Method Article

Monitoraggio della funzione polmonare con la tomografia ad impedenza elettrica nell'unità di terapia intensiva

DOI:

10.3791/66756

⸱

September 6th, 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tomografia ad impedenza elettrica è uno strumento di monitoraggio della ventilazione polmonare in tempo reale, non invasivo e privo di radiazioni. Misurando le variazioni di impedenza nel torace, può visualizzare la distribuzione dell'aria respiro per respiro. Inizialmente destinata al monitoraggio della ventilazione, la tomografia ad impedenza elettrica può anche misurare la perfusione tramite iniezione endovenosa di una soluzione salina.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tomografia ad impedenza elettrica (EIT) è una tecnica di imaging all'avanguardia, non invasiva e priva di radiazioni per il monitoraggio continuo e in tempo reale della ventilazione. Ha anche un'applicazione nel monitoraggio della perfusione polmonare. L'EIT quantifica i modelli di ventilazione e perfusione nel polmone dalla misurazione e dall'elaborazione delle variazioni di impedenza nel torace. È un potente strumento per i medici per visualizzare i cambiamenti respiro per respiro nella funzione polmonare.

Un'applicazione innovativa dell'EIT è la sua capacità di valutare la perfusione polmonare utilizzando l'analisi cinetica di un'iniezione di soluzione ipertonica durante un'apnea. La soluzione genera una variazione di impedenza nel torace mentre circola attraverso il sistema vascolare polmonare. Questo metodo indiretto consente di stimare i modelli di perfusione, contribuendo in modo significativo alla nostra comprensione della dinamica del flusso sanguigno polmonare al letto del paziente.

L'EIT non è solo uno strumento per il monitoraggio, ma può anche essere fondamentale per la diagnosi di patologie respiratorie come lo pneumotorace e l'intubazione bronchiale. Può aiutare a identificare l'eziologia della mancata corrispondenza ventilazione/perfusione (V/Q) nei pazienti sottoposti a ventilazione meccanica invasiva, cosa che non è possibile con altri strumenti diagnostici. Inoltre, l'EIT può aiutare nell'ottimizzazione individuale delle impostazioni del ventilatore, come la titolazione della pressione positiva di fine espirazione (PEEP) e il volume corrente che migliorano l'ossigenazione e la salute dei polmoni in terapia intensiva.

In sintesi, l'EIT rappresenta un cambiamento di paradigma nel monitoraggio e nella diagnostica polmonare al letto del paziente. La sua natura non invasiva e l'immediatezza dei dati rendono l'EIT uno strumento indispensabile nella moderna medicina respiratoria. Con le sue crescenti applicazioni, l'EIT sarà fondamentale per far progredire la nostra comprensione e il nostro approccio all'assistenza respiratoria, in particolare in contesti di terapia intensiva.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tomografia ad impedenza elettrica (EIT) è una tecnica di monitoraggio polmonare che traduce le variazioni di impedenza nel tempo in immagini topografiche. Ciò si ottiene iniettando una bassa corrente elettrica alternata (5-10 mA) da elettrodi posizionati circonferenzialmente lungo il tronco (Figura 1A). L'impedenza riflette l'opposizione di un tessuto al flusso di questa corrente elettrica. Durante l'inspirazione, l'impedenza aumenta, mentre diminuisce durante l'espirazione. Un cambiamento simile nell'impedenza si verifica in presenza di fluidi per via endovenosa. Ad esempio, quando i fluidi che hanno una conduttività elettrica più elevata rispetto al sangue vengono iniettati attraverso un catetere centrale, si verifica una corrispondente diminuzione dell'impedenza elettrica 1,2,3,4.

Per praticità, gli elettrodi EIT (in numero di 16 o 32) sono posizionati su una cintura, che viene poi posizionata attorno al torace del paziente, in particolare tra il 4° e il 5°spazio intercostale . Questo posizionamento fornisce una visione ottimale dei polmoni e riduce l'interferenza del diaframma. Nel processo di misurazione, due elettrodi diversi iniettano una corrente preimpostata in sequenza, mentre gli elettrodi rimanenti fungono da ricevitori per le letture di tensione corrispondenti. Questo processo si ripete rapidamente per ogni coppia di elettrodi, ruotando attorno al torace a una frequenza di 20-50 Hz. Questa rapida rotazione è il motivo per cui EIT ha un'alta risoluzione temporale. Un dispositivo EIT toracico calcola la distribuzione dell'impedenza elettrica nella sezione trasversale del torace da ogni ciclo di misurazione e converte questi valori in un'immagine bidimensionale. Questa immagine viene poi visualizzata in tempo reale su un monitor dedicato.

L'EIT ha diverse applicazioni cliniche. Sulla base della tecnologia dell'impedenza, è possibile monitorare la distribuzione dell'aria all'interno del torace e la distribuzione della perfusione, soprattutto quando viene somministrato un mezzo di contrasto per creare variazioni nell'impedenza polmonare. Determinare le impostazioni PEEP per i pazienti ventilati meccanicamente è impegnativo ed essenziale per ridurre al minimo le lesioni polmonari. Inoltre, la sua capacità di tracciare i cambiamenti di ventilazione e perfusione nel tempo offre dati inestimabili per il monitoraggio longitudinale del paziente. Questo aspetto è fondamentale in ambienti clinici dinamici in cui le condizioni del paziente possono evolvere rapidamente5.

L'EIT facilita la visualizzazione non solo della meccanica globale ottenuta attraverso il sensore di flusso o i dati dal ventilatore se il dispositivo EIT è collegato al ventilatore, ma fornisce anche informazioni cruciali sulla sovradistensione e sul collasso regionale 6,7,8,9. Le immagini generate forniscono informazioni funzionali sui polmoni, ma non sono destinate alla diagnosi anatomica e non emettono radiazioni. Negli Stati Uniti d'America, il dispositivo EIT ENLIGHT 2100 è attualmente l'unico approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti. Altre aziende sono ora in procinto di ottenere l'approvazione della FDA per l'uso dell'EIT nelle popolazioni adulte, bambini e neonati. Per questo documento, abbiamo utilizzato l'hardware (ad esempio, cinture e schermo), la ventilazione e le mappe di perfusione del dispositivo ENLIGHT 2100.

