Abstract:
In vielen Fällen sind bei Patienten, die unter stark gestörtem Gasaustausch der Lunge leiden, die regionale Lungenventilation und die Perfusion nicht aufeinander abgestimmt. Besonders bei Patienten mit akutem Lungenversagen sind sehr heterogene räumliche Verteilungen von Belüftung und Perfusion der Lunge zu beobachten. Diese Patienten müssen auf der Intensivstation künstlich beatmet und überwacht werden, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen. Bei schweren Lungenverletzungen ist es schwierig, durch die Anwendung hoher Beatmungsdrücke und -volumina eine optimale Balance zwischen dem Rekrutieren kollabierter Regionen zu finden, und gleichzeitig die Lunge vor weiterem Schaden durch die von außen angelegten Drücke zu schützen. ... mehrDas Interesse für eine bettseitige Messung und Darstellung der regionalen Belüftungs- und Perfusionsverteilung für den Einsatz auf der Intensivstation ist in den letzten Jahren stark gestiegen, um eine lungenprotektive Beatmung zu ermöglichen und klinische Diagnosen zu vereinfachen.
Die Elektrische-Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und sehr mobil einsetzbares System. Es bietet eine hohe zeitliche Abtastung und eine funktionelle räumliche Auflösung, die es ermöglicht, dynamische (patho-) physiologische Prozesse zu visualisieren und zu überwachen. Die medizinische Forschung an EIT hat sich dabei hauptsächlich auf die Schätzung der räumlichen Belüftung konzentriert. Kommerziell erhältliche Systeme haben gezeigt, dass die EIT eine wertvolle Entscheidungshilfe während der mechanischen Beatmung darstellt. Allerdings ist die Abschätzung der pulmonalen Perfusion mit EIT noch nicht etabliert. Dies könnte das fehlende Glied sein, um die Analyse des pulmonalen Gasaustauschs am Krankenbett zu ermöglichen. Obwohl einige Publikationen die prinzipielle Machbarkeit der indikatorgestützten EIT zur Schätzung der räumlichen Verteilung des pulmonalen Blutflusses gezeigt haben, müssen diese Methoden optimiert und durch Vergleich mit dem Goldstandard des Lungenperfusions-Monitorings validiert werden. Darüber hinaus ist weitere Forschung notwendig, um zu verstehen welche physiologischen Informationen der EIT-Perfusionsschätzung zugrunde liegen.
Mit der vorliegenden Arbeit soll die Frage beantwortet werden, ob bei der klinischen Anwendung von EIT neben der regionalen Belüftung auch räumliche Informationen des pulmonalen Blutflusses geschätzt werden können, um damit potenziell den pulmonalen Gasaustausch am Krankenbett beurteilen zu können. Die räumliche Verteilung der Perfusion wurde durch Bolusinjektion einer leitfähigen Kochsalzlösung als Indikator geschätzt, um die Verteilung des Indikators während seines Durchgangs durch das Gefäßsystem der Lunge zu verfolgen. Verschiedene dynamische EIT-Rekonstruktionsmethoden und Perfusionsparameter Schätzmethoden wurden entwickelt und verglichen, um den pulmonalen Blutfluss robust beurteilen zu können. Die geschätzten regionalen EIT-Perfusionsverteilungen wurden gegen Goldstandard Messverfahren der Lungenperfusion validiert. Eine erste Validierung wurde anhand von Daten einer tierexperimentellen Studie durchgeführt, bei der die Multidetektor-Computertomographie als vergleichende Lungenperfusionsmessung verwendet wurde. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende präklinische Tierstudie durchgeführt, um die Lungenperfusion mit indikatorverstärkter EIT und Positronen-Emissions-Tomographie während mehrerer verschiedener experimenteller Zustände zu untersuchen. Neben einem gründlichen Methodenvergleich sollte die klinische Anwendbarkeit der indikatorgestützten EIT-Perfusionsmessung untersucht werden, indem wir vor allem die minimale Indikatorkonzentration analysierten, die eine robuste Perfusionsschätzung erlaubte und den geringsten Einfluss für den Patienten darstellt.
