Ex Vivo (Canlı Canlı) Akciğer Mekaniğini İncelemek ve Öğretmek için Domuz Deneysel Modeli
Summary
Öğretim amaçlı pulmoner mekanik ve alveolar rehtum manevralarının gösterilmesi için bir ex vivo domuz akciğer modeli sunuyoruz. Akciğerler, pulmoner mekanik değişkenlerde minimum değişiklikle bir günden fazla (beş güne kadar) kullanılabilir.
Abstract
Mekanik ventilasyon yaygın olarak kullanılmaktadır ve anlaşılması ve yönetilmesi için özel bilgi gerektirir. Bu alandaki sağlık profesyonelleri, yetersiz eğitim ve öğretim yöntemleri nedeniyle kendilerini güvensiz ve bilgi eksikliği hissedebilirler. Bu nedenle, bu makalenin amacı, gelecekte kullanılacak bir ex vivo domuz akciğer modelinin oluşturulmasında yer alan adımları özetlemek, akciğer mekaniğini incelemek ve öğretmektir. Modeli oluşturmak için, beş domuz akciğeri, Hayvan Araştırmaları Etik Kurulu’nun yönergelerine uygun olarak torakstan yeterli özenle dikkatlice çıkarıldı ve bir trakeal kanül aracılığıyla mekanik ventilatöre bağlandı. Bu akciğerler daha sonra alveoler işe alım manevrasına tabi tutuldu. Solunum mekaniği parametreleri kaydedildi ve bu işlem sırasında akciğerlerin videolarını elde etmek için video kameralar kullanıldı. Bu işlem art arda beş gün boyunca tekrarlandı. Kullanılmadığı zaman akciğerler buzdolabında tutuldu. Model, her gün alveoler kalım manevrasından sonra farklı akciğer mekaniği gösterdi; günlerden değil, sadece manevradan etkilenmek. Bu nedenle, ex vivo akciğer modelinin, sürecin tüm aşamalarında görsel geri bildirim yoluyla akciğer mekaniği ve etkilerinin ve hatta alveoler kalım manevrasının daha iyi anlaşılmasını sağlayabileceği sonucuna varıyoruz.
Introduction
Mekanik ventilasyon (MV), yoğun bakım ünitelerinde (YBÜ’ler) ve cerrahi merkezlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle hastada ciddi akciğer yaralanmalarıolduğunda, asenkronları tanımaya ve tüm hastalar için yaralanmaları önlemeye yardımcı olmak için izlenmesi esastır 1,2,3,4,5,6. Solunum mekaniğinin izlenmesi, hastalığın ilerlemesinin klinik olarak anlaşılmasına ve pozitif ekspiratuar basınç (PEEP) veya alveolar işe alım manevrası (ARM) gibi terapötik uygulamalara da katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, bu tekniklerin kullanımı, eğrilerin ve temel akciğer mekaniğinin yetkin bir şekilde anlaşılmasını gerektirir 3,4.
Öğrenciler, asistanlar ve tıp uzmanları, ventilatörün açılması ve ilk ayarlamalardan plato ve sürüş basınçlarının izlenmesine kadar OG yönetimi konusunda kendilerini güvensiz hissederler ve bu güvensizlik, bilgi eksikliği ve yeterli ön eğitimile ilişkilidir 7,8,9,10. Simülasyonlara katılan ve bir akciğer modeli kullanan profesyonellerin daha fazla güven, parametreleri anlama ve akciğer mekaniğinin bileşenlerini anlamabildirdiklerini gözlemledik 8,11,12.
Test akciğerleri, körükler ve pistonlar ile MV’yi incelemek ve eğitmek için modeller, farklı basınç ve hacimlerin yanı sıra farklı akciğer mekaniği koşullarını simüle edebilir 13,14,15. Hesaplamalı ve yazılım modelleri, MV11’in ilkelerini sağlık profesyonellerine öğretmek için kullanılabilecek simülasyonlar üreterek kardiyopulmoner etkileşimin incelenmesine de katkıda bulunur16,17.
Hesaplamalı modeller pulmoner histerezis16’yı temsil etmede zorluklar sunabilirken, test akciğeri ve körüklümodeller 13,14,15 fizyolojik eğriye benzer basınç-hacim eğrileri üretebilir ve pulmoner dinamikleri gösterebilir. Bir avantaj olarak, ex vivo domuz akciğeri, insanlara18 benzer anatomi sunar, ayrıca MV eğrileri, pulmoner histerezis üretir ve akciğer mekaniği analizi sırasında akrilik kutu içindeki akciğerlerin görsel geri bildirimini sağlar. Görsel modeller önemlidir ve hayal edilmesi zor bileşenlerin ve kavramların anlaşılmasına yardımcı olabilir. Bu nedenle, ex vivo akciğer modelleri pratik bir öğretim yöntemini temsil eder.
Pozitif ve negatif basınçlıMV 19,20,21, aerosol dağılımının analizi 22,23, pediatrik simülasyonlar24 ve akciğer perfüzyonu25 gibi ex vivo domuz akciğerleri ile yapılan çalışmalar MV hakkındaki bilgileri geliştirebilir. Pozitif ve negatif basınçtaki modelleri analiz eden son çalışmalar, pozitif basınçlı ventilasyonun, negatif basınç basıncına kıyasla daha fazla lokal deformasyon, daha fazla distansiyon, histerezis eğrisi farklılıkları ve olası doku lezyonları ile ani işe alıma yol açabileceğini göstermiştir 19,20,21. Bununla birlikte, pozitif basınç modelleri gereklidir, çünkü hastalar MV basıncı 19,20,21 sırasında pozitif basınç altındadır. Klinik öncesi çalışmalar için bir akciğer modelinin geliştirilmesi, MV öğretimi ve eğitimi de dahil olmak üzere yeni araştırma ve uygulamalar için olanaklar sunmaktadır.
Burada, çalışma ve eğitim amaçlı bir ex vivo domuz akciğer modeli sunuyoruz. Birincil hedefimiz, pozitif basınçlı MV altında bu ex vivo domuz akciğer modelinin üretilmesi için adımları tanımlamaktır. Gelecekte akciğer mekaniğini incelemek ve öğretmek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Açıklanan protokol, pozitif basınçlı MV altında bir ex vivo domuz akciğer modeli üretmek için kullanışlıdır. Cihaz ekranına yansıtılan eğrilerin ve değerlerin işe alım ve analizi sırasında akciğerlerden gelen görsel geri bildirim yoluyla akciğer mekaniğini incelemek ve öğretmek için kullanılabilir. Bu sonuca ulaşmak için, göğüs kafesi dışındaki akciğerlerin davranışlarını anlamak ve adaptasyon ihtiyacını belirlemek için pilot çalışmalara ihtiyaç vardır.
<p c…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu ex vivo domuz akciğer modeli protokolünün oluşturulmasına katkıda bulunan ve destekleyen tüm meslektaşlarımıza ve profesyonellerimize teşekkür ederiz.
Bu çalışmanın finansman kaynağı yoktu.
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).