La configurazione del set EIT include tre apparecchiature essenziali, oltre al monitor stesso, che sono una cintura di elettrodi, il sensore di flusso e il cavo di riferimento. La cintura di elettrodi viene utilizzata per ottenere un'immagine tomografica bidimensionale. L'immagine polmonare EIT è costruita in una rappresentazione bidimensionale con risoluzioni variabili, come 32 x 32, 24 x 24 o 16 x 16 pixel, a seconda delle dimensioni del perimetro del torace e delle specifiche del produttore. Le immagini sono generate dalle misurazioni della tensione utilizzando algoritmi di ricostruzione. Il sensore di flusso è progettato per l'uso su un singolo paziente ed è disponibile in due dimensioni: una per adulti e pazienti pediatrici e un'altra per neonati. Il sensore di flusso adulto-pediatrico non è in grado di misurare un volume corrente inferiore a 40 ml, mentre il sensore neonatale può registrare un volume corrente da 0 a 100 ml. Senza il sensore di flusso, l'EIT visualizza solo i dati di impedenza. Una volta che il sensore di flusso è collegato a un paziente, diventa possibile sincronizzare i dati delle forme d'onda di impedenza con i parametri di pressione, flusso e volume. Il cavo di riferimento è riutilizzabile e funge da punto di riferimento per il valore di iniezione della corrente elettrica.

Monitoraggio medico; paziente con elettrodi; Schema diagnostico per il posizionamento degli elettrodi.
Figura 1: Posizionamento della cintura dell'elettrodo per tomografia ad impedenza elettrica. (A) Cintura di elettrodi per tomografia ad impedenza elettrica posizionata intorno al torace al 4° e 5° spazio intercostale. (B) Misurazione del torace. Il torace viene misurato avvolgendo un metro a nastro attorno a tutto il torace. Tuttavia, la maggior parte dei pazienti è costretta a letto e la misurazione dell'intero torace non è fattibile. Un approccio alternativo è illustrato nelle immagini. Il perimetro del torace viene valutato dal processo spinoso allo sterno. La misurazione viene quindi raddoppiata per tenere conto della parte controlaterale del torace. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'obiettivo principale di questo documento video è fornire al lettore le conoscenze e le competenze necessarie per diventare esperto nella registrazione e nell'interpretazione delle immagini EIT. Nel perseguimento di questo obiettivo, forniremo una panoramica dei principi dell'EIT, mostreremo le sue capacità di visualizzazione in tempo reale per la distribuzione dell'aria nei polmoni ed esploreremo le sue applicazioni estese nella valutazione della perfusione. Raggiungendo questi obiettivi, miriamo a consentire al pubblico di utilizzare con sicurezza la tecnologia EIT per la valutazione polmonare.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le immagini fornite in questo documento sono state rese anonime e fanno parte dei protocolli in corso registrati presso ClinicalTrials.gov con il numero NCT04497454 e approvati dal comitato etico locale (Università di São Paulo Incor/HC-FMUSP 4001231, Brasile).

