Die Elektroimpedanztomographie als Verfahren zur Lageevaluation des Doppellumentubus

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1 Aus der Anästhesiologischen Universitätsklinik Freiburg der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau Die Elektroimpedanztomographie als Verfahren zur Lageevaluation des Doppellumentubus INAUGURAL-DISSERTATION zur Erlangung des Medizinischen Doktorgrades der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau vorgelegt 2010 von geboren in Jörg Minner Titisee-Neustadt

2 Dekan: Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Hubert Erich Blum 1. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Josef Guttmann 2. Gutachter: Prof. Dr. med. Christian Stremmel Jahr der Promotion: 2010

3 Teile dieser Arbeit wurden veröffentlicht als Originalarbeit: Steinmann D, Stahl CA, Minner J, Schumann S, Loop T, Kirschbaum A, Priebe HJ, Guttmann J. Electrical impedance tomography to confirm correct placement of double-lumen tube: a feasibility study. British Journal of Anaesthesia 101(3):411-8, 2008

4 Abkürzungsverzeichnis ALI ARDS ASA AZV BC BGA BIS CCT CO 2 CPAP CT DLT EIT EKG ELV FEM FRC FiO 2 FOB HPV I.D. i.v. I:E IPPV Acute Lung Injury Acute Respiratory Distress Syndrom American Society of Anesthesiologists Atemzugvolumen Bronchialcarcinom Blutgas-Analyse Bispektralindex Craniale Computertomographie Kohlendioxid Continuous Positive Airway Pressure Computertomographie Doppellumentubus Elektroimpedanztomographie / Elektroimpedanztomograph Elektrokardiographie Einlungenventilation Finite-Elemente-Methode Functional Residual Capacity / funktionelle Residualkapazität (fraktionelle) inspiratorische Sauerstoffkonzentration fiberoptische Bronchoskopie hypoxisch-pulmonale Vasokonstriktion Innendurchmesser intravenös Inspirations-/Exspirations-Verhältnis Intermittent Positive Pressure Ventilation

5 ISO IQR MAC Ml MRT Ol PaO 2 PaCO 2 PCO 2 PCV PEEP PO 2 PVC ROI SPECT SpO 2 TCI TEA TIVA Ul VATS VCV VRI ZVD ZVK International Organisation for Standardization Interquartile Range Minimale alveoläre Konzentration Mittellappen Magnetresonanztomographie Oberlappen arterieller Sauerstoffpartialdruck arterieller Kohlendioxidpartialdruck Kohlendioxidpartialdruck Pressure Controlled Ventilation Positive End-Expiratory Pressure Sauerstoffpartialdruck Polyvinylchlorid Regions Of Interest Single Photon Emission Computed Tomography periphere Sauerstoffsättigung Target Controlled Infusion thorakale Epiduralanästhesie total-intravenöse Anästhesie Unterlappen Videoassistierte Thorakoskopie Volume Controlled Ventilation Vibration Response Imaging zentraler Venendruck zentraler Venen-Katheder

6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Die Einlungenventilation (ELV) Verfahren zur Seitentrennung des Atemwegs Doppellumentubus Andere Verfahren Auswahl des Doppellumentubus Positionierung und Lagekontrolle des Doppellumentubus Fiberoptische Lagekontrolle Klinische Zeichen Digitale Palpation Messen des Cuffdruckes Akustisches Monitoring Kapnographie Spirometrie Radiologische Verfahren Vibration Response Imaging Die Elektroimpedanztomographie (EIT) Grundlagen der Elektroimpendanztomographie Technische Realisierung und Bildrekonstruktion Lungenbildgebung mit der EIT Validierung der EIT EIT und Lungenpathologie EIT und Beatmung Limitationen der Elektroimpedanztomographie Ziele der Arbeit Methoden Patienten Durchführung der Anästhesie Durchführung der EIT-Messungen EIT-Gerät Auswertung Statistik Ergebnisse Diskussion Zusammenfassung Literaturverzeichnis Danksagung Lebenslauf... 55

7 1 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Die Einlungenventilation (ELV) Je differenzierter die Operationstechniken der Chirurgie werden, desto höhere Ansprüche werden auch an die anästhesiologische Versorgung gestellt. Einlungenbeatmung ist Voraussetzung für Allgemein-, Herz- und Gefäß- insbesondere aber für thoraxchirurgische Eingriffe. Im Rahmen von intrathorakalen Eingriffen ist es erforderlich, die zu operierende Lunge zu entlüften und eine seitengetrennte Beatmung zu etablieren [60]. Die Einlungenventilation dient dazu, während thoraxchirurgischer Eingriffe eine differenzierte Operationstechnik zu ermöglichen und eventuelle operationsbedingte mechanische Lungenschädigungen zu vermeiden. Das gilt auch für minimal invasive intrathorakale Eingriffe, wie zum Beispiel die videoassistierte Thorakoskopie (VATS). Außerdem soll eine Protektion der gesunden Lunge erreicht werden. Dies gilt besonders bei erhöhtem Risiko eines Sekretübertritts auf die gesunde Lunge im Rahmen von Bronchiektasen, intrapulmonalen Abszessen oder Hämoptysen [60]. Eine weitere Indikation zur ELV stellen große Zysten oder Emphysembullae dar, welche bei Verzicht auf eine ELV zu einer einseitigen Lungenüberblähung mit Gefahr der Manifestation eines Spannungspneumothorax führen könnten. Ebenso beugt die ELV bei Vorhandensein von broncho-pulmonalen Fisteln oder tracheo-pulmonalen Traumata einer hohen Leckage während der Beatmung vor. Um arterielle Gasembolien zu vermeiden, wird bei jeder Form des Thoraxtraumas mit Lungenparenchymbeteiligung die Indikation zur ELV großzügig gestellt. Ebenfalls der Protektion der kontralateralen Lunge dient die Seitentrennung der Atemwege während einer diagnostischen Bronchiallavage [60]. Die sichere Seitentrennung der Atemwege und die Einlungenbeatmung sind spezielle anästhesiologische Verfahren. Das Scheitern der Durchführung einer ELV, vor allem bei Anästhesisten mit limitierter Erfahrung, scheint unabhängig von dem zur Lungenseparation verwendeten Verfahren zu sein [19]. Zur korrekten Platzierung des Doppellumentubus dient bislang die fiberoptische Bronchoskopie (FOB). Das Verfahren erfordert allerdings einen geschulten Anwender [11; 37; 23]. Die Elektroimpedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, das auf der Basis von Änderungen der elektrischen Impedanz des Thorax bei der In- und Exspiration die regionale Ventilation der Lunge nahezu in Echtzeit darstellen kann [17]. In dieser Arbeit soll die Eignung der Elektroimpedanztomographie zur Lageevaluation des Doppellumentubus überprüft werden.

8 2 Einleitung Abbildung 1 Anatomie des tracheobronchialen Baumes: (a) Trachea, (b) rechter Oberlappenbronchus, (c) apikaler rechter Unterlappenbronchus, (d) rechter Mittellappenbronchus, (e) rechter Unterlappenbronchus, (f) linker Unterlappenbronchus, (g) Lingula und (h) linker Oberlappenbronchus. Darüber hinaus sind die jeweils unterschiedlichen Abstände zwischen der Karina und dem rechten Oberlappenbronchus (ca. 2.5 cm) sowie der Karina und dem linken Oberlappenbronchus (ca. 5.0 cm) eingezeichnet. Der Durchmesser des rechten Hauptbronchus ist verhältnismäßig größer und sein Abgangswinkel von der Trachea beträgt ca. 25. Der linke Hauptbronchus umschreibt dagegen im Verhältnis zur Trachea einen Winkel von 45 [59]. Abbildung modifiziert nach Gothard et al. [37].

9 3 Einleitung Tabelle 1 Indikationen zur Einlungenventilation nach Motsch et al. [60] Einlungenventilation Indikation Lebensbedrohliche Bronchiektasen Erkrankung Intrapulmonale Abszesse Rationale Vermeidung von Sekretübertritt Pleuraempyem Massive Hämoptysen Bronchopleurale Fisteln Leckage Tracheobronchiale Verletzungen Maschinelle Beatmung Intrathorakale Eingriffe Diagnostische intrapulmonale Eingriffe Traumatische Lungenparenchymzerstörung Raumfordernde Zysten Große Emphysembullae Videoassistierte Thorakoskopie (VATS) Onkologische intrathorakale Operationen Lungentransplantationen Onkologische Ösophagusoperationen Minimal-invasive intrathorakale, kardiochirurgische Operationen Thorakale Aortenchirurgie Lavage einer Lunge Alveolosystemarterielle Gasembolie Einseitige Überblähung Optimierte Operationsbedingungen Schutz und Ventilation der anderen Lunge Verfahren zur Seitentrennung des Atemwegs Zur Seitentrennung der Atemwege stehen folgende Verfahren zur Verfügung, welche zwei Prinzipien folgen: Bei Verwendung eines Bronchusblockers oder UNIVENT-Tubus wird die Blockung des Bronchus durch einen Ballonkatheter erreicht. Der Doppellumentubus dagegen ermöglicht die Seitentrennung des Atemweges über jeweils ein separates tracheales oder bronchiales Lumen. Darüber hinaus besteht noch die Möglichkeit, eine Lungenseparation mittels eines einlumigen Bronchialtubus mit Karina-Sporn, dem so genannten Gordon-Green Tubus durchzuführen. Dabei isoliert das Blocken der bronchialen Druckmanschette (Cuff) die entsprechende Lunge, während die kontralaterale bei ebenfalls geblocktem trachealen Cuff ventiliert wird. Wird der bronchiale Cuff entblockt, werden beide Seiten ventiliert. Aufgrund des hohen Verletzungsrisikos durch den Karina-Sporn und der fehlenden Absaugmöglichkeit

10 4 Einleitung der separierten Lunge, ist die Verwendung dieses Verfahrens allerdings eher selten und soll deshalb hier auch nicht näher beschrieben werden [59] Doppellumentubus Die Anwendung eines Doppellumentubus ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur Seitentrennung der Atemwege [60]. Die gängigen Tuben sind meist dem Design des britischen Anästhesisten Robertshaw nachempfunden [37]. Darüber hinaus sind auch Modelle der Hersteller Mallinckrodt, Rüsch oder Sheridan erhältlich, welche sich unter anderem in der Form der Bronchialmanschette unterscheiden [60]. Das zu Grunde liegende Prinzip ist folgendes: Ein DLT enthält zwei parallel verlaufende Lumina. Das längere bronchiale Lumen wird dabei in den linken oder rechten Hauptbronchus eingeführt, während das kürzere tracheale Lumen im unteren Anteil der Trachea endet. Über jeweils einen distalen bronchialen sowie einen proximalen trachealen Cuff erlangt das entsprechende Lumen eine gasdichte Verbindung mit dem Atemweg. Um sich diesem optimal anzupassen, besitzen DLT jeweils eine proximale oropharyngeale sowie eine distale bronchiale Krümmung. Die ELV kann über das Abklemmen oder Öffnen des jeweils bronchialen oder trachealen Lumens bei geblocktem Cuff erreicht werden. Die rechte und linke Seite des Bronchialsystems unterscheiden sich in anatomischer Hinsicht voneinander (Abb. 1). Deshalb ist es notwendig, sowohl links- also auch rechtsläufige DLT zu benutzen. Letztere unterscheiden sich von den linksläufigen durch eine Öffnung im bronchialen Cuff, um den proximal abgehenden rechten Oberlappenbronchus zu ventilieren. Der grundsätzliche Vorteil des Doppellumentubus besteht in seiner einfachen Platzierbarkeit. Außerdem kann zu jeder Zeit eine beliebige Seite ventiliert oder die entsprechende Lunge abgesaugt werden [59]. Darüber hinaus erlaubt der Einsatz eines DLT die nahezu uneingeschränkte Applikation von PEEP und CPAP auf die nicht-ventilierte Lunge und bietet somit gegenüber den Bronchusblockersystemen einen Oxygenierungsvorteil. Auch ist die Gefahr der Dislokation geringer als beim Bronchusblocker [60].

