UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Novel approaches to performance assessment of heat and moisture exchangers forpulmonary protection and rehabilitation in laryngectomized patients

van den Boer, C.

Link to publication

Citation for published version (APA):van den Boer, C. (2014). Novel approaches to performance assessment of heat and moisture exchangers forpulmonary protection and rehabilitation in laryngectomized patients.

General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, statingyour reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Askthe Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

Download date: 27 Oct 2020

Chapter 9

Summary/Samenvatting

187

Chapter 9

9

SUMMARY

Laryngectomized patients suffer from respiratory complaints. Breathing through

a tracheostoma results in insufficient warming and humidification of inspired air.

Improvement of pulmonary humidification with significant reduction of pulmonary

complaints is achieved by the application of a Heat and Moisture Exchanger (HME)

over the tracheostoma. HMEs are passive humidifiers that partially re-condition the

inspired air.

There are different approaches to assess the humidification effect of an HME

device. In vitro (International Organization for Standardization [ISO] standard 9360-

2:2001) and in vivo measurements of the humidity effects of an HME are complex

and technically challenging. The aim of chapter 2 was to develop a simple method

to measure the ex vivo HME performance comparable and validated with previous

in vitro and in vivo results. HMEs were weighed at the end of inspiration and at

the end of expiration at different breathing volumes. Four HMEs (Atos Medical,

Hörby, Sweden) with known in vivo humidity and in vitro water loss values were

tested. The associations between weight change, volume, and absolute humidity

were determined using both linear and non-linear mixed effects models. The

rating between the 4 HMEs by weighing correlated with previous intra-tracheal

measurements (R2 = 0.98), and the ISO standard (R2 = 0.77). Assessment of the

weight change between end of inhalation and end of exhalation thus appeared to

be a valid and simple method of measuring the water exchange performance of an

HME.

The aim of chapter 3 was to determine whether the new Provox HMEs (XM-HME

and XF-HME) have a better water exchange performance than their predecessors

(R-HME and L-HME respectively; Atos Medical, Hörby, Sweden). The other aim was

to assess the short-term clinical feasibility of these HMEs. The weighing method

described in chapter 2 was used to assess and further validate the water exchange

and humidity values. Study-specific questionnaires and tally-sheets were used in

the clinical feasibility study. The water exchange of the XM-HME is 3.6 mg, which

is significantly higher than that of the R-HME (2.0 mg). The water exchange of the

XF-HME (2.0 mg) was not significantly higher than that of the L-HME (1.8 mg). The

absolute humidity values of both XM- and XF-HME were significantly higher than

188

Summary/Samenvatting

9

that of their predecessors. The clinical feasibility study did not reveal any practical

problems over the course of three weeks. The study was a further validation of

the ex vivo method and showed that the XM-HME has a significantly better water

exchange performance than its predecessor (R-HME), and that both newly designed

HMEs did succeed in the clinical feasibility study.

For medical professionals it is not easy to judge differences in humidification

performance of various HMEs due to the lack of universal outcome measures.

Therefore chapter 4 assessed the water exchange performance of 23 commercially

available HMEs for laryngectomized patients and validated these results with

absolute humidity outcomes. Also the role of hygroscopic salt in the core material

of hygroscopic HMEs was assessed. Measurements of water exchange and

absolute humidity were performed with the validated ex vivo method described

in chapter 2 and 3. Twenty-three HMEs of six different manufacturers were

tested. Water exchange of these tested HMEs at a breathing volume of 0.5 liter

varies between 0.5-3.6 mg. Both water exchange and wet core weight correlate

strongly with the end-inspiratory absolute humidity values (R2=0.89 / 0.87). The 23

tested HMEs for laryngectomized patients show wide variation in water exchange

performance. Water exchange correlates well with the end-inspiratory absolute

humidity outcome, which validates the ex vivo weight change method. Wet core

weight is a predictor of HME performance. Hygroscopic salt increases the weight of

the core material. The results of this study can help medical professionals to obtain

a more founded opinion about the performance of available HMEs for pulmonary

rehabilitation in laryngectomized patients, and uniquely allow them to make an

informed decision on which of HME type to use.

