Method Article

Überwachung der Lungenfunktion mit elektrischer Impedanztomographie auf der Intensivstation

DOI:

10.3791/66756

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September 6th, 2024

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1Department of Anesthesia, Critical Care and Pain Medicine, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2Department of Anesthesiology, Faculty of Medicine, Chulalongkorn University. King Chulalongkorn Memorial Hospital, 3Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Catholic University of Sacred Heart, 4School of Medicine and Surgery, University of Milano-Bicocca, 5Department of Respiratory Care, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 6Electronics Engineering, Aeronautics Institute of Technology, 7Instituto do Coracao (InCor), Hospital das Clinicas HCFMUSP, Faculdade de Medicina, Universidade de Sao Paulo

In This Article

Summary

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Die elektrische Impedanztomographie ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies Echtzeit-Instrument zur Überwachung der Lungenbeatmung. Durch die Messung von Impedanzänderungen im Thorax kann es die Verteilung der Luft Atemzug für Atemzug visualisieren. Ursprünglich für die Beatmungsüberwachung gedacht, kann die elektrische Impedanztomographie auch die Perfusion durch intravenöse Injektion einer Kochsalzlösung messen.

Abstract

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Die elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein bahnbrechendes, nicht-invasives und strahlungsfreies Bildgebungsverfahren für die kontinuierliche Beatmungsüberwachung in Echtzeit. Es hat auch eine Anwendung in der Überwachung der Lungenperfusion. Das EIT quantifiziert Ventilations- und Perfusionsmuster in der gesamten Lunge aus der Messung und Verarbeitung von Impedanzänderungen im Thorax. Es ist ein leistungsstarkes Werkzeug für Kliniker, um Veränderungen der Lungenfunktion Atemzug für Atemzug zu visualisieren.

Eine innovative Anwendung des EIT ist seine Fähigkeit, die Lungenperfusion anhand der kinetischen Analyse einer hypertonischen Lösungsinjektion während eines Atemanhaltens zu beurteilen. Die Lösung erzeugt eine Impedanzänderung im Thorax, während er durch das Lungengefäßsystem zirkuliert. Diese indirekte Methode ermöglicht die Abschätzung von Perfusionsmustern und trägt wesentlich zum Verständnis der Dynamik des pulmonalen Blutflusses am Krankenbett bei.

Das EIT ist nicht nur ein Instrument zur Überwachung, sondern kann auch für die Diagnose von Atemwegserkrankungen wie Pneumothorax und bronchialer Intubation von entscheidender Bedeutung sein. Es kann helfen, die Ätiologie der Diskrepanz zwischen Beatmung und Perfusion (V/Q) bei Patienten zu identifizieren, die eine invasive mechanische Beatmung erhalten, was mit anderen diagnostischen Instrumenten nicht möglich ist. Darüber hinaus kann das EIT bei der individuellen Optimierung von Beatmungsgeräten helfen, wie z. B. der PEEP-Titration (Positive End-Expiratory Pressure) und dem Tidalvolumen, um die Sauerstoffversorgung und die Lungengesundheit in der Intensivpflege zu verbessern.

Zusammenfassend stellt das EIT einen Paradigmenwechsel in der Lungenüberwachung und -diagnostik am Krankenbett dar. Sein nicht-invasiver Charakter und die Unmittelbarkeit der Daten machen das EIT zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der modernen Atemwegsmedizin. Mit seinen wachsenden Anwendungen wird das EIT entscheidend dazu beitragen, unser Verständnis und unseren Ansatz für die Beatmungsversorgung zu verbessern, insbesondere in der Intensivmedizin.

Introduction

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Die elektrische Impedanztomographie (EIT) ist eine Lungenüberwachungstechnik, die Schwankungen der Impedanz im Laufe der Zeit in topografische Bilder übersetzt. Dies wird erreicht, indem ein geringer elektrischer Wechselstrom (5-10 mA) von Elektroden injiziert wird, die umlaufend über den Rumpf angeordnet sind (Abbildung 1A). Die Impedanz spiegelt den Widerstand eines Gewebes gegen den Fluss dieses elektrischen Stroms wider. Während der Inspiration nimmt die Impedanz zu, während sie während des Ablaufs abnimmt. Eine ähnliche Änderung der Impedanz tritt in Gegenwart von intravenösen Flüssigkeiten auf. Wenn beispielsweise Flüssigkeiten, die im Vergleich zum Blut eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, über einen Zentralkatheter injiziert werden, kommt es zu einer entsprechenden Abnahme der elektrischen Impedanz 1,2,3,4.

Aus praktischen Gründen werden die Elektroden des EIT (entweder 16 oder 32 an der Zahl) auf einem Gürtel platziert, der dann um den Brustkorb des Patienten herum positioniert wird, genauer gesagt zwischen dem 4. und 5. Interkostalraum. Diese Platzierung bietet eine optimale Sicht auf die Lunge und reduziert Störungen des Zwerchfells. Während des Messvorgangs injizieren zwei verschiedene Elektroden nacheinander einen voreingestellten Strom, während die restlichen Elektroden als Empfänger für die entsprechenden Spannungsmesswerte fungieren. Dieser Vorgang wiederholt sich schnell für jedes Elektrodenpaar, wobei er sich mit einer Frequenz von 20-50 Hz um den Brustkorb dreht. Diese schnelle Rotation ist der Grund, warum das EIT eine hohe zeitliche Auflösung aufweist. Ein thorakales EIT-Gerät berechnet aus jedem Messzyklus die Verteilung der elektrischen Impedanz im Querschnitt des Brustkorbs und wandelt diese Werte in ein zweidimensionales Bild um. Dieses Bild wird dann in Echtzeit auf einem speziellen Monitor angezeigt.

