Wie wird Impedanztomographie zur kardio-pulmonalen Überwachung genutzt?

Elektrische Impedanztomographie für die kardio-pulmonale Überwachung

Die elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein Instrument zur bettseitigen Überwachung, das eine nicht-invasive Visualisierung der lokalen Ventilation und möglicherweise der Lungenperfusionsverteilung ermöglicht. In diesem Artikel wird ein Überblick über die klinischen und methodischen Aspekte der thorakalen EIT gegeben und diskutiert. Ursprünglich konzentrierten sich die Forscher auf die Validierung der EIT zur Bestimmung der regionalen Ventilation. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf klinische Anwendungen der EIT zur Beurteilung des Lungenkollapses, des erhöhten Tidalflusses und der Lungenüberdehnung, um den positiven endexpiratorischen Druck (PEEP) und das Tidalvolumen zu titrieren. Darüber hinaus kann die EIT helfen, einen Pneumothorax zu erkennen. Jüngste Forschungsarbeiten haben die EIT als Möglichkeit zur Messung der regionalen Lungenperfusion bewertet. Indikatorfreie EIT-Tests könnten für die kontinuierliche Messung des kardialen Schlagvolumens ausreichen. Die Verwendung eines Kontrastmittels wie Kochsalzlösung könnte erforderlich sein, um die regionale Durchblutung der Lunge zu bestimmen. Letztendlich kann die EIT-basierte Überwachung der regionalen Atmung und Lungenperfusion die Perfusionsanpassung und die lokale Ventilation sichtbar machen, was sich bei der Behandlung von Patienten mit chronischem Atemnotsyndrom (ARDS) als nützlich erweisen kann.

Einführung
Die elektronische Impedanztransmission (EIT) kann als ein strahlungsfreies Verfahren der funktionellen Bildgebung beschrieben werden, das die nicht-invasive Überwachung der regionalen Lungenventilation sowie der Perfusion am Krankenbett ermöglicht. Kommerziell erhältliche EIT-Geräte wurden eingeführt, um die klinische Anwendung dieser Technik zu ermöglichen, und die thorakale EIT wurde sowohl bei pädiatrischen als auch bei erwachsenen Patienten erfolgreich eingesetzt.

Grundlagen der Impedanztomographie

Die Impedanzspektroskopie ist der Bereich der Spannung des biologischen Gewebes gegenüber einer von außen angelegten Wechselspannung (AC). Sie wird in der Regel mit vier Elektroden durchgeführt. Zwei werden für die Injektion von Wechselspannung verwendet, die beiden anderen für die Messung der Spannung 3,4. Die thorakale EIT misst den regionalen Bereich der intrathorakalen Bioimpedanz. Dies kann als Anwendung des Vier-Elektroden-Prinzips auf die Bildebene gesehen werden, die durch den Elektrodengürtel 11 aufgespannt wird. Der elektrische Widerstand (Z) ist dimensionsmäßig identisch mit dem Widerstand und die entsprechende Einheit des Internationalen Einheitensystems (SI) ist Ohm (O). Er kann bequem als komplizierte Zahl ausgedrückt werden, wobei der Realteil der Widerstand ist und der Imaginärteil als Reaktanz bezeichnet wird, die die aus dem Widerstand oder der Kapazität resultierenden Effekte quantifiziert. Die Kapazität einer Zelle wird durch die Eigenschaften der Biomembranen des Gewebes bestimmt, z. B. durch Ionenkanäle, Fettsäuren und Gap Junctions. Der Widerstand wird durch die Struktur und die Menge der extrazellulären Flüssigkeit bestimmt [ 1, 2[ 1, 2]. Bei Frequenzen unter 5 Kilohertz (kHz) bewegt sich der Strom durch die extrazelluläre Flüssigkeit und ist in erster Linie von den Eigenschaften des Gewebewiderstands abhängig. Bei höheren Frequenzen von bis zu 50 kHz werden die elektrischen Impulse an den Zellmembranen leicht umgelenkt, was zu einem Anstieg der kapazitiven Gewebeeigenschaften führt. Bei Frequenzen über 100 kHz können elektrische Ströme durch Zellmembranen fließen und den kapazitiven Anteil verringern 2]. Daher hängen die Effekte, die die Impedanz des Gewebes bestimmen, von der verwendeten Stimulationsfrequenz ab. Die Impedanzspektroskopie wird oft als Leitfähigkeit oder Widerstand bezeichnet. Dabei wird die Leitfähigkeit oder der Widerstand in Bezug auf die Fläche der Einheit und die Länge normiert. Die SI-Einheiten des Äquivalents können als Ohm-Meter (Om) für den spezifischen Widerstand und Siemens pro Meter (S/m) zur Messung der Leitfähigkeit beschrieben werden. Der Widerstand des Thoraxgewebes reicht von 150 Ocm im Blut bis zu 700 Ocm bei entleertem Lungengewebe und bis zu 2400 Ocm bei aufgeblasenem Lungengewebe (Tabelle 1). Im Allgemeinen ist der Gewebewiderstand oder die Leitfähigkeit eine Funktion der Flüssigkeitsmenge und der Ionenkonzentration. Im Falle der Atemlunge hängt er auch von der in den Alveolen vorhandenen Luftmenge ab. Obwohl die meisten Gewebe eine isotrope Reaktion zeigen, weisen insbesondere Herz und Muskel anisotrope Eigenschaften auf, was bedeutet, dass der Widerstand stark von der Richtung abhängt, in der er gemessen wird.

