ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ Katedra biomedicínské techniky. Týmový projekt Markéta Masopustová

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ Katedra biomedicínské techniky

Týmový projekt

2012

Markéta Masopustová

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta biomedicínského inženýrství Katedra biomedicínské techniky

Sledování vývoje elektrické rezistivity plic Monitoring of the development of lung resistivity Týmový projekt

Vedoucí projektu: Ing. Jan Suchomel Student:

Markéta Masopustová

leden 2012

Anotace Cílem týmového projektu bylo vytvořit standardizace podmínek pro vyšetření pomocí EIT systému. Měření probíhalo za standardizovaných podmínek, které byly přesně specifikovány v měřícím protokolu, jenž byl v rámci této práce vytvořen. Předpokládalo se, že se rezistivita, jako hlavní sledovaný parametr, bude měnit v závislosti na druhu prostředí, kterým elektrický proud prochází. Klíčová slova: EIT, elektrická impedanční tomografie, rezistivita plic

Abstract The aim of the team project was creating standardization of conditions for the tests using the EIT system. Measurements were carried out under standardized conditions, which were specified in the measurement protocol, which was created as a part of this work. It was assumed that the resistivity, as the main monitored parameter, will vary depending on the type of environment in which an electric current passes. Key words: EIT, electrical impedance tomography, lung resistivity

Poděkování Ráda bych poděkovala vedoucímu týmu Technické podpory umělé plicní ventilace, panu Ing. Janu Suchomelovi, za veškerou pomoc, cenné rady a zprostředkování měření v Zemské porodnici u Apolináře. Dále bych ráda poděkovala svému kolegovi Miroslavu Stejskalovi, za spolupráci a podporu při tvorbě týmového projektu. Také děkuji Fakultě biomedicínského inženýrství a Nemocnici Na Homolce, které zakoupily EIT systém na měření rezistivity plic.

ii

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci na téma: Sledování vývoje elektrické rezistivity plic, vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které uvádím v přiloženém seznamu použité literatury a internetových zdrojů. Nemám žádný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). …………………….. Podpis Ve Stříbře dne ……………….. iii

OBSAH 1. ÚVOD ................................................................................................................................................................. 8 2. SOUČASNÝ STAV ........................................................................................................................................... 9 3. TEORETICKÉ PODKLADY ........................................................................................................................ 10 3.1 PLÍCE ........................................................................................................................................................... 10 3.1.1 Vlastnosti plicní tkáně ......................................................................................................................... 10 3.2 DÝCHÁNÍ...................................................................................................................................................... 10 3.3 VODNÍ BILANCE ........................................................................................................................................... 11 3.4 TĚLO JAKO OBJEMOVÝ VODIČ ...................................................................................................................... 12 3.4.1 Vodivost tkání ..................................................................................................................................... 12 4. POUŽITÉ METODY ...................................................................................................................................... 14 4.1 KONSTRUKCE EIT OBRAZU.......................................................................................................................... 14 4.1.1 APT ..................................................................................................................................................... 14 4.1.2 ACT ..................................................................................................................................................... 14 4.2 PRINCIP MĚŘENÍ ........................................................................................................................................... 15 4.2.1 Metoda Neighboring ............................................................................................................................ 16 4.3 UMÍSTĚNÍ ELEKTROD ................................................................................................................................... 18 5. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST .......................................................................................................................... 19 5.1 NÁVRH EXPERIMENTU ................................................................................................................................. 19 5.1.1 Standardizace podmínek ...................................................................................................................... 19 5.1.2 Vytvoření pracovního postupu pro záznam experimentu .................................................................... 20 5.2 PRŮBĚH EXPERIMENTU ................................................................................................................................ 20 5.3 VÝSLEDKY ................................................................................................................................................... 21 5.3.1 Poloha v sedě při spontánním dýchání ................................................................................................ 22 5.3.2 Poloha v sedě při nádechu ................................................................................................................... 23 5.3.3 Poloha v sedě při výdechu ................................................................................................................... 24 5.4 DISKUZE VÝSLEDKŮ .................................................................................................................................... 25 6. ZÁVĚR............................................................................................................................................................. 26 7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY: .......................................................................................................... 27 8. SAMOSTATNÉ PŘÍLOHY ........................................................................................................................... 29

1. ÚVOD Cílem této práce je vytvoření pracovního postupu pro záznam experimentu, v němž budou definovány standardizované podmínky, s cílem sledování změn elektrické rezistivity plic, pomocí elektrické impedanční tomografie. EIT patří mezi diagnostické, zobrazovací metody, avšak zatím není v lékařských zařízeních běžně využívána. V průběhu této práce bude proveden experiment, jehož snahou je zavodnění vyšetřované osoby, naměření dat a vyhodnocení výsledků. Předpokládá se, že se rezistivita, jako hlavní sledovaný parametr, bude měnit v závislosti na druhu prostředí, kterým bude elektrický proud procházet. Po zavodnění může dojít k nepatrné změně prostředí. Změní se rezistivita, pokud vyšetřovaná osoba vypije během krátkého časového úseku 1 litr tekutiny?

