3D Finite Elemente Simulationen zur Verbesserung der Abbildung von Luft- und Ventilationsverteilung in der Lunge durch Elektrische Impedanztomographie (EIT)

• Antragsteller: Dr. Günter Hahn
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 363793217

Die Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein Verfahren zur Darstellung der Verteilung von Ventilation, Luftfüllung und Perfusion in der Lunge und besitzt ein hohes Anwendungs-potential für die Überwachung der regionalen Lungenfunktion von beatmeten Intensiv-patienten. Sie ist direkt am Krankenbett einsetzbar, nicht mit einer Strahlenbelastung verbunden und erlaubt die Beurteilung der regionalen Luft- und Ventilationsverteilung und damit das Monitoring therapeutischer Interventionen. Sie bietet sich auch zur Frühdiagnostik von Lungenerkrankungen und für grundsätzliche Untersuchungen der Luft- und Ventilations-verteilung an.Derzeit für die klinische Anwendung verfügbare Geräte verwenden eine Anordnung von Elektroden in einer transversalen Ebene am Brustkorb des Patienten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Ergebnisse u.a. von der Lage der Messebene abhängen. Dies ist einerseits darin begründet, dass die Lunge selbst nicht homogen ist. Andererseits spielen geometrische Faktoren wie die äußere Körperform und unterschiedliche Lungenquerschnitte in den Messebenen sowie die Abstände der Messebene und des entsprechenden Lungenbereiches zum Körperrand und zu anderen Organen eine Rolle. Damit sind die Informationen aus verschiedenen Ebenen nicht voll vergleichbar, was eine Auswertung der kranio-kaudalen Ventilations- und Luftverteilung in der Lunge unsicher macht.Das Ziel des Projektes ist es, die verschiedenen Einflüsse der Messebenenlage zu quantifizieren und Korrekturmöglichkeiten zu erarbeiten, um letztlich eine höhere Aussagesicherheit bei Messungen am Patienten zu gewährleisten. Dazu sollen numerische Simulationen von EIT-Messungen in mehreren Messebenen an detaillierten 3D-Finite-Elemente-Modellen des menschlichen Thorax, die aus vorliegenden CT-Daten lungengesunder Patienten gewonnen werden, durchgeführt werden. Durch die Nutzung der CT-Daten von Patienten mit unterschiedlichen Körpergrößen und -formen, Alter und Geschlecht soll dabei ein möglichst breites Spektrum von möglichen Anwendungsfällen abgedeckt werden. In die Untersuchungen werden ausgewählte 3D-Elektrodenanordnungen, bei denen die Elektroden nicht nur in einer Ebene angebracht werden, einbezogen. Dies ist die Grundlage für eine künftige 3D-EIT, für die jedoch noch weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich sind.Die Praktikabilität und Plausibilität des Korrekturansatzes wird anhand von EIT-Messungen in mehreren Ebenen und mit ausgewählten 3D-Anordnungen an gesunden Probanden bei gleichzeitiger Erfassung von Körperform und Lungenzustand geprüft. Nach einer erfolgreichen Prüfung sind die Voraussetzungen für eine spätere Validierung des Korrekturansatzes an Patienten in einer Anschluss-Studie geschaffen, bei denen sowohl EIT- als auch CT-Untersuchungen medizinisch indiziert sind. Bei Nachweis der Effektivität ist langfristig eine Implementierung des Konzeptes in die EIT-Software zur Erfassung des regionalen Lungenzustandes und der regionalen Lungenfunktion anzustreben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Michael Quintel