Das EIT hat mehrere klinische Anwendungen. Basierend auf der Impedanztechnologie ist es möglich, die Luftverteilung im Thorax und die Verteilung der Perfusion zu überwachen, insbesondere wenn ein Kontrastmittel verabreicht wird, um Schwankungen der Lungenimpedanz zu erzeugen. Die Bestimmung der PEEP-Einstellungen für mechanisch beatmete Patienten ist sowohl eine Herausforderung als auch unerlässlich, um Lungenschäden zu minimieren. Darüber hinaus bietet die Fähigkeit, Beatmungs- und Perfusionsänderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen, unschätzbare Daten für die longitudinale Patientenüberwachung. Dieser Aspekt ist in dynamischen klinischen Umgebungen, in denen sich die Patientenbedingungen schnell ändern können, von entscheidenderBedeutung 5.

EIT erleichtert nicht nur die Visualisierung der globalen Mechanik, die durch den Durchflusssensor gewonnen wird, oder der Daten vom Beatmungsgerät, wenn das EIT-Gerät mit dem Beatmungsgerät verbunden ist, sondern liefert auch wichtige Informationen über Überdehnung und regionalen Kollaps 6,7,8,9. Die erzeugten Bilder liefern funktionelle Informationen über die Lunge, sind aber nicht für die anatomische Diagnostik gedacht und geben keine Strahlung ab. In den Vereinigten Staaten von Amerika ist das EIT-Gerät ENLIGHT 2100 derzeit das einzige, das von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassen ist. Andere Unternehmen sind derzeit dabei, die FDA-Zulassung für die Verwendung von EIT bei Erwachsenen, Kindern und Neugeborenen zu erhalten. Für diese Arbeit haben wir Hardware (z. B. Gurte und Bildschirm), Beatmungs- und Perfusionskarten des ENLIGHT 2100-Geräts verwendet.

Das EIT-Set-Setup umfasst neben dem Monitor selbst drei wesentliche Ausrüstungsgegenstände, nämlich einen Elektrodengürtel, den Durchflusssensor und das Referenzkabel. Der Elektrodengürtel wird verwendet, um ein tomographisches zweidimensionales Bild zu erhalten. Das EIT-Lungenbild wird in einer zweidimensionalen Darstellung mit unterschiedlichen Auflösungen wie 32 x 32, 24 x 24 oder 16 x 16 Pixeln konstruiert, abhängig von der Größe des Brustumfangs und den Spezifikationen des Herstellers. Aus Spannungsmessungen werden Bilder mit Hilfe von Rekonstruktionsalgorithmen erzeugt. Der Durchflusssensor ist für den Einzelgebrauch konzipiert und in zwei Größen erhältlich: eine für Erwachsene und pädiatrische Patienten und eine für Neugeborene. Der Strömungssensor für Erwachsene und Kinder kann kein Atemzugvolumen von weniger als 40 ml messen, während der Sensor für Neugeborene ein Atemzugvolumen von 0 bis 100 ml aufzeichnen kann. Ohne den Strömungssensor zeigt das EIT nur Impedanzdaten an. Sobald der Durchflusssensor an einen Patienten angeschlossen ist, ist es möglich, die Daten der Impedanzwellenformen mit den Druck-, Durchfluss- und Volumenparametern zu synchronisieren. Das Referenzkabel ist wiederverwendbar und dient als Referenzpunkt für den Einspeiswert des elektrischen Stroms.

Medizinische Überwachung; Patient mit Elektroden; Diagnosediagramm für die Elektrodenplatzierung.
Abbildung 1: Platzierung des Elektrodengurts für die elektrische Impedanztomographie. (A) Elektrodengurt für die Impedanztomographie, der um die Brust im 4. und 5. Interkostalraum gelegt wird. (B) Messen des Brustkorbs. Die Brust wird gemessen, indem ein Maßband um die gesamte Brust gewickelt wird. Die meisten Patienten sind jedoch ans Bett gefesselt, und die Vermessung des gesamten Brustkorbs ist nicht möglich. Ein alternativer Ansatz ist in den Bildern veranschaulicht. Der Brustumfang wird vom Dornfortsatz bis zum Brustbein beurteilt. Die Messung wird dann verdoppelt, um den kontralateralen Teil der Brust zu berücksichtigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Das Hauptaugenmerk dieses Videopapiers liegt darauf, dem Leser die Kenntnisse und Fähigkeiten zu vermitteln, die erforderlich sind, um die Aufzeichnung und Interpretation von EIT-Bildern zu beherrschen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir einen Überblick über die EIT-Prinzipien geben, seine Echtzeit-Visualisierungsmöglichkeiten für die Luftverteilung in der Lunge vorstellen und seine erweiterten Anwendungen in der Perfusionsbewertung untersuchen. Durch das Erreichen dieser Ziele wollen wir das Publikum in die Lage versetzen, die EIT-Technologie für die Lungenbeurteilung sicher zu nutzen.

Protocol

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Die in diesem Artikel bereitgestellten Bilder wurden anonymisiert und sind Teil laufender Protokolle, die bei ClinicalTrials.gov unter der Nummer NCT04497454 registriert und von der lokalen Ethikkommission (Universität São Paulo Incor/HC-FMUSP 4001231, Brasilien) genehmigt wurden.

