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Citare questo articolo come: Kojima Y., Sendo R., Okayama N. et al.(18 maggio 2022) Rapporto dell'ossigeno inalato nei dispositivi a basso e alto flusso: uno studio di simulazione.Cura 14(5): e25122.doi:10.7759/cureus.25122
Scopo: La frazione di ossigeno inalato deve essere misurata quando viene somministrato ossigeno al paziente, poiché rappresenta la concentrazione di ossigeno alveolare, che è importante dal punto di vista della fisiologia respiratoria.Pertanto, lo scopo di questo studio era confrontare la proporzione di ossigeno inalato ottenuto con diversi dispositivi di erogazione di ossigeno.
Metodi: è stato utilizzato un modello di simulazione della respirazione spontanea.Misurare la proporzione di ossigeno inalato ricevuto attraverso cannule nasali a basso e alto flusso e semplici maschere di ossigeno.Dopo 120 s di ossigeno, la frazione di aria inalata è stata misurata ogni secondo per 30 s.Sono state effettuate tre misurazioni per ciascuna condizione.
RISULTATI: Il flusso d'aria ha ridotto la frazione di ossigeno inspirato intratracheale e la concentrazione di ossigeno extraorale quando si utilizza una cannula nasale a basso flusso, suggerendo che la respirazione espiratoria si è verificata durante la rirespirazione e può essere associata ad un aumento della frazione di ossigeno inspirato intratracheale.
Conclusione.L'inalazione di ossigeno durante l'espirazione può portare ad un aumento della concentrazione di ossigeno nello spazio morto anatomico, che può essere associato ad un aumento della percentuale di ossigeno inalato.Utilizzando una cannula nasale ad alto flusso è possibile ottenere un'elevata percentuale di ossigeno inalato anche ad una portata di 10 L/min.Quando si determina la quantità ottimale di ossigeno, è necessario impostare la portata appropriata per il paziente e le condizioni specifiche, indipendentemente dal valore della frazione di ossigeno inalato.Quando si utilizzano cannule nasali a basso flusso e semplici maschere di ossigeno in ambito clinico, può essere difficile stimare la proporzione di ossigeno inalata.
La somministrazione di ossigeno durante le fasi acute e croniche dell'insufficienza respiratoria è una procedura comune nella medicina clinica.Vari metodi di somministrazione di ossigeno includono cannula, cannula nasale, maschera di ossigeno, maschera con serbatoio, maschera Venturi e cannula nasale ad alto flusso (HFNC) [1-5].La percentuale di ossigeno nell'aria inalata (FiO2) è la percentuale di ossigeno nell'aria inalata che partecipa allo scambio di gas alveolare.Il grado di ossigenazione (rapporto P/F) è il rapporto tra la pressione parziale dell'ossigeno (PaO2) e la FiO2 nel sangue arterioso.Sebbene il valore diagnostico del rapporto P/F rimanga controverso, esso è un indicatore di ossigenazione ampiamente utilizzato nella pratica clinica [6-8].Pertanto, è clinicamente importante conoscere il valore della FiO2 quando si somministra ossigeno a un paziente.
Durante l'intubazione, la FiO2 può essere misurata accuratamente con un monitor dell'ossigeno che include un circuito di ventilazione, mentre quando l'ossigeno viene somministrato con una cannula nasale e una maschera per ossigeno, può essere misurata solo una "stima" della FiO2 basata sul tempo inspiratorio.Questo “punteggio” è il rapporto tra l’apporto di ossigeno e il volume corrente.Ciò però non tiene conto di alcuni fattori dal punto di vista della fisiologia della respirazione.Gli studi hanno dimostrato che le misurazioni della FiO2 possono essere influenzate da vari fattori [2,3].Sebbene la somministrazione di ossigeno durante l’espirazione possa portare ad un aumento della concentrazione di ossigeno negli spazi anatomici morti quali cavità orale, faringe e trachea, nella letteratura attuale non esistono segnalazioni su questo tema.Tuttavia, alcuni medici ritengono che nella pratica questi fattori siano meno importanti e che i “punteggi” siano sufficienti per superare i problemi clinici.
