DE102012214786A1

DE102012214786A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der regionalen Verteilung eines Maßes für die Lungenperfusion

Info

Publication number: DE102012214786A1
Application number: DE102012214786.1A
Authority: DE
Inventors: Tim Baier-Löwenstein; Eckhard Teschner; Stefan Mersmann; Yvo Gärber; Steffen Leonhardt; Robert Pikkemaat
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-05-15
Also published as: CN104582566B; US10064568B2; EP2884892A1; BR112015003159A2; WO2014029631A1; CN104582566A; US20150216443A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der regionalen Verteilung eines Maßes für die Lungenperfusion mit einer Elektroimpedanztomographie-Einheit mit Elektroden (E1, ... EN), die um den Umfang einer Schnittebene verteilt am Thorax anbringbar sind, und mit einer mit den Elektroden verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (2), die dazu eingerichtet ist, sukzessive jedem Paar von Elektroden Wechselstrom oder Wechselspannung zuzuführen und Spannungs- oder Stromsignale der übrigen Elektroden als Messsignale aufzunehmen und aus den Messsignalen die Impedanzverteilung in der Schnittebene zu rekonstruieren, einer Zufuhreinrichtung (4) zur intravenösen Zufuhr eines Leitfähigkeitskontrastmittels, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, die Änderungen der Impedanzverteilung infolge der Zufuhr von Leitfähigkeitskontrastmittel als Maß für die Lungenperfusion in der Schnittebene als Funktion der Zeit zur Anzeige zu bringen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zufuhreinrichtung (4) eine steuerbare Dosiervorrichtung aufweist und die Steuer- und Auswerteeinheit und die Dosiervorrichtung über eine Datenverbindung (3) miteinander verbunden und so eingerichtet sind, dass mindestens Start- und Endzeit und Menge der Abgabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels der Steuer- und Auswerteeinheit (2) zur Verfügung stehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der regionalen Verteilung eines Maßes für die Lungenperfusion in einer Schnittebene des Thorax eines Patienten mit einer Elektroimpedanztomographie-Einheit mit einer Vielzahl von Elektroden, die um den Umfang der Schnittebene verteilt am Thorax anbringbar sind, und mit einer mit der Vielzahl von Elektroden verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, sukzessive jedem Paar von Elektroden Wechselstrom oder Wechselspannung zuzuführen und Spannungs- oder Stromsignale der übrigen Elektroden als Messsignale aufzunehmen und aus den Messsignalen die Impedanzverteilung in der Schnittebene zu rekonstruieren, und mit einer Zufuhreinrichtung zur intravenösen Zufuhr eines Leitfähigkeitskontrastmittels, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet ist, die Änderungen der Impedanzverteilung infolge der Zufuhr von Leitfähigkeitskontrastmittel als Maß für die Lungenperfusion in der Schnittebene als Funktion der Zeit zur Anzeige zu bringen.
Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel „Bestimmung der Lungenperfusion mittels elektrischer Impedanztomographie", Henning Luepschen et al., Biomed Tech 2010; 55 (Suppl. 1), bekannt. Die Vorrichtung weist eine Elektroimpedanztomographie-Einheit (EIT-Einheit) auf, wie sie vielfach in medizintechnischen Anwendungen verwendet werden. Eine solche EIT-Einheit hat eine Mehrzahl von Elektroden, die um den Umfang einer Schnittebene verteilt am Thorax anbringbar sind. Ferner ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorhanden, die mit den Elektroden verbunden ist und die dazu eingerichtet ist, sukzessive jedem Paar aus der Mehrzahl von Elektroden Wechselstrom oder Wechselspannung zuzuführen und die resultierenden Spannungs- oder Stromsignale der übrigen Elektroden als Messsignale aufzunehmen und aus den Messsignalen die Impedanzverteilung in der Schnittebene zu rekonstruieren. Genauer gesagt wird dabei nicht die Impedanz absolut bestimmt, sondern ihre Veränderung gegenüber einer Referenzverteilung. Eine derartige EIT-Einheit ist zum Beispiel in EP 2 228 009 A1 beschrieben.
