Plethysmographic waveform-based dynamic preload indices in predicting fluid responsiveness
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Human Neuroscience and Technology
Mcode
SCI3061
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
76
Series
Abstract
Evaluating the fluid responsiveness of a patient before administrating fluids is vital, since both restrictive and liberal protocols of fluid therapy are associated with increased rate of complications. Mechanical ventilation-related cardiopulmonary interactions induce changes in pulse oximeter plethysmographic waveform that can predict cardiac output response to changes in preload, i.e., fluid responsiveness. The aim of this thesis was to evaluate the reliability of non-invasive plethysmography-based dynamic parameters compared to conventional invasive arterial pressure parameters and identify and find solutions to current challenges regarding dynamic parameters. The data was collected from ten domestic swine during blood withdrawal (450 ml) and fluid autotransfusion (450 ml). Arterial and plethysmographic waveforms were recorded simultaneously, and dynamic parameters were computed from both waveforms. Main interests were pleth amplitude variation (PAV) and pleth variability index (PVI) which were compared to pulse pressure variation (PPV) in arterial blood pressure waveform. Additionally, the influence of ventilator settings to dynamic parameters were studied. Blood volume reduction of 15-20% induced significant increases in PAV, PVI and PPV. Fluid infusion returned the parameters back to baseline. PAV had strong correlation with PVI (r=0.95) and PPV (r=0.89). Other dynamic parameters performed notably worse. Ventilator parameters, particularly respiratory rate, lung compliance and ventilator pressures, were found to have a significant effect on the magnitude of the parameters. Dynamic parameters were not able to predict fluid responsiveness in spontaneously breathing humans. PAV and PVI have potential to predict fluid responsiveness of a patient noninvasively. However, they must be interpreted carefully due to inherent limitations of plethysmographic waveform-based analysis such as low perfusion index, arrhythmias, spontaneous breathing and varying ventilator settings which are all common in ICU patients. Their performance could be improved by introducing complementary information from standard hemodynamics and ventilator settings into the algorithm.Potilaan nestetasapainon arviointi on tarpeellista oikea-aikaisen ja riittävän nestehoidon turvaamiseksi. Hengityskone aiheuttaa hengityksen ja verenkierron välisiä vuorovaikutuksia, jotka näkyvät verenpaine- ja pulssioksimetrisignaalin muutoksina. Aaltomuodon vaihtelut ennustavat sydämen esikuormituksen vaikutusta minuuttitilavuuteen, eli vastaako potilas nesteisiin vai ei. Tämän työn tavoitteena oli tarkastella noninvasiivisten pulssioksimetriaan perustuvien dynaamisten parametrien luotettavuutta referenssimenetelmänä pidettyyn invasiiviseen verenpaineeseen verrattuna. Data kerättiin kymmeneltä ventiloidulta sialta, joiden veritilavuutta muutettiin poistamalla 450 ml verta ja antamalla 450 ml nestehoitoa. Samanaikaisesti mitattiin verenpaine- ja pulssioksimetrisignaalit, joista laskettiin dynaamiset parametrit. Kiinnostavimpia parametreja olivat pulssioksimetrin amplitudin (pleth amplitude variation, PAV) ja perfuusioindeksin vaihtelu (pleth variability index, PVI), sekä verenpainepulssin amplitudivaihtelu (pulse pressure variation, PPV). Lisäksi tutkittiin hengityskoneen asetuksien vaikutusta kyseisiin parametreihin. Kun veritilavuus laski 15 – 20 %, merkittävä nousu todettiin PAV:ssa, PVI:ssä ja PPV:ssä. Nestehoidon jälkeen parametrit palasivat lähtötilanteen tasolle. PAV korreloi voimakkaasti PVI:n (r=0.95) ja PPV:n kanssa (r=0.89). Muut tutkitut dynaamiset parametrit suoriutuivat merkittävästi huonommin. Koehenkilöiden väliset vaihtelut dynaamisissa parametreissa olivat suuria johtuen hengityskoneen eriävistä asetuksista, erityisesti hengitystaajuudesta, keuhkojen komplianssista ja hengityspaineista. Dynaamiset parametrit eivät ennustaneet nestevasteisuutta spontaanisti hengittävillä koehenkilöillä. PAV ja PVI ovat lupaavia noninvasiivisia parametrejä arvioimaan potilaan nestevasteisuutta. Niitä täytyy kuitenkin arvioida varovaisesti, sillä pulssioksimetrian luontaiset rajoitteet, kuten matala perfuusioindeksi, rytmihäiriöt, spontaani hengitys ja vaihtelevat hengityskoneen asetukset, ovat yleisiä teho-osaston potilailla. Parametrien tarkkuutta voitaisiin parantaa lisäparametreillä liittyen hengityskoneen operointiparametreihin ja potilaan hemodynamiikkaan, kuten happisaturaatioon.Description
Supervisor
Palva, MatiasThesis advisor
Lamminmäki, SakariKeywords
photoplethysmography, hypovolemia, fluid responsiveness, noninvasive, dynamic parameter, mechanical ventilation