| dc.contributor.advisor | Perl, Thorsten PD Dr. | |
| dc.contributor.author | Röhrich, Hannes | |
| dc.date.accessioned | 2023-04-18T12:53:05Z | |
| dc.date.available | 2023-05-03T00:50:10Z | |
| dc.date.issued | 2023-04-18 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14627 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9839 | |
| dc.format.extent | XXX Seiten | de |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 610 | de |
| dc.title | Überprüfung eines In-Line Dialysesensors auf dessen klinische Anwendbarkeit | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Bräuer, Anselm Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2023-04-25 | de |
| dc.description.abstractger | Während der akuten Nierenschädigung kann die Homöostase des Elektrolyt- und Wasserhaushaltes nicht, oder nur eingeschränkt aufrechterhalten werden. In diesem Fall werden Nierenersatzverfahren eingesetzt, um harnpflichtige Substanzen zu eliminieren und die Homöostase im Organismus aufrechtzuerhalten. Da Abweichungen von den Normwerten potentiell lebensbedrohlich sein können, muss der Elektrolythaushalt während der Akutdialyse engmaschig überwacht werden. Harnstoff eignet sich aufgrund seiner Eigenschaften als Surrogatparameter für die Nierenfunktion. Seine Bestimmung vor und nach der Nierenersatztherapie ist Goldstandard und dient der Quantifizierung der verabreichten Dialysedosis. In der Vergangenheit gab es daher Bestrebungen, den Harnstoff- und Elektrolytgehalt des Blutes kontinuierlich zu bestimmen (In-Line), um eine unzureichende Dialysedosis oder eine Übertherapie rasch zu erkennen und zu vermeiden. Eine Überwachung der Elektrolytkonzentration in Echtzeit könnte dem Behandler ermöglichen, Dialysekomplikationen schneller zu detektieren und sie durch gezielte Therapieanpassungen zu verhindern.
Im Rahmen des MeBiP-Verbundprojektes entwickelte das Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik der Leibnitz Universität Hannover eine neuartige In-Line Sensorik mit dem Ziel, die Elektrolyt- und Harnstoffkonzentration eines Patienten in Echtzeit zu erfassen. Bau und Design des Sensors erfolgten in Kooperation mit Barkey GmbH & Co. KG (Leopoldshöhe, Deutschland) und InnoMe GmbH (Espelkamp Deutschland). Der Prototyp dieses In-Line Elektrolyt- und Harnstoffsensors wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation an der Universitätsmedizin Göttingen auf seine grundlegende Funktionsfähigkeit und Messpräzision hin untersucht.
Zur Überprüfung des Prototypen eines Sensors wurde ein Zirkulationsmodell entworfen, welches dem extrakorporalen Blutkreislauf während der Dialyse nachempfunden ist: Anstelle eines Patienten befindet sich ein Beutel Erythrozytenkonzentrat an der Patientenseite einer Dialysemaschine. Das blutähnliche Testmedium wird über die efferente Seite des Schlauchsystems durch den Sensor in den Dialysator geleitet, fließt dann im Gegenstromprinzip an der Dialysatlösung vorbei und gelangt über die afferente Seite des Schlauchsystems wieder in den Konservenbeutel. So entsteht ein geschlossener Kreislauf, in dem das Erythrozytenkonzentrat (Testmedium) zirkulieren kann.
Über Modifikation des Dialysats wurden während des Versuchs unterschiedliche Elektrolyt- und Harnstoffkonzentrationen im Testmedium erzeugt, um den Sensor zu testen. Die Sensorik selbst besteht aus einer Kunststoffkammer, in deren oberen Teil vier ionenselektive Elektroden für die Messung der Elektrolytkonzentrationen von Natrium, Kalium und Kalzium, sowie für die Harnstoffmessung eingebracht werden können. Eine semipermeable Membran trennt die Stabelektroden vom unteren Teil der Messkammer, welche in den extrakorporalen Kreislauf integriert ist und Blut führt. Die hohe räumliche Nähe der Elektroden zum blutähnlichen Testmedium ermöglicht die Echtzeitbestimmung der
Zusammenfassung 68
Elektrolyt- und Harnstoffkonzentration im Testmedium, während die Membran den Übertritt zellulärer Blutbestandteile und Proteine verhindert, sodass die Hämokompatibilität der Sensorik gewährleistet ist.
Die Messwerte der Sensoreinheit wurden mithilfe linearer Regressionsanalysen und Bland- Altman-Diagrammen mit den Messwerten aus Goldstandard-Messmethoden verglichen. Insgesamt wurde der siebenstündige Versuch sechsmal durchgeführt.
Es zeigte sich, dass die Echtzeiterfassung der Elektrolytkonzentrationen von Natrium, Kalium und Kalzium mithilfe des vorgestellten Sensorkonzepts grundsätzlich möglich ist, jedoch mit unzureichender Reliabilität und Präzision. Die Natriumelektrode war in lediglich 3/6 der durchgeführten Versuche funktionstüchtig, mit einer mittleren Abweichung von 11,3 mmol/l. Die Kaliumelektrode zeigte in 3/6 Versuchen eine Funktionsfähigkeit und weist eine mittlere Abweichung von 1,0 mmol/l auf. Die Kalziumelektrode funktionierte lediglich in einem von sechs Versuchen und mit einer mittleren Abweichung von 0,17 mmol/l liegt auch sie über der tolerierten Abweichung von der Referenzmethode. Die inline- Harnstoffanalytik scheint durchführbar. Sie ist jedoch, aufgrund der genutzten Kalibrationsmethode, nicht abschließend in ihrer Funktionalität beurteilbar. Es ist davon auszugehen, dass die ionenselektiven Elektroden beim Aufbau der Sensorik nicht richtig platziert wurden, daher der Abstand zwischen Elektrode und Testmedium zu groß war und folglich die Präzision abgenommen hat. Der Totalausfall in einigen Versuchen lässt sich durch Dislozieren der semipermeablen Membran durch, während des Versuchs auftretende, Scherkräfte erklären.