1. Erste Schritte zur Nutzung des EIT-Geräts

  1. EIT-Gürtel und Platzierung
    1. Messen Sie die Brustwand, um die Gürtelgröße genau auszuwählen.
    2. Messen Sie den Thoraxumfang zwischen dem 4. und 5. Interkostalraum mit einem Maßband (Abbildung 1B). Bei Patientinnen mit großen Brüsten verschieben Sie den Gürtel in einen höheren Interkostalraum.
    3. Decken Sie den Elektrodengürtel mit einem Einwegmaterial mit leitfähigem Gel ab.
      HINWEIS: Dies gewährleistet die Haftung auf der Haut des Patienten, auch bei Patienten mit vielen Haaren, und erleichtert die Erfassung des Impedanzsignals.
    4. Platzieren Sie die Gurte auf dem 4. und 5. Interkostalraum der Brustwand der Patientin (entspricht dem gemessenen Umfang) und stellen Sie sicher, dass sich die Elektroden beim Platzieren der Gurte nicht überlappen.
    5. Bewahren Sie die Kontinuität ohne Lücken im Hintergrund, da der Bildrekonstruktionsalgorithmus einen vorderen Spalt proportional zur Gürtelgröße zulässt.
    6. Drehen Sie den Patienten während der Gurtplatzierung, um Zugang zum Rücken zu erhalten. Sichern Sie die Atemwege, alle venösen oder arteriellen Verweilleitungen und Drainagen und befolgen Sie die spezifischen Richtlinien des medizinischen Fachpersonals.
  2. Schließen Sie den Durchflusssensor an den Beatmungskreislauf in der Nähe des Y-Stücks an und positionieren Sie ihn mit dem Sensor nach oben, um Flüssigkeitsansammlungen und Signalstörungen zu vermeiden (Abbildung 2A).
  3. Verbinden Sie die Referenzelektrode mit einer elektrokardiographischen (EKG) Elektrode.
    HINWEIS: Die Überwachung eines Patienten ohne Referenzkabel ist nicht möglich (Abbildung 2B).
    1. Bei erwachsenen und pädiatrischen Patienten positionieren Sie die Elektrode am Bauch oder an der Schulter.
    2. Bei Neugeborenen positionieren Sie die Elektrode am Bein.
  4. Schalten Sie das EIT ein und geben Sie demografische Patientendaten ein (Abbildung 3).
  5. Beginnen Sie mit der Überwachung und vermeiden Sie Patientenbewegungen. Es wird ein Referenzbild erstellt, und der Lüftungsschirm wird nach dem Start der Überwachung angezeigt (Abbildung 4). Es werden zwei Bilder erzeugt: das dynamische Bild und die Lüftungskarte.
    HINWEIS: Während der Aufzeichnung ist es wichtig, dass Bewegungen des Patienten die Gurte nicht beeinträchtigen.
  6. Schritt für Schritt für das PEEP-Titrationstool am EIT-Gerät
    1. Wählen Sie das PEEP-Titrationstool aus dem Hauptbildschirmsymbol aus.
    2. Greifen Sie auf die Werkzeugoptionen zu, indem Sie auf das Symbol Werkzeugoptionen klicken.
    3. Legen Sie Zeitintervalle fest, um die Zeitintervalle für PEEP-Änderungen während der Titration anzupassen und die Beatmung unter jeder Bedingung zu stabilisieren.
      HINWEIS: Das Zeitintervall hängt vom Zustand des Patienten (z. B. hämodynamische Instabilität) und den Anweisungen des Geräts ab.
    4. Passen Sie den Schwellenwert für die automatische Erkennung von PEEP-Änderungen an.
    5. Starten Sie die Titration, indem Sie auf dem PEEP-Titrationsbildschirm auf Start drücken, um den Countdown basierend auf der angepassten Zeit für PEEP-Änderungen zu starten.
    6. Wenn Sie dazu aufgefordert werden, passen Sie den PEEP-Wert am Beatmungsgerät gemäß dem Protokoll an. Das Gerät erkennt diese Änderung automatisch und startet einen neuen Countdown.
    7. Überwachen Sie die PEEP-Änderungen – der Bildschirm wird mit jeder PEEP-Änderung aktualisiert. Wenn die automatische Erkennung fehlschlägt, stoppen Sie den Vorgang manuell und kommentieren Sie ihn. Geben Sie optional Kommentare ein oder benennen Sie die Titration. Anschließend wird das PEEP-Titrationsdiagramm angezeigt.
  7. Schritt-für-Schritt-Anleitung für das Perfusionstool auf dem EIT-Gerät
    1. Vorbereitung des Patienten
      1. Sorgen Sie für eine ausreichende Sedierung und ggf. neuromuskuläre Blockade, da jede Atemanstrengung den Eingriff stören kann.
        HINWEIS: Der Patient kann trotz mechanischer Beatmungsüberwachung nicht nachweisbare Atemanstrengungen aufweisen.
    2. Starten Sie das Verfahren. Starten Sie den Vorgang, indem Sie in der EIT-Software auf das Startsymbol klicken.
    3. Erkennung des Beatmungszyklus
      1. Lassen Sie die Software einige Beatmungszyklen erkennen, um Ausgangsdaten zu erstellen.
    4. Apnoe und Injektion
      1. Wechseln Sie in den Modus mit kontinuierlichem positivem Atemwegsdruck (CPAP) oder Druckunterstützungsbeatmung (PSV) mit einer Druckunterstützung von 0 cmH2O. Halten Sie diesen länger als 20 s aufrecht. Während dieser Zeit injizieren Sie schnell und konsequent 10 ml einer 7,5%igen hypertonen Kochsalzlösung oder 8,4% Bikarbonat durch einen zentralvenösen Zugangskatheter an die Vena jugularis interna oder die Vena subclavia.
    5. Stellen Sie die Belüftung wieder her. Sobald die Injektion abgeschlossen ist, kehren Sie zu den regulären Beatmungseinstellungen zurück.
    6. Bildrekonstruktion
      1. Lassen Sie den EIT-Algorithmus das Perfusionsbild auf der Grundlage der First-Pass-Kinetik des Kontrasts, der durch Herz und Lunge fließt, rekonstruieren.