1. Come iniziare a utilizzare il dispositivo EIT

  1. Cintura e posizionamento EIT
    1. Misura la parete toracica per una selezione accurata della taglia della cintura.
    2. Misurare il perimetro toracico tra il 4° e il 5° spazio intercostale utilizzando un metro a nastro (Figura 1B). Nelle pazienti con seno grande, spostare la cintura in uno spazio intercostale più alto.
    3. Coprire la cintura degli elettrodi con un materiale monouso con gel conduttivo.
      NOTA: Questo garantisce l'aderenza alla pelle del paziente, anche in quei pazienti con molti peli, facilitando la cattura del segnale di impedenza.
    4. Posizionare le cinture sul 4° e 5° spazio intercostale della parete toracica del paziente (come il perimetro misurato) e assicurarsi che non vi sia sovrapposizione degli elettrodi durante il posizionamento delle cinture.
    5. Mantieni la continuità senza spazi vuoti nella parte posteriore poiché l'algoritmo di ricostruzione dell'immagine consente uno spazio anteriore proporzionale alle dimensioni della cintura.
    6. Durante il posizionamento della cintura, ruotare il paziente per accedere alla parte posteriore. Mettere in sicurezza le vie aeree, tutte le linee venose o arteriose interne e gli scarichi e seguire le linee guida specifiche fornite dagli operatori sanitari.
  2. Collegare il sensore di flusso al circuito ventilatorio vicino al raccordo a Y e posizionarlo con il sensore verso l'alto per evitare l'accumulo di liquidi e l'interferenza del segnale (Figura 2A).
  3. Collegare l'elettrodo di riferimento a un elettrodo elettrocardiografico (ECG).
    NOTA: Il monitoraggio di un paziente senza il cavo di riferimento non è possibile (Figura 2B).
    1. Per i pazienti adulti e pediatrici, posizionare l'elettrodo sull'addome o sulla spalla.
    2. Per i pazienti neonatali, posizionare l'elettrodo sulla gamba.
  4. Attiva l'EIT e inserisci i dati demografici dei pazienti (Figura 3).
  5. Avviare il monitoraggio ed evitare qualsiasi movimento del paziente; viene generata un'immagine di riferimento e la schermata di ventilazione viene visualizzata dopo l'avvio del monitoraggio (Figura 4). Vengono generate due immagini: l'immagine dinamica e la mappa di ventilazione.
    NOTA: Durante la registrazione, è fondamentale evitare che qualsiasi movimento del paziente interferisca con le cinture.
  6. Passo dopo passo per lo strumento di titolazione PEEP sul dispositivo EIT
    1. Selezionare lo strumento di titolazione PEEP dall'icona della schermata principale .
    2. Accedi alle Opzioni dello strumento facendo clic sull'icona Opzioni strumento .
    3. Impostare Intervalli di tempo per regolare gli intervalli di tempo per le variazioni di PEEP durante la titolazione per stabilizzare la ventilazione in ogni condizione.
      NOTA: L'intervallo di tempo dipende dalle condizioni del paziente (ad es. instabilità emodinamica) e dalle istruzioni del dispositivo.
    4. Regolare il valore di soglia per il rilevamento automatico del cambio PEEP.
    5. Avviare la titolazione premendo Avvia nella schermata di titolazione PEEP per avviare il conto alla rovescia in base al tempo regolato per le modifiche PEEP.
    6. Quando richiesto, regolare il valore PEEP sul ventilatore secondo il protocollo. Il dispositivo rileverà automaticamente questa modifica e avvierà un nuovo conto alla rovescia.
    7. Monitora le modifiche PEEP: lo schermo si aggiorna ad ogni modifica PEEP. Se il rilevamento automatico non riesce, interrompere manualmente e commentare la procedura. Facoltativamente, fornire commenti o assegnare un nome alla titolazione. Verrà quindi visualizzato il grafico di titolazione PEEP.
  7. Strumento passo dopo passo per la perfusione sul dispositivo EIT
    1. Preparazione del paziente
      1. Garantire una sedazione sufficiente e, se necessario, il blocco neuromuscolare, poiché qualsiasi sforzo respiratorio può interrompere la procedura.
        NOTA: Il paziente potrebbe mostrare sforzi respiratori non rilevabili nonostante il monitoraggio della ventilazione meccanica.
    2. Avviare la procedura. Avvia la procedura cliccando sull'icona Start all'interno del software EIT.
    3. Riconoscimento del ciclo ventilatorio
      1. Consenti al software di riconoscere alcuni cicli ventilatori per stabilire i dati di base.
    4. Apnea e iniezione
      1. Passare alla modalità di pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP) o di ventilazione a pressione supportata (PSV) con un supporto di pressione di 0 cmH2O. Mantenerlo per più di 20 s. Durante questo periodo, iniettare rapidamente e costantemente 10 mL di una soluzione salina ipertonica al 7,5% o di bicarbonato all'8,4% attraverso un catetere di accesso venoso centrale alla giugulare interna o alla vena succlavia.
    5. Ripristinare la ventilazione. Una volta completata l'iniezione, tornare alle normali impostazioni di ventilazione.
    6. Ricostruzione dell'immagine
      1. Lascia che l'algoritmo EIT ricostruisca l'immagine di perfusione in base alla cinetica di primo passaggio del contrasto che scorre attraverso il cuore e i polmoni.

Predisposizione ventilazione meccanica con sensore di flusso; Schema dell'interfaccia paziente e dei componenti del circuito.
Figura 2: Posizionamento del sensore di flusso. (A) Posizionamento del sensore di flusso tra il circuito e l'ETT. (B) La cintura intorno al torace è collegata al dispositivo EIT. Il sensore di flusso è collegato tra l'ETT e il circuito. Cavo di riferimento collegato all'elettrodo sulla pancia. Abbreviazione: ETT = tubo endotracheale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Interfaccia software medico, schermata di configurazione del paziente, campi di immissione dati per diagnostica e analisi.
Figura 3: La schermata di inizializzazione del dispositivo di monitoraggio della tomografia ad impedenza elettrica. I campi contrassegnati da asterischi rossi indicano le informazioni obbligatorie che devono essere compilate per una corretta configurazione e funzionamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Diagramma del sistema di ventilazione con immagine dinamica, mappa di ventilazione e analisi dei dati respiratori.
Figura 4: La schermata EIT che mostra un'immagine dinamica, una mappa di ventilazione e un pletismogramma. Sul lato sinistro dello schermo è presente la distribuzione della ventilazione divisa per regione ((A/P, R/L). Sul lato destro dello schermo sono presenti i parametri di ventilazione, tra cui la pressione di guida, PEEP, auto PEEP, PIP, PPlat Alv, VT, CRS, RR e RAW. Abbreviazioni: EIT = tomografia ad impedenza elettrica; A/P=anteriore/posteriore, R/L=destra/sinistra; PEEP = pressione espiratoria positiva; PIP = pressione inspiratoria di picco; PPlat Alv = pressione del piatto alveolare; VT = volume corrente; CRS = compliance del sistema respiratorio; RR = frequenza respiratoria; RAW = resistenza delle vie aeree. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Monitoraggio della ventilazione
L'immagine dinamica (Figura 4) mostra le variazioni in tempo reale della distribuzione dell'aria durante la ventilazione utilizzando colori che vanno dal blu scuro (meno ventilato) al bianco (più ventilato) per rappresentare i cambiamenti regionali. Le aree grigie indicano l'assenza di variazioni nella ventilazione. Le immagini dinamiche consentono una rapida identificazione delle differenze nelle costanti di tempo intrapolmonari e della presenza di pattern paradossali. È importante notare che le aree con limitata variazione d'aria durante un ciclo respiratorio possono derivare da una sovradistensione o da aree collassate.

La "mappa di ventilazione" (Figura 4) illustra come il volume d'aria si distribuisce su una sezione trasversale definita durante i cicli di respirazione. Il blu brillante indica le regioni polmonari che ricevono la maggior parte del volume corrente, che è proporzionale alla variazione del segnale di impedenza tra l'inspirazione e l'espirazione. Al contrario, il blu scuro rappresenta le aree con bassa variazione di volume. La mappa di ventilazione consente di valutare la distribuzione regionale della ventilazione all'interno dei polmoni. I polmoni sono divisi in regioni anteriore/posteriore e destra/sinistra, consentendo una valutazione dettagliata e la visualizzazione di pletismografi in regioni specifiche sullo schermo4.

