Monitoring of lung volume in ventilated newborn infants using Heptafluoropropane as tracer gas

Abstract

This thesis contributes to the area of neonatal lung function research in ventilated newborn infans. Our studies have shown for the first time that heptafluoropropane (HFP) allows for safe, accurate, and reliable functional residual capacity (FRC) measurements and reproducible calculations of indices of ventilation homogeneity in ventilated healthy, sick and surfactant-depleted small lungs. HFP is an alternative tracer gas to the commonly used sulfur hexafluoride for the multiple breath washout (MBW) technique and its high volatility allows for repeated FRC measurements within short time periods without any influence on ventilator settings. Although a suitable reference method for FRC measurements in vivo was not available, the sensitivity of HFP MBW is sufficiently high to demonstrate even small treatment effects. By providing evidence that HFP MBW is a useful technique to assess the effect of thoraco-abdominal surgery on the lung, this new method was finally evaluated in the clinical setting. The effect of surgery on FRC and ventilatory inhomogeneity indices was procedure-specific, however, these changes were not reflected in mechanical or ventilatory variables. A prerequisite for clinical use of HFP MBW is that the measuring sensor be miniaturised so that measurements in premature infants are possible and that this technique is integrated into the standard monitoring of neonatal ventilators.

Diese Habilitationsschrift liefert ihren Beitrag auf dem Gebiet der Lungenfunktion bei beatmeten Neugeborenen. Wir konnten erstmalig zeigen, dass der Einsatz von Heptafluorpropan (HFP) als Tracer-Gas im Rahmen einer Gasauswasch-Methode sicher ist und mit ausreichender Genauigkeit reproduzierbare Ergebnisse liefert. Wir konnten nachweisen, dass Messungen der funktionellen Residualkapazität (FRC) und reproduzierbare Berechnungen diverser Inhomogenitätsindizes bei beatmeten neonatalen Individuen mit gesunden und kranken, Surfactant-depletierten kleinen Lungen möglich war. HFP kann somit als alternatives Tracer-Gas statt des in Deutschland nicht zugelassenen Sulfurhexafluorid (SF6) im Rahmen einer sogenannten "Multiple breath washout (MBW) Technik" angewandt werden. Aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit können auch wiederholt FRC Messungen bei beatmeten Neugeborenen innerhalb kurzer Zeitspannen durchgeführt werden ohne die Beatmungsparameter und Einstellunegn zu beeinflussen. Obwohl eine geeignete in vivo Referenzmethode für FRC-Messungen nicht verfügbar ist, stellte sich die Sensitiviät der HFP-MBW als ausreichend hoch dar, um auch kleinste Behandlungseffekte bei neugeborenen Individuen nachzuweisen. Indem der Nachweis erbracht werden konnte, dass HFP-MBW eine nutzbare Technik darstellt, gelang es die die Methode im klinischen Setting einzusetzen und den Effekt einer thorako-abdominellen OP auf die Lunge nachzuweisen. Der Effekt der OP auf die FRC und die Inhomogenitätsindizes war abhängig vom OP-Verfahren, aber diese Änderungen waren nicht aus den Beatmungsvariablen und -parameter ableitbar. Als Voraussetzung für eine breite Anwendung sollte die HFP-MBW Sensor-Technologie weiter miniaturisiert werden, damit Messungen auch bei Frühgeborenen möglich wären und dieses Monitoring in das Standard-Monitoring neonataler Ventilatoren integriert werden könnte.