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    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

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    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

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

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    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

    Lithium-thermal double indicator dilution: a new method of extravascular lung water measurement in the critically ill?

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    MD (Res)There is evidence to suggest that therapy targeted at normalising extravascular lung water volume (EVLW) can improve outcomes from critical illness. Indocyanine green-thermal double indicator dilution (ICG-thermal) is considered the clinical reference standard of EVLW volume measurement but is no longer commercially available. The accuracy and reliability of the only clinically available technology (single-thermal indicator dilution) has been questioned in several studies. This thesis incorporates two clinical studies and one laboratory study designed to assess the measurement of EVLW and intrathoracic blood volumes using a prototype lithium-thermal double indicator dilution technique. The proof of concept study suggested our hypothesis that intrathoracic blood volume (ITBV), which is required for the calculation of EVLW volume, could be determined using lithium indicator dilution, was valid. Peri-operative trends and absolute values of ITBV were consistent with those obtained using ICG-thermal in a similar patient study group. The median absolute value of ITBV measured at baseline using indocyanine green (1417 [±208] ml) was similar to that obtained using lithium indicator dilution 1542 (±601) ml. EVLW volume measured by three indicator dilution techniques was then compared to postmortem gravimetry in porcine models of acute lung injury. Sepsis and acute lung injury were associated with increased EVLW volume, (9.2 [±3.0] ml kg-1), compared to sham operated animals (6.6 [±0.45] ml kg-1) in keeping with previous studies. The Li-thermal (Bias-1.8 [±13.1] ml kg-1) and ICG-thermal (Bias-1.0 [±6.6] ml kg-1) techniques demonstrated acceptable accuracy, but wide limits of agreement suggested poor reliability. 4 The single-thermal technique systematically over-estimated EVLW, with unacceptably wide limits of agreement (Bias +8.5 [±14.5] ml kg-1). In this laboratory investigation, the double indicator methods appeared more reliable than the single-thermal technique. However none could be considered ideal. Results of the final clinical study suggested EVLW volume measurement in man with the Li-thermal method was clearly erroneous (Bias -7.6 [±7.4] ml kg-1) and compared poorly to simultaneous measurements made using the ICG-thermal method (Bias +13.2 [±14.4] ml kg-1). A considerable over-estimation of mean transit time (MTT) when compared to the ICG-thermal technique (Bias 12.8 [±13] sec) was observed, a likely consequence of using an external lithium ion electrode instead of an intra-arterial catheter. Manual analysis of the dilution curves suggested considerable variability when compared to the automated analysis. The poor accuracy of MTT, and consequently ITBV measurements in the clinical study, may partly be due to software analysis of the lithium dilution curves. Thoracic blood volumes derived from measurement of ICG transit time are reliable. However, EVLW calculations based on the thermal indicator transit time are likely to be inaccurate. The findings of these clinical and laboratory investigations demonstrate poor agreement between both the prototype Li-thermal and the single thermal measurements of EVLW volume and the ICG-thermal method. Trans-pulmonary lithium indicator dilution measurements of ITBV and EVLW volume using an external lithium ion electrode are not sufficiently accurate to safely guide clinical interventions in individual patients. Consequently we decided not to further develop the lithium-thermal technique of EVLW volume measurement

    Weaning from mechanical ventilation in ARDS : aspects to think about for better understanding, evaluation, and management

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    Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is characterized by severe inflammatory response and hypoxemia. The use of mechanical ventilation (MV) for correction of gas exchange can cause worsening of this inflammatory response, called “ventilatorinduced lung injury” (VILI). The process of withdrawing mechanical ventilation, referred to as weaning from MV, may cause worsening of lung injury by spontaneous ventilation. Currently, there are few specific studies in patients with ARDS. Herein, we reviewed the main aspects of spontaneous ventilation and also discussed potential methods to predict the failure of weaning in this patient category. We also reviewed new treatments (modes of mechanical ventilation, neuromuscular blocker use, and extracorporeal membrane oxygenation) that could be considered in weaning ARDS patients from MV

    Detection of optimal PEEP for equal distribution of tidal volume by volumetric capnography and electrical impedance tomography during decreasing levels of PEEP in post cardiac-surgery patients

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    Background Homogeneous ventilation is important for prevention of ventilator-induced lung injury. Electrical impedance tomography (EIT) has been used to identify optimal PEEP by detection of homogenous ventilation in non-dependent and dependent lung regions. We aimed to compare the ability of volumetric capnography and EIT in detecting homogenous ventilation between these lung regions. Methods Fiftee
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