Robustness and reliability of Electrical Impedance Tomography measurements in the neonatal intensive care unit

Abstract

Κάθε χρόνο, 15 εκατομμύρια μωρά γεννιούνται πρόωρα και σημαντικά αναπνευστικά προβλήματα επηρεάζουν αρνητικά την ομαλή εξέλιξη τους από την εμβρυϊκή στη νεογνική ηλικία, λόγω της μη ολοκλήρωσης της εξέλιξης του πνεύμονα και του ελέγχου της αναπνοής. Η μηχανική αναπνευστική υποστήριξη αποτελεί βασική μέθοδο υποστήριξης της αναπνοής σε νεογνά με αναπνευστική ανεπάρκεια, αυξάνοντας τις πιθανότητες επιβίωσης. Κατά την εφαρμογή της ανπνευστικής υποστήριξης, είναι απαραίτητη η παρακολούθηση της πνευμονικής λειτουργίας, ώστε να αποφεύγονται τα γνωστά αρνητικά επακόλουθα του μηχανικού αερισμού όπως είναι οι κίνδυνοι για σοβαρό τραυματισμό στον πνεύμονα και δημιουργία φλεγμονής. Επί του παρόντος, οι κλινικοί γιατροί δεν έχουν εύκολη εναλλακτική μέθοδο αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας των αναπνευστικών παρεμβάσεων σε πρόωρα νεογνά. Η Τομογραφία Ηλεκτρικής Εµπέδησης (THE) (αγγλ. Electrical Impedance Tomography – (EIT)) αποτελεί µία μέθοδο για απεικόνιση και παρακολούθηση της πνευμονικής λειτουργίας, σε ό,τι αφορά στην χωρική κατανομή του εισπνεόμενου αέρα, ώστε να αποφεύγονται τα προαναφερθέντα αρνητικά επακόλουθα και να προστατεύονται οι πνεύμονες. Είναι η μόνη διαθέσιμη, συνεχής, μη επεμβατική, φορητή, οικονομικά αποδοτική και χωρίς (ιοντίζουσα) ακτινοβολία τεχνολογία παρακολούθησης η οποία μπορεί να ανταποκριθεί για την κάλυψη της προαναφερθείσας ανάγκης. Το σύστημα περιλαμβάνει ηλεκτρόδια, τα οποία τοποθετούνται στην περιφέρεια του θώρακα. Η βασική αρχή της μεθόδου είναι να εισάγει σε μέρος του θώρακα ηλεκτρικό ρεύμα υψηλής συχνότητας από δύο γειτονικά ηλεκτρόδια και να μετρώνται διαφορές δυναμικού στα υπόλοιπα. Από τις μετρούμενες τάσεις στην επιφάνεια, μπορεί να γίνει η εκτίμηση της ηλεκτρικής αντίστασης των ιστών που περιέχονται στη κοιλότητα του θώρακα. Ωστόσο, η μέθοδος δεν έχει ακόμη υιοθετηθεί για τακτική χρήση σε Μονάδες Εντατικής Νοσηλείας Νεογνών (Μ.Ε.Ν.Ν.). Σε ένα κλινικό περιβάλλον, υπάρχουν πιθανοί συγχυτικοί παράγοντες, οι οποίοι σχετίζονται κυρίως με πρακτικά ζητήματα που αφορούν τον ασθενή/νεογνό όπως τα ηλεκτρόδια ή/και τις ανθρώπινες παρεμβάσεις, παράγοντες οι οποίοι πιθανόν να οδηγήσουν σε μετρήσεις κακής ποιότητας ή εσφαλμένη ερμηνεία των αποτελεσμάτων του EIT. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, παρουσιάζουμε μια έρευνα και αξιολόγηση αυτών των συγχυτικών παραγόντων εντός της ΜΕΝΝ. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, εξετάζεται η κλινική απόδοση μίας συσκευής αποτελούμενης από έναν υφασμάτινο ιμάντα με 32 ηλεκτρόδια στοχεύοντας στην απλή και γρήγορη απεικόνιση. Τα ευρήματα που προέκυψαν, βελτιώνουν τις δυνατότητες της μεθόδου ΕΙΤ να χρησιμοποιείται για περιφερειακή παρακολούθηση των πνευμόνων σε νεογνά και βρέφη με σοβαρή ασθένεια. Στην εξέλιξη της διατριβής, έχουν προκύψει σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με την ερμηνεία των παραμέτρων του EIT, λόγω περιστροφής των ηλεκτροδίων. Παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος για αυτά τα περιστατικά, ο οποίος μπορεί να εντοπίσει και να διορθώσει με ακρίβεια το μέγεθος της περιστροφής χωρίς να χάνονται πολύτιμες κλινικές πληροφορίες. Τέλος, εκτιμήθηκε η επίδραση της χορήγησης υγρού σε νεογνά, στις παραμέτρους της μεθόδου EIT, συμπεριλαμβανομένης της παραμέτρου του καρδιακού παλμού ο οποίος υπολογίζεται με τη χρήση μιάς μεθόδου ανάλυσης παραμετρικού φάσματος που αξιοποιεί μεταβολές της αντίστασης σχετιζόμενες με την καρδιά. Αυτή η διδακτορική διατριβή ολοκληρώθηκε στο πλαίσιο μιας ευρύτερης (διεθνούς) πολυκεντρικής έρευνας παρατήρησης και πιο συγκεκριμένα, της έρευνας «Συσκευή συνεχούς περιφερειακής ανάλυσης για πνεύμονες νεογνών» (αγγλ. Continuous Regional Analysis Device for neonate Lung (CRADL)) η οποία καταπιάστηκε με την αξιολόγηση της EIT, ως μεθόδου βελτιστοποίησης της αναπνευστικής θεραπείας σε νεογνά και βρέφη.