La curva di variazione dell'impedenza toracica del pletismogramma (Figura 4) rappresenta l'ampiezza dell'onda corrispondente al volume corrente, con la linea di base equivalente all'aerazione polmonare o alla capacità residua funzionale (FRC) o al volume polmonare di fine espirazione (EELV). Le informazioni sull'aerazione possono stimare le variazioni relative del volume d'aria totale intratoracico.

I parametri delle vie aeree sul lato destro dello schermo (Figura 4) vengono acquisiti dal sensore di flusso e visualizzati come grafici e numeri della forma d'onda. Parametri come la pressione di guida, l'auto PEEP, la pressione del piatto alveolare, la conformità e la resistenza (nella colonna numerica a destra) vengono calcolati durante i cicli controllati. I parametri PEEP, pressione di picco, volume corrente e frequenza respiratoria verranno visualizzati in tutti i cicli. L'utilizzo del sensore di flusso prossimale consente l'integrazione dei dati di ventilazione e impedenza sullo stesso schermo, indipendentemente dalla marca o dal modello del ventilatore meccanico.

Strumento di titolazione PEEP (Figura 5)
Il paziente deve essere sincronizzato con il ventilatore, evitando sforzi respiratori spontanei e movimenti che possono influenzare la titolazione PEEP. Questo può essere raggiunto con un'adeguata sedazione e, se necessario, con agenti paralitici. Il sensore di flusso e il tubo del ventilatore devono essere liberi da ostruzioni, come liquidi e secrezioni, per mantenere un monitoraggio accurato.

L'EIT rileva i cambiamenti nella ventilazione regionale e, se integrato con un flussometro, è in grado di stimare la meccanica respiratoria regionale, tra cui la pressione delle vie aeree, il volume corrente e il flusso. Presenta i risultati come percentuali di aree collassate e iperdistese a diversi livelli di PEEP calcolando le variazioni di conformità regionali. Alcuni autori hanno proposto di titolare la PEEP fino al punto di incrocio tra la percentuale di sovradistensione (curva bianca nella Figura 5 e area bianca nella Figura 6) e la percentuale di collasso (curva blu nella Figura 5 e area blu nella Figura 6). A questo livello di PEEP, c'è un'occorrenza minima di aree iperdistese e collassate (curva arancione nella Figura 5) e di funzione polmonare. Gli studi in corso stanno indagando se la PEEP impostata nel punto di incrocio tra ipertensione e collasso sia clinicamente vantaggiosa.

Tabella di compliance e iperdistensione vs. PEEP; analisi della meccanica polmonare; Visualizzazione dei dati.
Figura 5: Lo strumento di titolazione PEEP nella schermata EIT. La curva arancione rappresenta la compliance, la curva bianca rappresenta l'iperdistensione e la curva blu rappresenta il collasso. Abbreviazioni: EIT = tomografia ad impedenza elettrica; PEEP = pressione espiratoria positiva. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Diagramma di compliance polmonare; livelli di PEEP, ipertensione, variazioni di collasso; Analisi della scansione TC.
Figura 6: Visualizzazione delle percentuali di iperdistensione (bianco) e collasso (blu) e conformità per diversi valori PEEP sullo schermo EIT. Abbreviazioni: EIT = tomografia ad impedenza elettrica; PEEP = pressione espiratoria positiva. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Valutazione della perfusione polmonare con l'EIT: una guida per gli operatori sanitari
La tomografia ad impedenza elettrica (EIT) è stata recentemente riconosciuta come un prezioso strumento di monitoraggio per la ventilazione polmonare misurando le variazioni della conducibilità elettrica. Sebbene l'EIT si concentri principalmente sulla valutazione della distribuzione dell'aria all'interno dei polmoni, può anche fornire preziose informazioni sulla perfusione polmonare attraverso tecniche innovative.

Le variazioni di impedenza dovute al movimento del sangue nel torace sono di ampiezza molto inferiore rispetto a quelle relative alla ventilazione. Pertanto, l'EIT non è stato tradizionalmente utilizzato per misurare la perfusione. Tuttavia, alcuni metodi che prevedono l'iniezione endovenosa di una soluzione salina ipertonica in combinazione con una manovra di apnea possono isolare e amplificare le variazioni di impedenza correlate al flusso sanguigno. Mentre questa soluzione viaggia attraverso i vasi sanguigni, altera le proprietà elettriche del sangue, che l'EIT può rilevare. L'EIT può dedurre indirettamente i modelli di perfusione osservando le variazioni di impedenza causate da questa soluzione mentre circola attraverso il sistema vascolare polmonare. Questo approccio ci consente di acquisire una comprensione più profonda sia della ventilazione che della perfusione all'interno dei polmonicontemporaneamente 10. Questo strumento è solo a scopo di ricerca negli Stati Uniti e/o in base alle normative degli ospedali locali e/o all'approvazione di altre nazioni da parte delle autorità di regolamentazione degli enti legali.

Visualizzazione della perfusione polmonare
L'iniezione endovenosa di una soluzione ad alta conducibilità elettrica, come soluzione salina ipertonica o bicarbonato di sodio, aiuta a visualizzare il flusso sanguigno all'interno del sistema vascolarepolmonare 11,12,13. Le aree con maggiore perfusione mostrano modelli di impedenza diversi rispetto alle regioni meno perfuse. Questa innovativa applicazione dell'EIT consente una valutazione relativa della perfusione insieme all'imaging della ventilazione, fornendo una visione completa della funzione polmonare, che aiuta a differenziare l'ipossiemia causata da difetti di perfusione, solitamente trattati con terapie che modulano la perfusione polmonare, dall'ipossiemia causata da disturbi ventilatori, spesso affrontata con strategie di ventilazione o cambiamenti di posizione. Questa applicazione consente anche di monitorare le variazioni della perfusione polmonare regionale in risposta al trattamento stabilito (come l'ossido nitrico inalato, gli anticoagulanti e i farmaci trombolitici).

