Development of new methods for noninvasive functional assessment of the diaphragm

Respiratory muscles are the only skeletal muscles vital to life and the act of breathing is mainly due by the inspiratory muscles, especially by the diaphragm. The alteration of the diaphragm, the main inspiratory muscle, can have dramatic effects on ventilation. Consequently, the need for assessment of the diaphragmatic function arises in many clinical situations. The purpose of this thesis is to develop and define a noninvasive approach to the functional evaluation of the diaphragm based on two different techniques: ultrasonography (US) and Opto-Electronic plethysmography (OEP). The proposed approach allows to overcome the limits of several methods currently used for the functional evaluation of the respiratory muscles and the diaphragm. A dedicated system able to measure diaphragmatic thickness (DT) and excursion (DE) has been developed and then validated on healthy subjects to assess the reproducibility of measurements (an ad-hoc software allows to acquire synchronously US images with analog signals, such as flow and pressure at mouth, and another ad-hoc software is able to process off-line US images and extract thickness or excursion). These new methods for non-invasive assessment of respiratory muscles have been applied to different situations of clinical interest, namely to evaluate patients with Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) at different stages of the disease (with both US and OEP) and to study different populations of patients undergoing different kinds of thoracic surgery (lung transplantation, lobectomy and diaphragmatic surgery) (with OEP). In conclusion, the set of proposed methods has been shown to provide useful information regarding the altered function of the diaphragm in several clinical situations and can be considered for the non-invasive evaluation of the diaphragm even when patients’ collaboration is not possible.

I muscoli respiratori sono gli unici muscoli scheletrici vitali e respirare è principalmente dovuto ai muscoli inspiratori, e soprattutto al diaframma, il principale muscolo inspiratorio. L'alterazione del diaframma può avere effetti drammatici sulla ventilazione. Di conseguenza, in molte situazioni cliniche è necessario fare una valutazione della funzionalità diaframmatica. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare e definire metodi non invasivi per la valutazione funzionale del diaframma sulla base di due diverse tecniche: l’ultrasonografia (US) e la pletismografia opto-elettronica (OEP). I metodi proposti consentono di superare i limiti dei diversi metodi attualmente utilizzati per la valutazione funzionale dei muscoli respiratori e del diaframma. E’ stato sviluppato un sistema dedicato alla misura dello spessore e dell’escursione del diaframma e successivamente convalidato su soggetti sani per valutare la riproducibilità della misura (un software ad hoc permette di acquisire immagini ecografiche sincrono con segnali analogici, come il flusso e la pressione alla bocca, ed un altro software ad hoc è in grado di elaborare off-line le immagini US ed estrarre lo spessore e/o l’escursione). Questi nuovi metodi non invasivi sono stati applicati a diverse situazioni di interesse clinico, e in particolare per valutare pazienti affetti dalla distrofia muscolare di Duchenne (DMD) a diversi stadi della malattia (mediante US e OEP) e studiare diverse popolazioni dei pazienti sottoposti a diversi tipi di chirurgia toracica (trapianto di polmone, lobectomia e chirurgia diaframmatica) (con OEP). In conclusione, l'insieme dei metodi proposti ha dimostrato di fornire informazioni utili l’alterazione della funzionalità diaframmatica in diverse situazioni cliniche e può essere considerato per la valutazione non invasiva del diaframma, anche quando la collaborazione del paziente non è possibile.