Each year 15 million babies are born prematurely. Their transition from fetal to newborn life is marked with significant respiratory problems due to the lung immaturity and lack of control of breathing. Respiratory support, especially mechanical ventilation, can improve survival, but it also increases the risk for severe ventilator-associated lung injury and inflammation. Currently, clinicians have no bedside method to assess the effectiveness of respiratory interventions in preterm infants. Electrical impedance tomography (EIT) has been proposed as a novel monitoring tool to help guide lung-protective ventilation. It is the only continuous, non-invasive, cost-effective and radiation-free bedside monitoring technology available to address this need. EIT allows the estimation of electrical impedance distribution in parts of the chest by injecting a small alternating current at high frequencies through electrodes placed on the chest circumference. From the measured voltages on the surface, the assessment of the electrical impedance of the tissues contained within the chest, can be made. However, EIT is not yet adopted for regular use in a clinical neonatal intensive care unit (NICU) setting. Possible confounding factors exist concerning practical issues in a clinical setting associated with the electrodes and patient-related interventions that may lead to bad quality measurements or misinterpretation of EIT results. An investigation and evaluation of those confounding factors within the NICU is presented. In the first part of this thesis, the clinical performance of a newly developed textile 32-electrode belt for neonatal EIT imaging is examined. Low contact impedances and limited failing electrodes, in addition to a simple, fast and reproducible placement of the belt, indicate that reliable EIT measurements were possible. The findings improve the potential of EIT to be used for regional lung monitoring in critically ill neonates and infants. Subsequently, an important challenge for neonatal EIT parameters interpretation, related to a wide electrode gap at the sternum and belt rotation, has been evaluated. While the electrode gap does not significantly influence the EIT parameters, apart from non-dependent silent spaces, the belt rotation has a more detrimental impact on the EIT parameters. The centre of ventilation in the ventrodorsal and right-left direction and silent spaces are significantly altered by the rotation of the belt both in simulated and clinical data. A compensation algorithm for these incidents was presented which can accurately identify and correct rotated images without compromising valuable clinical information. Finally, the impact of fluid administration in neonates on EIT parameters, including heart rate estimated from cardiac-related impedance changes using a parametric spectrum analysis method, was assessed. Fluid administration of 10ml/kg over 1 hour led to no significant changes in the measured parameters, probably suggesting that the fluid used in volume expansion resulted in no detectable EIT signal changes. Heart rate calculation from heart-rate synchronous impedance signal is challenging but appears to be possible in neonates. This PhD thesis was completed within the framework of a larger multicentre observational study, the Continuous Regional Analysis Device for neonate Lung (CRADL) study analysing whether EIT has the potential to optimise respiratory therapy in neonatal and paediatric patients.