8

2. SOUČASNÝ STAV Pro správnou léčbu srdečních, oběhových a dýchacích poruch je důležité získání informací o anatomickém a funkčním stavu uvnitř hrudníku. V současné době se k získání informací o anatomickém stavu používá RTG vyšetření, CT vyšetření a vyšetření pomocí MR, zatímco z hlediska funkčního stavu nám informace poskytuje ultrazvuk a zobrazování pomocí radionuklidů. Každá metoda má své výhody a nevýhody, úzce související s patofyziologickými projevy. Vyšetření pomocí EIT systémů bylo navrženo, pro své výhody, jako alternativní metoda. Těmito výhodami jsou nízké náklady na vyšetření, ale zejména fakt, že při vyšetření není pacient vystaven vlivu ionizujícího záření, jde o tzv. „radiation free“ metodu. Změna elektrické impedance uvnitř hrudníku je úzce spjata se srdečními a dýchacími příhodami [5]. Elektrická impedanční tomografie je relativně stará diagnostická metoda, zobrazující rovinné rozložení konduktivity tkáně. Teprve v poslední době se dostává do klinické praxe, zájem o EIT vzrostl zejména v respirační péči a to hned z několika důvodů. Prvním důvodem je, že plicní tkáň velmi významně mění svou měrnou vodivost v závislosti na obsahu vzduchu v alveolárním prostoru, tedy na jednotlivých fázích dechového cyklu, ale i na přítomnosti tekutin v alveolárním prostoru, patologických změnách a na restrukturalizaci plicního parenchymu. Tyto změny impedance plicní tkáně v závislosti na jejím stavu, jsou dobrým předpokladem pro funkčnost EIT a dostatečný kontrast výsledného EIT obrazu. Dalším neméně důležitým důvodem je to, že se EIT stalo dostupné pro klinické použití. Přestože snímky nedosahují takového kontrastu jako CT snímky, na rozdíl od CT, EIT umožňuje dlouhodobé monitorování plic, je neinvazivní, lze ho provádět u lůžka a také je výrazně levnější než CT vyšetření. Pro použití EIT v klinické praxi je velmi důležité to, že kontrast obrazu jednoznačně souvisí s objemem plynu v plicích a lze najít vztah, jak tyto změny kontrastu EIT přepočítat na změny objemů v plicích. Problémem však zůstává fakt, že doposud neexistuje univerzální metoda přepočtu kontrastu EIT obrazu na plicní objem, která by nebyla ovlivněna variabilitou pacientů. Metoda

zatím

bohužel

nemůže

být

použita

při

monitorování

pacientů

s vysokofrekvenční ventilací, z důvodu malé snímkovací frekvence. U pacientů ventilovaných konvenčně lze použít monitorování pomocí EIT systémů [2].

9

3. TEORETICKÉ PODKLADY

3.1 PLÍCE Plíce (pulmo, pulmones) jsou párové orgány, tvaru komolého kužele. Velikost plic je závislá na velikosti hrudníku, jejich výška se pohybuje mezi 25-30 cm, předozadní rozměr 15-20 cm, transverzální 8-12 cm. Pravá plíce je větší než levá [9].

3.1.1 VLASTNOSTI PLICNÍ TKÁNĚ Konzistence plicní tkáně je houbovitá, jemně porézní, plíce jsou měkké a pružné na pohmat, při řezu plící je slyšet jemné třaskání vzduchu unikajícího z otvíraných plicních alveolů. Hmotnost plic je proměnlivá a závisí na náplni vzduchem, na stupni prokrvení a na množství tekutiny v intersticiálním vazivu plic. Průměrná hmotnost obou plic se pohybuje kolem 780 g u muže a 640 g u ženy. Pravá plíce je těžší než levá, v poměru asi 11:10 až 8:7. Hustota plic činí 0,34 – 0,75 g ∙ m, malé části plíce proto na vodě plavou. Plíce mrtvě narozených dětí klesají pod vodu (jejich hustota je větší než hustota vody), protože plicní sklípky nebyly nikdy naplněny vzduchem. Stejně klesá pod vodu i část plicní tkáně vyplněná produkty patologických procesů [10].

3.2 DÝCHÁNÍ Dýchání jako takové můžeme dělit na dva typy, zevní dýchání a vnitřní dýchání. Termínem „zevní dýchání“ označujeme proces výměny plynů mezi plícemi a zevním prostředím, ale také mezi plícemi a krví, tedy oxygenaci krve. Jako „vnitřní dýchání“ označujeme proces oxidace živin, tedy přenos kyslíku z krve do tkání. Tzv. klidová dechová poloha nastane po normálním výdechu, tehdy se lidské plíce nacházejí v uvolněném středním postavení [4]. Množství vzduchu, které se nachází v plicích při uvolněném středním postavení, se nazývá FRC, neboli funkční reziduální kapacita [6]. Při normální inspiraci dojde k vdechnutí 0,5 l vzduchu (dechový objem – VT). 10

Při maximálním dechovém úsilí mohou být navíc ještě vdechnuty 3 l (inspirační rezervní dechový objem – IRV). Po klidném výdechu může být vydechnuto ještě 1,7 l (exspirační rezervní objem – ERV). Vzduch, který v plicích zůstává i po usilovném výdechu (reziduální objem – RV) má objem 1,3 l [4]. Plíce, jenž jsou naplněné vzduchem, mají vysokou rezistivitu, která je přímo úměrná míře nahuštění plic, což umožňuje měřit ventilaci (zavzdušnění) plic. Při 50 kHz je rezistivita „splasknuté“ plicní tkáně okolo 12,5 Ω ∙ m, zvyšuje se s nádechem až ke 25,0 Ω ∙ m. Pojem splasknutá zde znamená, že se v plicích nachází pouze reziduální objem, 1,3 l vzduchu. Vzhledem k tomu, že impedance a míra krevního objemu jsou nepřímo úměrné, mohou být změny krevního objemu v plicích vyčísleny pomocí EIT systému [5].

