Ex vivo Экспериментальная модель свиньи для изучения и преподавания механики легких
Summary
Мы представляем модель легких свиньи ex vivo для демонстрации механики легких и маневров набора альвеол в учебных целях. Легкие могут использоваться более одного дня (до пяти дней) с минимальными изменениями в переменных механики легких.
Abstract
Искусственная вентиляция легких широко используется и требует специальных знаний для понимания и управления. Медицинские работники в этой области могут чувствовать себя неуверенно и испытывать недостаток знаний из-за неадекватных методов обучения и обучения. Таким образом, целью данной статьи является описание этапов, связанных с созданием модели легких свиньи ex vivo , которая будет использоваться в будущем для изучения и преподавания механики легких. Для создания модели пять легких свиньи были аккуратно удалены из грудной клетки в соответствии с рекомендациями Комитета по этике исследований на животных с надлежащей осторожностью и подключены к аппарату искусственной вентиляции легких через канюлю трахеи. Затем эти легкие были подвергнуты альвеолярному маневру рекрутирования. Регистрировались параметры механики дыхания, а видеокамеры использовались для получения видеозаписей легких во время этого процесса. Этот процесс повторялся в течение пяти дней подряд. Когда легкие не использовались, их хранили в холодильнике. Модель показала различную механику легких после маневра альвеолярного набора каждый день; Не под влиянием дней, а только маневра. Таким образом, мы приходим к выводу, что модель легких ex vivo может обеспечить лучшее понимание механики легких и ее эффектов, и даже маневра альвеолярной рекрутации через визуальную обратную связь на всех этапах процесса.
Introduction
Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) широко используется в отделениях интенсивной терапии (ОИТ) и хирургических центрах. Его мониторинг необходим для того, чтобы помочь распознать асинхронность и предотвратить травмы для всех пациентов, особенно когда у пациента серьезные повреждения легких 1,2,3,4,5,6. Мониторинг механики дыхания также может способствовать клиническому пониманию прогрессирования заболевания и терапевтическим применениям, таким как использование положительного давления в конце выдоха (PEEP) или альвеолярного маневра рекрутирования (ARM). Однако использование этих методов требует профессионального понимания кривых и основ механики легких 3,4.
Студенты, ординаторы и медицинские работники чувствуют себя неуверенно в отношении управления МВ, начиная с включения аппарата искусственной вентиляции легких и первоначальной регулировки и заканчивая мониторингом плато и давлением при вождении, и эта неуверенность связана с недостатком знаний и адекватной предварительной подготовки 7,8,9,10. Мы заметили, что специалисты, участвовавшие в симуляциях и использующие модель легких, сообщали о большей уверенности, понимании параметров и понимании компонентов механики легких 8,11,12.
Модели для изучения и тренировки МВ с испытательными легкими, сильфонами и поршнями могут имитировать различные давления и объемы, а также различные условия механики легких 13,14,15. Вычислительные и программные модели также вносят свой вклад в изучение сердечно-легочного взаимодействия путем создания симуляций, которые могут быть использованы для обучения медицинских работников принципам MV11 16,17.
В то время как вычислительные модели могут представлять трудности в представлении легочного гистерезиса16, модели с тестовым легким и сильфонами 13,14,15 могут создавать кривые зависимости давления от объема, аналогичные физиологической кривой, и демонстрировать динамику легких. Преимуществом является то, что легкое свиньи ex vivo имеет анатомию, аналогичную человеческой, а также создает кривые MV, легочный гистерезис и обеспечивает визуальную обратную связь легких внутри акриловой коробки во время анализа механики легких. Визуальные модели важны и могут помочь понять сложные для воображения компоненты и концепции. Таким образом, модели легких ex vivo представляют собой практический способ обучения.
Исследования с легкими свиней ex vivo, например, на МВ с положительным и отрицательным давлением 19,20,21, анализ распределения аэрозолей 22,23, педиатрическое моделирование24 и перфузия легких25 могут улучшить знания о МВ. Недавние исследования, анализирующие модели при положительном и отрицательном давлении, показали, что вентиляция при положительном давлении может приводить к резкому набору с большей локальной деформацией, большим растяжением, различиями кривой гистерезиса и возможными поражениями тканей по сравнению с давлением отрицательного давления 19,20,21. Тем не менее, модели положительного давления необходимы, потому что пациенты находятся под положительным давлением во время давленияMV 19,20,21. Разработка модели легких для доклинических исследований открывает возможности для новых исследований и приложений, включая обучение и подготовку МВ.
Здесь мы представляем модель легких свиней ex vivo для изучения и обучения. Наша основная цель состоит в том, чтобы описать этапы создания этой модели легких свиньи ex vivo при МВ при положительном давлении. В будущем он может быть использован для изучения и преподавания механики легких.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанный протокол полезен для получения модели легких свиней ex vivo при МВ при положительном давлении. Его можно использовать для изучения и обучения механике легких с помощью визуальной обратной связи с легкими во время рекрутинга и анализа кривых и значений, проецируемых на экра…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим всех коллег и специалистов, которые внесли свой вклад и поддержали создание этого протокола модели легких свиней ex vivo .
У этого исследования не было источников финансирования.
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).
