Ultraschallplethysmographie beim Pferd - vetmeduni.ac.at · Gewidmet meiner Frau Ingrid und meinen Eltern Die Weisheit eines Menschen misst man nicht nach seinen Erfahrungen, sondern

Aus der Universitätsklinik für Kleintiere und Pferde der Veterinärmedizinischen Universität Wien

Abteilung für Interne Medizin Pferde Leitung: O. Univ. Prof. Dr. Rene van den Hoven

Ultraschallplethysmographie beim Pferd

Systemuntersuchung und Anwendungen

INAUGURAL - DISSERTATION

zur Erlangung der Würde eines

DOCTOR MEDICINAE VETERINARIAE

der Veterinärmedizinischen Universität Wien

vorgelegt von

Dipl. Ing. Mag. med. vet. Johannes Peter Schramel

Wien, im Oktober 2008

ubrsanma

diss

1. Begutachter: Univ. Prof. Dr. Rene van den Hoven, DVM, PhD, Dipl. ECEIM (Klinik für Pferde, Abteilung für Interne Medizin)

2. Begutachter: Univ. Prof. Dr. Yves Moens, PhD, Dipl. ECVAA (Abteilung für Anästhesie und perioperative Intensivmedizin)

Betreuer: Univ. Prof. Dr. Rene van den Hoven, DVM, PhD, Dipl. ECEIM (Klinik für Pferde, Abteilung für Interne Medizin)

Ass. Prof. Dr. Klaus Riedelberger (Klinik für Pferde, Abteilung für Interne Medizin)

Gewidmet meiner Frau Ingrid

und meinen Eltern

Die Weisheit eines Menschen misst man nicht nach seinen Erfahrungen,

sondern nach seiner Fähigkeit, Erfahrungen zu machen.

George Bernard Shaw

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Literaturübersicht - Methoden der Plethysmographie beim Großtier 5 2.1. Kalibrationsmethoden der Ganzkörperplethysmographie 9

2.1.1. Spontane Atmung 10 2.1.2. Ventilation 11

3. Vorversuche 13 3.1. Die Entwicklung der Respiratory Ultrasound Plethysmography

RUP 14 3.1.1. Funktionsbeschreibung 15

3.1.1.1. Technische Daten 17 3.2. Ergebnisse aus den Vorversuchen mit dem System Sonosens@ . 18

4. Material und Methode 21 4.1. Systemuntersuchungen 21

4.1.1. Simultanmessung am Modell 21 4.1.2. Linearität, Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität . 22 4.1.3. Messung der Temperaturabhängigkeit 23 4.1.4. Messung der Prequenzabhängigkeit 24 4.1.5. Vergleich mit der Respiratorischen Inductance Plethys-

mographie am stehenden Pferd 24 4.2. Anwendungen 25

4.2.1. Atmungsmuster beim stehenden Pferd 25 4.2.2. Atmungsmuster beim Pferd in Allgemeinanästhesie .... 26 4.2.3. Vergleich der Ultraschallplethysmographie mit der Elek-

trischen Impedanz Tomographie 26

5. Ergebnisse 28 5.1. Systemuntersuchungen 28

5.1.1. Simultanmessung am Modell 28 5.1.2. Linearität, Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität . 29 5.1.3. Messung der Temperaturabhängigkeit 30

Inhaltsverzeichnis v

5.1.4. Messung der Prequenzabhängigkeit 31 5.1.5. Vergleich mit der Respiratorischen Inductance Plethys-

mographie am stehenden Pferd 32 5.2, Anwendungen 35

5.2.1. Atmungsmuster beim stehenden Pferd 35 5.2.2. Atmungsmuster beim Pferd in Allgemeinanästhesie .... 36 5.2.3. Vergleich der Ultraschallplethysmographie mit der Elek-