Ferner ist bei der bekannten Vorrichtung eine manuell betätigte Zufuhreinrichtung (z.B. eine Spritze) zur intravenösen Zufuhr eines Leitfähigkeitskontrastmittels vorhanden. Als Leitfähigkeitskontrastmittel können Flüssigkeiten verwendet werden, deren Leitfähigkeit sich deutlich von derjenigen von Blut unterscheidet. Nach Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels lassen sich regionale Leitfähigkeitsdilutionskurven aufnehmen, d.h. das Durchströmen des Bolus durch die Schnittebene zeigt sich in einem schnellen Anstieg der Impedanz auf einen Maximalwert, wonach ein langsamerer Abfall auf die Grundlinie erfolgt (falls das Leitfähigkeitskontrastmittel die Impedanz senkt, zeigt sich ein Abfall der Impedanz auf einen Minimalwert und danach einen Anstieg auf die Grundlinie). Solche Dilutionskurven lassen sich für die einzelnen Bildelemente der rekonstruieren Impedanzverteilung der Schnittebene durch den Thorax aufnehmen und auf einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige bringen. Es können zum Beispiel in einer zweidimensionalen Darstellung die bestimmten Momentanwerte der Impedanz ortsaufgelöst dargestellt werden, wobei die Momentanwerte durch entsprechende Helligkeitswerte dargestellt werden. Nach Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels zeigt sich dann zum Beispiel zunächst das Einfließen des Kontrastmittels ins rechte Herz, wo sich dadurch eine entsprechend erhöhte Helligkeit in der Abbildung der Schnittebene des Thorax im Bereich des rechten Herzens zeigt, wonach das Kontrastmittel das rechte Herz in Richtung Lunge verlässt, wodurch die zunächst mit erhöhter Helligkeit dargestellten rechten Herzteile wieder dunkler werden und die Lunge heller wird, wonach das Kontrastmittel dann zurück in das linke Herz fließt, das dann mit entsprechend erhöhter Helligkeit auf der Anzeigeeinrichtung erscheint. Anstatt einer zeitlich variierenden Darstellung des momentanen Impedanzwerts können auch andere Parameter der Dilutionskurven ortsaufgelöst angezeigt werden, zum Beispiel die maximale Amplitude der Dilutionskurve oder der Integralwert über die Dilutionskurve; in den letzteren Fällen würde für die Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels dann eine einzelne ortsaufgelöste Darstellung eines Maßes für die Lungenperfusion erzeugt. Der Begriff „Maß für die Lungenperfusion“ wird hier verwendet, um deutlich zu machen, dass die Lungenperfusionswerte hier nicht absolut bestimmt werden müssen, sondern nur die relativen Anteile an der Gesamtperfusion ausreichen können.
Bei der Messung der Lungenperfusion unter Zuhilfenahme eines Leitfähigkeitskontrastmittels muss zunächst das Kontrastmittel injiziert werden, um anschließend die Perfusionsmessung an der EIT-Einheit zu starten. Hieraus resultieren zwei Probleme bei der Durchführung einer Messung: a) bezogen auf die Gabe des Kontrastmittels, und b) bezogen auf die Lungenperfusionsmessung.
Bei der Gabe des Leitfähigkeitskontrastmittels hat die Geschwindigkeit, mit der das Mittel verabreicht wird, unter Umständen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung und auf die Vergleichbarkeit verschiedener Messungen untereinander. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Kontrastmittel manuell ohne Erfassung des exakten Volumens und/oder des exakten Zeitpunkts appliziert wird. Soweit die Gabe des Kontrastmittels manuell und ohne technische Überwachung erfolgt, ist nicht davon auszugehen, dass die in-vivo-Konzentration des Kontrastmittels für alle Messungen vergleichbar ist, und die Quantifizierbarkeit und Vergleichbarkeit von EIT-Analysen ist somit nicht sichergestellt.
Bei der Lungenperfusionsmessung ergibt sich auch ein Zeitversatz zwischen der Gabe des Leitfähigkeitskontrastmittels und dem Beginn der Messung. Dieser Zeitversatz kann bereits zu einer verminderten Qualität der Analyseergebnisse führen. Da zudem nicht vorausgesetzt werden kann, dass der Zeitversatz immer konstant ist, sind zwei Messungen nur bedingt miteinander vergleichbar, da von unterschiedlichen Konzentrationen des Kontrastmittels im Blut zu den jeweiligen Messzeitpunkten auszugehen ist. Gleiches gilt bei Ende der Gabe des Kontrastmittels, denn hierbei muss auch die Lungenperfusionsmessung nach einer definierten Zeit beendet werden. Auch dabei ist von einem Zeitversatz zwischen dem Ende der Gabe des Kontrastmittels und dem Beenden der EIT-Messung auszugehen.
Da die Messungen bei manueller Applikation des Leitfähigkeitskontrastmittels möglicherweise stark voneinander abweichen und die Ergebnisse der Messungen nicht reproduzierbar sind, lassen sich keine verlässlichen Schlussfolgerunen aus den Messwerten ableiten. So ist es zum Beispiel nicht möglich, dass Ventilations-Perfusions-Verhältnis (V/Q-Ratio) so zu bestimmen, dass verschiedene Messungen miteinander vergleichbar sind und somit ein Trend erfasst werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der regionalen Verteilung eines Maßes für die Lungenperfusion so auszugestalten, dass eine bessere Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit aufeinanderfolgender Messungen an einer Person oder von Messungen an verschiedenen Personen erreicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist die Zufuhreinrichtung für das Leitfähigkeitskontrastmittel eine steuerbare Dosiervorrichtung auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit und die Dosiervorrichtung sind über eine Datenverbindung miteinander verbunden und so eingerichtet, dass mindestens Start- und Endzeit und Menge der Abgabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels der Steuer- und Auswerteeinheit als Parameter zur Verfügung stehen. Damit sind natürlich auch Parametersätze umfasst, die sich durch Umrechnung ergeben, wie z.B. Startzeitpunkt, Menge und Injektionsgeschwindigkeit oder Startzeitpunkt, Menge und Dauer der Injektion etc.. Dabei kann die Steuer- und Auswerteinheit dazu eingerichtet sein, der steuerbaren Dosiervorrichtung eine vorgegebene Startzeit, eine vorgegebene Menge und einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Infusion des Leitfähigkeitskontrastmittels als Steuerparameter über die Datenverbindung zusenden. Alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinheit die Dosiervorrichtung lediglich starten und erhält als Rückmeldung von der Dosiervorrichtung die genaue Startzeit, die Menge und den zeitlichen Verlauf der Infusion des Leitfähigkeitskontrastmittels. Alternativ kann die steuerbare Dosiervorrichtung auch von dritten Geräten (z.B. Beatmungsgerät oder Überwachungsmonitor) direkt oder indirekt über die Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert werden, wobei die Dosiervorrichtung dann Daten betreffend Startzeit, applizierte Mengen und zeitlichen Verlauf der Bolusgabe an die Steuer- und Auswerteeinheit sendet. Dabei kann die Datenkommunikation über die Datenverbindung sowohl drahtgebunden als auch drahtlos realisiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, die Gabe des Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels in vorgegebenen zeitlichen Abständen zu wiederholen und eine die zeitliche Entwicklung des Maßes der Lungenperfusion als Funktion der Zeit repräsentierende Trenddarstellung zur Anzeige zu bringen. Alternativ kann die Gabe des Bolus manuell durch Betätigen eines Schalters ausgelöst werden, wobei die Betätigung des Schalters die Dosiervorrichtung zur Gabe des Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels veranlasst, wobei Dosiervorrichtung entweder von der Steuer- und Auswerteeinheit gestartet wird, der die vorgegebenen Parameter (Start, Menge und zeitlicher Verlauf der Bolusgabe) dann bekannt sind oder direkt ohne Zwischenschaltung der Steuer- und Auswerteeinheit gestartet wird, wobei die Dosiervorrichtung dazu eingerichtet ist, die genannten Parameter der Bolusgabe dann an die Steuer- und Auswerteeinheit zu senden.
