Systémy pro automatické dávkování kyslíku v průběhu umělé plicní ventilace

Souhrn

Současné technologické možnosti umožňují automatickou regulaci frakce kyslíku v podávané ventilační směsi. Koncentrace inspirovaného kyslíku je regulována na základě aktuální informace z pulzního oxymetru implementovaného do plicního ventilátoru. Podmínkou pro toto zpětnovazební řízení je elektronicky řiditelný směšovač plynu. Měření saturace krve kyslíkem je realizováno pomocí pulzní oxymetrie technologie Masimo nebo Nellcor.

V textu jsou blíže vysvětleny typy řídicích algoritmů a představeny aktuální, klinicky dostupné technologie.

Dosavadní výsledky a zkušenosti se zpětnovazebními systémy poukazují na vyšší efektivitu udržování saturace krve kyslíkem v normoxemické oblasti než u skupin s manuálním nastavováním frakce kyslíku.

Zpětnovazební systémy regulace kyslíku celkem dobře brání hyperoxemickým situacím než hypoxemickým. Obecně dokáží rychle řešit hypoxemické epizody, avšak nedokáží jim předejít.

Klíčová slova:

frakce kyslíku, zpětná vazba, automatická regulace kyslíku, plicní ventilace

ÚVOD

Technologický pokrok v konstrukci plicních ventilátorů vyústil v posledních letech v kompletní elektronické řízení komponent, jako jsou ventily, regulátory a směšovač plynů. Moderní ventilátory již nemají pro ovládání fyzické prvky, ale ovládání je přesunuto na dotykovou obrazovku. Tento technologický posun k digitálnímu řízení však umožňuje implementaci dalších algoritmů, které se mohou podílet na zlepšení řízení průběhu plicní ventilace a její personalizaci.

U neonatologických ventilátorů se proto v posledních 10 letech začaly objevovat systémy pro tzv. automatickou regulaci frakce kyslíku ve ventilační směsi, kdy hodnota inspirační koncentrace kyslíku (FiO₂) je regulována na základě aktuální informace z pulzního oxymetru implementovaného do plicního ventilátoru.

Příspěvek si klade za cíl blíže vysvětlit problematiku automatického dávkování FiO₂ v kontrastu s doposud velmi rozšířenou manuální technikou regulace FiO₂ a dále představit aktuální technologie, které jsou na trhu dostupné.

 

ZPĚTNOVAZEBNÍ SYSTÉM PRO AUTOMATICKÉ DÁVKOVÁNÍ KYSLÍKU DO VENTILAČNÍ SMĚSI

Automatické dávkování kyslíku do ventilační směsi umožňují plicní ventilátory tehdy, obsahuje-li konstrukce  ventilátoru elektronicky řiditelný směšovač plynů a modul pulzního oxymetru (dostupné technologie Masimo nebo Nellcor). Řízení směšovače je technicky řešeno pomocí zpětnovazebního algoritmu, často v literatuře označovaného jako ACL (automatic closed loop) nebo konkrétními produktovými názvy jednotlivých výrobců [2, 5–8]. Uspořádání komponent zobrazuje schéma 1.

 

PŘEHLED TYPŮ ALGORITMŮ ACL

Zpětnovazební systémy pro automatické řízení oxygenace novorozenců jsou založeny na algoritmech, které využívají parametr SpO₂ pro určení odchylky od požadovaného cílového pásma saturací pacienta, tj. kladný nebo záporný rozdíl mezi měřenou a nastavenou hodnotou saturace periferní krve kyslíkem. Doposud představenými řídicími algoritmy jsou [8]:

• rule-based s fuzzy logikou nebo bez fuzzy logiky (algoritmy založené na pravidlech);
• proporcionálně integračně derivační algoritmy (PID);
• adaptivní regulátory;
• robustní algoritmy, které doposud nejsou využívány v klinické praxi.

Algoritmy rule-based používají sadu pravidel k rozhodování o úpravách FiO₂. Pravidla vychází z klinicky používaných zvyklostí, např. při mírné hypoxii se zvyšuje FiO₂ o 2 % apod. Díky sadě pravidel působí tento typ algoritmu velmi intuitivně. Nicméně množství pravidel je omezené a není možné mít soubor pravidel pro každou individuální situaci [2, 8, 9].

