In-vitro-Studien zum Einfluss der nicht-invasiven Atemunterstützung auf die Atemgaskonditionierung bei Neugeborenen

Abstract

Einleitung Die Erwärmung und Befeuchtung des Atemgases ist bei allen Formen der nicht-invasiven Atemunterstützung von besonderer Bedeutung, da eine inadäquate Atemgaskonditionierung zur Austrocknung der oberen Luftwege führt. Mukoziliäre Dysfunktion, Infektionen und Atemwegsobstruktion durch visköse Sekrete können die Folge sein. Bei Neugeborenen ist bisher nur wenig über den Einfluss von Beatmungseinstellungen und Mundlecks auf die Atemgaskonditionierung bei diesen Beatmungsformen bekannt. Die vorliegenden Arbeiten hatten daher das Ziel, den Einfluss dieser Faktoren auf die oropharyngeale Feuchte und Temperatur während der nicht-invasiven Atemunterstützung zu untersuchen. Methodik Es wurde ein neuartiges neonatales in-vitro-Modell entwickelt, das oropharyngeale Gasbedingungen, Spontanatmung und Mundlecks unter nicht-invasiver Atemunterstützung simuliert. Anhand dieses Modells wurden verschiedene klinisch relevante Beatmungsszenarios unter nasal continuous positive airway pressure (nCPAP)-Therapie, mit einer High-Flow-Nasenbrille und während der nasalen Hochfrequenzoszillation (nasal high-frequency oscillatory ventilation = nHFOV) untersucht. Zur Konditionierung des Atemgases wurde ein beheizter Luftbefeuchter verwendet. Die Messung von Temperatur und Feuchte innerhalb des Oropharynxmodells erfolgte mit einem digitalen Thermo-Hygrosensor. Ergebnisse In allen Experimenten konnten im Modelloropharynx stabile Atemgasbedingungen simuliert werden. Ohne Atemunterstützung wurden bei einer Atemfrequenz von 60 min-1 physiologische Werte für absolute Feuchte (aF) und Temperatur (T) erreicht (aF=33,7 ± 0,6 g*m−3, T=32,1 ± 0,2 °C). Unter nCPAP führte ein Mundleck in drei unterschiedlichen Szenarios der Atemgaskonditionierung stets zu einer Re-duktion der aF (p<0,001). Unter High-Flow-Therapie führte ein Anstieg des Gasflows bis 6 L*min-1 zu einem signifikanten Anstieg von aF und T (je p<0,001) ohne Einfluss der Mundöffnung. Bei Erhöhung des Gasflows auf 8 L*min-1 hatte das Mundleck einen negativen Einfluss auf aF und T (jeweils p=0,001). Eine Erhöhung der nHFOV-Amplitude und eine Reduktion der Frequenz führte jeweils zu einer Reduk-tion von aF und T im neonatalen Oropharynxmodell (je p<0,001). Unter nHFOV mit einer Amplitude von 30 cm H2O und einer Frequenz von 7 Hz fiel die aF gegenüber nCPAP von 39,3 ± 1,3 g*m-3 auf 34,7 ± 0,5 g*m-3 ab. Die Erhöhung des Verhältnisses zwischen Inspiration und Expiration der nHFOV-Oszillationen bewirkte ebenfalls eine Reduktion der aF und T (p=0,003). Schlussfolgerung Das neue in-vitro-Modell der neonatalen Atemgaskonditionierung ist geeignet, die oropharyngealen Gasbedingungen unter nicht-invasiver Atemgasunterstützung zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Atemgaskonditionierung unter nCPAP und mit High-Flow-Nasenbrille deutlich eingeschränkt ist, wenn Leckbedingungen herrschen. Unter nHFOV führten alle Einstellungen, die auf eine verbesserte Ventilation abzielen (Hohe Amplituden, niedrige Frequenzen und hohe Inspirations-zu-Exspirati-ons-Raten) zu einer schlechteren Befeuchtung. Zukünftige Arbeiten sollten daher die Optimierung der Erwärmung und Befeuchtung des Atemgases während der nicht-invasiven Atemunterstützung zum Ziel haben.

Abstract Introduction Heated humidification of the breathing gas is paramount during all forms of non-invasive respiratory support since inadadequate gas conditioning may lead to desiccation of the upper airways.This may result in mucociliary dysfunction, infections or airway obstruction by viscous secretions. To date, little is known about the influence of parameter settings and mouth leaks on gas conditioning during these modes of respiratory support in neonates. Thus, the present work is dedicated to the influence of these factors on oropharyngeal temperature and humidity during non-invasive respiratory support. Methods A novel neonatal bench model was developed, able to simulate physiological oropharyngeal gas condi-tions, spontaneous breathing and mouth leaks during non-invasive respiratory support. Clinically rele-vant scenarios of neonatal nasal continous positive airway pressure (nCPAP), high-flow nasal cannula (HFNC) and nasal high-frequency oscillatory ventilation (nHFOV) application were tested. A heated hu-midifier was used to condition the breathing gas. Temperature and humidity were measured inside the model oropharynx with a digital thermohygrosensor. Results In all experiments, stable oropharyngeal gas conditions could be simulated. During unsupported breath-ing and a respiratory rate of 60 min-1, physiological values of absolute humidity (AH) and temperature (T) were reached (AH=33.7 ± 0.6 g*m−3, T=32.1 ± 0.2 °C). With nCPAP, a mouth leak invariably led toreductions in oropharyngeal absolute humidity (AH) (p<0,001) in three different scenarios of gas con-ditioning. During HFNC an increase of flow up to 6 L*min-1 resulted in an increase of AH and T (p<0.001, respectively) with no influence of mouth opening. At a flow of 8 L*min-1, however, a mouth leak had a negative impact on AH and T (p=0.001, respectively). Increasing nHFOV amplitude and decreasing nHFOV frequency led to a reduced AH and T in the model oropharynx (p<0.001, respectively). At an nHFOV amplitude of 30 cm H2O and a frequency of 7 Hz, AH was reduced to 34.7 ± 0.5 g*m-3 in com-parison to 39.3 ± 1.3 g*m-3 during nCPAP. Increasing the inspiratory-to-exspiratory ratio also led to re-ductions in AH and T (p=0,003). Conclusion This new bench model of neonatal gas conditioning is suited to simulate oropharyngeal gas conditions during non-invasive respiratory support. The results show that during nCPAP and HFNC, gas condition-ing is considerably impaired in the presence of mouth leaks. During nHFOV, all parameter settings aiming at an intensification of ventilation (high amplitudes, low frequencies and high I:E ratios) resulted in an impairment of humidification. Future studies should be dedicated to optimizing heated humidifica-tion during non-invasive respiratory support.