Alternativ kann die wiederholte Ansteuerung der steuerbaren Dosiervorrichtung in vorgegebenen zeitlichen Abständen auch von dritten Geräten aus (z.B. Beatmungsgerät oder Überwachungsmonitor) direkt oder indirekt über die Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, das Maß für die Perfusion ortsaufgelöst über die Lungenfläche in der Schnittebene durch den Thorax zweidimensional zur Anzeige zu bringen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, die perfundierte Fläche in der Schnittebene zu bestimmen und perfundierten Flächen, die sich jeweils aus der Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels ergeben, als Trenddarstellung als Funktion der Zeit der Gaben der Boli des Leitfähigkeitskontrastmittels zur Anzeige zu bringen. Als perfundierte Flächen können dabei solche Gebiete definiert werden, in denen das Maß für die Perfusion oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Ergänzend kann innerhalb der perfundierten Flächen ein Maß für die Homogenität der Perfusion bestimmt werden, z.B. die mittlere Abweichung von der gemittelten Perfusion in der perfundierten Fläche (=0, wenn die Perfusion überall gleich ist), und als Trenddarstellung als Funktion der Zeit der Gaben der Boli zur Anzeige gebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, in Zeiten ohne Gabe von Leitfähigkeitskontrastmittel aus den Impedanzverteilungen der Schnittebene des Thorax die regionale Verteilung der Ventilation zu bestimmen und als Funktion der Zeit zur Anzeige zu bringen. Verfahrensweisen zur Bestimmung der intratidalen Verteilung der Ventilation über den Querschnitt der Lunge sind zum Beispiel in EP 2 228 009 A1 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dosiervorrichtung mit einem Temperatursensor für das Leitfähigkeitskontrastmittel oder mit einer von der Steuer- und Auswerteeinheit steuerbaren Temperiereinrichtung für das Leitfähigkeitskontrastmittel versehen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, aus der bestimmten oder durch die Temperiereinrichtung eingestellten Temperatur des Leitfähigkeitskontrastmittels das Herzauswurfvolumen auf Basis des Dilutionsprinzips zu bestimmen und aufgrund des bestimmten Herzauswurfsvolumens das Maß für die Lungenperfusion absolut zu kalibrieren. Grundsätzlich kann für die Kalibration auch eine isotone Lösung verwendet werden, die Leitfähigkeit nicht ändert und damit kein Leitfähigkeitskontrastmittel im eigentlichen Sinne ist.
Durch die Messung oder Einstellung der Temperatur des Leitfähigkeitskontrastmittels ist es möglich, mithilfe des Dilutionsprinzips (zum Beispiel nach der Steward-Hamilton-Methode) das Herzauswurfvolumen zu berechnen und somit die gemessenen EIT-Werte bezüglich der Perfusion zu kalibrieren und die Genauigkeit der Messung zu verbessern.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Genauigkeit der Messung gesteigert wird, die Vergleichbarkeit verschiedener Messungen gewährleistet ist, dass zyklische, automatische Messungen durchgeführt werden können und die Möglichkeiten von Fehlbedienungen durch den Benutzer reduziert sind.
Die Gabe des Leitfähigkeitskontrastmittels erfolgt unter definierten Bedingungen, so dass der Steuer- und Auswerteeinheit der EIT-Einheit Startzeitpunkt, Volumen und Geschwindigkeit der Injektion bekannt sind. Die Steuer- und Auswerteeinheit löst, entweder infolge der Betätigung eines Schalters oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen automatisch oder getriggert durch externe dritte Geräte (wie z.B. Beatmungsgerät oder Überwachungsmonitor), die Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels mit bekannten Parametern aus, wobei gleichzeitig die EIT-Einheit zu wiederholten Messungen der regionalen Impedanzverteilungen in der Schnittebene des Thorax veranlasst wird. Alternativ sendet die Dosiervorrichtung Daten betreffend Startzeit, Menge und zeitlichem Verlauf der Abgabe eines Bolus an die Steuer- und Auswerteeinheit, falls die Dosiervorrichtung direkt oder durch ein externes Gerät zur Abgabe eines Bolus veranlasst wird.