Mechanische Beatmung mit Durchflusssensor; Diagramm der Patientenschnittstelle und der Schaltungskomponenten.
Abbildung 2: Platzierung des Durchflusssensors. (A) Platzierung des Durchflusssensors zwischen dem Kreislauf und dem ETT. (B) Der Gurt um den Brustkorb ist mit dem EIT-Gerät verbunden. Der Durchflusssensor wird zwischen dem ETT und dem Kreislauf geschaltet. Referenzkabel, das mit der Elektrode am Bauch verbunden ist. Abkürzung: ETT = Endotrachealtubus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Medizinische Softwareschnittstelle, Patienteneinrichtungsbildschirm, Dateneingabefelder für Diagnose und Analyse.
Abbildung 3: Der Initialisierungsbildschirm des elektrischen Impedanztomographen-Überwachungsgeräts. Felder, die mit roten Sternchen gekennzeichnet sind, kennzeichnen Pflichtangaben, die für eine ordnungsgemäße Einrichtung und Bedienung ausgefüllt werden müssen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diagramm des Beatmungssystems mit dynamischem Bild, Beatmungskarte und Analyse von Atemwegsdaten.
Abbildung 4: Der EIT-Bildschirm mit einem dynamischen Bild, einer Belüftungskarte und einem Plethysmogramm. Auf der linken Seite des Bildschirms befindet sich eine Lüftungsverteilung, die nach Regionen ((A/P, R/L) unterteilt ist. Auf der rechten Seite des Bildschirms befinden sich Belüftungsparameter wie Antriebsdruck, PEEP, Auto PEEP, PIP, PPlat Alv, VT, CRS, RR und RAW. Abkürzungen: EIT = elektrische Impedanztomographie; A/P = anterior/posterior, R/L = rechts/links; PEEP = exspiratorischer Druck am positiven Ende; PIP = inspiratorischer Spitzendruck; PPlat Alv = alveolärer Plateaudruck; VT = Tidalvolumen; CRS = Compliance des Atmungssystems; RR = Atemfrequenz; RAW = Atemwegswiderstand. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Results

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Überwachung der Lüftung
Das dynamische Bild (Abbildung 4) zeigt Echtzeit-Variationen der Luftverteilung während der Lüftung in Farben von Dunkelblau (am wenigsten belüftet) bis Weiß (am meisten belüftet), um regionale Veränderungen darzustellen. Graue Bereiche zeigen an, dass sich die Belüftung nicht verändert hat. Die dynamischen Bilder ermöglichen eine schnelle Identifizierung von Unterschieden in den intrapulmonalen Zeitkonstanten und dem Vorhandensein paradoxer Muster. Es ist wichtig zu beachten, dass Bereiche mit begrenzter Luftvariation während eines Atemzyklus durch Überdehnung oder kollabierte Bereiche entstehen können.

Die "Beatmungskarte" (Abbildung 4) veranschaulicht, wie sich das Luftvolumen während der Atemzyklen über einen definierten Querschnitt verteilt. Helles Blau zeigt die Lungenregionen an, die den größten Teil des Atemzugvolumens aufnehmen, das proportional zur Änderung des Impedanzsignals zwischen Inspiration und Exspiration ist. Umgekehrt steht Dunkelblau für Bereiche mit geringen Volumenvariationen. Die Beatmungskarte ermöglicht die Beurteilung der regionalen Beatmungsverteilung innerhalb der Lunge. Die Lunge ist in anteriore/posteriore und rechte/linke Regionen unterteilt, was eine detaillierte Beurteilung und die Darstellung von Plethysmographen in bestimmten Regionen auf dem Bildschirm ermöglicht4.

Die Variationskurve der Impedanzvariation des Plethysmogramms des Thorax (Abbildung 4) stellt die Wellenamplitude dar, die dem Tidalvolumen entspricht, wobei die Basislinie der Lungenbelüftung oder der funktionellen Restkapazität (FRC) oder dem endexspiratorischen Lungenvolumen (EELV) entspricht. Belüftungsinformationen können relative Änderungen des gesamten intrathorakalen Luftvolumens abschätzen.

Die Atemwegsparameter auf der rechten Seite des Bildschirms (Abbildung 4) werden vom Durchflusssensor erfasst und als Wellenformdiagramme und Zahlen angezeigt. Parameter wie Antriebsdruck, Auto-PEEP, Alveolarplateaudruck, Compliance und Widerstand (in der numerischen Spalte rechts) werden während kontrollierter Zyklen berechnet. Die Parameter PEEP, Spitzendruck, Atemzugvolumen und Atemfrequenz werden in allen Zyklen angezeigt. Die Verwendung des proximalen Durchflusssensors ermöglicht die Integration von Beatmungs- und Impedanzdaten auf demselben Bildschirm, unabhängig von der Marke oder dem Modell des Beatmungsgeräts.

PEEP-Titrationswerkzeug (Abbildung 5)
Der Patient sollte mit dem Beatmungsgerät synchronisiert werden, um spontane Atemanstrengungen und Bewegungen zu vermeiden, die die PEEP-Titration beeinträchtigen könnten. Dies kann mit einer adäquaten Sedierung, gegebenenfalls mit Lähmungsmitteln, erreicht werden. Der Durchflusssensor und die Schläuche des Beatmungsgeräts sollten frei von Hindernissen wie Flüssigkeit und Sekreten sein, um eine genaue Überwachung zu gewährleisten.