11 5 Einleitung Abbildung 2 Rechtsläufiger Doppellumentubus mit proximalem Zugang zum bronchialen (a) und trachealen (b) Lumen. Über die Konnektoren (c) (d) lässt sich sowohl der tracheale (e) als auch der bronchiale (g) Cuff blocken. Die distalen Lumina dienen der trachealen Ventilation (f) sowie der Ventilation des Mittel- und Oberlappenbronchus (h). Aufgrund der anatomischen Besonderheit des rechten Hauptbronchus besitzen rechtsgängige DLT eine Aussparung zur Ventilation des rechten Oberlappenbronchus (i). Die bronchiale (j) und oropharyngeale (k) Kurvatur erlaubt dem Doppellumentubus eine optimale Anpassung an den Atemweg. Abbildung modifiziert nach Gothard et al. [37] Andere Verfahren Neben dem häufig verwendeten Doppellumentubus (Abb. 2) existieren seltener angewandte Verfahren: Zum Zweck der Lungenseparation werden Bronchusblocker schon seit vielen Jahren in der Anästhesie angewendet. Das grundsätzliche Prinzip besteht darin, dass ein Ballonkatheter entweder inner- oder außerhalb des Lumens eines endotrachealen Tubus in den Bronchus eingeführt wird. Dort wird der Ballon geblockt und verschließt anschließend den entsprechenden Haupt- oder Lappenbronchus. Gegenwärtig finden zwei Arten von Bronchusblockern in der Anästhesie Verwendung: Der Arndt-Blocker ist ein Katheter von cm Länge mit einem elliptischen bzw. sphärischen Cuff. Der sphärische Cuff sollte insbesondere bei Blockung des rechten Hauptbronchus verwendet werden, da ein elliptischer Cuff dessen Ostium verlegen könnte. Im Lumen des Arndt-Blockers befindet sich eine Nylonschnur, welche an der Spitze des Katheters eine Schlinge bildet. Diese wird mit der Spitze eines Bronchoskops aufgefädelt. Somit kann der Blocker unter fiberoptischer Kontrolle im entsprechenden Bronchus platziert und geblockt werden. Nach Entfernen der Nylonschnur kann das freigewordene Lumen des Katheters und der nun separierte Lungenabschnitt nach

12 6 Einleitung Bedarf abgesaugt oder mit CPAP unterstützt werden [37]. Eine Alternative zum Arndt- Blocker stellt das System nach Cohen dar, welches als Besonderheit eine schwenkbare Spitze aufweist, die über ein Rad am proximalen Ende gesteuert werden kann. Dieser Mechanismus soll die Platzierung des Blockers erleichtern. Unabhängig vom verwendeten System wird der Bronchusblocker über einen Multiportadapter zusammen mit dem Bronchoskop in einen endotracheal liegenden Einlumentubus eingeführt. Unter fiberoptischer Sicht wird daraufhin der Blocker in Position gebracht, die Optik wird zurückgezogen, und der Cuff wird ebenfalls unter Sicht geblockt. Falls die Lagerung des Patienten verändert wird, ist es notwendig, die korrekte Lage des Bronchusblockers erneut fiberoptisch zu verifizieren. [60] Der UNIVENT-Tubus (Abb. 3) besteht aus einem Einlumentubus mit integriertem Bronchusblocker, wobei der Blocker in einem Arbeitskanal innerhalb des Tubus verläuft [37]. Die endobronchiale Platzierung des Blockers erfolgt analog zum System nach Arndt bzw. Cohen unter fiberoptischer Sicht. Aufgrund des zusätzlichen Arbeitskanals von 2 mm Innendurchmesser hat der UNIVENT-Tubus im Vergleich zu einem konventionellen Endotrachealtubus einen im Verhältnis zum Innendurchmesser größeren Außendurchmesser [60]. Der Vorteil der Bronchusblockersysteme im Gegensatz zum Doppellumentubus liegt in der einfacheren Intubation. Aus diesem Grund könnte bei bestehenden Anzeichen auf einen schwierigen Atemweg der Einsatz eines Bronchusblockers erwogen werden [60]. Da der Patient bei Verwendung eines Blockersystems zuvor mit einem konventionellen Endotrachealtubus intubiert wird, ist bei eventueller postoperativer Beatmung im Gegensatz zum Doppellumentubus keine Umintubation erforderlich [59]. Auch im Rahmen von Notfallintubationen oder bei besonderer Aspirationsgefahr bietet der Bronchusblocker verbesserte Intubationsbedingungen. Darüber hinaus besteht bei Verwendung eines Bronchusblockers die Möglichkeit der Lungenseparation bei Kindern, falls eine Doppellumenintubation unmöglich ist. Von Nachteil bei Verwendung eines Bronchusblockersystems ist allerdings gerade bei Kindern die Einengung des Innendurchmessers durch den Katheter [60]. Darüber hinaus kann das Innenlumen des Katheters von so geringem Durchmesser sein, dass ein selbstständiges Entlüften des geblockten Lungenabschnitts nicht immer gegeben ist [20]. Dazu beraubt man sich durch Verwendung eines Bronchusblockersystems der Möglichkeit an der nicht-ventilierten Lunge eine Bronchoskopie durchzuführen. Eine große Gefahr besteht auch in der Dislokation des Ballons in die Trachea was zu einer Atemwegsobstruktion führen kann [60].

13 7 Einleitung Abbildung 3 UNIVENT-Tubus: Das distale Ende des Blockers (a) kommt im entsprechenden Hauptbronchus zu liegen und wird über den Cuff (b) geblockt, während das distale Hauptlumen (c) über den Cuff (d) in der Trachea geblockt wird. Über den Konnektor (e) lässt sich der Cuff (b) des Bronchusblockers befüllen, über einen zweiten Konnektor (f) erhält man Zugang zum Lumen des Bronchusblockers und ist so beispielsweise in der Lage abzusaugen. Über einen Konnektor (g) lässt sich der Cuff (d) des Tubus befüllen und über den ISO- Konnektor (h) kann ein Beatmungsgerät angeschlossen werde. Abbildung modifiziert nach Gothard et al. [37] Auswahl des Doppellumentubus Im Rahmen des zunehmenden Gebrauchs der FOB ist der DLT aus PVC nach Robertshaw der am häufigsten verwendete Tubus in der klinischen Praxis [66]. Er löste damit DLT aus Gummi ab, die sich aufgrund ihrer Undurchsichtigkeit schlechter mit Hilfe der FOB positionieren ließen [25]. Da ein DLT in der zu operierenden Lunge mit dem Atemwegsmanagement oder der Tätigkeit des Chirurgen interferieren kann, raten einige Autoren zur routinemäßigen Intubation der nicht-operierten Lunge [58; 21]. Andere dagegen empfehlen die Verwendung des linksgängigen DLT unabhängig von der Seite des chirurgischen Eingriffs [14; 23]. Sie begründen dies damit, dass rechtsgängige Tuben aufgrund der besonderen Anatomie des rechten Oberlappenbronchus einen geringeren Sicherheitsspielraum als linksgängige Tuben aufweisen. Dies ist sicher einer der Hauptgründe, warum die Komplikationsrate des rechts-gängigen DLT als relativ hoch eingeschätzt wird [58; 23]. Brodsky et al. empfehlen deshalb vor der Verwendung eines rechtsgängigen Tubus routinemäßig ein Röntgen- oder ein CT-Bild des Thorax anzufertigen, um einen möglichen frühen Abgang des rechten Oberlappenbronchus bereits im Vorfeld zu

14 8 Einleitung identifizieren. Aus den oben genannten Gründen beschränken diese Autoren den Einsatz des rechtsgängigen DLT auf das Vorhandensein einer Obstruktion des linken Bronchus oder auf den Fall, dass das Operationsgebiet den proximalen linken Hauptbronchus involviert [21; 14]. Einen hohen Stellenwert nimmt auch die Wahl der richtigen Tubusgröße bei der Intubation mit einem DLT ein. Um den Atemwegswiderstand und den intrinsischen PEEP während der ELV zu reduzieren, sollte jeweils der größtmögliche Tubus verwendet werden. Dies erleichtert auch die Passage des Bronchoskopes [60]. Kleinere Tuben unterliegen dagegen mit höherer Wahrscheinlichkeit der Gefahr, zu tief inseriert zu werden und verhindern dadurch beispielsweise die Ventilation des Oberlappens. Da der Atemweg durch Verwendung von zu großen DLT auch verletzt werden kann, ist die sorgfältige Auswahl der Tubusgröße von großer Bedeutung [14]. Doppellumentuben sind in Größen von French erhältlich. Dabei entspricht 1 French 1/3 mm. Grundsätzlich lässt sich die Größe des DLT über die Körpergröße ermitteln. So können 35 oder 37 French für Körpergrößen unter 165 cm benutzt werden, 37 oder 39 French für Körpergrößen zwischen cm, sowie 39 oder 41 French für Körpergrößen über 177 cm [78]. Abhängig vom Geschlecht liegen die Normalgrößen für Männer zwischen French, geeignete Größen für Frauen zwischen French [60]. Laut Brodsky et al. bestimmen allerdings andere Kriterien die korrekte Tubusgröße: Der Korpus des DLT muss die Glottis passieren können, und der bronchiale Schenkel sollte im Bronchus zu liegen kommen. Ist also der Durchmesser des Bronchus bekannt, kann der bronchiale Durchmesser des entsprechenden DLT eine Größe kleiner gewählt werden. Der Bronchusdurchmesser kann mittels eines Röntgen- oder CT-Bildes des Thorax ausgemessen werden [38]. Bei Erwachsenen ist der Durchmesser des Hauptbronchus direkt proportional zum Durchmesser der Trachea. Das durch Obduktion ermittelte Verhältnis beträgt 1:0.69 bei Männern und 1:0.68 bei Frauen. [49] Bei Verwendung CCT gestützter Rekonstruktion des Atemwegs war das Verhältnis sogar etwas größer (1:0.75 bei Männern und 1:0.77 bei Frauen) [16]. Aus dem auf jedem Röntgenbild des Thorax auf Höhe der Klavikel messbaren Durchmesser der Trachea lässt sich über diese Formel also wiederum auf den Bronchusdurchmesser rückschließen. Brodsky et al. wandten diese Formel bei 818 (97%) von 843 Patienten mit linksgängiger Doppellumenintubation erfolgreich an [15]. Da der Krikoiddurchmesser ebenfalls mit dem Durchmesser des linken Hauptbronchus korreliert, leiten andere Autoren daraus ab, dass ein Tubus der das Krikoid passieren kann, auch ohne Verletzungsrisiko im linken Hauptbronchus platzierbar sein muss [66]. In wie weit es jedoch wirklich notwendig ist, der Auswahl des Tubus solch einen hohen Stellenwert einzuräumen, bleibt nach wie vor Gegenstand der Forschung. So verwendeten Amar et al. bei 143 Patienten unabhängig von Alter und Geschlecht einen 35 French-Tubus. Bei der Kontrollgruppe