Standard of care is to advise patients to use HMEs for a maximum period of

24 hours, because after that period bacterial contamination might become a

source of infection, but also because of a potential decrease in water exchange

performance. Daily replacement does not cause additional exposure to pathogenic

microorganisms and shows that using an HME for 24-hours is bacteriologically

safe. Chapter 5 determined whether hygroscopic heat and moisture exchangers

still function after 24-hour tracheostoma application. Three hygroscopic heat and

moisture exchanger types were tested after use by laryngectomized patients in

long-term follow-up. Water uptake of 41 used devices (including 10 prematurely

189

Chapter 9

9

replaced devices) was compared to that of control (unused) devices of the same

type and to a control device with a relatively low performance. After 24 hours, the

mean water uptake of the three device types has decreased compared to that of

their control devices. For only one type this difference was significant. None of the

used heat and moisture exchangers had shown a lower water uptake than that of

the low performing control device. The water uptake capacity of hygroscopic heat

and moisture exchangers is clinically acceptable though no longer optimal after 24-

hour tracheostoma application. From a functional point of view the guideline for

daily device replacement is therefore justified.

Impaired mucociliary clearance and histological changes of respiratory epithelium,

such as loss of ciliated cells, previously have been described in laryngectomized

patients. Aim of chapter 6 was to assess both the effect of HMEs on tracheal

epithelium and on tracheal mucus transport velocity (TMV). Tracheal brush biopsies

were collected in three groups of TLE patients: 21 long-term HME users, 10 non-

HME users, and 16 non-HME users before and after 4-9 months HME use. Tracheal

epithelium biopsies were assessed using a digital high-speed camera mounted on

a light microscope. TMV was determined by scintigraphy in the first two patient

groups.

Significantly more ciliated cells were found in HME users compared to non-HME

users (p=0.05). TMV was higher in HME users (median 2 mm/min; 0-7.9) compared

to non-HME users (median 0.8 mm/min; 0-12.3), but this difference was not

significant (p=0.37). One hour breathing without HME in long-term HME users did

not measurably decrease TMV (p=0.13). This study shows that long-term use of

an HME restores and/or prevents the loss of tracheal ciliated cells. A significant

improvement in TMV was not found. Short-term (one hour) detachment of an HME

had no measurable effect on TMV.

Laryngectomized patients have reported considerable pulmonary complaints. It is

assumed that laryngectomized patients also run a higher risk of developing severe

respiratory infections. Unfortunately, there is little scientific information available

about the occurrence of respiratory infections and related health costs in these

patients with and without the use of an HME. Therefore, the occurrence of respiratory

infections in laryngectomized patients was investigated in the Netherlands Cancer

190

Summary/Samenvatting

9

Institute and by means of a survey among head and neck oncology surgeons

throughout Europe (chapter 7). The number of tracheobronchitis and/or pneumonia

events were retrospectively scored between 1973-2013 in medical records of 89

laryngectomized patients treated in the Netherlands Cancer Institute and in follow-

up for at least 5 years. To assess expert experiences and opinions regarding these

pulmonary problems, a study specific survey was developed. The survey was sent

by email to head and neck surgeons from 10 different countries. In the medical

record study, an average of 0.129 respiratory infections per patient/year was

found in non-HME users and 0.092 in HME users. In the survey (response rate HN

surgeons 20%; countries 90%) 0.285 episodes per patient/year in non-HME users

was statistically higher than the 0.066 episodes per patient/year in HME users.

The average mortality in the HME user group per entire carreer of each physisican

was estimated on 0.0045 and for the non-HME user group this was 0.0152. Both

the retrospective study and the survey indicate that there is a tendency that the

number of tracheobronchitis and pneumonia episodes in non-HME users is higher

than in HME users.

191

Chapter 9

9

SAMENVATTING

Gelaryngectomeerde patiënten hebben veel luchtwegproblemen omdat het

ademen door een tracheostoma resulteert in onvoldoende verwarming en

bevochtiging van de ingeademde lucht. Verbetering van de ademluchtbevochtiging

met vermindering van de longproblemen kan worden bereikt door een warmte-

en vochtwisselaar (heat and moisture exchanger, HME) over het tracheostoma

te dragen. HME’s zijn passieve luchtbevochtigers die het vochtgehalte van de

ingeademde lucht gedeeltelijk herstellen.

Er zijn verschillende methoden om het bevochtigingeffect van een HME filter te

meten. In vitro (International Organization for Standardization [ISO] standaard

9360-2:2001) en in vivo metingen van vochteffecten van een HME zijn technisch

ingewikkeld. Het doel van hoofdstuk 2 was om een nieuwe, simpele methode te

ontwikkelen om de ex vivo werking van een HME te meten die vergelijkbaar is en

gevalideerd wordt met eerder gemeten in vitro en in vivo resultaten. HME’s werden

gewogen aan het einde van de in- en uitademing bij variërende ademvolumes van

een gezond proefpersoon. Vier HME filters (Atos Medical, Hörby, Zweden), waarvan

de in vivo vochteffect- en in vitro waterverlieswaarden bekend zijn, werden getest.

