[論文レビュー] Monitoring and Control System Development and Experimental Validation for a Novel Extrapulmonary Respiratory Support Setup

Mahsa Doosthosseini, Kevin Aroom+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Mechanical Circulatory Support Devices参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、呼吸不全を呈する患者におけるガス交換を支援するため、副腎下腔に酸素化されたパーフルオロカーボン（PFC）灌流を行う、画期的な肺外呼吸支援システムを提示する。本システムは、流量、圧力、温度、酸素化状態のリアルタイムモニタリングおよび制御を可能にし、イヌを用いた実験的妥当性が確認された。その結果、安定した灌流と生理的応答解析のためのデータ収集が実現された。

ABSTRACT

This paper presents a novel mechatronic setup intended for providing respiratory support to patients suffering from pulmonary failure. The setup relies upon the circulation of an oxygenated perfluorocarbon (PFC) through the abdominal cavity. Such circulation provides a potential pathway for the transport of oxygen to the bloodstream. However, the viability of this technology for $CO_2$ clearance has not been established. Moreover, there is a lack of experimental data enabling the modeling and identification of the underlying dynamics of this technology. To address these gaps, we develop a flexible experimental perfusion setup capable of monitoring and controlling key variables such as perfusate flowrate, temperature, pressure, and oxygenation. The paper (i) briefly summarizes the design of this setup; (ii) highlights the degree to which its data acquisition system enables the collection and cross-correlation of both perfusion-related and physiological variables; and (iii) discusses the development of flow, pressure, and temperature control algorithms for the setup. Experiments with large animals (swine) show that the setup is capable of successfully controlling the perfusion process, as well as gathering extensive data to support subsequent modeling and identification studies.

研究の動機と目的

• 副腎下腔におけるパーフルオロカーボン（PFC）灌流を用いた画期的な肺外呼吸支援システムのための、柔軟で閉ループ型の監視および制御システムの開発。
• PFC灌流の動態および二酸化炭素除去と酸素化効果に関する実験的データの不足に対処すること。
• モデル化および検証のため、灌流変数と生理的応答（例：ポールスオキシメトリー、呼気末二酸化炭素分圧）の同時取得を可能にすること。
• 制御された条件下で大型動物（イヌ）実験を実施し、システムの機能性を検証すること。
• 臨床的ガス交換を実現するための、最小限の複雑性を有するシステムの将来の研究を支援すること。

提案手法

• 流量、圧力、温度、PFC酸素化状態を測定可能なセンサーを統合したメカトロニクス的灌流回路の設計および実装。
• 動物実験中にターゲット灌流液流量、圧力、温度を維持するためのフィードバック制御アルゴリズムの開発。
• ポールスオキシメトリーおよび呼気末二酸化炭素分圧（ETCO2）などの生理的指標と灌流パラメータをクロス相関できるデータ収集システムの統合。
• 気管内ガス測定から、換気変化時の吸入および呼気末二酸化炭素濃度を推定するためのカプノメーターの使用。
• 灌流サイクル終了後に、迅速な吸引を用いて副腎下腔内圧を低下させるためのアクティブ吸引の採用。
• システムの安定性、制御性能、データ品質の評価を目的とした、4例の大型動物（イヌ）実験の実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型動物における副腎下腔PFC灌流の過程で、閉ループ型の監視および制御システムは、灌流液流量、圧力、温度を的確に制御できるか。
• RQ2 灌流変数と生理的応答（例：ポールスオキシメトリー、ETCO2）の同期データ収集が、その後のモデル化にどの程度可能であるか。
• RQ3 灌流および回収段階において、システムは安全な範囲内で安定した腔内圧を維持できるか。
• RQ4 PFC灌流は、ポールスオキシメトリーおよび呼気末二酸化炭素分圧の変化によって示されるように、動物の酸素化状態および二酸化炭素除去にどのような影響を及えるか。
• RQ5 副腎下腔灌流による信頼性あるおよび測定可能なガス交換を達成するために、どの程度のシステムの複雑性が必須であるか。

主な発見

• 4例のイヌ実験すべてにおいて、監視および制御システムは灌流液流量、圧力、温度を所定のセットポイント内に安定して維持した。
• 副腎下腔内圧は安全範囲内に保たれ、一時的な上昇後、流量の急速な低下とアクティブ吸引によって基準値に戻った。
• 本システムにより、ポールスオキシメトリーおよび呼気末二酸化炭素分圧（ETCO2）などの灌流パラメータと生理的変数の継続的かつ同期的な測定が可能になった。
• 誘発した低酸素状態の間にポールスオキシメトリーが低下し、その後部分回復が観察された。これは、PFC灌流および生理的回復が寄与している可能性を示唆した。
• 高炭酸ガス状態誘発時に呼気末二酸化炭素分圧に改善が認められ、PFC灌流による二酸化炭素除去の可能性が示唆されたが、生理的メカニズムの寄与は完全に分離できなかった。
• 実験的セットアップは、堅牢なデータ収集および制御性能を示し、将来のモデル化およびPFC灌流動態の同定の基盤を提供した。