Electrical impedance tomography as ventilation monitoring in ICU patients

Electrical impedance tomography (EIT), as a monitoring tool of regional lung ventilation, is radiation-free imaging with high temporal resolution. Te most important purpose of EIT is to visualize the distribution of tidal volume in diferent lung regions especially between dependent (dorsal in supine patients) and non-dependent (ventral in supine patients) regions. Many clinical studies evaluated the applicability of PulmoVista® 500 (Dräger Medical GmbH, Lübeck, Germany) and similar EIT devices in estimating optimal PEEP afer recruitment maneuvers (RM) in lung healthy patients and acute respiratory distress syndrome (ARDS), ventilation distribution in cystic fbrosis, COPB, pneumonia and respiratory diseases syndrome in infants

An individualized approach to sustained inflation duration at birth improves outcomes in newborn preterm lambs

A sustained first inflation (SI) at birth may aid lung liquid clearance and aeration, but the impact of SI duration relative to the volume-response of the lung is poorly understood. We compared three SI strategies: 1) variable duration defined by attaining volume equilibrium using real-time electrical impedance tomography (EIT; SIplat); 2) 30 s beyond equilibrium (SIlong); 3) short 30-s SI (SI30); and 4) positive pressure ventilation without SI (no-SI) on spatiotemporal aeration and ventilation (EIT), gas exchange, lung mechanics, and regional early markers of injury in preterm lambs. Fifty-nine fetal-instrumented lambs were ventilated for 60 min after applying the allocated first inflation strategy. At study completion molecular and histological markers of lung injury were analyzed. The time to SI volume equilibrium, and resultant volume, were highly variable; mean (SD) 55 (34) s, coefficient of variability 59%. SIplat and SIlong resulted in better lung mechanics, gas exchange and lower ventilator settings than both no-SI and SI30. At 60 min, alveolar-arterial difference in oxygen was a mean (95% confidence interval) 130 (13, 249) higher in SI30 vs. SIlong group (two-way ANOVA). These differences were due to better spatiotemporal aeration and tidal ventilation, although all groups showed redistribution of aeration towards the nondependent lung by 60 min. Histological lung injury scores mirrored spatiotemporal change in aeration and were greatest in SI30 group (P < 0.01, Kruskal-Wallis test). An individualized volume-response approach to SI was effective in optimizing aeration, homogeneous tidal ventilation, and respiratory outcomes, while an inadequate SI duration had no benefit over positive pressure ventilation alone

Electrical impedance tomography as ventilation monitoring in ICU patients

Electrical impedance tomography (EIT), as a monitoring tool of regional lung ventilation, is radiation-free imaging with high temporal resolution. Te most important purpose of EIT is to visualize the distribution of tidal volume in diferent lung regions especially between dependent (dorsal in supine patients) and non-dependent (ventral in supine patients) regions. Many clinical studies evaluated the applicability of PulmoVista® 500 (Dräger Medical GmbH, Lübeck, Germany) and similar EIT devices in estimating optimal PEEP afer recruitment maneuvers (RM) in lung healthy patients and acute respiratory distress syndrome (ARDS), ventilation distribution in cystic fbrosis, COPB, pneumonia and respiratory diseases syndrome in infants

Separating ventricular activity in thoracic EIT using 4D image-based FEM simulations

One challenge in central hemodynamic monitoring based on electrical impedance tomography (EIT) is to robustly detect ventricular signal components and the corresponding EIT image region without external monitoring information. Current stimulation and voltage measurement of EIT were simulated with finite element porcine torso models in presence of a multitude ofthoracic blood volume shifts. The simulated measurement data was examined for linear dependence on changes in stroke volume. Based onthe results the EIT measurement information regardingstroke volume changesis sparse

Towards an Efficient Gas Exchange Monitoring with Electrical Impedance Tomography - Optimization and validation of methods to investigate and understand pulmonary blood flow with indicator dilution