trischen Impedanz Tomographie 43

6. Diskussion 46 6.1. Diskussion der Methodik 46 6.2. Diskussion der Anwendungen 50

7. Weiterführende Untersuchungen und Anwendungen 55

8. Zusammenfassung 57

9. Summary 59

10. Literaturverzeichnis 61

A. Das Bland - Altmann Verfahren 68

B. EfTektivwert und Standardabweichung eines Signales 73

C. Danksagung 76

Liste der verwendeten Abkürzungen

AC Alternating Current (Wechselstrom) ABD Abdomen DC Direct Current (Gleichstrom) EELV End - Exspiratorisches Lungen Volumen EIT Electrische Impedanz Tomographie FRC Functional Residual Capacity GSP Good Scientific Practice HCL Hydrochlorid Hz Hertz ICR Intercostalraum IPPV Intermittent Positive Pressure Ventilation K Kelvin KGW Körpergewicht PEEP Positive End Expiratory Pressure QDC Qualitative Diagnostic Calibration RAO Recurrent Airway Obstruction RIP Respiratory Inductance Plethysmography RR Respiratory Rate RUP Respiratory Ultrasound Plethysmography SIDS Sudden Infant Death Syndrome TX Thorax VCV Volume Controlled Ventilation VT Tidalvolumen ZEEP Zero End Expiratory Pressure (PEEP = 0)

Abbildungsverzeichnis

1.1. Aktive und passive Phasen der Atmung beim Pferd und beim Menschen 2

3.1. Pferd während eine Messung mit dem System RUP 15 3.2. Benutzeroberfläche realisiert mit Measurement Studio® 16 3.3. Schematische Darstellung des Querschnittes eines Pferdes und

die Anordnung der Messstrecken bei den Vorversuchen mit dem System Sonosens® 18

3.4. Umfangsänderungen der Segmente A, B und C von ThorcLX und Abdomen und deren Summe gemessen mit Sonosens® 19

4.1. Styrodurmodell des Querschnittes eines Thorax zur Simulation von Umfangsänderungen 22

4.2. Anordnung zur Messung der Linearität und der Wiederholge- nauigkeit. Zwei Sensorschläuche sind zwischen Metallstäben, die am Fräskopf und am Schlitten befestigt sind, eingespannt 23

4.3. Schütteltisch adaptiert zur Messung des Frequenzganges 24 4.4. Pferd in Seitenlage mit RUP System 26

5.1. Simultanmessung mit dem Styrodurmodell 28 5.2. Messwerte bei einer linearen Längenänderung in cm Stufen ... 30 5.3. Temperaturabhängigkeit (blau) gemessen im Bereich von 10 bis

50 Grad und die Näherungsgerade zwischen 35 und 45 Grad (schwarz) 31

5.4. Frequenzgang zwischen 0,3 Hz und 4,7 Hz 31 5.5. Vergleich der Thoraxbewegung von RUP und RIP am Pferd bei

Stimulation mit Lobelin. (RUP = rot, RIP = blau) 32 5.6. Normalatmung und vertiefte Atmung durch Lobelin. (RUP =

rot, RIP = blau) 33 5.7. Ausschnitt aus Abbildung 5.5 : Baseline Jump, (rot = RUP, blau

= RIP) 34 5.8. Ausfall des Meßsystems RUP durch Überschreitung des Arbeits-

bereiches (Überdehnung) 35

Abbildungsverzeichnis viii

5.9. TX vs ABD Plot von einem lungengesunden Pferd und einem Pferd mit hochgradiger RAO gemessen mit RUP 36

5.10. Pferd A: Atembewegung von ThorcLx (rot) und Abdomen (blau) bei Spontanatmung in Allgemeinanästhesie 37

5.11. Pferd A: Atembewegung von Thorax (rot) und Abdomen (blau) im Stehen 38

5.12. Zwei Beispiele für paradoxe (= gegenläufige) Bewegungen des Thorctx bei Spontanatmung in Allgemeinanästhesie 38

5.13. Übergang von Spontanatmung zur Beatmung mit IPPV. (Pferd C, Thorax = rot, Abdomen = blau) 40

5.14. Übergang von Beatmung mit IPPV zur Spontanatmung. (Pferd B, Thorax = rot, Abdomen = blau) 40