Negli ultimi anni, l’HFNC ha attirato particolare attenzione nella medicina d’urgenza e nella terapia intensiva [9].L'HFNC fornisce un elevato flusso di FiO2 e ossigeno con due vantaggi principali: lavaggio dello spazio morto della faringe e riduzione della resistenza nasofaringea, che non deve essere trascurato quando si prescrive l'ossigeno [10,11].Inoltre, potrebbe essere necessario presupporre che il valore FiO2 misurato rappresenti la concentrazione di ossigeno nelle vie aeree o negli alveoli, poiché la concentrazione di ossigeno negli alveoli durante l'inspirazione è importante in termini di rapporto P/F.
Nella pratica clinica di routine vengono spesso utilizzati metodi di somministrazione di ossigeno diversi dall'intubazione.Pertanto, è importante raccogliere più dati sulla FiO2 misurata con questi dispositivi di erogazione di ossigeno al fine di prevenire un'eccessiva ossigenazione non necessaria e ottenere informazioni sulla sicurezza della respirazione durante l'ossigenazione.Tuttavia, la misurazione della FiO2 nella trachea umana è difficile.Alcuni ricercatori hanno provato a imitare la FiO2 utilizzando modelli di respirazione spontanea [4,12,13].Pertanto, in questo studio, abbiamo mirato a misurare la FiO2 utilizzando un modello simulato di respirazione spontanea.
Si tratta di uno studio pilota che non richiede approvazione etica perché non coinvolge esseri umani.Per simulare la respirazione spontanea, abbiamo preparato un modello di respirazione spontanea facendo riferimento al modello sviluppato da Hsu et al.(Fig. 1) [12].Ventilatori e polmoni di prova (Dual Adult TTL; Grand Rapids, MI: Michigan Instruments, Inc.) provenienti da apparecchiature per anestesia (Fabius Plus; Lubecca, Germania: Draeger, Inc.) sono stati preparati per imitare la respirazione spontanea.I due dispositivi sono collegati manualmente tramite cinghie metalliche rigide.Un soffietto (lato motore) del polmone di prova è collegato al ventilatore.L'altro soffietto (lato passivo) del polmone di prova è collegato al “Modello di gestione dell'ossigeno”.Non appena il ventilatore fornisce gas fresco per testare i polmoni (lato motore), il soffietto viene gonfiato tirando con forza l'altro soffietto (lato passivo).Questo movimento inala il gas attraverso la trachea del manichino, simulando così la respirazione spontanea.
(a) monitor dell'ossigeno, (b) manichino, (c) polmone di prova, (d) dispositivo per anestesia, (e) monitor dell'ossigeno e (f) ventilatore elettrico.
Le impostazioni del ventilatore erano le seguenti: volume corrente 500 ml, frequenza respiratoria 10 respiri/min, rapporto inspiratorio/espiratorio (rapporto inalazione/espirazione) 1:2 (tempo respiratorio = 1 s).Per gli esperimenti, la compliance del polmone di prova è stata impostata su 0,5.
Per il modello di gestione dell'ossigeno sono stati utilizzati un monitor dell'ossigeno (MiniOx 3000; Pittsburgh, PA: American Medical Services Corporation) e un manichino (MW13; Kyoto, Giappone: Kyoto Kagaku Co., Ltd.).L'ossigeno puro è stato iniettato a velocità di 1, 2, 3, 4 e 5 L/min e per ciascuno è stata misurata la FiO2.Per HFNC (MaxVenturi; Coleraine, Irlanda del Nord: Armstrong Medical), le miscele ossigeno-aria sono state somministrate in volumi di 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 e 60 L, e la FiO2 è stata valutato caso per caso.Per HFNC, gli esperimenti sono stati condotti con concentrazioni di ossigeno del 45%, 60% e 90%.
