A novel closed-circuit mechanical ventilation system to assess lung mechanics during xenon synchrotron radiation imaging

Subjects with impaired lung function often require mechanical ventilation. The identification of the optimal mechanical conditions of the lung able to maximize gas exchange without compromising comfort and inducing lung hyperinflation, can lead to define new criteria for implementing real-time closed-loop ventilation modes able to identify automatically and continuously ventilation parameters, optimizing mechanical ventilation treatment of diffused pathologies like Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). In this scenario, a novel setup for high-resolution imaging is essential to prove the correlation between continuous parameters adjustment and improved ventilation dynamics quantified through Computed Tomography (CT) imaging, using xenon as a contrast medium. In this study, a non-invasive mechanical ventilator has been designed, implemented, and tested to be used in combination with a high spatial and temporal resolution imaging system. The purpose was to characterize the dynamic changes of lung mechanical properties by means of Forced Oscillation Technique, a non-invasive method to characterize them by applying small pressure oscillations at high frequency while the patient breaths spontaneously. The ventilator was designed to operate synchronously with a CT imaging system to automatically perform wash-in and wash-out phases of the tracer gas, allowing the evaluation of the ventilation distribution inside the lungs. The ventilator feasibility has been validated in vitro at European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), where first imaging acquisitions have been performed using a self-made realistic test lung, in order to characterize the ventilator interaction with the tracing gas and the fulfillment of all the requirements of the facility in the same setup where it will be used for further in vivo studies.

I soggetti con funzionalità polmonare compromessa necessitano spesso del supporto di un ventilatore meccanico. L’identificazione delle condizioni meccaniche ottimali per i polmoni, al fine di massimizzare lo scambio di gas al loro interno senza indurre iperinflazione, può portare alla definizione di nuovi criteri per l’implementazione di algoritmi a controllo retro-azionato in tempo reale in grado di identificare automaticamente i parametri ottimali per la ventilazione meccanica per il trattamento di patologie diffuse come la Broncopneumopatia Cronica Ostruttiva (BCO). In questo scenario, un setup innovativo per l’acquisizione di immagini ad alta risoluzione spazio- temporale è essenziale per testare la correlazione tra il continuo aggiustamento dei parametri e il miglioramento della dinamica respiratoria, visualizzata quantitativamente attraverso la Tomografia Computerizzata (TAC), usando xenon come mezzo di contrasto. In questo studio, è stato progettato, implementato e testato, un ventilatore meccanico che potesse essere utilizzato in combinazione con un sistema di acquisizione di immagini ad alta risoluzione spazio-temporale. Il fine è la caratterizzazione delle proprietà meccaniche polmonari attraverso la Tecnica delle Oscillazioni Forzate, un metodo non invasivo che consiste nell’applicazione di piccole oscillazioni pressorie tramite il ventilatore a frequenze maggiori di quelle del respiro spontaneo. Il dispositivo è stato pensato per operare in maniera sincronizzata con il sistema di acquisizione di immagini TAC, andando a effettuare automaticamente le fasi di wash-in e wash-out del gas tracciante e consentendo quindi la valutazione della distribuzione dello stesso nei polmoni. Il ventilatore è stato validato presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), dove sono state fatte delle prime acquisizioni di immagini utilizzando un polmone artificiale auto prodotto, al fine di caratterizzare l’interazione del respiratore con il gas tracciante e verificare il rispetto di tutti i requisiti della struttura, nello stesso contesto in cui verrà utilizzato per i futuri studi in vivo.