre luftveier for CO2, noe som gir bedre alveolær gassutveksling; 2) tilveiebringe en flyt tilstrekkelig til å støtte inspirasjon og dermed redusere inspiratorisk arbeid med å puste; 3) å forbedre lunge- og luftveismekanikken ved å eliminere effekten av tørking/kjøling; 4) å redusere eller eliminere de metabolske kostnadene ved gasskondisjonering; og 5) å gi positivt ekspiratorisk distenterende trykk. Mens disse variablene har blitt målt i enten dyr eller mennesker, registrerte korttidsstudier bare et lite antall forsøkspersoner og ble ikke spesielt designet for å adressere sikkerheten til HFNC.

Hasan et al observerte effekten av trykk generert i en statisk neonatal lungemodell ved bruk av to kommersielt tilgjengelige HFNC-enheter med strømninger mellom 0-12 l/min og ved forskjellige lekkasjeinnstillinger.6 De demonstrerte i en nares-modell der lekkasje ble minimert (munnstengt) at en systematisk økning i simulert luftrørstrykk var proporsjonal med økte strømninger. De målte luftveistrykkene var lik de som ble rapportert med nasal CPAP (~5-6 cmH2O ved strømninger på ~6-8 L/min).

Frizzola og medarbeidere målte luftrørstrykk og gassutveksling i 13 lungeskadde nyfødte smågriser støttet av N-CPAP og HFNC under forhold med høy lekkasje og lav lekkasje.7 Hovedfunnet i denne studien var at HFNC-luftrørtrykket var sammenlignbart med CPAP-trykk ved samme strømningsområde, og utvasking av nasofaryngealt dødrom er assosiert med forbedret ventilasjon og oksygenering uavhengig av luftrørstrykket alene under HFNC.

En rekke korttidsstudier har evaluert omfanget av utvidet trykk i lungen hos en liten gruppe spedbarn. Sreenan et al fant at lignende endeekspiratoriske pleuratrykk kunne opprettholdes mellom en standard oksygentilførsels-nesekanyle (1-2,5 l/min) og N-CPAP i en gruppe på 40 premature spedbarn uten forskjeller i desaturasjoner, bradykardi og apné. 8 Imidlertid vil dette trykket sannsynligvis være svært varierende på grunn av lekkasje og forholdet mellom luftvei og kanylestørrelse. Lampland observerte lignende endeekspiratoriske pleuratrykk mellom HFNC (2-6 L/min) og N-CPAP 6 cm H2O hos premature nyfødte.9 En fersk Cochrane-metaanalyse evaluerte prospektive, randomiserte kontrollerte studier som var begrenset til den premature spedbarnspopulasjonen.1 Hovedmålet med denne metaanalysen var å bestemme sikkerhet og effekt av HFNC. Når det ble brukt som primær respirasjonsstøtte etter fødselen, fant en studie lignende hyppighet av behandlingssvikt hos spedbarn behandlet med HFNC (5-6 l/min) og nasal CPAP.10 Etter ekstubering fant en studie at spedbarn behandlet med HFNC (1,8 l/min) hadde et betydelig større behov for reintubasjon enn de som ble behandlet med nasal CPAP.11 Et annet forsøk fant lignende rater av reintubering for fuktet og ikke-fuktet HFNC (~ 2-3 L/min)12, og den fjerde studien fant ingen forskjell mellom to forskjellige modeller av utstyr som ble brukt til å levere fuktet HFNC (6 L/min).13 Det var få pasienter inkludert i disse studiene, og i to studier (Woodhead, Miller) ble dårlige metodiske tilnærminger brukt. I en studie ble registreringen stoppet kort på grunn av infeksjoner relatert til HFNC-enheten som ble brukt.10 Basert på disse funnene er det utilstrekkelig bevis for å fastslå sikkerheten eller effektiviteten til HFNC innenfor rekkevidden av vanlig brukte strømninger, og som en form for respirasjonsstøtte hos premature spedbarn. Disse dataene viser også at når det brukes etter ekstubering, kan HFNC være assosiert med en høyere reintubasjonsrate enn nasal CPAP.14 Det har ikke vært studier som har evaluert sikkerhet og effekt hos større spedbarn og andre pediatriske pasienter. Til tross for mangelen på støttende bevis, blir HFNC fortsatt implementert i mange pediatriske intensivavdelinger (PICU) ved bruk av strømninger ≥ 20 l/min, og få voksne studier har blitt utført med disse høye strømmene under HFNC. Det er derfor vanskelig å ekstrapolere disse funnene for å fremme bruken av lignende strømmer hos barn. Det er tydelig at HFNC kan gi noen av de samme kliniske fordelene som CPAP eller til og med NIV med en mindre komplisert nasal luftvei eller naso-oral grensesnitt. Mens nasal CPAP fungerer som en mellomliggende form for støtte mellom oksygenbehandling og invasiv ventilasjon hos nyfødte, er det mer vanlig at større pediatri og voksne støttes med bi-nivå NIV som et alternativ til invasiv ventilasjon. Det er overbevisende data som også støtter bruken av NIV i nyfødtpopulasjonen for å øke ventilasjonseffektene av nasal CPAP. HFNC gir ikke bare et grunnlinjetrykk som ligner på CPAP, men det øker også alveolær ventilasjon til et nivå som kan ligne NIV.