Das EIT erkennt Veränderungen in der regionalen Ventilation und ist in der Lage, wenn es mit einem Durchflussmesser integriert ist, die regionale Atemmechanik abzuschätzen, einschließlich des Atemwegsdrucks, des Atemzugvolumens und der Strömung. Die Ergebnisse werden als Prozentsätze von eingeklappten und aufgeblähten Bereichen auf verschiedenen PEEP-Ebenen dargestellt, indem regionale Compliance-Änderungen berechnet werden. Einige Autoren schlugen vor, PEEP bis zum Kreuzungspunkt zwischen dem Prozentsatz der Überdehnung (weiße Kurve in Abbildung 5 und weißer Bereich in Abbildung 6) und dem Prozentsatz des Kollapses (blaue Kurve in Abbildung 5 und blauer Bereich in Abbildung 6) zu titrieren. Auf diesem PEEP-Niveau gibt es ein minimales Vorkommen sowohl von aufgeblähten und kollabierten Bereichen (orangefarbene Kurve in Abbildung 5) als auch von Lungenfunktion. In laufenden Studien wird untersucht, ob das PEEP-Set an der Schnittstelle zwischen Hypertonie und Kollaps klinisch vorteilhaft ist.

Compliance und Hyperdistension vs. PEEP-Diagramm; Analyse der Lungenmechanik; Datenvisualisierung.
Abbildung 5: Das PEEP-Titrationstool auf dem EIT-Bildschirm. Die orangefarbene Kurve stellt die Nachgiebigkeit dar, die weiße Kurve stellt die Hyperdistension dar und die blaue Kurve stellt den Kollaps dar. Abkürzungen: EIT = elektrische Impedanztomographie; PEEP = exspiratorischer Druck am positiven Ende. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diagramm zur Lungen-Compliance; PEEP-Spiegel, Hyperhochdruck, Kollapsvariationen; CT-Scan-Analyse.
Abbildung 6: Anzeige der Prozentsätze von Hyperhochdruck (weiß) und Kollaps (blau) sowie der Compliance für verschiedene PEEP-Werte auf dem EIT-Bildschirm. Abkürzungen: EIT = elektrische Impedanztomographie; PEEP = exspiratorischer Druck am positiven Ende. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Beurteilung der Lungenperfusion mit dem EIT: ein Leitfaden für Gesundheitsdienstleister
Die elektrische Impedanztomographie (EIT) hat sich in jüngster Zeit als wertvolles Überwachungsinstrument für die Lungenbeatmung erwiesen, indem sie Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit misst. Während sich das EIT in erster Linie auf die Beurteilung der Luftverteilung in der Lunge konzentriert, kann es durch innovative Techniken auch wertvolle Einblicke in die Lungenperfusion liefern.

Änderungen der Impendenz durch die Bewegung des Blutes im Thorax sind von viel kleinerer Amplitude als solche, die mit der Beatmung zusammenhängen. Daher wird das EIT traditionell nicht zur Messung der Perfusion verwendet. Bestimmte Methoden, die die intravenöse Injektion einer hypertonen Kochsalzlösung in Kombination mit einem Atemanhaltemanöver beinhalten, können jedoch Impedanzänderungen im Zusammenhang mit dem Blutfluss isolieren und verstärken. Wenn diese Lösung durch die Blutgefäße wandert, verändert sie die elektrischen Eigenschaften des Blutes, die das EIT nachweisen kann. Das EIT kann indirekt auf Perfusionsmuster schließen, indem es die Impedanzänderungen beobachtet, die durch diese Lösung verursacht werden, während sie durch das Lungengefäßsystem zirkuliert. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, ein tieferes Verständnis sowohl der Beatmung als auch der Perfusion in der Lunge gleichzeitig zu erlangen10. Dieses Tool ist nur für Forschungszwecke in den USA und/oder gemäß den Vorschriften lokaler Krankenhäuser und/oder der Genehmigung anderer Länder durch die Aufsichtsbehörden bestimmt.

Visualisierung der Lungenperfusion
Die intravenöse Injektion einer Lösung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. hypertone Kochsalzlösung oder Natriumbicarbonat, hilft bei der Visualisierung des Blutflusses innerhalb des Lungengefäßsystems 11,12,13. Bereiche mit höherer Perfusion weisen im Vergleich zu weniger perfundierten Bereichen andere Impedanzmuster auf. Diese innovative Anwendung des EIT ermöglicht eine relative Beurteilung der Perfusion neben der Beatmungsbildgebung und bietet einen umfassenden Überblick über die Lungenfunktion, der dazu beiträgt, Hypoxämie, die durch Perfusionsdefekte verursacht wird und normalerweise mit Therapien behandelt wird, die die Lungenperfusion modulieren, von Hypoxämie zu unterscheiden, die durch Beatmungsstörungen verursacht wird, die oft mit Beatmungsstrategien oder Positionsänderungen behandelt werden. Diese Anwendung ermöglicht auch die Überwachung der Veränderungen der regionalen Lungenperfusion als Reaktion auf die etablierte Behandlung (z. B. inhalatives Stickstoffmonoxid, Antikoagulanzien und Thrombolytika).

Perfusionswerkzeug
Das Perfusionstool innerhalb des EIT wurde speziell entwickelt, um den pulmonalen Blutfluss während der kontrollierten mechanischen Beatmung zu visualisieren. Es handelt sich um die Injektion einer hypertonen Kochsalzlösung in eine Vene während einer kurzen Apnoeperiode. Das resultierende Bild zeigt die Verteilung der Lungenperfusion, wobei die Farben im Querschnitt des Brustkorbs von gelb (für eine höhere Durchblutung) bis dunkelrot (für eine geringere Durchblutung) reichen (siehe Abbildung 7).