Durch die Daten-Verbindung zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit der EIT-Einheit und dritten Geräten und der Dosiervorrichtung und durch die Steuerung oder Synchronisierung von EIT-Einheit und Dosiervorrichtung wird der zeitliche Ablauf einer Perfusionsmessung genau definiert. Für eine kontinuierliche Perfusionsmessung kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen ein definiertes Volumen eines Leitfähigkeitskontrastmittels unter definierten Bedingungen abgegeben und eine entsprechende EIT-Messung durch die EIT-Einheit ausgelöst werden. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung gesteigert und die Vergleichbarkeit verschiedener Messungen gewährleistet. Wenn darüber hinaus ein Zeitgeber in die Vorrichtung integriert ist, so sind zyklische, automatisch durchgeführte Messungen möglich. Die Fehlerquellen für eine mögliche Fehlbedienung durch den Benutzer sind reduziert, da der Benutzer ein entsprechendes Manöver über einen einzigen Schalterdruck starten kann. Der Benutzer muss daher nicht mehr wie im Stand der Technik das Leitfähigkeitskontrastmittel injizieren, die EIT-Messung auslösen und möglicherweise stoppen. Damit ist eine solche Vorrichtung auch in der Bedienung wesentlich einfacher.
Durch die definierte Gabe von Boli lässt sich anhand einer geänderten Steward-Hamilton-Methode eine präzise Grundlinie für die EIT-Messung bestimmen. Die Methode kann auch als Steward-Hamilton-Methode für die EIT-Messung betrachtet werden. Hierbei wird nicht nur die Temperatur des Injektats gemessen, sondern die geänderte Leitfähigkeit im Blut. Ein solches Verfahren ist beschrieben in: „Bestimmung der Lungenperfusion mittels elektrischer Impedanztomographie" von H. Luepschen et al., 44. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (BNT 2010), Rostock, Deutschland, 6.–8. Oktober 2010.
Da die Ergebnisse der EIT-Messungen miteinander verglichen werden können, kann somit ein Trend über das Herz-Zeit-Volumen und/oder die Lungenperfusion berechnet und angezeigt werden. Die Berechnung und Anzeige kann sowohl in Form einer regionalen Darstellung, ähnlich einem EIT-Ventilationsbild, erfolgen, aber auch als einzelner Messwert (Darstellung als Skalar).
Für einen möglichst guten Gasaustausch in der Lunge muss das Verhältnis zwischen lokaler Ventilation V und Perfusion Q möglichst ausgewogen sein. In der Literatur wird daher das Verhältnis V/Q = 0,8... 1,0 als optimal bezeichnet. Es gibt bislang jedoch keine Möglichkeit, dieses Verhältnis regional in Echtzeit zu bestimmen. Durch die bereits vorgestellte Verbesserung der Messergebnisse im Rahmen der vorliegenden Erfindung und deren quantitativer Interpretation in Bezug auf die physiologischen Kenngrößen lässt sich nun auch die V/Q-Ratio bestimmen und sowohl regional aufgelöst als auch als einzelner Messwert (Skalar) anzeigen. Ein Vergleich von intra- und interindividuellen Daten ist nun ebenfalls möglich. Somit kann auch ein Trend bezüglich der V/Q-Ratio bestimmt und angezeigt werden und als Parameter für Diagnose und Therapie Verwendung finden. Anhand einer definierten V/Q-Ratio lassen sich nunmehr auch die Beatmungsparameter für einen Patienten optimieren, so dass eine möglichst optimale V/Q-Ratio erreicht wird. Die Bestimmung der optimalen Beatmungsparameter kann auf verschiedene Arten erfolgen. Sie können entweder von einem Arzt oder Pflegepersonal festgelegt werden, oder sie werden von einem weiteren System (z.B. einem Expertensystem) bestimmt und dem Arzt vorgeschlagen oder sie werden von einem weiteren System (z.B. einem Expertensystem) bestimmt und automatisch appliziert. Zum Austausch der erhobenen EIT-Perfusionsdaten und der regionalen V/Q-Ratio Werte mit dem Beatmungsgerät bzw. dem weiteren System (z.B. einem Expertensystem) kann eine Datenverbindung zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit und dem weiteren System (z.B. Expertensystem) bzw. dem Beatmungsgerät bestehen.
Darüber hinaus kann anhand einer definierten V/Q-Ratio auch die Gabe von Medikamenten optimiert werden, so dass eine möglichst optimale V/Q-Ratio erreicht wird. Sie können entweder von einem Arzt beziehungsweise Pflegepersonal festgelegt werden oder sie werden von einem Expertensystem bestimmt und dem Arzt vorgeschlagen oder sie werden von dem weiteren System (z.B. einem Expertensystem) bestimmt und automatisch appliziert.
Durch die kontrollierte Verwendung von Leitfähigkeitskontrastmitteln erschließt sich der EIT ein neuer Bereich der Anwendung. Das regionale Erfassen und Quantifizieren von Shunts (Lungenareale, die durchblutet, aber nicht ventiliert sind) und Toträumen (Lungenareale, die ventiliert, aber nicht durchblutet sind) ist mit der klassischen „difference-in-time“ EIT, nicht ohne weiteres möglich. Mithilfe der Vorrichtung dieser Erfindung ist diese diagnostisch und therapeutisch relevante regionale Bewertung prinzipiell möglich. Auch über die Shunts und Toträume der Lunge lassen sich entsprechende Trends berechnen und visualisieren. Wenn Shunts oder Toträume bestimmt werden, können hieraus auch entsprechende Therapieempfehlungen von der Steuer- und Auswerteinheit ausgegeben oder an das weiteres System (z.B. ein Expertensystem) bzw. das Beatmungsgerät übermittelt werden.