15 9 Einleitung erfolgte die Tubusauswahl nach Körpergröße und Geschlecht. Danach unterschied sich die Inzidenz der transienten Hypoxämie, der inadäquaten Lungenisolation oder der Repositionierung des DLT nicht von der Inzidenz der Kontrollgruppe [2] Positionierung und Lagekontrolle des Doppellumentubus Nach Präoxygenierung und Narkoseinduktion wird der DLT unter Laryngoskopie mit der nach oben weisenden bronchialen Spitze durch die Stimmritze in die Trachea geschoben. Anschließend wird der Tubus 90 in Richtung des zu intubierenden Bronchus gedreht und weiter nach distal in seine definitive Position geschoben [60]. Da eine deutliche Korrelation zwischen Körpergröße und Länge der Trachea besteht, lässt sich die Einführtiefe des DLT anhand der Köpergröße berechnen. So sollte die durchschnittliche Einführtiefe bei einem 170 cm großen Patienten cm betragen. Pro 10 cm Abweichung von 170 cm Köpergröße wird jeweils 1 cm Einführtiefe addiert bzw. subtrahiert [8; 14]. Als Alternative kann auch eine von der Körpergröße abhängige Formel verwendet werden: Tiefe DLT [cm] = (0.1) x Körpergröße [cm] [60] Die gängige Praxis, den DLT bis zum Erreichen eines leichten Widerstandes vorzuschieben, kann Fehlpositionierungen begünstigen und gilt als obsolet [14]. Ist der DLT platziert, sollten der bronchiale und tracheale Cuff langsam mit Luft gefüllt werden. Die Cuffs von PVC- Tuben sind zwar bezüglich ihrer Eigenschaft Nieder-Druck-Cuffs, sie können aber bei Befüllen mit zu hohen Volumina gefährlich hohe Drücke ausbilden [71]. Mit Hilfe eines Cuffdruckmessers sollte der Cuff also lediglich bis zu dem Volumen gefüllt werden, welches zum Erreichen der Dichtigkeit nötig ist. Alternativ kann der Prüfballon (Pilot) taktil auf Festigkeit überprüft werden. Brondsky et al. empfehlen ein maximales Volumen von 3 ml für den bronchialen Cuff eines linksgängigen DLT. Ist der Tubus ohne größeren Widerstand mit einem Volumen über 3 ml befüllbar, so ist der Tubus höchstwahrscheinlich in die Trachea disloziert [14]. Grundsätzlich ist die Verwendung von Doppellumentuben mit einem relativ hohen Risiko für intraoperative Dislokationen assoziiert (Abb. 4). Doch bereits die initiale Positionierung gilt als schwierig [78]. Die im Folgenden genannten Verfahren dienen der Lageevaluation des DLT. Einige befinden sich noch im experimentellen Stadium, andere sind klinisch eher unzuverlässig. Als Goldstandard gilt bis dato die fiberoptische Lagekontrolle (Abb. 5) anhand anatomischer Landmarken.

16 10 Einleitung Abbildung 4 Beispiele für verschiedene Möglichkeiten der Dislokationen des Doppellumentubus : Obstruktion des linken Oberlappenbronchus durch den bronchialen Cuff (A). Obstruktion des rechten Oberlappenbronchus durch einen rechtsgängigen DLT (B). Herniation des bronchialen Cuffs über der Carina (C). Abbildung modifiziert nach Motsch et al. [60] Fiberoptische Lagekontrolle Das Bronchoskop ist in seinem Durchmesser abhängig von der jeweils verwendeten Tubusgröße, also von dessen Innendurchmesser (I.D.) zu wählen. Weit verbreitet ist zum Beispiel das 3.9 mm Bronchoskop, welches ab einem Durchmesser von 37 Fr verwendet werden kann. Die fiberoptische Lagekontrolle des DLT kann mittels zweier verschiedener Methoden durchgeführt werden: Nach der ersten Methode (Abb. 5) wird der Patient zunächst blind intubiert, fakultativ erfolgt zunächst eine klinische Lagekontrolle. Daraufhin wird die Fiberoptik über das tracheale Lumen eingeführt. Für eine korrekte Position des Tubus sollte sowohl die Carina als auch der bronchiale Cuff distal der Carina im entsprechenden Hauptbronchus zu sehen sein. Eine Herniation des bronchialen Cuffs mit eventueller Okklusion des ipsilateralen Hauptbronchus sollte ausgeschlossen werden. Über das bronchiale Lumen des Tubus kann der entsprechende Hauptbronchus dargestellt werden. Für den Fall, dass ein rechtsgängiger DLT Verwendung findet, sollte der Abgang des rechten Oberlappenbronchus durch die entsprechende bronchiale Öffnung sichtbar sein. Nach der zweiten Methode wird der Tubus bereits mit der Fiberoptik im bronchialen Lumen eingeführt. Unter visueller Kontrolle kann so der entsprechende Hauptbronchus intubiert werden. Das Bronchoskop dient dabei als Führungsschiene für den Tubus [23]. Shinnik und Freedman beschrieben erstmals die Nutzung der Fiberoptik als Introducer für einen DLT [69]. Smith et al. verglichen daraufhin 23 Patienten, die nach Auskultation und Inspektion eine korrekte Tubuslage aufwiesen mit den jeweiligen fiberoptischen Befunden. Danach befand sich der Tubus bei 11 (48%) der Patienten in Fehllage, davon trat bei 4 (17%) der Patienten eine unerkannte Herniation des Cuffs über der Carina auf [72]. Heute gilt die Bronchoskopie als Standardverfahren zur Lagekontrolle des Doppellumentubus [51; 23; 47]. Besonders

17 11 Einleitung wertvoll scheint ihr Nutzen bei Verwendung eines rechtsgängigen DLT zu sein, denn aufgrund des geringen Abstandes zwischen rechtem Oberlappenbronchus und Carina bietet die Positionierung eines rechtsgängigen DLT lediglich einen schmalen Sicherheitsspielraum von 8 mm [12]. Dem zu Folge ist eine Fehlpositionierung beim rechts-gängigen DLT wesentlich häufiger [51]. Hier kann die FOB ein wichtiges Hilfsmittel zur Feinadjustage der Tubusposition sein. Darüber hinaus bietet sie eine elegante Möglichkeit, Fehlintubationen in den falschen Hauptbronchus unter Sicht zu korrigieren. Bei erschwerter Intubation, beispielsweise im Rahmen eines schwierigen Atemweges, kann mit Hilfe der FOB allerdings auch ein zum DLT alternatives Verfahren angewendet werden [23]. Allerdings ist auch die Methode der Bronchoskopie limitiert. Zum Beispiel kann durch Flüssigkeiten oder infolge von Variationen anatomischer Strukturen die Sicht deutlich eingeschränkt sein. Darüber hinaus ist ein Bronchoskop nicht immer verfügbar ist [13]. Obgleich Tubusdislokationen insgesamt ein eher seltenes Ereignis zu sein scheinen, können sie dennoch zu jeder Zeit, insbesondere aber bei Positionswechseln auftreten [64; 22; 14]. Da mit der FOB keine kontinuierliche Überwachung möglich ist, können Dislokationen somit unerkannt bleiben. Brodsky et al. beschreiben jedoch, dass bei der Mehrzahl von untersuchten Patienten eine klinische Lagekontrolle allein für die korrekte Positionierung ausreichend war. Die Autoren beschränken daher ihre Empfehlung zur routinemäßigen Anwendung der FOB auf die Verwendung eines rechtsgängigen DLT sowie auf Situationen, in denen eine absolute Seitentrennung erforderlich ist (z.b. im Rahmen einer Bronchiallavage) oder in denen Lungengeräusche schlecht auskultierbar sind. Sie benutzten die FOB lediglich dann, wenn drei Versuche, den Hauptbronchus zu intubieren, fehlgeschlagen waren [14]. Manche Autoren bemängeln auch, dass in Studien geringe fiberoptische Abweichungen von der idealen Position (z.b. wenn das proximale Ende des Cuffs nicht unmittelbar unterhalb der Carina im entsprechenden Bronchus lag [72]) bereits als Fehllagen gewertet werden. Brodsky et al. favorisieren deshalb lediglich eine zufriedenstellende Positionierung auf Basis von funktionellen Kriterien. Das bedeutet die Etablierung von selektivem Kollaps und sicherer Isolation der entsprechenden Lunge bei adäquater Oxygenierung. Diese Anforderungen erfüllten lediglich 71 von Patienten nicht, so dass lediglich bei einem relativen Patienten-Anteil von 6.2% eine Korrektur der Tubuslage erforderlich war [14]. Zusammenfassend gilt: Auch wenn derzeit kein genereller Konsensus bezüglich der routinemäßigen FOB zur Kontrolle der Tubusposition besteht, sollte - sofern ein Bronchoskop vorhanden ist - die Tubuslage nach der klinischen Prüfung auch fiberoptisch evaluiert werden [60].

18 12 Einleitung Abbildung 5 Lagekontrolle mit der Fiberoptik mit Blick auf die Carina (A) und den linken Oberlappenbronchus (B) beim linksgängigen Doppellumentubus. Analog gestaltet sich die Lagekontrolle beim rechtsgängigen DLT mit Blick auf die Carina (C) und der Kontrolle der freien Zugänglichkeit des rechten Oberlappenbronchus (D). Abbildung modifiziert nach Motsch et al. [60] Klinische Zeichen Wird die Lage des DLT allein durch klinische Zeichen überprüft, treten in bis zu 25% der Fälle Komplikationen auf, wie beispielsweise die Deflation der entsprechenden Lunge [78]. Klinische Zeichen zur Lagekontrolle sind zum Beispiel das Beobachten von Thoraxexkursionen oder die Auskultation der Lungen. Letztere Methode gilt bereits im Rahmen einer endotrachealen Intubation mit einem konventionellen Tubus als unzuverlässig [52; 73]. Dabei können Fehlerwahrscheinlichkeiten um 60% auftreten [18]. Die Auskultation

19 13 Einleitung als Hilfsmittel zur Evaluation der Position des Doppellumentubus lässt im Vergleich mit der FOB nahezu 28% mehr Fehllagen zu [1]. Auch Klein et al. konnten zeigen, dass von 79 fiberoptisch erkannten Fehllagen lediglich 28 anhand klinischer Zeichen identifiziert worden waren [51] Digitale Palpation Während laufender Operation kann der Tubus vom Chirurgen intraoperativ in der Trachea palpiert werden. Der Anästhesist schiebt daraufhin den deflatierten DLT nach proximal, wobei der Chirurg durch kontinuierliche Palpation und digitale Führung die Positionierung in den richtigen Hauptbronchus sicherstellt. Diese Methode ist den klinischen Zeichen hinsichtlich ihrer Verlässlichkeit überlegen. Sie bleibt allerdings auf die intraoperative Situation beschränkt [24] Messen des Cuffdruckes Araki et al. beschrieben erstmals einen Zusammenhang zwischen bronchialem Cuffruck und der Position von DLT innerhalb des Hauptbronchus oder der Trachea [4]. Bahk et al. entwickelten daraufhin eine Methode zur korrekten Positionierung des DLT. Dabei wird der Tubus mit deflatiertem Cuff bis zum Auftreten eines spürbaren Widerstandes eingeführt. Der bronchiale Cuffdruck wird dann initial auf 30 cmh 2 O eingestellt und der Tubus wird nach proximal zurückgezogen, bis der Cuffdruck ungefähr die Hälfte seines Anfangswertes beträgt [7]. Für diesen Druckabfall während des Zurückziehens wird die Zunahme des Hauptbronchusdurchmessers nach proximal und die teilweise Protrusion des Cuffs in die Trachea verantwortlich gemacht [4]. Daraufhin wird der Cuff deflatiert, und der Tubus wird cm nach distal in seine endgültige Position geschoben. Mit dieser Methode gelang in 97% von 79 Intubationen eine erfolgreiche Positionierung. Dabei waren 50 (63.3%) Positionierungen ideal, 27 (34.2%) nicht in Idealposition, aber innerhalb des Sicherheitsspielraumes. Das bedeutet, die Carina befand sich zwischen proximalem Cuffende und distaler Öffnung des trachealen Lumens des DLT. Zwei (2.5%) Positionen waren Fehllagen. Trotz der guten Ergebnisse raten die Autoren von der häufigen Anwendung ihrer Methode ab, da das Auftreten tracheobronchialer Verletzungen nicht völlig auszuschließen ist. Das Manöver bleibt Situationen vorbehalten, in denen keine FOB verfügbar oder ihre Anwendung zumindest erschwert ist [7]. Bahk et al. beschreiben außerdem die Möglichkeit, den Cuffdruck durch Tasten des Prüfballons (Pilot) zwischen Daumen und Zeigefinger taktil abzuschätzen. Das Manöver gelang auf diese Weise bei 26 von 29 Patienten [6].

