Langzeit-EIT-Monitoring als Indikator für die Entstehung eines Lungenödems während maschineller Beatmung im Tierexperiment

Long-term EIT monitoring as an indicator for the development of pulmonary edema during mechanical ventilation in animal experiments

by Julia Niewenhuys
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-02-28
Date of issue:2024-02-02
Advisor:Prof. Dr. Onnen Mörer
Referee:Prof. Dr. Onnen Mörer
Referee:Prof. Dr. Stefan Andreas
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10308

 

 

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Abstract

English

In the present study, the question of the extent to which long-term EIT monitoring (EIT = electrical impedance tomography) is suitable as an indicator for the development of pulmonary oedema during mechanical VILI ventilation (VILI = ventilator-induced-lung-injury) was investigated in an animal model. In addition, it was examined how a presumably more severe lung damage provoked by VILI ventilation with high PEEP (= positive end-expiratory pressure) is represented in the electrical lung impedance. EIT is a novel, non-invasive imaging procedure without radiation exposure that can continuously visualize regional lung ventilation directly. The impedances of the lungs are measured by electrodes placed in a ring around the thorax and a cross-section of the lungs is recorded. Here, EIT was used for the first time to assess regional lung ventilation as part of a large animal experiment with a test duration of 50 hours (Collino et al. 2019). 40 domestic pigs were ventilated so that lung damage was induced. Lung impedance was measured continuously and computed tomography imaging of the lungs was performed at the end of the experiment. In addition, measurements of hemodynamics, lung mechanics, gas exchange and lung volumes were taken at six-hour intervals. Initially, it was confirmed that the results of the relative EIT, in which the first measured value is used as a reference for all subsequent measurements, and the absolute EIT correspond and that the spatially better resolution of the relative EIT can therefore be used for local assessment of the lung tissue condition even with reference measurements taken 50 hours previously. In order to find out to what extent EIT is suitable for imaging and quantifying pulmonary edema, the results of EIT were compared with PiCCO®, fluid balancing and pathological, histological and radiological parameters of the lung tissue. It was shown that an increase in the lung water averaged over all test animals in the PiCCO® (+ 42 %) leads to a decrease in the mean end-expiratory lung impedance in the EIT (- 15 %). The VT factor [ Ω𝑚/𝑚𝑙] was newly introduced and defined in this work to quantify the pulmonary edema detected with the EIT. The factor is formed via a quotient of the absolute EIT and the tidal volume, so that the impedance change for a specific VT volume (VT = tidal volume) is mapped. Over the test period, the VT factor decreased on average in all test animals (-8.4 - 10-6 ± 6.7 - 10-6 Ωm/ml/h). It was assumed that the most likely cause was a shift in the VT volume of pulmonary edema. The pulmonary edema developing over the experimental period is further reflected in the increase in mean animal weight by 2.4 ± 1.6 kg (approx. + 10 %), the mean lung weight by 110 ± 45 g (approx. + 45 %), the increase in the mean fluid balance of 1606 ± 1289 ml over the experimental period and the histopathological findings of the lungs. To answer the second question of the present study, it can be said that there is no significant difference between the PEEP level and the change in impedance, so that EIT does not appear to be suitable for quantifying ventilator-induced lung injury. When looking at the regional lung proportions, it was noticeable that in the dependent lung regions, compared to the initial situation, a stronger decrease in impedance was seen over the test period than in the rest of the lung. The computed tomography images