Ex Vivo Svinexperimentell modell för att studera och undervisa i lungmekanik
Summary
Vi presenterar en ex vivo grislungmodell för demonstration av lungmekanik och alveolära rekryteringsmanövrar i undervisningssyfte. Lungorna kan användas i mer än en dag (upp till fem dagar) med minimala förändringar i lungmekaniska variabler.
Abstract
Mekanisk ventilation används i stor utsträckning och kräver specifik kunskap för förståelse och hantering. Hälso- och sjukvårdspersonal inom detta område kan känna sig osäkra och sakna kunskap på grund av otillräckliga utbildnings- och undervisningsmetoder. Därför är syftet med denna artikel att beskriva de steg som är involverade i att generera en ex vivo grislungmodell som ska användas i framtiden, för att studera och lära ut lungmekanik. För att skapa modellen avlägsnades fem svinlungor försiktigt från bröstkorgen i enlighet med riktlinjerna från djurförsöksetiska kommittén med adekvat försiktighet och anslöts till den mekaniska ventilatorn genom en trakealkanyl. Dessa lungor utsattes sedan för den alveolära rekryteringsmanövern. Andningsmekaniska parametrar spelades in och videokameror användes för att få videor av lungorna under denna process. Denna process upprepades under fem dagar i följd. När lungorna inte användes hölls de kylda. Modellen visade olika lungmekaniker efter den alveolära rekryteringsmanövern varje dag; Att inte påverkas av dagarna, bara av manövern. Därför drar vi slutsatsen att ex vivo lungmodellen kan ge en bättre förståelse för lungmekanik och dess effekter, och även för den alveolära rekryteringsmanövern genom visuell återkoppling under alla steg av processen.
Introduction
Mekanisk ventilation (MV) används ofta på intensivvårdsavdelningar (IVA) och kirurgiska centra. Övervakningen är viktig för att hjälpa till att känna igen asynkronier och förhindra skador för alla patienter, särskilt när patienten har allvarliga lungskador 1,2,3,4,5,6. Övervakning av andningsmekanik kan också bidra till den kliniska förståelsen av sjukdomsprogressionen och terapeutiska tillämpningar, såsom användning av positivt slutexpiratoriskt tryck (PEEP) eller alveolär rekryteringsmanöver (ARM). Användningen av dessa tekniker kräver dock en god förståelse för kurvor och grundläggande lungmekanik 3,4.
Studenter, boende och sjukvårdspersonal känner sig osäkra på MV-hantering, från att slå på ventilatorn och initiala justeringar till att övervaka platå och körtryck, och denna osäkerhet är förknippad med brist på kunskap och adekvat tidigare utbildning 7,8,9,10. Vi observerade att yrkesverksamma som deltog i simuleringar och använde en lungmodell rapporterade större konfidens, förståelse för parametrarna och förståelse för komponenterna i lungmekanik 8,11,12.
Modeller för att studera och träna MV med testlungor, bälgar och kolvar kan simulera olika tryck och volymer, samt olika lungmekaniska förhållanden 13,14,15. Beräknings- och mjukvarumodeller bidrar också till studiet av kardiopulmonell interaktion genom att generera simuleringar som kan användas för att lära ut principerna för MV11 till vårdpersonal16,17.
Medan beräkningsmodeller kan ha svårt att representera lunghysteres16, kan modeller med testlunga och bälg 13,14,15 producera tryck-volymkurvor som liknar den fysiologiska kurvan och demonstrera lungdynamik. Som en fördel uppvisar ex vivo-grislungan liknande anatomi som människor18, vilket också ger MV-kurvor, lunghysteres och ger visuell återkoppling av lungorna inuti akryllådan under lungmekanikanalysen. Visuella modeller är viktiga och kan hjälpa till att förstå komponenter och begrepp som är svåra att föreställa sig. Således representerar ex vivo lungmodeller ett praktiskt sätt att undervisa.
Studier med ex vivo grislungor, såsom de på MV med positivt och negativt tryck 19,20,21, analys av aerosolfördelning22,23, pediatriska simuleringar24 och lungperfusion25 kan förbättra kunskapen om MV. Nyligen genomförda studier som analyserar modeller i över- och undertryck har visat att övertrycksventilation kan leda till plötslig rekrytering med större lokal deformation, större utspändhet, skillnader i hystereskurvan och möjliga vävnadsskador jämfört med undertryckstryck 19,20,21. Icke desto mindre är övertrycksmodeller nödvändiga eftersom patienter är under övertryck under MV-tryck 19,20,21. Utvecklingen av en lungmodell för prekliniska studier öppnar möjligheter för ny forskning och tillämpningar, inklusive MV-undervisning och träning.
