Pressure Support Ventilation Advisory System Provides Valid Recommendations for Setting Ventilator

Methods

Zgodę na przeprowadzenie badania na chirurgicznym oddziale intensywnej terapii uzyskano od komisji instytucjonalnej (institutional review board) na Uniwersytecie Florydy w szpitalu Shands. Do badania włączono 76 dorosłych pacjentów zaintubowanych lub tracheostomowanych (zakres średnicy wewnętrznej rurki 6,0-8,5 mm) z niewydolnością oddechową o różnej etiologii (zapalenie płuc, obrzęk płuc, sepsa, zastoinowa niewydolność serca i krwotok podpajęczynówkowy) w fazie podtrzymywania i odzwyczajania od wentylacji (Tabela 1). Dziewięciu chorych miało bezpośredni uraz płuc spowodowany penetrującym tępym urazem klatki piersiowej, a 6 chorych chorowało na POChP. Wszyscy chorzy oddychali spontanicznie, otrzymywali PSV, w razie potrzeby otrzymywali sedację i analgezję oraz byli stabilni hemodynamicznie. Z badania wyłączono pacjentów niestabilnych hemodynamicznie (np. zakres średniego ciśnienia tętniczego 40-80 mm Hg, z nieregularnymi zmianami częstości akcji serca i/lub zaburzeniami rytmu); silnie sedowanych (np. wysoki poziom opioidów, powodujący istotne zmiany f i VT); lub z nieregularnymi wzorcami oddechowymi (np. uraz głowy z nagłymi wzrostami i spadkami f i VT).

Wszyscy pacjenci byli wentylowani tym samym typem respiratora (840, Puritan-Bennett, Pleasanton, Kalifornia), ustawionym w trybach PSV i PEEP, które połączyliśmy z synchronizowaną przerywaną wentylacją obowiązkową (SIMV) ustawioną na 2 oddechy/min i VT 6-8 mL/kg idealnej masy ciała. Polityka opieki nad pacjentem na naszym chirurgicznym oddziale intensywnej terapii nakazuje stosowanie SIMV przy minimum 2 oddechach/min podczas stosowania PSV i PEEP, a nasza instytucjonalna komisja rewizyjna wymagała, abyśmy dostosowali się do wszystkich obowiązujących zasad opieki nad pacjentem, dlatego zastosowaliśmy SIMV z opóźniającą się falą przepływu wdechowego. W przypadku PSV ustawiliśmy wartość „% wzrostu” w zakresie 60-80%. Ustawienie to kontroluje moc wyjściową natężenia przepływu respiratora podczas wdechu i wpływa na szybkość wzrostu ciśnienia (tzn. interakcja mocy wyjściowej natężenia przepływu respiratora i zapotrzebowania pacjenta na przepływ wdechowy wpływa na szybkość wzrostu ciśnienia lub kształt profilu ciśnienia podczas oddechu wspomaganego ciśnieniem).5 U wszystkich pacjentów ustawiliśmy czułość wydechową (kryterium zakończenia oddechu) na 25%.

Dwa komponenty stanowią system doradczy PSV z otwartą pętlą: komercyjnie dostępny monitor oddechu (NICO, Respironics, Wallingford, Connecticut) i komputer przenośny. Połączony czujnik ciśnienia/przepływu/dwutlenku węgla, umieszczony między rurką dotchawiczą a trójnikiem Y pacjenta, kieruje dane do monitora oddechowego w celu pomiaru f, VT, minutowej wentylacji wydechowej, PSV, PEEP i ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla w drogach oddechowych (PETCO2) (ryc. 1). Zgodność i opór układu oddechowego obliczano metodą najmniejszych kwadratów.6 Odczyty SpO2 zbierano za pomocą czujnika palcowego. Dane PETCO2 i SpO2 były monitorowane w celu zapewnienia, że pacjenci byli odpowiednio wentylowani i dotlenieni.

