[論文レビュー] Splitting one ventilator for multiple patients -- a technical assessment

T Martinsen, C Tronstad+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2020

Respiratory Support and Mechanisms参考文献 5被引用数 13

ひとこと要約

この技術的評価では、COVID-19パンデミックのような深刻な救急ケアの逼迫状況において、1台の呼吸器を複数名の患者に分割して使用する可能性について検討している。異なる適合性と抵抗を示す模擬肺を用いた実験では、特に容量制御換気モード下で、患者間における潮量の顕著な差が生じることが示された。これは、高度な制御システムが備わっていないと、高いリスクと限界のある信頼性の低さを伴うことを示している。

ABSTRACT

Due to the recent coronavirus outbreak, many efforts and innovative solutions have surfaced to deal with the possible shortage of ventilators upon catastrophic surges of patients. One solution involves splitting one ventilator to treat multiple patients and is in principle easy to implement, but there are obvious risks, and little is known on how the technique would work on patients with ARDS from Covid-19. Previous studies have shown that multiple test lungs of equal characteristics can be successfully ventilated from one machine, but that large variations in tidal volume delivery occurs when lungs with different compliance are connected. In contribution to the discussion of the feasibility of the technique, a technical assessment was done including experiments expanding on the previous studies using two types of test lungs, different ventilator settings and test lung characteristics. Using two test lungs connected to a ventilator, the tidal volumes and pressures into both lungs were measured for different combinations of lung compliance, airway resistances, modes of ventilation, inspiratory and end-expiratory pressure levels. We found discrepancies in delivered tidal volumes for paired test lungs proportional with compliance differences, little influence from differences in airway resistances, and that changes in compliance of only one test lung would also change the tidal volume delivered to the other test lung when in volume controlled mode. For one of the test lung types, we also found that higher PEEP settings could strongly influence the tidal volume balance between the test lungs. From this study and from a technical point of view, we were not able to identify reliable settings, adjustments or any simple measures to overcome the hazards of this simple technique, and a more advanced solution is indicated for mitigating risks.

研究の動機と目的

• 深刻な救急ケア逼迫時における1台の呼吸器を複数名の患者に使用する技術的妥当性を評価すること。
• 肺の適合性および気道抵抗の違いが、二肺システムにおける潮量分配に与える影響を調査すること。
• 異なる呼吸器モードおよびPEEPレベルが、患者間の換気バランスに与える影響を評価すること。
• 単純な調整によって、分割換気システムにおける潮量を信頼性高く均等化できるかを特定すること。
• 高度な制御メカニズムが備わっていないと安全に実装できない、技術的制限およびリスクを同定すること。

提案手法

• 異なる適合性および抵抗特性を有する2つの模擬肺を用いて実験を実施した。
• 1台の機械的呼吸器を並列に接続し、複数患者換気を模擬した。
• 容量制御モードおよび圧力制御モードを含むさまざまな呼吸器設定下で、各肺の潮量および気道圧を測定した。
• 潮量分配への影響を評価するために、さまざまなレベルの陽性呼気末期圧（PEEP）をテストした。
• 容量制御モード下で、一方の肺の適合性を変化させた場合の、他方の肺への潮量供給への影響を分析した。
• 適合性、抵抗、PEEP、呼吸器モードの複数の組み合わせを対象にデータを収集し、システムの安定性および不均衡の程度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適合性が異なる2名の患者に、1台の呼吸器が信頼性高く均等な潮量を供給できるか？
• RQ2 患者間の気道抵抗の違いが、呼吸器分割時の潮量分配にどのように影響するか？
• RQ3 PEEPレベルの変更が、二患者換気システムにおける潮量不均衡にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 容量制御モード下で、1人の患者の肺の適合性を変化させると、他方の患者に供給される潮量に影響を与えるか？
• RQ5 分割換気システムにおける潮量不均衡を緩和できる、単純で信頼性の高い設定や調整は存在するか？

主な発見

• 適合性が異なる模擬肺では、適合性が低い方の肺が顕著に少ない潮量を受けるという顕著な潮量差が生じた。
• 気道抵抗の違いは、潮量分配にほとんど影響を与えず、不均衡の主因は適合性であることが示された。
• 容量制御モードでは、一方の模擬肺の適合性を変化させると、他方の肺への潮量供給が変化し、患者間の相互依存性が示された。
• ある種の模擬肺では、PEEPを高めると潮量バランスが著しく乱れ、肺間の差が拡大した。
• 単純な設定や調整では、潮量不均衡を信頼性高く是正できず、この方法に内在する技術的制限が明らかになった。
• 本研究は、臨床現場での呼吸器分割を安全に実施するには、より高度な制御システムが不可欠であると結論づけた。