Strumento di perfusione
Lo strumento di perfusione all'interno dell'EIT è specificamente progettato per visualizzare il flusso sanguigno polmonare durante la ventilazione meccanica controllata. Consiste nell'iniezione di una soluzione salina ipertonica in una vena durante un breve periodo di apnea. L'immagine risultante mostra la distribuzione della perfusione polmonare, con colori che vanno dal giallo (che indica una perfusione più elevata) al rosso scuro (che indica una perfusione inferiore) nella sezione trasversale del torace (vedere la Figura 7).

Mappa della perfusione polmonare; Diagramma con analisi di perfusione, che mostra le tendenze filtrate e adattate.
Figura 7: Variazioni nella percentuale di distribuzione della perfusione in diverse regioni del torace. Sono mostrate le variazioni della perfusione anteriore, posteriore, destra e sinistra, con colori che vanno dal giallo (perfusione più alta) al rosso scuro (perfusione più bassa) nella sezione trasversale del torace. È anche possibile eseguire il video elaborato online che mostra il contrasto che scorre attraverso il cuore in colore blu dopo ai polmoni in colori rossi. Abbreviazioni: A = anteriore; P = posteriore; R = destra; L = sinistra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Analisi online e offline
L'EIT misura continuamente i pletismogrammi e la distribuzione dell'aria nei polmoni. La variazione dell'impedenza riflette le variazioni del volume corrente, consentendo la valutazione regionale dei polmoni. Il pletismogramma rappresenta graficamente le variazioni di volume polmonare durante l'inspirazione e l'espirazione (Figura 8). La variazione dell'aria può essere misurata in diverse parti dei polmoni. Questa è una delle misurazioni più vantaggiose dell'EIT, in quanto valuta la ventilazione regionale.

Il dispositivo EIT crea una matrice 32 x 32 per mappare l'intera area polmonare. Questa matrice viene convogliata in una griglia che copre l'intero polmone. A ogni minuscolo quadrato all'interno della griglia, noto come pixel, viene assegnato un valore di resistività o impedenza. Le variazioni dei valori di impedenza corrispondono alle variazioni del volume polmonare nella parte specifica del polmone.

Utilizzando un software dedicato, EIT prende queste variazioni nei valori di impedenza e genera un'immagine. Questa immagine ci aiuta a capire l'entità della variazione di volume, rappresentata su una scala di colori. Il blu brillante indica un volume elevato e il blu scuro indica un volume basso. Nessuna variazione dell'impedenza o nessuna variazione del volume corrente è rappresentata nel colore grigio (Figura 8). Essenzialmente, funziona come una mappa, individuando con precisione dove si sono verificati questi cambiamenti all'interno del polmone.

Diagramma di ventilazione dinamica con grafico impedenza-tempo e analisi dell'unità polmonare per il monitoraggio TIMPEL.
Figura 8: L'immagine dinamica della ventilazione che illustra ogni pixel in una matrice di 32 x 32, per un totale di 1.024 pixel. L'ampiezza della ventilazione è rappresentata dall'ampiezza dell'onda e dall'intensità del colore, con il grigio che indica l'assenza di volume e la transizione dal blu brillante al blu scuro che rappresenta rispettivamente il volume alto e basso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Ci sono numerose situazioni cliniche in cui l'EIT può essere utile. Ad esempio, nell'identificazione precoce di complicanze e condizioni che possono portare a lesioni polmonari, come atelettasia, iperdistensione e pneumotorace. L'atelettasia è una delle patologie più comuni nei pazienti ospedalizzati. Comporta il collasso parziale o completo del tessuto polmonare, riducendo i volumi polmonari e compromettendo lo scambio gassoso. L'atelettasia potrebbe essere rilevata dall'EIT, come mostrato nella Figura 9A. La Figura 9A e la Figura 9B sono le immagini della mappa di ventilazione dello stesso paziente, a meno di 13 minuti di distanza. Nella Figura 9A, solo il 23% delle variazioni di impedenza si verifica nella regione posteriore, il che può essere visto anche da una riduzione delle aree blu chiaro e blu scuro osservate in questa regione. A seguito di un aumento della PEEP da 4 a 10 cmH2O, la Figura 9B rivela un aumento della ventilazione nel polmone posteriore che è aumentata dal 23% al 43%. Rispetto alla Figura 9A, il paziente mostra un aumento della compliance da 18,8 a 27,6 mL/cmH2O. In particolare, questo guadagno si verifica nella regione posteriore bilaterale, che è evidente dall'aumento delle aree blu chiaro e scuro nella parte posteriore (Figura 9B). Inoltre, c'è una riduzione della pressione motrice, indicando che ulteriori aumenti del volume corrente e della PEEP non impongono ulteriore stress ai polmoni14,15.

Diagramma di distribuzione della ventilazione con parametri PEEP, plateau, RR, VT, con le mappe di ventilazione A e B.
Figura 9: Differenze nella ventilazione a diversi valori di PEEP. (A) A PEEP 4 cmH2O, l'immagine mostra una differenza di ventilazione tra le regioni anteriore (più ventilata) e posteriore (meno ventilata). (B) A seguito di un aumento della PEEP da 4 a 10 cmH2O, è evidente una migliore ventilazione nella regione posteriore. Abbreviazione: PEEP = pressione espiratoria positiva. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'iperdistensione si riferisce all'espansione eccessiva o all'allungamento del tessuto polmonare oltre la sua capacità fisiologica, con conseguente potenziale danno agli alveoli e alle strutture circostanti. La sovradistensione potrebbe verificarsi quando la pressione applicata da un ventilatore meccanico per gonfiare i polmoni è troppo alta. Il monitoraggio dell'impedenza polmonare regionale durante le procedure ventilatorie evita la sovradistensione e il danno polmonare16. Nella Figura 10A, il paziente è in PEEP di 22 cmH2O, mentre nella Figura 10B, la PEEP è ridotta a 12 cmH2O. Nella Figura 10B, l'immagine dinamica della ventilazione dell'EIT mostra un aumento delle aree blu chiaro e scuro nel polmone anteriore, indicando un aumento della ventilazione. Contemporaneamente, vi è una riduzione delle aree blu chiaro e scuro nel polmone posteriore (dal 67% al 43%), suggerendo un sollievo dalla sovradistensione associata alla PEEP più elevata di 22 cmH2O nella Figura 10A. Questo esempio mostra la capacità dell'EIT di identificare l'iperdistensione e promuovere la ventilazione polmonare protettiva attraverso il polmone9.