Dane z monitora są przesyłane do komputera przenośnego, gdzie oprogramowanie systemu doradczego PSV (Convergent Engineering, Gainesville, Floryda) obsługuje sztuczną sieć neuronową do natychmiastowego obliczania nieinwazyjnie mierzonej wartości WOB/min (WOBN/min)3 oraz system wnioskowania logiczno-rozmytego, który przetwarza informacje WOBN/min, f i VT, aby ocenić obciążenie mięśni wdechowych podczas wdechu (WOBN/min) oraz tolerancję na to obciążenie (f i VT), a także dostarczyć zalecenia dotyczące zwiększenia, utrzymania lub zmniejszenia wsparcia ciśnieniowego. Określamy to jako strategię obciążenia i tolerancji (patrz ryc. 1). Logika rozmyta to proces wykorzystywania rozkładów prawdopodobieństwa zamiast prostych decyzji typu „tak/nie”, jak w przypadku prostego systemu opartego na regułach, do podejmowania decyzji dotyczących respiratora.7,8 Dane WOBN/min były wysoce skorelowane (r = 0,91, P < .02) z inwazyjnie mierzonym WOB/min (z pomiarów ciśnienia w przełyku) i zostały uznane za bardzo dobry predyktor inwazyjnie mierzonego WOB/min u dorosłych leczonych PSV.3 WOBN/min odzwierciedla całkowite obciążenie mięśni wdechowych, które obejmuje obciążenie elastyczne układu oddechowego i obciążenie oporowe dróg oddechowych, rurki intubacyjnej i aparatury respiratora. Ograniczeniem WOBN/min jest brak możliwości różnicowania tych obciążeń składowych.

Sztuczne sieci neuronowe – dział sztucznej inteligencji – znalazły zastosowanie w medycynie9-12 (np. rozpoznawanie wzorców oddechowych podczas oddychania spontanicznego i PSV).11 Sztuczne sieci neuronowe to klasa modeli matematycznych, które są programami komputerowymi inspirowanymi biologicznie, zaprojektowanymi w celu symulowania sposobu, w jaki ludzki mózg przetwarza informacje.13,14 Sztuczne sieci neuronowe mogą wykrywać złożone nieliniowe zależności między zmiennymi zależnymi i niezależnymi w danych, których ludzki mózg może nie wykryć. Zdobywają one wiedzę poprzez wykrywanie wzorców i zależności ułatwiających uczenie się; są trenowane poprzez doświadczenie. Zasadniczo, sztuczna sieć neuronowa uczy się na podstawie danych i wychwytuje zawartą w nich wiedzę. Sztuczna sieć neuronowa składa się z setek pojedynczych jednostek (sztucznych neuronów lub elementów przetwarzających) połączonych współczynnikami lub wagami (analogicznie do połączeń synaptycznych w centralnym układzie nerwowym), które tworzą system neuronowy i są zorganizowane w warstwy. Moc/inteligencję obliczeń neuronowych uzyskuje się z połączenia neuronów w sieć. Podczas treningu połączenia między neuronami są optymalizowane, aż do zminimalizowania błędów w przewidywaniach i osiągnięcia przez sztuczną sieć neuronową określonego poziomu dokładności. Gdy sieć jest wytrenowana, można jej podać nowe informacje wejściowe, aby przewidzieć dane wyjściowe. Perceptron wielowarstwowy” (najbardziej rozpowszechniony typ sztucznej sieci neuronowej) można traktować jako kombinację sumy ważonej pewnej liczby modeli regresji logistycznej. Każdy model regresji logistycznej („perceptron” w terminologii sieci neuronowych) ma swój własny zestaw wag, a jego wyjście jest ważone i dodawane do wyjść innych perceptronów, aby utworzyć ostateczne przewidywanie. WOB/min jest zmienną przewidywaną przez sztuczną sieć neuronową w naszym systemie doradczym PSV.

Trenowanie naszej sztucznej sieci neuronowej zostało opisane wcześniej.3 Wykorzystano pięć elementów wejściowych (predyktorów):

• Rozpoczęta wentylacja minutowa (nie licząc oddechów SIMV) koreluje bezpośrednio z WOB/min.

• Zwiększony wewnętrzny PEEP wiąże się ze zwiększonym WOB/min i odwrotnie.

• Mniejsza głębokość wdechowego ciśnienia wyzwalającego tuż przed wyzwoleniem respiratora podczas PSV wiąże się ze zwiększeniem WOB/min i odwrotnie.

• Skrócenie czasu narastania przepływu wdechowego podczas oddechu PSV wiąże się ze zwiększeniem WOB/min i odwrotnie.

