Kontaktlose Überwachung von Atemtätigkeit und Herzaktion mittels magnetischer Bioimpedanzmessung im neonatalen Tiermodell

Heerich, Nora Katharina; Orlikowsky, Thorsten

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-31305

Kontaktlose Überwachung von Atemtätigkeit und Herzaktion mittels magnetischer Bioimpedanzmessung im neonatalen Tiermodell = Non-contact monitoring of heart- and lung activity using magnetic induction in a neonatal animal model

Heerich, Nora Katharina

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nora Katharina Heerich

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang52 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Orlikowsky, Thorsten (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-01-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31305
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51570/files/Heerich_Nora.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Neonatologische Intensivmedizin (537500-3)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Tiermodell (Genormte SW) ; Monitoring (Genormte SW) ; Impedanzmessung (Genormte SW) ; Neugeborenes (Genormte SW) ; Atmung (Genormte SW) ; Herzfrequenz (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; non-contact (frei) ; magnetic induction measurement (frei) ; lung activity (frei) ; heart activity (frei) ; neonatal animal model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
EINFÜHRUNG: Die magnetische Bioimpedanz-Messung (MBM) ermöglicht die Bestimmung des Widerstandes in biologischem Gewebe mit Hilfe von magnetischen Wechselfeldern, d.h. sich zeitlich ändernden Magnetfeldern. Diese entstehen, wenn im Körper leitende Fluide bei Atemtätigkeit (Luft, schlecht leitend) oder Herzaktion (Blut, gut leitend) verschoben werden. Als Folge verändert sich die Widerstandsverteilung im Thorax, und es kommt zur Verschiebung seines Gesamtwiderstandes. Mittels Spulen werden diese Veränderungen kontaktlos registriert und aufgezeichnet. Dieses Mess-Prinzip wurde bisher in einem Tiermodell mit ausgewachsenen Schweinen und bei gesunden Erwachsenen angewandt. Ein neonatales Tiermodell existiert nicht. Unser Ziel war es, mittels MBM kontaktlos Atemtätigkeit und Herzaktion bei neugeborenen Ferkeln zu messen, um dieses Verfahren ggf. als Modell zur Evaluation von Störungen der Herz- und Atemfunktion im Neugeborenenalter zu testen. VERSUCHSAUFBAU: Mittels 5 Spulen (3 Mess- und 2 Erregerspulen) im Boden eines Experimental-Inkubators wurde bei 16 analgo-sedierten Ferkeln simultan die Veränderung der magnetischen Induktion in Abhängigkeit von Herzaktion und Atemtätigkeit gemessen und mit einem Pulsoxymeter und einem Atemfluss-Detektor (Strömungswiderstand und Differenzdrucksensor) als Referenzsignale verglichen. Neben Spontanatmung wurden die Tiere unter CPAP (Atemunterstützung zur Verhinderung des endexpiratorischen Alveolarkollapses) (Flow 8l/min, PEEP 5 cm H2O), konventioneller Beatmung (Inspratorischer Druck 14 mmHg, Frequenz 40/min) und Hochfrequenzoszillation (HFOV, Beatmungsverfahren bei Lungenversagen) (Frequenz 10Hz, Mitteldruck 10mmHg, Amplitude 1,5) untersucht. Die Erkennung der Atemtätigkeit durch MBM, im Vergleich zum Referenzsignal, wurde anhand der prozentualen Detektionsrate “korrekt registrierter Atemzüge” (95% Konfidenzintervall) beurteilt. Zur Quantifizierung der Übereinstimmung zwischen MBM und Referenzmessung in der Herzfrequenz wurden der Konkordanzkorrelationskoeffizient (KKK) nach Lin (95% Konfidenzintervall) und der Bland-Altman-Plot herangezogen.ERGEBNISSE: Die Detektionsrate der Atemtätigkeit für MBM im Vergleich zum Referenzsignal lag unter CPAP bei 88% (95% KI: [87,1%;88,5%]), bei konventioneller Beatmung bei 91% (95% KI: [90,3%;91,2%]) und unter HFOV bei 95% (95% KI: [94,7%;94,9%]); Bei der Herzaktion lag während den Apnoephasen die Differenz bei 1,1 Schlägen/min (+/-11,3 SD) und unter HFOV bei 5,3 Schlägen/min (+/-26,4 SD). METHODISCHE PROBLEME: Unter Spontanatmung gelang es bisher nicht, eine Korrelation zwischen MBM und Referenzsignal herzustellen. Aufgrund von Interferenzproblemen war eine Erfassung der Herzaktion nur während Apnoephasen und unter HFOV möglich.ZUSAMMENFASSUNG: Die Erfassung der Atemtätigkeit mittels MBM ist in einem neonatalen Tiermodell grundsätzlich möglich. Aufgrund der viel kleineren Herzsignal-Anteile gelingt die Herzaktivität bisher nur in ausgewählten Situationen. Die Ergebnisse können Basis für die Entwicklung von wenig/nicht invasiven Parametern in der Neonatologie sein, wobei als nächstes qualitative Eigenschaften der Atemtätigkeit erfasst werden sollten.

