Cos’è Meressina?

Il progetto MERESSINA (Mechatronic Respiratory System Simulator for Neonatal Applications), vincitore del grant “Sviluppo e ricerca sulle metodologie innovative nella formazione continua-anno 2011” (Grant n- Codice gara:4353869, Codice CIG: 4415895FD1) di AGENAS, Commissione Nazionale per la Formazione Continua del Ministero Italiano della Salute, ha avuto inizio il 19 Marzo 2012 per una durata totale di 18 mesi. Il progetto si è svolto grazie alla collaborazione tra:

  • Centro NINA U.P. dell’unità operativa di neonatologia dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana (AOUP)
  • Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore di Studi Universitari e di Perfezionamento Sant’Anna [SSSA]

Il progetto è derivato dalla necessità di realizzare un simulatore respiratorio neonatale innovativo e versatile, studiato per essere compatibile con i ventilatori meccanici comunemente usati nelle Unità di Terapia Intensiva Neonatale e potenzialmente utile nei corsi di training per medici ed infermieri.

 

Cos’è un ventilatore meccanico?

Un ventilatore meccanico o ventilatore polmonare, è uno strumento comunemente utilizzato in clinica per eseguire la ventilazione assistita (intubazione del neonato e conseguente collegamento al ventilatore polmonare che, di fatto, assiste o effettua la respirazione). La ventilazione assistita rappresenta uno degli strumenti più importanti di cui dispone il medico nel trattamento delle patologie associate al sistema respiratorio. Nelle procedure di intervento, in genere, i primi passi prevedono l’adozione di misure meno invasive ed estreme rispetto all’uso del ventilatore, ma nelle condizioni di gravità o urgenza rimane uno strumento di indiscussa utilità, nonostante le controversie associate ai danni che può indurre. Il ventilatore può essere impiegato sia per regolare lo scambio di gas, in modo da renderlo coerente con le necessità fisiologiche dell’individuo; sia per assistere o sostituire il fenomeno meccanico respiratorio, riducendo il lavoro necessario all’espansione polmonare e aumentando il volume corrente inspirato.
Il razionale scientifico del progetto si basa sul fatto che uno degli ambiti più critici in neonatologia è il trattamento di neonati con problemi respiratori (ad esempio con Sindrome da Distress Respiratorio-RDS), che è la principale causa di mortalità a tale età. La ventilazione meccanica è il principale intervento terapeutico per queste situazioni, ma il risultato della metodologia è affetto da rischi di complicazioni ed effetti collaterali inaspettati, come ad esempio la Displasia Broncopolmonare (BDP).

 

Quali sono i rischi nell’utilizzare la ventilazione assistita?

La VILI, rappresenta un danno indotto al sistema polmonare, causato dall’uso improprio del ventilatore, eventualità che si intende ridurre con un’appropriata educazione del medico. Data la complessità dell’ambito, un programma specifico di formazione continua (Continuing Medical Education-CME) è necessario per allenare infermieri e neonatologi al fine di garantire adeguata esperienza pratica; la simulazione ad alta fedeltà è in questo ambiente la strategia più indicata per raggiungere lo scopo; si consideri inoltre che gli attuali sistemi per il training alla ventilazione meccanica risultano inadeguati per la rappresentazione di scenari clinici realistici.

 

Come funziona MERESSINA?

Al fine di ottenere una rappresentazione ad alta fedeltà delle caratteristiche fisiologiche polmonari e dei profili respiratori dei neonati il prototipo realizzato è basato su un modello multi-compartimentale (Fig.1): in analogia con la distribuzione dei lobi polmonari il simulatore presenta due e tre compartimenti che riproducono rispettivamente i lobi del polmone destro e sinistro. Ciascun compartimento è caratterizzato da una propria compliance pilotabile e l’ albero respiratorio destro e sinistro sono soggetti a livelli di resistenza variabili in modo indipendente. Grazie a tale design il sistema consente di simulare l’assenza di uniformità relativamente alle condizioni polmonari, così come di evidenziare condizioni di barotrauma localizzato o di ostruzione delle vie aeree.

Fig. 1. Rappresentazione schematica del prototipo di simulatore respiratorio neonatale: (1) Ventilatore meccanico neonatale; (2) albero respiratorio fatto di tubi in plastica (3) resistenze aeree meccaniche; (4) siringhe in vetro a volume variabile, che rappresentano i lobi polmonari; (5) i sensori di pressione; (6) gli attuatori lineari usati per variare il volume dei lobi; (7) il PC con l’interfaccia software.

