Premature birth implicates that the last stages of lung development, which generally take place in utero, occur after birth and under very different environmental conditions, requiring rapid adjustment of cardio-respiratory system to permit the newborn to survive. For this reason, preterm babies are prone to respiratory system pathologies, often requiring respiratory support. Since the immaturity of the respiratory system of preterm babies makes them more prone to lung damage, the selection of the best-suited ventilation strategy is crucial from the first minute of life. Personalized or individualized medicine has become an increasingly used approach in adult and pediatric research. A combination of clinical measurements able to provide information about respiratory system mechanics, asynchronies of the thoraco-abdominal compartment, muscular activity (and fatigue), and central breathing generator condition may help clinicians optimize patient treatment. The aim of this Ph.D. project is to improve the management of non-invasive ventilation in preterm infants. Specific objectives of my Ph.D. project include i) the development of novel tools for the assessment of different aspects of the respiratory function in preterm newborns receiving non-invasive respiratory ventilation, which may help disentangle the complexities of the pathophysiological mechanisms resulting in inadequate gas exchange, ii) the definition of criteria for surfactant administration based on the direct assessment of lung volume recruitment; iii) the assessment of the short-term physiological effects of a non-invasive ventilation strategy synchronized with and proportional to the neural breathing activity. Specifically, I developed a device to collect long time series of ventilatory parameters enabling the assessment of long-term correlation properties of the central breathing pattern generator; a device for the simultaneous monitoring of lung mechanics and diaphragm activity during preclinical studies; an innovative contactless method for monitoring breathing pattern and thoraco-abdominal asynchronies. I also collaborated with producers of neonatal mechanical ventilators to integrate measurements of respiratory system impedance by forced oscillation technique (FOT) in a commercial bedside device, focusing particularly on testing and improving the accuracy of the measurements. Finally, I evaluated the accuracy evaluation of mechanical ventilators available at the bedside in real-word conditions. The developed systems have been evaluated in-vitro, on animal model, or in-vivo and proved to be accurate. Moreover, I participated in two clinical studies during which the developed systems have been used. The first study exploited FOT measurements to identify early surfactant needs in preterm infants; the study is concluded and has been successfully enrolled 59 preterm infants, finding that measurement of respiratory reactance at the bedside may be used in combination with clinical criteria to improve surfactant administration. The second study aimed to compare the effects of two ventilation modes on preterm infants’ breath during non-invasive ventilation. During this study, breathing signals, thoraco-abdominal movements, lung mechanics, and breathing pattern variability have been studied together; the study is almost concluded, and we enrolled 19 infants so far.
La nascita prematura implica che gli ultimi stadi dello sviluppo polmonare, che generalmente avvengono nell'utero, si verificano dopo la nascita in condizioni ambientali diverse, richiedendo un rapido adattamento del sistema cardio-respiratorio al fine di permettere la sopravvivenza del neonato. Per questo motivo, i neonati prematuri possono essere affetti da patologie del sistema respiratorio che spesso richiedono un supporto esterno. Dal momento che l'immaturità dell'apparato respiratorio dei neonati pretermine li rende più inclini a danni polmonari, la scelta della strategia di ventilazione più adatta è cruciale fin dai primi minuti di vita. La personalizzazione del trattamento o la terapia individualizzata è diventata un approccio sempre più utilizzato in un contesto di ricerca, sia adulta che pediatrica. Una combinazione di misure cliniche in grado di fornire informazioni sulla meccanica del sistema respiratorio, su eventuali asincronie toracoaddominali, sull’attività muscolare (e il suo eventuale affaticamento), e sulla condizione del sistema centrale di generazione del respiro potrebbe aiutare i medici ad ottimizzare il trattamento del paziente. Lo scopo di questo progetto di Dottorato è quindi quello di migliorare la gestione della ventilazione non invasiva nei neonati pretermine tramite dei sistemi di misura innovativi. Obiettivi specifici del mio progetto includono i) lo sviluppo di nuovi strumenti per la valutazione dei diversi aspetti della funzionalità respiratoria nei neonati nati pretermine supportati tramite una ventilazione non invasiva, che potrebbero aiutare comprendere la complessità dei meccanismi fisiopatologici responsabili di uno scambio di gas inadeguato, ii) la definizione di criteri per la somministrazione di un farmaco come il surfattante sulla base della valutazione diretta del reclutamento volume polmonare; iii) la valutazione dell’effetto di una strategia di ventilazione non invasiva sincronizzata e proporzionale all'attività respiratoria neurale. In particolare, ho sviluppato un dispositivo per la raccolta di lunghe serie temporali di parametri respiratori