Metodi
L’approvazione è stata ottenuta dal comitato di revisione istituzionale dell’Università della Florida presso l’ospedale Shands per condurre lo studio in terapia intensiva chirurgica. Abbiamo arruolato 76 pazienti adulti intubati o tracheostomizzati (diametro interno del tubo 6,0-8,5 mm) con insufficienza respiratoria di varia origine (polmonite, edema polmonare, sepsi, insufficienza cardiaca congestizia ed emorragia subaracnoidea) nelle fasi di mantenimento e svezzamento dell’assistenza ventilatoria (tabella 1). Nove pazienti avevano lesioni polmonari dirette da trauma toracico contundente penetrante e 6 erano affetti da BPCO. Tutti i pazienti respiravano spontaneamente, ricevevano la PSV, ricevevano sedazione e analgesia secondo necessità ed erano emodinamicamente stabili. Sono stati esclusi i pazienti che erano emodinamicamente instabili (per esempio, pressione arteriosa media compresa tra 40 e 80 mm Hg, con variazioni irregolari della frequenza cardiaca e/o aritmie); pesantemente sedati (per esempio, alto livello di oppioidi, che causano cambiamenti sostanziali in f e VT); o con modelli di respirazione irregolari (per esempio, trauma cranico chiuso con improvvisi aumenti e diminuzioni di f e VT).
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Dati dei pazienti* all’arruolamento (n = 76)
Tutti i pazienti sono stati ventilati con lo stesso tipo di ventilatore (840, Puritan-Bennett, Pleasanton, California), impostato nelle modalità PSV e PEEP, che abbiamo combinato con la ventilazione intermittente obbligatoria sincronizzata (SIMV) impostata a 2 respiri/min e una VT di 6-8 mL/kg di peso corporeo ideale. La nostra terapia intensiva chirurgica prevede l’impiego della SIMV a un minimo di 2 respiri/min quando si utilizzano PSV e PEEP, e il nostro comitato di revisione istituzionale ha richiesto di conformarsi a tutte le politiche esistenti in materia di trattamento dei pazienti, quindi abbiamo utilizzato la SIMV, con una forma d’onda di flusso inspiratorio decelerato. Per la PSV abbiamo impostato la “% di aumento” nell’intervallo 60-80%. Questa impostazione controlla l’uscita della portata del ventilatore durante l’inspirazione e influisce sul tasso di aumento della pressione (cioè, l’interazione tra l’uscita della portata del ventilatore e la domanda di portata inspiratoria del paziente influisce sul tasso di aumento della pressione o sulla forma del profilo della pressione durante un respiro supportato dalla pressione).5 Con tutti i pazienti abbiamo impostato l’impostazione della sensibilità espiratoria (criterio di terminazione del respiro) al 25%.
Due componenti costituiscono il sistema di consulenza PSV ad anello aperto: un monitor respiratorio disponibile in commercio (NICO, Respironics, Wallingford, Connecticut), e un computer portatile. Un sensore combinato pressione / flusso / biossido di carbonio, posizionato tra il tubo endotracheale e il paziente Y-pezzo, dirige i dati al monitor respiratorio per la misurazione di f, VT, ventilazione minuto esalato, PSV, PEEP, e end-tidal pressione parziale di biossido di carbonio (PETCO2) (Fig. 1). La compliance e la resistenza del sistema respiratorio sono state calcolate con il metodo dei minimi quadrati.6 Le letture della SpO2 sono state raccolte con un sensore da dito. I dati PETCO2 e SpO2 sono stati monitorati per garantire che i pazienti fossero adeguatamente ventilati e ossigenati.
Sistema di consulenza per la ventilazione di supporto a pressione (PSV) ad anello aperto. I dati dei sensori di pressione e di flusso sul pezzo Y vanno al monitor respiratorio, poi al software del sistema di consulenza PSV, che raccoglie anche i dati del ventilatore. Il software della rete neurale artificiale del sistema di consulenza PSV calcola il lavoro respiratorio al minuto (WOBN/min) misurato in modo non invasivo e il software del sistema di inferenza fuzzy-logic utilizza il WOBN/min, la frequenza respiratoria spontanea (f) e il volume corrente (VT) per formulare la sua raccomandazione per impostare la PSV in modo da scaricare adeguatamente i muscoli inspiratori. In questa strategia di carico e tolleranza il parametro di carico, WOBN/min, riflette il carico sui muscoli inspiratori durante l’inspirazione spontanea, e i parametri di tolleranza, f e VT, riflettono la tolleranza del carico sui muscoli inspiratori. In questa figura il sistema di consulenza PSV ha determinato che l’attuale impostazione di supporto della pressione di 10 cm H2O è insufficiente perché WOBN/min è troppo alta (17 J/min) e la tolleranza per quel carico è al limite (f è 32 respiri/min e VT è bassa a 5 mL/kg di peso corporeo ideale), quindi il sistema raccomanda di aumentare la PSV.
