Das Pressure Support Ventilation Advisory System liefert valide Empfehlungen für die Einstellung des Beatmungsgeräts

Methoden

Die Genehmigung für die Durchführung der Studie auf der chirurgischen Intensivstation wurde vom Institutional Review Board der University of Florida am Shands Hospital eingeholt. Wir nahmen 76 erwachsene Patienten auf, die intubiert oder tracheostomiert waren (Innendurchmesser des Tubus 6,0-8,5 mm) und bei denen eine Ateminsuffizienz unterschiedlicher Genese (Lungenentzündung, Lungenödem, Sepsis, Herzinsuffizienz und Subarachnoidalblutung) in der Erhaltungs- und Entwöhnungsphase der Beatmungsbehandlung vorlag (Tabelle 1). Neun Patienten hatten eine direkte Lungenverletzung durch ein penetrierendes stumpfes Thoraxtrauma, und 6 hatten eine COPD. Alle Patienten atmeten spontan, erhielten PSV, wurden nach Bedarf sediert und analgesiert und waren hämodynamisch stabil. Ausgeschlossen wurden Patienten, die hämodynamisch instabil waren (z. B. mittlerer arterieller Blutdruck im Bereich von 40-80 mm Hg, mit unregelmäßigen Veränderungen der Herzfrequenz und/oder Arrhythmien), stark sediert waren (z. B. hohe Opioidkonzentration, die erhebliche Veränderungen von f und VT verursachte) oder unregelmäßige Atemmuster aufwiesen (z. B. geschlossene Kopfverletzung mit plötzlichem Anstieg und Abfall von f und VT).

Alle Patienten wurden mit demselben Beatmungsgerätetyp (840, Puritan-Bennett, Pleasanton, Kalifornien) im PSV- und PEEP-Modus beatmet, den wir mit einer synchronisierten intermittierenden mandatorischen Beatmung (SIMV) mit 2 Atemzügen/min und einer VT von 6-8 mL/kg ideales Körpergewicht kombinierten. In unserer chirurgischen Intensivstation ist es eine Richtlinie für die Patientenversorgung, SIMV mit mindestens 2 Atemzügen/Min. zu verwenden, wenn PSV und PEEP verwendet werden, und unser institutioneller Prüfungsausschuss verlangte, dass wir alle bestehenden Richtlinien für die Patientenversorgung einhalten, also verwendeten wir SIMV mit einer verlangsamten inspiratorischen Flusswellenform. Für PSV haben wir die „% rise“-Einstellung im Bereich von 60-80% eingestellt. Diese Einstellung steuert den Flow-Ausgang des Beatmungsgeräts während der Inhalation und beeinflusst die Rate des Druckanstiegs (d. h. die Interaktion zwischen dem Flow-Ausgang des Beatmungsgeräts und dem inspiratorischen Flow-Bedarf des Patienten beeinflusst die Rate des Druckanstiegs oder die Form des Druckprofils während eines druckunterstützten Atemzugs).5 Bei allen Patienten stellten wir die exspiratorische Sensitivität (Atemstillstandskriterium) auf 25 % ein.

Zwei Komponenten bilden das Open-Loop-PSV-Beratungssystem: ein handelsüblicher Beatmungsmonitor (NICO, Respironics, Wallingford, Connecticut) und ein Laptop-Computer. Ein kombinierter Druck-/Fluss-/Kohlendioxidsensor, der zwischen dem Endotrachealtubus und dem Y-Stück des Patienten positioniert ist, leitet Daten an den Atemmonitor zur Messung von f, VT, ausgeatmeter Minutenventilation, PSV, PEEP und endtidalem Partialdruck von Kohlendioxid (PETCO2) (Abb. 1). Compliance und Widerstand des Atmungssystems wurden mit der Methode der kleinsten Quadrate berechnet.6 Die SpO2-Messwerte wurden mit einem Fingersensor erfasst. PETCO2- und SpO2-Daten wurden überwacht, um sicherzustellen, dass die Patienten angemessen beatmet und mit Sauerstoff versorgt wurden.