Proporcionálně integračně derivační regulátory jsou běžně používané v průmyslových aplikacích. Vstupem řídicího systému je regulační odchylka (v tomto případě značeno jako SpO₂ error) a výstupem je akční veličina – změna FiO₂. Proporční složka (P) odráží aktuální chybu, integrační složka (I) regulátoru zahrnuje integrál předchozích chyb a derivační složka (D) odpovídá směru (snížení/zvýšení), kterým směřuje SpO₂ error. Systém PID zohledňuje při řízení více dostupných informací o průběhu odchylky, než je jen aktuální hodnota, čímž i přes svou vyšší složitost dosahuje dobrých výsledků. Úskalím regulace je stabilita systému, která musí rychle zohledňovat i vnější zásahy do systému. Při nestabilitě systém způsobuje oscilace SpO₂ a výsledek ACL je horší než použití manuálního nastavování FiO₂ [2, 8, 9].

Adaptivní řízení využívá prvku, který se průběžně přizpůsobuje podle potřeb pacienta, zároveň je odhadována spotřeba kyslíku dle závažnosti plicního onemocnění, což vychází ze zkušeností s léčbou jednotlivých plicních onemocnění [8].

Účinnost výše uvedených systémů je různá, protože klinický účinek u předčasně narozených dětí závisí na mnoha proměnných, jako je závažnost plicní dysfunkce, použitý typ respirační podpory, nastavené rozmezí požadovaných hodnot SpO₂ a v neposlední řadě také individualita jednotlivých pacientů [2, 8, 9].

 

 

KOMERČNĚ DOSTUPNÉ SYSTÉMY ACL PRO ŘÍZENÍ OXYGENACE

Přehled komerčně dostupných a v klinické praxi používaných systémů ACL je uveden v tabulce 1.

 

 

Tab. 1. Přehled algoritmů ACL

Název systému	Použitý řídicí algoritmus	Ventilační módy	Technologie pulzního oxymetru
CLAC	rule-based (bez fuzzy)	IV a nCPAP	Masimo
CLiO2	hybridní (rule-based, PID s adaptivním prvkem)	IV, CPAP, BiPAP a nCPAP	Masimo
PRICO	rule-based (bez fuzzy)	IV, HFOV, nCPAP	Masimo
SPO2C	PID	IV, NIPPV, CPAP, HFOV	Masimo/Nellcor

BiPAP – spontánní ventilace s pozitivní tlakovou podporou, bilevel positive airway pressure; CLAC – automatické řízení kyslíku s uzavřenou smyčkou, closed-loop automated oxygen control; CLiO₂ – systém automatického udržování nejnižších hodnot FiO₂ pro normokapnii a normoxemii, closed-loop inspired oxygen; CPAP – trvalý přetlak v dýchacích cestách, continuous positive airway pressure; HFOV – vysokofrekvenční oscilační ventilace, high frequency oscillatory ventilation; IV – invazivní ventilace, invasive ventilation; nCPAP – nazální CPAP, nasal CPAP; NIPPV – přetlaková neinvazivní ventilace, non-invasive positive pressure ventilation; PID – proporčně integračně derivační regulátor, proportional integral derivative control; PRICO – inteligentní řízení okysličení na základě odhadu, predictive intelligent control of oxygenation

 

CLAC

Systém CLAC (closed-loop automatic oxygen control) je prostý rule-based algoritmus společnsoti Löwenstein Leoni plus CLAC (Löwenstein Medical, Rheinland-Pfalz, Německo).