I dati dal monitor vanno al computer portatile dove il software del sistema di consulenza PSV (Convergent Engineering, Gainesville, Florida) gestisce una rete neurale artificiale per il calcolo immediato del WOB/min misurato in modo non invasivo (WOBN/min)3 e un sistema di inferenza fuzzy-logic che elabora le informazioni WOBN/min, f, e le informazioni VT per valutare il carico sui muscoli inspiratori per inalare (WOBN/min) e la tolleranza per tale carico (f e VT) e fornisce raccomandazioni per aumentare, mantenere o diminuire il supporto della pressione. Ci riferiamo a questo come una strategia di carico e tolleranza (vedi Fig. 1). La logica fuzzy è un processo che utilizza distribuzioni di probabilità invece di semplici decisioni “sì/no”, come in un semplice sistema basato su regole, per guidare il processo decisionale del ventilatore.7,8 I dati WOBN/min erano altamente correlati (r = 0,91, P < .02) con il WOB/min misurato invasivamente (dalle misurazioni della pressione esofagea) ed erano considerati un ottimo predittore del WOB/min misurato invasivamente negli adulti trattati con PSV.3 WOBN/min riflette il carico totale sui muscoli inspiratori, che include il carico elastico del sistema respiratorio e i carichi resistivi delle vie aeree, del tubo endotracheale e dell’apparato di ventilazione. Una limitazione di WOBN/min è che non può differenziare questi carichi componenti.
Le reti neurali artificiali – una branca dell’intelligenza artificiale – sono state utilizzate per applicazioni mediche9-12 (ad esempio, il riconoscimento del modello di respirazione durante la respirazione spontanea e la PSV).11 Le reti neurali artificiali sono una classe di modelli matematici che sono programmi informatici biologicamente ispirati progettati per simulare il modo in cui il cervello umano elabora le informazioni.13,14 Una rete neurale artificiale può rilevare complesse relazioni non lineari tra variabili dipendenti e indipendenti nei dati che un cervello umano potrebbe non riuscire a rilevare. Esse acquisiscono conoscenza rilevando modelli e relazioni per facilitare l’apprendimento; sono addestrate attraverso l’esperienza. Fondamentalmente, una rete neurale artificiale impara dai dati e cattura la conoscenza contenuta nei dati. Una rete neurale artificiale è formata da centinaia di singole unità (neuroni artificiali, o elementi di elaborazione) collegati con coefficienti o pesi (analoghi alle connessioni sinaptiche nel sistema nervoso centrale), che costituiscono il sistema neurale, e sono organizzati in strati. La potenza/intelligenza dei calcoli neurali si ottiene dalla connessione dei neuroni in una rete. Durante l’addestramento, le connessioni inter-unità sono ottimizzate fino a quando gli errori nelle previsioni sono minimizzati e la rete neurale artificiale raggiunge un determinato livello di precisione. Una volta che la rete è addestrata, le si possono dare nuove informazioni in entrata per prevedere l’uscita. Un “perceptron multistrato” (il tipo più comune di rete neurale artificiale) può essere pensato come una combinazione della somma pesata di un certo numero di modelli di regressione logistica. Ogni modello di regressione logistica (un “perceptron” nella terminologia delle reti neurali) ha il proprio set di pesi, e il suo output è pesato e aggiunto agli output degli altri perceptron per creare la previsione finale. WOB/min è la variabile prevista dalla rete neurale artificiale nel nostro sistema di consulenza PSV.
L’addestramento della nostra rete neurale artificiale è stato precedentemente descritto.3 Sono stati utilizzati cinque elementi di input (predittori):
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La ventilazione minuta spontanea (escluse le respirazioni SIMV) è direttamente correlata alla WOB/min.
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Un aumento della PEEP intrinseca è associato a un aumento della WOB/min, e viceversa.
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Una minore profondità della pressione di attivazione inspiratoria appena prima dell’attivazione del ventilatore durante la PSV è associata a un aumento della WOB/min, e viceversa.
