Abstracto
Fondo
Aunque actualmente es el más utilizado en ventilación mecánica y reanimación cardiopulmonar, las características del dióxido de carbono (CO2) se ha demostrado que la forma de onda producida a través de la capnometría se correlaciona con el desajuste V/Q, el volumen del espacio muerto, el tipo de patrón de respiración y la obstrucción de las vías respiratorias pequeñas. Este estudio aplicó técnicas de ingeniería de funciones y aprendizaje automático a los datos de capnografía recopilados por el dispositivo N-Tidal™ en cuatro estudios clínicos para construir un clasificador que pudiera distinguir CO2 grabaciones (capnogramas) de pacientes con EPOC de aquellos sin EPOC.
Métodos
Se analizaron datos de capnografía de cuatro estudios observacionales longitudinales (CBRS, GBRS, CBRS2 y ABRS) de 295 pacientes, generando un total de 88 186 capnogramas. CO2 los datos del sensor se procesaron utilizando la plataforma de nube regulada de TidalSense, realizando un análisis geométrico en tiempo real en CO2 formas de onda para generar 82 características fisiológicas por capnograma. Estas características se usaron para entrenar clasificadores de aprendizaje automático para discriminar la EPOC de los “no EPOC” (un grupo que incluía participantes sanos y aquellos con otras afecciones cardiorrespiratorias); el rendimiento del modelo se validó en conjuntos de pruebas independientes.
Resultados
El mejor rendimiento del modelo de aprendizaje automático (XGBoost) proporcionó un AUROC de clase equilibrada de 0,985 ± 0,013, un valor predictivo positivo (PPV) de 0,914 ± 0,039 y una sensibilidad de 0,915 ± 0,066 para un diagnóstico de EPOC. Las características de forma de onda que son más importantes para la clasificación de conducción están relacionadas con el ángulo alfa y las regiones de meseta espiratoria. Estas características se correlacionaron con las lecturas de espirometría, lo que respalda sus propiedades propuestas como marcadores de la EPOC.
Conclusión
El dispositivo N-Tidal™ se puede utilizar para diagnosticar con precisión la EPOC casi en tiempo real, lo que respalda el uso futuro en un entorno clínico.
Registro de prueba: Consulte NCT03615365, NCT02814253, NCT04504838 y NCT03356288.
Fondo
La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) es una enfermedad respiratoria progresiva más asociada con antecedentes de tabaquismo. Es la tercera causa más común de mortalidad en todo el mundo. [1]causando 3,28 millones de muertes en 2019 y afectando a 212 millones de personas en todo el mundo [2].
Aunque actualmente no existe una cura, el diagnóstico y el tratamiento tempranos son importantes para mejorar la función pulmonar y la calidad de vida y reducir las exacerbaciones. [3]. El estándar clínico para el diagnóstico de la EPOC es la espirometría, que se basa en la capacidad del paciente para exhalar con fuerza. Sin embargo, una desventaja importante de la espirometría es que depende del esfuerzo y, por lo tanto, no es confiable ni específica. [4]. Además, es eficaz para detectar las últimas etapas de la enfermedad, pero carece de confiabilidad en la detección de casos tempranos y asintomáticos. [5]. Esta limitación plantea desafíos en el diagnóstico de una enfermedad de evolución lenta como la EPOC con una fase preprodrómica asintomática prolongada. [6]. Se ha estimado que en el Reino Unido, solo entre el 9,4 y el 22 % de las personas con EPOC han sido diagnosticadas [7]en parte debido a la pobre precisión de la espirometría de solo 63% [8].
La capnografía es una técnica ampliamente utilizada en cuidados intensivos y anestésicos. Se ha sugerido que las características de un capnograma de alta resolución podrían usarse para identificar patrones fisiológicos asociados con enfermedades respiratorias como la EPOC. [9]. El dispositivo N-Tidal™ de TidalSense (referencia MHRA: 5182) ha hecho posible medir el CO2 concentración de forma fiable y precisa a través de la respiración tidal a través de una boquilla, con una mayor resolución de tiempo de lo que era posible anteriormente [10]haciendo de la técnica una alternativa atractiva a la espirometría.
El objetivo de este documento fue aplicar técnicas de aprendizaje automático (ML) a los datos de capnografía recopilados con el dispositivo N-Tidal™ en cuatro estudios clínicos. El objetivo era construir un clasificador que pudiera distinguir capnogramas de pacientes con EPOC de aquellos sin EPOC utilizando solo un registro de respiración, manteniendo la explicabilidad de los resultados, con una clara referencia a la fisiología respiratoria. Estos datos se analizaron para evaluar la capacidad de N-Tidal™ para funcionar como una herramienta de diagnóstico en el punto de atención para la EPOC.
