Measurement of ventilatory pattern and chest wall volumes during non-invasive respiratory support by helmet CPAP in healthy subjects in semi recumbent and prone position

Recently, the interest in the Helmet interface during Non-Invasive Respiratory Support (NIRS) has improved, especially due to the COVID-19 pandemic. Helmet can be combined with Continuous Positive Airway Pressure (CPAP), during which a high Positive End-Expiratory Pressure (PEEP) can be delivered thanks to the mechanical properties of this interface, which does not suffer from high air leaks. The main disadvantage of the helmet is the inability to measure tidal volume (TV), expression of respiratory drive; this is because airways are included in the interface. A valid measurement method is the optoelectronic plethysmography (OEP), a non-invasive technique that does not require the instrumentation of the airways. In this study, OEP acquisitions were performed on 28 healthy volunteers (14 females and 14 males) in baseline condition (i.e. without helmet) and during HCPAP, i.e. Helmet CPAP (with 50 L/min and 60 L/min flow), with the delivery of two different PEEP levels (5 cmH2O and 10 cmH2O). Tidal volume was measured both in baseline and in helmet-wearing subjects during CPAP with PEEP delivery and the effects of posture, flow and PEEP on operational volumes and on a number of parameters including expiratory time, breathing frequency, minute ventilation and abdominal contribution to respiration were investigated. It was determined that posture does not influence the ventilatory pattern of the subject, except for differences related to the presence of constraints. In fact, the abdominal contribution to breathing is higher in semi recumbent position than in prone one, precisely due to the presence of bed and bones of the back; the same applies to Vital Capacity (VC), that is higher in semi recumbent position. In addition, it was found that flow influences in particular minute ventilation, which decreases as flow increases, due to the reduced need for ventilation associated with the increased washout of carbon dioxide at higher flows. Finally, it was found that PEEP mainly influences End-Expiratory Volume (EEV) and that, even if in healthy subjects, the response to changes in PEEP does not always involve the same compartments. This is a first-order step response and therefore the time constant was calculated; it was observed that it does not change between different postures, PEEP conditions and compartments.

Recentemente, l'interesse per l'interfaccia del casco durante il supporto respiratorio non invasivo (NIRS) è aumentato, soprattutto a causa della pandemia COVID-19. Il casco può essere combinato con pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP), durante la quale è possibile erogare una pressione positiva di fine espirazione (PEEP) elevata grazie alle proprietà meccaniche di tale interfaccia, che non è soggetta ad elevate perdite d'aria. Uno dei maggiori svantaggi del casco è la difficoltà nella misurazione del volume corrente, a causa del fatto che le vie aeree sono incluse nel casco. Un valido metodo di misura è la pletismografia optoelettronica (OEP), una tecnica non invasiva che non richiede la strumentazione delle vie aeree. In questo studio, sono state effettuate acquisizioni OEP su 28 volontari sani (14 femmine e 14 maschi). È stato misurato il volume corrente nei soggetti sia in condizioni basali (ovvero senza casco) sia con HCPAP, ovvero CPAP con casco, (con flusso a 50 L/min e a 60 L/min) durante l’erogazione di due diverse PEEP (5 cmH2O e 10 cmH2O) e sono stati studiati gli effetti della postura, del flusso e della PEEP sui volumi operazionali e su una serie di parametri, tra cui il tempo espiratorio, la frequenza respiratoria, la ventilazione al minuto e il contributo addominale alla respirazione. È stato determinato che la postura non ha effetti sul pattern ventilatorio, fatta eccezione per le differenze legate alla presenza di vincoli. Il contributo addominale alla respirazione, infatti, è più elevato in posizione semisdraiata rispetto a quella prona, proprio per la presenza del lettino e delle ossa della schiena; lo stesso vale per la capacità vitale (VC), che è maggiore in posizione semisdraiata. Inoltre, è stato riscontrato che il flusso influenza in particolare la ventilazione al minuto, che diminuisce quando questo aumenta, a causa della minore necessità di ventilazione associata alla maggiore eliminazione di anidride carbonica a flussi più elevati. Infine, è emerso che la PEEP influenza principalmente il volume di fine espirazione (EEV) e che, anche se in soggetti sani, la risposta alle variazioni di PEEP non coinvolge sempre gli stessi compartimenti. Si tratta di una risposta a gradino del primo ordine e pertanto è stata calcolata la costante di tempo di tale funzione; è stato osservato che questa non varia tra diverse posture, condizioni di PEEP e compartimenti.