Thesis (MScPhysio)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Question: What are the effects of Intermittent Positive Pressure Breathing (with and without a Positive End Expiratory Pressure [PEEP] Valve), compared to deep breathing exercises, on ventilation distribution in high-risk adults following open upper abdominal surgery (UAS)? Design: This study comprised an observational descriptive component as well as a prospective triple blind randomised controlled crossover trial with concealed allocation and patient, assessor and statistician blinding Participants: Seven patients at high risk for postoperative pulmonary complications following UAS Intervention: Deep breathing exercises (DBExs) were compared to Intermittent Positive Pressure Breathing (IPPB), with IPPB further applied with and without a PEEP Valve, using a randomised cross-over design with 30 minute washout duration between periods. Outcome measures: Global and regional impedance changes in the lungs were measured using Electrical Impedance Tomography. Vital signs, visual analogue pain scale (VAS) and modified Borg scale (MBS) were measured pre– and post-intervention. Results: A greater mean global lung impedance change ( Z) was detected with IPPB compared to DBExs (mean difference in Z 2803.8; 95% CI 5189.9 to 8512.5 and 2046 to 96047.9; P<0.01). These changes in lung impedance lasted 30 minutes before returning to baseline. There was no difference in Z when patients received IPPB with 5cmH20 PEEP compared to IPPB with no PEEP. No specific regional ventilation changes were noted. IPPB did not increase VAS, MBS scores or adversely affect vital signs. Conclusion: IPPB is an effective technique to improve lung volumes compared to deep breathing exercises. Further studies are required to investigate the effect of IPPB on clinical outcome. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Vraag: Watter uitwerking het onderbroke positiewe-drukasemhaling (met én sonder ’n positiewe-endekspiratoriesedruk-[PEEP-]klep) in vergelyking met diepasemhalings-oefeninge op ventilasieverspreiding by hoërisikovolwassenes ná bo-buikchirurgie? Ontwerp: ’n Waarnemingsgegronde, vergelykende en ondersoekende, driedubbelblinde, verewekansigde gekontroleerde oorskakelproef, met verborge toewysing en blinding van pasiënte, die assesseerder en statistikus Deelnemers: Sewe pasiënte met ’n hoë risiko vir post-operatiewe pulmonêre komplikasies na bo-buikchirurgie Intervensie: Diepasemhalingsoefeninge (DBEx) is vergelyk met onderbroke positiewedrukasemhaling (IPPB), wat op sy beurt met én sonder ’n PEEP-klep toegepas is, met behulp van ’n verewekansigde oorskakelstudie met ’n halfuur lange uitspoeling tussen oorskakelings. Uitkomsmetings: Algehele en regionale impedansieveranderinge in die longe is met behulp van elektriese impedansietomografie gemeet. Vitale tekens, die visuele analoogskaal (VAS) en die aangepaste Borg-skaal (MBS) is voor, sowel as na die intervensie afgeneem. Resultate: ’n Groter gemiddelde algehele impedansieverandering ( Z) is opgemerk met IPPB in vergelyking met DBEx (gemiddelde verskil 2803.8; 95% CI 5189.9: 8512.5 en 2046: 96047.9; P<0.01). Hierdie veranderinge in longimpedansie het ’n halfuur of langer geduur voordat dit na die basislyn teruggekeer het. Daar was geen verskil in Z toe pasiënte IPPB met ’n PEEP-klep van 5cmH20 ontvang het teenoor IPPB sonder ’n PEEP-klep nie. Geen spesifieke regionale voorkeure is opgemerk nie. IPPB het nie die VAS- of MBS-tellings verhoog of vitale tekens verswak nie. Stellenbosch University https://scholar.sun.ac.za iv Gevolgtrekking: In vergelyking met DBEx, is IPPB ’n doeltreffende tegniek om longvolumes te verbeter. Verdere studies word vereis om die uitwerking van IPPB op kliniese uitkomste te ondersoek.

