A new laser self-mixing interferometer system for the assessment of the chest-wall mechanics

The respiratory system is a complex system which accomplishes gas exchange by means of the synergy among functions and structures which have specifically developed at this aim. Impairment at only one of them can yield to a general worsening in the life condition of the subjects. Diseases affecting the respiratory system, such as ARDS (acute respiratory distress syndrome), restrictive diseases and lung oedema, produce alterations and inhomogeneities in the lung structure and in the chest wall which cause changings in the mechanical properties. Up to now, the diagnosis and the management of these kinds of pathologies have been carried out mainly by chest radiography and CT or by laboratories analysis which present some intrinsic limitations: they are invasive or required long time to be carried out, therefor they can’t be used to monitor in a continuative way the pathology evolution. On the contrary several published data suggest that chest wall mechanical properties are parameters that might be useful for estimating the possible impact of both restrictive and obstructive diseases on respiration. Although the rich informative content of this parameter, it has been almost disregarded because of the intrinsic difficulties in its measurement, therefore a new approach is needed. The more promising and inspiring one has been reported by Dellacà et al [2002] which suggest the union of FOT (Forced Oscillation Technique) and OEP (Optoelectronic Plethysmography) to estimate the impact of low amplitude pressure stimuli given at the mouth at the level of vibration induced at the chest-wall. Briefly FOT method is based on the measurements of the response of the respiratory system to small pressure stimuli generated externally and applied during normal breathing. OEP is a system for motion capture specifically developed to estimate breathing volumes. This study opens interesting insight into the comprehension of chest wall mechanics but it is limited by the complexity in the methodological approach and costs connected. The already uncovered point in this approach is the measurement of chest wall vibration in a reliable and resolute way by means of low costs and not invasive devices. The objective of this work is to develop and to validate a new method that allow the estimation of the local mechanical properties of the chest-wall based on FOT and optical devices in a non-invasive, low cost and compact way. This new approach is based on the possibility to have reliable and resolute measurements of the local displacement of the chest-wall: knowledge of impedance map will allow to develop new methodological and technological tools useful for the bed-side assessment of patients affected by pathologies which alter the chest-wall mechanics such as ARDS and restrictive diseases. To achieve these results an optimum candidate is laser self-mixing interferometry which allows the measurement of very little relative displacement (resolution less than 1 m) of diffusive target, with a compact and economic approach. The introduction of this technology allows fixing the main problem for chest-wall mechanics estimation, that is the measurement of its displacement. The only limitation is the presence of speckles which required the design of a new method for estimating the movement also in the low-injection regime, since traditional algorithms are not reliable in this application. To validate the algorithm in vivo e in vitro measurements have been carried out. Interferometer was carefully aligned with a piston of a linear servo motor and its signal was recorder during the motion of the motor which is controlled to produce a sinusoidal displacement. High linearity correlation, r2=0.99, and the absence of any biased errors demonstrates the algorithm skills to reconstruct displacement from interferometric signals. Then the interfeometer is used directly on skin during a FOT measurement on eight subjects. Eight normal healthy subjects in supine position during quiet breathing while submitted to a sinusoidal pressure forcing at the mouth with components at 5, 11 and 19 Hz. Displacements of 9 chest wall points were measured by laser self mixing interferometers. The phase shift among the velocities of these points and the pressure at the mouth was measured by interferoemter. The results show spatial inhomogeneities strongly dependent on position and frequency. The results are in good agreement with previous data measured by OEP. In conclusion laser interferometry may be an attractive technique for the assessment of local CW motion. The basic set up proposed here allows to validate the algorithm and to estimate the phase shift of some points on skin but it can’t be proposed to acquire more signals and to generate an impedance maps because of the long time required to move manually the interferometer and because the lack of knowledge about the distances between the points measured. For this reason a new complex system laser scanning sysyem has been design: distantiometry have been added to measure absolute displacement and a stepper motor is used to drive five interferometers. The realized system has been carefully design to fulfill the design