20 14 Einleitung Akustisches Monitoring Durch Monitoring von Lungengeräuschen ist es grundsätzlich möglich, eine ELV zu detektieren (Abb. 6). Nach Versuchen an Hunden übertrugen Tejman-Yarden et al. die Methode auf den Menschen, indem sie 11 Patienten mit Doppellumenintubation auf Lungengeräusche hin untersuchten. Dazu wird auf jeder Seite des Thorax jeweils ein piezoelektrisches Mikrofon angebracht. Jedes der Mikrofone repräsentiert dabei eine Lungenhälfte und detektiert lediglich Atemgeräusche, die oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegen. Eine ELV der linken Lunge wurde von diesem System bei allen Patienten erkannt. Die ELV der rechten Lunge wurde durch das akustische System in immerhin 10 von 11 Fällen detektiert. Gegenstand der Diskussion bleibt die Tatsache, dass sich das entsprechende Mikrofon bisher nicht sicher dem ipsilateralen Lungengeräusch zuordnen lässt. Gegen eine Anwendung in der klinischen Routine spricht darüber hinaus die niedrige Fallzahl. Das System eröffnet allerdings die Möglichkeit, den Patienten im Sinne des klinischen Monitorings kontinuierlich zu überwachen [75]. Abbildung 6 Ausschnitt aus einer Atemgeräuschanalyse. In den segmentierten Samples ist jedes Atemgeräusch klassifiziert in TR (tracheale Ventilation), Lt (linke ELV) und Rt (rechte ELV). Grafik (A) zeigt dabei die ELV der rechten, Grafik (B) die ELV der linken Lunge. Die horizontale Achse repräsentiert die Zeit [s], die Y-Achse die Frequenz [khz]. Abbildung modifiziert nach Tejman-Yarden et al. [75].

21 15 Einleitung Kapnographie In der Vergangenheit ist die Kapnographie analog zur Lagekontrolle des konventionellen Endotrachealtubus auch zur Lageevaluation des DLT vorgeschlagen worden. Dabei wird jeweils ein Kapnograph sowohl mit dem bronchialen als auch mit dem trachealen Schenkel des DLT verbunden. Eine simultane und synchrone CO 2 -Kurve auf beiden Monitoren soll Rückschluss auf die korrekte Tubuslage geben. Ein Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit, den Patienten in Echtzeit überwachen zu können [40; 67; 50; 68]. Einige Fallberichte sprechen dieser Technik allerdings die der FOB zugeschriebene Exaktheit ab. So berichten devries et al., dass das selektive end-tidale CO 2 -Monitoring ein in der FOB eindeutig erkennbares Abknicken des endotrachealen Schenkels nicht erkannte. In einem zweiten Fallbericht konnte eine Verlegung des linken Oberlappenbronchus durch eine zu weit distal gelegene Position eines linksgängigen DLT nicht erkannt werden. Trotz ihrer Eleganz bestehen somit berechtigte Zweifel an der Verlässlichkeit der Kapnographie zur Lageevaluation des DLT [26] Spirometrie Die Analyse von Druck/Volumen- oder Flow/Volumen-Kurven kann ebenfalls zur Lagekontrolle herangezogen werden (Abb. 7). Das Verfahren nutzt einen Sensor am Konnektor des Tubus, der in der Lage ist, Druck und Flow zu messen. Daraus lassen sich kontinuierlich Druck/Volumen- (P-V) sowie Flow/Volumen- (V /V) Kurven ableiten und mit einer zuvor gespeicherten Referenz vergleichen. So kann eine distale Fehlplatzierung zu einer Obstruktion des exspiratorischen Flows führen und somit über eine Veränderung des exspiratorischen Schenkels der Flow/Volumen-Kurve detektiert werden. Inspiratorische Obstruktionen, wie sie durch einen abgeknickten Tubus hervorgerufen werden können, verändern dagegen den inspiratorischen Schenkel der Druck/Volumen-Kurve [70]. Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Überwachung kontinuierlich und nahezu in Echtzeit möglich ist. Allerdings ist auch die Anwendung dieses Verfahrens limitiert. Bardoczky et al. fanden, dass von 19 initial fehlpositionierten DLT lediglich 12 (63%) aufgrund der Spirometrie erkannt wurden. Darüber hinaus ist eine FOB zur nachfolgenden Korrektur der Tubuslage zwingend erforderlich [10].

22 16 Einleitung Abbildung 7 Druck/Volumen-Kurven (A) (C) und Flow/Volumen-Kurven (B) (D) während der Beatmung beider Lungen (a) sowie während Einlungenventilation (b). Während (A) und (B) normale P/V- und V /V- Verläufe beschreiben, zeigen (C) und (D) durch erhöhte Spitzendrücke bzw. erhöhte Volumina eine Fehlpositionierung des Doppellumentubus. Modifiziert nach Bardoczky et al. [10] Radiologische Verfahren Eine alternative Technik zur korrekten Positionierung des Tubus stellt das Anfertigen einer Röntgenaufnahme des Thorax dar [78]. Wird ein Arndt-Blocker verwendet, kann die Fluoroskopie bei der Lagekontrolle hilfreich sein. Sie kann insbesondere bei Kindern verwendet werden, wenn der Durchmesser des Bronchialsystems das gleichzeitige Einführen von Bronchusblockern und Fiberoptik nicht zulässt [56] Vibration Response Imaging Das VRI ist eine Technologie, welche auf akustischer Basis diejenigen Vibrationen detektiert, welche bei Beatmung auf der Thoraxoberfläche entstehen. Die Vibrationen werden dann in digitale Bilder umgewandelt. Während Einlungenbeatmung ist das System in der Lage, 87% +/- 5.7% der gemessenen Vibrationen über der jeweils ventilierten Lunge korrekt darzustellen. Bei abweichenden anatomischen Verhältnissen des jeweiligen Atemwegs kann das System allerdings Einbußen an Zuverlässigkeit zeigen [48].

23 17 Einleitung 1.2 Die Elektroimpedanztomographie (EIT) Die Elektroimpedanztomographie (EIT) ist seit über 20 Jahren Gegenstand intensiver technischer Entwicklung und klinischer Forschung. Als Routineanwendung im medizinischen Bereich konnte sie sich bislang jedoch nicht durchsetzen. Dennoch nimmt die Zahl an Publikationen zum Thema stetig zu, so dass die Etablierung der EIT im Sinne der klinischen Routineanwendung in naher Zukunft zu erwarten ist Grundlagen der Elektroimpendanztomographie Biologische Gewebe sind in der Lage elektrischen Strom zu leiten, weil sie Ionen enthalten. Je mehr Ionen ein bestimmtes Gewebe besitzt, desto leitfähiger ist es. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit wird in Siemens pro Meter [S/m] gemessen. Der Kehrwert der Leitfähigkeit wird als spezifischer Widerstand ρ [Ω x m] bezeichnet. In Analogie zur Leitfähigkeit ist der spezifische elektrische Widerstand ebenfalls vom Gewebetyp abhängig. Tabelle 4 zeigt Widerstandswerte, die für einige Gewebearten charakteristisch sind. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass der Widerstand temperaturabhängig ist. Das bedeutet, dass der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur um 1.7% pro Grad abnimmt [36]. Darüber hinaus gelten diese Werte für einen sehr begrenzten Frequenzbereich [17]. Ändert sich die Frequenz des elektrischen Stroms und mithin die Phasenlage zwischen Strom und Spannung, ist es deshalb korrekter, den elektrischen Widerstand als komplexen Wechselstromwiderstand oder auch als Impedanz [Z] zu bezeichnen. Zur Messung der Impedanz ist das Anbringen von Elektroden an das Gewebe erforderlich. Über ein Elektrodenpaar wird daraufhin ein schwacher Wechselstrom (Messstrom ~5 ma) eingespeist. Über weitere Elektrodenpaare kann dann eine Spannungsmessung vorgenommen werden. Bei entsprechender Elektrodenanordnung ergibt sich die Impedanz als Quotient aus gemessener Spannung und appliziertem Wechselstrom. Die Impedanztomographie nutzt Wechselstrom im Frequenzbereich von 10 khz - 1 MHz [54]. Aufgrund der großen Unterschiede zwischen den Gewebeimpedanzen ist es möglich, aus der unterschiedlichen Verteilung der spezifischen Widerstände ein Bild zu generieren. Das Grundprinzip der Bilderzeugung basiert auf der Injektion von schwachen Wechselströmen über Elektroden, welche beispielsweise in einer ebenen Umfanglinie an der Oberfläche des Thorax angebracht sind. Die Potentialdifferenzen werden dabei jeweils mit denjenigen Elektrodenpaaren gemessen, die zum Messzeitpunkt gerade nicht zur Stromapplikation genutzt werden [63].

24 18 Einleitung Tabelle 2 Spezifische Gewebewiderstände / Impedanzen ρ bei einer Frequenz von 10 khz. [35; 9; 17] Gewebeart Spezifischer Widerstand [Ωm] Muskulatur (Skelett) 1.25 (longitudinal) 18.0 (transversal) Muskulatur (Herz) 1.6 (longitudinal) 4.3 (transversal) Fett 27.2 Leber 3.5 Nerven 5.8 Graue Substanz 2.84 Weiße Substanz 6.82 Lunge 7.2 (Exspiration) Blut 1.6 Knochen (Inspiration) Technische Realisierung und Bildrekonstruktion Die Pioniere der Rekonstruktion von Impedanz-Bildern waren Henderson et al., welche erstmals ein Bild der Thoraximpedanz veröffentlichten. Brown et al. veröffentlichten 1983 erstmals Schnittbilder, indem sie mit Hilfe von 16 Elektroden die Impedanzverteilung eines Armes zeigten [17]. Alle Systeme zur Bildrekonstruktion haben eine grundlegende Eigenschaft gemeinsam: Sie zeigen die Impedanzverteilung innerhalb eines Volumens. Dies kann Teil des menschlichen Körpers oder auch Teil einer technischen Pipeline sein [17]. Die meisten Systeme nutzen Elektroden zur Messung der Potentialdifferenzen (Abb. 8). Dabei wird lediglich der spezifische Widerstand ρ, nicht jedoch die Phaseninformation für die Bildrekonstruktion genutzt. Eine Frequenzmodulation ermöglicht darüber hinaus eine Differenzierung zwischen verschiedenen Gewebearten, wird aber zur Lungenbildgebung selten verwendet [63].