Introdução: A estratégia protetora de ventilação mecânica para a Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA), que associa o uso de baixo volume corrente com PEEP mais elevada, é uma intervenção eficaz para reduzir a morbimortalidade desta síndrome. Existe um consenso sobre o ajuste do volume corrente, mas o método de escolher a PEEP ainda é controverso. Dos diversos modos de escolher a PEEP, a titulação decrescente, após uma manobra de recrutamento alveolar, é um método com base fisiológica bem aceito. A escolha da PEEP é feita com base na complacência do sistema respiratório ou métodos de imagem que avaliam o colapso pulmonar. Esta titulação geralmente é feita de modo lento (4-10 minutos por queda de PEEP) o que a torna difícil na prática clínica e aumenta o risco para o paciente. Além disso, os critérios para escolha do valor da PEEP que mantém a estabilidade pulmonar ao longo do tempo ainda são incertos. Objetivos: 1) comparar, em modelo suíno de SDRA grave, usando a Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) e a Tomografia Computadorizada (TC), o ajuste de PEEP por titulação decrescente de forma convencional (32 minutos) e rápida (6 minutos); e 2) avaliar a estabilidade pulmonar e hemodinâmica (complacência do sistema respiratório, shunt, PaO2 e débito cardíaco) durante 1 hora de ventilação mecânica com 3 níveis de PEEP definidos pela TIE: PEEP inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar (PEEP TIT); inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar +2cm H2O (PEEP TIT+2) e inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar - 2cmH2O (PEEP TIT -2). Método: Vinte e cinco animais foram estudados, sendo que 6 também realizaram TC e 11 animais foram acompanhados ao longo do tempo. Resultados: Não foi observada diferença na porcentagem de colapso encontrado pelos dois métodos de imagem (TC e TIE), tanto na titulação rápida (p=0,89) como na lenta (p=0,86). Houve uma boa concordância entre as titulações rápida e lenta realizadas pela TIE, com diferença entre as titulações lenta e rápida de -0,6 (± 1,2) cmH2O. A PaCO2 foi significantemente maior (p=0,01) na titulação lenta quando comparado com a rápida. No seguimento por 1 hora, a estratégia PEEP TIT-2 determinou menores valores de complacência (p < 0,001), menor PaO2 (p=0,001) e maior porcentagem de shunt (p < 0,01) quando comparado com as estratégias PEEP TIT e PEEP TIT+2. Conclusões: a titulação rápida teve boa concordância com titulação lenta e determinou menos hipercapnia; 2) a PEEP ótima escolhida por titulação rápida utilizando TIE (colapso recrutável inferior a 1%) conseguiu manter boa estabilidade pulmonar e oxigenação durante 1 hora de monitorização; 3) não houve diferença entre o colapso recrutável estimado pelo TIE e pela TC dinâmica / Introduction: The protective strategy of mechanical ventilation for Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), which combines low tidal volume with higher PEEP, is an effective intervention to reduce the morbimortality of this syndrome. There is a consensus about setting tidal volume, but the method of choosing PEEP is still controversial. Decremental PEEP titration, following an alveolar recruitment maneuver, is a well-accepted method with physiological basis. The choice of PEEP is based on respiratory system complacency or imaging methods that assess lung collapse. This titration is usually done slowly (4-10 minutes in each step) which makes its execution difficult in clinical practice and increases the risk for the patient. In addition, the criteria for choosing the value of PEEP that maintains pulmonary stability over time are still uncertain. Objectives: 1) to compare, in a severe ARDS model in pigs, using Electrical Impedance Tomography (EIT) and Computed Tomography (CT), the decremental PEEP titration in a conventional maneuver (slow, 32 minutes) and fast (6 minutes); and 2) to evaluate the pulmonary stability and hemodynamics (respiratory system compliance, shunt, PaO2 and cardiac output) during 1 hour of mechanical ventilation with 3 PEEP values defined by EIT: PEEP with less than 1% lung tissue collapse (PEEP TIT); less than 1% collapse of lung tissue + 2cm H2O (PEEP TIT + 2) and less than 1% collapse of lung tissue - 2cmH2O (PEEP TIT - 2). Methods: Twenty-five animals were studied, 6 of which also performed CT and 11 animals were monitored over time. Results: No difference was observed in the percentage of collapse found by the two imaging methods (CT and EIT), both in fast (p = 0.89) and slow (p = 0.86) titrations. There was a good concordance between the fast and slow titrations performed by EIT, with a difference between the slow and fast titrations of -0.6 (± 1.2) cmH2O. PaCO2 was significantly higher (p = 0.01) in slow titration than in fast titration. At the 1-hour follow-up, the PEEP TIT-2 strategy determined lower values of compliance (p < 0.001), lower PaO2 (p = 0.001) and higher shunt (p < 0,01) when compared with PEEP TIT and PEEP TIT +2 strategies. Conclusions: 1) fast titration had good agreement with slow titration and causes less hypercapnia; 2) optimum PEEP chose by fast titration using EIT (recruitable-collapse lower than 1%) was able to maintain good lung function and oxygenation during 1 hour of monitoring; 3) there was no difference between the recruitable collapse estimated by EIT and by dynamic CT