Der elektrische Widerstand der Thoraxmuskulatur

EIT-Messungen und Bild-Rekonstruktion

Zur Durchführung von EIT-Messungen werden Elektroden in einer transversalen Linie um den Brustkorb herum platziert, normalerweise im 4. bis 5. Interkostalraum (ICS) in der Linie zwischen parasternal und lateral [5]. Anschließend können Impedanzveränderungen in den Unter- und Oberlappen der linken und rechten Lunge sowie in der Herzregion gemessen werden [2]. Die Platzierung der Elektroden unterhalb des 6. ICS kann schwierig sein, da das Zwerchfell und der Bauchinhalt häufig in die Messebene eindringen.

Bei den Elektroden handelt es sich entweder um einzelne selbstklebende Elektroden (z. B. Elektrokardiogramm EKG), die einzeln in einem ähnlichen Abstand zwischen den Elektroden angebracht werden, oder sie sind in Elektrodengürtel integriert [ ,2]. Zusätzlich werden selbstklebende Streifen für eine benutzerfreundlichere Anwendung angeboten [ ,2[ 1,2]. Brustschläuche, (nicht leitende) Verbände für Brustwunden oder Nähte für Drähte können die EIT-Messungen stark beeinträchtigen. Kommerziell erhältliche EIT-Systeme verfügen in der Regel über 16 Elektroden. Es sind jedoch auch EIT-Geräte mit 8 und 32 Elektroden erhältlich (siehe Tabelle 2). Es wird empfohlen, Tabelle 2 für weitere Einzelheiten zu konsultieren. ,21.

Elektronische Impedanztomographie-Geräte (EIT).

Während einer EIT-Messsequenz werden kleine Wechselströme (z. B. 5 Milliampere bei einer Frequenz von 100 kHz) an verschiedene Elektrodenpaare angelegt, und die resultierenden Spannungen werden mit den übrigen Elektroden aufgezeichnet ]. Die bioelektrische Impedanz, die zwischen der injizierenden und der messenden Elektrode gemessen wird, wird aus dem angelegten Strom sowie den beobachteten Spannungen bestimmt. Meistens werden nahe beieinander liegende Elektrodenpaare verwendet, um die Wechselstromanwendung in einem 16-Elektroden-System in 32-Elektroden-Geräten zu ermöglichen, während bei 16-Elektroden ein Skip-Muster verwendet wird (siehe Tabelle 2), das den Abstand der Elektroden für die Strominjektion erhöht. Die resultierenden Spannungen werden mit den verbleibenden Elektroden gemessen. Gegenwärtig wird eine Debatte über die verschiedenen Stromstimulationsmuster und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile geführt [77. Um einen vollständigen EIT-Datensatz zu erhalten, der bioelektrische Tests umfasst, werden die injizierten Elektroden und die zur Messung verwendeten Elektrodenpaare ständig um den gesamten Thorax gedreht.

