Predicting and Preventing Ventilator-Induced Lung Injury

预测和预防呼吸机引起的肺损伤

基本信息

  • 批准号:
    10543770
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 56.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2025-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a rapid onset respiratory failure that is caused by factors ranging from pneumonia to sepsis. The impact of ARDS is substantial with more than 200,000 cases per year in the United States and an estimated mortality rate of 40%. All ARDS patients are mechanically ventilated to overcome the derangements in lung function caused by pulmonary edema, surfactant inactivation, and alveolar collapse. However, this essential mechanical ventilation can cause additional ventilator-induced lung injured (VILI) through tissue overdistension (volutrauma), the cyclic collapse and reopening of small airways and alveoli (atelectrauma), and inflammatory effects (biotrauma). Since VILI is a risk in all ARDS patients, and a significant contributor to ARDS mortality, improvements in ventilatory management are a key step in improving ARDS survival. However, further refinement of ventilation protocols to reduce VILI is challenging because of differences between patients and the changes in lung function that occur over time as ARDS worsens or resolves. Because of this inter- and intra-patient variability, ventilation that is beneficial in one person can be harmful in another. To overcome this challenge, we postulate that ventilation should be guided using a VILI cost function that provides real-time feedback of ventilation safety by describing the amount of VILI that is occurring. Our study will define such VILI cost functions based on the changes in lung function, structure, and inflammation that are the result of injurious ventilation. Using the cost function as a guide, the optimally safe ventilation for each patient could be determined by manually adjusting the ventilator settings. However, given the large number of permutations of ventilation adjustments this is not a practical approach. Instead, we will develop a mathematical model to predict optimal ventilation for each patient. These simulations will be personalized by fitting to real time pressure-flow measurements and then used to find the ventilation pattern that minimizes the VILI Cost Function. The predicted optimally safe ventilation will then be applied, and the process repeated to account for changes in lung function over time. The potential benefits of the proposed study are substantial. The VILI cost functions we define will provide an essential measurement of ventilation safety. Our innovative approach to optimize lung-protective ventilation using predictive models may lead to decreased ARDS mortality by protecting the injured lung while, at the same time, reducing provider workload. The proposed system also represents a paradigm shift in the way that ventilation strategies are established. Instead of testing a strategy in animal models and then in the heterogeneous ARDS patient population, where the effect may be beneficial to some patients and harmful to others, focus may be directed towards identifying algorithms that predict and prevent VILI independent of ARDS phenotype and lung mechanical function.
项目概要 急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是一种快速发生的呼吸衰竭,由以下因素引起 从肺炎到败血症。 ARDS 的影响是巨大的,每年有超过 200,000 例病例 美国估计死亡率为40%。所有 ARDS 患者均接受机械通气以克服 由肺水肿、表面活性物质失活和肺泡塌陷引起的肺功能紊乱。 然而,这种必要的机械通气可能会导致额外的呼吸机诱发性肺损伤 (VILI) 组织过度扩张(体积伤),小气道和肺泡的周期性塌陷和重新开放(肺不张伤), 和炎症效应(生物创伤)。由于 VILI 是所有 ARDS 患者的一种风险,并且是导致 ARDS 死亡率、通气管理的改善是提高 ARDS 生存率的关键步骤。然而, 由于患者之间存在差异,进一步完善通气方案以减少 VILI 具有挑战性 随着ARDS恶化或缓解,肺功能随时间发生变化。由于这种相互和 患者内部存在差异,对一个人有益的通气可能对另一个人有害。为了克服这个 挑战,我们假设应该使用 VILI 成本函数来指导通气,该函数提供实时 通过描述发生的 VILI 量来反馈通气安全性。我们的研究将定义此类 VILI 成本函数基于肺功能、结构和炎症的变化,这些变化是由损伤引起的。 通风。使用成本函数作为指导,可以确定每位患者的最佳安全通气 通过手动调整呼吸机设置。然而,考虑到通风的大量排列 调整这不是一个实用的方法。相反,我们将开发一个数学模型来预测最佳 为每位患者进行通气。这些模拟将通过适应实时压力流量进行个性化 测量,然后用于找到使 VILI 成本函数最小化的通风模式。所预测的 然后将应用最佳安全通气,并重复该过程以考虑肺功能的变化 随着时间的推移。拟议研究的潜在好处是巨大的。我们定义的 VILI 成本函数将 提供通风安全的重要衡量标准。我们优化肺保护的创新方法 使用预测模型进行通气可能会通过保护受伤的肺部来降低 ARDS 死亡率,同时, 同时,减少提供商的工作量。所提出的系统还代表了方式的范式转变 制定通风策略。而不是在动物模型中测试策略,然后在 异质性 ARDS 患者群体,其效果可能对某些患者有益,但对某些患者有害 其他人,重点可能是确定独立于 ARDS 预测和预防 VILI 的算法 表型和肺机械功能。

项目成果

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