5.15. Verzögerung der Inspiration durch verlangsamte Ausatmung (Tho- rax =rot, Abdomen = blau) 41

5.16. Auslösung eines spontanen Atemzuges durch latero-laterale manuelle Kompression des Thorax (Pfeil) 42

5.17. Mehrfache Atemzüge bei flacher Anästhesie 42 5.18. Vergleich der Signale (links) und Mittelwerte (rechts) von RUP

TX, RUP ABD und RUP SUM mit EIT 44 5.19. Vergleich von RUP (bewertete Summe) mit der EIT Plethysmo-

graphie 45

6.1. Fehler in Abhängigkeit der Umfangsänderungen 47

A.l. Phasenverschiebung bei unterschiedlichen Signalformen 69 A.2. Phasen und Verstärkungsfehler 69 A.3. Amplituden und Phasenrauschen 70 A.4. Sinus mit reinem Rauschen 71 A.5. Vergleich von Sinus und Rechtecksignal. Simulation einer unter-

schiedlichen Bandbreite 72 A.6. Nichtlinearitäten 72

B.l. Scheitelwert (1), Spitze-Spitze Wert (2), Effektivwert (3) und Periodendauer (4) einer Sinusschwingung 73

1. Einleitung

Einige nichtinvasive Lungenfunktionstests beim Pferd beruhen auf Verfahren der Ganzkörperplethysmographie (gr. TiXrjOtiQ Fülle, Menge), bei der Änderun- gen des Körperumfanges oder der Querschnittsfläche registriert werden. Bei der klassischen Plethysmographie wird der Patient in eine luftdichte Kammer gesetzt und es wird die Volumenänderung des Körpers durch die Atmung aus den Änderungen des Druckes bei geschlossener Kammer oder bei offener Kam- mer aus dem Luftstrom durch einen in der Wand befestigten Pneumotacho- graphen ermittelt. Beim Großtier ist die Messung in einer luftdichten Kammer nicht praktikabel, und man verwendet Sensoren, die die Bewegungen an der Körperoberfläche registrieren um daraus die Volumenänderungen zu ermitteln. Abhängig vom Atemtypus ist die Beteiligung der Intercostalmuskulatur, des Diaphragmas und der Abdominalmuskulatur unterschiedlich stark ausgeprägt. KONNO und MEAD (1967) beschreiben den Atmungsapparat näherungsweise als die Summe aus zwei teilweise unabhängig veränderlichen Bereichen, dem Brustkorb und das Abdomen. Dieses Modell errechnet das Tidalvolumen für die Praxis ausreichend genau aus den gewichteten Anteilen der Komponenten von Brustraum und Bauchraum nach Kalibration mit einem Spirometer.

Die heute meist verwendete Methode zur nichtinvasiven Messung der Um- fangsänderungen von Brustkorb und Thorax, die „Respiratory Inductance Ple- thysmographie" (RIP), beruht auf einer Änderung der Induktivität einer Leiter- schleife die in Form eines elastischen Bandes um Thorax und Abdomen gelegt wird (HOFFMAN, 2002; MILLER et al., 2000). Das Verfahren ist robust und einfach anzuwenden, aber empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störun- gen und metallischen Objekten in der nahen Umgebung. Es ist gut geeignet zur Aufzeichnung von Atembewegungen in Ruhe und unter Belastung, kann aber langsame Verschiebungen wie zum Beispiel Änderungen der Funktionel- len Residualkapazität (FRC) oder des End - Expiratorischen Lungenvolumens (EELV) wegen schlechter Stabilität der Nulllinie nicht wiedergeben.