La concentrazione di ossigeno extraorale (BSM-6301; Tokyo, Giappone: Nihon Kohden Co.) è stata misurata 3 cm sopra gli incisivi mascellari con ossigeno erogato attraverso una cannula nasale (Finefit; Osaka, Giappone: Japan Medicalnext Co.) (Figura 1).) Intubazione utilizzando un ventilatore elettrico (HEF-33YR; Tokyo, Giappone: Hitachi) per soffiare aria fuori dalla testa del manichino per eliminare la respirazione espiratoria all'indietro e la FiO2 è stata misurata 2 minuti dopo.
Dopo 120 secondi di esposizione all'ossigeno, la FiO2 è stata misurata ogni secondo per 30 secondi.Ventilare il manichino e il laboratorio dopo ogni misurazione.La FiO2 è stata misurata 3 volte in ciascuna condizione.L'esperimento è iniziato dopo la calibrazione di ciascuno strumento di misura.
Tradizionalmente, l'ossigeno viene valutato attraverso le cannule nasali in modo da poter misurare la FiO2.Il metodo di calcolo utilizzato in questo esperimento variava a seconda del contenuto della respirazione spontanea (Tabella 1).I punteggi vengono calcolati in base alle condizioni respiratorie impostate nel dispositivo per anestesia (volume corrente: 500 ml, frequenza respiratoria: 10 respiri/min, rapporto inspirazione/espirazione {rapporto inalazione: espirazione} = 1:2).
I “punteggi” vengono calcolati per ciascuna portata di ossigeno.Una cannula nasale è stata utilizzata per somministrare ossigeno all'LFNC.
Tutte le analisi sono state eseguite utilizzando il software Origin (Northampton, MA: OriginLab Corporation).I risultati sono espressi come media ± deviazione standard (SD) del numero di test (N) [12].Abbiamo arrotondato tutti i risultati a due cifre decimali.
Per calcolare il “punteggio”, la quantità di ossigeno inspirata nei polmoni in un singolo respiro è uguale alla quantità di ossigeno all’interno della cannula nasale, e il resto è aria esterna.Pertanto, con un tempo respiratorio di 2 s, l'ossigeno erogato dalla cannula nasale in 2 s è 1000/30 ml.La dose di ossigeno ottenuta dall'aria esterna era pari al 21% del volume corrente (1000/30 ml).La FiO2 finale è la quantità di ossigeno erogata al volume corrente.Pertanto, la “stima” della FiO2 può essere calcolata dividendo la quantità totale di ossigeno consumato per il volume corrente.
Prima di ogni misurazione, il monitor dell'ossigeno intratracheale è stato calibrato al 20,8% e il monitor dell'ossigeno extraorale è stato calibrato al 21%.La tabella 1 mostra i valori medi di FiO2 LFNC a ciascuna portata.Questi valori sono 1,5-1,9 volte superiori ai valori “calcolati” (Tabella 1).La concentrazione di ossigeno all'esterno della bocca è maggiore che nell'aria interna (21%).Il valore medio diminuiva prima dell'introduzione del flusso d'aria proveniente dall'elettroventilatore.Questi valori sono simili ai “valori stimati”.Con il flusso d'aria, quando la concentrazione di ossigeno all'esterno della bocca è vicina a quella dell'aria ambiente, il valore FiO2 nella trachea è superiore al "valore calcolato" di oltre 2 L/min.Con o senza flusso d'aria, la differenza di FiO2 diminuiva all'aumentare della portata (Figura 2).
La tabella 2 mostra i valori medi di FiO2 a ciascuna concentrazione di ossigeno per una maschera di ossigeno semplice (maschera di ossigeno Ecolite; Osaka, Giappone: Japan Medicalnext Co., Ltd.).Questi valori aumentavano con l'aumentare della concentrazione di ossigeno (Tabella 2).A parità di consumo di ossigeno, la FiO2 dell'LFNK è superiore a quella di una semplice maschera di ossigeno.A 1-5 L/min, la differenza nella FiO2 è di circa l'11-24%.
La tabella 3 mostra i valori medi di FiO2 per HFNC a ciascuna portata e concentrazione di ossigeno.Questi valori erano vicini alla concentrazione di ossigeno target indipendentemente dal fatto che la portata fosse bassa o alta (Tabella 3).