Neben den experimentellen Validierungsstudien wurden zwei in-silico-Untersuchungen durchgeführt, um erstens die Sensitivität von EIT gegenüber des Durchgangs eines leitfähigen Indikators durch die Lunge vor stark heterogenem pulmonalen Hintergrund zu bewerten. Zweitens untersuchten wir die physiologischen Einflüsse, die zu den rekonstruierten EITPerfusionsbildern beitragen, um die Limitationen der Methode besser zu verstehen.
Die Analysen zeigten, dass die Schätzung der Lungenperfusion auf der Basis der indikatorverstärkten EIT ein großes Potenzial für die Anwendung in der klinischen Praxis aufweist, da wir sie mit zwei Goldstandard-Perfusionsmesstechniken validieren konnten. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über die physiologischen Einflüsse auf die geschätzten EIT Perfusionsverteilungen gezogen werden.
Abstract (englisch):
In many patients suffering from severely impaired gas exchange in the lungs, regional pulmonary ventilation and perfusion are not aligned. Especially, if patients are suffering from the acute respiratory distress syndrome, very heterogeneous distributions of ventilation and perfusion are observed, and patients need to be artificially ventilated and monitored in an intensive care unit, in order to ensure sufficient gas exchange. In severely injured lungs, it is very challenging to find an optimal trade off between recruiting collapsed regions by applying high pressures and volumes, while protecting the lung from further damage caused by the externally applied pressure. ... mehrIn order to ensure lung protective ventilation and to optimize and to support clinical decision making, a growing need for bedside monitoring of regional lung ventilation, as well as regional perfusion, has been reported.
Electrical Impedance Tomography (EIT) is a non-invasive, radiation-free and portable system, which has raised interest especially among physicians treating critically ill patients in intensive care units. It provides high temporal sampling and a functional spatial resolution, which allows to visualize and monitor dynamic (patho-) physiological processes. Medical EIT research has mainly focused on estimating spatial ventilation distributions, and commercially available systems have proven that EIT is a valuable extension for clinical decision making during mechanical ventilation. Estimating pulmonary perfusion with EIT nevertheless has not been established yet and might represent the missing link to enable the analysis of pulmonary gas exchange at bedside. Though some publications have shown the principle feasibility of indicator-enhanced EIT to estimate spatial distributions of pulmonary blood flow, the methods need to be optimized and validated against gold-standards of pulmonary perfusion monitoring. Additionally, further research is needed to understand the underlying physiological information of EIT perfusion estimations.
The aim of this thesis is to contribute to the question, whether EIT can be applied clinically to provide spatial information of pulmonary blood flow alongside regional ventilation to potentially assess pulmonary gas exchange at the bedside. Spatial distributions of perfusion were estimated by injecting a conductive saline indicator bolus, to trace the passage of the indicator during its progression through the vascular system of the lungs. Different dynamic EIT reconstruction methods as well as perfusion parameter estimations were developed and compared, to be able to robustly assess pulmonary blood flow. The estimated regional EIT perfusion distributions were validated against gold-standard lung perfusion measurement techniques. A first validation has been conducted using data of an experimental animal study, where multidetector Computed Tomography was used as comparative lung perfusion measure. On top, a comprehensive preclinical animal study has been conducted to investigate pulmonary perfusion with indicator-enhanced EIT and Positron Emission Tomography during multiple different experimental states. Besides a thorough method comparison, we aimed to investigate the clinical applicability of the indicator-enhanced EIT perfusion measurement by analyzing the minimal indicator concentration, which allows robust perfusion estimations and presents no harm to the patient.
Besides the experimental validation studies, two in-silico investigations were conducted to firstly evaluate the sensitivity of EIT to the passage of a conductive indicator through the lungs in front of severely heterogeneous pulmonary backgrounds. Secondly, the physiological contributors to the reconstructed EIT perfusion image were studied to find basic limitations of the method.
To conclude, pulmonary perfusion estimation based on indicator-enhanced EIT shows great potential to be applied in clinical practice, since we were able to validate it against two established perfusion measurement techniques and provided valuable information about the physiological contributors to the estimated EIT perfusion distributions.