Beim Tier sind Lungenfunktionstests auf Methoden beschränkt, die keine aktive Mitarbeit des Patienten erfordern und idealerweise nichtinvasiv sind. Ne-

1. Einleitung 2

ben den oszillometrischen Verfahren^ wird die auf der Ganzkörperplethysmo- graphie beruhende „Flowmetrischen Methode" nach HOFFMAN et al. (2001) häufig angewendet. Es wird die Differenz zwischen der zeitlichen Ableitung der Bewegungen von Thorax und Abdomen und dem Atemluftstrom (Flow) berechnet, also die Ursache (Volumenänderung des Körpers) mit der Wirkung (Atemluftstrom) verglichen. Das Volumensignal der Plethysmographie wird dif- ferenziert und mit dem Flow an der Nase, gemessen mit einem Pneumotacho- graphen, verglichen. Abhängig von der Schwere einer obstruktiven Erkrankung kommt es durch die intrapulmonale Kompression der Luft zu einem verzöger- ten Ausstrom und zu einer Amplituden und Phasenverschiebung der beiden Flow Signale.

Geeignete Verfahren zur Messung der Atembewegungen für die „Flowmetri- sche Methode" sollen nur wenig Rauschen und Artefakte liefern, da bei der Berechnung der Ableitung nach der Zeit (V) kleine Schwankungen verstärkt werden (HOFFMAN et al., 2001). Diese Störungen müssen durch ein Filter beseitigt werden, beeinträchtigen aber die Sensitivität der Messung.

Ruheatmung beim erwachsenen Pferd Ruheatmung beim Menschen

INTERCOSTAL + DIAPHRAGMA ABDOMINAL

Abbildung 1.1.: Aktive und passive Phasen der Atmung beim Pferd und beim Menschen

Eine andere Anwendung der Ganzkörperplethysmographie sind Untersuchun- gen zur Atemstrategie beim Pferd. Diese unterscheidet sich deutlich von an-

^ Diese Verfahren verwenden Druckschwingungen mit Frequenzen zwischen 1 Hz und 7 Hz die über eine Atemmaiske eingekoppelt werden. Der Quotient aus dem Druck und dem Flow ist eine komplexe frequenzabhängige Impedanz die die mechanischen Eigenschaften der oberen und tiefen Atemwege beschreibt

1. Einleitung 3

deren Spezies, da das Pferd trotz eines relativ starren Brustkorbes zwischen Ruhe und Höchstleistung einen sehr großen Bereich des Minutenvolumens von etwa 80 bis 1600 Liter abdecken muss (KOTERBA et al., 1988; VAN ERCK, 2005).

Adulte Pferde zeigen in Ruhe ein biphasisches Atemmuster mit einem passiven und aktiven Anteil bei der Exspiration, gefolgt von einem passiven und aktiven Teil bei der Inspiration (KOTERBA et al., 1988). Die Abbildung 1.1 zeigt den Vergleich der Atemstrategie in Ruhe beim Pferd und beim Menschen.

Das Volumen der Lunge am Übergang zwischen der aktiven und der passiven Phase ist die Atemruhelage, die auch als „Funktionelle Residualkapcizität" (FRC) bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die elastische Retraktionskraft der Lunge mit der Gegenkraft des entspannten Brustkorbes und des Abdo- mens im Gleichgewicht (KOTERBA et al., 1988). Die Stelle ist abhängig von der Körperhaltung, der Fülle des Abdomens und des Tonus der beteiligten Muskulatur. Wegen des passiven Kräftegleichgewichtes bei der Funktionellen Residualkapazität kann das Pferd die Atembewegung energiesparend verzögern um eine niedrige Atemfrequenz und Minutenvolumen zu erreichen. Die aktive Ausatmung tritt auch bei gesunden erwachsenen Pferden und nicht nur bei lungenkranken auf um trotz des rigiden Brustkorbes ausreichende Tidalvolu- mina zu erzielen. Diese relativ neue Erkenntnis über den vom Menschen und Kleintier abweichenden Atmungstypus ist für die Beurteilung einer Dyspnoe von großer Wichtigkeit.

Bei Pferden mit Recurrent Airway Obstruction (RAO) kommt es während der aktiven Exspirationsphase zu einem verstärkten Einsatz der abdominalen Muskulatur und zu einer charakteristischen Änderung des Erscheinungsbildes der Atmung, die als Dämpfigkeit (heaves) bezeichnet wird (ROBINSON, 2001). Weiters kommt es zur Ausbildung einer Dampfrinne (heave line) durch eine Hy- pertrophie des M. obliquus externus abdominis.