Associaties tussen gewichtsverschil (waterwisselcapaciteit), ademvolume en

absolute luchtvochtigheid werd bepaald met zowel lineair als niet lineair gemengde

effecten modellen. De score van waterwisselcapaciteit van de vier HME’s correleren

met de eerder gemeten intra-tracheale uitkomsten (R2 = 0.98) en de ISO standaard

waarden (R2 = 0.77). Het gewichtsverschil tussen het einde van de inademing

en einde van de uitademing blijkt dus een simpele en valide methode om de

waterwisselcapaciteit van een HME te bepalen.

In hoofdstuk 3 werd de werking van twee nieuwe Provox Heat en Moisture

Exchangers (XM-HME en XF-HME) bepaald en vergeleken met die van hun

voorgangers (R-HME en L-HME; Atos Medical, Zweden). Het tweede doel was een

haalbaarheidsonderzoek van deze HME’s in de dagelijkse praktijk. De weegmethode

uit hoofdstuk 2 werd gebruikt om de ex vivo waterwisselcapaciteit en absolute

luchtvochtigheid te bepalen en deze weegmethode werd verder gevalideerd. Studie

specifieke vragenlijsten en score formulieren werden gebruikt in het drie weken

durende haalbaarheidsonderzoek. Het gewichtsverschil tussen eind-inademing en

192

Summary/Samenvatting

9

eind-uitademing van de XM-HME was 3.6 mg bij een teugvolume van 0.5 liter, wat

significant hoger is dan dat van de R-HME (2.0 mg). Het gewichtsverschil van de XF-

HME (2.0 mg) was niet significant hoger dan dat van de L-HME (1.8 mg). De absolute

luchtvochtigheid was voor zowel de XM-HME en de XF-HME significant hoger

vergeleken met hun voorgangers. Het haalbaarheidsonderzoek liet geen praktische

problemen zien. De studie betekende een verdere validering van de ex vivo methode

en toonde aan dat de XM-HME een significant betere waterwisselcapaciteit heeft

dan de voorganger (R-HME) en dat beide nieuwe HME types in de dagelijkse praktijk

probleemloos functioneren.

Vanwege het gebrek aan een universeel beschikbare uitkomstmaat voor de

luchtbevochtiging werking is het verschil tussen HME’s moeilijk te bepalen voor de

medische professional. In hoofdstuk 4 werd de ex vivo waterwisselcapaciteit gemeten

van 23 commerciële HME’s voor gelaryngectomeerde patiënten. Ook werd de rol van

hygroscopisch zout dat geïmpregneerd is in het HME materiaal van hygroscopische

filters onderzocht. Waterwisselcapaciteit en luchtvochtigheidsmetingen werden

verricht met de gevalideerde ex vivo methode beschreven in hoofdstuk 2 en 3.

In totaal werden er 23 HME types van zes verschillende fabrikanten getest. De

waterwisselcapaciteit van de geteste HME’s varieerde tussen de 0.5-3.6 mg bij een

teugvolume van 0.5 liter. Zowel de waterwisselcapaciteit als het natte gewicht van

het HME materiaal correleert met de absolute luchtvochtigheid waarden (R2=0.89

/ 0.87), waarmee de weegmethode nogmaals gevalideerd is. De conclusie is dat de

23 HME types een grote variatie in waterwisselcapaciteit laten zien. Daarnaast blijkt

het gewicht van nat HME materiaal een voorspeller voor de HME werking te zijn.

Hygroscopisch zout zorgt voor een toename van het gewicht van HME materiaal. De

resultaten van deze studie kunnen de medische professional helpen bij het maken

van een beter beargumenteerde keuze bij het voorschrijven van een HME aan

gelaryngectomeerde patiënten.

Het standaard advies voor de gebruiksduur van een HME is 24 uur omdat hierna

mogelijk bacteriële contaminatie een bron van infectie kan vormen, maar ook

vanwege een potentiële achteruitgang in de werking van een HME. Eerder is bewezen

dat dagelijkse wisseling van de HME geen extra blootstelling aan pathogene micro-

organismen geeft waardoor het gebruik van een HME tot 24 uur veilig is wat betreft

bacteriële contaminatie.

