Projektplan: Thomas Drevhammar Datum: 14 augusti Bakgrund:

Transkript

1 Projektplan: Thomas Drevhammar Datum: 14 augusti 2009 Vidareutveckling av NCPAP jetpiece och utveckling av teknisk lösning för nebulisering Bakgrund: Nasal Continuous Positive Airway Pressure (NCPAP) behandling för barn har sedan användningen startade på 70-talet ökat i omfattning. Det är idag den vanligaste formen av andningsstöd hos för tidigt födda och används vid flera olika typer av andningssvikt. I Sverige behandlades 2007 mer än 90% av de som föddes innan vecka 30 med NCPAP och medianbehandlingstid för samma grupp är mer än en månad (fig 1 och 2, data från PNQ registret). I mitten av 1980-talet startade Kjell Nilsson och Gunnar Moa att arbeta med en ny teknisk lösning för att behandla nyfödda barn med NCPAP. Den innebar ett minskat andningsarbete jämfört med konventionell teknik. Sedan början av 1990-talet har den fått stor spridning över hela världen. Den nya tekniska lösningen bestod av en plastbit som genererar CPAP (bild 1) och sitter nära barnets näsa (bild 2). Plastbiten benämns NCPAP jetpiece i projektplanen men har haft andra namn. Till NCPAP jetpiece kopplas en tryckgivare samt utrustning för att leverera ett flöde av syrgas/luft. Integrerade enheter säljs av Viasys under namnet Infantflow. Funktionen hos NCPAP jetpiece grundas på att en luftstråle (jet) träffar en kant vilket ger en instabilitet i strömningsfältet. Instabiliteten underlättar flöde vid både inandning och utandning. I en avhandling vid University of Sussex [1] kom man fram till att det är en kombination av fluidicflip och coanda effekten som möjliggör andning utan stora tryckvariationer. Den förklaringen stämmer väl med uppfattningen hos konstruktörerna men har sedan dess inte undersökts ytterligare. Förbättrad datorprestanda möjliggör idag beräkningar av flödesförhållanden i NCPAP jetpice genom tillämpning av numeriska strömningsberäkningar. Numeriska strömningsberäkningar brukar benämnas Computational Fluid Dynamics (CFD). Genom numeriska simuleringar kan flödesstrukturen I geometrin beskrivas vilket därmed bidrar till en ökad förståelse av NCPAP jet piece funktion Centralt för utvecklingen av NCPAP jetpice blev den egenutvecklade testutrustningen. Den bestod av en programmerbar volymgenerator för dynamisk mätning av system och prototyper. Arbetet resulterade i en artikel i Critical Care Medicine 1988 där den nya lösningen jämfördes med traditionell CPAP (bubbel-cpap) [2]. Ett liknande arbete med mekanisk lungmodell har publicerats av Klausner et al [3] där man beräknade andningsarbete lite annorlunda och använde mindre tidalvolymer (ej registrerade från patienter). Behandling av spädbarn med CPAP sker idag med flera olika tekniker [4]. Systemen har olika förmåga att bibehålla tryckstabilitet och således varierar det extra andningsarbete som barnet belastas med. Det är därför angeläget att göra en jämförande studie av tryckstabiliteten hos samtliga tekniker med hjälp av en kliniskt relevant testmetod. Vissa system är redan testade [2,3]men det finns ingen aktuell undersökning publicerad [5]. Administrering av nebuliserade läkemedel direkt till luftvägarna är mycket vanligt vid flera typer av andningssvikt. Det finns teoretiskt synergieffekter med att kunna administrera läkemedel i nebuliserad form under bibehållen CPAP behandling. Idag finns ingen teknisk lösning som ger effektiv nebulisering i NCPAP jetpiece system. De studier Sidan 1 av 6

