Adquisición y análisis de la curva p-v desde un ventilador mecánico servo i Darwin Morales a, Gabriel Chacana b, Vinko Tomicic c a Ingeniero civil biomedico Universidad de Valparaiso-Chile b Estudiante de Informática Biomédica DuocUC- Chile c Médico Internista, Jefe Unidad de Cuidados Intensivos, Clínica Las Lilas E-mails: dmorales.broerse@gmail.com Abstracto: El Síndrome de Distrés Respiratorio Agudo (SDRA) consiste en una insuficiencia respiratoria progresiva, que desencadena la muerte del paciente, si éste no es tratado adecuadamente. El tratamiento consiste en la aplicación de Ventilación Mecánica, la cual se logra ajustando una Presión Positiva Espiratoria Final (PEEP) óptima para evitar el colapso alveolar. Sin embargo, no existe un método efectivo en la determinación del nivel de PEEP, por lo cual en muchos casos, se aplican parámetros ventilatorios deletéreos. En la Clínica Alemana S.A., Santiago de Chile, se ha desarrollado un software que permite el análisis de la curva Presión-Volumen (P-V), cuyo resultado es la determinación de una PEEP óptima y personalizada a cada paciente. Esta metodología se aplica al lado de la cama de éste, sin necesidad de efectuar traslados hacia otras unidades. Introducción Se denomina Síndrome de Distrés Respiratorio Agudo (SDRA) a una insuficiencia respiratoria caracterizada por una disnea progresiva, junto a alteraciones severas del intercambio gaseoso, tanto de oxígeno (O 2 ) como de dióxido de carbono (CO 2 ), y a alteraciones de las propiedades mecánicas pulmonares. Consiste en un desorden funcional agudo, fatal en ausencia de tratamiento. El Síndrome de Distrés Respiratorio Agudo (SDRA) se ha convertido en un problema de importancia significativa para los médicos intensivistas debido a su incidencia y su alta mortalidad. Estudios han demostrado que la incidencia aumenta con la edad, de 16/100.000 [hab/año] entre personas de 15 a 19 años, a 306/100.000[hab/año] entre 75 y 84 años. La aplicación de ventilación mecánica en el SDRA implica ajustar los parámetros ventilatorios. Este ajuste se obtiene por medio de diversos métodos, entre ellos: aplicación de tablas que asocian la fracción inspirada de oxígeno (FiO 2 ) con la presión positiva al final de la espiración (PEEP); y Tomografía por Impedancia Eléctrica, efectuando un estudio a partir de imágenes. Estos dos métodos tienen desventajas, entre las que destacan: la imprecisión del ajuste en el primer caso, y el tiempo, junto al elevado costo que tiene la evaluación mediante imágenes. El primero es el más utilizado, a pesar del conocimiento de su imprecisión, debido a la facilidad de su aplicación. En estudios experimentales realizados en animales y en humanos, se ha demostrado que la ventilación mecánica (en caso de no ajustar correctamente los parámetros ventilatorios) es capaz de producir o agravar una lesión pulmonar preexistente, así como de producir efectos dañinos sobre otros órganos, contribuyendo probablemente a la aparición del síndrome de disfunción múltiple orgánica.
XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica 1. Objetivos 1.1. Objetivos generales Adquisición y visualización de las señales de Presión y Flujo desde un ventilador mecánico modelo Servo i, de Maquet. Obtención de los parámetros óptimos ventilatorios para aplicar una PEEP adecuada a la evolución del SDRA que presenta cada paciente. 1.2. Objetivos especificos Establecer conectividad y comunicación con el ventilador mecánico Servo i. Implementar un software que permita el análisis de datos de Presión y Flujo provenientes desde el ventilador mecánico Servo i. 2. Problemática Se denomina Síndrome de Distrés Respiratorio Agudo (SDRA) a un tipo particular de insuficiencia respiratoria caracterizada por una disnea progresiva, junto a alteraciones severas del intercambio gaseoso, tanto de oxígeno (O2) como de dióxido de carbono (CO2), y a alteraciones de las propiedades mecánicas pulmonares. Este síndrome sobreviene generalmente luego de un shock hipovolémico, un traumatismo con o sin participación toráxica o una sepsis [1]. Se trata de un desorden funcional agudo, fatal en ausencia de tratamiento, con o sin afección pulmonar preexistente. Estudios han demostrado que la incidencia aumenta con la edad. De 16/100.000[hab/año] entre personas de 15 a 19 años, a 306/100.000[hab./año] entre 75 y 84 años [2]. Según cifras del Instituto Nacional de Estadísticas (INE), este último grupo etáreo representa el 11.4% de la población chilena, y para el año 2020 se prevé un aumento de 1.7 millones de habitantes a 3 millones [3], por lo que la incidencia y mortalidad por SDRA irá en aumento. Un análisis de 101 artículos publicados entre 1967 y 1994, encuentra una tasa media de mortalidad de 53%±22% sin cambios significativos a lo largo del tiempo. En los 22 estudios publicados en 1994, la mortalidad media fue de 51%±19% (Ver Tabla 1) [4]. En Estados Unidos, el número anual de muertes causadas por SDRA, es similar al de muertes causadas por cáncer de mama y tiene una mortalidad tres veces mayor que la enfermedad coronaria. (Ver Tabla 2) [5]. En Chile no es posible conocer la incidencia ni mortalidad de esta enfermedad, ya que para fines estadísticos, el SDRA no es registrado en el certificado de defunción [6], solamente la patología subyacente que la origina. No obstante, utilizando estudios de Rubenfeld et al [5], es posible estimar una incidencia de 9.512 [hab. /Año]. Las alteraciones descritas anteriormente obligan a los pacientes a ser sometidos a ventilación mecánica con el fin de suplantar oxígeno y aliviar el trabajo respiratorio mientras la causa que originó el SDRA es corregido. La ventilación mecánica puede cumplir estos objetivos, sin embargo, la programación inapropiada de los parámetros ventilatorios puede agravar las alteraciones pulmonares, proceso conocido como Injuria Pulmonar Inducida por Ventilación Mecánica (VILI: Ventilatory induced lung injury) [7,8].
XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica TABLA 1: MORTALIDAD DEL SÍNDROME DE DISTRÉS RESPIRATORIO AGUDO DESCRITA EN ESTUDIOS OBSERVACIONALES PUBLICADOS ENTRE 1995-2005. Autor Año Publicación 1995 1995 1997 1997 1998 1998 Pacientes Mortalidad (%) 62 58 52 54 65 58 Hudson et al 179 Doyle et al 123 Ferring y Vincent 129 Suchyta et al 256 Monchi et al 259 Zilberberg y 81 Epstein Weg et al 1998 725 40 Luhr et al 1999 221 42 Ullrich et al 1999 84 20 Valta et al 1999 59 37 Roupie et al 1999 61 60 Burgueño et al 1999 116 64 Markowicz et al 2000 134 58 Navarrete 2000 59 32 Navarro et al Vieillard Baron et 2000 98 53 al Rocco et al 2001 111 52 Esteban et al 2002 231 63 Bersten et al 2002 148 34 Nuckton et al 2002 179 42 Brun Buisson et 2004 74 49 al Rubenfeld et al 2005 828 41 Fuente: E. Manteiga Riestra; Ó. Martínez González y F. Frutos Vivar. Epidemiología del daño pulmonar agudo y síndrome de distrés respiratorio agudo. Med Intensiva. 2006;30(4):151-61 TABLA 2: MORTALIDAD DEL SÍNDROME DE DISTRÉS RESPIRATORIO AGUDO EN COMPARACIÓN A OTRAS CAUSAS DE MUERTE EN ESTADOS UNIDOS Muertes/Año Deceso Infarto Agudo al Miocardio 199.454 SDRA 43.000 Cáncer de Mama 41.528 VIH 14.802 Fuente: Rubenfeld GD. Epidemiology of acute lung injury. Crit Care Med. 2003; 31(4):S276-84
XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica 3. Resultados En la Clínica Alemana S.A, Santiago de Chile, se diseñó e implementó un software que permite la obtención de la PEEP óptima a partir del análisis de la curva P-V, la cual es graficada mediante la adquisición y procesamiento de las señales correspondientes a presión y flujo desde el ventilador mecánico Servo 300, de Siemens (Figura 3). Este software, permite la manipulación en tiempo real, almacenamiento y despliegue en pantalla de estos parámetros. Fig 3. Ventilador Mecánico Servo 300. Ventilador utilizado para el análisis de la Curva P-V mediante el software diseñado en la Clínica Alemana S.A., Santiago de Chile. El ventilador mecánico Servo 300 dispone de un puerto analógico de salida (Figura 4), por cuyos pines se adquieren las señales de presión y flujo, entre otros. Fig 4. Puerto analógico de salida N81
El gráfico de la curva P-V desde el ventilador Servo 300 es realizado mediante el análisis de las señales adquiridas por medio del puerto analógico de salida N81 (Ver figura 4), el cual permite la conexión a una interfaz computacional. Los pines utilizados del conector son: 1, chasis gnd, 15 exp press output y 11 Air flow output, los cuales corresponden a las señales de tierra, presión y flujo respectivamente. (a) Adquisición de datos Para establecer una interfaz entre la señal analógica adquirida por el ventilador y el formato digital del laptop, se utiliza una tarjeta de adquisición de datos en formato PC- Card. Esta tarjeta permite adquirir a una frecuencia de muestreo máxima de 100kHz, suficiente para digitalizar las señales adquiridas desde el ventilador Servo 300. Esta tarjeta tiene un valor de US$549.00 (cotizado al año 2009). Fig. 5: Tarjeta de Adquisición de Datos PC-Card Das16/12 (b) Software de Análisis de la Curva P-V El software desarrollado e implementado en la Clínica Alemana implica: Descargar del ventilador los valores de Presión y Flujo en la vía aérea a través del puerto analógico para salida de datos. Filtrar el ruido presente en la señal, convertir estos valores al formato digital e ingresarlos a un computador personal para su análisis y manipulación. Desplegar en pantalla el gráfico de: o Presión en función del tiempo o Flujo en función del tiempo. o Volumen en función del tiempo o Curva Presión/Volumen Todos los gráficos son representados en tiempo real, con cursores que permiten la determinación de cada punto (expresado en valores de Flujo, Volumen y/o Presión según corresponde). 4. Actualizaciones de software (a) Por qué actualizar el Software a un Ventilador «Servo i»? El ventilador mecánico Servo 300 es un equipo que actualmente se encuentra discontinuado, por lo que su uso no se prevé más allá del año 2011. Por dicha razón, es imperioso actualizar el sistema desarrollado en la Clínica Alemana S.A. Santiago de Chile, para luego ser validado, licenciado e implementado en las Unidades de Cuidados Intensivos (UCI), tanto a nivel nacional como
internacional. Cabe señalar que el desarrollo del presente trabajo de titulación sólo contempla hasta la etapa de adquisición y análisis de la curva P-V, postergando las fases de validación y licenciamiento para futuros trabajos. (b) Cable de conexión USB/RS23 Para efectuar la comunicación entre el ventilador mecánico Servo i y el laptop, se utilizó un cable conversor USB/RS232. Dicho cable debe ser del tipo transparente, ya que el ventilador mecánico utiliza un protocolo de comunicación específico, denominado CIE. Los conectores del tipo transparente, al instalarse en el laptop, crean un puerto serial virtual, logrando visualizar todas las propiedades de éste: configuración del protocolo de comunicación a nivel de control del flujo de datos, número de bits de datos, bit de paradas, bit de paridad, paridad par o impar, control de flujo por HW o SF, XON o XOFF. No todos los conversores tienen las cualidades ya mencionadas, por lo que no es factible establecer comunicación con algunos dispositivos de algunas marcas determinadas. 5. Resultados El protocolo CIE del ventilador mecánico Servo i dispone de 1.000 canales, cada uno de los cuales permite la entrega de una información determinada, según los requerimientos del programador para el diseño del software. En este caso se necesitaron los canales 00 y respectivamente. 02, correspondientes a Flujo y Presión Se destaca que el protocolo CIE, dispone de dos módulos de comandos: BASIC MODE: Canales 00 99 EXTENDED MODE: Canales 100 999 Como primer paso se diseñó un software de prueba para establecer comunicación con el BASIC MODE, a fin de adquirir la información correspondiente a los canales 00 y 02. (Ver Figura 6) Este software fue desarrollado con el lenguaje de programación orientado a objetos C# (C sharp). Fig. 6: Software de Comunicación con Ventilador Mecánico. Al recibir el comando 900PCI, se indica que el ventilador se encuentra en comunicación con el laptop y dispuesto a enviar los datos.