Immagine di medicina nucleare; perfusione cardiaca; confronto percentuale dei flussi; sinistra 67%, destra 43%.
Figura 10: Cambiamenti nella PEEP. A) PEEP di 22 cmH2O; (B) PEEP di 12 cmH2O. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Lo pneumotorace è una condizione caratterizzata dalla presenza di aria nella cavità pleurica, nello spazio tra il polmone e la parete toracica. Questo accumulo di aria può portare al collasso polmonare, allo spostamento mediastinico e al collasso emodinamico. Con l'EIT, i cambiamenti nell'impedenza del torace possono essere osservati in tempo reale, come illustrato nell'immagine dinamica della ventilazione 17,18,19. C'è un segno nell'immagine dinamica della ventilazione che mostra il sospetto di pneumotorace, chiamato segno "fuori fase". Il segno "fuori fase" si riferisce a un'indicazione visiva in cui le variazioni di impedenza nel polmone non si allineano correttamente con il ciclo respiratorio. In un normale ciclo respiratorio, le variazioni di impedenza nel polmone devono essere sincronizzate con le fasi di inspirazione ed espirazione. Quando si verifica lo pneumotorace, l'immagine dinamica della ventilazione dimostrerà una deviazione dal modello previsto poiché le variazioni di impedenza non sono sincronizzate con le normali fasi di inspirazione ed espirazione. Inoltre, un aumento della linea di base del pletismografo che significa un aumento dell'impedenza polmonare di fine espirazione (EELI), nonostante la riduzione della PEEP, può indicare ulteriormente la presenza di uno pneumotorace (Figura 11).

Misurazione dell'impedenza durante il ciclo respiratorio, diagramma che mostra le fasi di inspirazione/espirazione.
Figura 11: Il segno "fuori fase" in una mappa di ventilazione. Contemporaneamente, il pletismografo mostra un aumento della linea di base, nonostante una riduzione della PEEP. Entrambi i risultati supportano fortemente e confermano la presenza di pneumotorace. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'insufficienza respiratoria e la necessità di un intervento di supporto, compresa la ventilazione meccanica invasiva, sono comuni nei pazienti ospedalizzati. Pertanto, il monitoraggio della ventilazione e della perfusione polmonare è fondamentale per una diagnosi e un trattamento tempestivi e personalizzati. A differenza delle tecniche di imaging più standard come i raggi X e la tomografia computerizzata (CT-scan), l'EIT fornisce immagini non invasive e prive di radiazioni dei polmoni e delle loro caratteristiche regionali in tempo reale 1,2,3,4,20. Grazie a queste funzionalità, l'EIT è utile al letto del paziente sia nell'unità di terapia intensiva che in sala operatoria. L'EIT non solo fornisce il monitoraggio della ventilazione, ma offre anche la possibilità di analizzare la perfusione polmonare, cosa che attualmente non è fattibile nella pratica clinica di routine 6,7,8.

Durante la ventilazione meccanica, la protezione del polmone è un obiettivo chiave del trattamento. Uno degli obiettivi è evitare l'atelettasia e l'iperdistensione dei polmoni, che possono portare a lesioni alveolari. Tipicamente, la PEEP viene somministrata per prevenire l'atelettasia e mantenere il volume polmonare. L'identificazione della PEEP ottimale per i singoli pazienti, nota come "titolazione PEEP", è un metodo cruciale, in particolare in condizioni come la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), l'obesità e l'ipertensione addominale21,22.

Il metodo convenzionale per la titolazione PEEP si basa sull'ossigenazione e sulla meccanica polmonare. Tuttavia, questo approccio non tiene conto delle alterazioni polmonari regionali e del fatto che le aree del polmone siano iperdistese o collassate. Tecniche avanzate come l'EIT forniscono immagini dettagliate e in tempo reale dei polmoni durante l'inspirazione e l'espirazione. La titolazione PEEP con EIT consente di ottimizzare l'ossigenazione e la meccanica polmonare, riducendo al minimo la sovradistensione e il collasso del parenchima 23,24,25,26,27,28.

Più recentemente, lo strumento di perfusione dell'EIT è stato sviluppato per fornire una valutazione dettagliata del flusso sanguigno polmonare regionale, consentendo ai medici e al personale medico di stimare la relazione ventilazione-perfusione. La perfusione polmonare valutata dall'EIT è stata utilizzata anche per determinare la risposta agli aggiustamenti della ventilazione e all'ossigenazione, nonché la risposta alla terapia vasodilatatrice polmonare 9,23,25,29,30,31. Inoltre, l'EIT può anche rilevare grandi difetti di perfusione polmonare, suggerendo la presenza di tromboembolia32,33.

L'EIT ha alcune controindicazioni. In primo luogo, l'EIT non è attualmente raccomandato nei pazienti con pacemaker o defibrillatori impiantabili. Al momento, non ci sono studi che valutino l'interferenza elettrica del segnale EIT e della funzione del pacemaker. In secondo luogo, il segnale di impedenza può essere alterato da condizioni come pneumomediastino significativo o enfisema sottocutaneo, compromettendo la corretta interpretazione delle mappe di ventilazione e perfusione. Infine, il requisito che la cintura sia a stretto contatto con la pelle presenta sfide nell'uso dell'EIT con pazienti che hanno bende toraciche34.

