Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Contribution à l'étude de la surveillance de la mécanique ventilatoire du nouveau-né ventilé.
RIGO, Vincent
2012
 

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Keywords :
respiratory mechanics; monitoring; trends; newborn infant; mechanical ventilation; compliance; tidal volume; C20/C; resistance
Abstract :
[fr] La ventilation artificielle, qui contribue encore grandement à l’amélioration pronostique des nouveau-nés et prématurés, ne peut se réaliser sans une surveillance attentive. Cette surveillance des nouveau-nés ventilés intègre des données diverses. Elle est classiquement centrée sur celle des gaz sanguins, de manière directe ou via l’oxymétrie de pouls et les valeurs transcutanées. Elle reprend également les données de l’examen clinique, de l’imagerie thoracique et l’évaluation des réglages du respirateur. Les paramètres de mécanique respiratoire actuellement affichés par les respirateurs néonataux restent peu utilisés, notamment à cause d’une variabilité apparente élevée. Les stratégies de ventilation, qui visent actuellement à réduire la durée de celle-ci et à limiter les lésions iatrogènes qui sont associées à cette intervention, pourraient bénéficier d’outils de surveillance complémentaires. Pour le National Institute for Child Health and Human Development américain, la surveillance continue des fonctions pulmonaires fait partie des priorités identifiées en matière d’innovation technologique en néonatologie intensive. L’objectif de ce travail est de contribuer à la résolution de ce problème. Dans un premier temps, les données de compliance dynamique (Cdyn), résistance dynamique (Rdyn), volume courant (VT) et l’indice de surdistension C20/C fournies par le Dräger Babylog 8000®, le ventilateur néonatal le plus utilisé en Europe, sont d’abord évaluées pour juger de leur intérêt clinique. Ces paramètres présentent une variabilité importante, et manquent donc de précision. Une modification mathématique simple, le calcul de la moyenne sur quelques minutes, donne des résultats reproductibles et diminue logiquement cette variabilité. Les données continues de pression, débit et volume fournies par le respirateur permettent de reconstruire les courbes et boucles de cycles respiratoires. A partir de cycles d’apparence normale, le VT est déterminé et Cdyn et Rdyn sont calculés par la technique de Mead-Whittenberger. Ces valeurs calculées présentent des différences significatives avec les données du respirateur. En raison du manque de précision des données du ventilateur, une nouvelle approche est donc élaborée dans le cadre de ce travail. Elle base le calcul des paramètres de mécanique respiratoire exclusivement sur des cycles respiratoires sélectionnés. Un nouveau programme informatique est développé en collaboration avec la société Nomics. Ce programme permet d’individualiser automatiquement les cycles respiratoires et de reconstituer les courbes et boucles de pression, débit et volume de ces cycles. Le programme calcule pour chaque cycle les valeurs de Cdyn et Rdyn par une méthode de régression linéaire multiple, ainsi que VT et C20/C. Sur base de 10 séries de 2 enregistrements (un en mode Ventilation assistée contrôlée intermittente- VACI, et un en mode Ventilation assistée contrôlée- VAC), 11274 cycles respiratoires sont évalués pour en conserver 4847 d’apparence optimale. Ces cycles assistés par le ventilateur présentent une fuite nulle ou minimale, une hystérésis satisfaisante sur la courbe pression-volume, et des tracés de débits normaux. Les coefficients de variation obtenus à partir de cette sélection sont significativement diminués en comparaison de ceux obtenus à partir des données du ventilateur. Cette diminution est de 25-27% pour Rdyn, Cdyn et C20/C, et de 60% pour VT. Cette précision accrue s’accompagne d’une amélioration du pouvoir de discrimination entre les paramètres correspondant aux différents enregistrements et situations cliniques. L’analyse des différences observées entre les résultats du ventilateur et ceux des cycles sélectionnés est intéressante. Les VT annoncés par le premier sont plus élevés que ceux dérivés des cycles optimaux, suggérant que les valeurs rapportées par le respirateur sont à elles seules insuffisantes pour servir de base à l’ajustement des réglages de ventilation. En mode VACI, la faible corrélation entre les Cdyn obtenues par les deux méthodes interpelle quant à la pertinence des informations du ventilateur. Enfin, la dispersion marquée des résultats de C20/C, souvent en dehors des valeurs normatives reconnues, et l’absence de corrélation avec les données issues de cycles optimaux démontrent l’absence de validité des C20/C calculés par le ventilateur. Les résultats permettent également de suggérer que l’utilisation de valeurs dérivées de cycles sélectionnés pourrait servir de base à la conception d’un outil de surveillance continue des paramètres de mécanique respiratoire utile pour la conduite de la ventilation. Pour éviter la charge de travail importante liée à la sélection visuelle des cycles respiratoires, le programme décrit ci-dessus est complété pour identifier automatiquement les cycles optimaux. Cette sélection présente une valeur prédictive positive et une spécificité très élevées. Les paramètres de mécanique respiratoire obtenus à partir de cette sélection automatique concordent avec ceux de la sélection visuelle. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’évaluation des potentialités du programme en analysant 21 enregistrements obtenus dans des conditions cliniques variées. La capacité de distinction entre résultats différents est évaluée sur une population étendue. Les possibilités de suivi de tendances sont évaluées. L’analyse des paramètres de mécanique respiratoire sur base de cycles sélectionnés automatiquement permet de démontrer des différences de 4,6-7,1% ou plus entre les paramètres de deux enregistrements de 10 minutes. Pour mettre en évidence une différence de 10%, il suffit d’établir les moyennes sur 3 à 7 minutes selon le paramètre étudié. Des moyennes établies sur dix minutes permettent ainsi de confirmer des variations de 10% chez presque tous les patients. Ces données permettront d’établir des courbes de tendances avec des données significatives sur les plans clinique et statistique. En conclusion, le programme de surveillance de la mécanique respiratoire développé et évalué lors de ce travail devrait donner des informations précises sur l’évolution dynamique des paramètres de compliance, résistance, volume courant et C20/C. La dernière version du programme permet un fonctionnement en temps réel et intègre des fonctions qui donnent des possibilités immédiates d’utilisation en recherche. L’application en clinique semble également toute proche, et pourrait compléter les informations guidant la conduite ventilatoire.