Karte der pulmonalen Perfusion; Diagramm mit Perfusionsanalyse, das gefilterte und angepasste Trends zeigt.
Abbildung 7: Variationen in der prozentualen Verteilung der Perfusion auf verschiedene Regionen des Brustkorbs. Dargestellt sind Variationen in der Durchblutung nach vorne, hinten, rechts und links, wobei die Farben im Querschnitt des Brustkorbs von gelb (höhere Durchblutung) bis dunkelrot (geringere Durchblutung) reichen. Es ist auch möglich, das bearbeitete Video online abzuspielen und den Kontrast zu zeigen, der in blauer Farbe durch das Herz fließt, danach in roter Farbe in die Lunge. Abkürzungen: A = anterior; P = posterior; R = rechts; L = links. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Online- und Offline-Analyse
Das EIT misst kontinuierlich Plethysmogramme und die Verteilung der Luft in der Lunge. Die Impedanzvariation spiegelt Änderungen des Tidalvolumens wider und ermöglicht eine regionale Beurteilung der Lunge. Das Plethysmogramm stellt die Veränderungen des Lungenvolumens während der Inspiration und Exspiration grafisch dar (Abbildung 8). Die Variation der Luft kann in verschiedenen Teilen der Lunge gemessen werden. Dies ist eine der vorteilhaftesten Messungen des EIT, da es die regionale Lüftung bewertet.

Das EIT-Gerät erstellt eine 32 x 32 Matrix, um den gesamten Lungenbereich zu kartieren. Diese Matrix wird in ein Gitter transportiert, das die gesamte Lunge bedeckt. Jedem winzigen Quadrat innerhalb des Gitters, das als Pixel bezeichnet wird, wird ein Wert des spezifischen Widerstands oder der Impedanz zugewiesen. Änderungen der Impedanzwerte entsprechen Änderungen des Lungenvolumens in einem bestimmten Teil der Lunge.

Mit Hilfe einer speziellen Software nimmt das EIT diese Änderungen der Impedanzwerte auf und erzeugt ein Bild. Dieses Bild hilft uns, das Ausmaß der Volumenvariation zu verstehen, die auf einer Farbskala dargestellt wird. Helles Blau steht für hohe Lautstärke und Dunkelblau für geringe Lautstärke. Keine Variation der Impedanz oder keine Änderung des Tidalvolumens ist in grauer Farbe dargestellt (Abbildung 8). Im Wesentlichen funktioniert es wie eine Landkarte, die genau zeigt, wo diese Veränderungen in der Lunge aufgetreten sind.

Dynamisches Beatmungsdiagramm mit Impedanz-Zeit-Diagramm und Lungeneinheitenanalyse für die TAPPEL-Überwachung.
Abbildung 8: Das dynamische Bild der Beatmung, das jedes Pixel in einer Matrix von 32 x 32 darstellt, insgesamt 1.024 Pixel. Die Amplitude der Belüftung wird durch die Amplitude der Welle und die Intensität der Farbe dargestellt, wobei Grau keine Lautstärke anzeigt und der Übergang von hellem Blau zu dunklem Blau jeweils hohe zu niedrige Lautstärke darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Es gibt zahlreiche klinische Situationen, in denen EIT von Vorteil sein kann. Zum Beispiel bei der frühzeitigen Identifizierung von Komplikationen und Erkrankungen, die zu Lungenschäden führen können, wie Atelektase, Überdehnung und Pneumothorax. Atelektase ist eine der häufigsten Pathologien bei hospitalisierten Patienten. Dabei kommt es zum teilweisen oder vollständigen Kollaps des Lungengewebes, wodurch das Lungenvolumen reduziert und der Gasaustausch beeinträchtigt wird. Atelektasen konnten mit dem EIT nachgewiesen werden, wie in Abbildung 9A dargestellt. Abbildung 9A und Abbildung 9B sind die Beatmungskartenbilder desselben Patienten, die weniger als 13 Minuten voneinander entfernt sind. In Abbildung 9A treten nur 23 % der Impedanzänderungen im hinteren Bereich auf, was sich auch an einer Verringerung der hellblauen und dunkelblauen Bereiche in diesem Bereich erkennen lässt. Nach einer Erhöhung des PEEP von 4 auf 10 cmH2O zeigt Abbildung 9B eine erhöhte Ventilation in der hinteren Lunge, die von 23 % auf 43 % anstieg. Im Vergleich zu Abbildung 9A zeigt der Patient eine Erhöhung der Compliance von 18,8 auf 27,6 ml/cmH2O. Bemerkenswert ist dieser Gewinn im bilateralen posterioren Bereich, was sich in den vermehrten hell- und dunkelblauen Bereichen im hinteren Teil zeigt (Abbildung 9B). Darüber hinaus kommt es zu einer Verringerung des Treibdrucks, was darauf hindeutet, dass eine weitere Erhöhung des Atemzugvolumens und des PEEP die Lunge nicht zusätzlich belastet14,15.

Lüftungsverteilungsdiagramm mit PEEP-, Plateau-, RR- und VT-Parametern, das die Lüftungskarten A und B zeigt.
Abbildung 9: Unterschiede in der Ventilation bei unterschiedlichen PEEP-Werten. (A) Bei PEEP 4 cmH2O zeigt das Bild einen Unterschied in der Ventilation zwischen dem vorderen (stärker belüfteten) und dem hinteren (weniger belüfteten) Bereich. (B) Nach einer Erhöhung des PEEP von 4 auf 10 cmH2O ist eine verbesserte Ventilation im hinteren Bereich offensichtlich. Abkürzung: PEEP = exspiratorischer Druck mit positivem Ende. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Unter Überdehnung versteht man die Überdehnung oder Dehnung des Lungengewebes über seine physiologische Kapazität hinaus, was zu einer möglichen Schädigung der Lungenbläschen und der umliegenden Strukturen führt. Eine Überdehnung kann auftreten, wenn der Druck, der von einem mechanischen Beatmungsgerät ausgeübt wird, um die Lunge aufzublasen, zu hoch ist. Die Überwachung der regionalen Lungenimpedanz während der Beatmung vermeidet Überdehnung und Lungenschäden16. In Abbildung 10A hat der Patient einen PEEP von 22 cmH2O, während in Abbildung 10B der PEEP auf 12 cmH2O reduziert ist. In Abbildung 10B zeigt das Ventilation Dynamic Image von EIT eine Zunahme der hell- und dunkelblauen Bereiche in der vorderen Lunge, was auf eine erhöhte Ventilation hinweist. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung der hell- und dunkelblauen Bereiche in der hinteren Lunge (von 67 % auf 43 %), was auf eine Linderung der Überdehnung hindeutet, die mit dem höheren PEEP von 22 cmH2O in Abbildung 10A verbunden ist. Dieses Beispiel zeigt die Fähigkeit des EIT, eine Überdehnung zu erkennen und die lungenprotektive Beatmung in der gesamten Lungezu fördern 9.

