Variabilidad en el suministro de oxígeno de bajo flujo por cánula nasal evaluada en réplicas de vías respiratorias neonatales e infantiles

Fondo

La cánula nasal se considera un medio confiable y eficaz para administrar oxígeno de flujo bajo y se usa ampliamente para recién nacidos y bebés que requieren oxigenoterapia, a pesar de que se sabe que las concentraciones de oxígeno administradas a los pacientes son variables.

Métodos

En el presente estudio, se utilizaron réplicas realistas de las vías respiratorias nasales derivadas de exploraciones médicas de niños menores de 3 meses para medir la fracción de oxígeno inhalado (FiO₂) a través de cánulas nasales durante el suministro de oxígeno de bajo flujo. Parámetros que influyen en la variabilidad de la FiO₂ fueron evaluados, así como la hipótesis que midió FiO₂ los valores se pueden predecir usando un cálculo simple ponderado por flujo que asume una mezcla ideal de oxígeno con el aire de la habitación arrastrado. La respiración corriente a través de réplicas de vías respiratorias nasales neonatales e infantiles se controló utilizando un simulador de pulmón. Parámetros para la tasa de flujo de oxígeno de la cánula nasal, la geometría de las vías respiratorias nasales, el volumen tidal, la frecuencia respiratoria, la inhalación/exhalación o la relación I:E (t_i/t_mi), la forma de onda de la respiración y la posición de inserción de la punta de la cánula se variaron para determinar su efecto en la FiO medida₂. En total, FiO₂ se midió para 384 combinaciones de parámetros diferentes, y cada combinación se repitió por triplicado. Se utilizó el análisis de varianza (ANOVA) para evaluar la influencia de los parámetros en la FiO medida₂.

Resultados

FiO medida₂ no se vio afectado de manera apreciable por la forma de la onda de respiración, la geometría de la réplica o la posición de la cánula, pero se vio significativamente influenciado por el volumen tidal, el tiempo de inhalación y la velocidad de flujo de la cánula nasal.

Conclusiones

El cálculo de flujo ponderado sobrepredijo FiO₂ para valores medidos por encima del 60 %, pero una corrección empírica del cálculo proporcionó una buena concordancia con la FiO medida₂ en toda la gama de datos experimentales.

La oxigenoterapia se usa en todo el mundo para tratar la hipoxemia en niños pequeños con una amplia gama de afecciones respiratorias, como neumonía, bronquiolitis y asma aguda. La administración de oxígeno de bajo flujo a través de cánulas nasales es el método de administración preferido para niños menores de cinco años que requieren oxigenoterapia. [1]. Para los recién nacidos y los bebés, el uso de la cánula nasal se considera un método de administración confiable y eficaz, a pesar de la comprensión generalizada de que las concentraciones de oxígeno administradas a los pacientes son variables [2].

Para interfaces de pacientes abiertas, como cánulas nasales, estimar la fracción de oxígeno inspirado (FiO₂) administrado a recién nacidos y lactantes no es sencillo. Variabilidad en FiO₂ con estos dispositivos probablemente se deba, al menos en parte, a la variación en el patrón de respiración, que influye en el arrastre de aire ambiental que se mezcla con el oxígeno suministrado dentro de las vías respiratorias superiores. En ausencia de métodos establecidos para estimar FiO₂los médicos y los investigadores han extrapolado de estudios en adultos [3]hizo estimaciones aproximadas basadas únicamente en la tasa de flujo de oxígeno [4]o simplemente informó FiO₂ como indeterminable [5]. Incertidumbre en FiO₂ administrado a pacientes jóvenes y vulnerables tiene el potencial de influir negativamente en los resultados clínicos, dado que las consecuencias de suministrar una concentración de oxígeno demasiado baja o demasiado alta pueden ser graves [6].

Medición de la FiO₂ administrado a través de cánulas nasales a los pacientes es un desafío debido a la invasividad de los catéteres necesarios para tomar muestras de gas de la hipofaringe [7]o la necesidad de inferir FiO₂ basado en medidas sustitutas no invasivas si no se utilizan catéteres [8, 9]. Además, las mediciones simultáneas resueltas en el tiempo de la concentración de oxígeno inhalado y las formas de onda de la respiración son difíciles de obtener in vivo en recién nacidos y bebés, por lo que los estudios anteriores se han basado en parámetros de respiración supuestos, en lugar de medidos, al evaluar su influencia en la FiO₂ [10]. Sin embargo, estudios previos in vivo son unánimes en concluir que la FiO₂ administrado a través de cánulas nasales a recién nacidos y bebés es muy variable entre individuos, incluso a tasas de flujo de oxígeno fijas [8, 9, 11, 12]. En consecuencia, se ha señalado que la FiO₂ administrado a bebés que reciben oxígeno a través de cánulas nasales con frecuencia excede los niveles seguros [7].