Il prototipo meccatronico finale (Fig.2) è dunque capace di:

  1. simulare un ampio range di condizioni polmonari fisio-patologiche;
  2. simulare cicli respiratori del neonato sia autonomi che meccanicamente assistiti;
  3. monitorare on line parametri quali pressione, volume e flusso.
Fig. 2. Il simulatore polmonare neonatale a cinque lobi, connesso ad un ventilator (Bear Cub 750 PSV Infant Ventilator) comunemente utilizzato nella pratica clinica.

 

I diversi task possono essere scelti dall’operatore attraverso un’interfaccia grafica user-friendly dotata di 5 diverse schede che raccolgono i parametri di controllo e gli indicatori grafici, numerici e le spie luminose di allarme (Fig.3).

Fig. 3. Due delle cinque schede dell’interfaccia grafica: a) vista generale dei parametric respiratori e fisiologici che l’operatore deve settare per la simulazione; b) allarmi ed avvisi per valutare le ottime condizioni di ventilazione nel caso di bambini pretermine con RDS.

 

Durante la sessione di training l’operatore può:

  • settare compliance, capacità funzionale residua e volume tidalico per ciascun lobo, nonché tempo di inspirazione e frequenza respiratoria generali in caso di respiro spontaneo;
  • definire condizioni di apnea temporanea e nel caso di bambini curarizzati;
  • valutare la resistenza totale offerta al flusso, sulla base del settaggio manuale di due valvole meccaniche ed individuare possibili condizioni di ostruzione;
  • monitorare andamenti di pressione, volume e flusso sia a livello di ciascun lobo che quelli rilasciati dal ventilatore; questo consente inoltre all’operatore di fare un controllo in tempo reale del funzionamento del ventilatore.

Inoltre il software consente di giudicare la qualità della ventilazione nei casi di bambini pretermine con RDS e bambini asfittici a termine: se i valori dei tipici parametri di ventilazione sono all’interno dei range di normalità forniti dagli esperti, una spia verde comparirà sull’interfaccia per ogni valore; nel caso opposto la spia sarà rossa e sarà accompagnata da una nota di allarme che indica se il parametro è superiore o inferiore rispetto al range ideale e fornisce considerazioni sulle conseguenze derivanti da tali scelte errate di ventilazione.

 

Cosa pensano i dottori di MERESSINA?

Sessioni di training condotte con un gruppo di specializzandi in Anestesiologia hanno mostrato risultati incoraggianti sulla praticità e l’utilità del simulatore.

In particolare gli studenti hanno giudicato il sistema come uno strumento prezioso per un primo approccio alla ventilazione meccanica e al settaggio dei parametri necessari; inoltre il simulatore ha effettivamente consentito loro di capire, senza alcun rischio, l’interazione bidirezionale che si instaura tra il ventilatore ed un sistema che respira in modo attivo.

 


Pubblicazioni

Disseminazione dei risultati in eventi nazionali e internazionali e su riviste scientifiche specializzate [SSSA, AOUP]

Articoli su rivista

  1. R.T. Scaramuzzo, A. Cuttano, M. Gentile, M. Ciantelli, E. Sigali, I. Baldoli, L. Bellanti, S. Tognarelli, F. Cecchi, S. Mazzoleni, A. Menciassi, C. Laschi, P. Dario, A. Boldrini, P. Ghirri. La ricerca neonatologica in Toscana e Lombardia: quali contributi e con quali risorse? La pediatria medica e chirurgica – Medical and surgical pediatrics, 2013; 35(2):67
  2. R.T. Scaramuzzo, M. Ciantelli, I. Baldoli, L. Bellanti, M. Gentile, S. Tognarelli, E. Sigali, F. Cecchi, S. Mazzoleni, A. P. Ghirri, A. Menciassi, A. Cuttano, A. Boldrini, C. Laschi, P. Dario. MEchatronic REspiratory System SImulator for Neonatal Applications (MERESSINA) project: a novel bioengineering goalMedical Devices: Evidence and Research, 2013; 6:115-21
  3. I Baldoli, S Tognarelli, F Cecchi, RT Scaramuzzo, M Ciantelli, M Gentile, A Cuttano, C. Laschi, A. Menciassi, A. Boldrini, P. Dario. An active one-lobe pulmonary simulator with compliance control for medical training in neonatal mechanical ventilation. Journal of Clinical Monitoring and Computing [IN STAMPA]
  4. I Baldoli, S Tognarelli, RT Scaramuzzo, M Ciantelli, F Cecchi, M Gentile, E Sigali, P Ghirri, A Boldrini, P Frumento, A Menciassi, C Laschi, P Dario, A Cuttano, Comparative performances analysis of Intensive Care Units (ICUs) neonatal ventilators [SOTTOMESSO PER LA PUBBLICAZIONE]
  5. A Cuttano, I Baldoli, RT Scaramuzzo, S Tognarelli, M Ciantelli, F Cecchi, M Gentile, A Menciassi, E Sigali, C Laschi, P Ghirri, S Mazzoleni, A Boldrini, P Dario. A novel simulator for mechanical ventilation in newborns: MERESSINA [SOTTOMESSO PER LA PUBBLICAZIONE]

