Sectorial bio impedance spectroscopy for monitoring and differential diagnostic of lung pathologies
Anaesthesiology
Final Report Abstract
Ziel des Gesamtprojekts war es zu untersuchen, ob Bioimpedanz-Messungen zur verbesserten Diagnose von Lungenerkrankungen genutzt werden können. Dazu wurden sowohl theoretische, technische Fragen untersucht, als auch tierexperimentelle Validierungsversuche durchgeführt und ausgewertet. Ergebnis der theoretischen Grundlagen waren modellbasierte Ergebnisse zur Optimierung der Elektrodenanordnungen in spektoriellen Bioimpedanzmessungen (BIS). Diese optimierten Anordnungen sollten genutzt werden um lokale Impedanzdaten in der Lunge zur extrahieren und zur Diagnostik des Lungenstatus zu nutzen. Im Nachfolgeantrag wurden diese theoretischen Erkenntnisse in tierexperimentellen Versuchen validiert. Das Versuchsprotokoll sah vor, ein akutes Lungenversagen zu erzeugen und Bioimpedanzdaten zu erheben. Dies wurde durch zwei unterschiedliche tierexperimentelle Techniken, den so-genannten Lavage- und LPS-Verfahren, realisiert. Konkret wurden in der Studie insgesamt 19 Versuchstiere (sieben Tiere in der LPS-Gruppe, sieben Tiere in der Lavage-Gruppe und fünf Tiere in der Kontrollgruppe) zur Validierung genutzt. In allen Versuchen wurden Bioimpedanzmessungen aufgenommen, wobei sowohl die oben beschriebenen optimierten Anordnungen im Rahmen von Bioimpedanzspektroskopie-Messungen (BIS), als auch die elektrische Impedanztomographie (EIT) zum Einsatz kamen. Im Zentrum der Untersuchung stand die Frage ob die beschriebenen Bioimpedanz-Methoden verschiedene Lungenpathologien regional differenzieren können. Die Auswertung der Studie zeigte zunächst, dass die beiden genutzten tierexperimentellen Verfahren (Lavage und LPS) in der Lage sind, ein Lungenversagen zu indizieren. Hierbei zeigte sich insbesondere aber auch, dass das LPS-Verfahren zu einem deutlich stabileren Lungenversagen führte, welches ein „entzündlichen“ Ursprung hat. Aus den Impedanzdaten wurde ersichtlich, dass signifikante Unterschiede zwischen den Pathologien und der Kontrollgruppe in extrahierten Parametern vorhanden sind. Hieraus kann die Hypothese abgeleitet werden, dass die Bioimpedanzverfahren genutzt werden können, um diese Pathologien zu differenzieren. Um eine Einschätzung auf eine potentielle Diagnostik geben zu können sind weitere Versuche mit einem größeren Stichprobenumfang notwendig, da interindividuelle Charakteristika, wie beispielsweise das Gewicht oder der Flüssigkeitshaushalt, ebenfalls einen Einfluss auf die Impedanzdaten haben, welcher jedoch im Rahmen einer größeren Stichprobe durch Normierung eliminiert werden könnte. In einem weiteren technischen Arbeitspaket wurde ein neuartiger Rekonstruktionsalgorithmus für die EIT entwickelt, der in der Lage ist, Leitfähigkeitsunterschiede zwischen verschiedenen Messfrequenzen zu visualisieren und damit z.B. den Unterschied zwischen einer Flüssigkeitsansammlung und anderen Erkrankungen (z.B. Entzündungen) der Lunge darzustellen. Für die Validierung dieses Algorithmus sind ebenfalls weitere Messungen erforderlich. Insgesamt zeigen die erzielten Ergebnisse, dass Bioimpedanzmessungen einen Beitrag leisten können, um den Lungenzustand zu überwachen. Insbesondere in Anbetracht der derzeitigen Corona-Lage, besitzt dieses Verfahren ein großes Potential, da es eine kostengünstige, bettseitige, kontinuierliche Überwachung ermöglicht und somit insbesondere genutzt werden kann, um Verschlechterungen des Lungenzustands zeitnah zu diagnostizieren.
Publications
- (2018). Three-dimensional pulmonary monitoring using focused electrical impedance measurements. Journal of Electrical Bioimpedance, 9(1), 84–95
Orschulik, J., Pokee, D., Menden, T., Leonhardt, S., & Walter, M.
(See online at https://doi.org/10.2478/joeb-2018-0013) - (2019). Comparison of two experimental ARDS models in pigs using electrical impedance tomography. Plos One, 14(11), e0225218
Hochhausen N., Orschulik J., Follmann A., Santos SA., Dohmeier H., Leonhardt S., Rossaint R., Czaplik M.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0225218) - (2019). Reconstruction algorithm for frequency-differential EIT using absolute values. Physiological Measurement, 40(3), 034008
Menden, T., Orschulik, J., Dambrun, S., Matuszczyk, J., Santos S. A., Leonhardt, S., & Walter, M.
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6579/ab0b55) - (2020). Impact of Lung Pathologies on Bioimpedance Spectroscopy Measurements – An Experimental Study, International Journal of Bioelectromagnetism, Vol 22, No. 1, 2020, pp. 1 – 19
Orschulik J., Hochhausen N., Czaplik M., Aguiar Santos S., Leonhardt S., Walter M.
(See online at https://doi.org/10.18154/RWTH-2020-10044) - (2020). Monitoring the Respiratory System using Regional Impedance Analysis. Dissertation, Aachener Beiträge zur Medizintechnik, Band 60, ISBN: 978-3-8440-7687-5
Jakob Orschulik