Die Bewegungen von Thorax und Abdomen können in einem zweidimen- sionalen Koordinatensystem graphisch dargestellt, und durch Berechnung der Phasenverschiebung aus der Lissajous Figur analysiert werden (HAMMER et al., 1995; HOFFMAN et al., 2001). Bei Pferde die an einer chronischen Dys- pnoe leiden kann der Phasenwinkel bis zu 180° annehmen. Dieser Atemtypus wird dann als abdominal paradoxe Atmung bezeichnet und ist auch in der Hu- manmedizin beschrieben (SACKNER et al., 1984).

Mit der Ganzkörperplethysmographie ist eine objektivierte Beurteilung sowie eine Therapie- und Verlaufskontrolle von obstruktiven Lungenerkrankun- gen möglich. Beispielsweise kann eine chronische Ermüdung des Diaphragmas

1. Einleitung 4

durch das Auftreten von eingeschränkten Atembewegungen des Abdomens nachgewiesen werden (HOFFMAN, 2002). Die Sensitivität der Messungen kann durch die Kombination mit einem Bronchoprovokationstest erhöht werden. Aus der Höhe der Dosis des Stimulans kann auf die Schwere der Erkrankung unab- hängig von den aktuellen klinischen Symptomen geschlossen werden (HOFF- MAN, 2002).

Die Ganzkörperplethysmographie könnte in Allgemeinanästhesie auch zur Überwachung des End - Exspiratorischen Lungenvolumes (EELV) eingesetzt werden, und damit die Wirkung eines Positiven End - Exspiratorischen Druckes (PEEP) zur Verbesserung der regionalen Ventilation nachweisen. Die Anwen- dung in Narkose ist jedoch auf Verfahren beschränkt, die das EELV über den gesamten Zeitraum einer Narkose zuverlässig anzeigen können. Die „Respirato- ry Inductance Plethysmographie" RIP ist für diese Anwendung kaum geeignet, da das Verfahren eine durch die Methode bedingte instabile Grundlinie hat (NEUMANN et al., 1998; LEINO et al., 2001).

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die RIP eine einfache Me- thode zur Beurteilung der Lungenfunktion beim Großtier ist. Die heute ver- fügbaren Geräte sind aber zu störungsempfindlich um sie zu einem robusten und anwenderfreundlichen Standardverfahren in der Veterinärmedizin zu machen. Deshalb wurde an der Klinik für Pferde / Abteilung für Interne Medizin ein Verfahren basierend auf einer Umfangsmessung mit Ultraschall entwickelt, dass gegenüber der RIP einige Vorteile hat.

Ziel der Studie ist es das neue Verfahren der Ultraschallplethysmographie zu validieren und in verschiedenen Anwendungen zu erproben. Insbesondere soll geklärt werden, ob mit der Ultraschallplethysmographie beim nicht sedierten Pferd atmungsbedingte, statische und dynamische Änderungen des Körper- umfanges gemessen werden können. Die Arbeitshypothese ist, dass das neue Verfahren im Vergleich zur heute verwendeten „Respiratory Inductance Ple- thysmography" exaktere Messergebnisse und weniger Artefakte liefert.

Die Ultraschallplethysmographie soll auch während einer Allgemeinanästhe- sie zur Überwachung des End - Exspiratorischen Lungenvolumens (EELV) getestet, und mit anderen Verfahren wie der „Elektrischen Impedanz Tomogra- phie" (EIT) in verschiedenen Anwendungen verglichen werden.

2. Literaturübersicht - Methoden der Plethysmographie beim Großtier

Die Ganzkörperplethysmographie wird beim Kleintier und teilweise beim Men- schen mit einer luftdicht geschlossenen Kammer um den Körper durchgeführt und gilt als Gold - Standard für die Messung des Atemwegswiderstandes und der Lungenvolumen. In einer Öffnung der Kammer ist ein Pneumotachograph eingefügt mit dem der Luftstrom der durch die Änderung des Körpervolu- mens entsteht gemessen werden kann. Durch Integration wird aus dem Flow das Volumen berechnet. Eine andere Variante verwendet eine Druckmessung in der geschlossenen Kammer zur Bestimmung der Volumenänderungen, da der Druck und das Volumen nach dem Boyle - Mariotte 'schem Gesetz reziprok zueinander sind.