• Wyższe ciśnienie w mięśniach oddechowych (ciśnienie = (VT/podatność układu oddechowego) + (szybkość przepływu wdechowego × opór układu oddechowego)) wiąże się ze zwiększeniem WOB/min i odwrotnie.15,16

Jednym z celów systemu doradczego PSV jest utrzymanie WOBN/min, f i VT w zielonych zakresach przedstawionych na rycinie 1, które częściowo uzyskano na podstawie prawidłowych wartości WOB,3,15 badania wyników WOB,2 i naszego doświadczenia klinicznego.3 U dorosłych prawidłowy zakres WOB/min wynosi 4-8 J/min.15 Na podstawie 15 lat doświadczeń w pomiarach WOB u pacjentów otrzymujących wsparcie wentylacyjne, dorośli leczeni PSV tolerują maksymalne WOB/min do około 10-12 J/min. Wartości WOB/min większe niż 12-15 J/min u dorosłych nie są dobrze tolerowane i wymagają wyższego poziomu wsparcia ciśnieniowego. U dorosłych leczonych PSV stwierdzono, że WOB na poziomie 2-8 J/min było dobrze tolerowane.3 W innym badaniu klinicznym2 wykazano, że WOB utrzymywane w dość prawidłowym zakresie podczas PSV było dobrze tolerowane.

Zgodnie z naszym systemem doradztwa w zakresie PSV docelowe zakresy f i VT są zgodne z zakresami stosowanymi u spontanicznie oddychających dorosłych otrzymujących PSV: odpowiednio 10-25 oddechów/min i 6-8 mL/kg.1,17 Rozsądne jest stosowanie PSV w taki sposób, aby nie występowało niewłaściwie niskie f (np. 4-6 oddechów/min) lub wysokie f (np. 30-40 oddechów/min) oraz niskie VT (np. < 4 mL/kg) lub wysokie VT (np. > 12 mL/kg). System ostrzegawczy traktuje szersze zakresy WOBN/min, f, i VT (żółte obszary na rycinie 1) jako ostrzegawcze. System doradczy ocenia prawdopodobieństwo, że parametry obciążenia mięśni wdechowych (WOBN/min) i tolerancji (f i VT) zmieniają się względem siebie we wszystkich zakresach, a następnie przedstawia odpowiednie zalecenie dotyczące zwiększenia, utrzymania lub zmniejszenia PSV. System wykorzystuje 5-minutowy filtr uśredniający do aktualizacji swoich zaleceń.

PSV ustawiono początkowo zgodnie z zaleceniami lekarzy prowadzących. Następnie w trakcie badania dopuszczono zalecenia RRT dotyczące wspomagania ciśnienia. W okresowych odstępach czasu RRT byli proszeni o ocenę pacjenta w celu ustalenia, czy PSV powinna być zwiększona, utrzymana czy zmniejszona. Ich zalecenia opierały się na tradycyjnym podejściu do oceny danych dotyczących spontanicznego wzorca oddechowego (tj. f 15-25 oddechów/min, VT 6-8 mL/kg idealnej masy ciała), braku skurczu mięśnia mostkowo-obojczykowo-sutkowego i wyglądzie wygodnego oddychania. RRT byli zaślepieni na mierzone dane oddechowe i zalecenia systemu doradczego.

Ustawienia PEEP i FIO2, określone przez lekarzy prowadzących (patrz Tabela 1), utrzymywano na stałym poziomie podczas okresu badania, który obejmował 8-godzinną zmianę roboczą. Nie stwierdzono istotnych klinicznie różnic w wartościach PEEP, PETCO2 lub SpO2 na początku i w trakcie badania, ani istotnych klinicznie zmian parametrów hemodynamicznych u żadnego z pacjentów w trakcie badania.

Oceniliśmy związek między wartościami PSV ustalonymi przez klinicystów a wartościami PSV zalecanymi przez system doradczy. Kiedy RRT zalecali zwiększenie lub zmniejszenie PSV, na ogół zmiana wynosiła 5 cm H2O w stosunku do aktualnego ustawienia. Kiedy system doradczy zalecał „Zwiększ PSV” lub „Zmniejsz PSV”, interpretowano to jako zmianę odpowiednio o 5 cm H2O w górę lub w dół w stosunku do aktualnego ustawienia. Przy takim rozumieniu, zalecane przez RRT ustawienia PSV poddano regresji z zalecanymi ustawieniami z systemu doradczego PSV.

Przeanalizowaliśmy dane za pomocą analizy chi kwadrat, analizy regresji i statystyki kappa.18 Alfa została ustalona na poziomie 0,05 dla istotności statystycznej.

Wyniki analizy zostały przedstawione w tabeli poniżej.