[en] Mechanical ventilation, still a major intervention to improve prognosis in newborns, requires careful monitoring of ventilated infants. This monitoring integrates different parameters. Its classical focus is on blood gases and their proxy (pulse oxymetry, transcutaneous oxygen and carbon dioxide content), and also includes physical assessment, thoracic imaging and appraisal of ventilator settings. Use of currently available on-line respiratory mechanics (RM) as displayed by ventilators seems limited given a large apparent variability. As current respiratory support strategies aim to reduce exposure to mechanical ventilation and to decrease ventilator associated lung injuries, additional continuous monitoring tools could benefit neonatal patients. In a review of advanced biomedical devices in use in the neonatal intensive care units and areas where improvement or evaluation is necessary, the National Institute for Child Health and Human Development underlines simple tools for continuous assessment of vital pulmonary functions at the bedside. This research aims at finding solutions to that problem. In a first step, different respiratory mechanics parameters (dynamic compliance –Cdyn, dynamic resistance –Rdyn, tidal volume –VT and the overdistension parameter C20/C) are obtained from ventilatory recordings of newborns under respiratory support with the most commonly used neonatal ventilator to evaluate their clinical relevance. Those data present a high variability and therefore lack precision. It is possible to mathematically decrease this variability by using parameters averaged over a few minutes and to obtain reproducible results. Continuous pressure, flow and volume data from the ventilator allow construction of pressure-volume, pressure-flow and flow-volume loops. From those loops, Cdyn, Rdyn and VT can be computed by the Mead-Whittenberger method. Those values when derived from respiratory cycles with good appearance significantly differ from ventilator values. Given the lack of precision of ventilator derived respiratory mechanics data, a new strategy is developed to obtain those parameters only from optimal looking respiratory cycles. A new software is designed to reconstruct waves and loops from the ventilator continuous recordings. This software individualises respiratory cycles and compute Cdyn and Rdyn (least mean square method), VT and C20/C. Using 10 sets of two recordings (one in Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation and one in Assist/Control ventilatory modes), visual evaluation of 11274 respiratory cycles selects 4847 cycles considered optimal looking. Those assisted cycles present no or minimal leak, good hysteresis of the pressure-volume loop, and no abnormalities of the flow curves. The coefficients of variation of the respiratory mechanics parameters obtained with this method are significantly decreased, by 25-27% from the ventilator values for Rdyn, Cdyn and C20/C, and by 60% for VT. This increase in parameters precision is associated with an improved capacity to discriminate different values. Analysis of discordant values between ventilator and optimal respiratory cycles is relevant. In A/C mode, the VTs from the selected respiratory cycles are lower than values reported by the ventilator, suggesting that currently available VTs give incomplete information for adjustment of ventilator settings. In SIMV mode, the weak correlation between Cdyn from both methods leads to question the relevance of ventilator informations. The important scattering of ventilator C20/Cs out of classical values, and the absence of correlation with values from selected respiratory cycles demonstrate the lack of validity of ventilator C20/Cs. Overall, the results suggest that the use of data derived from selected respiratory cycles could underlie the conception of RM monitoring tools to support ventilatory management. To avoid the heavy workload associated with visual respiratory cycles’ selection, the software is improved to automatically identify optimal cycles. The positive predictive values and specificity of this selection are high. Respiratory mechanics parameters from cycles selected automatically are very concordant with those from visually selected cycles. The last step of this work assesses the software potential with analysis of 21 recordings from various clinical situations. The discriminating power of automatically selected respiratory cycles’ parameters is tested in an extended population. Trending abilities of those parameters are evaluated. Analyses of respiratory mechanics parameters derived from automatically selected cycles are able to demonstrate differences of 4.6-7.1% and more between parameters from two 10min recordings. Averaging data over 3-7min allows to determine a 10% difference. Parameters averaged over 10min allow detection of 10% changes in most patients. Those results should allow building trend curves with clinically and statistically significant informations. In conclusion, the continuous respiratory mechanics analysis software developed and evaluated in this work should give precise informations on the dynamic evolution of RM parameters. Functions integrated in the last version of the software give immediate research opportunities, and should lead to clinical application in a very near future. Those parameters could then complete current informations integrated in ventilatory management.
Disciplines :
Pediatrics
Author, co-author :
RIGO, Vincent  ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Néonatologie CHR
Language :
French
Title :
Contribution à l'étude de la surveillance de la mécanique ventilatoire du nouveau-né ventilé.
Alternative titles :
[en] Contribution to the study of respiratory mechanics monitoring in ventilated newborn infants.
Defense date :
15 February 2012
Institution :
ULiège - Université de Liège
Degree :
Doctorat en sciences médicales
Promotor :
Rigo, Jacques ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Service néonatologie (CHR)
President :
Louis, Renaud ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Service de pneumologie - allergologie
Jury member :
Albert, Adelin  ;  Université de Liège - ULiège > Département des sciences de la santé publique
Battisti, Oreste  ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Service de pédiatrie
Devlieger, Hugo
D'Orio, Vincenzo ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Service des urgences
Jarreau, Pierre-Henri
Foidart, Jean-Michel ;  Centre Hospitalier Universitaire de Liège - CHU > Service de gynécologie-obstétrique (CHR)
Available on ORBi :
since 31 January 2013

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