Här presenterar vi en ex vivo grislungmodell för studie- och träningsändamål. Vårt primära mål är att beskriva stegen för generering av denna ex vivo grislungmodell under övertrycks-MV. Den kan i framtiden användas för att studera och lära ut lungmekanik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det beskrivna protokollet är användbart för att producera en ex vivo grislungmodell under övertrycks-MV. Den kan användas för att studera och lära ut lungmekanik genom visuell återkoppling från lungorna under rekrytering och analys av kurvor och värden som projiceras på enhetens skärm. För att uppnå detta resultat behövs pilotstudier för att förstå lungornas beteende utanför bröstkorgen och för att identifiera behovet av anpassningar.
Vi identifierade att den krit…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar alla kollegor och yrkesverksamma som bidragit till och stöttat konstruktionen av detta ex vivo-protokoll för grislunga.
Denna studie hade inga finansieringskällor.
Materials
| 0.9% Saline solution | 2500ml | ||
| Anesthesia machine – Primus | Drager | REF 8603800-18 | Anesthesia work station used in the procedure |
| Aspirator | For blood aspiration from thorax | ||
| Bedside Monitor – Life Scope | Nihon Kohden | BSM-7363 | Multiparameter monitor used during the procedure |
| Bonney Tissue Forceps | Any tissue forceps is suitable | ||
| Disposable scalper, #23 | Any scalper is suitable | ||
| Disposable syringe needles, 18G x 1 1/2", 23G x 1" | BD | 302814 | Widely available |
| Disposable syringes, 10ml | Widely available | ||
| Electrosurgical unit – SS-501 | WEM | For cutting and coagulation during thorax incision | |
| Fentanyl | 10 mcg/kg bolus + 10 mcg/kg/hour continuous infusion | ||
| Finochietto retractor | Any finochietto retractor is suitable | ||
| heparin | 3ml | ||
| Infusion set | Any infusion set is suitable | ||
| Isoflurane | 1.5% | ||
| Kelly Forceps Curved | Any kelly forceps is suitable | ||
| Ketamine | 5mg/kg | ||
| Lactated Ringer solution | 500ml | ||
| Mechanical ventilator – Servo I | Maquet | REF 6449701 | Mechanical ventilator used in the procedure |
| Metzenbaum Scissor (Straight and curved) | Any metzenbaum scissor is suitable | ||
| Midazolam | 0.25mg/kg | ||
| Orotracheal intubation cannula, #6.5 | Rusch | 112282 | Widely available |
| Plexiglass | Custom made plexiglass box: 30x45x60cm | ||
| Polyester suture, 2-0 | Widely available | ||
| Potassium choride | 10 ml, 19.1% potassium chloride. | ||
| propofol | 5mg/kg | ||
| Three way stopcock | Widely available | ||
| Venous catheter, G20 x 1" | BD | 38183314 | Widely available |
References
- Roberto, C., Carvalho, R., Toufen Jr, C., Franca, S. A. Mechanical Ventilation: Principles, graphic analysis and ventilation modalities. Jornal Brasileiro de Pneumologia. 33 (2), 54-55 (2007).
- Barbas, C. S. V., et al. Brazilian recommendations for mechanical ventilation 2013. Part I. Revista Brasileira de Terapia Intensiva. 26 (2), 89-121 (2014).
- Walter, J. M., Corbridge, T. C., Singer, B. D. Invasive mechanical ventilation. Southern Medical Journal. 111 (12), 746-753 (2018).
- Faustino, E. A. Concepts and monitoring of pulmonary mechanics in patients under ventilatory support in the intensive care unit. Revista Brasileira de Terapia Intensiva. 19 (2), 161-169 (2007).
- Holanda, M. A., Vasconcelos, R. S., Ferreira, J. C., Pinheiro, B. V. Patient-ventilator asynchrony. Jornal Brasileiro de Pneumologia. 44 (2), 321-333 (2018).
- Rezoagli, E., Laffey, J. G., Bellani, G. Monitoring lung injury severity and ventilation intensity during mechanical ventilation. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 43 (3), 346-368 (2022).
- Tallo, F. S. Evaluation of self-perception of mechanical ventilation knowledge among Brazilian final-year medical students, residents, and emergency physicians. Clinics. 72 (2), 65-70 (2017).
- Schroedl, C. J., et al. Impact of simulation-based mastery learning on resident skill managing mechanical ventilators. American Thoracic Society Scholar. 2 (1), 34-48 (2021).
- Wilcox, S. R., et al. Academic emergency medicine physicians’ knowledge of mechanical ventilation. The Western Journal of Emergency Medicine. 17 (3), 271-279 (2016).
- Cox, C. E., et al. Effectiveness of medical resident education in mechanical ventilation. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 167 (1), 32-38 (2003).
- Keegan, R., Henderson, T., Brown, G. Use of the virtual ventilator, a screen-based computer simulation, to teach the principles of mechanical ventilation. Journal of Veterinary Medical Education. 36 (4), 436-443 (2009).
- Spadaro, S., et al. Simulation training for residents focused on mechanical ventilation: A randomized trial using mannequin-based versus computer-based simulation. Simulation in Healthcare. 12 (6), 349-355 (2017).
