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

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Published/Copyright: November 25, 2009
Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik
From the journal Volume 54 Issue 6

Zusammenfassung

Hintergrund: Die magnetische Bioimpedanzmessung (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 Messprinzip 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 gegebenenfalls als Modell zur Evaluation von Störungen der Herz- und Atemfunktion im Neugeborenenalter zu testen.

Material und Methode: Mittels 5 Spulen (3 Mess- und 2 Erregerspulen) im Boden eines Experimentalinkubators wurde bei 16 analgosedierten Ferkeln simultan die Veränderung der magnetischen Induktion in Abhängigkeit von Herzaktion und Atemtätigkeit gemessen und mit einem Pulsoxymeter (Monitorsystem Sirecust 404 N) und einem Atemflussdetektor (Strömungswiderstand und Differenzdrucksensor) als Referenzsignale verglichen. Neben Spontanatmung wurden die Tiere unter Continuous Positive Airway Pressure (CPAP, Atemunterstützung zur Verhinderung des endexpiratorischen Alveolarkollapses,) (Flow 8 l/min, PEEP 5 cm H2O), konventioneller Beatmung (inspiratorischer Druck 14 mm Hg, Frequenz 40/min) und Hochfrequenzoszillation (HFOV, Beatmungsverfahren bei Lungenversagen) (Frequenz 10 Hz, Mitteldruck 10 mm Hg, 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 und Diskussion: Die Detektionsrate der Atemtätigkeit für MBM im Vergleich zum Referenzsignal lag unter CPAP bei 88% [95% KI: (87,1%; 88,5%)], unter 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 der Apnoephasen die Differenz bei 1,1 Schlägen/min (±11,3 SD) und unter HFOV bei 5,3 Schlägen/min (±26,4 SD). 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.

Schlussfolgerung: 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 eine Basis für die Entwicklung von wenig- bzw. nichtinvasiven Parametern in der Neonatologie sein, wobei als nächstes qualitative Eigenschaften der Atemtätigkeit erfasst werden sollten.

Abstract

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 H2O), mechanical ventilation (inspiratory pressure 14 cm H2O; frequency 40/min) and high frequency oxygenation ventilation (HFOV, ventilation method in lung failure) (frequency 10 Hz, mean pressure 10 cm H2O, 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.

Keywords: Atemtätigkeit; Herzaktion; kontaktlos; magnetische Bioimpedanz; Neugeborenen-Tiermodell; heart activity; lung activity; magnetic induction measurement; neonatal animal model; non-contact
Korrespondenz: Dr. med. Konrad Heimann, Klinik für Kinder- und Jugendmedizin, Sektion Neonatologie, des Universitätsklinikums der RWTH Aachen, Pauwelsstr. 30, 52074 Aachen, Deutschland Phone: +49-0241-8089214 Fax: +49-0241-8082435
Erhalten: 2008-11-14
Angenommen: 2009-7-18
Online erschienen: 2009-11-25
Erschienen im Druck: 2009-12-01

©2009 by Walter de Gruyter Berlin New York

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  13. Author index Biomed Tech volume 54 (2009)
  14. Author index Biomed Tech volume 54 (2009)
https://doi.org/10.1515/BMT.2009.044
Keywords for this article
Atemtätigkeit; Herzaktion; kontaktlos; magnetische Bioimpedanz; Neugeborenen-Tiermodell; heart activity; lung activity; magnetic induction measurement; neonatal animal model; non-contact

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  14. Author index Biomed Tech volume 54 (2009)
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