1. Die Spannungs- und Strommessungen werden mit einem EIT-System mit 16 Elektroden rund um den Brustkorb durchgeführt. Jede der Stromelektroden sowie die aktiven Elektroden werden in wenigen Millisekunden um den Brustkorb bewegt.

Der Wechselstrom, der bei den EIT-Messungen verwendet wird, ist für Körperoberflächen unbedenklich und für den einzelnen Patienten nicht wahrnehmbar. Aus Sicherheitsgründen wird der Einsatz der EIT bei Patienten mit elektrisch aktiven Geräten (z. B. Herzschrittmachern oder Kardioverter-Defibrillatoren) nicht empfohlen.

Ein EIT-Datensatz, der in einer einzigen Phase aufgezeichnet wird, die während eines Zyklus der AC-Software aufgezeichnet wird, wird als Bildrahmen bezeichnet. Er umfasst die Spannungsmessungen, die zur Erstellung eines unverarbeiteten EIT-Bildes erforderlich sind. Der Begriff „Bildrate“ bezieht sich auf die Anzahl der in einer Sekunde aufgezeichneten EIT-Bilder. Für die Überwachung der Beatmung sind Bildraten von mindestens 10 Bildern/s erforderlich, für die Überprüfung der Perfusion oder der Herzfunktion 25 Bilder/s. Kommerziell erhältliche EIT-Geräte arbeiten mit Bildraten von 40 bis 50 Bildern/s [2], wie in

Zur Erstellung von EIT-Bildern aus den aufgezeichneten Bildern wird der Prozess der Bildrekonstruktion eingesetzt. Rekonstruktionsalgorithmen versuchen, das inverse Problem der EIT zu lösen, d. h. die Wiederherstellung des Leitfähigkeitsmusters im Thorax auf der Grundlage der Spannungsmessungen, die an den Elektroden an der Thoraxoberfläche vorgenommen wurden. Zunächst wurde bei der EIT-Rekonstruktion davon ausgegangen, dass die Elektroden auf einer ellipsoiden Ebene platziert wurden, während neuere Algorithmen Informationen über die Anatomie des Thorax verwenden. Gegenwärtig werden häufig der Sheffield-Rückprojektionsalgorithmus sowie die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit einem linearisierten Newton-Raphson-Algorithmus ] und der Grazer Konsens-Rekonstruktionsalgorithmus für EIT (GREIT) [10] verwendet.

Die meisten EIT-Bilder ähneln einem zweidimensionalen Computertomographie (CT)-Bild: Diese Bilder werden üblicherweise so gerendert, dass der Bediener beim Betrachten des Bildes über die gesamte Schädelregion blickt. Im Gegensatz zu CT-Bildern zeigt ein EIT-Bild jedoch nicht die Form einer „Schicht“, sondern eine „EIT-Empfindlichkeitsregion“ [1111. Die EIT-Empfindlichkeitsregion ist eine röhrenförmige Struktur innerhalb des Brustkorbs, in der die Impedanzänderung zum EIT-Bildgebungsprozess beiträgt [11]. Die Abmessungen und die Form der EIT-Sensibilisierungsregion werden durch die Abmessungen, die bioelektrischen Eigenschaften und die Struktur des Brustkorbs sowie durch die Art der Strominjektion und das Spannungsmessmuster bestimmt [1212].

Die Zeitdifferenz-Bildgebung ist eine Methode, die für die EIT-Rekonstruktion verwendet wird, um Änderungen der Leitfähigkeit und nicht des tatsächlichen Leitfähigkeitsniveaus zu zeigen. In einem Zeitdifferenz-EIT-Bild wird der Unterschied in der Impedanz im Vergleich zu einem Basislinienbild dargestellt. Es bietet die Möglichkeit, die zugrunde liegenden physiologischen Phänomene zu untersuchen, die sich im Laufe der Zeit ändern, wie z. B. die Lungenatmung und -perfusion [22. Die Farbkodierung von EIT-Bildern ist nicht einheitlich, zeigt aber im Allgemeinen die Veränderung der Impedanz im Verhältnis zu einem Referenzwert an (2). EIT-Bilder werden in der Regel nach einem regenbogenfarbigen Schema kodiert, wobei Rot den höchsten Wert der relativen Impedanz (z. B. zum Zeitpunkt der Inspiration), Grün eine mittlere relative Impedanz und Blau die niedrigste Impedanz (z. B. bei laufender Exspiration) anzeigt.