3.3 VODNÍ BILANCE Voda je výchozím i konečným prvkem mnoha biochemických reakcí, jenž slouží jako rozpouštědlo, transportní prostředek, termoregulační činidlo. Je obsažena nejen v buňkách, ale i v extracelulární tekutině, obklopuje buňky a poskytuje jim stálé vnitřní prostředí. Téměř stálý obsah vody v organismu je výsledkem vyrovnané vodní bilance. Průměrný příjem vody se pohybuje okolo 2,5 l/den, toto množství sestává z nápojů, vody v potravě a oxidační vody, která vzniká při metabolismu. Výdej vody musí být stejně velký, patří do něj moč, výdej vody dýcháním a kůží a voda obsažená ve stolici. Denní obrat vody ve vztahu k tělesné hmotnosti činní průměrně 1/30 (2,5 l/70 kg), u kojence však celou 1/10 (0,7l/7 kg), což ho činní citlivějším na poruchy vodní bilance. Voda se podílí na tělesné hmotnosti v závislosti na věku a pohlaví od 46 % do 75 %. Kojenec má v těle 75 % vody, tato hodnota klesá u mladé ženy na 53 %, u mladého muže na 64 %. Ve stáří tato hodnota ještě poklesne a to u ženy na 46 % a u muže na 53 %. Tyto pohlavní, ale také individuální, rozdíly jsou způsobeny zejména rozdílným podílem tuku na tělesné hmotnosti. Většina tkání obsahuje průměrně 73 % vody, tuková tkáň je vodou tvořena pouze z 20 %. Z průměrného celkového obsahu vody v těle (60 %) jsou 3/5 této vody obsaženy v intracelulárním prostoru a asi 2/5 připadají na prostor extracelulární, který je tvořen mezibuněčným

prostorem

(intersticium,

19

%),

plazmatickou

a tzv. transcelulárními tekutinami (likvor, voda v luminu střeva, 1,5 %) [4]. 11

vodou

(4,5

%)

3.4 TĚLO JAKO OBJEMOVÝ VODIČ Lidské tělo může být považováno za odporový, po částech homogenní a lineární objemový vodič. Většina tkání jsou izotropní, to znamená, že mají stejné fyzikální vlastnosti ve všech směrech šíření. Svaly jsou však silně anizotropní, stejně tak i mozková tkáň [8].

3.4.1 VODIVOST TKÁNÍ Biologické tkáně vedou elektrický proud, protože obsahují ionty, které se chovají jako nosiče náboje. Některé tkáně vedou elektřinu lépe než ostatní, a to z důvodu obsahu více iontů, které mohou nést elektrický náboj. Kostní tkáň není příliš dobrý vodič, zatímco sval vede elektrický proud mnohem lépe, z lidských tkání jsou nejlepšími vodiči mozkomíšní mok a krev. Vodivost jednotlivých tkání je vyjádřena jednotkou Siemens na metr (S·m-1) [1]. Konduktivita neboli měrná elektrická vodivost tedy reprezentuje schopnost tkáně vést elektrický proud, tuto veličinu lze také vyjádřit jako převrácenou hodnotu rezistivity prostředí (měrný elektrický odpor), jejíž jednotkou je Ohm metr (Ω·m). Jednotlivé tkáně mají rozdílnou rezistivitu, např. rezistivita krve se pohybuje okolo 1,5 Ω·m, rezistivita plic od 7,27 – 23,63 Ω·m, podle toho, zda ji určujeme při výdechu nebo nádechu, tyto hodnoty rezistivity platí pro frekvence od 20 do 100 kHz. Velikost konduktivity závisí nejen na typu tkáně, ale také na teplotě a dalších fyziologických parametrech [2]. TABULKA 1: REZISTIVITA TKÁNÍ A ORGÁNŮ PRO FREKVENCE 20 – 100 KHZ (PŘEVZATO Z [2]).

Tkáň Mozkomíšní mok Plasma Krev Játra Kosterní svalstvo Srdeční sval Nerová tkáň: bílá hmota šedá hmota Plíce Tuková tkáň Kostní tkáň

Rezistivita (Ω m) 0,65 0,66 1,5 3,50 - 5,50 1,25 - 1,50 (longitudilnálně) 18,00 - 23,00 (transverzálně) 16,00 - 5,75 (longitudinálně) 4,24 - 51,81 (transverzálně) 5,80 2,84 6,82 7,27 - 23,63 20,60 - 27,20 166,00 12

OBR. 1 PRŮŘEZ HRUDNÍKEM. HODNOTY ODPORŮ JSOU UVEDENY PRO ŠEST RŮZNÝCH TYPŮ TKÁNÍ (PŘEVZATO Z [8]).

13

4. POUŽITÉ METODY Maltron Sheffield Mk 3.5 (Maltron Ltd., UK), je EIT systém, jenž byl použit při průběhu pilotního experimentu této práce na Gynekologicko-porodnické klinice VFN v Praze a 1. LF UK. Jedná se o multifrekvenční, osmi elektrodový systém, speciálně navržený pro použití v péči o nedonošené novorozence, kde je velmi omezený prostor vhodný pro umístění elektrod. Systém pracuje na frekvencích v rozsahu mezi 2 kHz a 1,6 MHz. Sběr dat probíhá rychlostí 25 snímků/s [5].