I valori di FiO2 intratracheale erano superiori ai valori "stimati" e i valori di FiO2 extraorali erano superiori a quelli dell'aria ambiente quando si utilizzava l'LFNC.È stato riscontrato che il flusso d’aria riduce la FiO2 intratracheale ed extraorale.Questi risultati suggeriscono che la respirazione espiratoria si è verificata durante la rirespirazione LFNC.Con o senza flusso d'aria, la differenza di FiO2 diminuisce all'aumentare della portata.Questo risultato suggerisce che un altro fattore potrebbe essere associato all’elevata FiO2 nella trachea.Inoltre, hanno anche indicato che l’ossigenazione aumenta la concentrazione di ossigeno nello spazio morto anatomico, il che potrebbe essere dovuto ad un aumento della FiO2 [2].È generalmente accettato che LFNC non causi la rirespirazione durante l'espirazione.Si prevede che ciò possa influenzare in modo significativo la differenza tra i valori misurati e quelli “stimati” per le cannule nasali.
A bassi flussi di 1-5 L/min, la FiO2 della maschera semplice era inferiore a quella della cannula nasale, probabilmente perché la concentrazione di ossigeno non aumenta facilmente quando parte della maschera diventa una zona anatomicamente morta.Il flusso di ossigeno riduce al minimo la diluizione dell'aria ambiente e stabilizza la FiO2 al di sopra di 5 L/min [12].Al di sotto di 5 L/min, si verificano bassi valori di FiO2 a causa della diluizione dell'aria ambiente e della rirespirazione dello spazio morto [12].In effetti, la precisione dei misuratori di flusso di ossigeno può variare notevolmente.Il MiniOx 3000 viene utilizzato per monitorare la concentrazione di ossigeno, tuttavia il dispositivo non ha una risoluzione temporale sufficiente per misurare le variazioni nella concentrazione di ossigeno espirato (i produttori specificano 20 secondi per rappresentare una risposta del 90%).Ciò richiede un monitor dell'ossigeno con una risposta temporale più rapida.
Nella pratica clinica reale, la morfologia della cavità nasale, della cavità orale e della faringe varia da persona a persona e il valore FiO2 può differire dai risultati ottenuti in questo studio.Inoltre, lo stato respiratorio dei pazienti è diverso e un consumo maggiore di ossigeno porta a un contenuto di ossigeno inferiore negli atti espiratori.Queste condizioni possono portare a valori di FiO2 più bassi.Pertanto, è difficile valutare una FiO2 affidabile quando si utilizzano LFNK e semplici maschere di ossigeno in situazioni cliniche reali.Tuttavia, questo esperimento suggerisce che i concetti di spazio morto anatomico e di respirazione espiratoria ricorrente possono influenzare la FiO2.Alla luce di questa scoperta, la FiO2 può aumentare in modo significativo anche a basse portate, a seconda delle condizioni piuttosto che delle “stime”.
La British Thoracic Society raccomanda ai medici di prescrivere l’ossigeno in base all’intervallo di saturazione target e di monitorare il paziente per mantenere l’intervallo di saturazione target [14].Sebbene il “valore calcolato” della FiO2 in questo studio fosse molto basso, è possibile ottenere una FiO2 effettiva superiore al “valore calcolato” a seconda delle condizioni del paziente.
Quando si utilizza HFNC, il valore FiO2 è vicino alla concentrazione di ossigeno impostata indipendentemente dalla portata.I risultati di questo studio suggeriscono che è possibile raggiungere livelli elevati di FiO2 anche con una portata di 10 L/min.Studi simili non hanno mostrato alcun cambiamento nella FiO2 tra 10 e 30 L [12,15].Si ritiene che l’elevata portata dell’HFNC elimini la necessità di considerare lo spazio morto anatomico [2,16].Lo spazio morto anatomico può potenzialmente essere eliminato con una portata di ossigeno superiore a 10 L/min.Disart et al.Si ipotizza che il meccanismo d'azione primario del VPT possa essere il lavaggio dello spazio morto della cavità nasofaringea, riducendo così lo spazio morto totale e aumentando la percentuale di ventilazione minuto (cioè ventilazione alveolare) [17].