2 som gjorts tillför det nebuliserade läkemedlet i en kanal som är avsedd för tryckmonitorering [6,7]och är belägen mycket nära den jet som finns i NCPAP jetpiece. Det är därför sannolikt att en stor del av nebulisatet blåses bort med utandningsluften innan det nått de nedre luftvägarn. Kjell Nilsson och Gunnar Moa har gjort en patentansökanen på en teknisk lösning för nebulisering i NCPAP jetpiece. Förhoppningen är att mer av nebulisatet därmedska komma patienten till godo men detta har ännu inte blivit ordentligt utvärderat. Mål: Det övergripande målet är att uppnå en djupare förståelse för hur NCPAP fungerar i syfte att kunna utvärdera och vidareutveckla befintliga system. Arbetet avser behandling av spädbarn, i synnerhet under nyföddhetsperioden och även de som är för tidigt födda. Delmål: 1) Att klargöra vad i den interna geometrin som är avgörande för funktionen hos NCPAP jetpiece 2) Att göra en kliniskt relevant jämförelse av funktionen hos de CPAP-system som finns idag 3) Att utveckla en teknisk lösning för nebulisering av läkemedel i NCPAP jetpiece. 4) Att utvärdera den tekniska lösningen för nebulisering. Metoder: Delmål 1: För att beskriva flödesförhållanden i jetpiece kommer Computational Fluid Dynamics (CFD) att användas. Det innebär i korthet att man med hjälp av datorer beräknar flödesstrukturen i en given geometri. Delmål 2: För att testa såväl befintliga CPAP-system som prototyper kommer en mekanisk lungmodell (ASL5000 från IngMar medical) att användas. Maskinen kan programmeras att simulera olika realistiska andningsmönster. Delmål 3: Konstruktion en prototyp för nebulisering av läkemedel utgår från resultaten av CFDstudierna i delmål 1 Delmål 4: För att testa prototypen för nebulisering av läkemedel är såväl djur- som humanförsök tänkbara. Vilken metod som skall användas är ännu inte bestämt. Planerade delprojekt: Fyra delprojekt planeras ett för varje delmål. 1) Förbättring av beskrivningen/förståelsen för funktionen hos NCPAP jetpiece med hjälp av CFD För att beskriva flödesförhållanden i jetpiece kommer Computational Fluid Dynamics (CFD) att användas. Detta sker i samarbete med institutionen för mekanik på KTH. Tre delar ingår 1) att beskriva hur den befintliga NCPAP jetpiece fungerar 2) att klargöra vad i geometrin som är avgörande för funktionen 3) att undersöka olika för nebulisering Sidan 2 av 6

3 I detalj: CAD filer i 3D skapas (Solid-works) och importeras i Fluent, ett kommersiellt CFDberäkningsprogram. Geometrin delas i ett fint nät (bild 3). Därefter definieras inlopps- och utloppsvillkor för geometrin. Flödets inloppsprofil är detsamma som används vid simulering i lungmodell. Den ursprungliga flödesregistreringen kommer från barn med vikt ca 800 gr till 3,5 kg. För beräkningarna används en implicit Large Eddy Simulation (LES). Beroende på nätupplösning, tidssteg och antal iterationer så är tidåtgången för en snabb dator omkring 4-5 dagar. För att utreda lösningens noggrannhet/kvalitet så kommer nätupplösningen att studeras genom att jämföra resultat av samma geometri, men med olika nätförfiningar. De färdiga beräkningarna efterbearbetas sedan för lättare åskådliggöra resultaten. Betydelse: En förståelse för flödesförhållanden och geometrin är nödvändig för vidareutveckling och optimering. Det finns idag ingen undersökning där CFD använts för att beskriva hur NCPAP jetpiece fungerar. Under våren 2009 har en NCPAP jetpiece ritats i 3D CAD. Den geometrin har undersökts genom beräkningar i Fluent. Arbetet har utförts på KTH. Flödet som användes var från ett 3,5 kg barn. Tekniken fungerar och nästa steg är att göra om beräkningarna på den korrekta geometrin, komplettera med flöden från mindre barn samt inkludera läckage. Resultaten förväntas bli sammanställda under Att undersöka geometrins inverkan på funktionen är mer resurskrävande men en naturlig fortsättning på arbetet att beskriva hur det befintliga systemet fungerar. Om finansiering tillåter kommer detta att inledas under 2009 med redovisning av resultat ) Undersökning av befintliga CPAP system i mekanisk lungmodell För att simulera neonatala andningsmönster används en kommersiell lungmodell (ASL5000). Exakt vilka system som ska undersökas har inte avgjorts än men inkluderar bubbel-cpap, Infantflow, Benveniste, Medijet, någon respirator samt NeoPuff. Det extra andningsarbete (imposed work of breathing) som krävs för att andas i systemet kan beräknas utifrån tryck/volym-kurvan i varje andetag. I detalj: Flödesprofiler för att styra lungmodellen importeras från artikeln från Moa et al [2] samt nya registeringar från mindre barn. Flödesprofiler från prematura barn finns redan registrerade på den mätutrustning som används för att följa för tidigt födda på Astrid Lindgrens barnsjukhus. De programmerade flödesmönstren valideras med pneumotachograf som mäter upp de flöden som lungmodellen genererar. Därefter genomförs dynamiska mätningar av CPAP system. För att få en heltäckande bild används varierande CPAP nivåer, och varierande grad av läckage samt olika flödesprofiler. Beskrivningen av CPAP systemen kommer att fokusera på tryckstabilitet under andningscykeln, vilket direkt kan relateras till barnets andningsarbete och därmed sannolikt till bättre behandlingsresultat. Sidan 3 av 6

