A novel neonatal ventilation system providing non-invasive respiratory support synchronous to transcutaneous diaphragm electromyography

Prematurity is defined as birth before the 37th week of gestational age, which is earlier than the typical delivery period between the 38th and 41st weeks of gestation. Prematurity represents a risk condition as the development of various organs, which normally occurs in the protected environment of the womb, is drastically interrupted. Mechanical ventilation (MV) is essential for treating premature infants, allowing them to complete their development in the extrauterine environment. Identifying the most suitable ventilation technique for each neonate is crucial to ensure effective care. Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA) is one of the most advanced options available for ventilation. It utilizes the diaphragm electromyogram (Edi) to proportionally assist the patient's breathing. This approach is conceptually different from any other ventilation mode, as the ventilator is controlled directly by the neural activity of the respiratory centers, expressed through the diaphragm electromyogram. Despite its significant advantages, NAVA is an invasive technique requiring the placement of an esophageal catheter in the neonate. Additionally, it is expensive and available only on dedicated ventilators. Recent studies have demonstrated that surface diaphragm electromyography could be a viable, cheaper, non-invasive way to detect spontaneous breathing in neonates, but this information has not yet been used to control ventilation. The objective of this thesis has been to develop a first system capable of extracting spontaneous respiratory triggers in real-time from transcutaneous diaphragm electromyography (tc-dEMG). The system was developed and validated in vitro at the TechRes Lab of the Politecnico di Milano. A preliminary in vivo study was then conducted at Amsterdam UMC Hospital to perform an initial assessment of the effectiveness of this new way of synchronizing ventilation.

La prematurità è definita come la nascita prima della 37a settimana di età gestazionale, che è più precoce rispetto al periodo di parto tipico, compreso tra la 38a e la 41a settimana di gestazione. La prematurità rappresenta una condizione di rischio poiché lo sviluppo di diversi organi, che normalmente avviene nell'ambiente protetto dell'utero, viene drasticamente interrotto. La ventilazione meccanica (VM) è essenziale per trattare i neonati prematuri, permettendo loro di completare lo sviluppo nell'ambiente extrauterino. Identificare la tecnica di ventilazione più adatta per ogni neonato è cruciale per garantire un'assistenza efficace. L' Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA) è una delle opzioni più avanzate disponibili per la ventilazione meccanica. Essa utilizza l'elettromiogramma del diaframma (Edi) per assistere proporzionalmente la respirazione del paziente. L’approccio della NAVA è concettualmente diverso da qualsiasi altra modalità di ventilazione, poiché, nella NAVA, il ventilatore è controllato direttamente dall'attività neurale dei centri respiratori, espressa attraverso l'elettromiogramma del diaframma. Nonostante i suoi vantaggi, la NAVA è una tecnica invasiva che richiede il posizionamento di un catetere esofageo nel neonato. Inoltre, è costosa e disponibile solo su ventilatori dedicati. Studi recenti hanno dimostrato che l'elettromiografia di superficie del diaframma potrebbe fornire un metodo non invasivo e più economico per rilevare la respirazione spontanea nei neonati, ma queste informazioni non sono state ancora utilizzate per controllare la ventilazione. L'obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare un primo sistema in grado di estrarre i trigger respiratori spontanei in tempo reale dall'elettromiografia transcutanea del diaframma (tc-dEMG). Il sistema è stato sviluppato e validato in vitro presso il TechRes Lab del Politecnico di Milano. Successivamente, è stato condotto uno studio preliminare in vivo presso l'ospedale Amsterdam UMC per effettuare una prima valutazione dell'efficacia di questo nuovo metodo di sincronizzazione della ventilazione.