Mittels der definierten Gabe von Boli in bestimmte Zeitabständen ist es möglich, eine „Kalibration“ der herzauswurf- und durchblutungsbedingten Informationen vorzunehmen, die mittels eines Verfahrens wie zum Beispiel in „Dynamic separation of pulmonary and cardiac changes in electrical impedance tomography", Physiol Meas. 2008 Juni; 29(6), Seiten 1–14, beschrieben, ermittelt werden. Wird diese Vorgehensweise mit einer Dilutionsmessung kombiniert, so können die Ergebnisse in ihrer Genauigkeit nochmals verbessert werden. Ergeben sich deutliche Änderungen in kardiovaskulären Daten, so kann hieraus auf eine Änderung der Lungenperfusion oder des Herzschlagvolumens geschlossen und ein entsprechender Alarm generiert werden.
Für alle zuvor genannten Messwerte und Trends gilt, dass ein entsprechendes Alarmmanagement vorgesehen sein kann. So können zum Beispiel Alarme bei einem entsprechend großen Shunt bzw. Totraum ausgelöst werden. Die Alarmgrenzen zur Auslösung können hierbei entweder vom Benutzer am Gerät eingegeben werden oder sie werden anhand von entsprechenden klinischen Leitlinien von einem weiteren System (z.B. einem Expertensystem) automatisch erzeugt. Ein Alarm kann auch bei einer entsprechenden Änderung ausgelöst werden, also in Abhängigkeit des Gradienten des beobachteten Messwertes.
Mit der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichten Verbesserungen der Messwerte ist es nun auch möglich, eine Bildregistrierung (siehe zum Beispiel „A survey of image registration techniques" von L.G. Brown in ACM computing surveys Band 24, Nr. 4, 1992, Seiten 325–376, „Numerical methods for image registration", J. Modersitzki, Oxford University Press, 2004) durchzuführen und die mittels EIT gewonnenen Bildinformationen über Lungenperfusion und Ventilation zum Beispiel in ein Computertomographie-Bild einzufügen und somit die zwei Modalitäten (CT und EIT) miteinander zu verbinden. Hierdurch ist es für Ärzte und Personal möglich, Krankheitsbilder effizienter zu diagnostizieren und die Therapie entsprechend anzupassen.
Durch die Verbesserung der Messwerte ist es auch möglich, ein Multi-Slice-EIT-Bild der Lungenperfusion aufzunehmen, indem der Elektrodenring sukzessive in verschiedenen Höhen um den Thorax angelegt und entsprechende Messungen durchgeführt werden (bzw. es kann auch direkt eine Elektrodenanordnung verwendet werden, bei der die Elektroden in mehreren Ringen um den Thorax angeordnet sind), so dass eine Vielzahl von Schnittbildern in verschiedenen Höhen erhalten werden. Diese Schnittbilder können Dank der ihrer Genauigkeit verbesserten Ergebnisse zusammengefügt werden, so dass sich hieraus ein dreidimensionales Bild der Lunge erstellen lässt. Wird die Messung wiederholt, können die Veränderung der Lungenperfusion über die Zeit als Trend dreidimensional visualisiert werden.
Durch die verbesserte Bestimmung der Lungenperfusion ist es auch möglich, mittels eines Symmetrieoperators („The shape of indicator dilution curves used for cardiac output measurement in man", D.M. Band et al., The Journal of Physiology 1997, Januar 1, 498 (Pt 1), 225–229, „Automatic gait recognition by symmetry analysis", M.S. Nixon, Pattern Recogn. Lett., 24(13), 2175–2183, 2003, und „Detection of partial symmetry using correlation with rotated-reflected images", Masuda et al., Pattern Recognition, 26(8); 1245–1253, 1993) mögliche Pathologien zum einen aus der zeitlichen Verteilung des Bolus über die Lunge zu erkennen. Es ist auch möglich, diesen Symmetrieoperator auf die Verteilung der Amplitudenmaxima in dem Tomogramm anzuwenden, um ebenfalls mögliche Pathologien erkennen zu können. Dabei berechnet der Symmetrieoperator die Symmetrie auf den zuvor genannten Bildern und bestimmt die Symmetrie zwischen rechter und linker Lungenhälfte. Die Symmetrieachse wird hierfür nicht einfach in die Bildmitte gelegt, sondern sie wird automatisch bestimmt, zum Beispiel so, dass der Schwerpunkt der Herzregion automatisch ermittelt wird. Es ist aber auch möglich, dass der Benutzer eine entsprechende Symmetrieachse definiert. Mittels des Symmetrieoperators lässt sich ein Score berechnen. Je kleiner dieser Score, desto geringer ist die Symmetrie zwischen den beiden Lungenhälften, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für eine Lungenerkrankung. Betrachtet man das Inverse des Symmetrieoperators, so ist die Wahrscheinlichkeit für eine Lungenerkrankung desto größer, je größer das Inverse des Scores ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, Lungenareale, in denen die bestimmte Ventilation oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes und die bestimmte Perfusion unterhalb eines weiteren vorgegebenen Schwellenwertes liegt, als Toträume zu identifizieren und in dem dargestellten Schnittbild der Lunge zur Anzeige zu bringen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, Lungenareale, in denen die Perfusion oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes und die Ventilation unterhalb eines weiteren vorgegebenen Schwellenwertes liegt, als Shunts zu bestimmten und in der Schnittdarstellung der Lunge zur Anzeige zu bringen. In vorteilhaften Ausführungsformen kann die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet sein, die zeitliche Entwicklung von erkannten Shunts oder Todräumen als Trenddarstellung über einen Zeitraum zur Anzeige zu bringen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren beschrieben, in denen:
1 eine schematische Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,
2 durch EIT bestimmte Veränderungen der Impedanz an drei Bildpunkten in der Schnittebene durch den Thorax nach Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskonzentrationsmittels zeigt,
3 ein ermitteltes Maß für die Perfusion der Lunge als Funktion der Zeit als Trenddarstellung zeigt,
4 die durch EIT bestimmten Veränderungen der Impedanz an zwei Bildpunkten in der Schnittebene durch den Thorax nach Gabe eines Bolus als Funktion der Zeit zeigt, und
5 bis 13 die Entwicklung der Impedanzverteilungen in der Schnittebene durch den Thorax in Form von Höhenlinien zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten nach Gabe des Bolus zeigen.