4.1 KONSTRUKCE EIT OBRAZU V současné době existují dva hlavní přístupy ke konstrukci snímků z EIT. První ze dvou metod je označována APT z anglického „Applied Potential Tomography“, druhou metodou je ACT neboli „Adaptive Current Tomography“.

4.1.1 APT První systém tohoto typu byl vyvinut na počátku osmdesátých let pány Barbarem a Brownem v anglickém Sheffieldu. Proti typu ACT se jedná o starší a technicky jednodušší zařízení. Systémy založené na tomto principu používají menší počet elektrod (8 nebo 16), jsou velmi citlivé na chyby měření způsobené špatným rozmístěním elektrod. Jejich zdroj proudu generuje proudový impulz o jedné frekvenci, velikost frekvence proudového impulzu závisí na využití systému. Tyto systémy se používají při pozorování fyziologických procesů jako je funkce trávicího ústrojí, proudění krve v cévách hrudníku, hlavy a paží a při monitorování plicní ventilace [5].

4.1.2 ACT Toto řešení konstrukce obrazů EIT, nazývané adaptivní proudový tomograf, bylo navrženo v americkém Rensselaerském polytechnickém institutu. ACT systémy používají větší počet elektrod než systémy APT, většinou 32 nebo 64. Každá z těchto elektrod má vlastní programovatelný proudový zdroj. Přestože jsou systémy ACT mnohem komplikovanější než APT systémy, je u nich mnohem lépe potlačena citlivost na chybu 14

umístění elektrod. Nejčastější ější využití nacházejí tyto systémy p přii studiu a monitorování umělé um plicní ventilace [5].

4.2 PRINCIP MĚŘENÍ Při vyšetření ení pomocí EIT se používají st střídavé proudy s harmonickou frekvencí v řádech kilohertzů [2].. Biologické tkáně tkán se skládají z různých buněk. k. Struktura tkán tkáně určuje závislost její rezistivity na frekvenci. Vzhledem k tomu, že se buňka ňka skládá z buněčné membrány, která je vodivá a chová se jako kondenzátor, a intracelulární tekutiny, může m být vytvořen en zjednodušený elektrický model [7]. Mluvíme o zdánlivé vodivosti tkání, neboť dochází k fázovému posunu napětí nap proti proudu [2].

OBR. 2 ZJEDNODUŠENÝ ZJEDN ELEKTRICKÝ MODEL BUŇKY, Rm - ODPOR MEMBRÁNY, Cm – KAPACITA MEMBRÁNY, Ri – ODPOR INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU, Re – ODPOR EXTRACELULÁRNÍ TEKUTINY (PŘEVZATO (P Z [7])

Elektrody jsou umístěny okolo objektu tak, že definují rovinu řezu. Jeden pár elektrod je použit jako zdroj proudu, zatímco zbylé elektrody jsou použity k zaznamenání vzniklého napětí tí mezi nimi. Toto napětí napě záleží na impedanci mezi každou ou dvojicí elektrod, kterou by měl proud překonat [7]. Vzniklé napětí nap tí mezi zbylými elektrodami je m měřeno různými metodami. V další části ásti bude jedna z těchto metod popsána podrobněji. 15

4.2.1 METODA NEIGHBORING Metoda neighboring je metoda, kterou používá EIT systém Maltron Sheffield Mk 3.5, který byl použit k experimentu, tento systém však používá pouze 8 elektrod. Brown a Segar (1987) navrhli metodu, kdy je proud aplikován přes sousední elektrody a

napětí

je

postupně

Na OBR. 3 je demonstrována

měřeno aplikace

na

dalších

této

přilehlých

metody

pro

elektrodových

válcový

objemový

párech. vodič

se 16 rovnoměrně rozmístěnými elektrodami. Proud je nejprve aplikován skrz elektrody 1 a 2 (OBR. 3 A). Proudová hustota je mezi těmito elektrodami největší a se vzdáleností od proudových elektrod rychle klesá. Napětí je pak postupně měřeno mezi elektrodami 3 a 4, poté 4 a 5 a nakonec mezi elektrodami 15 a 16. Tímto způsobem je naměřeno 13 hodnot napětí, první 4 měření jsou vyobrazeny na OBR. 3 A. Všechna tato měření jsou nezávislá a každé jednotlivé měření reprezentuje impedanci mezi ekvipotenciálními čarami, které protínají měřící elektrody. To je vyznačeno stínováním mezi elektrodami 6 a 7 při měření napětí na OBR. 3 A. Dalších 13 hodnot napětí je získáno změnou napájecích proudových elektrod, nyní je proud zaváděn elektrodami 2 a 3, jak je ilustrováno na OBR. 3 B. Napětí je pak postupně měřeno mezi elektrodami 4 a 5, poté 5 a 6 a nakonec mezi elektrodami 16 a 1. Tímto způsobem je naměřeno dalších 13 hodnot napětí. Systémem s 16 elektrodami je získáno

16 ∙ 13 208 měření napětí. Z důvodu vzájemnosti těchto měření, při kterých jsou zaměňovány proudové elektrody a elektrody na měření napětí, je výnos naměřených výsledků totožný. Proto je pouze 104 naměřených hodnot, z celkového počtu měření 208, nezávislých. Touto metodou je měřeno maximální napětí mezi sousedními elektrodami [8].

