A Novel Application for Assessing Diaphragmatic Function by Ultrasonic Deformation Analysis in Noninvasively Ventilated Healthy Young Adults

Abstract

Purpose: Noninvasive pressure support ventilation is intended to relieve the load on respiratory muscles and to prevent exhaustion. This includes continuous positive airway pressure (CPAP) as well as pressure support ventilation (PSV). Speckle tracking echocardiography (STE) allows quantification of tissue deformation by tracing characteristic grayscale patterns, independent of the acquisition angle. The aim of the present study was to assess the applicability of using STE as a way to investigate diaphragm movement using deformation analysis as a parameter for respiratory workload.

Materials and Methods: Healthy male subjects (n = 13, 27 ± 7 years) were treated while in a seated supine position with the following respirator settings: regular breathing, 5 mbar CPAP, CPAP + 5 / + 10 / + 15 mbar PSV. A 2 – 4 MhZ M5S phased array sector transducer was used on a Vivid E 9 (GE, Horton, Norway) to visualize the diaphragm. The inspiratory peak transverse strain was measured as a parameter of maximal inspiratory muscle workload and compared to the M-mode-based fractional thickening (FT).

Results: Both the FT and the transverse strain increased significantly under CPAP and PSV. The transverse strain correlated well with the FT (r = 0.753; p < 0.001).

Conclusion: The results measured by STE were comparable to the M-mode-based measurements. The capturing of a larger diaphragmatic sample area and movement tracking possibly lead to higher precision compared to one-dimensional M-mode. The use of STE in patients might provide a reproducible, bedside method to analyze the respiratory workload. Due to the larger sampling area, it might prove superior to mere M-mode acquisition.

Zusammenfassung

Ziel: Patienten sollen durch die Anwendung von druckunterstützter, nicht invasiver Beatmung eine effektive Entlastung der Atemmuskulatur erreichen. Dazu werden ein kontinuierlicher positiver Atemwegsdruck (CPAP) sowie eine Druckunterstützung (PSV) eingesetzt. Die Untersuchung mittels Speckle-Tracking-Echokardiografie (STE) erlaubt es, anhand der Verfolgung charakteristischer Grauwertmuster Gewebedeformationen zu quantifizieren. Ziel der Studie war es, die Deformationsanalyse mittels STE am Diaphragma als Parameter der Atemarbeit zu untersuchen.

Material und Methode: Männliche, gesunde Probanden (n = 13, 27 ± 7 Jahre) wurden in aufrecht sitzender Position mit folgenden Beatmungseinstellungen behandelt: Ruheatmung, 5 mbar CPAP, CPAP +  5 / + 10 / + 15 mbar PSV. Zur sonografischen Darstellung des Diaphragmas wurde ein 2 – 4 MhZ M5S-Phased Array Sektorschallkopf an einer Vivid E 9 (GE, Horton, Norwegen) an der rechts-lateralen Thoraxwand aufgesetzt. Der inspiratorische peak transversal strain wurde als Ausdruck maximaler inspiratorischer Muskelarbeit im Vergleich zum M-Mode basierten fractional thickening (FT) gemessen.

Ergebnisse: Sowohl das FT als auch der transversale Strain stiegen unter CPAP sowie PSV signifikant an. Der transversale Strain zeigte eine gute Korrelation zum FT (r = 0,753; p < 0,001).

Schlussfolgerungen: Die Nutzung von STE zeigte eine gute Vergleichbarkeit zu M-Mode basierten Messmethoden. Durch die mit der STE mögliche Erfassung eines größeren Sektoranteils des Diaphragmas und die Nachverfolgung bei Bewegung kann eine genauere Messung gegenüber dem eindimensionalen M-Mode erfolgen. Die STE kann bei Patienten mit nicht invasiver Beatmung eine gut reproduzierbare, bettseitige Methode der Erfassung der Atemarbeit darstellen, die in ihrer Aussagekraft dem M-Mode überlegen sein kann.

Key words

diaphragm - echocardiography - physiological studies - technology assessment

• References

• 1 Kolodziej MA, Jensen L, Rowe B et al. Systematic review of noninvasive positive pressure ventilation in severe stable COPD. European Respiratory Journal 2007; 30: 293-306
• 2 Bruells CS, Rossaint R. Physiology of gas exchange during anaesthesia. European Journal of Anaesthesiology (EJA) 2011; 28: 570-579
• 3 Brochard L, Mancebo J, Wysocki M et al. Noninvasive ventilation for acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 1995; 333: 817-822
• 4 Ayoub J, Cohendy R, Dauzat M et al. Non-invasive quantification of diaphragm kinetics using m-mode sonography. Can J Anaesth 1997; 44: 739-744
• 5 Vivier E, Mekontso Dessap A, Dimassi S et al. Diaphragm ultrasonography to estimate the work of breathing during non-invasive ventilation. Intensive Care Med 2012; 38: 796-803
• 6 Kim WY, Suh HJ, Hong SB et al. Diaphragm dysfunction assessed by ultrasonography: influence on weaning from mechanical ventilation. Crit Care Med 2011; 39: 2627-2630
• 7 Langeland S, D'hooge J, Wouters PF et al. Experimental validation of a new ultrasound method for the simultaneous assessment of radial and longitudinal myocardial deformation independent of insonation angle. Circulation 2005; 112: 2157-2162
• 8 Amundsen BH, Helle-Valle T, Edvardsen T et al. Noninvasive myocardial strain measurement by speckle tracking echocardiography: validation against sonomicrometry and tagged magnetic resonance imaging. J Am Coll Cardiol 2006; 47: 789-793
• 9 Matamis D, Soilemezi E, Tsagourias M et al. Sonographic evaluation of the diaphragm in critically ill patients. Technique and clinical applications. Intensive Care Med 2013; 39: 801-810
• 10 Soilemezi E, Tsagourias M, Talias MA et al. Sonographic assessment of changes in diaphragmatic kinetics induced by inspiratory resistive loading. Respirology 2013; 18: 468-473
• 11 Phua J, Kong K, Lee KH et al. Noninvasive ventilation in hypercapnic acute respiratory failure due to chronic obstructive pulmonary disease vs. other conditions: effectiveness and predictors of failure. Intensive Care Med 2005; 31: 533-539
• 12 Papazian L, Forel JM, Gacouin A et al. Neuromuscular blockers in early acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2010; 363: 1107-1116
• 13 Slutsky AS. N Engl J Med. N Engl J Med 2013; 369: 2126-2128
• 14 Bello G, De Pascale G, Antonelli M. Noninvasive ventilation: practical advice. Curr Opin Crit Care 2013; 19: 1-8