Posteriormente se adquirieron desde el ventilador los datos correspondientes a Flujo y Presión. Para ello, en el Edit «Parameters» se ingresaron los canales respectivos (00 y 02). Como respuesta, se recibió un conjunto de datos numéricos, los cuales fueron graficados mediante el Software Matlab, obteniéndose los siguientes resultados. Fig. 7: Curva de Presión Fig. 8: Curva de Flujo
El análisis matemático de la curva P-V se realiza mediante la ecuación propuesta por Venegas, Scott y Harris [12] (Ver anexo 9: Modelamiento Matemático de la curva Presión-Volumen), la cual permite la obtención de los puntos de interés: Low corner point, Upper corner point, además del punto correspondiente a la distensibilidad lineal (Compliance). La programación se efectuó ajustando una curva diseñada a partir de Venegas et al, mediante el método de iteración de mínimos cuadrados (Ver anexo 10: Ajuste de curvas mediante Mínimos cuadrados), a la curva adquirida desde el ventilador mecánico. Las iteraciones permiten visualizar los siguientes valores de interés: R2: Error cuadrático Medio. Indica el nivel de aproximación de la curva P-V programada mediante la ecuación de Venegas et al, y la curva P-V adquirida desde el ventilador. a: Corresponde al volumen de la asíntota inferior de la curva que se aproxima al volumen residual alveolar. b: Corresponde a la capacidad vital o al cambio total de volumen entre la asíntota inferior y superior c: Presión en el punto de inflexión de la curva sigmoidal. d: Parámetro proporcional al rango de presión en la pendiente lineal (segmento intermedio). Low corner point: Intersección del segmento inferior con el intermedio. Upper corner point: Intersección del segmento intermedio con el superior. Compliance: Distensibilidad lineal PEEP ideal: PEEP ideal para aplicar al paciente. Este valor corresponde al valor de presión en el Low corner point más 2 cmh 2 O.
6. Conclusiones El SDRA persiste como una entidad de alta complejidad y elevada mortalidad. Una mejor comprensión fisiopatológica, junto a un avance en las técnicas disponibles de ventilación ha permitido observar un minucioso descenso en la mortalidad. La utilización correcta de las técnicas de apoyo ventilatorio, cumpliendo los principios básicos de una estrategia ventilatoria protectora, en el sentido de infringir el menor daño durante el período de recuperación del pulmón, es fundamental para lograr una recuperación del paciente. El desarrollo de este software como herramienta de optimización en la terapia ventilatoria, una vez validado, permitirá la obtención de la PEEP ideal en forma personalizada, y en tiempo real, lo que resulta fundamental para una satisfactoria evolución clínica del paciente. De esta forma, el médico intensivista podrá contar con un método que asegure una terapia ventilatoria que no induzca daño alveolar, lo cual permitirá reducir considerablemente la tasa de mortalidad de este síndrome.
XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica La actualización del software a un ventilador mecánico de uso masivo permitirá el uso de este sistema en un universo mayor de Unidades de Cuidados Intensivos. Sin embargo, hay nuevas hipótesis de investigación que indican la probabilidad de resultados más óptimos al analizar la rama espiratoria de la curva P-V y no la rama inspiratoria (como se ha efectuado en el presente trabajo de titulación). Esto se fundamenta en la base que la PEEP es una maniobra espiratoria, por lo cual el nivel óptimo debería estar relacionado con el de-reclutamiento y no con el reclutamiento alveolar. Para estudiar esta hipótesis es necesario el diseño y confección de una válvula de flujo espiratorio continuo, y el modelamiento matemático de la rama espiratoria de la curva P-V. 7. Referencias [1] Demling R.H. : The pathogenesis of respiratory failure after trauma and sepsis. Surg. Clin North Am. 1980; 60 ; 1373-90. [2] Gorden D. Rubenfeld, M.D., associate professor, medicine, pulmonary and critical care medicine, University of Washington, Seattle; John Hansen-Flaschen, M.D., chief, pulmonary and critical care medicine, University of Pennsylvania Medical Center, Philadelphia; Oct. 20, 2005, New England Journal of Medicine Derechos de autor, HealthDay 2005. [3] INE, Enfoque Estadístico Cuántos Somos?, 2007 [4] Manteiga Riestra, Martínez González y Frutos Vivar, Epidemiología del Daño Pulmonar Agudo y Síndrome de Distrés Respiratorio Agudo, Medicina Intensiva, 2006;30(4):151-61. [5] Suratt PM, Owens DH. A pulse method of measuring respiratory system compliance in ventilated patients. Chest 1981; 80: 34-38. [6] Dall ava-santucci J, Armaganidis A, Brunet F, Dhainaut JF, Chelucci GL, Monsallier JF, and Lockhart A. Causes of error of respiratory pressure-volume curves in paralyzed subjects J Appl Physiol 1988; 64: 42-49. [7] Tomicic V, Fidanza L, Espinoza M, Graf J, and Canals C. Use of a sigmoidal equation to analyse the pressure volume curve obtained by the low flow method. Critical Care 2005; 9: S44. [8] Amato MBP, Barbas CSV, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the bacute respiratory distress síndrome. N Engl J Med 1998; 338: 347-354.