che consentono la valutazione delle proprietà di correlazione a lungo termine del sistema centrale che genera il respiro; un dispositivo per il monitoraggio simultaneo della meccanica polmonare e dell'attività del diaframma durante studi preclinici; un innovativo metodo senza contatto per il monitoraggio del respiro e delle asincronie toracoaddominali. Ho inoltre collaborato con alcuni produttori di ventilatori meccanici neonatali per integrare le misure dell'impedenza del sistema respiratorio effettuate tramite la tecnica delle oscillazioni forzate (FOT) in un dispositivo commerciale disponibile al posto letto del paziente, concentrandomi in particolare sul miglioramento dell'accuratezza di misura. Infine, ho effettuato una valutazione di accuratezza di misura su ventilatori meccanici disponibili al posto letto del paziente in condizioni reali di utilizzo. I sistemi sviluppati sono stati valutati in vitro, su modello animale o in vivo e si sono dimostrati accurati. Inoltre, ho partecipato a due studi clinici durante i quali sono stati utilizzati i sistemi sviluppati. Il primo studio ha sfruttato le misure FOT per identificare precocemente la necessità di ricevere surfattante nei neonati pretermine; lo studio è concluso e sono stati acquisiti con successo dati su 59 neonati pretermine, constatando che la misura della reattanza respiratoria può essere utilizzata in combinazione con criteri clinici per migliorare la somministrazione di surfattante. Il secondo studio mirava a confrontare gli effetti di due modalità di ventilazione sul pattern respiratorio dei neonati durante ventilazione non invasiva. Durante questo studio, i segnali respiratori, i movimenti toracoaddominali, la meccanica polmonare e la variabilità del modello respiratorio sono stati studiati contemporaneamente; lo studio è quasi concluso, e finora abbiamo arruolato 19 bambini.
Improving respiratory support of preterm newborns by bedside characterization of lung mechanics and respiratory control
OTTAVIANI, VALERIA
2021/2022
Abstract
Premature birth implicates that the last stages of lung development, which generally take place in utero, occur after birth and under very different environmental conditions, requiring rapid adjustment of cardio-respiratory system to permit the newborn to survive. For this reason, preterm babies are prone to respiratory system pathologies, often requiring respiratory support. Since the immaturity of the respiratory system of preterm babies makes them more prone to lung damage, the selection of the best-suited ventilation strategy is crucial from the first minute of life. Personalized or individualized medicine has become an increasingly used approach in adult and pediatric research. A combination of clinical measurements able to provide information about respiratory system mechanics, asynchronies of the thoraco-abdominal compartment, muscular activity (and fatigue), and central breathing generator condition may help clinicians optimize patient treatment. The aim of this Ph.D. project is to improve the management of non-invasive ventilation in preterm infants. Specific objectives of my Ph.D. project include i) the development of novel tools for the assessment of different aspects of the respiratory function in preterm newborns receiving non-invasive respiratory ventilation, which may help disentangle the complexities of the pathophysiological mechanisms resulting in inadequate gas exchange, ii) the definition of criteria for surfactant administration based on the direct assessment of lung volume recruitment; iii) the assessment of the short-term physiological effects of a non-invasive ventilation strategy synchronized with and proportional to the neural breathing activity. Specifically, I developed a device to collect long time series of ventilatory parameters enabling the assessment of long-term correlation properties of the central breathing pattern generator; a device for the simultaneous monitoring of lung mechanics and diaphragm activity during preclinical studies; an innovative contactless method for monitoring breathing pattern and thoraco-abdominal asynchronies. I also collaborated with producers of neonatal mechanical ventilators to integrate measurements of respiratory system impedance by forced oscillation technique (FOT) in a commercial bedside device, focusing particularly on testing and improving the accuracy of the measurements. Finally, I evaluated the accuracy evaluation of mechanical ventilators available at the bedside in real-word conditions. The developed systems have been evaluated in-vitro, on animal model, or in-vivo and proved to be accurate. Moreover, I participated in two clinical studies during which the developed systems have been used. The first study exploited FOT measurements to identify early surfactant needs in preterm infants; the study is concluded and has been successfully enrolled 59 preterm infants, finding that measurement of respiratory reactance at the bedside may be used in combination with clinical criteria to improve surfactant administration. The second study aimed to compare the effects of two ventilation modes on preterm infants’ breath during non-invasive ventilation. During this study, breathing signals, thoraco-abdominal movements, lung mechanics, and breathing pattern variability have been studied together; the study is almost concluded, and we enrolled 19 infants so far.| File | Dimensione | Formato | |
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