also showed a higher proportion of less-ventilated lung tissue in the dependent lung. It can therefore be assumed that more pronounced lung pathologies such as atelectasis, pleural effusions, inflammatory processes and thus also pulmonary edema occurred in this area due to gravity. The comparison of the CT and EIT methods with regard to the lung condition at the end of the test clearly shows that lower impedance changes in the EIT are associated with a higher CT number and thus a higher air content, and that a greater drop in impedance in the EIT is associated with a lower CT number and thus a lower air content. In summary, it can be seen that the already established method of CT confirms the tendency of the EIT measurement results for the three lung segments dependent, central and non-dependent. In addition, VTEIT decreased over time, which in turn was also increasingly found in the dependent lung. After excluding other causes, a shift in ventilation to a plane other than the one analyzed can again be assumed, as well as an impedance level altered by lung pathologies, which led to a relative change in impedance despite constant distension. The CoV (=center-of-ventilation) confirms these results, because in the dependent lung there is a threefold greater drop in pulmonary ventilation than in the non-dependent lung. The shift in VT also appeared to be PEEP-dependent. When using the formula of Kuzkov et al. (2010) to calculate the TVICT, which should reflect the pulmonary edema, these results were not repeated. This is presumably due to the fact that the formula for calculating pulmonary edema using CT was used for the entire lung and not for the evaluation of only one lung level. All in all, when considering the results, it should be borne in mind that the measurements performed and analyzed represent only one level of the lungs. It therefore remains questionable whether these results can be used to draw conclusions about the possibly inhomogeneously distributed fluid status of the entire lung. It should also be noted in the regional evaluation of the lungs that the area of the border crossings must be viewed critically for the evaluation of the three lung segments (dependent, central, non-dependent). This is because one of the disadvantages of dividing the lungs into segments is their unequal ability to differentiate between changes that take place within a segment or shift between the segments. For this reason, the calculation of a center, such as the CoV and the CoEEC (center of end expiratory change) of the EIT, is a better measure of the position of a distribution for quantifying local changes (Frerichs et al. 2017; Frerichs et al. 2020; Hahn et al. 2020). The PiCCO® method has limitations in this study, as the final values for EVLW were higher than the final lung weight in a small number of test animals (see Table 14). A particular strength of the present study is the animal experimental setting, which, unlike in comparable studies, reflects clinical reality more realistically. In addition, the novel EIT is compared with a variety of already extensively established methods for recording pulmonary edema. For clinical practice, these results mean that EIT can be used as a valid method for detecting pulmonary edema over a period of at least 50 hours and that its regional significance is of particular clinical relevance. The quantification of pulmonary edema could be investigated in more detail by trials with shorter measurement intervals and a comparison with other methods, such as intermittent lung ultrasound examinations. In addition, an analysis of the impedances of several levels in the thorax would be useful for further recording the characteristics of pulmonary edema. If future trials succeed in improving the quantification of pulmonary oedema using EIT, this could strengthen the importance of this non-invasive method and promote its clinical use.
Keywords: EIT; impedance; lung edema; VILI; ventilation; CT; PiCCO; VT-factor