En los últimos años, han surgido métodos in vitro que incorporan réplicas realistas de las vías respiratorias superiores y simulación de respiración para realizar experimentos altamente controlados y repetibles que investigan el rendimiento de los dispositivos utilizados en la asistencia respiratoria. [13,14,15,16,17,18,19,20,21]. En principio, dichos métodos permiten una variación ilimitada de los parámetros de entrada en los experimentos realizados dentro de un “sujeto” individual o una réplica de las vías respiratorias, lo que permite una evaluación detallada de los fenómenos de mecánica de fluidos subyacentes que influyen, por ejemplo, en las concentraciones y presiones de gases que se envían a las vías respiratorias superiores. [20, 22, 23]. Los experimentos realizados en réplicas de vías respiratorias derivadas de exploraciones médicas de diferentes individuos permiten evaluar la influencia de la variación intrasujeto en la geometría de las vías respiratorias superiores [16, 17]. Dichos métodos in vitro complementan la investigación in vivo al mejorar la comprensión mecánica del soporte respiratorio en terapias y dispositivos. [13, 24]y al proporcionar una plataforma ventajosa para la evaluación rápida de prototipos de dispositivos e interfaces de pacientes en etapas tempranas [25].

En el presente estudio, empleamos réplicas realistas de las vías respiratorias superiores y respiración simulada para evaluar la FiO₂ administrado a recién nacidos y lactantes durante la oxigenoterapia de bajo flujo administrada a través de cánulas nasales. La geometría de la réplica, la posición de inserción de la cánula, el volumen tidal, la frecuencia respiratoria, la relación I:E y la tasa de flujo del suministro de oxígeno se variaron individualmente para investigar el efecto de cada parámetro en la FiO medida.₂. A partir de entonces, evaluamos la hipótesis de que midió FiO₂ los valores se pueden predecir usando un cálculo simple ponderado por flujo que asume una mezcla ideal de oxígeno con el aire de la habitación arrastrado.

Réplicas de vías respiratorias nasales

Se construyeron réplicas de las vías respiratorias nasales como se describe en Tavernini et al. [26] utilizando datos de tomografía computarizada (TC) adquiridos bajo condición de anonimato de los Archivos de Imágenes de Diagnóstico de la Universidad de Alberta, con la aprobación de la Oficina de Ética de Investigación de la Universidad de Alberta. Brevemente, las réplicas se imprimieron con fotopolímeros VeroGray o VeroBlack (Stratasys, Eden Prairie, MN, EE. UU.) utilizando un sistema Eden 350V (Stratasys). Las réplicas se componían de tres partes: la primera incluía la cara y el vestíbulo nasal y la válvula, la segunda incluía el cornete y la nasofaringe, y la última se extendía desde la nasofaringe hasta la tráquea. Para cada réplica de vía aérea, la salida se alineó perpendicularmente al eje de la tráquea y la dirección esperada del flujo. Usando esta construcción de varias piezas, el material de soporte podría eliminarse después de la creación rápida de prototipos. Posteriormente, los modelos se sellaron con sellador de silicona (737, Dow Corning, Midland, MI, EE. UU.) y se fijaron con tornillos para metales. Mesa 1 muestra las características demográficas y selectas de las vías respiratorias de los sujetos y las réplicas [26]. El sujeto 6 fue excluido del estudio debido a la presencia de una vía aérea oral de plástico que probablemente cambió la forma de la vía aérea natural del bebé y, por lo tanto, no podía considerarse normal. Este sujeto habría estado respirando por vía oral o naso-oral; la exclusión de este sujeto dejó una población de bebés que solo respiraban por la nariz.

Parámetros de respiración

La simulación de la respiración corriente requería que se especificaran los siguientes parámetros: frecuencia respiratoria (RR), relación I:E (t_i/t_mi), volumen corriente (V_t), y la forma de la onda de respiración. Se examinaron inicialmente dos formas de onda de respiración para evaluar si la forma de onda influye significativamente en los valores medidos de FiO₂. Estas mediciones preliminares se realizaron utilizando dos de las siete réplicas (sujetos 4 y 8). Comúnmente, estudios previos han empleado formas de onda sinusoidales como una forma funcional idealizada. Aquí, además de una forma de onda sinusoidal, hay una forma de onda triangular, que se aproxima a las formas de onda clínicamente observadas para bebés con enfermedad pulmonar crónica…