Daten vom Monitor gehen an den Laptop, wo die Software des PSV-Beratungssystems (Convergent Engineering, Gainesville, Florida) ein künstliches neuronales Netzwerk zur sofortigen Berechnung der nichtinvasiv gemessenen WOB/min (WOBN/min)3 und ein Fuzzy-Logic-Inferenzsystem, das die WOBN/min, f und VT Informationen verarbeitet, um die Belastung der inspiratorischen Muskeln beim Einatmen (WOBN/min) und die Toleranz für diese Belastung (f und VT) zu bewerten und Empfehlungen zur Erhöhung, Aufrechterhaltung oder Verringerung der Druckunterstützung zu geben. Wir bezeichnen dies als eine Belastungs- und Toleranzstrategie (siehe Abb. 1). Fuzzy-Logik ist ein Prozess, bei dem Wahrscheinlichkeitsverteilungen anstelle von einfachen „Ja/Nein“-Entscheidungen wie in einem einfachen regelbasierten System verwendet werden, um die Entscheidungsfindung des Beatmungsgeräts zu steuern.7,8 Die WOBN/min-Daten waren hoch korreliert (r = 0,91, P < .02) mit invasiv gemessenen WOB/min (aus Ösophagusdruckmessungen) und wurden als sehr guter Prädiktor für invasiv gemessene WOB/min bei Erwachsenen, die mit PSV behandelt wurden, angesehen.3 WOBN/min spiegelt die Gesamtbelastung der inspiratorischen Muskeln wider, die die elastische Belastung des Atmungssystems und die Widerstandslasten der Atemwege, des Endotrachealtubus und des Beatmungsgeräts umfasst. Eine Einschränkung der WOBN/min ist, dass sie diese Komponentenlasten nicht differenzieren kann.

Künstliche neuronale Netze – ein Zweig der künstlichen Intelligenz – wurden für medizinische Anwendungen9-12 (z. B. Erkennung von Atemmustern während der Spontanatmung und PSV) verwendet.11 Künstliche neuronale Netze sind eine Klasse von mathematischen Modellen, die biologisch inspirierte Computerprogramme sind, die entwickelt wurden, um die Art und Weise zu simulieren, in der das menschliche Gehirn Informationen verarbeitet.13,14 Ein künstliches neuronales Netz kann komplexe nichtlineare Beziehungen zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen in Daten erkennen, die ein menschliches Gehirn möglicherweise nicht erkennen kann. Sie erwerben Wissen, indem sie Muster und Beziehungen erkennen, um das Lernen zu erleichtern; sie werden durch Erfahrung trainiert. Im Grunde lernt ein künstliches neuronales Netzwerk aus Daten und erfasst das in den Daten enthaltene Wissen. Ein künstliches neuronales Netz besteht aus Hunderten von einzelnen Einheiten (künstliche Neuronen oder Verarbeitungselemente), die mit Koeffizienten oder Gewichten verbunden sind (analog zu synaptischen Verbindungen im Zentralnervensystem), die das neuronale System bilden, und in Schichten organisiert sind. Die Leistung/Intelligenz der neuronalen Berechnungen wird durch die Verbindung der Neuronen in einem Netzwerk erreicht. Während des Trainings werden die Verbindungen zwischen den Einheiten optimiert, bis die Fehler in den Vorhersagen minimiert sind und das künstliche neuronale Netzwerk eine bestimmte Genauigkeit erreicht. Sobald das Netzwerk trainiert ist, kann es neue Eingabeinformationen erhalten, um die Ausgabe vorherzusagen. Ein „mehrschichtiges Perzeptron“ (der gebräuchlichste Typ eines künstlichen neuronalen Netzes) kann als eine Kombination aus der gewichteten Summe einer Reihe von logistischen Regressionsmodellen betrachtet werden. Jedes logistische Regressionsmodell (ein „Perzeptron“ in der Terminologie des neuronalen Netzwerks) hat seinen eigenen Satz von Gewichten, und seine Ausgabe wird gewichtet und zu den Ausgaben der anderen Perzeptrons addiert, um die endgültige Vorhersage zu erstellen. WOB/min ist die vorhergesagte Variable des künstlichen neuronalen Netzes in unserem PSV-Beratungssystem.

Das Training unseres künstlichen neuronalen Netzes wurde zuvor beschrieben.3 Es werden fünf Eingabeelemente (Prädiktoren) verwendet:

• Die spontane Minutenventilation (ohne SIMV-Atemzüge) korreliert direkt mit WOB/min.

• Erhöhter intrinsischer PEEP ist mit erhöhter WOB/min assoziiert, und umgekehrt.

• Eine geringere inspiratorische Triggerdrucktiefe kurz bevor das Beatmungsgerät während der PSV triggert, ist mit einer erhöhten WOB/min assoziiert und umgekehrt.

• Eine geringere inspiratorische Flow-Anstiegszeit während eines PSV-Atemzugs ist mit einer erhöhten WOB/min assoziiert und umgekehrt.

