Design and development of an experimental set-up for enabling lung function test by oscillometry in spontaneously breathing infants

Respiratory Impedance ZRS, is an important parameter when evaluating the mechanical properties of the respiratory system. It consists of an imaginary component, Reactance, and a real component, Resistance. It is measured through the so-called Forced Oscillation Technique (FOT) and it describes the organism's flow response to oscillatory pressure stimulations at different frequencies. Neonatal and newborn patients are characterized by peculiar and critical features, such as low flow rate values, low tidal volumes, high respiratory rates, unexpected behaviors, and non-cooperative abilities. For these reasons, measuring their respiratory mechanical properties through the Forced Oscillation Technique turns out to be problematic. This thesis investigates a feasible and easily applicable/removable set-up consisting of a tube, an intentional leakage, a neonatal flowmeter, and pressure sensor and a mask to be applied to the current Resmon Pro device for FOT application in newborns. A neonatal breathing simulator was developed to initially in vitro validate the new neonatal set-up. The latter was designed by taking into account all the criticalities for the FOT application in the neonatal context: dead space, non-cooperativity, load felt by the patient, extremely low signals dimensions. Our analysis showed a successful computation of the absolute value of the respiratory impedance, which remains always in the 10% error range required for such devices. Some difficulties were encountered in the determination of its imaginary component, probably due to the leakage’s reactance that is not properly compensated by the leakage compensation. We conclude that a feasible set-up for a neonatal FOT application to be applied to the Resmon Pro device is doable and achievable also from a production point of view. For further research, it is suggested to properly consider the leakage’s reactance component.

L'impedenza respiratoria ZRS, è un parametro importante nella valutazione delle proprietà meccaniche dell'apparato respiratorio. Consiste in una componente immaginaria, la Reattanza, e una componente reale, la Resistenza. Viene misurato attraverso la cosiddetta Tecnica delle Oscillazioni Forzate (FOT) e descrive la risposta di flusso del sistema alle stimolazioni di pressione oscillatorie a diverse frequenze. I pazienti neonatali sono caratterizzati da caratteristiche particolari e critiche, come bassi valori di flusso, bassi volumi tidalici, alte frequenze respiratorie, comportamenti imprevisti e non collaboratività. Per questi motivi, la misurazione delle loro proprietà meccaniche respiratorie attraverso la Tecnica dell'Oscillazione Forzata risulta problematica. Questa tesi esamina una configurazione costituita da un tubo, una perdita intenzionale, un flussimetro neonatale e un sensore di pressione e una mascherina da applicare temporanemante all'attuale, e già certificato, dispositivo Resmon Pro per permettere l’applicazione della FOT in contesto neonatale. Inizialmente, è stato sviluppato un simulatore di respiro neonatale per convalidare in vitro la nuova configurazione. Quest'ultima è stata progettato tenendo conto di tutte le criticità per l'applicazione della FOT in ambito neonatale: spazio morto, non cooperatività, carico percepito dal paziente, dimensioni dei segnali estremamente ridotte. La nostra analisi ha mostrato una stima del modulo dell'impedenza respiratoria che rimane sempre nell'intervallo di errore del 10% richiesto per tali dispositivi. Alcune difficoltà sono state incontrate nella determinazione della sua componente immaginaria, probabilmente a causa della reattanza della perdita che non è adeguatamente compensata dalla correzione della perdita. Concludiamo che un set-up per un'applicazione FOT in ambito neonatale da applicare al dispositivo Resmon Pro è fattibile e realizzabile anche dal punto di vista produttivo. Per ulteriori ricerche, si suggerisce di considerare adeguatamente la reattanza che caratterizza la perdita.