German

In der vorliegenden Arbeit wurde im Tiermodell die Fragestellung untersucht, inwieweit das Langzeit-EIT-Monitoring (EIT = Elektrische Impedanztomographie) als Indikator für die Entstehung eines Lungenödems während maschineller VILI-Beatmung (VILI = ventilator-induced-lung-injury) geeignet ist. Darüber hinaus wurde überprüft, wie sich ein vermutlich stärkerer Lungenschaden, der durch VILI-Beatmung mit hohem PEEP (= positive end-exspiratory pressure) provoziert wurde, in der elektrischen Lungenimpedanz darstellt. Die EIT ist ein neuartiges, nicht-invasives Bildgebungsverfahren ohne Strahlenbelastung, das die regionale Lungenventilation unmittelbar kontinuierlich darstellen kann. Dabei werden die Impedanzen der Lunge von ringförmig um den Thorax angebrachten Elektroden gemessen und somit ein Querschnitt durch die Lunge erfasst. Hier wurde die EIT erstmals zur Beurteilung der regionalen Lungenventilation im Rahmen eines Großtierversuchs mit einer Versuchsdauer von 50 Stunden (Collino et al. 2019) verwendet. Es wurden 40 Hausschweine beatmet, so dass ein Lungenschaden hervorgerufen wurde. Dabei fand eine kontinuierliche Messung der Lungenimpedanz sowie eine computertomographische Bildgebung der Lunge am Versuchsende statt. Darüber hinaus erfolgten im Intervall von sechs Stunden Messungen zu Hämodynamik, Lungenmechanik, Gasaustausch und Lungenvolumina. Anfangs wurde bestätigt, dass sich die Ergebnisse der relativen, bei welcher der erste Messwert als Referenz für alle folgenden Messungen gilt, und der absoluten EIT entsprechen und somit die räumlich bessere Auflösung der relativen EIT zur lokalen Bewertung des Lungengewebszustandes auch mit 50 Stunden zurückliegender Referenzmessung genutzt werden kann. Um herauszufinden, inwieweit die EIT zur Abbildung und Quantifizierung eines Lungenödems geeignet ist, wurden die Ergebnisse der EIT mit dem PiCCO®, der Flüssigkeitsbilanzierung sowie pathologischen, histologischen und radiologischen Parametern des Lungengewebes verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Zunahme des über alle Versuchstiere gemittelten Lungenwassers im PiCCO® (+ 42 %) zu einer Abnahme der mittleren endexspiratorischen Lungenimpedanz in der EIT (- 15 %) führt. Zur Quantifizierung des mit der EIT erkannten Lungenödems wurde der VT-Faktor [ Ω𝑚���/𝑚���𝑙���] in dieser Arbeit neu eingeführt und definiert. Der Faktor wird über einen Quotienten aus der absoluten EIT und dem Tidalvolumen gebildet, sodass dadurch die Impedanzveränderung für ein bestimmtes VT-Volumen (VT = Tidalvolumen) abgebildet wird. Über die Versuchszeit kam es im Mittel bei allen Versuchstieren zu einer Abnahme des VT-Faktors (-8,4 • 10-6 ± 6,7 • 10-6 Ωm/ml/h). Dabei wurde vermutet, dass die wahrscheinlichste Ursache eine Verschiebung des VT-Volumens eines Lungenödems geeignet. Das sich über den Versuchszeitraum entwickelnde Lungenödem spiegelt sich weiterhin in der Zunahme des mittleren Tiergewichts um 2,4 ± 1,6 kg (ca.+ 10 %), des mittleren Lungengewichts um 110 ± 45 g (ca.+ 45 %), dem Anstieg der mittleren Flüssigkeitsbilanz von 1606 ± 1289 ml über die Versuchszeit sowie den histopathologischen Befunden der Lungen wider. Zur Beantwortung der zweiten Fragestellung der vorliegenden Arbeit lässt sich sagen, dass sich kein signifikanter Unterschied zwischen dem PEEP - Level und der Impedanzänderung zeigt, sodass die EIT nicht zur Quantifizierung einer beatmungsinduzierten Lungenschädigung geeignet scheint. Bei Betrachtung der regionalen Lungenanteile fiel auf, dass in den abhängigen Lungenregionen im Vergleich zur Ausganssituation eine stärker sinkende Impedanz über die Versuchszeit als in der restlichen Lunge zu erkennen war. Auch in den computertomographischen Bildern zeigte sich in der abhängigen Lunge ein höherer Anteil an weniger-ventiliertem Lungengewebe. Deshalb lässt sich vermuten, dass es in diesem Bereich schwerkraftbedingt zu stärker ausgeprägten Lungenpathologien wie Atelektasen, Pleuraergüssen, Entzündungsprozessen und somit auch einem Lungenödem