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Un tempo di salita del flusso inspiratorio più basso durante un respiro in PSV è associato a un aumento della WOB/min e viceversa.
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Una pressione muscolare respiratoria più alta (pressione = (VT/respiratory system compliance) + (inspiratory flow rate × respiratory system resistance)) è associata a un aumento della WOB/min e viceversa.15,16
Un obiettivo del sistema di consulenza PSV è quello di mantenere WOBN/min, f, e VT negli intervalli verdi mostrati nella Figura 1, che sono stati derivati, in parte, dai valori normali di WOB,3,15 uno studio sui risultati di WOB,2 e la nostra esperienza clinica.3 Negli adulti l’intervallo normale di WOB/min è 4-8 J/min.15 Sulla base di 15 anni di esperienza nella misurazione di WOB in pazienti che ricevono supporto ventilatorio, gli adulti trattati con PSV tollerano un WOB/min massimo fino a circa 10-12 J/min. Valori di WOB/min superiori a 12-15 J/min negli adulti non sono ben tollerati e richiedono un livello di supporto pressorio più elevato. Negli adulti trattati con PSV è stato riscontrato che un WOB di 2-8 J/min era ben tollerato.3 Un altro studio clinico2 ha riportato che il WOB mantenuto in un range abbastanza normale durante la PSV era ben tollerato.
I range target f e VT del nostro sistema di consulenza PSV sono congruenti con quelli applicati agli adulti in respirazione spontanea sottoposti a PSV: 10-25 respiri/min, e 6-8 mL/kg, rispettivamente.1,17 È ragionevole applicare la PSV in modo che non si verifichino f inappropriatamente bassa (per esempio, 4-6 respiri/min) o alta (per esempio, 30-40 respiri/min) e bassa VT (per esempio, < 4 mL/kg) o alta VT (per esempio, > 12 mL/kg). Il sistema di avviso tratta gli intervalli più ampi di WOBN/min, f, e VT (le aree gialle nella Figura 1) come cautelativi. Il sistema di consulenza valuta la probabilità che il carico muscolare inspiratorio (WOBN/min) e i parametri di tolleranza (f e VT) varino l’uno rispetto all’altro in tutti gli intervalli, e quindi fornisce una raccomandazione appropriata per aumentare, mantenere o diminuire la PSV. Il sistema utilizza un filtro di media di 5 minuti per aggiornare la sua raccomandazione.
La PSV è stata impostata inizialmente come ordinato dai medici curanti. Successivamente, le raccomandazioni dei RRT per il supporto della pressione sono state consentite durante lo studio. A intervalli periodici è stato chiesto agli RRT di valutare il paziente per determinare se la PSV dovesse essere aumentata, mantenuta o diminuita. Le loro raccomandazioni si basavano sull’uso dell’approccio tradizionale di valutazione dei dati del modello di respirazione spontanea (cioè, f 15-25 respiri/min, VT 6-8 mL/kg di peso corporeo ideale), nessuna contrazione del muscolo sternocleidomastoideo e l’aspetto della respirazione confortevole. Gli RRT erano in cieco rispetto ai dati respiratori misurati e alle raccomandazioni del sistema di consulenza.
Le impostazioni PEEP e FIO2, determinate dai medici curanti (vedi tabella 1), sono state mantenute costanti durante il periodo di studio, che era di 8 ore di lavoro. Non ci sono state differenze clinicamente importanti in PEEP, PETCO2 o SpO2 al basale o durante lo studio, e nessuna variazione clinicamente importante nei parametri emodinamici in nessun paziente durante lo studio.
Abbiamo valutato la relazione tra i PSV stabiliti dai medici e i PSV raccomandati dal sistema di consulenza. Quando gli RRT raccomandavano un aumento o una diminuzione della PSV, generalmente il cambiamento era di 5 cm H2O rispetto all’impostazione corrente. Quando il sistema consultivo raccomandava “Aumentare la PSV” o “Diminuire la PSV”, questo veniva interpretato come un cambiamento di 5 cm H2O in più o in meno, rispettivamente, rispetto all’impostazione corrente. Con questa comprensione, le impostazioni PSV raccomandate dagli RRT sono state regredite con le impostazioni raccomandate dal sistema di consulenza PSV.
Abbiamo analizzato i dati con l’analisi del chi-quadrato, l’analisi di regressione e la statistica kappa.18 L’alfa è stata fissata a .05 per la significatività statistica.