16

OBR. 3 SBĚR DAT METODOU NEIGHBORING ILUSTROVANÝ NA VÁLCOVÉM OBJEMOVÉM VODIČI NA NĚMŽ JE ROVNOMĚRNĚ ROZLOŽENO 16 ELEKTROD. (A) UVEDENA PRVNÍ ČTYŘI MEŘENÍ NAPĚTÍ ZE 13 MĚŘENÍ (NAPÁJECÍ PROUDOVÉ ELEKTRODY 1-2) (B) JINÉ USPOŘÁDNÍ 13 MĚŘENÍ JE ZÍSKNÁNO ZMĚNOU NAPÁJECÍCH POUDOVÝCH ELEKTROD (NAPAJECÍ ELEKTRODY 2-3) (PŘEVZATO Z [8])

17

4.3 UMÍSTĚNÍ ELEKTROD Při pořizování záznamů z hrudníku (plic) používá Maltron Sheffield Mk 3.5 typicky 8 argentchloridových EKG elektrod, které jsou na hrudník pacienta nalepeny co nejpřesněji v jedné rovině, tak aby tvořili řez, ilustrováno na OBR. 4. Je důležité se ujistit, že jsou tyto elektrody během pořizování záznamů pomocí EIT systému stále ve stejné pozici. Devátá elektroda (referenční) je umístěna mimo tuto rovinu [3].

OBR. 4: TYPICKÉ UMÍSTĚNÍ ELEKTROD PŘI POŘIZOVÁNÍ ZÁZNAMŮ Z HRUDNÍKU (PŘEVZATO Z [3])

18

5. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Aby bylo možné potvrdit nebo naopak vyvrátit na počátku vzniklou hypotézu, bylo nutné navrhnout experiment, ale především ho realizovat. Důležitou částí v návrhu experimentu bylo vytvoření standardizovaných podmínek, za nichž bude experiment probíhat, aby každý další experiment proběhl zcela identicky.

5.1 NÁVRH EXPERIMENTU Experiment byl navržen podle předložených motivací a to tak, že bude sledován vývoj elektrické rezistivity plic v závislosti na obsahu vody v organizmu a na poloze vyšetřované osoby. Záznam dat bude probíhat ve třech stádiích - nalačno, 30 minut po vypití 1 l tekutiny, 45 minut po vypití tekutiny. V každém stádiu bude vyšetřovaná osoba měřena ve třech polohách - vsedě, vleže na břiše a vleže na zádech. V poloze

vsedě

bude

vyšetřovaná

osoba

vyzvána,

aby dýchala

spontánně,

aby se s úsilím nadechla a po dobu měření (10 sekund) zadržela dech, aby s úsilím vydechla a po dobu měření nedýchala a nakonec, aby po dobu měření hyperventilovala (dýchala rychle, povrchově).

5.1.1 STANDARDIZACE PODMÍNEK Důležitou roli v celém experimentu hrají zejména podmínky, za kterých se experiment provádí. Bylo nutné uvědomit si, čím vším může být experiment ovlivněn, a které nežádoucí aspekty, jsme my schopni eliminovat. Standardizace byla rozdělena na části: stav vyšetřované osoby, technické parametry a nakonec samotné měření. Stav vyšetřované osoby: vyšetřovaná osoba bude nejméně jednu hodinu po jídle. Technické parametry: elektrody budou umístěny 1-2 cm pod spojnicí bradavek. Měření: v této části bylo určeno, v jakých polohách se bude vyšetřovaná osoba nacházet během záznamu dat. Vsedě budou stehna a trup vyšetřované osoby svírat úhel 90 °. 19

5.1.2 VYTVOŘENÍ PRACOVNÍHO POSTUPU PRO ZÁZNAM EXPERIMENTU V rámci toho projektu byl pro přehlednost vytvořen pracovní postup pro záznam experimentu, který nemusí být používán jen pro měření v rámci experimentu, ale mohly by jej využívat i zdravotničtí pracovníci, kteří s těmito systémy pracují. Tento pracovní postup je sestaven přímo pro EIT systém Maltron Sheffield Mk 3.5, krok za krokem provází uživatele od spuštění systému, přes kontrolu funkčnosti systému až k závěrečnému nahrání dat na flash disk a vypnutí celého sytému. Ač je tento pracovní postup vytvořen pro měření dospělých jedinců, po drobných úpravách by bylo možné jej poskytnout různým zdravotnický zařízením, které EIT systémy využívají, např. neonatologickým oddělením. Pracovní postup pro záznam experimentu je přiložen na konci této práce.

5.2 PRŮBĚH EXPERIMENTU Experiment proběhl na Gynekologicko-porodnické klinice VFN v Praze a 1. LF UK, podle pracovního postupu. Před započetím měření byly do pracovního postupu pro záznam experimentu zaznamenány základní údaje o vyšetřované osobě. Těmito údaji jsou: pohlaví, věk, obvod hrudníku, výška, hmotnost „nalačno“, zda osoba trpí plicním onemocněním. Některé z těchto údajů jsou dále použity pro vyhodnocování dat v softwaru EIT systému. Měření probíhala vsedě při spontánní dýchání, vsedě při nádechu, vsedě při výdechu, vsedě při hyperventilaci, vleže na zádech při spontánním dýchání (OBR. 5) a nakonec vleže na břiše při spontánním dýchání. Každá tato situace byla zaznamenána v pěti měřeních, přičemž každé měření trvalo 10 sekund, tj. 250 snímků. Po těchto měřeních následovalo vypití 1 litru čisté vody během pěti minut. Po vypití vody následovala 30 minutová pauza před zahájením dalšího stádia měření. Tato časová prodleva byla zvolena z důvodu očekávaného zavodnění organismu. Měření proběhla za stejných situací jako první stádium „nalačno“. Třetí stádium měření bylo zahájeno 45 minut po vypití vody, opět za stejných situací jako první a druhé stádium. Během celého experimentu bylo získáno celkem 90 záznamů.