Contributi ai Congressi

  1. R.T. Scaramuzzo, A. Cuttano, M. Gentile, M. Ciantelli, E. Sigali, I. Baldoli, L. Bellanti, S. Tognarelli, F. Cecchi, S. Mazzoleni, A. Menciassi, C. Laschi, P. Dario, A. Boldrini, P. Ghirri – La ricerca neonatologica in Toscana e Lombardia: quali contributi e con quali risorse? – 26° Congresso della Società Italiana di Neonatologia sezione Lombardia/2° Congresso congiunto con SIN Toscana, Bergamo 25-26 gennaio 2013 [RELAZIONE]
  2. S. Tognarelli, L. Deri, F. Cecchi, R. Scaramuzzo, A. Cuttano, C. Laschi, A. Menciassi, P. Dario. Analysis of a Dielectric EAP as Smart Component for a Neonatal Respiratory Simulator. The 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’13), Osaka, Japan, 3-7 luglio 2013 [POSTER]
  3. Cuttano A, Scaramuzzo RT, Gentile M, Ciantelli M, Sigali E, Cecchi F, Menciassi A, Laschi C, Dario P, Boldrini A, Baldoli I, Tognarelli S. La simulazione ad alta fedeltà in neonatologia e la pratica dell’intubazione oro-tracheale: proposta di un nuovo device. XIX Congresso Nazionale SIN (Società Italiana di Neonatologia) – Firenze, 28-30 ottobre 2013 [POSTER]
  4. Gentile M, Scaramuzzo RT, Ciantelli M, Bernardini M, Chesi F, Moscuzza F, Riparbelli C, Sigali E, Vuerich M, Cuttano A, Boldrini A. Uno strumento di verifica per i corsi di formazione con simulazione ad alta fedeltà: il “ciclo dell’umore”. XIX Congresso Nazionale SIN (Società Italiana di Neonatologia) – Firenze, 28-30 ottobre 2013 [POSTER]
  5. Cuttano A, Scaramuzzo RT, Gentile M, Sigali E, Ciantelli M, Boldrini A. La formazione in neonatologia sulla strada della simulazione ad alta fedeltà: proposta operativa per un network nazionale. XIX Congresso Nazionale SIN (Società Italiana di Neonatologia) – Firenze, 28-30 ottobre 2013 [POSTER]
  6. Scaramuzzo RT, Cuttano A, Ciantelli M, Gentile M, Ghirri P, Sigali E, Baldoli I, Cecchi F, Laschi C, Menciassi A, Tognarelli S, Dario P, Boldrini A. MERESSINA (MEchatronic REspiratory System SImulator for Neonatal Applications): a novel skill trainer for simulation in Neonatology. XIX Congresso Nazionale SIN (Società Italiana di Neonatologia) – Firenze, 28-30 ottobre 2013 [COMUNICAZIONE ORALE]

Tesi di laurea

  1. Tesi di laurea specialistica in Ingegneria Biomedica, Università di Pisa, sessione di dicembre 2012 – Progettazione e caratterizzazione di un sistema di attuazione innovativa nell’ambito della ventilazione artificiale. Candidato: Linda Deri, Relatore: Prof. Menciassi Arianna, Correlatori: Prof. Cecilia Laschi e PhD Selene Tognarelli 
  2. Tesi di laurea specialistica in Ingegneria Biomedica, Università di Pisa, sessione di dicembre 2013 – Simulatore di polmone neonatale pretermine basato su un modello a 5 lobi e sua validazione con personale medico. Candidato: Roberta Muolo, Relatore: Prof. Cecilia Laschi, Correlatore: Prof. Arianna Menciassi