4 Betydelse: Simulering av neonatal andning möjliggör detaljerad beskrivning av och jämförelse mellan befintliga system och prototyper. Det har stor relevans både för den kliniska användningen idag och för prövning av prototyper innan djur- och humanförsök utförs. Lungmodellen införskaffades i slutet av 2008 och under våren har programvaran uppdaterats. Under april 2009 har vi reproducerat ett neonatalt andningsmönster. Under våren 2009 har det flödet validerats med en pneumotachograf. Under sommaren kommer det att bestämmas vilka system som ska testas samt hur försöken ska läggas upp. Preliminära data för sammanställning förväntas bli klara ) Utveckling av teknisk lösning för nebulisering i NCPAP jetpiece Prototyper för nebulisering testkörs i CFD och sedan i lungmodell. CFD genomförs med samma teknik som i första delprojektet och lungmodellsuppställningen genomförs med samma teknik som i andra delprojektet. Betydelse: Det finns teoretiskt synergieffekter med att kunna administrera läkemedel i nebuliserad form under bibehållen CPAP behandling. För att bedömma vilka kliniska resultat som kan nås behöver nebuliseringstekniken hålla hög kvalitet. Förhoppningen är kunna presentera en teknik som håller högre kvalitet än den teknik som finns tillgänglig idag. CFD beräkningar på nebulisering i CPAP kommer att inledas under sommaren 2009 och mer detaljerade analyser efter att delprojekt 1 är klart. En prototyper för försök i lungmodell beräknas vara klar ) Utvärdering av teknisk lösning för nebulisering i djur eller humanförsök Undersökning av en teknisk lösning kan ske direkt i humanförsök eller initialt i djurförsök. Diskussion: Det finns flera olika substanser som kan vara aktuella för nebuliseringsbehandling av nyfödda [6]. Det finns flera djurmodeller och försöksupplägg som skulle kunna användas för att bedöma kvaliteten på behandlingen. För surfaktantbehandling finns en studie omfattande 32 barn publicerad [7]. Den visade dock ingen effekt av behandlingen, möjligen beroende på ineffektiv administrering av nebulisatet. För att kunna göra om en liknande studie behövs förmodligen först djurexperimentellt stöd för att den nya tekniska lösningen verkligen ger en bättre distribution av nebulisatet. Sidan 4 av 6

5 Betydelse: Se delprojekt 3. Beroende av delprojekt 3 men förmodligen Figurer och bilder: Bild 1 och 2: NCPAP behandling i Sverige 2007 Bild 3 och 4: CPAP jetpiece skiss och NCPAP behandling av barn Bild 5 och 6: Bild på geometrin med nät inritat samt exempel på flöde i samma geometri Sidan 5 av 6

6 Referenser: 1. Pereira I: Nonivasive Respiratory Support for Neonatal Pediatric and Adult Applications. University of Sussex; Moa G, Nilsson K, Zetterstrom H, Jonsson LO: A new device for administration of nasal continuous positive airway pressure in the newborn: an experimental study. Crit Care Med 1988, 16(12): Klausner JF, Lee AY, Hutchison AA: Decreased imposed work with a new nasal continuous positive airway pressure device. Pediatr Pulmonol 1996, 22(3): De Paoli AG, Davis PG, Faber B, Morley CJ: Devices and pressure sources for administration of nasal continuous positive airway pressure (NCPAP) in preterm neonates.[update of Cochrane Database Syst Rev. 2002;(4):CD002977; PMID: ]. Cochrane Database Syst Rev 2008(1):CD De Paoli AG, Morley C, Davis PG: Nasal CPAP for neonates: what do we know in 2003? Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed 2003, 88(3):F Smedsaas-Lofvenberg A, Nilsson K, Moa G, Axelsson I: Nebulization of drugs in a nasal CPAP system. Acta Paediatr 1999, 88(1): Berggren E, Liljedahl M, Winbladh B, Andreasson B, Curstedt T, Robertson B, Schollin J: Pilot study of nebulized surfactant therapy for neonatal respiratory distress syndrome. Acta Paediatr 2000, 89(4): Sidan 6 av 6