In 1 ist die EIT-Einheit mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 2 verbunden mit Messkabeln 1 gezeigt. Die Zufuhreinrichtung 4 ist eine steuerbare Dosiervorrichtung. Zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit 2 und der Zufuhreinrichtung 4 befindet sich eine bidirektionale Datenverbindung 3. Die Dosiervorrichtung 4 ist mit einem venösen Katheter 5 verbunden, über den das Leitfähigkeitskontrastmittel injiziert wird. Die Messkabel 1 verbinden die Steuer- und Auswerteeinheit 2 mit Elektroden E₁, ... E_N, die ringförmig um den Thorax angeordnet sind. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist mit einer Anzeigeeinrichtung 6 versehen. Sowohl die Zufuhreinrichtung 4 als auch die Steuer- und Auswerteeinheit 2 können über eine externe Datenverbindung 8 mit dritten Geräten, z.B. einen Beatmungsgerät inkl. eines darin enthaltenen Expertensystems oder einem Überwachungsmonitor, verbunden sein.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Gabe eines Leitwert-Bolus gegeben. Die Steuer- und Auswerteeinheit veranlasst die Dosiervorrichtung einen Bolus von 10 ml 1-molarer NaCL-Lösung über einen Zeitraum von weniger als 2 Sekunden über einen zentralvenösen Katheter zu injizieren. Dieser Bolus kann im EIT-Bild nach etwa 3 Sekunden im Bereich des Herzens für ca. 25 Sekunden und nach etwa 6 Sekunden für ca. 20 Sekunden in der Lunge beobachtet werden, wobei das Maximum des Bolus nach etwa 4 bis 7 Sekunden zu beobachten ist. In 2 sind beispielhaft die Impedanzkurven nach Gabe eines Bolus an drei Punkten in der Bildebene des Thorax gezeigt (hier im Tierexperiment, Jungschwein ca. 35kg), wobei die Kurve in durchgezogener Linie einem Bildelement im Bereich des Herzens entspricht, die gepunktete Kurve einem Bildelement in der rechten Lunge und die gestrichelte Kurve einem Bildelement in der linken Lunge entspricht. Wie anhand der Kurven in 2 zu sehen ist, erreicht der Bolus zunächst das Herz und anschließend die beiden Lungen. In diesem Fall lässt sich aus der Verzögerung der beiden Lungenkurven gegeneinander bereits auf eine mögliche Pathologie in der Lunge schließen. Dabei kann die Zeitdifferenz zwischen den beiden Lungenhälften dazu benutzt werden, den Schweregrad der pathophysiologischen Ausprägung einzuschätzen und anzuzeigen. In diesem Fall beträgt die Zeitdifferenz der Kurven der rechten und der linken Lunge etwa 3 Sekunden. Diese Zeitdifferenz wird aus dem zeitlichen Abstand der Maxima der beiden Kurven bestimmt.
In der Zeit, in der der Bolus wirkt, ist die Messgenauigkeit des Verfahrens besonders hoch, da der Bolus direkten Einfluss auf die Impedanz des Blutes hat und somit die EIT-Messung direkt beeinflusst. Bezüglich der Form der Dilutionskurven wie in 2 wird auf den Artikel „The shape of indicator dilution curves used for cardiac output measurement in man", D.M. Band et al., The Journal of Physiology, 1997, Januar 1; 498 (Pt 1), Seiten 225–229, verwiesen. Durch die Kopplung der EIT-Einheit und der Dosiervorrichtung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zeitliche Abfolge der Manöver derart koordiniert werden, dass eine Messung der Lungenperfusion gestartet wird, sobald die Gabe des Bolus gestartet wird. Die Messung wird anhand der Kenntnis des zuvor beschriebenen Timings derart kontrolliert, dass nur über das Zeitfenster, in dem der Bolus wirkt, gemessen wird. Die Ergebnisse dieser EIT-Messung lassen sich nach entsprechender Verarbeitung, zum Beispiel mit einem Verfahren wie in dem Artikel „Dynamic separation of pulmonary and cardiac changes in electrical impedance tomography von Deibele et al., Physiol. Meas. Juni 2008, 29(6), Seiten 1–14 beschrieben, als Lungenperfusion darstellen. Wird die beschriebene Bolusmessung noch mit einer Thermodilutionsmessung kombiniert, so ist es zudem möglich, das Herzauswurfvolumen zum Zeitpunkt der Bolusmessung genau zu bestimmen und diesen Wert mit dem mittels EIT gemessenen Wert zu korrelieren, so dass im Folgenden mittels EIT das absolute Herzschlagvolumen bestimmt werden kann.