25 19 Einleitung Abbildung 8 Schematische Darstellung des Messprinzips der EIT bei einer Untersuchung am Thorax. Die Elektroden (1 16), die typischerweise in einen elastischen Thoraxgurt integriert sind, befinden sich auf einer Umfangslinie um den Thorax und umschreiben die Bildebene. Benachbarte Elektrodenpaare werden abwechselnd, d.h. mit einer festen Frequenz rotierend, zur Einspeisung von Wechselstrom (I) und zur Messung der Spannung (U) benutzt [29]. Wird eine Stromverteilung auf der Oberfläche eines inhomogenen Objektes angelegt, kommt es an den elektrischen Impedanzen zu unterschiedlichen Spannungsabfällen, die ihrerseits als Spannungsverteilung zu analysieren sind. Das Verhältnis zwischen Strom- und Spannungsverteilung ist abhängig von der Verteilung der Leitfähigkeiten des entsprechenden Volumens und von der Form der Oberfläche des untersuchten Volumens. Das so genannte Vorwärtsproblem beinhaltet die Bestimmung der Spannungsverteilung innerhalb und an der Oberfläche eines Objektes bei gegebener Leitfähigkeits-Verteilung innerhalb des Objektvolumens, sowie bei bekanntem Stromfluss an dessen Oberfläche. Dabei sind exakte analytische Lösungen für Objekte beliebiger Oberflächenform und inhomogener Leitfähigkeitsverteilung nicht verfügbar [9]. In der Anwendung der EIT kann das Vorwärtsproblem mit Hilfe numerischer Methoden wie der Finite-Elemente-Methode (FEM) näherungsweise gelöst werden (Abb. 10). Bei der FEM wird der zu untersuchende Feldbereich in einzelne Teilgebiete mit homogener Leitfähigkeit und einfacher geometrischer Form zerlegt [54]. Somit reduziert sich das analytische Problem auf die Lösung einer großen Reihe linearer Gleichungen. Die rechenintensive Technik, welche benötigt wird, kann allerdings erhebliche Rechenzeit beanspruchen. So schlagen einige Autoren vor, die Finite- Elemente-Methode als ein Netzwerk von Widerständen aufzufassen und anzunehmen, dass die Spannung innerhalb eines einzelnen Elements eine lineare Funktion des Ortes darstellt. Andere Autoren lösen das Vorwärtsproblem durch systematische Anwendung der

26 20 Einleitung Kirchhoff schen Gesetze auf die Knoten eines simulierten Netzwerks aus Widerständen [9]. Die Aufgabe, Widerstands- und Leitfähigkeitsverteilung in einem Objektvolumen aus einer Anzahl von Spannungsmessungen zu errechnen, wird als inverses Problem bezeichnet. Invers bezieht sich dabei auf das bereits erwähnte Vorwärtsproblem [54]. Es bedeutet, dass eine einzige Spannungsmessung an der Oberfläche abgeleitet von einer einzigen Stromapplikation nicht genügend Informationsgehalt zur Errechnung von Leitfähigkeitsverteilungen hat. Um diese zuverlässig zu bestimmen, werden deshalb verschiedene unabhängige Messungen notwendig (Abb. 9). Die räumliche Auflösung und die Leitfähigkeits- bzw. Widerstandauflösung steigt also mit der Anzahl der unabhängigen Messungen. Das Problem bei der Bildgebung der EIT ist dabei, dass die Abhängigkeit zwischen Leitfähigkeitsverteilung und Spannungsverteilung nicht linearer Natur ist. So ist beispielsweise die Bildrekonstruktion eines CT in der Lage, ein 3-dimensionales Problem 2- dimensional zu formulieren. Dies ist deswegen möglich, weil ein Röntgenstrahl auf eine Ebene beschränkt werden kann, was die Analyse und Lösung der Bildrekonstruktion deutlich vereinfacht. Der Stromfluss innerhalb eines 3-dimensionalen Objekts beschränkt sich dagegen nicht auf eine Ebene. Im speziellen Fall der Bildgebung aus der Verteilung von Leitfähigkeiten ist eine Reduktion auf zwei Dimensionen somit schwierig [9]. Um das Rekonstruktionsproblem zu lösen, ist mithin die Kenntnis der Stromverteilung und der Spannungsverteilung auf der Objektoberfläche oder zumindest an den Elektroden auf der Objektoberfläche notwendig. Dabei ist ein Problem aus der Praxis, dass üblicherweise ein Widerstand zwischen Elektrode und Haut besteht. Fließt über die Elektroden auf der Haut Strom, resultiert aus diesem Widerstand ein Spannungsabfall unbekannter Höhe. Das bedeutet, dass die an den Elektroden gemessene Spannung sich von der tatsächlich auf der Hautoberfläche anliegenden Spannung unterscheidet. Dieses Problem lässt sich allerdings dadurch umgehen, dass die Spannung an jeweils anderen Elektroden als an den stromeinspeisenden abgegriffen wird. Die Messstrategie besteht also in der Stromapplikation an der Objektoberfläche und der Spannungsmessung an anderen Elektroden. Sind N Elektroden mit der Objektoberfläche verbunden, sind N-1 unabhängige Stromverteilungen nötig, um die Spannungsverteilung an diesen Elektroden zu beschreiben [9]. Die Bildrekonstruktion geschieht meist mit Hilfe des so genannten Sheffield backprojection algorithm. Dieser Algorithmus bildet keine absoluten Impedanz-Werte ab, sondern Änderungen von Impedanzen im Vergleich zu einem zuvor gemessenen Referenzwert. Die Systeme bringen also relative Impedanzwerte zur Anzeige. So ist eine dynamische Bildgebung von Impedanzänderungen möglich, wie sie bei variierenden physiologischen Parametern auftreten. Mit der derzeit verwendeten Technik ist es möglich,

27 21 Einleitung Impedanzänderungen von weniger als 1% zu erfassen. Da der Bildrekonstruktion im Vergleich zur CT-Technik relativ wenig Information zugrunde liegt, versucht der Sheffield backprojection algorithm dies rechnerisch auszugleichen. Dabei unterliegt der Rekonstruktionsprozess einigen Limitationen bezüglich seiner Exaktheit. So ist der Algorithmus äußerst unflexibel und abhängig von der Anzahl der Elektroden und ihrer Anordnung [63]. Ein alternativer Weg der Bildrekonstruktion ist die in Abbildung 10 dargestellte und bereits erwähnte Finite-Elemente-Methode (Dräger Medical, Lübeck). Hierzu wird die Oberfläche des Körpers in Elemente der Form gleichseitiger Dreiecke unterteilt. Um die Impedanz der Dreiecke zu rekonstruieren, werden ihre Werte so oft modifiziert, bis die Impedanzverteilung des Modells mit der gemessenen übereinstimmt. Im letzten Schritt der Bildrekonstruktion werden die Primärdaten gefiltert. Dabei können beispielsweise unbrauchbare Daten einzelner Elektroden unterdrückt werden [63]. Funktionelle Bilder werden dadurch generiert, dass die Zeitachseninformation in ein farbkodiertes Bild umgewandelt wird. Dabei entspricht jedes Pixel auf einer Farbskala einer Veränderung der Impedanzdifferenz von Atemzug zu Atemzug [30]. Die Form der Lunge ist also indirekt durch funktionelle Bilder ermittelbar, indem Bereiche mit wenig Veränderung das äußere Gewebe und Bereiche mit größerer Veränderung das innere Parenchym der Lunge repräsentieren. Die zeitliche Auflösung der EIT beträgt derzeit 1 bis 44 Bilder pro Sekunde bei einer üblichen Auflösung von über 10 Hz. Dadurch ist es möglich, sowohl den lokalen als auch den globalen zeitlichen Verlauf der Impedanzunterschiede aufzuzeichnen. Dabei werden nur diejenigen Impedanzänderungen der Lungenabschnitte erfasst, welche unmittelbar unterhalb des Elektrodengürtels liegen. Die Impedanzänderungen werden dabei sowohl durch Veränderungen des Luftgehaltes der Lunge als auch durch Veränderungen des Flüssigkeitsgehaltes bestimmt. Abbildung 9 Überlagerung der Impedanzinformation entlang der Stromleitung für ein Areal (schwarz) neben einer festen Messposition (u4). Dabei erfolgt die Stromapplikation (i) von verschiedenen Positionen um den Thorax herum (rechtes Bild) [63].

28 22 Einleitung Abbildung 10 Mit der Finite-Elemente-Methode wird der Körper in dreieckige Elemente unterteilt. Jedes Dreieck ist dabei homogen und gleichseitig. Die Impedanzwerte der Dreiecke werden so lange modifiziert, bis der Unterschied zwischen theoretischem Modell und der aktuellen Messung möglichst minimal ist [63] Lungenbildgebung mit der EIT Die Auswahl der Methoden, die die regionale Lungenventilation analysieren können, ist limitiert und ihre Aussagekraft ist dementsprechend begrenzt. So erfasst beispielsweise die Spirometrie in Kombination mit der Ganzkörperplethysmographie lediglich globale Lungenventilationsparameter. Dies bedeutet, dass keine örtliche Zuordnung von inhomogenen Luftverteilungen in der Lunge möglich ist. Etablierte bildgebende Verfahren, wie Röntgen-Thorax, CT oder MRT erfassen dagegen sowohl die Lungenstruktur als auch die momentane Luftfüllung der Lunge. Dies ist jedoch lediglich zum Zeitpunkt der Bildgebung möglich eine kontinuierliche Überwachung ist nicht möglich [29]. Für viele therapeutische Maßnahmen, wie beispielsweise die Einstellung des Beatmungsgerätes, Rekrutierungs- Manöver, Patientenpositionierung oder Thoraxdrainagen wäre es jedoch notwendig, die Therapiemaßnahme sofort beurteilen zu können [27]. Zusammengefasst liefern die oben genannten bildgebenden Techniken Momentaufnahmen morphologischer Strukturen mit hoher räumlicher Auflösung. Die EIT bietet dagegen funktionelle Bilder mit einer verhältnismäßig niedrigen räumlichen aber sehr hohen zeitlichen Auflösung [27]. Die EIT ist also in der Lage, kostengünstig die regionale Lungenventilation ohne Strahlenbelastung und ohne Unterbrechung der Beatmungstherapie direkt am Krankenbett kontinuierlich zu überwachen [29] Validierung der EIT Vor der Anwendung der EIT im Rahmen spezieller Fragestellungen beschäftigten sich viele Arbeiten mit der Validierung von EIT-Daten. Dies bedeutet, dass die Verlässlichkeit und Messgenauigkeit der EIT im Vergleich zu bereits etablierten Methoden untersucht wird: Unter den verschiedenen Autoren besteht Konsens darüber, dass die EIT Volumenveränderungen der Lunge korrekt wiedergeben kann. So zeigte die EIT im Vergleich mit der Computertomographie eine hohe Korrelation zum Luftgehalt der Lunge [33]. Darüber hinaus untersuchten Victorino et al. die regionale Lungenventilation kritisch-kranker

29 23 Einleitung Patienten im dynamischen CT und konnten akzeptable Übereinstimmungen im Vergleich zur EIT attestieren [77]. Auch im Vergleich mit der Ventilationsszintigraphie (Radionuclide scanning) zeigten sich gute Übereinstimmungen [53; 65]. Kunst et al. konnten dabei sogar eine Übereinstimmung mit der Lungenperfusion zeigen [53]. Signifikante Übereinstimmung zeigte auch der Vergleich des ansteigenden Lungenvolumens in der Plethysmographie mit den Impedanzveränderungen der EIT [57]. Hinz et al. kommen durch den Vergleich zwischen EIT und SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) bei verschiedenen Stadien der Lungenverletzung im Schweinemodell zu dem Schluss, dass die EIT eine zuverlässige Überwachung der regionalen Lungenventilation am Krankenbett ermöglicht [45]. Veränderungen des end-exspiratorischen Lungenvolumens bei schrittweiser Erhöhung des PEEP werden ebenfalls von der EIT detektiert. Dabei ist die Impedanz linear abhängig vom end-exspiratorischen Lungenvolumen. Dies konnten Hinz et al. im direkten Vergleich mit der Stickstoff-Auswaschmethode zeigen [42] EIT und Lungenpathologie Verschiedene Lungenerkrankungen können Einfluss auf die regionale Lungenventilation haben. Oft sind globale Lungenfunktionstests bei Patienten mit Lungenpathologie dabei irreführend, da sie lediglich summierte, d.h. sich überlappende Informationen der verschiedenen Lungenregionen bieten. Regionale EIT-Bilder können dagegen hilfreich sein, zwischen unterschiedlich ventilierten Regionen der Lunge zu differenzieren. So konnte bei mechanisch beatmeten Patienten mit ARDS gezeigt werden, dass sich die regionalen Druck/Volumen-Kurven wesentlich von den globalen Parametern der Lunge unterschieden [41]. Dies könnte beispielsweise zum Monitoring der Respiratortherapie am Krankenbett nützlich sein [63]. Frerichs et al. konnten im Tierexperiment unter durch Ölsäure induzierter Lungenschädigung eine Reduktion der Ventilation der betroffenen Lunge im EIT zeigen. Auf der anderen Seite kam es zur reaktiven Ventilationszunahme der gesunden Lunge [32]. Aber auch die Körper- und Kopfposition scheinen Einfluss auf die Ventilationsverteilung bei spontan-atmenden Kindern zu haben [39] EIT und Beatmung In Spontanatmung zeigt die EIT bevorzugt eine Ventilation der im Schwerkraftfeld unten liegenden Lungenareale. Im Unterschied dazu stellt die EIT während intermittierender Überdruckbeamtung (IPPV) eine relativ homogene Ventilationsverteilung beider Lungenregionen dar, in der auch die im Schwerkraftfeld oben liegenden Areale miteinbezogen sind [30]. Dies spiegelt die für diese Beatmungsform typische Ventilation wieder [34]. Verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der EIT-Technologie sind am