20

OBR. 5: MĚŘENÍ ELEKTRICKÉ REZISTIVITY PLIC

5.3 VÝSLEDKY Výsledky byly převedeny ze softwaru EIT systému do tabulkového editoru. Parametry, které se objeví ve výsledcích jsou následující:

•

R – absolutní rezistivita plic na celém rozsahu frekvencí R Ω·m

•

Lung air volume, Plicní dechové objemy - VEE – objem vzduchu v plicích po výdechu (end exspiratory volume)

VEE l - VT – jednorázový dechový objem

VT l •

Density, Hustota plic - Avg Density – průměrná hustota plic

ρ g/l [3]

21

5.3.1 POLOHA VSEDĚ PŘI SPONTÁNNÍM DÝCHÁNÍ

TABULKA 8: POLOHA VSEDĚ PŘI SPONTÁNNÍM DÝCHÁNÍ, PŘED ZAVODĚNÍM

R (Ω·m) Abs R 18,4 8,2 6,5 7,6 6,6

Lung air volume (l) VEE VT Mean Mean 5,06 0,09 4,2 0,39 3,63 0,46 3,93 0,56 3,65 0,48

Density (g/l) Avg Density 196 233 263 244 262

TABULKA 9: POLOHA VSEDĚ PŘI SPONTÁNNÍM DÝCHÁNÍ, 30 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 7,8 6,7 6,6 6,6 7,1



TABULKA 10: POLOHA VSEDĚ PŘI SPONTÁNNÍM DÝCHÁNÍ, 45 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 8,2 7,1 7,6 7,3 7,1


22


5.3.2 POLOHA VSEDĚ PŘI NÁDECHU TABULKA 5: POLOHA VSEDĚ PŘI NÁDECHU, PŘED ZAVODNĚNÍM

R (Ω·m) Abs R

15,6 18,1 18,4 17 17,2



TABULKA 6: POLOHA VSEDĚ PŘI NÁDECHU, 30 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 18,1 18,4 19,4 20,3 20,9



TABULKA 7: POLOHA VSEDĚ PŘI NÁDECHU, 45 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 18,2 20,3 22,7 22,7 20,7


23


5.3.3 POLOHA VSEDĚ PŘI VÝDECHU TABULKA 2: POLOHA VSEDĚ PŘI VÝDECHU, PŘED ZAVODNĚNÍM

R (Ω·m) Abs R 5,8 5,4 5,3 5,1 4,9



TABULKA 3: POLOHA VSEDĚ PŘI VÝDECHU, 30 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 4,9 4,9 5 4,8 4,8



TABULKA 4: POLOHA VSEDĚ PŘI VÝDECHU, 45 MINUT PO ZAVODNĚNÍ

R (Ω·m) Abs R 5,2 5 4,7 4,7 4,7


24


5.4 DISKUZE VÝSLEDKŮ Průměrná hodnota rezistivity plic během spontánního dýchání vyšla 9,46 Ω ∙ m, 30 minut po vypití 1 l vody, rezistivita podle očekávání klesla. Z výsledků tohoto měření, lze také vyčíst průměrnou hodnotu hustoty plic, která vyšla 240 g/l. Se změnami situací, za kterých byla zaznamenávána data, se měnil objem vzduchu v plicích a tím byla způsobena i změna výsledků rezistivity a objemů plic. Při maximálním nádechu rezistivita vzrostla na hodnotu 21 Ω ∙ m, při maximálním výdechu klesla rezistivita až na 4,9 Ω ∙ m. Aby byly naměřené výsledky průkazné, je nutné provést statistické vyhodnocení. Během měření nastala situace, kdy se z vyšetřované osoby odlepila jedna z elektrod. Tomuto faktu, se lze během dalších měření vyhnout tím, že místa, na která budou elektrody nalepeny, důkladně očistíme lihovou dezinfekcí kvůli odmaštění pokožky. Pokud ani odmaštění pokožky není účinné, místa nalepení elektrod oholíme. Při provedení rozsáhlé studie, které by se zúčastnily osoby s určitými plicními patologiemi, které zahrnují změnu plicní tkáně, by tato data mohla mít neocenitelný význam pro oddělení zabývající se respirační péčí. Z výsledků vyplynulo, že během experimentu vyšetřovaná osoba, nevdechovala konstantní objem vzduchu. Tato skutečnost by mohla být řešena v dalším pokračování této práce. Objemy by měly být validovány a staly by se další standardizovanou podmínkou.

25

6. ZÁVĚR Během týmového projektu byl proveden experiment, při němž byly sledovány změny elektrické rezistivity plic. Tyto změny byly zaznamenávány pomocí EIT systému Maltron Sheffield Mk 3.5 a dále vyhodnoceny v softwaru náležícímu tomuto zařízení. Pro přehlednost a ucelenost byly výsledky exportovány do tabulkového editoru. Z výsledků je patrné, že po zavodnění organizmu skutečně nastala předpokládaná změna rezistivity. Nebyla ale příliš výrazná, což však považujeme za správné, neboť z nastudování odborné literatury

vyplývá, že při výrazné změně rezistivity se jedná

o patologický stav, ať už týkající se pulmonálního nebo renálního systému.