193

Chapter 9

9

Of HME’s nog steeds functioneren na 24 uur gebruik door gelaryngectomeerden

werd onderzocht in hoofdstuk 5. De wateropname capaciteit van drie

verschillende hygroscopische HME types werd getest na 24-uur gebruik door 10

gelaryngectomeerde patiënten in lange termijn nacontrole. De wateropname

capaciteit van 41 HME’s (inclusief 10 HME’s die vroegtijdig waren gewisseld) werd

vergeleken met controle (ongebruikte) HME’s van hetzelfde type en met een HME

type met een relatief lage wateropname capaciteit. De wateropname van de drie

geteste HME types was na 24-uur patiënten gebruik afgenomen in vergelijking met

de controle HME’s, deze afname was voor 1 type HME significant. Geen van de

drie geteste HME’s had een lagere wateropname dan de HME type met de relatief

lage wateropname capaciteit. De conclusie is dat de wateropnamecapaciteit van

hygroscopische HME’s na 24-uur tracheostoma applicatie klinisch nog acceptabel,

maar niet langer optimaal is. De richtlijn om de HME dagelijks te vervangen is vanuit

een functioneel opzicht gerechtvaardigd.

Verminderde mucociliaire klaring en histologische veranderingen van het respiratoire

epitheel, zoals verlies van ciliacellen, zijn eerder beschreven in gelaryngectomeerde

patiënten. Doel van de studie beschreven in hoofdstuk 6 was zowel de effecten

van een HME op tracheaal epitheel als op tracheaal mucus transportsnelheid te

onderzoeken. Brush biopsies uit de trachea werden verricht in drie verschillende

patiëntengroepen: 21 lange termijn HME-gebruikers, 10 niet-HME gebruikers, en

16 niet-HME gebruikers zowel vóór als na 4-9 maanden HME gebruik. De brush

biopsies van tracheaal epitheel werden geëvalueerd met een lichtmicroscoop en

een digitale high-speed camera. Tracheaal mucus transportsnelheid werd bepaald

door middel van scintigrafie in de eerste 2 patiënten groepen. In de HME gebruikers

werden significant meer ciliacellen gevonden in vergelijking met de niet-HME

gebruikers (p=0.05). De mucus transportsnelheid was hoger in de HME gebruikers

(mediaan 2 mm/min; 0-7.9) dan in de niet-HME gebruikers (mediaan 0.8 mm/

min; 0-12.3), maar dit verschil was statistisch niet significant (p=0.37). De mucus

transportsnelheid was niet meetbaar verminderd na 1 uur ademen zonder HME in

de HME groep (p=0.13). Dit onderzoek toont aan dat lange termijn gebruik van een

HME het verlies van ciliacellen in de trachea herstelt en/of voorkomt. Een significant

verschil in tracheaal mucus transportsnelheid werd niet gevonden. Korte termijn

194

Summary/Samenvatting

9

(1 uur) afnemen van de HME van het tracheostoma gaf geen meetbaar effect op de

mucus transportsnelheid in de trachea.

Gelaryngectomeerde patiënten hebben aanzienlijke pulmonale klachten. Het

wordt verondersteld dat deze patiënten ook een hoger risico hebben om ernstige

luchtweginfecties te ontwikkelen. Helaas is er weinig wetenschappelijke literatuur

beschikbaar over de incidentie van luchtweginfecties en medische kosten in

deze patiënten, zowel zonder als met HME gebruik. Hoofdstuk 7 heeft daarom

het voorkomen van luchtweginfecties in gelaryngectomeerden onderzocht

in het Nederlands Kanker Instituut en door een vragenlijstonderzoek onder

Europese hoofdhalschirurgen. Retrospectief tussen 1973-2013 werden het aantal

tracheobronchitis en/of pneumonie episoden gescoord vanuit de medische dossiers

van 89 gelaryngectomeerde patiënten behandeld in het Nederlands Kanker Instituut

met een nacontrole periode van tenminste 5 jaar. Een studiespecifieke vragenlijst

werd ontwikkeld om de ervaringen en meningen van medische experts te evalueren

en elektronisch verstuurd naar hoofd-halschirurgen uit 10 verschillende Europese

landen. In de medische patiënten dossiers was het gemiddeld aantal respiratoire

infecties per patiënt/jaar 0.129 voor de niet-HME gebruikers en 0.092 voor de HME

gebruikers. Het responspercentage van de vragenlijsten was 20% wat betreft de

hoofd-halschirurgen en 90% wat de landendekking betreft. Uit dit deel van het

onderzoek bleek dat de episoden van respiratoire infecties 0.285 per patiënt/jaar

was voor de niet-HME gebruikers, wat statistisch significant hoger is dan de 0.066

episoden in de HME gebruikers. De gemiddelde mortaliteit in de niet-HME-groep

werd geschat op 0.0152 per carrière/per arts, en voor de HME-groep was dit getal

0.0045. Zowel de retrospectieve studie als de vragenlijsten wijzen er dus op dat

het aantal episoden van tracheobronchitis and pneumonie in niet-HME gebruikers

hoger is dan in HME gebruikers.