Μελέτη διακίνησης αερίων και αερολυμάτων στους πνεύμονες βρεφών και μικρών παιδιών μέσω μηχανικού μοντέλου προσομοίωσης της αναπνοής

Abstract

The management of respiratory diseases in neonates and infants is challenging. The anatomy of the upper airway and the physiology of the respiratory system differ from those of older children and adults. Among the most common respiratory diseases are chronic lung disease of infancy, bronchiolitis, and asthma, the treatment of which is based on the administration of oxygen and inhaled medications (aerosols). The successful treatment of these disorders depends on the adequate transport and distribution of the above in the lower respiratory tract. A prototype mechanical breathing simulator was constructed to study the transport and distribution of oxygen and aerosols in neonates and infants' respiratory system. Simulation experiments were performed, with various respiratory parameters corresponding to different breathing patterns. It was studied the oxygen delivery to the lower respiratory tract using low-flow nasal cannula (LFNC) and high-flow nasal cannula (HFNC), as well as the deposition of aerosols. The oxygen delivery to the lower respiratory tract during LFNC depends on the device flow and patient factors, such as inspiratory time, respiratory rate, tidal volume, and minute ventilation. In young infants, the oxygen “pool” phenomenon in the upper respiratory tract results in high values ​​of delivered oxygen to the lungs. Existing mathematical formulas for predicting delivered oxygen either overestimate or underestimate the oxygen content of the mixture delivered to the lower respiratory tract. In HFNC, the fraction of delivered oxygen depends on the nasal cannula flow and patient factors. High flow rates result in the desired oxygen mixture. However, at low flows or intermediate flows with increased respiratory rates, the delivered oxygen is significantly lower. The above results were illustrated in predictive diagrams, with which the adjustment of LFNC or HFNC devices can be made through clinical assessment of respiratory rate, facilitating the proper delivery of oxygen in clinical practice. Regarding aerosols, their deposition in the lower respiratory tract is very low in infants and is further reduced by crying or at very small tidal volumes.

Η αντιμετώπιση των αναπνευστικών νοσημάτων σε νεογνά και βρέφη παρουσιάζει προκλήσεις. Η ανατομία του ανώτερου αεραγωγού και η φυσιολογία του αναπνευστικού διαφέρουν από αυτές των μεγαλύτερων παιδιών και των ενηλίκων. Μεταξύ των συχνότερων νόσων του αναπνευστικού συγκαταλέγονται η χρόνια πνευμονική νόσος των βρεφών, η βρογχιολίτιδα και το άσθμα, των οποίων η αντιμετώπιση βασίζεται στη χορήγηση μίγματος υψηλής συγκέντρωσης οξυγόνου καθώς και εισπνεόμενων φαρμάκων (αερολυμάτων). Η επιτυχής αντιμετώπιση της νόσου εξαρτάται από την επαρκή διακίνηση και δράση των παραπάνω στο κατώτερο αναπνευστικό. Με σκοπό τη μελέτη του τρόπου διακίνησης του οξυγόνου και των αερολυμάτων στο αναπνευστικό σύστημα νεογνών και βρεφών, κατασκευάστηκε ένας πρωτότυπος μηχανικός προσομοιωτής της αναπνοής. Με τη χρήση αυτού έγινε μία σειρά πειραμάτων προσομοίωσης, με ποικίλες αναπνευστικές παραμέτρους που αντιστοιχούσαν σε διαφορετικά πρότυπα αναπνοής. Μελετήθηκε η απόδοση του οξυγόνου στο κατώτερο αναπνευστικό με τη χρήση ρινικής κάνουλας χαμηλής ροής (LFNC), ρινικής κάνουλας υψηλής ροής (HFNC) και η εναπόθεση αερολυμάτων. Η απόδοση οξυγόνου στο κατώτερο αναπνευστικό κατά τη χρήση LFNC εξαρτάται από τη ροή της συσκευής και από παράγοντες του ασθενή, όπως ο χρόνος εισπνοής, η αναπνευστική συχνότητα, ο αναπνεόμενος όγκος και ο κατά λεπτό αερισμός. Στα μικρά βρέφη, το φαινόμενο της «δεξαμενής» οξυγόνου στο ανώτερο αναπνευστικό επιφέρει πολύ υψηλές τιμές αποδιδόμενου οξυγόνου στους πνεύμονες. Οι υπάρχοντες μαθηματικοί τύποι πρόβλεψης του αποδιδόμενου οξυγόνου είτε υπερεκτιμούν είτε υποεκτιμούν την περιεκτικότητα σε οξυγόνο του μίγματος που αποδίδεται στο κατώτερο αναπνευστικό. Στην HFNC, το κλάσμα αποδιδόμενου οξυγόνου εξαρτάται από τη ροή της ρινικής κάνουλας και από αντίστοιχους παράγοντες του ασθενή. Υψηλές τιμές ροής επιφέρουν το επιθυμητό μίγμα οξυγόνου. Ωστόσο, σε χαμηλές ροές ή σε ενδιάμεσες ροές με αυξημένη αναπνευστική συχνότητα, το αποδιδόμενο οξυγόνο είναι σημαντικά χαμηλότερο. Τα παραπάνω αποτελέσματα απεικονίστηκαν σε διαγράμματα πρόβλεψης, με τα οποία η ρύθμιση των συσκευών LFNC ή HFNC μπορεί να γίνει μέσω κλινικής αξιολόγησης της αναπνευστικής συχνότητας διευκολύνοντας την ορθή χορήγηση οξυγόνου στην κλινική πράξη. Σχετικά με τα αερολύματα, η εναπόθεσή τους στο κατώτερο αναπνευστικό είναι πολύ χαμηλή στα βρέφη, και μειώνεται περισσότερο με το κλάμα ή σε πολύ μικρούς αναπνεόμενους όγκους.