30 24 Einleitung mechanisch-beatmeten Patienten denkbar: So kann die EIT dazu benutzt werden, plötzliche Volumenveränderungen beispielsweise im Rahmen eines Recruitmentmanövers zu überwachen [62]. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass im Rahmen einer trachealen Absaugung die Ventilation in den dorsalen Regionen der Lunge stärker abfiel als in den ventralen Bereichen. Dies war ebenfalls mit einer Abnahme der Compliance während Diskonnektion und Absaugung assoziiert [55]. Nützlich kann die EIT auch bei der Entwöhnung (weaning) von maschinell beatmeten Patienten sein. So wurde bei Säuglingen, die unter Laparatomie von kontrollierter Beatmung auf eine assistierte Beatmungsform umgestellt wurden, festgestellt, dass sich unter IPPV eine relativ homogene Ventilationsverteilung im EIT darstellte, während unter assistierter Spontanatmung die im Schwerkraftfeld unten liegenden Regionen stärker ventiliert wurden. Auf diese Weise ließe sich beispielsweise abschätzen, wie weit der Weaning-Prozess fortgeschritten ist [29]. Auch bei Beatmungsformen, die eine Optimierung der PEEP-Einstellungen erfordern, kann die EIT ein sinnvolles Überwachungsinstrument sein [31]. So wurde bei Neugeborenen, die druckkontrolliert beatmet wurden, schrittweise der PEEP erhöht, wodurch sich die regionalen Impedanzen der dorsalen Lungenbereiche ebenfalls erhöhten. Dies weist auf eine Steigerung des end-exspiratorischen Lungenvolumens infolge der PEEP-Änderung hin und zeigt, dass die Beatmungseinstellung die Verteilung der eingeatmeten Luft in der Lunge kaum beeinflusst [29]. Zum anderen wird ersichtlich, dass eine schrittweise Anpassung des PEEP unter EIT-Kontrolle erfolgen kann. Dies ermöglicht beispielsweise bei mechanisch-beatmeten adipösen Patienten eine zügige Evaluation der Anpassung des Lungenvolumens und eine Titration der notwendigen PEEP-Stufe. Hohe PEEP-Werte sind hier vonnöten, um eine normale FRC aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus ermöglicht die EIT hier eine Minimierung des Ventilationsabfalls der dorsalen Regionen [28]. Hinz et al. konnten mittels EIT zeigen, dass PEEP-Applikation das Auftreten von Atelektasen bei Patienten mit Lungenpathologie deutlich verringert [44]. Amato et al. beschrieben, dass eine an Druck-Volumen-Loops orientierte, protektive Beatmungsstrategie bei mechanisch-beatmeten Patienten zu einer höheren Überlebensrate führen kann [3]. Durch gemeinsame Aufzeichnung von EIT- und Druckkurven lässt sich die regionale Compliance bestimmen. Diese regionalen amtemmechanischen Eigenschaften weichen mitunter stark von der globalen Compliance ab. Ihre Bestimmung könnte zum Zwecke der präzisen Einstellung des Beatmungsgerätes von großem Nutzen sein [43]. Schlussendlich könnte durch die EIT auch die Fehllage des Endobronchialtubus detektiert werden. So gab die funktionelle EIT bei einem druckkontrolliert beatmeten Neugeborenen den Hinweis auf überwiegende Beatmung der

31 25 Einleitung rechten Lunge. Mittels EIT konnte nachgewisen werden, dass die Umpositionierung des Tubus umgehend zu einer symmetrischen Verteilung der Ventilation führte [29] Limitationen der Elektroimpedanztomographie Die EIT kann auf verlässliche Art und Weise regionale Ventilationsverteilungen im Vergleich zur CT, electron beam CT und SPECT darstellen. Die dabei gemessenen Impedanzänderungen korrelieren sowohl bei gesunden Probanden als auch bei den meisten pathologischen Lungenmodellen mit dem im CT detektierten Luftgehalt. Das bedeutet, dass die EIT Veränderungen des Lungenvolumens, tidales Recruitment sowie regionale Ventilationsverteilungen erfasst [63]. Auf der anderen Seite können exzessive Tidalvolumina oder erhöhte Atemwegsdrücke, welche ein Volu- bzw. Barotrauma verursachen könnten nicht zuverlässig detektiert werden, da der EIT-gestützten Respiratortherapie lediglich Impedanzänderungen und keine absoluten Impedanzwerte zu Grunde liegen [63]. Darüber hinaus postulieren einige Autoren, die EIT-Technik funktioniere zwar zuverlässig bei Tieren, Lungengesunden und vielen Beatmungspatienten, die Zuverlässigkeit bei Patienten mit Lungen- oder Gewebsödem sei jedoch fraglich. Sie begründen dies damit, dass eine erhöhte Flüssigkeitsmenge auch eine entsprechende Veränderung der Impedanz nach sich ziehe [27]. Hinzu kommt, dass die komplexen Informationen, die die EIT zur regionalen Ventilation liefert, von ungeübten Klinikern schwer zu interpretieren sind. Indices analog dem Bispektralindex (BIS) würden der Vereinfachung der Bildinterpretation in der klinischen Praxis dienen [63]. Von technischer Seite wirkt sich bei vielen Systemen die hohe Anzahl der Elektroden limitierend aus. Viele Anwender bemängeln dabei, dass die Vorbereitungszeit beim Anbringen von bis zu 32 Elektroden in der klinischen Routine zu viel Zeit in Anspruch nähme [27]. Darüber hinaus wünschen sich viele Anwender eine einfachere Möglichkeit, die Elektroden am Thorax zu fixieren [63]. Bei Verbesserung der Technik könnte unter EKG- Synchronisierung auch eine Ventilations-/Perfusionsmessung am Krankenbett durchgeführt werden [53]. Eine weitere Limitierung besteht darin, dass einige EIT-Systeme keine direkte Auswertung am Krankenbett ermöglichen, sondern eine Offline-Analyse erfordern [27]. Außerdem bedeutet die Darstellung einer komplexen drei-dimensionalen Struktur mit periodisch auftretenden Bewegungsartefakten (kardiale Kontraktionen) als zweidimensionales Bild einen erheblichen Verlust an Information. Dazu kommt, dass die momentane Auflösung der EIT nicht hoch genug ist, um exaktere Verfahren der Lungenbildgebung zu ersetzten. [5]

32 26 Einleitung 1.3 Ziele der Arbeit Doppellumentuben (DLT) werden zur Lungenseparation und Einlungenventilation (ELV) bei thoraxchirurgischen Eingriffen benutzt [19]. Ihre korrekte Platzierung ist aufwändig, und die fiberoptische Bronchoskopie (FOB) gilt als Goldstandard zur Lageevaluation [11; 37; 23]. Alternative Methoden wie Cuffdruckmessungen, akustisches Monitoring, Kapnographie, Spirometrie, Vibrations Response Imaging oder diverse radiologische Verfahren sind diskutiert worden, können die Fiberoptik als Mittel der Wahl zur Platzierung und Lagekontrolle des Doppellumentubus jedoch nicht ersetzen [23]. Die Elektroimpedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, das auf der Basis von Impedanzänderungen des Thorax bei der In- und Exspiration die regionale Ventilation der Lunge in Echtzeit darstellen kann [17]. Durch Vergleich der EIT-Bilder mit den fiberoptischen Befunden sollten folgende Hypothesen untersucht werden: (1) Die EIT kann die regionale Lungenventilation während der Zweilungenventilation nach Intubation und während konsekutiver Einlungenventilation (ELV) darstellen. (2) Die EIT kann zwischen einer effektiven linken und einer effektiven rechten ELV sowohl in Rücken- als auch in Seitenlage differenzieren und somit die initiale Platzierung des Tubus erleichtern. (3) Die EIT identifiziert eine Fehlplatzierung in den kontralateralen Hauptbronchus. (4) Die EIT identifiziert einen nach proximal bzw. distal fehlplazierten endobronchialen Cuff und ermöglicht eine Korrektur der Dislokation.

33 27 Methoden 2 Methoden 2.1 Patienten Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden 40 Patienten untersucht. In der Studie wurden Patienten eingeschlossen, bei denen im Rahmen eines thoraxchirurgischen Eingriffes eine Einlungenventilation mit linksgängigen Doppellumentuben angewendet wurde. Patienten unter 18 Jahren, schwangere Patientinnen sowie Patientinnen in der Stillperiode wurden von der Untersuchung ausgeschlossen. Darüber hinaus wurden Patienten mit Herzschrittmacher, implantierten Defibrillatoren, implantierten Pumpen oder unter Iontophoresetherapie von der Studienteilnahme ausgeschlossen. Die Studie wurde von der Ethik-Kommission der Albert- Ludwigs-Universität geprüft und bewilligt. Alle Studienteilnehmer wurden im Vorfeld über die Studie aufgeklärt und nahmen freiwillig daran teil. 2.2 Durchführung der Anästhesie Neben der Anlage des Standardmonitorings für Intubationsnarkosen erhielten die Patienten einen Zentralvenenkatheder (ZVK) in die rechte bzw. linke V. subclavia sowie eine arterielle Kanüle in die rechte bzw. linke A. radialis. Die Studienteilnehmer, welche anschließend thorakotomiert werden sollten, erhielten vor der Narkoseeinleitung einen Periduralkatheter. Patienten, bei denen eine Thorakoskopie durchgeführt werden sollte, erhielten einen Interkostalblock nach Narkoseeinleitung. Nach der Präoxygenierung erfolgte die Induktion der Allgemeinanästhesie mit Alfentanil (20 µg/kg) bei Thorakoskopie oder Sufentanil (0.25 µg/kg) bei Thorakotomie. Anschließend wurde Disoprivan (4µg/ml) als Target Controlled Infusion (TCI) appliziert. Ziel ist hierbei das Erreichen von Hypnose anhand eines bestimmten Plasmaspiegels. Für die Muskelrelaxation wurde Cisatracurium (0.1 mg/kg) verwendet. Bis zum Eintritt der Muskelrelaxation wurde der Patient mit 100% Sauerstoff über eine Maske beatmet. Anschließend wurde er mit einem linksgängigen Doppellumentubus (Broncho-Cath, Mallinckrodt, Athlone, Ireland) intubiert. Der Durchmesser errechnete sich dabei anhand des Trachealdurchmessers [15]. Dabei fanden die Größen 35, 37 und 39 French Verwendung. Nach Durchtritt durch die Stimmbänder wurde der DLT um 90 nach links gedreht und bis zum Auftreten eines leichten Widerstandes vorgeschoben. Anschließend wurde der tracheale Cuff geblockt. Nach der Intubation wurden beide Lungen des Patienten mit Tidalvolumina von 10 ml/kg und einer Frequenz von 12/min mechanisch ventiliert