gekommen ist. Der Vergleich der Methoden CT und EIT hinsichtlich des Lungenzustandes am Versuchsende macht deutlich, dass niedrigere Impedanzänderungen in der EIT mit einer höheren CT-Zahl und somit mit einem höheren Luftgehalt einhergeht sowie, dass ein stärkerer Impedanzabfall in der EIT mit einer niedrigeren CT-Zahl und somit mit einem geringeren Luftgehalt einhergeht. Zusammenfassend zeigt sich, dass die bereits etablierte Methode der CT die Tendenz der EIT-Messergebnisse für die drei Lungensegmente abhängig, zentral und nicht-abhängig bestätigt. Zusätzlich ist es über die Zeit zu einer sinkenden VTEIT gekommen, was wiederum auch in der abhängigen Lunge verstärkt vorzufinden war. Nach Ausschluss anderer Ursachen lassen sich abermals eine Verschiebung der Ventilation in eine andere als die analysierte Ebene mutmaßen sowie ein durch Lungenpathologien verändertes Impedanzniveau, dass trotz gleichbleibender Dehnung zu einer relativen Impedanzänderung geführt hat. Das CoV (=center-of-ventilation) bestätigt diese Ergebnisse, denn in der abhängigen Lunge zeigt sich ein dreifach stärkerer Abfall der Lungenventilation als in der nicht-abhängigen Lunge. Die Verlagerung des VT schien zusätzlich PEEP-abhängig zu sein. Bei Anwendung der Formel von Kuzkov et al. (2010) zur Berechnung des TVICT, welches das Lungenödem wiederspiegeln soll, wiederholten sich diese Ergebnisse nicht. Vermutlich ist dies darin begründet, dass die Formel zur Berechnung des Lungenödems mittels CT für die gesamte Lunge angewandt wurde und nicht für die Auswertung von nur einer Lungenebene. Alles in allem ist bei Betrachtung der Ergebnisse zu bedenken, dass die durchgeführten und analysierten Messungen nur eine Ebene der Lungen darstellen. Somit bleibt fraglich, ob anhand dieser Ergebnisse ein Rückschluss auf den möglichweise inhomogen verteilten Flüssigkeitszustand der gesamten Lunge gezogen werden kann. Zu beachten ist bei der regionalen Auswertung der Lungen außerdem, dass für die Auswertung der drei Lungensegmente (abhängig, zentral, nicht-abhängig) der Bereich der Grenzübergänge kritisch zu betrachten ist. Denn einer der Nachteile der Unterteilung der Lunge in Segmente ist ihre ungleiche Fähigkeit der Differenzierung gegenüber Veränderungen, die innerhalb eines Segments stattfinden oder sich zwischen den Segmenten verschieben. Aus diesem Grund ist für die Quantifizierung lokaler Veränderungen die Berechnung eines Zentrums, wie das CoV und das CoEEC (centre of End Exspiratory Change) der EIT, ein besseres Maß für die Position einer Verteilung (Frerichs et al. 2017; Frerichs et al. 2020; Hahn et al. 2020). Die Methode des PiCCO® weist in dieser Arbeit Limitierungen auf, da bei wenigen Versuchstieren die finalen Werte für das EVLW höher waren als das finale Lungengewicht (siehe Tabelle 14). Eine besondere Stärke der vorliegenden Arbeit ist das tierexperimentelle Setting, das anders als in vergleichbaren Arbeiten die klinische Realität realistischer abbildet. Darüber hinaus wird die neuartige EIT mit vielfältigen, bereits umfangreich etablierten Methoden zur Erfassung eines Lungenödems verglichen. Für die klinische Praxis bedeuten diese Ergebnisse, dass die EIT als valide Methode zur Erkennung von Lungenödemen über einen Zeitraum von mindestens 50 Stunden eingesetzt werden kann und insbesondere die regionale Aussagekraft von klinischer Relevanz ist. Das Quantifizieren des Lungenödems könnte durch Versuche mit kleineren Messabständen und einem Vergleich mit anderen Methoden, wie beispielsweise intermittierend durchgeführten Lungenultraschalluntersuchungen noch genauer untersucht werden. Außerdem wäre zur weiteren Erfassung der Charakteristika von Lungenödemen eine Analyse der Impedanzen mehrerer Ebenen im Thorax sinnvoll. Sollte in zukünftigen Versuchen die Verbesserung der Quantifizierung des Lungenödems durch die EIT gelingen, könnte dies die Bedeutung dieser nicht invasiven Methode stärken und ihren klinischen Einsatz fördern.
 
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