Die Konstruktion einer luftdichten Kammer für ein Großtier wäre sehr auf- wändig und ist daher für eine Anwendung in der klinischen Praxis nicht geeignet. Eine Anwendung in Bewegung ist gänzlich ausgeschlossen. Methoden der Ganzkörperplethysmographie beim Großtier beruhen auf der Messung der Än- derungen des Körperumfanges und dem von Konno und Mead beim Menschen beschriebenen „Zwei-Kompartment Modell" (KONNO und MEAD, 1967). Da- bei werden die Beiträge der Volumenänderungen von Brustkorb und Abdo- men nach Bewertung der Anteile summiert. Die zur Bewertung der Anteile der Bewegungen von Thorax und Abdomen beschriebenen Kalibrationsmetho- den (POOLE et al., 2000; REVOW et al., 1987; SACKNER et al., 1989) sollen später noch näher erläutert werden. Manche Verfahren wie das Isovolumen Manöver (KONNO und MEAD, 1967) erfordern eine bewusste Mitarbeit des Probanden oder können eine Abwehr hervorrufen und sind daher beim wachen Tier nur erschwert oder nicht anwendbar (HOFFMAN, 2002). Methoden die auch für eine Anwendung beim Säugling und Kleinkind beschrieben sind lassen sich dagegen gut für ein Tier adaptieren.

Die Kalibration in Liter für das entsprechende Tidalvolumen muss für jedes Individuum zu Beginn eines Versuches durch Gleichsetzen der Bewegungen der Körperoberfläche mit Vr durchgeführt werden. Je nach Rasse, Körpergewicht,

2. Literaturübersicht - Methoden der Plethysmographie beim Großtier 6

Alter, Körperhaltung, Trainingszustand und klinischer Symptome kann es er- hebliche Unterschiede in den Atembewegungen geben (REVOW et al., 1987).

Für die Messung der Bewegungen der Körperoberfläche sind unterschiedliche Methoden beschrieben, die abhängig von der Fragestellung, der erforderlichen Genauigkeit und der jeweiligen Anwendung gewählt werden.

Eines der heute meist verwendeten Verfahren ist die „Respiratory Induc- tance Plethysmographie" (COHN et al., 1982). Ein in einem elastischen Gurt mäanderförmig eingearbeiteter Metalldraht wirkt als die frequenzbestimmende Induktivität eines elektrischen Schwingkreises in einem Oszillator. Eine Ände- rung des Querschnittsfläche, der Form und der Länge der Schleife ändert die Selbstinduktivität und damit auch die Schwingfrequenz des Oszillators. Eine Auswerteelektronik wandelt die Frequenz in eine proportionale Spannung um, die nach Kalibration mit einer spirometrischen Methode in eine Volumenände- rung umgerechnet werden kann.

Das Verfahren ist empfindlich auf Änderungen des Abstandes zu metallischen Strukturen in der nahen Umgebung da das Funktionsprinzip dem eines Metall- detektors oder Minensuchgerätes entspricht. Bei der Aufstellung des Pferdes in einem Zwangsstand mit Metallrohren zur seitlichen Begrenzung wurden Ar- tefakte in der Größenordung der Atembewegungen durch die Bewegungen des Pferdes beobachtet.

Die Änderung der Induktivität ist bei physiologischem Tidalvolumen relativ klein, wodurch auch die Temperaturstabilität der anderen frequenzbestimmen- den elektronischen Oszillatorbauteile zu beachten ist. Schon kleine Änderun- gen der Umgebungstemperatur können zu einer deutlichen Verschiebung der Grundhnie führen (GÖTHBERG et al., (2001); LEINO et al., 2001). Deshalb können diese Geräte in den meisten Fällen den statischen Wert nicht anzeigen, und es werden nur veränderliche Signale wie die Atemfrequenz übertragen^. Die RIP Methode wird deshalb nur ausnahmsweise zur Überwachung von Än- derungen der Funktionellen Residualkapazität (FRC) und des End- Exspira- torischen Lungenvolumens (EELV) herangezogen (LEINO et al., 2001). Diese Funktion wird nicht in allen Modellen angeboten und erfordert vor einer Mes- sung eine Betriebszeit von mehreren Stunden (LEINO et al., 2001).