D. Design og metoder

1. Studere design

   en. I en prospektiv, randomisert studie av tre forskjellige strømningshastigheter av HFNC vil vi evaluere resultatet av EIT regional distribusjon, transkutan CO2 og respirasjonsfrekvens.

2. Pasientvalg og inkluderings-/eksklusjonskriterier

   en. Inkluderingskriterier i. Alle pasienter som får HFNC for hypoksi ii. Alder: 1 dag (> 38 uker GA nyfødt eller eldre) til 17 år. b. Eksklusjonskriterier i. Pasienter som har medfødte hjertefeil. ii. Pasienter som det medisinske teamet føler kan kreve akutt opptrapping av ikke-invasiv terapi eller forestående intubasjon.

   iii. Pasienter som er på FIO2 > 0,6 på det høyeste flownivået som tilbys i studien.

   iv. Pasienter som er immunkompromitterte og/eller status etter benmargstransplantasjon v. Pasienter som er på vasoaktiv støtte for å opprettholde blodtrykk eller hjertefrekvens vi. Pasienter med kjent luftveisanomali, f.eks. Pierre-Robin, trakeomalacia. vii. Pasienter under 38 ukers svangerskapsalder viii. Pasienter under 3 kg ix. Hvis EIT-båndet/elektrodene ikke kan plasseres riktig på brystet på grunn av størrelse/vektbegrensninger x. Hvis det medisinske teamet føler at pasienten ikke er hensiktsmessig å melde seg på studien basert på medisinske, sosiale eller emosjonelle bekymringer

3. Beskrivelse av studiebehandlinger eller eksponeringer/prediktorer Etter informert samtykke, vil pasienter som er beordret til å motta HFNC-terapi, randomiseres til eskalerende strømninger (lav til høy) eller deskalering (høy til lav) hver time og deretter returneres til tidligere bestillingsflytinnstilling. Avhengig av alder vil de bli plassert på tre forskjellige strømningsinnstillinger i 1 time som vist i tabell 1 med en nesekanyle utvendig diameter som ikke er større enn 50 % av den indre diameteren til naris. Tabell 1 ble utviklet basert på tre kjente tidalvolumer på 4, 6 og 8 mL/Kg med 33 % inspirasjonstid og høyeste normale respirasjonsfrekvens. Målinger av SPO2, EIT, TCM CO2 og respirasjonsfrekvens vil bli registrert hvert 15. minutt. FIO2 vil bli justert for å opprettholde SPO2 90-95 %.

   Transkutan CO2 (TCM) (Sentec) vil bli plassert 30 minutter før randomisering for å tillate likevekt med overflaten av huden. Vi vil plassere TCM på venstre øvre bryst på pasienter under 15 kg og øreflippen for de > 15 kg. Enheten er FDA-godkjent og varmer huden for å tillate diffusjon av CO2 over membranen til huden og sensoren. Denne enheten vil tillate oss å utvikle en modifisert ventilasjonsindeks.

   EIT-målinger - EIT-målinger vil bli tatt før randomisering og 1 time etter hver av de tre endringene i strømningsområdet. Dette innebærer plassering av et bånd på 16 elektroder rundt pasientens bryst, rett under brystvorten.

   Pulsoksymetri og ko-oksymetri - SpO2, S/F-forhold (SpO2 til FIO2-forhold) SpHb (ikke-invasiv HGB) og SpOC (oksygeninnhold) vil bli overvåket kontinuerlig i 3-timersperioden. Gjennomsnittlig SpO2, S/F-forhold og SpOC vil bli beregnet fra de streamede dataene samlet inn av Masimo RAD-7 via en bærbar datamaskin. Desaturasjoner vil bli definert som en SpO2 < 85 % og rapportert. Excel vil bli brukt til å utføre disse funksjonene. En FDA-godkjent engangs SPO2-sonde vil bli brukt på pasientens finger, tommel eller tå.