In vielen Fällen sind bei Patienten, die unter stark gestörtem Gasaustausch der Lunge leiden, die regionale Lungenventilation und die Perfusion nicht aufeinander abgestimmt. Besonders bei Patienten mit akutem Lungenversagen sind sehr heterogene räumliche Verteilungen von Belüftung und Perfusion der Lunge zu beobachten. Diese Patienten müssen auf der Intensivstation künstlich beatmet und überwacht werden, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen. Bei schweren Lungenverletzungen ist es schwierig, durch die Anwendung hoher Beatmungsdrücke und -volumina eine optimale Balance zwischen dem Rekrutieren kollabierter Regionen zu finden, und gleichzeitig die Lunge vor weiterem Schaden durch die von außen angelegten Drücke zu schützen. Das Interesse für eine bettseitige Messung und Darstellung der regionalen Belüftungs- und Perfusionsverteilung für den Einsatz auf der Intensivstation ist in den letzten Jahren stark gestiegen, um eine lungenprotektive Beatmung zu ermöglichen und klinische Diagnosen zu vereinfachen. Die Elektrische-Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und sehr mobil einsetzbares System. Es bietet eine hohe zeitliche Abtastung und eine funktionelle räumliche Auflösung, die es ermöglicht, dynamische (patho-) physiologische Prozesse zu visualisieren und zu überwachen. Die medizinische Forschung an EIT hat sich dabei hauptsächlich auf die Schätzung der räumlichen Belüftung konzentriert. Kommerziell erhältliche Systeme haben gezeigt, dass die EIT eine wertvolle Entscheidungshilfe während der mechanischen Beatmung darstellt. Allerdings ist die Abschätzung der pulmonalen Perfusion mit EIT noch nicht etabliert. Dies könnte das fehlende Glied sein, um die Analyse des pulmonalen Gasaustauschs am Krankenbett zu ermöglichen. Obwohl einige Publikationen die prinzipielle Machbarkeit der indikatorgestützten EIT zur Schätzung der räumlichen Verteilung des pulmonalen Blutflusses gezeigt haben, müssen diese Methoden optimiert und durch Vergleich mit dem Goldstandard des Lungenperfusions-Monitorings validiert werden. Darüber hinaus ist weitere Forschung notwendig, um zu verstehen welche physiologischen Informationen der EIT-Perfusionsschätzung zugrunde liegen. Mit der vorliegenden Arbeit soll die Frage beantwortet werden, ob bei der klinischen Anwendung von EIT neben der regionalen Belüftung auch räumliche Informationen des pulmonalen Blutflusses geschätzt werden können, um damit potenziell den pulmonalen Gasaustausch am Krankenbett beurteilen zu können. Die räumliche Verteilung der Perfusion wurde durch Bolusinjektion einer leitfähigen Kochsalzlösung als Indikator geschätzt, um die Verteilung des Indikators während seines Durchgangs durch das Gefäßsystem der Lunge zu verfolgen. Verschiedene dynamische EIT-Rekonstruktionsmethoden und Perfusionsparameter Schätzmethoden wurden entwickelt und verglichen, um den pulmonalen Blutfluss robust beurteilen zu können. Die geschätzten regionalen EIT-Perfusionsverteilungen wurden gegen Goldstandard Messverfahren der Lungenperfusion validiert. Eine erste Validierung wurde anhand von Daten einer tierexperimentellen Studie durchgeführt, bei der die Multidetektor-Computertomographie als vergleichende Lungenperfusionsmessung verwendet wurde. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende präklinische Tierstudie durchgeführt, um die Lungenperfusion mit indikatorverstärkter EIT und Positronen-Emissions-Tomographie während mehrerer verschiedener experimenteller Zustände zu untersuchen. Neben einem gründlichen Methodenvergleich sollte die klinische Anwendbarkeit der indikatorgestützten EIT-Perfusionsmessung untersucht werden, indem wir vor allem die minimale Indikatorkonzentration analysierten, die eine robuste Perfusionsschätzung erlaubte und den geringsten Einfluss für den Patienten darstellt. Neben den experimentellen Validierungsstudien wurden zwei in-silico-Untersuchungen durchgeführt, um erstens die Sensitivität von EIT gegenüber des Durchgangs eines leitfähigen Indikators durch die Lunge vor stark heterogenem pulmonalen Hintergrund zu bewerten. Zweitens untersuchten wir die physiologischen Einflüsse, die zu den rekonstruierten EITPerfusionsbildern beitragen, um die Limitationen der Methode besser zu verstehen. Die Analysen zeigten, dass die Schätzung der Lungenperfusion auf der Basis der indikatorverstärkten EIT ein großes Potenzial für die Anwendung in der klinischen Praxis aufweist, da wir sie mit zwei Goldstandard-Perfusionsmesstechniken validieren konnten. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über die physiologischen Einflüsse auf die geschätzten EIT Perfusionsverteilungen gezogen werden

tidal volume monitoring by electrical impedance tomography (EIT) using different regions of interest (ROI): calibration equations

set of calibration equations was previously obtained to transform the lung impedance changes obtained by electrical impedance tomography (EIT), using all frame's elements, into a measurable volume signal. In order to study the goodness of the use of regions of interest (ROI) for lung ventilation monitoring, we considered 6 different ROI to obtain a calibration equation for each area. Our aim was to compare the results, determined by these areas, and those obtained by using all EIT image elements. Two ROI's were defined by those pixels with an impedance change higher than 30% and 70% of the maximum change value. These areas were called P30 and P70, respectively. Two other ROI were defined by bounding two areas by mouse, resembling P30 and P70 regions, which were called M30 and M70, respectively. The remainder was defined by two elliptical areas with an eccentricity of 0.8, and 25 and 32 pixels of mayor axis (E25p and E32p, respectively). Twenty healthy males and 24 chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients were considered. For small region (P30 and M30) we obtained a large dispersion in volume measurement, concluding that small regions are not suitable for monitoring the tidal changes in lung volume even for healthy subjects. The results obtained by the remainder areas, and by using EIT image were similar. Even a slight improvement in data dispersion was obtained by using some ROI. These optimal results, for healthy people, were those corresponding to P70 and M70 (volume dispersion improved from 12% with the whole EIT image to 9% using ROI), and for COPD patients improves volume dispersion from 32% using the whole EIT image to 27% by using E25p. Using not so small ROI, it is possible to estimate the total lung ventilation.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Perflubron Distribution During Transition From Gas to Total Liquid Ventilation

