[논문 리뷰] Splitting one ventilator for multiple patients -- a technical assessment

T Martinsen, C Tronstad외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 27.

Respiratory Support and Mechanisms참고 문헌 5인용 수 13

한 줄 요약

이 기술적 평가는 코로나19 패닉 기간과 같은 중증 치료 급증 상황에서 한 대의 기계적 산소화기로 다수의 환자를 지원하는 데의 가능성을 평가한다. 다양한 탄성과 저항을 가진 시험용 폐를 사용하여, 특히 볼륨 제어 산소화 모드에서 환자 간에 심각한 tidal 볼륨 격차가 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 고급 제어 시스템 없이선 높은 위험과 낮은 신뢰성으로 이어진다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비상 상황에서 한 대의 산소화기를 다수의 환자에게 지원하는 데의 기술적 가능성을 평가하기 위해.
• 다양한 폐 탄성과 기도 저항이 双폐 설정에서 tidal 볼륨 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산소화 모드와 PEEP 수준의 변화가 환자 간 통기 균형에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 산소화기 분할 설정에서 tidal 볼륨을 신뢰성 있게 균형 있게 만들 수 있는 단순한 조정 방법이 있는지 확인하기 위해.
• 고급 제어 메커니즘 없이 안전하게 구현을 방해하는 기술적 한계와 위험을 특정하기 위해.

제안 방법

• 다른 탄성과 저항 특성을 가진 두 개의 시험용 폐를 사용하여 실험을 수행하였다.
• 한 대의 기계적 산소화기를 병렬로 두 시험용 폐에 연결하여 다중 환자 통기 시뮬레이션을 수행하였다.
• 볼륨 제어 및 압력 제어 모드를 포함한 다양한 산소화기 설정에서 각 폐의 tidal 볼륨과 기도 압력을 측정하였다.
• tidal 볼륨 분포에 대한 영향을 평가하기 위해 다양한 수준의 긍정적 말기 기도 압력(PEEP)을 시험하였다.
• 볼륨 제어 모드에서 한 폐의 탄성을 변화시켰을 때 다른 폐에 전달되는 tidal 볼륨에 미치는 영향을 분석하였다.
• 시스템 안정성과 불균형을 평가하기 위해 폐 탄성, 저항, PEEP, 산소화기 모드의 다양한 조합에서 데이터를 수집하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄성 차이가 있는 두 환자에게서 동일한 산소화기가 균형 잡힌 tidal 볼륨을 안정적으로 제공할 수 있는가?
• RQ2 환자 간 기도 저항의 차이가 산소화기 분할 시 tidal 볼륨 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PEEP 수준을 변화시킬 경우, 이중 환자 산소화기 설정에서 tidal 볼륨 불균형은 어느 정도 영향을 받는가?
• RQ4 볼륨 제어 모드에서 한 환자의 폐 탄성을 변화시키면 다른 환자에게 전달되는 tidal 볼륨에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 산소화기 분할 시스템에서 tidal 볼륨 격차를 완화할 수 있는 단순하고 안정적인 설정이나 조정 방법이 존재하는가?

주요 결과

• 탄성이 다른 시험용 폐에서는 탄성이 낮은 폐가 비례적으로 더 작은 tidal 볼륨을 받는 등 심각한 tidal 볼륨 격차가 발생하였다.
• 기도 저항의 차이는 tidal 볼륨 분포에 거의 영향을 주지 않아, 불균형의 주요 원인이 탄성임을 시사하였다.
• 볼륨 제어 모드에서 한 시험용 폐의 탄성을 변화시키면 다른 폐에 전달되는 tidal 볼륨이 영향을 받는 것으로 나타나, 환자 간 상호의존성이 있음을 보여주었다.
• 일부 시험용 폐 유형에서는 높은 PEEP 수준이 tidal 볼륨 균형을 심각하게 교란하여 폐 간 격차를 증가시켰다.
• tidal 볼륨 불균형을 안정적으로 보완할 수 있는 단순한 설정이나 조정 방법은 발견되지 않았으며, 이는 이 방법의 본질적 기술적 한계를 시사한다.
• 연구는 고급 제어 시스템이 있어야 임상 현장에서 산소화기 분할을 안전하게 구현할 수 있다는 결론을 내렸다.