Image der Nuklearmedizin; Herzdurchblutung; prozentualer Durchflussvergleich; links 67 %, rechts 43 %.
Abbildung 10: Veränderungen des PEEP. a) PEEP von 22 cmH2O, (B) PEEP von 12 cmH2O. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ein Pneumothorax ist eine Erkrankung, die durch das Vorhandensein von Luft in der Pleurahöhle, dem Raum zwischen der Lunge und der Brustwand, gekennzeichnet ist. Diese Luftansammlung kann zu einem Lungenkollaps, einer Mediastinalverschiebung und einem hämodynamischen Kollaps führen. Mit EIT konnten Änderungen der Thoraximpedanz in Echtzeit beobachtet werden, wie im Ventilation Dynamic Image 17,18,19 dargestellt. Es gibt ein Zeichen im dynamischen Beatmungsbild, das den Verdacht auf einen Pneumothorax zeigt, das sogenannte "phasenverschobene" Zeichen. Das "Out of Phase"-Zeichen bezieht sich auf eine visuelle Anzeige, bei der die Impedanzänderungen in der Lunge nicht korrekt mit dem Atemzyklus übereinstimmen. In einem normalen Atemzyklus sollten Impedanzänderungen in der Lunge mit der Einatmungs- und Exspirationsphase synchronisiert werden. Wenn ein Pneumothorax auftritt, zeigt das Beatmungsdynamikbild eine Abweichung vom erwarteten Muster, da die Impedanzänderungen nicht mit der normalen Einatmungs- und Exspirationsphase synchronisiert sind. Darüber hinaus kann eine Erhöhung des Ausgangswerts des Plethysmographen, was einen Anstieg der endexspiratorischen Lungenimpedanz (EELI) trotz PEEP-Reduktion bedeutet, auf das Vorliegen eines Pneumothorax hinweisen (Abbildung 11).

Impedanzmessung während des Atemzyklus, Diagramm der Inspirations-/Exspirationsphasen.
Abbildung 11: Das "Out of Phase"-Zeichen in einer Lüftungskarte. Gleichzeitig zeigt der Plethysmograph trotz einer Reduktion des PEEP eine Erhöhung des Ausgangswerts. Beide Befunde unterstützen und bestätigen das Vorliegen eines Pneumothorax. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

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Eine Beeinträchtigung der Atemwege und die Notwendigkeit einer unterstützenden Intervention, einschließlich invasiver mechanischer Beatmung, sind bei hospitalisierten Patienten häufig. Daher ist die Überwachung der Beatmung und der Lungenperfusion für eine schnelle und personalisierte Diagnose und Behandlung von entscheidender Bedeutung. Im Gegensatz zu herkömmlichen bildgebenden Verfahren wie Röntgen und Computertomographie (CT-Scan) bietet das EIT eine nicht-invasive, strahlungsfreie Bildgebung der Lunge und ihrer regionalen Eigenschaften in Echtzeit 1,2,3,4,20. Aufgrund dieser Fähigkeiten ist EIT sowohl auf der Intensivstation als auch im Operationssaal am Krankenbett nützlich. Das EIT bietet nicht nur ein Beatmungsmonitoring, sondern auch die Möglichkeit, die Lungenperfusion zu analysieren, was derzeit in der klinischen Routine nicht möglich ist 6,7,8.

Bei der maschinellen Beatmung ist der Schutz der Lunge ein zentrales Behandlungsziel. Eines der Ziele ist es, Atelektasen und Überdehnungen der Lunge zu vermeiden, die zu Alveolarverletzungen führen können. Typischerweise wird PEEP verabreicht, um Atelektasen zu verhindern und das Lungenvolumen zu erhalten. Die Identifizierung des optimalen PEEP für den einzelnen Patienten, die als "PEEP-Titration" bezeichnet wird, ist eine entscheidende Methode, insbesondere bei Erkrankungen wie dem akuten Atemnotsyndrom (ARDS), Fettleibigkeit und abdominaler Hypertonie21,22.

Die konventionelle Methode zur PEEP-Titration beruht auf der Sauerstoffversorgung und der Lungenmechanik. Dieser Ansatz berücksichtigt jedoch nicht die regionalen Lungenveränderungen und ob Bereiche der Lunge aufgebläht oder kollabiert sind. Fortschrittliche Techniken wie EIT ermöglichen eine detaillierte Echtzeit-Bildgebung der Lunge am Krankenbett während der Inspiration und Exspiration. Die PEEP-Titration mit EIT ermöglicht die Optimierung der Sauerstoffversorgung und der Lungenmechanik bei gleichzeitiger Minimierung der Parenchymüberdehnung und des Kollapses 23,24,25,26,27,28.