Es gibt eine Reihe von Farbcodes für EIT-Bilder im Vergleich zum CT-Scan. Das Regenbogen-Farbschema verwendet Rot zur Anzeige der höchsten relativen Impedanz (z. B. während der Inspiration) sowie Grün für eine moderate relative Impedanz und Blau zur Anzeige der geringsten relativen Unwahrnehmbarkeit (z. B. beim Ausatmen). Eine neuere Farbskala verwendet anstelle von Schwarz (das keine Impedanzänderungen aufweist) und Blau für eine mittlere Impedanzvariation, während Weiß die stärkste Impedanzänderung darstellt.

Funktionelle Bildgebung und EIT-Wellenformanalyse

Die Analyse der Impedanzanalysedaten erfolgt anhand von EIT-Wellenformen, die sich in einzelnen Bildpixeln in einer Reihe von EIT-Rohbildern bilden, die im Laufe der Zeit gescannt werden (Abbildung 3). Der Begriff „Region of Focus“ (ROI) steht für die Aktivität innerhalb einzelner Bildpixel. Innerhalb jeder ROI zeigt die Kurvenform Änderungen in der Leitfähigkeit der Region im Laufe der Zeit an, die sich aus der Atmung (ventilationsbezogenes Signal, VRS) und der Herzaktivität (herzbezogenes Signal, CRS) ergeben. Zusätzlich können elektrisch leitfähige Kontrastmittel wie hypertone Salinität verwendet werden, um die EIT-Wellenform (indikatorbasiertes Signal IBS) zu erhalten, die mit der Perfusion der Lunge verbunden ist. Das CRS kann sowohl aus der Herz- als auch aus der Lungenregion stammen und teilweise auf die Lungendurchblutung zurückgeführt werden. Die genaue Ursache und die Zusammensetzung sind noch nicht vollständig geklärt 13]. Zur Unterscheidung zwischen ventilations- und kardial bedingten Impedanzschwankungen wird häufig die Frequenzspektrumanalyse eingesetzt. Impedanzänderungen, die nicht regelmäßig auftreten, könnten durch Anpassungen der Beatmungseinstellungen verursacht werden.

EIT-Wellen und funktionelle EIT-Bilder (fEIT) können aus EIT-Rohbildern abgeleitet werden. EIT-Wellenformen werden pixelweise oder in einer Region von Interesse (ROI) definiert. Leitfähigkeitsschwankungen werden durch den Beatmungsprozess (VRS) oder die Herzaktivität (CRS) verursacht, können aber auch künstlich herbeigeführt werden, z. B. durch eine Bolusinjektion (IBS) zum Zweck der Perfusionsmessung. Die Bilder der fEIT zeigen Variablen der regionalen physiologischen Aktivität wie Perfusion (Q) und Ventilation (V) zusammen mit der Perfusion (Q), die aus den EIT-Rohbildern mit Hilfe einer mathematischen Operation über die Zeit extrahiert werden.

Funktionelle EIT-Bilder (fEIT) werden durch Anwendung einer mathematischen Funktion auf eine Sequenz von Rohbildern und die entsprechende EIT-Form erstellt [14]. Da das mathematische Verfahren zur Bestimmung eines physiologisch relevanten Parameters für jedes Pixel verwendet wird, können physiologische regionale Merkmale wie die regionale Ventilation (V) und die Compliance des Atmungssystems sowie die regionale Perfusion (Q) gemessen und dargestellt werden (Abbildung 3). Daten aus EIT-Wellenformen sowie gleichzeitig registrierte Atemwegsdruckmessungen können verwendet werden, um die Lungen-Compliance sowie die Öffnungs- und Schließzeiten der Lunge für jedes Pixel auf der Grundlage von Druck- und Impedanzänderungen (Volumen) zu berechnen. Die vergleichbaren EIT-Messungen, die während der schrittweisen Inflation und Deflation des Lungenvolumens durchgeführt werden, ermöglichen die Darstellung von Volumen-Druck-Kurven auf Pixelebene. Auf der Grundlage des mathematischen Verfahrens können verschiedene Arten von fEIT-Bildern verwendet werden, um unterschiedliche funktionelle Aspekte des kardiopulmonalen Systems zu untersuchen.