3 zeigt ein Maß für die Perfusion der Lunge, hier die mittlere Perfusion über die Schnittebene durch den Thorax als Trenddarstellung als Funktion der Zeit über viele Stunden. Eine solche Trenddarstellung der Lungenperfusion kann wichtige Hinweise auf Entwicklungen und Zustand des Patienten liefern.
4 zeigt die durch EIT bestimmten Veränderungen der Impedanz an zwei Bildpunkten in der Schnittebene durch den Thorax nach Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskonzentrationsmittels als Funktion der Zeit. Zu den mit Kreisen markierten Zeitpunkten sind in den 5–14 die Impedanzverteilungen in der Schnittebene durch den Thorax in Form von Höhenlinien dargestellt.
5. zeigt Darstellungen der Lungenperfusion mittels EIT als Höhenlinen aufgelöst zum Zeitpunkt 0.025s (der Bolus ist noch nicht im Bereich von Herz und Lunge angekommen) nach Bolusgabe sowie 1.275s nach Bolusgabe. Bei 1.275s sieht man den Bolus in die Herzregion eintreten.
6. zeigt Darstellungen der Lungenperfusion mittels EIT als Höhenlinien aufgelöst zum Zeitpunkt 2.525s und 3.775s nach Bolusgabe. Bei 2.525s sieht man den Bolus von der Herzregion in die rechte Lunge strömen. Zudem wird auch die linke Lunge teilweise von dem Bolus erreicht. Bei 3.775s sieht man, wie sich der Bolus weiter über die beiden Lungenhälften ausbreitet.
7. zeigt Darstellungen der Lungenperfusion mittels EIT als Höhenlinen aufgelöst zum Zeitpunkt 5.025s sowie 6.275s nach Bolusgabe. Bei 5.025s ist der Bolus vollständig verteilt und beginnt bei 6.275s wieder abzufließen.
8. zeigt Darstellungen der Lungenperfusion mittels EIT als Höhenlinien aufgelöst zum Zeitpunkt 8.775s nach Bolusgabe und 10.025s nach Bolusgabe. Der Bolus fließt durch das Herz wieder aus der Lunge ab.
9.–13 zeigen Darstellungen der Lungenperfusion mittels EIT als Höhenlinien aufgelöst zwischen den Zeitpunkten 11.275s und 21.275s nach Bolusgabe. Der Bolus fließt durch das Herz wieder aus der Lunge ab. Hierbei ist noch ein Herzschlag anhand der Ausdehnung der Höhenlinien in der Herzregion zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Messkabel
2: Steuer- und Auswerteeinheit
3: Datenverbindung (kabelgebunden oder drahtlos)
4: Zufuhreinrichtung
5: Katheter
6: Anzeigeeinrichtung
7: Temperatursensor
8: externe Datenverbindung (kabelgebunden oder drahtlos)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2228009 A1 [0002, 0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Bestimmung der Lungenperfusion mittels elektrischer Impedanztomographie“, Henning Luepschen et al., Biomed Tech 2010; 55 (Suppl. 1) [0002]
„Bestimmung der Lungenperfusion mittels elektrischer Impedanztomographie“ von H. Luepschen et al., 44. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (BNT 2010), Rostock, Deutschland, 6.–8. Oktober 2010 [0021]
„Dynamic separation of pulmonary and cardiac changes in electrical impedance tomography“, Physiol Meas. 2008 Juni; 29(6), Seiten 1–14 [0026]
„A survey of image registration techniques“ von L.G. Brown in ACM computing surveys Band 24, Nr. 4, 1992, Seiten 325–376, „Numerical methods for image registration“, J. Modersitzki, Oxford University Press, 2004 [0028]
„The shape of indicator dilution curves used for cardiac output measurement in man“, D.M. Band et al., The Journal of Physiology 1997, Januar 1, 498 (Pt 1), 225–229 [0030]
„Automatic gait recognition by symmetry analysis“, M.S. Nixon, Pattern Recogn. Lett., 24(13), 2175–2183, 2003 [0030]
„Detection of partial symmetry using correlation with rotated-reflected images“, Masuda et al., Pattern Recognition, 26(8); 1245–1253, 1993 [0030]
„The shape of indicator dilution curves used for cardiac output measurement in man“, D.M. Band et al., The Journal of Physiology, 1997, Januar 1; 498 (Pt 1), Seiten 225–229 [0041]
„Dynamic separation of pulmonary and cardiac changes in electrical impedance tomography von Deibele et al., Physiol. Meas. Juni 2008, 29(6), Seiten 1–14 [0041]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der regionalen Verteilung eines Maßes für die Lungenperfusion in einer Schnittebene des Thorax mit einer Elektroimpedanztomographie-Einheit mit einer Vielzahl von Elektroden (E₁, ... E_N), die um den Umfang der Schnittebene verteilt am Thorax anbringbar sind, und mit einer mit der Vielzahl von Elektroden verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (2), die dazu eingerichtet ist, sukzessive jedem Paar von Elektroden Wechselstrom oder Wechselspannung zuzuführen und Spannungs- oder Stromsignale der übrigen Elektroden als Messsignale aufzunehmen und aus den Messsignalen die Impedanzverteilung in der Schnittebene zu rekonstruieren, einer Zufuhreinrichtung (4) zur intravenösen Zufuhr eines Leitfähigkeitskontrastmittels, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, die Änderungen der Impedanzverteilung infolge der Zufuhr von Leitfähigkeitskontrastmittel als Maß für die Lungenperfusion in der Schnittebene als Funktion der Zeit zur Anzeige zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (4) eine steuerbare Dosiervorrichtung aufweist und die Steuer- und Auswerteeinheit und die Dosiervorrichtung über eine Datenverbindung (3) miteinander verbunden und