In jüngerer Zeit wurde das Perfusionstool des EIT entwickelt, um eine detaillierte Bewertung des regionalen pulmonalen Blutflusses zu ermöglichen, die es Ärzten und medizinischem Personal ermöglicht, die Beziehung zwischen Ventilation und Perfusion abzuschätzen. Die vom EIT untersuchte Lungenperfusion wurde auch verwendet, um das Ansprechen auf Beatmungsanpassungen und Oxygenierung sowie das Ansprechen auf eine pulmonale Vasodilatatortherapie zu bestimmen 9,23,25,29,30,31. Darüber hinaus kann das EIT auch große pulmonale Perfusionsdefekte nachweisen, was auf das Vorliegen einer Thromboembolie hindeutet32,33.

EIT hat einige Kontraindikationen. Erstens wird EIT derzeit nicht bei Patienten mit Herzschrittmachern oder implantierbaren Defibrillatoren empfohlen. Derzeit gibt es keine Studien, die die elektrische Interferenz des EIT-Signals und der Herzschrittmacherfunktion untersuchen. Zweitens kann das Impedanzsignal durch Bedingungen wie ein signifikantes Pneumomediastinum oder ein subkutanes Emphysem verändert werden, was die korrekte Interpretation der Beatmungs- und Perfusionskarten beeinträchtigt. Schließlich stellt die Anforderung, dass der Gürtel in engem Kontakt mit der Haut stehen muss, eine Herausforderung bei der Anwendung von EIT bei Patienten mit Thoraxverbändendar 34.

Es ist wichtig, Vorsicht walten zu lassen und die Verwendung des Perfusionswerkzeugs in bestimmten Szenarien zu vermeiden: Patienten, die steigende Dosen von Vasopressoren erhalten; Patienten mit Hypernatriämie; Patienten mit aktivem Pneumothorax und/oder bronchopleuraler Fistel; Neugeborene und pädiatrische Patienten. Die Nutzung des EIT zur Perfusionsbeurteilung neben der herkömmlichen Beatmungsbildgebung ermöglicht Gesundheitsdienstleistern ein tieferes Verständnis der Lungenfunktion und hilft bei der Diagnose und Behandlung von Patienten in verschiedenen klinischen Umgebungen.

Überlegungen für bestimmte Populationen
Die Prinzipien für die EIT-Technologie gelten für Neugeborene, Kinder und erwachsene Patienten entsprechend mit entsprechendem Brustumfang und Gürtelgröße. Die Gürtel für Neugeborene sind Einweggurte und empfehlen, sie 24 Stunden statt 48 Stunden für Erwachsene zu platzieren. Es wurde ein spezieller Strömungssensor entwickelt, der in der Lage ist, die kleinen Tidalvolumina (von 3 mL bis 100 mL) zu messen, die mit dieser Population verbunden sind, und einen entsprechenden Totraum von 1 mL aufweist.

Beim Online-Monitoring wird die Lunge beispielsweise in vordefinierte Regions of Interest (ROI) eingeteilt. vier Hälften (links, rechts, anterior und posterior) oder vier horizontale Schichten. Die Offline-Analyse könnte jedoch mehr Möglichkeiten für eine tiefergehende Analyse bieten, z. B. Pixel für Pixel. Alle Daten aus dem EIT werden in einem proprietären Format gespeichert, das als Product Information Management (PIM) bekannt ist. Die PIM-Datei enthält vorverarbeitete Informationen, einschließlich der gemessenen Spannung vor der tomographischen Rekonstruktion, ungefilterter Signale und Beatmungsparameter. Um die PIM-Datei für die Offline-Analyse zu extrahieren, schließen Sie ein USB-Laufwerk an den Steckplatz des EIT-Geräts an. Wählen Sie dann den Indexpatienten aus. Die Offline-Analyse ist nützlich, da sie alle detaillierten Daten liefert, die für das Verständnis der Lungenphysiologie erforderlich sind.

Als diagnostisches Instrument am Krankenbett könnte das EIT bei der Diagnose von Erkrankungen wie Atelektase, Überdehnung und Pneumothorax helfen. Neben dem klinischen Erscheinungsbild und der körperlichen Untersuchung bietet das EIT detaillierte Informationen zu diesen Diagnosen an. EIT ermöglicht eine schnellere Informationsbeschaffung im Vergleich zur klassischen Untersuchung. Diese Fähigkeit ermöglicht es Ärzten und anderem medizinischen Personal, Patienten zu diagnostizieren und umgehend zu behandeln 24,35,36,37.

Das Erlernen der Anwendung und Interpretation von EIT ist unerlässlich, da es sich in der klinischen Praxis als vorteilhaft erweist. Sein nicht-invasiver Charakter und seine Echtzeit-Überwachungsfunktionen machen das EIT zu einem wertvollen Werkzeug für Kliniker im Gesundheitswesen in verschiedenen medizinischen Einrichtungen.

Disclosures

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Glasiele Alcala, Caio C. A. Morais und Marcus Victor erhielten Beratungshonorare, während Carolyn La Vita Testimonial-Honorare von Timpel erhielt, dem Hersteller eines Geräts, das in dieser Studie verwendet wurde. Marcelo B. P. Amato ist Minderheitsaktionär von Timpel. Keiner der anderen Autoren hat Interessenkonflikte.

Acknowledgements

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Wir danken allen Mitautoren für ihren Beitrag zu diesem Artikel aufrichtig und danken TIMPEL Medical für die großzügige Unterstützung dieses Manuskripts mit Ausrüstung und Unterstützung.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
EIT-Ausrüstung (ENLIGHT2100)Timpel Medical
BeltsTimpel
Medical Belt Abdeckung Timpel Medical
DurchflusssensorPhilips
ReferenzkabelTimpel Medical
Lösung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z. B. hypertone Kochsalzlösung, Natriumbicarbonat)Nicht anwendbar

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