26

7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY: [1]

BROWN, B. H. Electrical impedance tomography (EIT): a review. Journal of Medical

Engineering & Technology. May/June 2003, 3, s. 97-108. [2]

GRÜNES, Richard; ROUBÍK, Karel. Elektrická impedanční tomografie a její využití v respirační

[3]

péči. Lékař a technika. 2008, 1, s. 42-47.

Maltron Sheffield Mk3.5 Installation and Operation. Version 5. September 2008. Maltron International Ltd., Rayleigh, UK. s. 73

[4]

SILBERNAGL, Stefan; DESPOPOULOS, Agamemmnon. Atlas fyziologie člověka. Vydání 3. české. Praha : Grada Publishing, a.s., 2004. 448 s. ISBN 80-247-0630-X.

[5]

HOLDER, David S. Electrical impedance tomography : Methods, History and

Applications. Londýn : IOP Publishing Ltd, 2005. 456 s. ISBN 978-0-7503-0952-3. [6]

TROJAN, Stanislav. Lékařská fyziologie. 4. vyd. přepr. a dopl. Praha: Grada Publishing, 2003, 771 s. ISBN 80-247-0512-5.

[7]

ROUBÍK, Karel. Electrical Impedance Tomography in Optimisation of Artificial Lung Ventilation

Strategy. In ROUBÍK, Karel. Trends in Biomedical Engineering :

Proceedings of the 8th

Czech- Slovak

Conference.

Bratislava :

Slovenská

technická univerzita v Bratislave, 2009. s. 4. ISBN 978-80-227-3105-8. [8]

MALMIVUO, Jaakko; PLONSEY, Robert. Bioelectromagnetism - Principles and Applications of

Bioelectric and Biomagnetic Fields [online]. New York : Oxford

University Press, 1995 [cit. 2011-12-19].

Dostupné

z

WWW:

. [9]

DYLEVSKÝ, Ivan. Funkční anatomie. 1. vyd. Praha: Grada, 2009, 532 s. ISBN 978802-4732-404.

27

[10]

ČIHÁK, Radomír. Anatomie 2. 2. vyd. Praha: Grada Publishing, 2002, 470 s. ISBN 80-247-0143-X.

28

8. SAMOSTATNÉ PŘÍLOHY Příloha č. 1: Protokol vyšetření dospělého jedince na EIT systému Maltron

Sheffield Mk 3.5

29

Protokol vyšetření dospělého jedince na EIT systému Maltron Sheffield Mk 3.5 Datum a čas

Identifikace pacienta

Identifikace měřícího

Poznámka

Pracovní postup a záznam experimentu

1

Pohlaví: Věk: Obvod hrudníku: Výška pacienta: Hmotnost „nalačno“: Plicní onemocnění: Objem vypité tekutiny: Hmotnost „s vodou“: BMI: Poznámky:

2

Před zapnutím PC překontrolujte, zdali je připojení černý RS-232 kabel mezi PC (COM port označený žlutou tečkou) a DAS jednotkou!!!

Dopravte EIT systém Maltron Sheffield MK3.5 (dále jen EIT) k pacientovi a zapněte zdroj měřicí jednotky (zelený vypínač vzadu dole) a obslužné PC (na zadní straně panelu). Nepřipojujte žádná další periferní zařízení (ani flash disk)!!! Obslužné PC běží na Windows XP bez nutnosti přihlášení.

Po naběhnutí Windows XP neseřizovat čas na aktuální, protože by mohlo dojít k potížím se spuštěním obslužného SW EIT systému!!!

Spusťte program Maltron MK EIT systém (viz. ikona, umístěná na ploše) a přihlaste se do aplikace pomocí pole Login 1 Login: a Password: b

3

SW naběhne v podobě úvodního okna s možnostmi volby pro akvizici/zpracování dat. Jednoduchým kliknutím (nikoliv dvojklikem!) je možné vybrat jednotlivé volby dle potřeby.

Pro kontrolu funkčnosti systému vyberte jednoduchým kliknutím volbu Acquire (ikonka vlevo) a počkejte na nastartování systému (viz. obrázek níže).

V případě chyby systému se bude startovní obrazovka datové akvizice chovat následovně – ikony připojení pacientských svodů (očíslované 1 – 8) jsou indikovány modře. Systém nekomunikuje se snímací jednotkou a nelze měřit!

4

Zkontrolujte, zda ikony připojení pacientských svodů (očíslované 1 – 8) jsou indikovány zelenými nebo červenými tečkami. Zelené tečky že je připojení v pořádku, červené naopak indikují chybu připojení.

značí,

Pokud je vše v pořádku, proveďte kontrolu systému, propojením pacientských svodů z přední na zadní stranu DAS jednotky při dodržení číslování svodů. Hodnota Reciprocity check by měla být vyšší, než 0,5.

5

Zkontrolujte hrudník pacienta, zda je pásmo v úrovni spojnice bradavek bez poranění, aby bylo možné nalepit elektrody.

Před nalepením elektrod je nutné přesně vymezit rovinu jejich umístění. Pro korektní záznam dat je důležité, aby byla přesně dodržena. Vychází se ze spojnice bradavek. Rovina elektrod je přibližně 1-2 cm pod touto spojnicí, dle pacienta a rozmístění elektrod odpovídá následujícím obrázkům:

Použijte jednorázové lepicí EKG elektrody s dutinkovým 4 mm konektorem (sluníčka), které jsou v šuplíku u EIT systému.

6

Oblast do které budete lepit elektrody, odmastěte. Nalepte měřicí elektrody do zvolené roviny, okolo hrudníku pacienta.