so eingerichtet sind, dass mindestens Start- und Endzeit und Menge der Abgabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels der Steuer- und Auswerteeinheit (2) zur Verfügung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) dazu eingerichtet ist, die Dosiervorrichtung zur Abgabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels zu einer vorgegebenen Startzeit, mit einer vorgegebenen Menge und mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf über die Datenverbindung (3) anzusteuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung dazu eingerichtet ist, Daten betreffend Startzeit, Menge und zeitlichem Verlauf der Abgabe eines Bolus über die Datenverbindung (3) an die Steuer- und Auswerteeinheit (2) zu senden, falls die Dosiervorrichtung direkt oder durch ein externes Gerät zur Abgabe eines Bolus veranlasst wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, die Gabe des Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels in vorgegebenen zeitlichen Abständen zu wiederholen und die zeitliche Entwicklung des Maßes der Lungenperfusion als Funktion der Zeit als Trenddarstellung zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) und/oder die Dosiervorrichtung weiter dazu eingerichtet ist, die Gabe des Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels auf wiederholte manuelle Betätigung eines Schalters durch einen Benutzer wiederholt zu veranlassen und die zeitliche Entwicklung des Maßes der Lungenperfusion als Funktion der Zeit als Trenddarstellung zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) und/oder die Dosiervorrichtung dazu eingerichtet sind, durch ein durch externe Geräte über eine Datenverbindung (8) eingespeistes Signal zur Gabe des Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels veranlasst zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, das Maß für die Perfusion ortsaufgelöst über die Lungenfläche in der Schnittebene durch den Thorax zweidimensional zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, Flächen, in denen das Maß für die Perfusion oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, als perfundierte Fläche in der Schnittebene zu bestimmen und die perfundierten Flächen, die sich jeweils aus der Gabe eines Bolus des Leitfähigkeitskontrastmittels ergeben, als Trenddarstellung als Funktion der Zeit der Gaben der Boli des Leitfähigkeitskontrastmittel zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, in Zeiten ohne Gabe von Leitfähigkeitskontrastmittel aus den Impedanzverteilungen die regionale Verteilung der Ventilation in der Schnittebene des Thorax zu bestimmen und als Funktion der Zeit zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung mit einem Temperatursensor (6) für das Leitfähigkeitskontrastmittel oder mit einer von der Steuer- und Auswerteeinheit (2) steuerbaren Temperiereinrichtung für das Leitfähigkeitskontrastmittel versehen ist und die Steuer- und Auswerteeinheit (2) dazu eingerichtet ist, aus der bestimmten oder eingestellten Temperatur des Leitfähigkeitskonzentrationsmittels das Herzauswurfvolumen auf Basis des Dilutionsprinzips zu bestimmen und auf Grund des bestimmten Herzauswurfsvolumens das Maß für die Lungenperfusion absolut zu kalibrieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion (V/Q) lokal zu bestimmen und zur Anzeige zu bringen und/oder das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion (V/Q) gemittelt über den Lungenbereich in der Schnittebene des Thorax zu bestimmen und anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, bei mehreren aufeinanderfolgenden Gaben von Boli jeweils das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion (V/Q) lokal zu bestimmen und zu speichern und/oder das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion (V/Q) gemittelt über den Lungenbereich in der Schnittebene des Thorax zu bestimmen und zu speichern und die Verhältnisse von Ventilation zu Perfusion (V/Q) als Trenddarstellung gemeinsam zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiteren dazu eingerichtet ist, Lungenareale, in denen die bestimmte Ventilation oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes und die bestimmte Perfusion unterhalb eines weiter vorgegebenen Schwellenwertes liegt, als Todräume zu identifizieren und in dem dargestellten Schnittbild der Lunge zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, Lungenareale, in denen die Perfusion oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes und die Ventilation unterhalb eines weiteren vorgegebenen Schwellenwertes liegt, als Shunts zu bestimmen und in der Schnittdarstellung der Lunge zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) weiter dazu eingerichtet ist, die zeitliche Entwicklung von erkannten Shunts oder Toträumen als Trenddarstellung über einen Zeitraum zur Anzeige zu bringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (2) dazu eingerichtet ist, die in den vorhergehenden Ansprüchen genannten, aus der bestimmten Lungenperfusion abgeleiteten oder berechneten Größen auf vorgegebene Kriterien zu überwachen und bei Feststellung, dass ein vorgegebenes Kriterium nicht mehr eingehalten wird, einen Alarm zu geben.