requirements of: 1) high spatial resolution, 2) localizing point on the chest-wall, 3) non-invasiveness, 4) easy methodological approach, 5) short measurement time, 6) contactless, 7) modularity which allows a fast set-up also in clinical environment. By means of this new device the mechanical properties of patients undergone to anesthesia have been measured. Anesthesia is associated with atelectasis, disturbed ventilation-perfusion relationship, and hypoxemia. Mechanical ventilation is essential in the treatment of all these patients and, in particular, positive end-expiratory pressure (PEEP) is used to reverse atelectasis and improve lung function. Optimal open lung PEEP may be defined by input impedance, as proved in previous works, but also taking advantages of the variations in the chest-wall mechanics. All patients (5) were studied in the supine position while ventilated in pressure support mode. Just before surgery measurements of oscillatory mechanics were performed at different stages measuring input impedance and local transfer function at 5-11-19 Hz The patients were connected to the mechanical ventilator and the laser scanning system has been adopted to measure chest wall movements. The results are very promising, in fact the data are very reliable and reproducible, moreover, although patients don’t present any atelectasis, as confirmed by the contemporary measurement of the input impedance, the phase reconstructed shift map shows some interesting features, In more details, although five patients are not enough to have a statistical analysis, it is possible to state that these data are comparable with results obtained by Dellacà et al, the maps allows to separate the ribcage compartment from the abdomen one and to detect a slightly little differences according to the frequency and the condition at whom the patient is undergone. In particular all the trends seem to show that the behavior of the chest-wall is more uniform as the frequency increase, while at low frequency, such as 5 Hz, the abdomens and the ribcage are very heterogeneous. In conclusion with this thesis we reach the aim of proposing a new approach to measure local transfer impedance based on interferometer and we validate both the reconstructive algorithm both the scanning system realized; in this way the first stone in order to study how mechanical chest-wall is influenced by pathophysiological alteration has been set. Future development will be the acquisition of more patients to verify which kind of parameter may be extrapolated by the chest-wall mechanics to identify the respiratory system status.

Il sistema respiratorio è un sistema complesso preposto allo svolgimento dello scambio gassoso attraverso la sinergia tra diverse strutture e funzioni che si sono evolute specificamente con questo scopo. n indebolimento a una sola di esse, può danneggiare seriamente non solo il sistema respiratorio, ma l’intero organismo, portando a un generale peggioramento della qualità di vita del soggetto. Disturbi riguardanti il sistema respiratorio come l’ ARDS (acute respiratory distress syndrome),patologie restrittive e edema polmonare, producono alterazione e disomogeneità nella struttura del polmone e nella chest wall che inducono delle modifiche nelle proprietà meccaniche del sistema respiratorio. Fino ad oggi, la diagnosi e la gestione di questo tipo di patologie è stata condotta tramite strumenti di indagine radiografica o misure di marker rinvenuti nel lavaggio bronco-alveolare. Comunque, tutti questi sistemi di misura presentano delle limitazione intrinseche legate all’invasività o al tempo richiesto per ottenere una misura, non si prestano perciò al monitoraggio continuativo per seguire l’evoluzione della patologia. Al contrario numerosi studi pubblicati, suggeriscono che la meccanica della parete toraco addominale, sia un parametro utile per la stima dell’impatto delle patologie restrittive e ostruttive sul sistema respiratorio. Però, nonostante questo parametro abbia un elevato contenuto informativo, si trovano poche applicazioni a causa delle difficoltà incontrate nella sua misura, quindi, è evidente l’esigenza di nuovi approcci che ne consentano la stima in modo robusto e semplice. Un approccio molto promettente è stato riportato da Dellacà et al.(2002), basato sull’unione di FOT (Forced Oscillation Technique) e OEP(Optoelectronic Plethysmography). Brevemente la FOT si basa sulla misura del sistema respiratorio a piccoli stimoli generati esternamente e applicati al soggetto durante respiro spontaneo. L’OEP è un sistema per la misura del movimento sviluppato specificamente per le misure di volumi respiratori. Questo studio apre interessanti spunti nella comprensione della meccanica della chest wall ma è limitato dalla complessità metodologica e dai costi associati all’OEP. Il problema principale in questo approccio, riguarda la misura delle vibrazione della parete toraco addominale in un modo robusto e con una elevata risoluzione spaziale. Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo e validazione di un nuovo metodo che consenta la stima delle proprietà meccaniche locali della chest wall basato sulla FOT e su tecniche ottiche in modo non invasivo, a basso costo e compatto: la conoscenza di mappe di impedenza consentirà lo sviluppo di nuove metolodologie e tools per l’assistenza e il monitoraggio di pazienti afflitti da patologie respiratorie quali ARDS. Un ottimo candidato per questo scopo è l’interferometro self.mixing, che consente la misura di spostamenti molto piccoli (< 1 m) di target diffusive. L’introduzione di questa tecnologia ha consentito di risolvere il problema principale collegato alla misura delle proprietà meccaniche della chest-wall, cioè la misura del suo spostamento. L’unico limite è rappresentato dalla presenza di speckle, trattati attraverso un nuovo algoritmo, capace di determinare il movimento del target anche in condizioni di retroazione moderata, dato che gli algoritmi tradizionali non sono affidabili. Per la validazione dell’algoritmo sono stati condotti dei test in vivo e in vitro. L’interferometro è stato allineato attentamente al pistone di un motore lineare servo controllato e si è confrontato il segnale di spostamento ricostruito dall’interferometro con quello prodotto dal motore. La correlazione lineare tra i due spostamenti, r2=0.99, e l’assenza di errori di bias dimonstra la robustezza dell’algoritmo nel ricostruire lo spostamento dal segnale interferometrico. In seguito l’interferomtro è stato usato direttametne sulla pelle di otto soggetti sottoposti alla FOT: Ai soggetti, in posizione supina, è stata somministrato uno stimolo pressorio alla bocca contenente 5, 11 e 19 Hz e si è misurato lo spostamento di nove punti della parete toraco addominale per mezzo dell’interferometro. I risultati mostrano una forte disomogeneità spaziale dipendente dalla frequenza e dalla posizione. I risultati coincidono con un’esperienza precedente misurata da Dellacà. In conclusione l’interferometro laser risulta essere una tecnica utilizzabile per misure di meccnica della chest wall. Il set up proposto e realizzato ha consentito di validare l’algoritmo e di stimare lo sfasamento tra lo stimolo pressorio e la velocità dei punti sulla parete toraco addominale ma non può essere utilizzato per la misura di più segnali e per generare una mappa di impedenza a causa dei tempi richiesti per muovere manualmente l’interferoemtro e poiché non si conoscono le distanze tra i punti. Per queste ragioni è stato realizzato un nuovo dispositivo di scansione laser: sono stati integrati dei distanziometri laser per la misura di spostamenti assoluti ed è stato aggiunto un motore passo-passo per pilotare cinque distanziometri. Il sistema finale è stato quindi realizzato per rispondere ai seguenti requisiti: 1) elevata risoluzione spaziale e temporale, 2) localizzazione di punti sulla chest wall 3) non invasività, 4) approccio metodologico semplice, 5) tempi di misura ridotti, 6) assenza di contatto, 7) modularità per consentire un montaggio facile e veloce anche in ambiente clinico. Per mezzo di questo nuovo dispositivo si sono misurate le proprietà meccaniche di pazienti sottoposti ad anestesia. L’anestesia è associata con la formazione di atelettasie, variazioni patologiche della rapporto ventilazione-perfusione e ipossemia. La ventilazione meccanica è fondamentale nel trattamento di questi pazienti e in particolare la PEEP (positive end expiratory pressure) è determinante per il reclutamento di tessuti atelettatici e per migliorare la funzione del polmone. Tutti i pazienti sono stati studiati supini durante ventilazione in modalità pressure support; subito prima dell’intervento sono state realizzate misure di meccanica respiratoria a differenti stadi di sedazione e paralisi per calcolare l’impedenza di ingresso e di trasferimento a 5, 11 e 19 Hz. I paziente sono stati connessi al ventilatore meccanico e il sistema di scansione laser è stato adottato per misurare i movimenti della chest-wall. I risultati ottenuti sono molto incoraggianti, infatti questi dati sono molto affidabile e riproducibile, inoltre, sebbene nessun paziente abbia sviluppato atelettasie, come confermato dalle misure di impendenza di ingresso, la mappa di impedenze così ottenuta presenta caratteristiche interessanti. In maggior dettaglio,sebbene cinque pazienti non siano abastanza per avere una statistica significativa, è possibile affermare che questi dati sono confrontabili con quelli ottenuti da Dellacà e che la mappa consente di separare il comportamento della ribcage da quello dell’addome e di misurare anche variazioni lievi a seconda della frequenza di stimolo e della condizione. Tutti i trend mostrano che il comportamento della chest wall è più uniforme al crescere della frequenza, mentre a basse frequenze, come 5 Hz, al contrario l’addome ela rib cage sono molto eterogenei In conclusione con questo lavoro di tesi si è raggiunto lo scopo di proporre un nuovo approccioper la misura dell’impedenza di trasferimento locale basato su interferometri e si è validato sia l’algoritmo di ricostuzione dello spostamento, sia il sistema di scansione laser realizzato. In questo modo è stata posta la prima pietra per la determinazione di come la meccanica della parete toraco addominale sia influenzata da alterazione fisio-patologiche. Tra gli sviluppi futuri ci sarà l’acquisizione di una statistica più elevata di pazienti e l’estrapolazione di parametri identificativi dello stato del sistema respirtaorio a partire dalla meccanica della chest-wall.