È fondamentale prestare attenzione ed evitare di utilizzare lo strumento di perfusione in determinati scenari: pazienti che ricevono dosi crescenti di vasopressori; pazienti con ipernatriemia; pazienti con pneumotorace attivo e/o fistola broncopleurica; neonati e pazienti pediatrici. L'utilizzo dell'EIT per la valutazione della perfusione insieme all'imaging della ventilazione tradizionale consente agli operatori sanitari di comprendere più a fondo la funzione polmonare, aiutando nella diagnosi e nel trattamento dei pazienti in vari contesti clinici.

Considerazioni per popolazioni specifiche
I principi della tecnologia EIT si applicano ai neonati, ai pazienti pediatrici e adulti in base al perimetro toracico e alle dimensioni della cintura. Le cinture per neonati sono monouso e consigliano di essere posizionate per 24 ore invece di 48 ore per gli adulti. E' stato creato uno specifico sensore di flusso in grado di misurare i piccoli volumi correnti (da 3 mL a 100 mL) associati a questa popolazione e aventi un corrispondente spazio morto di 1 mL.

Il monitoraggio online classifica i polmoni in regioni di interesse (ROI) predefinite, ad esempio. quattro metà (sinistra, destra, anteriore e posteriore) o quattro strati orizzontali. Tuttavia, l'analisi offline potrebbe offrire maggiori opportunità per un'analisi approfondita, ad esempio pixel per pixel. Tutti i dati dell'EIT sono conservati in un formato proprietario noto come Product Information Management (PIM). Il file PIM incapsula le informazioni pre-elaborate, tra cui la tensione misurata prima della ricostruzione tomografica, i segnali non filtrati e i parametri di ventilazione. Per estrarre il file PIM per l'analisi offline, collegare un'unità USB allo slot sul dispositivo EIT; Quindi, selezionare il paziente indice. L'analisi offline è utile perché fornisce tutti i dati dettagliati necessari per comprendere la fisiologia polmonare.

Come strumento diagnostico al letto del paziente, l'EIT potrebbe aiutare a diagnosticare condizioni come atelettasia, iperdistensione e pneumotorace. Oltre alla presentazione clinica e all'esame obiettivo, l'EIT offre informazioni dettagliate per queste diagnosi. L'EIT consente un recupero delle informazioni più rapido rispetto all'indagine classica. Questa capacità consente ai medici e ad altro personale sanitario di diagnosticare e trattare prontamente i pazienti 24,35,36,37.

Imparare a utilizzare e interpretare l'EIT è essenziale perché si rivela utile nella pratica clinica. La sua natura non invasiva e le capacità di monitoraggio in tempo reale rendono l'EIT uno strumento prezioso per i medici sanitari in vari contesti medici.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Glasiele Alcala, Caio C. A. Morais e Marcus Victor hanno ricevuto onorari per consulenze, mentre Carolyn La Vita ha ricevuto compensi per testimonianze da Timpel, che produce un dispositivo utilizzato in questo studio. Marcelo B. P. Amato è un azionista di minoranza di Timpel. Nessuno degli altri autori ha conflitti di interesse.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Esprimiamo il nostro sincero apprezzamento a tutti i co-autori per il loro contributo a questo articolo e ringraziamo TIMPEL Medical per aver generosamente supportato questo manoscritto con attrezzature e supporto.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Attrezzature EIT (ENLIGHT2100)Cinture mediche
Timpel Copertura cintura medica
 Timpel Medical
Sensore di flussoPhilips
Medical
Soluzione ad alta conducibilità elettrica (es. soluzione salina ipertonica, bicarbonato di sodio)Non applicabile
Timpel Cavo di riferimento Timpel