Referenční elektrodu (odlišenou zeleným pacientským kabelem) umístěte do oblasti břicha pacienta, minimálně 2 cm od roviny elektrod měřicích.

Po nalepení všech elektrod na pacienta jej připojte k pacientským svodům dle číselného značení svodů.

Překontrolujte číslování svodů a jeho soulad s číslováním vstupů systému na DAS jednotce (viz. obrázek):

Pacient se posadí, tak aby úhel mezi stehny a trupem svíral 90°. Měření provádějte minimálně 1 hodinu po jídle pacienta. Před započetím měření v sekci Data collection zadejte nový soubor do pole Save data to file… ve formátu IdentifikacePacientaXYZ (XYZ značí číslo záznamu) a stiskněte OK.

Překontrolujte správnost složky, pro ukládání dat: Plocha\H2O\

Do pole komentářů vložte identifikaci pacienta, datum měření a poznámku, zda se jedná o BPD pacienta či kontrolní měření.

7

Překontrolujte pacienta, připojení elektrod a barvu ikon, symbolizující správnost připojení pacientských svodů.

V poli Data to capture vyplňte požadovanou délku záznamu 10 sekund, tj. 250 snímků.

Spusťte záznam pomocí tlačítka Acquire data. Během záznamu se objeví okno s odpočtem času, který ještě zbývá do konce záznamu.

Následně se objeví okno s informací o úspěšnosti záznamu a počtu úspěšně získaných snímků.

Věnujte pozornost úspěšnosti záznamu, pokud je nahráno méně než 245 validních snímků, měření opakujte

Při opakovaném měření přepište špatně nahraný soubor

Nahrajte 5 záznamů pro každý následující bod, pacient je polohován vsedě (stehna a trup svírají 90°). □ Pacient dýchá spontánně □ Pacient se s úsilím nadechne a po dobu měření (10 sekund) zadrží dech □ Pacient s úsilím vydechne a podobu měření nedýchá □ Pacient hyperventiluje (rychlé povrchové dýchání) 8

Dále nahrajte 5 záznamů pro polohu pacienta na zádech (supinace) a 5 záznamů na břiše (pronace) v obou případech pacient spontánně dýchá.

Do tabulky na následující stránce zaznamenejte aktuální datum a čas měření a stejně tak datum a čas, který je nastavený v počítači (není aktuální!) pro následné zpracování dat. Níže vepište případné poznámky:

9

Datum měření (skutečné)

Čas měření (skutečný)

Datum v počítači

Čas v počítači

Identifikace záznamu

Poznámka

10

Po těchto měřeních pacient vypije 1 litr čisté vody a čeká 30 minut na další měření.

Po 30 minutách od vypití vody, nahrajte 5 záznamů pro každý následující bod, pacient je polohován vsedě (stehna a trup svírají 90°). □ Pacient dýchá spontánně □ Pacient se s úsilím nadechne a po dobu měření (10 sekund) zadrží dech □ Pacient s úsilím vydechne a podobu měření nedýchá □ Pacient hyperventiluje (rychlé povrchové dýchání)

Nahrajte 5 záznamů pro polohu pacienta na zádech (supinace) a 5 záznamů na břiše (pronace) v obou případech pacient spontánně dýchá.


11



Datum v počítači

Čas v počítači


Poznámka

12

Další záznamy provádíme 1 hodinu po vypití 1 litru vody, opět nahrajte 5 záznamů pro každý následující bod, pacient je polohován v sedě (stehna a trup svírají 90°). □ Pacient dýchá spontánně □ Pacient se s úsilím nadechne a po dobu měření (10 sekund) zadrží dech □ Pacient s úsilím vydechne a podobu měření nedýchá □ Pacient hyperventiluje (rychlé povrchové dýchání)

Nahrajte 5 záznamů pro polohu pacienta na zádech (supinace) a 5 záznamů na břiše (pronace) v obou případech pacient spontánně dýchá.


13



Datum v počítači

Čas v počítači


Poznámka

14

Po úspěšném uložení záznamů otevřete v Průzkumníku Windows složku Plocha\DBD\XXXX a zkopírujte z ní záznam do složky Dokumenty\BPD\XXXX pro zálohu dat.

Pro kontrolu nasnímaných dat zvolte v horní liště menu tlačítko Results a proveďte rychlou analýzu dat.

Otevře se následující okno pro analýzu dat:

V poli Location for acquired data vyberte složku s nasnímanými daty

V poli File name vyberte příslušný datový soubor (*.mat) a zadejte požadované parametry: Circumference, Body height a Gender

Dále klikněte na tlačítko Process Data

Systém Vás bude informovat o průběhu zpracování dat a případných chybách. Jakékoliv chybové hlášení zaznamenejte sem:

15

Úspěšně zpracovaná data poskytnou přibližně následující výsledky:

Proběhlo-li vše v pořádku, měření bylo realizováno úspěšně a v pořádku, je možné ukončit experiment.

Nyní připojte k počítači flash disk a zkopírujte na něj zaznamenaná data ze složky Plocha/H2O vyšetřovaného pacienta.

Tlačítkem Exit v levém horním menu ukončete SW. Vypněte počítač a EIT systém. Odpojte svody od elektrod a sundejte elektrody z pacienta.

Opatrně zaparkujte EIT systém na jeho stálé místo a překontrolujte veškerou kabeláž.

Konec experimentu!

16

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ Katedra biomedicínské techniky. Týmový projekt Markéta Masopustová

Recommend Documents