34 28 Methoden (Cicero EM, Dräger Medical, Lübeck). Während der anschließenden Einlungenbeatmung wurde das Tidalvolumen auf 5 ml/kg reduziert, und die inspiratorische Sauerstoffkonzentration wurde auf 100% erhöht. Der bronchiale Cuff wurde unmittelbar vor der Einlungenbeatmung geblockt bzw. bei Lagerung des Patienten in die laterale Position entblockt. Die Anästhesie wurde aufrechterhalten durch Target Controlled Infusion (TCI) von Disoprivan (3 µg/ml) und Applikation von Alfentanil oder Sufentanil bei Bedarf. 2.3 Durchführung der EIT-Messungen Vor der Narkoseeinleitung wurde dem Patienten in wachem Zustand der EIT-Gürtel angelegt. Anschließend wurde der Gürtel mit dem EIT-Monitor zur Online-Überwachung und Aufzeichnung konnektiert. Die Datengewinnung begann mit der EIT-Messung des spontanatmenden Patienten und wurde jeweils bis zum Beginn der chirurgischen Prozedur fortgeführt. So wurde die Ventilationsverteilung sowohl visuell als auch quantitativ in Spontanatmung vor der Narkoseinduktion erfasst. Während der Narkose wurde die Ventilationsverteilung nach endotrachealer Platzierung des DLT und während rechter und linker Einlungenventilation in Rücken- oder Seitenlage gemessen. In allen Fällen wurde eine EIT-Messung sowohl vor als auch nach der fiberoptischen Lagekontrolle des DLT durchgeführt. Die Lagekontrolle und die gegebenenfalls notwendigen Korrekturen wurden gemäß aktueller Empfehlungen durchgeführt [23]. Während der gesamten Untersuchungszeit war der Anästhesist gegenüber den EIT-Befunden verblindet, ebenso der EIT-Untersucher gegenüber den fiberoptischen Befunden. Klinische Entscheidungen wurden allein auf der Basis von klinischen und fiberoptischen Befunden getroffen. Die EIT-Daten wurden durch Anwendung von elektrischen Wechselströmen mit einer Amplitude von 5 ma und einer Frequenz von 50 khz generiert. Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten Elektrodenpaaren wurden in einem sequentiell rotierenden Vorgang aufgezeichnet. Daraus ließen sich die ventilations-abhängigen Impedanzänderungen während des Scans darstellen. Nach der Signalverarbeitung entspricht das resultierende EIT-Bild einem Schnittbild des Thorax von 5-10 cm Dicke. Die verarbeiteten Daten wurden mit einer Rate von 20 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet und für die Offline-Analyse archiviert. Da chirurgische Elektrokauterisation mit dem in dieser Studie verwendeten EIT Prototyp interferiert, konnte die Messung nicht während der chirurgischen Prozedur fortgeführt werden und der Elektrodengürtel wurde jeweils vor chirurgischer Intervention entfernt.

35 29 Methoden wach Spontanatmung nach Intubation V T 10ml/kg ELV vor FOB V T 5ml/kg FOB V T 10ml/kg ELV nach FOB V T 5ml/kg Seitenlage ELV vor FOB V T 5ml/kg FOB V T 10ml/kg ELV nach FOB V T 5ml/kg Abbildung 11 Studienprotokoll. Die Aufzeichnung der EIT wurde während Spontanatmung beim wachen Patienten begonnen. Nach trachealer Intubation wurden beide Lungen mit einem Tidalvolumen (V T ) von 10 ml/kg Körpergewicht und einer Atemfrequenz von 12/min beatmet. Während der Einlungenventilation (ELV) wurde das Volumen auf 5 ml/kg Körpergewicht reduziert. EIT wurde während drei aufeinander folgender Atemzüge vor und nach Fiberoptischer Lagekontrolle (FOB) gemessen sowie in Rücken- und Seitenlagerung.

36 30 Methoden 2.4 EIT-Gerät Als EIT-Gerät wurde das EIT Evaluation Kit II der Firma Dräger verwendet (EIT Evaluation Kit II, Dräger Medical, Lübeck). Dies ermöglicht sowohl die Bilder, Kurven und Parameter während der Messung in Echtzeit darzustellen, als auch im Anschluss an die Messung die EIT-Daten im Offline-Modus zu analysieren. Die Messung erfolgt über 16 circum-thorakal angeordnete Elektroden. Dabei appliziert der Dräger EIT Evaluation Kit II einen niedrigen Strom mit einer Frequenz von 50 khz über ein erstes Elektrodenpaar und misst die Oberflächenpotentiale an den übrigen Elektroden. Die Funktion, als stromapplizierendes Elektrodenpaar zu dienen, übernehmen jeweils zwei benachbarte Elektroden, wobei die Funktion mit einer hohen Frequenz über alle Elektroden rotiert. Nach einem kompletten Umlauf über alle 16 Elektroden kann ein Bild errechnet werden. Das Gerät ist dabei in der Lage, relative Impedanzveränderungen innerhalb der Elektrodenreichweite als Sequenz von einzelnen Tomogrammen darzustellen. Die relativen Impedanzänderungen werden nach der Bildrekonstruktion als Pixel einer Farbskala dargestellt. Analog zu anderen bildgebenden Verfahren wird das dabei entstehende Bild von kaudal nach kranial betrachtet. Die linke Kontur auf dem Display repräsentiert dabei die rechte Kontur des Patienten. Der EIT Evaluation Kit II erfasst Tidalvolumina über 400 ml sowie thorakale Impedanzen zwischen 1 Ω und 50 Ω. Da das EIT Evaluation Kit II keinerlei Abschirmung gegenüber elektrischen Störfeldern besitzt, verbietet sich die Anwendung des Dräger-EIT-Gerätes in Verbindung mit elektrischen Defibrillatoren oder Elektrokautern. Darüber hinaus reagiert das Gerät sensibel auf Röntgenstrahlung, elektromagnetische Strahlung sowie große Temperaturunterschiede. All diese Störgrößen können zu Messungenauigkeit führen. Das EIT Evaluation Kit II wird mit dem Patienten über einen Elektrodengürtel verbunden. Dieser besteht aus Silikon und trägt 16 Elektroden, welche über ein Druckknopfsystem mit dem Patientenkabel verbunden werden. Nach Auswahl der richtigen Größe, abhängig vom Brustumfang, wurden die Elektroden des Gürtels mit Elektrodengel versehen, welches die Leitfähigkeit verbessert. Zuvor hatte eine Säuberung und Enthaarung der Haut stattgefunden. Anschließend wurde der Elektrodengürtel am sitzenden Patienten zwischen viertem und sechstem Interkostalraum medioklavikular platziert und über ein Patientenkabel mit der EIT-Einheit verbunden. Schließlich wurde eine Referenzelektrode über dem Abdomen des Patienten angebracht. Da es bei Langzeit-Nutzung des Elektrodengürtels zu Hautläsionen der dem Gürtel anliegenden Partien kommen kann, sollte der Gürtel nicht länger als 24h am Patienten verbleiben. Während der vorliegenden Untersuchung wurde er nach spätestens drei Stunden entfernt. Vor

37 31 Methoden jeder Messung wurde ein Sicherheitstest des Stromkreises und des EIT-Gerätes selbst durchgeführt. Die Testung des Stromkreises verhindert die Applikation zu hoher und möglicherweise schädlicher Ströme. Anschließend erfolgte der Test der EIT-Einheit nach Konnexion des Patientenkabels mit einer Testbox. Nach Konnexion des Patienten mit dem EIT-Device fand darüber hinaus vor jeder Messung eine Rohdatenanalyse statt. Hierbei wurde die Arbeitsfrequenz des EIT mit dem elektrischen Rauschpegel der Umgebung verglichen und gegebenenfalls angepasst. Anschließend erfolgte eine Signalüberprüfung der 16 Elektroden. Dabei sollte der Widerstand der jeweiligen Elektrode unter 300 Ω liegen. Höhere Widerstände sprechen für eine Elektrodendislokation oder einen Defekt der entsprechenden Elektrode. Die Dislokation wurde gegebenenfalls mittels erneuter Platzierung des Gürtels oder durch erneute Gel-Applikation behoben. Der in einem Fall vorgekommene Defekt erforderte eine Ersatzbeschaffung des gesamten Gürtels. Um Artefakte in Form von kardial bedingten Impedanzveränderungen zu verhindern, wurde der Low-Pass-Filter aktiviert und die Cut-off-Frequenz zwischen Atem- und Herzfrequenz gewählt. Als Bildmodus wurde Tidalimage gewählt, ein Modus, in dem der inspiratorische und exspiratorische Status in einem Differential-Bild dargestellt werden. Das Bild repräsentiert somit die regionale Verteilung des Tidalvolumens während des jeweils zuletzt detektierten Atemzuges. Die Zeitperiode für die Berechnung der funktionellen EIT-Bilder wurde auf 15 s begrenzt. Als Baseline für die Impedanzänderungen wurde eine dynamische Baseline verwendet. Dabei wurden immer diejenigen Daten, die Sekunden vor der aktuellen Messung aufgezeichnet wurden, für den aktuellen Baselinevektor verwendet. Als Level wurde jeweils die mittlere Baseline der aktuellen Messung benutzt. Tabelle 3 Unterschiedliche Größen des Elektrodengürtels abhängig vom Brustumfang Größe Minimaler Brustumfang [cm] Maximaler Brustumfang [cm] Farbe S Gelb M Blau L Rot XL Grün XXL Grau

38 32 Methoden 2.5 Auswertung Für die Analyse der regionalen Ventilationsverteilung wurde das EIT-Gesamtbild symmetrisch in vier Quadranten unterteilt, welche ihrerseits als so genannte regions of interest (ROI) bezeichnet wurden (DrägerEIT Data Review software, Dräger Medical). Alle EIT-Bilder und Impedanzkurven der ROIs waren während der Messung in Echtzeit auf dem EIT-Monitor verfügbar. Für die weitere offline Analyse wurden die Impedanz-Kurven als ASCII-Dateien exportiert. Für jede ROI wurden anschließend die Impedanzänderungen während Inspiration und Expiration ermittelt. Dabei wurden drei aufeinander folgende Atemzüge während Spontanatmung, nach trachealer Intubation sowie während linker und rechter Einlungenbeatmung gemessen. Die relativen Impedanzänderungen während der Einlungenventilation wurden anhand der folgenden Formeln berechnet. Dabei entspricht ROI 1 dem ventral rechten, ROI 2 dem dorsal rechten, ROI 3 dem ventral linken und ROI 4 dem dorsal linken Quadranten des Gesamtbildes. Z entspricht jeweils den gemittelten Impedanzänderungen der entsprechenden ROI während In- und Exspiration. Einlungenventilation (ELV) der linken Lunge = (1) zroi 3+ zroi 4 z + z + z + z ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 100% Einlungenventilation (ELV) der rechten Lunge = (2) zroi 1+ zroi 2 z + z + z + z ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 100% Die relativen Impedanzänderungen der Ventilationsverteilung von ventral nach dorsal während Spontanatmung bzw. Zweilungenventilation nach Narkoseinduktion und Intubation wurden anhand folgender Formeln berechnet:

39 33 Methoden Ventrale Ventilation = (3) zroi 1+ zroi 3 z + z + z + z ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 100% Dorsale Ventilation = (4) zroi 2+ zroi 4 z + z + z + z ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 100% 2.6 Statistik Die Anzahl der für die Studie benötigten Patienten wurde anhand einer a priori Poweranalyse errechnet. Dabei wurde eine Genauigkeit von 90% oder mehr angenommen, mit der die EIT die Einlungenventilation im Vergleich zur FOB korrekt identifiziert. Auf Grundlage dieser Kalkulation wurde eine Grundgesamtheit von 36 Patienten berechnet [61]. Um eventuelle Ausfälle zu kompensieren, wurden 40 Patienten in die Studie aufgenommen. Die analysierten Daten aller untersuchten Patienten werden grafisch als Mediane und Interquartilabstände (IQR) dargestellt. Die Daten wurden mit dem Friedmann-Test analysiert, gefolgt vom Wilcoxon Signed-Rank Test (MATLAB 7.2 statistic toolbox, The MathWorks Inc., Natick, MA, USA). P<0.05 wurde als Signifikanzlevel gewählt.