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Costa, E. L., Lima, R. G., Amato, M. B. Electrical impedance tomography. Curr Opin Crit Care. 15 (1), 18-24 (2009).
  2. Frerichs, I., et al. Chest electrical impedance tomography examination, data analysis, terminology, clinical use and recommendations: consensus statement of the TRanslational EIT developmeNt stuDy group. Thorax. 72 (1), 83-93 (2017).
  3. Borges, J. B., et al. Regional lung perfusion estimated by electrical impedance tomography in a piglet model of lung collapse. J Appl Physiol (1985). 112 (1985), 225-236 (2012).
  4. Victorino, J. A., et al. et al. Imbalances in regional lung ventilation: a validation study on electrical impedance tomography. Am J Respir Crit Care Med. 169 (7), 791-800 (2004).
  5. Heines, S. J. H., et al. Pulmonary pathophysiology development of COVID-19 assessed by serial Electrical Impedance Tomography in the MaastrICCht cohort. Sci Rep. 12 (1), 14517(2022).
  6. Nascimento, M. S., et al. Effect of general anesthesia and controlled mechanical ventilation on pulmonary ventilation distribution assessed by electrical impedance tomography in healthy children. PLoS One. 18 (3), e0283039(2023).
  7. Zhao, Z., Fu, F., Frerichs, I. Thoracic electrical impedance tomography in Chinese hospitals: a review of clinical research and daily applications. Physiol Meas. 41 (4), 01(2020).
  8. Kobylianskii, J., Murray, A., Brace, D., Goligher, E., Fan, E. Electrical impedance tomography in adult patients undergoing mechanical ventilation: A systematic review. J Crit Care. 35, 33-50 (2016).
  9. Costa, E. L., et al. Bedside estimation of recruitable alveolar collapse and hyperdistension by electrical impedance tomography. Intensive Care Med. 35 (6), 1132-1137 (2009).
  10. Mendes, P. V., et al. Lung perfusion during veno-venous extracorporeal membrane oxygenation in a model of hypoxemic respiratory failure. Intensive Care Med Exp. 10 (1), 15(2022).
  11. Gaulton, T. G., et al. Regional lung perfusion using different indicators in electrical impedance tomography. J Appl Physiol (1985). 135 (3), 500-507 (2023).
  12. Martin, K. T., et al. Electrical impedance tomography identifies evolution of regional perfusion in a porcine model of acute respiratory dstress syndrome. Anesthesiology. 139 (6), 815-826 (2023).
  13. Xin, Y., et al. Improving pulmonary perfusion assessment by dynamic contrast-enhanced computed tomography in an experimental lung injury model. J Appl Physiol (1985). 134 (6), 1496-1507 (2023).
  14. vander Burg, P. S., Miedema, M., de Jongh, F. H., van Kaam, A. H. Unilateral atelectasis in a preterm infant monitored with electrical impedance tomography: a case report. Eur J Pediatr. 173 (12), 1715-1717 (2014).
  15. Riva, T., et al. Evaluation of atelectasis using electrical impedance tomography during procedural deep sedation for MRI in small children: A prospective observational trial. J Clin Anesth. 77, 110626(2022).
  16. He, H., et al. Influence of overdistension/recruitment induced by high positive end-expiratory pressure on ventilation-perfusion matching assessed by electrical impedance tomography with saline bolus. Crit Care. 24 (1), 586(2020).
  17. Girrbach, F., et al. Detection of posttraumatic pneumothorax using electrical impedance tomography-An observer-blinded study in pigs with blunt chest trauma. PLoS One. 15 (1), e0227518(2020).
  18. Yang, Y., et al. Bedside electrical impedance tomography in early diagnosis of pneumothorax in mechanically ventilated ICU patients - a single-center retrospective cohort study. J Clin Monit Comput. 37 (2), 629-637 (2023).
  19. Kallio, M., et al. Electrical impedance tomography reveals pathophysiology of neonatal pneumothorax during NAVA. Clin Case Rep. 8 (8), 1574-1578 (2020).
  20. Pereira, S. M., et al. Individual positive end-expiratory pressure settings optimize intraoperative mechanical ventilation and reduce postoperative atelectasis. Anesthesiology. 129 (6), 1070-1081 (2018).
  21. Jimenez, J. V., Weirauch, A. J., Culter, C. A., Choi, P. J., Hyzy, R. C. Electrical impedance tomography in acute respiratory distress syndrome management. Crit Care Med. 50 (8), 1210-1223 (2022).
  22. Becher, T., et al. Individualization of PEEP and tidal volume in ARDS patients with electrical impedance tomography: a pilot feasibility study. Ann Intensive Care. 11 (1), 89(2021).
  23. Barbas, C. S. V., Amato, M. B. P. Electrical impedance tomography to titrate PEEP at bedside in ARDS. Respir Care. 67 (8), 1061-1063 (2022).
  24. Maciejewski, D., Putowski, Z., Czok, M., Krzych, L. J. Electrical impedance tomography as a tool for monitoring mechanical ventilation. An introduction to the technique. Adv Med Sci. 66 (2), 388-395 (2021).
  25. Jonkman, A. H., et al. Lung recruitment assessed by electrical impedance tomography (RECRUIT): A multicenter study of COVID-19 acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 208 (1), 25-38 (2023).
  26. Jimenez, J. V., et al. Electric impedance tomography-guided PEEP titration reduces mechanical power in ARDS: a randomized crossover pilot trial. Crit Care. 27 (1), 21(2023).
  27. Sella, N., et al. Electrical impedance tomography: A compass for the safe route to optimal PEEP. Respir Med. 187, 106555(2021).
  28. Slobod, D., et al. Integrating electrical impedance tomography and transpulmonary pressure monitoring to personalize PEEP in hypoxemic patients undergoing pressure support ventilation. Crit Care. 26 (1), 314(2022).
  29. Spina, S., et al. Modulation of pulmonary blood flow in patients with acute respiratory failure. Nitric Oxide. 136-137, 1-7 (2023).
  30. Cenci, S., Santiago, R. S., Bittner, E. A., Berra, L. Assessing regional lung perfusion changes to inhaled pulmonary vasodilators by electrical impedance tomography. Am J Respir Crit Care Med. 208 (9), e39-e40 (2023).
  31. Ekkapat, G., Ribeiro De Santis Santiago, R., Victor, M., Berra, L. Electrical impedance tomography for assessing the impact of inhaled nitric oxide on pulmonary artery pressure. Anesthesiology. , (2024).
  32. He, H., et al. Bedside evaluation of pulmonary embolism by saline contrast electrical impedance tomography method: A prospective observational study. Am J Respir Crit Care Med. 202 (10), 1464-1468 (2020).
  33. He, H., et al. Three broad classifications of acute respiratory failure etiologies based on regional ventilation and perfusion by electrical impedance tomography: a hypothesis-generating study. Ann Intensive Care. 11 (1), 134(2021).
  34. Ribeiro De Santis Santiago, R., et al. Lung imaging acquisition with electrical impedance tomography: Tackling common pitfalls. Anesthesiology. 139 (3), 329-341 (2023).
  35. Zhou, R., et al. Electrical impedance tomography to aid in the identification of hypoxemia etiology: Massive atelectasis or pneumothorax? A case report. Front Med (Lausanne). 9, 970087(2022).
  36. Rubin, J., Berra, L. Electrical impedance tomography in the adult intensive care unit: clinical applications and future directions. Curr Opin Crit Care. 28 (3), 292-301 (2022).
  37. Tomicic, V., Cornejo, R. Lung monitoring with electrical impedance tomography: technical considerations and clinical applications. J Thorac Dis. 11 (7), 3122-3135 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrical Impedance TomographyLung Function MonitoringIntensive Care UnitPulmonary PerfusionVentilation DistributionPEEP TitrationHypertonic Saline InjectionRegional VentilationMechanical VentilationLung Pathology Detection

Related Articles