Introdução: A estratégia protetora de ventilação mecânica para a Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo (SDRA), que associa o uso de baixo volume corrente com PEEP mais elevada, é uma intervenção eficaz para reduzir a morbimortalidade desta síndrome. Existe um consenso sobre o ajuste do volume corrente, mas o método de escolher a PEEP ainda é controverso. Dos diversos modos de escolher a PEEP, a titulação decrescente, após uma manobra de recrutamento alveolar, é um método com base fisiológica bem aceito. A escolha da PEEP é feita com base na complacência do sistema respiratório ou métodos de imagem que avaliam o colapso pulmonar. Esta titulação geralmente é feita de modo lento (4-10 minutos por queda de PEEP) o que a torna difícil na prática clínica e aumenta o risco para o paciente. Além disso, os critérios para escolha do valor da PEEP que mantém a estabilidade pulmonar ao longo do tempo ainda são incertos. Objetivos: 1) comparar, em modelo suíno de SDRA grave, usando a Tomografia de Impedância Elétrica (TIE) e a Tomografia Computadorizada (TC), o ajuste de PEEP por titulação decrescente de forma convencional (32 minutos) e rápida (6 minutos); e 2) avaliar a estabilidade pulmonar e hemodinâmica (complacência do sistema respiratório, shunt, PaO2 e débito cardíaco) durante 1 hora de ventilação mecânica com 3 níveis de PEEP definidos pela TIE: PEEP inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar (PEEP TIT); inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar +2cm H2O (PEEP TIT+2) e inferior à 1% de colapso de tecido pulmonar - 2cmH2O (PEEP TIT -2). Método: Vinte e cinco animais foram estudados, sendo que 6 também realizaram TC e 11 animais foram acompanhados ao longo do tempo. Resultados: Não foi observada diferença na porcentagem de colapso encontrado pelos dois métodos de imagem (TC e TIE), tanto na titulação rápida (p=0,89) como na lenta (p=0,86). Houve uma boa concordância entre as titulações rápida e lenta realizadas pela TIE, com diferença entre as titulações lenta e rápida de -0,6 (± 1,2) cmH2O. A PaCO2 foi significantemente maior (p=0,01) na titulação lenta quando comparado com a rápida. No seguimento por 1 hora, a estratégia PEEP TIT-2 determinou menores valores de complacência (p < 0,001), menor PaO2 (p=0,001) e maior porcentagem de shunt (p < 0,01) quando comparado com as estratégias PEEP TIT e PEEP TIT+2. Conclusões: a titulação rápida teve boa concordância com titulação lenta e determinou menos hipercapnia; 2) a PEEP ótima escolhida por titulação rápida utilizando TIE (colapso recrutável inferior a 1%) conseguiu manter boa estabilidade pulmonar e oxigenação durante 1 hora de monitorização; 3) não houve diferença entre o colapso recrutável estimado pelo TIE e pela TC dinâmica / Introduction: The protective strategy of mechanical ventilation for Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), which combines low tidal volume with higher PEEP, is an effective intervention to reduce the morbimortality of this syndrome. There is a consensus about setting tidal volume, but the method of choosing PEEP is still controversial. Decremental PEEP titration, following an alveolar recruitment maneuver, is a well-accepted method with physiological basis. The choice of PEEP is based on respiratory system complacency or imaging methods that assess lung collapse. This titration is usually done slowly (4-10 minutes in each step) which makes its execution difficult in clinical practice and increases the risk for the patient. In addition, the criteria for choosing the value of PEEP that maintains pulmonary stability over time are still uncertain. Objectives: 1) to compare, in a severe ARDS model in pigs, using Electrical Impedance Tomography (EIT) and Computed Tomography (CT), the decremental PEEP titration in a conventional maneuver (slow, 32 minutes) and fast (6 minutes); and 2) to evaluate the pulmonary stability and hemodynamics (respiratory system compliance, shunt, PaO2 and cardiac output) during 1 hour of mechanical ventilation with 3 PEEP values defined by EIT: PEEP with less than 1% lung tissue collapse (PEEP TIT); less than 1% collapse of lung tissue + 2cm H2O (PEEP TIT + 2) and less than 1% collapse of lung tissue - 2cmH2O (PEEP TIT - 2). Methods: Twenty-five animals were studied, 6 of which also performed CT and 11 