BACKGROUND: Magnetic induction measurement (MIM) allows the identification of resistance in biologic tissues by alternating magnetic fields. These occur when well-conducting (blood) and poor-conducting matter (air) is moved through the thorax during heart and lung activity. As a result, allocation of the resistance changes and the total resistance of the thorax is shifted. By using coils, these changes can be registered in a non-contact manner and recorded. To date, this measuring principle was employed only in adult volunteers or in full-grown pigs. A neonatal animal model has not yet been described. The aim of this study was to test the hypothesis that non-contact monitoring of heart and lung activity using MIM in a porcine newborn piglet model can be applied in order to evaluate neonatal disorders of heart and lung activity in the future. MATERIALS AND METHODS: By using five coils (three measurement and two excitation coils), placed at the bottom of an experimental incubator, magnetic induction changes, depending on the heart and lung activity in 16 analgosedated piglets, were simultaneously measured and compared with pulse oximetry and airflow detection (flow resistance and pressure differential sensor) as reference signals. In addition, spontaneous breathing, including apnea, CPAP (continuous positive airway pressure to prevent end-expiratory alveolar collapse, flow 8 l/min; pressure 5 cm H(2)O), mechanical ventilation (inspiratory pressure 14 cm H(2)O; frequency 40/min) and high frequency oxygenation ventilation (HFOV, ventilation method in lung failure) (frequency 10 Hz, mean pressure 10 cm H(2)O, amplitude 1.5) were performed. Lung activity with MIM compared with the reference signal was estimated with a detection rate (%) of "correct registered lung activity". To quantify the analogy between MIM and reference signal for heart activity, the concordance correlation coefficient after Lin (95% confidence interval) and the Bland-Altman plot were calculated. RESULTS AND DISCUSSION: The detection rate for breathing [%] of MIM compared with the reference signal under CPAP was 88% [95% CI: (87.1%; 88.5%)], mechanical ventilation 91% [95% CI: (90.3%; 91.2%)] and under HFOV 95% [95% CI: (94.7%; 94.9%)]. For heart activity, during apnea the difference between MIM and reference signal was 1.1 bpm (+/-11.3 SD) in apnea and during HFOV 5.3 bpm (+/-26.4 SD). Under spontaneous breathing it was not possible to achieve a correlation. Owing to interference problems, registration of heart activity with MIM during simultaneous breathing activity (CPAP, conventional mechanical ventilation, HFOV) was insufficient. CONCLUSION: Non-contact monitoring of lung activity using MIM in a neonatal piglet model is possible under specific conditions. These results might be a basis for the development of non-invasive parameters in neonatology. It also provides the possibility of obtaining more information about the characteristics of lung activity of the newborn.

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