40 34 Ergebnisse 3 Ergebnisse Insgesamt wurden 40 Patienten, davon 28 männliche und 12 weibliche, in die Studie aufgenommen (Tab. 4). Das mittlere Körpergewicht betrug 75 kg. 29 Patienten unterzogen sich einer Thorakotomie, die anderen Patienten erhielten eine video-assistierte Thorakoskopie (VATS). Bei 39 von 40 Patienten konnte die EIT-Messung problemlos durchgeführt werden. Bei einem Patienten wurde die EIT-Aufzeichnung durch versehentliche Diskonnektion des Datenkabels während der Lagerung unterbrochen. Nach Induktion der Allgemeinanästhesie und Beginn der kontrollierten Beatmung, zeigte die EIT im Vergleich zur Spontanatmung eine Verschiebung der Ventilationsverteilung in ventrale Richtung. Nach Verifizierung der korrekten Tubuslage durch die FOB konnte mittels EIT eine Ventilationsverteilung mit eindeutigem Schwerpunkt auf der jeweils beatmeten Seite nachgewiesen werden. Das bedeutet, bei Einlungenventilation (ELV) der rechten Lunge zeigte die EIT eine rechts lokalisierte Ventilationsverteilung (ROI 1 und ROI 2), bei ELV der linken Lunge zeigte die EIT dementsprechend eine eindeutig links lokalisierte Ventilationsverteilung (ROI 3 und ROI 4), (siehe Abbildungen 12 & 13). Die EIT zeigte keinen Unterschied in der Ventilationsverteilung zwischen rechter und linker Lunge beim Vergleich zwischen Spontanatmung und kontrollierter Beatmung. Im Gegensatz dazu unterschied sich die Ventilationsverteilung zwischen rechter und linker Lunge während der initialen Zweilungenbeatmung signifikant (P<0.01) von der anschließenden linken bzw. rechten ELV. Ebenso unterschied sich die ELV in Rückenlage von der ELV in Seitenlage (siehe dazu Tab. 6). Nach Zusammenfassung der Daten für Rückenlage und Seitenlage ergaben sich aus der Lagekontrolle des DLT durch FOB drei mögliche Befunde: (1) Fehlpositionierung der bronchialen Spitze des DLT im kontralateralen rechten Hauptbronchus (n=5), (2) korrekte Platzierung der Spitze des DLT im linken Hauptbronchus aber Korrekturbedarf der endobronchialen Cuff-Position (n=39) und (3) korrekte Platzierung des DLT, die keine Repositionierung erforderte (n=35). Während der folgenden chirurgischen Prozedur wurde zu keiner Zeit eine erneute FOB oder eine Repositionierung des DLT notwendig. Wurde aufgrund der FOB eine Korrektur des initial fehlpositionierten DLT in den kontralateralen rechten Hauptbronchus durchgeführt, zeigte die EIT in der im Folgenden durchgeführten ELV der rechten bzw. linken Lunge eine ebenfalls korrigierte Ventilationsverteilung (Abb. 14). Bei Dislokation des bronchialen Cuffs in die Trachea im

41 35 Ergebnisse Rahmen der Umlagerung des Patienten in die Seitenlage konnte die EIT ebenfalls nach Korrektur eine korrekte Ventilationsverteilung detektieren (Abb. 15). In fünf Fällen erkannte die EIT eine Fehllage des DLT im kontralateralen rechten Hauptbronchus. Im Gegensatz dazu registrierte die EIT keine Veränderung der Ventilationsverteilung nach der FOB-gestützten Korrektur eines zu weit distal bzw. zu weit proximal platzierten endobronchialen Cuffs. Dabei ergab der FOB-Befund zwar eine korrekte Lage im linken Hauptbronchus, erforderte jedoch eine Korrektur um bis zu 3 cm. (0.5-1 cm nach distal bzw cm nach proximal). Wie erwartet zeigte die EIT bei unveränderter Tubusposition keine Veränderung der Ventilationsverteilung. Einen Überblick über die Ventilationsverteilungen geben die Tabellen 5, 6 & 7. Spontanatmung n.s. nach Intubation Rückenlage linke ELV * * * rechte ELV * * Seitenlage linke ELV * rechte ELV linke Lunge (%) rechte Lunge (%) Abbildung 12 Ventilationsverteilung während der verschiedenen Stadien des Studienprotokolls nach fiberoptischer Lagekontrolle. Die Boxplots zeigen jeweils die 10., 25., 50., 75., und 90. Perzentile. *P<0.01 zwischen den einzelnen Werten.

42 36 Ergebnisse Tabelle 4 Demographische und klinische Daten der Studienteilnehmer. (BC - Bronchialcarcinom, w weiblich, m männlich, Ol Oberlappen, Ml Mittellappen, Ul Unterlappen, VATS video assistierte Thorakoskopie) Nr. Alter/Geschlecht Größe (cm)/ ASA OP-Indikation Chirurgische Prozedur Gewicht (kg) 1 63/m 172/80 III Pleuraerguss links > rechts unbekannter Ursache Thorakotomie links, Pleurektomie, Pleurolyse 2 75/m 171/65 III Pleuraerguss links > rechts, BC links VATS links, Pleurodese 3 78/w 161/96 III Pleuraerguss bds. VATS links 4 67/m 174/70 III Pleuraerguss links, Adenocarcinom, Pleuracarcinose VATS, Pleurektomie, Pleurodese 5 66/m 170/69 II Metastasen Nierencarcinom links Thorakotomie, Lobektomie linker Ol und linker Ul 6 72/m 174/90 III Metastasen Rektumcarcinom linker Ul Thorakotomie, Lobektomie linker UL 7 23/w 157/50 I Hyperhidrose VATS rechts, Sympathektomie 8 44/m 170/96 III BC linker Ul Thorakotomie, Lobektomie linker Ul, Lymphknoten- Dissektion 9 64/m 182/70 III V.a. BC rechts VATS, Segmentale Resektion S /m 173/68 III BC linker Ol Thorakotomie, Lobektomie linker Ol 11 68/m 180/109 III BC linker Ul Thorakotomie, Lobektomie linker Ul, Lymphknoten- Dissektion 12 68/m 178/85 III BC linker Ol Thorakotomie, Lobektomie linker Ul, Lymphknoten- Dissektion

43 37 Ergebnisse 13 78/w 165/71 II V.a. BC linker Ul und Infiltration der Aorta Thorakotomie, Pleurolyse, Dekompression des N. Phrenicus 14 67/m 180/70 III Adenocarcinom, V.a. Pleuracarcinose rechts VATS, partiale Pleurektomie, Pleurodese 15 59/m 176/73 III BC linker Ol, Infiltration linkes Atrium und A. Pulm. Thorakotomie, Manschettenresektion, Lobektomie linker Ol 16 53/w 163/83 III Metastasen Osteosarkom rechts Thorakotomie, Segmentresektion S1/3/8/ /m 172/75 II BC rechter Ul Thorakotomie, Pneumektomie 18 39/m 176/70 III Lungentuberkulose linker Ol Thorakotomie, Segmentresektion S /m 180/82 II Metast. Hodencarcinom linker Ol Re-Thorakotomie, Metastaseresektion linker Ol 20 80/w 160/70 II Mammacarcinom, V.a. Pleuracarcinose links VATS, Pleurektomie, Pleurodese links 21 73/m 173/72 II Schwannom, exsudative Pleuritis VATS, Pleurektomie rechts 22 57/w 165/48 II Urothelcarcinom, V.a. pulmonale Metastasen Re-Thorakotomie, Lobektomie rechter Ol 23 69/m 175/83 III V.a. pulmonale Metastasen Thorakotomie, Lobektomie linker Ol and linker Ul 24 62/w 150/64 III BC rechter Ul Thorakotomie, Resektion 25 68/m 165/77 III BC rechter Ul Thorakotomie, Pneumektomie 26 66/w 160/70 III Metastasen Mammacarcinom rechts Thorakotomie, Keilresektion S1/2/4/6/8

44 38 Ergebnisse 27 50/m 185/75 III V.a. BC linker Ul Thorakotomie, Keilresektion 28 68/m 175/74 III BC rechter Ol and rechter Ml Thorakotomie, Pleurolyse, Pleurektomie 29 59/m 175/83 III Colorectales Carcinom, V.a. pulmonale Metastasen linker Ol Thorakotomie, Segmentresektion S /w 156/70 III V.a. pulmonale Fibrose linker Ul VATS, Keilresektion links 31 51/m 182/79 III Melanom, V.a. pulmonale Metastasen linker Ol Thorakotomie, Pleurektomie 32 76/m 176/93 III Metastasen Sigmacarcinom rechts Thorakotomie, Keilresektion S /m 172/83 III Colorectales Carcinom, V.a. Metastasen rechter Ul Thorakotomie, Lungenresektion, Pleurolyse 34 54/w 165/60 II Bronchiektasie rechter Ul Thorakotomie, Lobektomie rechter Ul 35 76/m 184/99 II BC, V.a. Pleuracarcinose links Thorakotomie, Pleurektomie, Pleurodese 36 63/m 176/64 III BC rechter Ol Thorakotomie, Lobektomie rechter Ol 37 73/m 176/70 III Colorectales Carcinom, pulmonale Metastasen, Pleuracarcinose Re-Thorakotomie, multiple Keilresektiones rechts, Pleurektomie 38 65/w 166/84 III Mammacarcinom, V.a. Pleurametastasen rechts VATS, Pleurektomie, Pleurodese 39 80/w 163/44 III Osteitis 6. Rippe links Thorakotomie, Rippenresektion, Muskelplastik 40 63/m 171/80 III Coloncarcinom, V.a. pulmonale Metastasen linker Ol VATS, Resektion S1/2/3

45 39 Ergebnisse A B Spontanatmung Nach trachealer Intubation C D linke ELV 77% rechte ELV 81% E F linke ELV 69% rechte ELV 89% Abbildung 13 Repräsentative EIT-Bilder eines Patienten in Spontanatmung (A), nach endotrachealer Intubation (B), während linker Einlungenbeatmung (C) und rechter Einlungenbeatmung (D) in Rückenlage sowie während linker (E) und rechter (F) Einlungenbeatmung in Seitenlage. Die EIT-Bilder wurden aufgenommen nach Lagekontrolle durch fiberoptische Bronchoskopie (FOB). Während der rechten bzw. linken Einlungenventilation (ELV) ist der Prozentsatz der Ventilationsverteilung der entsprechenden Lunge im jeweiligen EIT-Bild angegeben.

46 40 Ergebnisse A B linke ELV 16% rechte ELV 53% C D linke ELV 82% rechte ELV 82% Abbildung 14 EIT-Bilder während Tubusfehllage im rechten Hauptbronchus und nach anschließender Korrektur der Tubusposition mit Hilfe der FOB. Die obere Reihe zeigt die Ventilationsverteilung bei linker Einlungenventilation (ELV) (A) und rechter ELV (B) vor der fiberoptischen Kontrolle der Tubusposition, d.h. in Fehllage. Die untere Reihe zeigt die Ventilationsverteilung nach fiberoptischer Korrektur der Tubuslage. Dabei zeigt sich eine Verlagerung der Ventilationsverteilung auf die linke Seite bei linker Einlungenventilation (C). Abbildung (D) zeigt die Ventilationsverteilung auf der rechten Seite nach fiberoptischer Lagekorrektur. Während der rechten bzw. linken Einlungenventilation (ELV) ist der Prozentsatz der Ventilationsverteilung der entsprechenden Lunge im jeweiligen EIT-Bild angegeben.

47 41 Ergebnisse A B linke ELV 67% rechte ELV 36% C D linke ELV 94% rechte ELV 79% Abbildung 15 EIT-Bilder bei trachealer Dislokation der bronchialen Spitze des DLT nach Seitenlagerung und Korrektur der Dislokation. Die obere Reihe zeigt die Ventilationsverteilung während linker Einlungenventilation (ELV) (A) und während rechter ELV (B), jeweils vor der Lagekontrolle. Die untere Reihe zeigt die Ventilationsverteilung während linker (C) und rechter (D) ELV nach der fiberoptischen Korrektur der Tubusfehllage. Während der rechten bzw. linken Einlungenventilation (ELV) ist der Prozentsatz der Ventilationsverteilung der entsprechenden Lunge im jeweiligen EIT-Bild angegeben.