Model oxygenace nezralého novorozence pro automatické nastavování inspirační frakce kyslíku

Abstract

Nedávno publikované klinické studie dokumentují, že úspěšnost automatického řízení inspirační frakce kyslíku u nezralých novorozenců stále není uspokojivá a saturace arteriální krve kyslíkem vykazuje značně dlouhá období, kdy se nachází mimo bezpečné rozmezí. K dispozici je již mnoho řídicích algoritmů, nicméně jejich komplexní porovnání v literatuře chybí. Počítačový model oxygenace nezralých novorozenců by usnadnil základní testování různých přístupů a dále by mohl být užitečným nástrojem pro porovnávání a zdokonalování automatických řídicích systémů. Cílem této disertační práce je navrhnout komplexní počítačový model oxygenace nezralého novorozence a model ověřit na sadě klinických dat. Dílčím cílem je následně navrhnout základní scénáře pro využití modelu v simulacích chování oxygenace organismu nezralého novorozence. Navržený počítačový model, který se skládá ze submodelů respiračního a kardiovaskulárního systému propojených alveolokapilární membránou, byl parametrizován na středně, těžce či extrémně nezralé novorozence dle jejich věku, hmotnosti a gestačního stáří. Dále byl do modelu implementován difuzní odpor alveolokapilární membrány, byly revidovány novorozenecké zkraty i přístup k modelování dechového vzoru pacienta. Jako koncová část modelu byl na základě klinických dat navržen model pulzního oxymetru. Počítačový model byl nejprve testován na třech desaturačních epizodách nezralého novorozence mužského pohlaví vážícího 1019 gramů. Následně byla finální verze modelu ověřována na 21 desaturačních epizodách od třech pacientů, jejichž data byla sesbírána během klinické studie. Ověřený model byl následně využit pro návrh tří scénářů pro simulace chování oxygenace nezralého novorozence při nejčastějších patologických stavech. Simulované výstupy modelu dobře korelují s reálnými situacemi pozorovanými v klinické praxi. Navržený model oxygenace se ukázal být dostačující pro testování a porovnávání různých přístupů řízení oxygenace i pro simulace vývoje oxygenace nezralých novorozenců.

Recently published clinical studies document that the success rate of automatic control of the inspiratory oxygen fraction in preterm infants is still not satisfactory and arterial blood oxygen saturation exhibits considerably long periods when it is outside the desired safe range. Many control algorithms are available, but their comprehensive comparison is missing in the literature. A computer model of oxygenation of a preterm infant would facilitate basic testing of different approaches and furthermore could be a useful tool to compare and enhance automatic control systems. The aim of the dissertation is to propose a comprehensive computer model of oxygenation of a preterm infant and to validate the model on a clinical data. Subsequently, a sub-objective is to propose basic scenarios for the use of the model in simulations of the oxygenation behavior of a preterm infant. The proposed computer model, which consists of submodels of the respiratory and cardiovascular systems connected by an alveolocapillary membrane, was parameterized on very immature newborns according to their age, weight and gestational age. Furthermore, the diffusion resistance of the alveolocapillary membrane was implemented in the model, and the neonatal shunts and the approach to modeling the patient's breathing pattern were revised. A pulse oximeter model was proposed based on clinical data, as the terminal part of the computer model. The computer model was first tested on three desaturation episodes of a preterm male infant weighing 1,019 grams. Subsequently, the final version of the model was validated on 21 desaturation episodes from three patients whose data were collected during a clinical study. The validated model was then used to design three scenarios to simulate the oxygenation behavior of a preterm infant under the most common pathological conditions. The simulated outputs of the model correlate well with the real situations observed in the clinical practice. The proposed model of oxygenation proved to be sufficient for testing and comparing different approaches to oxygen control as well as for simulating the development of oxygenation in preterm infants.