Algoritmus ze signálu SpO₂ analyzuje aktuální hodnotu a zohledňuje průběh trendu SpO₂ za poslední 3 minuty (klasifikace průběhu–vzrůstající, stabilní nebo klesající). Osamocené hodnoty SpO₂ mimo rozsah jsou filtrovány. Systém CLAC lze nastavit do jednoho ze dvou režimů, kdy rychlejší provede maximálně dvě změny FiO₂/min a pomalejší provede jednu změnu FiO₂/3 min. Pomocí regresního modelu, v kombinaci s odchylkou SpO₂ od požadované hodnoty, jsou definovány stavy požadovaného rozsahu SpO₂: „podstatně pod“, „pod“, „normální rozsah“, „nad“ a „podstatně nad“. Korekce FiO₂ následně probíhá v konkrétních krocích: +0,05; +0,02; +0,01; −0,01; −0,02. Po každé změně FiO₂ je algoritmus na 30 sekund (případně na 180 sekund) pozastaven pro adaptaci novorozence na novou frakci kyslíku [2, 10].

Výsledky multicentrické studie potvrdily vyšší procentuální podíl času neonatologických pacientů (71 %), stráveného v požadovaném rozmezí SpO₂ v porovnání s kontrolní skupinou (61 %), u které bylo využito manuální nastavování FiO₂ [11].

Systém CLAC není určen k řešení akutních změn SpO₂. Algoritmus by mohl využívat zpětnou vazbu SpO₂ rychleji a rychleji řešit hypoxické stavy před zvýšením frakce a hyperoxemické stavy po zvýšení frakce [12].

CLiO2

Jedná se o automatický řídicí algoritmus oxygenace (closed-loop inspired oxygen), používaný ventilátorem AVEA (Vyaire Medical, Mettawa, USA; dříve CareFusion, Yorba Linda, USA). Tento algoritmus byl jako první uvolněn pro klinické použití. Řízení má hybridní charakter, kdy kombinuje rule-based algoritmus a proporciálně derivační řízení s adaptivním prvkem.

Časování a velikost změny FiO₂ je nastavováno v závislosti na velikosti odchylky SpO₂, trendu SpO₂ (složka D) a základního FiO₂ (adaptivní prvek). Hodnota FiO₂ je měněna, nesnižuje-li se odchylka SpO₂ dostatečně rychle vzhledem k požadovanému rozmezí. Základní hodnota FiO₂ je aktualizována z uplynulých 5 minut [2, 5, 12, 13].

Algoritmus byl porovnáván v mnoha studiích, které potvrzují zvýšení času stráveného v požadovaném rozmezí a zkrácení času stráveného nad požadovaným rozmezím. Avšak CLiO₂ vyžaduje značný čas pro snižování základní hodnoty FiO₂, což představuje problém, protože většina úprav je omezena na zvyšování frakce. U nestabilních dětí s častými hypoxickými příhodami neodráží bazální FiO₂ reálný požadavek na oxygenaci organismu [9, 13].

PRICO

Systém PRICO (predictive intelligent control of oxygenation) je rule-based algoritmus švýcarského výrobce Acutronic. PRICO je dostupné v rodině ventilátorů FABIAN a dostupný je jak pro invazivní, tak i neinvazivní plicní ventilaci.

Algoritmus vyhodnocuje aktuální hodnotu SpO₂, trendové hodnoty a predikovanou hodnotu SpO₂. Korekce FiO₂ jsou realizovány vždy po 1 minutě, během které nedochází k další změně frakce kyslíku. Rozsah FiO₂, který může algoritmus využít, je nastaven lékařem, stejně tak i požadované pásmo SpO₂. Algoritmus před samotným nastavováním FiO₂ kontroluje parametry ventilace, správnost zapojení zařízení a měřených parametrů, v případě zjištěných problémů je systém PRICO deaktivován do jejich odstranění [5, 12].

Klinický účinek byl publikován po testování na jehňatech (při resuscitaci a ventilaci), kde algoritmus dosahuje lepších výsledků oproti manuálnímu nastavování FiO₂. Nicméně pauza mezi jednotlivými korekcemi FiO₂ může potenciálně opozdit intervenci při hypoxii nebo hyperoxii [5].

SPO₂ Control

SPO₂ Control neboli algoritmus SPO₂C je komerčně dostupný ve ventilátoru Sophie (Stephan GmbH, Gackenbach, Německo). Zpětnovazební smyčka iteruje každé 2 sekundy. Systém disponuje dvěma PID regulátory, kdy v prvním jsou koeficienty regulovány rozsahem a směrem změny SpO₂. Proporční člen je exponenciálně vážen z důvodu sigmoidálního tvaru křivky (oxyhemoglobin dissociation curve, OHDC). Druhý PID regulátor upravuje základní linii FiO₂ každých 5 minut porovnáním nastavené hodnoty s předchozí základní hodnotou [12–14].