• Ein höherer Atemmuskeldruck (Druck = (VT/respiratorische Systemcompliance) + (inspiratorische Flowrate × respiratorischer Systemwiderstand)) ist mit einer erhöhten WOB/min assoziiert und umgekehrt.15,16

Ein Ziel des PSV-Beratungssystems ist es, WOBN/min, f und VT in den in Abbildung 1 gezeigten grünen Bereichen zu halten, die zum Teil von normalen WOB-Werten,3,15 einer WOB-Outcome-Studie,2 und unserer klinischen Erfahrung abgeleitet wurden.3 Bei Erwachsenen liegt der normale Bereich von WOB/min bei 4-8 J/min.15 Basierend auf 15 Jahren Erfahrung bei der Messung von WOB bei Patienten, die Beatmungsunterstützung erhalten, tolerieren Erwachsene, die mit PSV behandelt werden, eine maximale WOB/min von bis zu etwa 10-12 J/min. WOB/min-Werte von mehr als 12-15 J/min werden bei Erwachsenen nicht gut toleriert und erfordern ein höheres Druckunterstützungsniveau. Bei Erwachsenen, die mit PSV behandelt wurden, wurde festgestellt, dass eine WOB von 2-8 J/min gut toleriert wurde.3 In einer anderen klinischen Studie2 wurde berichtet, dass eine WOB, die während der PSV in einem ziemlich normalen Bereich gehalten wurde, gut toleriert wurde.

Die Zielbereiche für f und VT unseres PSV-Beratungssystems sind kongruent mit denen, die für spontan atmende Erwachsene gelten, die PSV erhalten: 10-25 Atemzüge/min bzw. 6-8 mL/kg.1,17 Es ist sinnvoll, PSV so anzuwenden, dass unangemessen niedrige f (z. B. 4-6 Atemzüge/min) oder hohe f (z. B. 30-40 Atemzüge/min) und niedrige VT (z. B. < 4 mL/kg) oder hohe VT (z. B. > 12 mL/kg) nicht auftreten. Das Beratungssystem behandelt die weiteren WOBN/min-, f- und VT-Bereiche (die gelben Bereiche in Abbildung 1) als Vorsichtsmaßnahme. Das Beratungssystem bewertet die Wahrscheinlichkeit, dass die Parameter für die inspiratorische Muskelbelastung (WOBN/min) und die Toleranz (f und VT) in allen Bereichen im Verhältnis zueinander variieren, und gibt dann eine entsprechende Empfehlung zur Erhöhung, Aufrechterhaltung oder Verringerung des PSV. Das System verwendet einen 5-Minuten-Mittelwertfilter für die Aktualisierung seiner Empfehlung.

Das PSV wurde zunächst auf Anweisung der behandelnden Ärzte eingestellt. Anschließend wurden die Empfehlungen der RRTs zur Druckunterstützung während der Studie zugelassen. In regelmäßigen Abständen wurden die RRTs gebeten, den Patienten zu bewerten, um festzustellen, ob das PSV erhöht, beibehalten oder verringert werden sollte. Ihre Empfehlungen basierten auf dem traditionellen Ansatz der Bewertung von Spontanatmungsdaten (d. h. f 15-25 Atemzüge/min, VT 6-8 mL/kg ideales Körpergewicht), keiner Kontraktion des Sternocleidomastoideus und dem Anschein einer komfortablen Atmung. Die RRTs waren gegenüber den gemessenen Beatmungsdaten und den Empfehlungen des Beratungssystems verblindet.

PEEP- und FIO2-Einstellungen, die von den behandelnden Ärzten festgelegt wurden (siehe Tabelle 1), wurden während des Studienzeitraums, der sich über eine 8-stündige Arbeitsschicht erstreckte, konstant gehalten. Es gab keine klinisch bedeutsamen Unterschiede bei PEEP, PETCO2 oder SpO2 zu Beginn oder während der Studie und keine klinisch bedeutsamen Schwankungen der hämodynamischen Parameter bei allen Patienten während der gesamten Studie.

Wir bewerteten die Beziehung zwischen den von den Ärzten festgelegten PSVs und den vom Beratungssystem empfohlenen PSVs. Wenn die RRTs eine Erhöhung oder Senkung des PSV empfahlen, lag die Änderung im Allgemeinen bei 5 cm H2O gegenüber der aktuellen Einstellung. Wenn das Beratungssystem eine „Erhöhung des PSV“ oder eine „Verringerung des PSV“ empfahl, wurde dies so interpretiert, dass es sich um eine Änderung von 5 cm H2O nach oben bzw. nach unten gegenüber der aktuellen Einstellung handelte. Mit diesem Verständnis wurden die von den RRTs empfohlenen PSV-Einstellungen mit den empfohlenen Einstellungen des PSV-Beratungssystems regressiert.

Wir analysierten die Daten mit Chi-Quadrat, Regressionsanalyse und der Kappa-Statistik.18 Alpha wurde für statistische Signifikanz auf .05 gesetzt.