Métodos
Participantes
Era vital garantizar que cualquier clasificador de diagnóstico pudiera distinguir la EPOC de otras afecciones que podrían causar una carga de síntomas similar en el momento de la presentación, ya que muchos pacientes que se someten a pruebas fisiológicas para la EPOC pueden tener un diagnóstico alternativo. Por lo tanto, los capnogramas utilizados en este análisis se recopilaron de cuatro estudios de cohortes observacionales diferentes, conocidos como GBRS, ABRS, CBRS y CBRS2, que en conjunto proporcionaron un conjunto de datos con condiciones médicas heterogéneas apropiadas. Un resumen de estos estudios con sus objetivos se puede encontrar en Archivo adicional 1. Incluyeron pacientes con EPOC, asma, insuficiencia cardíaca, neumonía, trastorno del patrón respiratorio, enfermedad de la motoneurona, apnea del sueño, bronquiectasias, fibrosis pulmonar, traqueobroncomalacia, así como participantes sanos.
En pacientes con EPOC, los diagnósticos se realizaron de acuerdo con las pautas NICE y la mayoría de los pacientes se encontraban en los estadios tres o cuatro de la Iniciativa Global para la Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (GOLD) (que representan enfermedad grave y muy grave, respectivamente). Los criterios de diagnóstico utilizados para otras afecciones, incluido el asma, se encuentran en Archivo adicional 1 junto con los criterios de inclusión y exclusión de cada protocolo. Además de los cuatro estudios mencionados anteriormente, se recopilaron datos de capnografía de 34 voluntarios sin ninguna enfermedad respiratoria entre diciembre de 2015 y enero de 2022. Aunque no forman parte de un estudio formal, estos voluntarios dieron su consentimiento informado por escrito y fueron evaluados por un médico para asegurarse de que no tenían ninguna enfermedad cardiorrespiratoria de confusión u otras comorbilidades. Todos los sujetos de los cuatro estudios dieron su consentimiento informado y sus datos se manejaron de acuerdo con todas las leyes de protección de datos aplicables, incluido el Reglamento general de protección de datos de la UE y el Reino Unido.
Se obtuvo la aprobación ética del South Central – Berkshire – Research Ethics Committee (REC) para GBRS y ABRS, Yorkshire and the Humber REC para CBRS y West Midlands Solihull REC para CBRS2.
Procedimientos
En todos los estudios, los datos de capnografía se recopilaron en serie utilizando el dispositivo N-Tidal™ dos veces al día durante períodos de tiempo variables según el protocolo de cada estudio. El dispositivo N-Tidal™ es un dispositivo médico con marca CE regulado en el Reino Unido y la UE, y ha sido diseñado para tomar registros precisos y confiables de la presión parcial de CO respirada.2 (pCO2) directamente de la boca. El dispositivo N-Tidal™ es único en su capacidad para medir con precisión pCO2 de alto CO2 a niveles de fondo, con un tiempo de respuesta rápido, lo que significa que cambios rápidos en la geometría del pCO2 se capturan las formas de onda.
Los pacientes realizaron una respiración tidal normal a través del dispositivo N-Tidal™ durante 75 s a través de una boquilla en un proceso independiente del esfuerzo. Esta duración se seleccionó porque garantizaba una recopilación de datos adecuada (suponiendo que algunas respiraciones probablemente fueran ruidosas y pudieran requerir eliminación antes del análisis), al mismo tiempo que garantizaba que la recopilación de datos fuera relativamente breve para los pacientes. CO2 fue muestreado a 10 kHz y reportado a 50 Hz proporcionando un nivel de resolución que no es posible con capnómetros alternativos [10]. Se realizaron informes a 50 Hz para mejorar la relación señal-ruido y garantizar que el CO2 los datos podrían transmitirse rápidamente a través de redes móviles y al mismo tiempo garantizar una alta resolución temporal. Un solo episodio de uso (registro de la respiración) produjo un solo capnograma, con cada ciclo respiratorio (inspiración y espiración) formando una sola forma de onda.
Además de los datos de capnometría, también se recopilaron los siguientes datos para los cuatro estudios: datos demográficos básicos, espirometría (tomada el mismo día que los datos de N-Tidal™) e historial médico. Otros datos clínicos y de cuestionarios variaron entre los estudios (ver objetivos y criterios de inclusión/exclusión en Archivo adicional 1).
Ingeniería de características
Para cada capnograma recolectado usando un…