DE GROOTE et al. (2000) beschreiben, dass sowohl Änderungen des Um- fanges als auch die Änderungen der Querschnittsfläche und der Form das Aus- gangssignal von RIP beeinflussen und es deshalb zu abweichenden Ergebnis- sen im Vergleich mit anderen Verfahren kommen kann. Ändert sich die Quer-

ÂC Kopplung des Ausgangssignales

2. Literaturübersicht - Methoden der Plethysmographie beim Großtier

Schnittsfläche beispielsweise von einer Ellipse zu einem Kreis, dann vergrößert sich die Fläche aber der Umfang könnte auch gleich bleiben.

Die Respiratory Inductive Plethysmographie gilt dennoch als ein robustes und preiswertes Verfahren, dass für viele Anwendungen geeignet ist. Es sind auch elastische Kleidungsstücke mit eingearbeiteten Sensoren erhältlich die zur Überwachung eines Atemstillstandes (SIDS) beim Kleinkind eingesetzt werden können.

Andere Verfahren beruhen auf der Messung der mechanischen Spannung in einem elastischen Gurt der um den Körper gelegt wird („strain gauges"). Die Umwandlung der Kraft in ein elektrisches Signal kann mit einem Piezoele- ment, mit einem induktiven Aufnehmer (Diff'erentialtransformator, Magneto- meter, Hall Sensor) oder durch einen veränderlichen elektrischen Widerstand erfolgen. Ein Verfahren benutzt beispielsweise einen mit Quecksilber gefüllten elastischen Schlauch. Bei einer Dehnung reduziert sich der Querschnitt und damit steigt auch der elektrische Widerstand an.

Nachteilig an Verfahren bei denen die mechanische Spannung nur an einem Teilbereich des Körperumfanges gemessen wird ist die begrenzte Genauigkeit, da die Enden des nicht dehnbaren Teiles über die Körperoberfläche gleiten müssen um auch kleine Bewegungen unter dem starren Teil registrieren zu können. Es sollten deshalb die nicht dehnbaren Abschnitte immer in Bereichen nahe der Wirbelsäule liegen da dort nur geringe oder keine Umfangsänderun- gen auftreten.

Ein verwandtes Verfahren ist die „Pressure Sensor Plethysmographie" (BA- NOVCIN et al., 1995). Bei dieser Methode werden Drucksensoren unter einem Klebepflaster auf der Haut von Thorax und Abdomen befestigt. Diese Methode hat jedoch eine eingeschränkte Genauigkeit durch den sehr kleinen abgetaste- ten Bereich. Weiters ist auch eine Entfernung der Haare an diesen Stellen erforderlich. BANOVCIN et al. (1995) berichten aber beim Kleinkind über eine recht gute Übereinstimmung der Resultate mit RIP. Beim Pferd wurde dieses Verfahren soweit bekannt bisher nicht untersucht.

Weiters ist in der Literatur eine Methode beschrieben, bei dem die optische Dämpfung eines in einer Achterschleife gelegten Lichtwellenleiters gemessen wird. Die Achterschleife zieht sich bei Ausdehnung des Körpers zusammen und die dann stärkere Krümmung führt zu einer höheren Dämpfung des Lichtes (Fi- ber Optic Plethysmography; AUGOUSTI et al., 2006). Vorteilhaft bei dieser Methode ist die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen die simultane Messungen mit einem Magnetresonanztomographen ermöglicht. Die Auswerteelektronik wird dann außerhalb des Tomographen angeordnet.