- Chase, J. G., Yuta, T., Mulligan, K. J., Shaw, G. M., Horn, B. A novel mechanical lung model of pulmonary diseases to assist with teaching and training. BMC Pulmonary Medicine. 6 (21), 1-11 (2006).
- Kuebler, W. M., Mertens, M., Pries, A. R. A two-component simulation model to teach respiratory mechanics. Advances in Physiology Education. 31 (2), 218-222 (2007).
- Heili-Frades, S., Peces-Barba, G., Rodríguez-Nieto, M. J. Design of a lung simulator for learning lung mechanics in mechanical ventilation. Archivos de Bronconeumología. 43 (12), 674-679 (2007).
- Ngo, C., Dahlmanns, S., Vollmer, T., Misgeld, B., Leonhardt, S. An object-oriented computational model to study cardiopulmonary hemodynamic interactions in humans. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 159, 167-183 (2018).
- Lazzari, C. D., Genuini, I., Pisanelli, D. M., D’Ambrosi, A., Fedele, F. Interactive simulator for e-Learning environments: a teaching software for health care professionals. Biomedical Engineering Online. 13 (172), 1-18 (2014).
- Perinel, S., et al. Development of an ex vivo human-porcine respiratory model for preclinical studies. Scientific Reports. 7, 1-6 (2017).
- Aboelnazar, N. S., et al. Negative pressure ventilation decreases inflammation and lung edema during normothermic ex-vivo lung perfusion. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 37 (4), 520-530 (2018).
- Sattari, S., et al. Introducing a custom-designed volume-pressure machine for novel measurements of whole lung organ viscoelasticity and direct comparisons between positive- and negative-pressure ventilation. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 1-12 (2020).
- Sattari, S., et al. Positive- and negative-pressure ventilation characterized by local and global pulmonary mechanics. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 207 (5), 577-586 (2023).
- Montigaud, Y., et al. Development of an ex vivo preclinical respiratory model of idiopathic pulmonary fibrosis for aerosol regional studies. Scientific Reports. 9 (1), 17949 (2019).
- Montigaud, Y., et al. Aerosol delivery during invasive mechanical ventilation: development of a preclinical ex vivo respiratory model for aerosol regional deposition. Scientific Reports. 9 (1), 17930 (2019).
- Montigaud, Y., et al. Development of an ex vivo respiratory pediatric model of bronchopulmonary dysplasia for aerosol deposition studies. Scientific Reports. 9 (1), 5720 (2019).
- Buchko, M. T., et al. A low-cost perfusate alternative for ex vivo. lung perfusion. transplantation proceedings. 52 (10), 2941-2946 (2020).
- Kondo, N. Development of an effective method utilizing fibrin glue to repair pleural defects in an ex-vivo pig model. Journal of Cardiothoracic Surgery. 15 (1), 110 (2020).
- Gasek, N., et al. Development of alginate and gelatin-based pleural and tracheal sealants. Acta Biomaterialia. 131, 222-235 (2021).
- Li, X., et al. Effects of individualized positive end-expiratory pressure combined with recruitment maneuver on intraoperative ventilation during abdominal surgery: a systematic review and network meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Anesthesia. 36 (2), 303-315 (2022).
- Hu, M. C., Yang, Y. L., Chen, T. T., Lee, C. I., Tam, K. W. T. Recruitment maneuvers to reduce pulmonary atelectasis after cardiac surgery: A meta-analysis of randomized trials. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 164 (1), 171-181 (2020).
- Hu, M. C., et al. Recruitment maneuvers in patients undergoing thoracic surgery: a meta-analysis. General Thoracic and Cardiovascular Surgery. 69 (12), 1553-1559 (2021).
- Zeng, C., Lagier, D., Lee, J. W., Melo, M. F. V. Perioperative pulmonary atelectasis: Part I. Biology and mechanisms. Anesthesiology. 136 (1), 181-205 (2022).
- Niman, E., et al. Lung recruitment after cardiac arrest during procurement of atelectatic donor lungs is a protective measure in lung transplantation. Journal of Thoracic Disease. 14 (8), 2802-2811 (2022).
- Calvo, R. N., et al. Comparison of the efficacy of two alveolar recruitment maneuvers in improving the lung mechanics and the degree of atelectasis in anesthetized healthy sheep. Research in Veterinary Science. 150 (5), 164-169 (2022).
- Pensier, J., et al. Effect of lung recruitment maneuver on oxygenation, physiological parameters and mortality in acute respiratory distress syndrome patients: a systematic review and meta-analysis. Intensive Care Medicine. 45 (12), 1691-1702 (2019).
- Mariano, C. A., Sattari, S., Quiros, K. A. M., Nelson, T. M., Eskandari, M. Examining lung mechanical strains as influenced by breathing volumes and rates using experimental digital image correlation. Respiratory Research. 23 (1), 92 (2022).