Un precedente studio HFNC ha utilizzato un catetere per misurare la FiO2 nel rinofaringe, ma la FiO2 era inferiore rispetto a quella di questo esperimento [15,18-20].Ritchie et al.È stato riportato che il valore calcolato di FiO2 si avvicina a 0,60 quando la portata del gas aumenta oltre i 30 L/min durante la respirazione nasale [15].In pratica, gli HFNC richiedono portate di 10-30 L/min o superiori.A causa delle proprietà dell'HFNC, le condizioni nella cavità nasale hanno un effetto significativo e l'HFNC viene spesso attivato a portate elevate.Se la respirazione migliora, potrebbe essere necessaria anche una diminuzione della portata, poiché la FiO2 potrebbe essere sufficiente.
Questi risultati si basano su simulazioni e non suggeriscono che i risultati della FiO2 possano essere applicati direttamente a pazienti reali.Tuttavia, sulla base di questi risultati, in caso di intubazione o di dispositivi diversi dall’HFNC, si può prevedere che i valori di FiO2 varino significativamente a seconda delle condizioni.Quando si somministra ossigeno con un LFNC o una semplice maschera di ossigeno in ambito clinico, il trattamento viene solitamente valutato solo in base al valore di “saturazione arteriosa periferica di ossigeno” (SpO2) utilizzando un pulsossimetro.Con lo sviluppo dell'anemia, si raccomanda una rigorosa gestione del paziente, indipendentemente dalla SpO2, dalla PaO2 e dal contenuto di ossigeno nel sangue arterioso.Inoltre, Downes et al.e Beasley et al.È stato suggerito che i pazienti instabili potrebbero effettivamente essere a rischio a causa dell'uso profilattico dell'ossigenoterapia ad alta concentrazione [21-24].Durante i periodi di deterioramento fisico, i pazienti che ricevono ossigenoterapia ad alta concentrazione avranno letture elevate del pulsossimetro, che potrebbero mascherare una diminuzione graduale del rapporto P/F e quindi potrebbero non allertare il personale al momento giusto, portando a un imminente deterioramento che richiede un intervento meccanico.supporto.In precedenza si pensava che un’elevata FiO2 fornisse protezione e sicurezza per i pazienti, ma questa teoria non è applicabile al contesto clinico [14].
Pertanto è necessario prestare attenzione anche quando si prescrive l'ossigeno nel periodo perioperatorio o nelle prime fasi dell'insufficienza respiratoria.I risultati dello studio mostrano che misurazioni accurate della FiO2 possono essere ottenute solo con l'intubazione o l'HFNC.Quando si utilizza un LFNC o una semplice maschera per l'ossigeno, è necessario fornire ossigeno profilattico per prevenire lievi difficoltà respiratorie.Questi dispositivi potrebbero non essere adatti quando è necessaria una valutazione critica dello stato respiratorio, soprattutto quando i risultati della FiO2 sono critici.Anche a flussi bassi, la FiO2 aumenta con il flusso di ossigeno e può mascherare l’insufficienza respiratoria.Inoltre, anche quando si utilizza SpO2 per il trattamento postoperatorio, è auspicabile avere una portata quanto più bassa possibile.Ciò è necessario per la diagnosi precoce dell'insufficienza respiratoria.Un flusso elevato di ossigeno aumenta il rischio di fallimento del rilevamento precoce.Il dosaggio dell'ossigeno deve essere determinato dopo aver determinato quali segni vitali migliorano con la somministrazione di ossigeno.Basandosi solo sui risultati di questo studio, non è consigliabile modificare il concetto di gestione dell’ossigeno.Tuttavia, riteniamo che le nuove idee presentate in questo studio debbano essere considerate in termini di metodi utilizzati nella pratica clinica.Inoltre, quando si determina la quantità di ossigeno raccomandata dalle linee guida, è necessario impostare il flusso appropriato per il paziente, indipendentemente dal valore FiO2 per le misurazioni del flusso inspiratorio di routine.