Total liquid ventilation (TLV) using perfluorocarbons has shown promising results for the management of neonatal respiratory distress. However, one important safety consideration for TLV is a better understanding of the early events during the transition to TLV, especially regarding the fate of residual air in the non-dependent-lung regions. Our objective was to assess perflubron distribution during transition to TLV using electrical impedance tomography, complemented by fluoroscopy, in a neonatal lamb model of induced surfactant deficiency. Eight lambs were anesthetized and ventilated in supine position. Surfactant deficit was induced by saline lung lavage. After deflation, lungs were filled with 25 ml/kg perflubron over 18 s, and TLV was initiated. Electrical impedance tomography data was recorded from electrodes placed around the chest, during the first 10 and at 120 min of TLV. Lung perfusion was also assessed using hypertonic saline injection during apnea. In addition, fluoroscopic sequences were recorded during initial lung filling with perfluorocarbons, then at 10 and 60 min of TLV. Twelve lambs were used as controls for histological comparisons. Transition to TLV involved a short period of increased total lung volume (p = 0.01) secondary to recruitment of the dependent lung regions. Histological analysis shows that TLV was protective of these same regions when compared to gas-ventilated lambs (p = 0.03). The non-dependent lung regions filled with perflubron over at least 10 min, without showing signs of overdistention. Tidal volume distribution was more homogenous in TLV than during the preceding gas ventilation. Perflubron filling was associated with a non-significant increase in the anterior distribution of the blood perfusion signal, from 46 ± 17% to 53 ± 6% (p = 0.4). However, combined to the effects on ventilation, TLV had an instantaneous effect on ventilation-perfusion relationship (p = 0.03), suggesting better coupling. Conclusion: transition to TLV requires at least 10 min, and involves air evacuation or dissolution in perflubron, dependent lung recruitment and rapid ventilation-perfusion coupling modifications. During that time interval, the total lung volume transiently increases. Considering the potential deleterious effect of high lung volumes, one must manage this transition phase with care and, we suggest using a real-time monitoring system such as electrical impedance tomography

Kontinuierliche, nicht-invasive Analyse der regionalen Lungenventilation bei spontanatmenden und beatmeten Patienten mit Pleuraerguss mittels elektrischer Impedanztomographie (EIT)

Es wurde eine prospektive Beobachtungsstudie durchgeführt und die Impedanzänderungen der gleich- und gegenphasigen Impedanzänderungen während der Pleuraergussentlastung mittels elektrischer Impedanztomographie untersucht

Ventilation gazeuse conventionnelle versus par oscillations à haute fréquence pour le sevrage de la ventilation liquidienne totale dans un modèle ovin nouveau-né

Introduction: Les récents progrès concernant la prise en charge des enfants nés extrêmement prématurés par les unités de soins intensifs ont permis de repousser les limites de survie de ces derniers. L’utilisation du support respiratoire est essentielle à la survie de ces enfants avec les poumons peu développés. Une conséquence de l’utilisation de ces supports est l’apparition de lésions chroniques induites par la ventilation. Une accumulation de ces lésions peut causer une maladie appelée la dysplasie bronchopulmonaire (DBP). La ventilation liquidienne totale (VLT) est une technique de support respiratoire montrant d’intéressants avantages et pourrait diminuer l’intensité et l’incidence de la DBP. Malgré tous les aspects positifs de la VLT, plusieurs questions restent à élucider concernant le retour vers l’air. Le présent mémoire explore deux modalités de sevrage de la VLT en vue d’optimiser le retour vers l’air. Contexte expérimental: Peu d’études se sont intéressées au sevrage de la VLT chez le modèle animal néonatal et un nombre restreint d’entre elles rapportent des sevrages fructueux. L’étude réalisée visait donc à comparer deux techniques de ventilation couramment utilisées en clinique : la ventilation gazeuse conventionnelle (VG) et la ventilation par oscillations haute fréquence (VOHF) dans le but de déterminer si une des deux techniques pouvait offrir un support respiratoire plus adéquat lors de la transition de la VLT vers l’air. La supériorité d’un des modes ventilatoires a été évaluée à travers différents objectifs, notamment l’index d’oxygénation, la distribution des volumes liquidiens résiduels, la distribution des volumes courants gazeux, la compliance du système respiratoire et le taux d’élimination du liquide résiduel. Conclusion: Suivant les travaux effectués dans le cadre de ce mémoire, la VG semble être avantageuse pour l’oxygénation durant le sevrage de la VLT. Les travaux présentés offrent une meilleure compréhension des phénomènes physiologiques durant le sevrage de VLT et serviront au raffinement des protocoles de VLT en vue d’éventuels essais cliniques