Eine klinische Anwendbarkeit des konzipierten Prototyps ist momentan noch nicht möglich. Es bedarf einer höheren Präzision, einem erleichterten Aufbau und einer integrierten Elektronik, um das hier vorgestellte, vielversprechende Konzept zukünftig in der Therapie akuter Nierenschädigungen anwenden zu können. | de |
| dc.description.abstracteng | During acute kidney injury, the homeostasis of the electrolyte and water balance cannot be maintained or can only be maintained to a limited extent. In this case, renal replacement procedures are used to eliminate urinary substances and maintain homeostasis in the organism. Since deviations from normal values can be potentially life-threatening, the electrolyte balance must be closely monitored during acute dialysis. Due to its properties, urea is suitable as a surrogate parameter for kidney function. Its determination before and after renal replacement therapy is the gold standard and is used to quantify the administered dialysis dose. In the past, efforts have therefore been made to continuously determine the urea and electrolyte content of the blood (in-line) in order to quickly identify and avoid an insufficient dialysis dose or overtreatment. Monitoring the electrolyte concentration in real time could enable the practitioner to detect dialysis complications more quickly and prevent them through targeted therapy adjustments.
As part of the MeBiP joint project, the Institute for Fundamentals of Electrical Engineering and Measurement Technology at the Leibnitz University of Hanover developed a new type of in-line sensor technology with the aim of recording a patient's electrolyte and urea concentration in real time. The sensor was built and designed in cooperation with Barkey GmbH & Co. KG (Leopoldshöhe, Germany) and InnoMe GmbH (Espelkamp Germany). The prototype of this in-line electrolyte and urea sensor was examined for its basic functionality and measurement precision as part of the present dissertation at the University Medical Center Göttingen.To check the prototype of a sensor, a circulation model was designed, which is based on the extracorporeal blood circulation during dialysis: instead of a patient, there is a bag of erythrocyte concentrate on the patient side of a dialysis machine. The blood-like test medium is fed through the sensor into the dialyser via the efferent side of the tubing system, then flows past the dialysate solution in the countercurrent principle and returns to the storage bag via the afferent side of the tubing system. This creates a closed circuit in which the erythrocyte concentrate (test medium) can circulate.
During the experiment, different electrolyte and urea concentrations were generated in the test medium by modifying the dialysate in order to test the sensor. The sensor itself consists of a plastic chamber, in the upper part of which four ion-selective electrodes can be placed for measuring the electrolyte concentrations of sodium, potassium and calcium, as well as for measuring urea. A semi-permeable membrane separates the stick electrodes from the lower part of the measuring chamber, which is integrated into the extracorporeal circuit and carries blood. The high spatial proximity of the electrodes to the blood-like test medium enables real-time determination of the electrolyte and urea concentration in the test medium, while the membrane prevents the transfer of cellular blood components and proteins, so that the hemocompatibility of the sensors is guaranteed.
The readings from the sensor unit were compared to readings from gold-standard measurement methods using linear regression analysis and Bland-Altman plots. The seven-hour test was carried out six times in total.
It was shown that the real-time recording of the electrolyte concentrations of sodium, potassium and calcium is basically possible using the presented sensor concept, but with insufficient reliability and precision. The sodium electrode was functional in only 3/6 of the tests carried out, with a mean deviation of 11.3 mmol/l. The potassium electrode showed functionality in 3/6 tests and has a mean deviation of 1.0 mmol/l. The calcium electrode only worked in one out of six experiments and with a mean deviation of 0.17 mmol/l it is also above the tolerated deviation from the reference method. The inline urea analysis seems feasible. However, due to the calibration method used, its functionality cannot be assessed conclusively. It can be assumed that the ion-selective electrodes were not placed correctly when the sensor system was set up, so the distance between the electrode and the test medium was too large and the precision consequently decreased. The total failure in some tests can be explained by the dislodgement of the semipermeable membrane due to shear forces occurring during the test.
Clinical applicability of the designed prototype is not yet possible. Greater precision, a simplified structure and integrated electronics are required in order to be able to use the promising concept presented here in the future in the therapy of acute kidney injury. | de |
| dc.contributor.coReferee | Dressel, Ralf Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Dialyse | de |
| dc.subject.ger | akutes Nierenversagen | de |
| dc.subject.ger | In-Line Messung | de |
| dc.subject.eng | Dialysis | de |
| dc.subject.eng | AKI | de |
| dc.subject.eng | in-line sensor | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14627-9 | |
| dc.affiliation.institute | Medizinische Fakultät | de |
| dc.subject.gokfull | Anästhesiologie / Intensivmedizin / Notfallmedizin / Analgesie - Allgemein- und Gesamtdarstellungen (PPN619875917) | de |
| dc.description.embargoed | 2023-05-03 | de |
| dc.identifier.ppn | 1843240963 | |
| dc.notes.confirmationsent | Confirmation sent 2023-04-18T13:15:01 | de |