4. Definisjon av primære og sekundære utfall/endepunkter a. Primær i. Oksygenering 1. Høyere SPO2 på lavere FIO2 (S/F-forhold) 2. SpOC og frekvens av desaturasjoner ii. Ventilasjon 1. Lavere respirasjonsfrekvens 2. Lavere TCM CO2 b. Sekundær i. Regional fordelingsforskjell målt ved EIT 1. Areal og øvre til nedre forhold vil være primærdataene som analyseres 2. Regional fylling av lungen vil sammenlignes.
5. Datainnsamlingsmetoder, vurderinger, intervensjoner og tidsplan (hvilke vurderinger utført, hvor ofte) Data vil bli registrert kontinuerlig på hver av enhetenes (Draeger EIT, Sentec TCM, Masimo SPO2) datamaskin. Data vil bli lastet ned med enten en USB-stasjon eller PCMC-kort og slått sammen til ett Excel-regneark for analyse. Data vil bli registrert manuelt hvert 15. minutt i hele 3 timer.
6. Studietidslinje a. Se figur tre.

E. Kriterier for uønskede hendelser og rapporteringsprosedyrer På grunn av det faktum at dette er en pilotstudie vil PI vurdere hver større uønsket hendelse. Følgende komplikasjoner vil bli overvåket, men bare større komplikasjoner vil rapporteres til IRB. Mindre hendelser inkluderer: bradykardi (10 % under baseline), økning i respirasjonsfrekvens > 20 %, økning i TCpCO2 med 10 mmHg, økning i FIO2 på > 0,3, hypoventilasjon (pusten holdes lenger enn 15 sekunder) og desaturasjon (

Viktige hendelser som vil stoppe studien og umiddelbart rapporteres til IRB er:

• Desaturasjon < 80 % (kontinuerlig overvåket med pulsoksymetri) i mer enn 1 minutt.
• Bradykardi < 60 BPM Alle større og mindre hendelser vil bli overvåket og rapportert til PI av den kliniske forskningskoordinatoren.

F. Databehandlingsmetoder Ved innreise vil hver pasient bli tildelt et unikt nummer og frakoblet journalen for pasientsporing. Dette nummeret vil bli lagt inn i en privateid BCH, passordbeskyttet forskningsstasjon som kun er tilgjengelig for BCH-studiepersonell.

Et regneark vil bli oppbevart ved sengen under datainnsamlingsperioden (3 timer) for hvert datapunkt som skal legges inn manuelt.

G. Kvalitetskontrollmetode Kvaliteten på overføringen av data vil bli sikret av en andre etterforsker, som vil bekrefte de manuelle og elektroniske dataene. SPSS-programvare vil bli brukt for å hjelpe til med å analysere dataene og sikre dataintegritet ved å etablere varsler for felt som ikke er fylt ut, samt uventede eller muligens feilaktige resultater.

H. Dataanalyseplan Vi vil vurdere at >10 % forskjeller i respirasjonsfrekvens mellom strømningsinnstilling anses som signifikante. Vi vil vurdere en > 20 % forskjell i TCM CO2 og SPO2 som signifikant.

EIT-data: Lungebildesystemet er Dräger EIT Pulmovista 500 (Dräger Medical, Lübeck, Tyskland). Seksten koplanare elektroder vil bli plassert ekvidistant rundt thorax på nivå med det parasternale sjette interkostale rommet. Referanseelektroden vil bli plassert på høyre side av magen nær midjelinjen. Elektrodene #1 og #16 er symmetrisk plassert til henholdsvis venstre og høyre for brystbenet, slik at elektrodene #8 og #9 ligger over ryggraden. Denne konfigurasjonen fører til tverrgående bilder i den radiologiske konvensjonen, caudal til kranial, lik en katteskanning. Rekonstruksjon av lungebilder vil bli utført i henhold til Graz-konsensus for elektrisk impedanstomografi (GREIT) (15) ved å bruke programvaren for elektrisk impedans og diffus optisk rekonstruksjon (16). Enkelt sagt er ideen å observere eventuelle skift i ventilasjonssenteret ved å vurdere forholdet mellom ventrale og dorsale impedansendringer ( ) under hver del av studien. Impedansendringer indikerer hvor åpen eller lukket lungen er. Denne tilnærmingen er tidligere beskrevet i detalj av vår forskningsgruppe (17).

I. Statistisk effekt og prøvebetraktninger Effektanalyse avslører basert på gjentatte målinger av tre forskjellige strømninger per pasient at det kreves 35 pasienter (7 per alderskategori) for en effektstørrelse på 0,2, alfa på 0,05 og styrke på 0,8. Forskjeller i gjennomsnittsverdier for oksygenering (SPO2 og S/F-forhold), ventilasjon (TCM CO2) og EIT (U/L-forhold) mellom hver behandlingsgruppe vil bli sammenlignet hver time i løpet av tre timers testperiode etter randomisering ved bruk av ANOVA med Tukey-post -hoc test.

J. Studieorganisasjon Pilotstudie for én institusjon.