Výsledky malé studie s 12 nezralými novorozenci potvrdily vyšší procentuální podíl času stráveného v požadovaném rozmezí SpO₂ u pacientů při automatické korekci FiO₂ než u kontrolní skupiny (68,5 %), kde bylo využito manuálních zásahů [14].

OxyGenie

OxyGenie je adaptivní PID algoritmus britského výrobce SLE. Technologie je k dispozici u ventilátoru SLE 6000 (SLE, Croydon, UK). Základní hodnota FiO₂ je nastavována každých 30 minut použitím dat z posledních 60 minut ventilace. Kombinací této informace a P, I a D konstant algoritmus kalkuluje nové hodnoty pro nastavení FiO₂ každou sekundu. V případě nízkého nebo nečitelného signálu SpO₂ algoritmus udržuje poslední použité nastavení FiO₂. Jako prevence hyperoxie je navýšení FiO₂ možné maximálně o 40 %. Algoritmus se vypořádává s nelinearitou OHDC změnou znaménka integračního členu při pozitivní odchylce, což eliminuje nadměrné dávkování kyslíku. Během hyperoxie je modifikována derivační složka. Je-li pět po sobě jdoucích hodnot nad střední hodnotou požadovaného rozsahu SpO₂, nedochází k navyšování FiO₂ [12, 15]. Byla provedena studie s 20 pacienty na neinvazivní ventilační podpoře, která popisuje redukci času stráveného mimo požadované rozmezí SpO₂ [15].

 

DOSAVADNÍ ZKUŠENOSTI SE SYSTÉMY ACL

Od roku 2000 do současnosti byly publikovány více než dvě desítky studií se systémy ACL a stovky konferenčních sdělení. Dosavadní výsledky a zkušenosti se systémy ACL poukazují na vyšší efektivitu udržování SpO₂ v normoxemické oblasti než u skupin s manuálním nastavováním FiO₂. Systém ACL celkem dobře brání hyperoxemickým situacím než hypoxemickým. Zpětnovazební systémy dokážou rychle řešit hypoxemické epizody, avšak nedokážou jim předejít [2, 5–8]. Zmíněné studie byly provedeny s různými řídicími algoritmy systémů ACL, s různým nastavením a také s různými technologiemi měření SpO2. Příklad úspěšnosti systémů je uveden v grafu 1.

 

ZÁVĚR

Technologie pro automatické dávkování kyslíku do ventilačního okruhu, založené na analýze signálu SpO₂ představují na rozdíl od manuální regulace účinné řešení poklesů SpO₂. Základem úspěšnosti a funkčnosti automatického systému je stabilní měření SpO2. Dominující technologií měření saturace krve kyslíkem je výrobce Masimo Inc. (Irvine, Kalifornie). Ze systémů ALC jsou nejčastěji v klinické praxi používány systémy CLiO₂ a PRICO. Stále však není jednoznačné, jaké skupiny pacientů budou profitovat z konkrétních technických řešení a jaký je optimální přístup k nastavení řídicího algoritmu pro jednotlivé typy pacientů.

Byla identifikována technická omezení closed-loop systémů, které je třeba brát při klinickém provozu v úvahu – použité algoritmy způsobují prodlevu v dodávce kyslíku, což je dáno charakterem algoritmu, počtem vyhodnocovaných parametrů/kritérií a typem směšovače plynů. Po změně frakce na přístroji vzniká prodleva v samotném doručení kyslíku pacientovi (zpoždění dodávky ve ventilačním okruhu, která je závislá na aktuálním průtoku ventilačním okruhem).

 

Konflikt zájmu: žádný.
Došlo do redakce: 19. 9. 2023

Adresa pro korespondenci:
doc. Ing. Petr Kudrna, Ph.D
Klinika gynekologie, porodnictví a neonatologie
1. LF UK a VFN
Apolinářská 18 128 51 Praha 2
e-mail: petr.kudrna@vfn.cz