animals were monitored over time. Results: No difference was observed in the percentage of collapse found by the two imaging methods (CT and EIT), both in fast (p = 0.89) and slow (p = 0.86) titrations. There was a good concordance between the fast and slow titrations performed by EIT, with a difference between the slow and fast titrations of -0.6 (± 1.2) cmH2O. PaCO2 was significantly higher (p = 0.01) in slow titration than in fast titration. At the 1-hour follow-up, the PEEP TIT-2 strategy determined lower values of compliance (p < 0.001), lower PaO2 (p = 0.001) and higher shunt (p < 0,01) when compared with PEEP TIT and PEEP TIT +2 strategies. Conclusions: 1) fast titration had good agreement with slow titration and causes less hypercapnia; 2) optimum PEEP chose by fast titration using EIT (recruitable-collapse lower than 1%) was able to maintain good lung function and oxygenation during 1 hour of monitoring; 3) there was no difference between the recruitable collapse estimated by EIT and by dynamic CT

Estudo clínico prospectivo, em 11 pacientes com SARA ou LPA, avaliando o comportamento regional da densidade do tecido pulmonar e do colapso alveolar ao longo dos três eixos do espaço. Foram realizadas tomografias seriadas, após manobra de recrutamento inicial e após níveis de PEEP progressivamente decrescentes. Regressão linear múltipla (R2=0.83) mostrou importante gradiente no eixo gravitacional (p<0.001) e não no sentido céfalo-caudal (p<0.001), nem da direita para a esquerda (p<0.05). Isto corrobora o conceito do pulmão líquido, em que a resultante das pressões exercidas pelo diafragma, estruturas mediastinais e derrames seria transmitida uniformemente pelo tecido pulmonar. Cada um destes níveis isogravitacionais tem uma pressão crítica de fechamento (Pclosing), que é maior do que a pressão superimposta calculada. PEEP tem um efeito homogeneizador sobre o parênquima pulmonar. Dentre os parâmetros clínicos estudados, Pflex mostrou a pior correlação com colapso pulmonar documentado enquanto PO2 e a complacência máxima se mostraram equivalentes. / A prospective clinical study performed on 11 patients with ARDS or ALI with the intention of studying the regional behavior of lung tissue density and alveolar collapse along the three spatial axes. An initial recruitment maneuver was followed by multiple semi-complete CT scans at descending levels of PEEP. Multiple linear regression (R2=0.83) showed a gravitational gradient of densities and collapse (p<0.001) and no cephalo-caudal (p<0.001) or right-toleft increase (p<0.05), corroborating the liquid-like behavior of the lung. Pressure exerted by mediastinal structures, chest wall and effusions is transmitted uniformly throughout the lung. PEEP has a homogenizing effect on lung parenchyma. Among commonly used clinical surrogates, Pflex showed the worst correlation with actual lung collapse, while arterial PO2 and compliance were equivalent.

Estudo clínico prospectivo, em 11 pacientes com SARA ou LPA, avaliando o comportamento regional da densidade do tecido pulmonar e do colapso alveolar ao longo dos três eixos do espaço. Foram realizadas tomografias seriadas, após manobra de recrutamento inicial e após níveis de PEEP progressivamente decrescentes. Regressão linear múltipla (R2=0.83) mostrou importante gradiente no eixo gravitacional (p<0.001) e não no sentido céfalo-caudal (p<0.001), nem da direita para a esquerda (p<0.05). Isto corrobora o conceito do pulmão líquido, em que a resultante das pressões exercidas pelo diafragma, estruturas mediastinais e derrames seria transmitida uniformemente pelo tecido pulmonar. Cada um destes níveis isogravitacionais tem uma pressão crítica de fechamento (Pclosing), que é maior do que a pressão superimposta calculada. PEEP tem um efeito homogeneizador sobre o parênquima pulmonar. Dentre os parâmetros clínicos estudados, Pflex mostrou a pior correlação com colapso pulmonar documentado enquanto PO2 e a complacência máxima se mostraram equivalentes. / A prospective clinical study performed on 11 patients with ARDS or ALI with the intention of studying the regional behavior of lung tissue density and alveolar collapse along the three spatial axes. An initial recruitment maneuver was followed by multiple semi-complete CT scans at descending levels of PEEP. Multiple linear regression (R2=0.83) showed a gravitational gradient of densities and collapse (p<0.001) and no cephalo-caudal (p<0.001) or right-toleft increase (p<0.05), corroborating the liquid-like behavior of the lung. Pressure exerted by mediastinal structures, chest wall and effusions is transmitted uniformly throughout the lung. PEEP has a homogenizing effect on lung parenchyma. Among commonly used clinical surrogates, Pflex showed the worst correlation with actual lung collapse, while arterial PO2 and compliance were equivalent.