Proponiamo di riconsiderare il concetto di FiO2, tenendo conto dell'ambito dell'ossigenoterapia e delle condizioni cliniche, poiché la FiO2 è un parametro indispensabile per la gestione della somministrazione di ossigeno.Tuttavia, questo studio presenta diverse limitazioni.Se la FiO2 può essere misurata nella trachea umana, si può ottenere un valore più accurato.Tuttavia, attualmente è difficile eseguire tali misurazioni senza essere invasivi.In futuro dovrebbero essere effettuate ulteriori ricerche che utilizzino dispositivi di misurazione non invasivi.
In questo studio, abbiamo misurato la FiO2 intratracheale utilizzando il modello di simulazione della respirazione spontanea LFNC, la maschera di ossigeno semplice e HFNC.La gestione dell'ossigeno durante l'espirazione può portare ad un aumento della concentrazione di ossigeno nello spazio morto anatomico, che può essere associato ad un aumento della proporzione di ossigeno inalato.Con HFNC è possibile ottenere un'elevata percentuale di ossigeno inalato anche con una portata di 10 l/min.Nel determinare la quantità ottimale di ossigeno, è necessario stabilire la portata adeguata al paziente e alle condizioni specifiche, non dipendenti solo dai valori della frazione di ossigeno inalata.Stimare la percentuale di ossigeno inalato quando si utilizza un LFNC e una semplice maschera di ossigeno in un ambiente clinico può essere difficile.
I dati ottenuti indicano che la respirazione espiratoria è associata ad un aumento della FiO2 nella trachea del LFNC.Nel determinare la quantità di ossigeno consigliata dalle linee guida, è necessario impostare il flusso appropriato per il paziente, indipendentemente dal valore di FiO2 misurato utilizzando il flusso inspiratorio tradizionale.
Soggetti umani: tutti gli autori hanno confermato che in questo studio non sono stati coinvolti esseri umani o tessuti.Soggetti animali: tutti gli autori hanno confermato che in questo studio non sono stati coinvolti animali o tessuti.Conflitti di interessi: in conformità con il modulo di divulgazione uniforme dell'ICMJE, tutti gli autori dichiarano quanto segue: Informazioni sul pagamento/servizio: tutti gli autori dichiarano di non aver ricevuto sostegno finanziario da alcuna organizzazione per il lavoro presentato.Rapporti finanziari: tutti gli autori dichiarano di non avere attualmente o negli ultimi tre anni rapporti finanziari con alcuna organizzazione che potrebbe essere interessata al lavoro presentato.Altre relazioni: Tutti gli autori dichiarano che non esistono altre relazioni o attività che possano influenzare il lavoro presentato.
Desideriamo ringraziare il signor Toru Shida (IMI Co., Ltd, Kumamoto Customer Service Center, Giappone) per la sua assistenza con questo studio.
Kojima Y., Sendo R., Okayama N. et al.(18 maggio 2022) Rapporto dell'ossigeno inalato nei dispositivi a basso e alto flusso: uno studio di simulazione.Cura 14(5): e25122.doi:10.7759/cureus.25122
© Copyright 2022 Kojima et al.Questo è un articolo ad accesso aperto distribuito secondo i termini della licenza Creative Commons Attribution CC-BY 4.0.Sono consentiti l'uso, la distribuzione e la riproduzione illimitati con qualsiasi mezzo, a condizione che vengano citati l'autore originale e la fonte.
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(a) monitor dell'ossigeno, (b) manichino, (c) polmone di prova, (d) dispositivo per anestesia, (e) monitor dell'ossigeno e (f) ventilatore elettrico.
Le impostazioni del ventilatore erano le seguenti: volume corrente 500 ml, frequenza respiratoria 10 respiri/min, rapporto inspiratorio/espiratorio (rapporto inalazione/espirazione) 1:2 (tempo respiratorio = 1 s).Per gli esperimenti, la compliance del polmone di prova è stata impostata su 0,5.
I “punteggi” vengono calcolati per ciascuna portata di ossigeno.Una cannula nasale è stata utilizzata per somministrare ossigeno all'LFNC.
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Orario di pubblicazione: 15 novembre 2022