Andere Verfahren der Plethysmographie beruhen auf der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit der verschiedenen Gewebearten im Brustkorb. Die elektrische Impedanz (Wechselstromwiderstand) des Thorax ändert sich im Rhythmus der Atmung durch die periodische Änderung des Luftgehaltes des Lungengewebes. Im Vergleich zum Weichteilgewebe anderer Organe hat die Lunge eine etwa fünffach höheren elektrischen Widerstand. Zur Messung der Impedanzänderungen in der Größenordnung von 1-2 % wird ein hochfrequen- ter Wechselstrom (typisch 70-130 kHz) mit 2 — lOmAg// an zwei Elektroden eingespeist und es wird an zwei anderen Elektroden die entstehende Spannung gemessen (ATTENBURROW et al., 1990). Der Autor beschreibt auch Proble- me die sich bei der Anwendung in Bewegung durch einen instabilen elektrischen Kontakt zur Körperoberfiäche ergeben"^.

Die „Elektrische Impedanz Tomographie" (EIT) ist eine Weiterentwicklung des gleichen Prinzips, und verwendet bis zu 32 Elektroden die in gleichem Abstand rund um den Brustkorb befestigt sind. Die Einspeisungspunkte des Stromes werden zyklisch über dem Umfang weitergeschaltet. Die Messung der resultierenden Spannungen erfolgt an den jeweils passiven Elektroden bezo- gen auf eine weitere Referenzelektrode am Körper. Alle 20 ms wird ein Bild bestehend aus 1024 Bildpunkten errechnet das die Impedanzänderungen be- zogen auf einen Referenzbild anzeigt. Die Referenz wird aus dem Mittelwert der Impedanzen aus mehreren Atemzügen erstellt. Die entehenden Bilder zeigen die regionale Verteilung der Luft in der Querschnittsebene. Der zeitliche Verlauf der Impedanzänderung ist ein Impedanzplethysmogramm, das sehr gut mit den spirometrisch gemessenen Volumenänderungen korreliert (HAHN et al., 1995). Nachteilig bei Verfahren die die elektrische Impedanz als Maß für den Gasinhalt der Lunge verwenden ist, dass ein niederohmiger und gleichmä- ßiger Kontakt der Elektroden für eine störungsarme Funktion Voraussetzung ist. Bei einem Tier muss das Fell zirkulär um den Brustkorb geschoren werden und es darf sich die Haut nicht verschieben. Die Methode kann beim sedierten stehenden Tier und während einer Allgemeinanästhesie eingesetzt werden um eine ungleiche Belüftung der Lungenareale nachzuweisen. Für eine Anwendung in Bewegung kommt das Verfahren derzeit nicht in Frage.

Bei der „Optoelektrischen Plethysmographie" werden reflektierende Marker auf der Körperoberfläche befestigt und deren Lage mit einem Kamerasystem im Raum vermessen. Beim Menschen verwendet man bis zu 90 Punkte. Ei- ne Software berechnet aus dem Dreiecksgitter und dem Oberflächenintegral das Volumen des Körpers nach dem Gauss'sehen Theorem (ALIVERTI et al., 2002). Die Methode ist genau aber durch die hohe Anzahl der Marker und dem

^Die Anforderungen an den elektrischen Kontakt sind wesentlich höher als bei einem EKG Gerät


Rechenaufwand nur für die Grundlagenforschung geeignet. Eine Echtzeitdar- stellung der Volumenänderungen ist wegen des hohen Rechenaufwandes und wegen Probleme bei der Punkteerkenung und -Zuordnung noch nicht realisiert worden.

Die Ultraschallplethysmographie verwendet das Prinzip der Abstandsmes- sung mit Ultraschall über die Laufzeit des Signals in einem Medium. Bei dem von LAFORTUNA und PASSERINI (1995) verwendeten Extensometer wird ein elastischer runder Vollgummi mit 6-8 mm Durchmesser verwendet. Das Gerät hat eine Auflösung von 0,2 mm und eine Grenzfrequenz von 100 Hz. Eine Anwendung am Pferd ist, soweit bekannt, nicht untersucht worden. Das System ist derzeit kommerziell nicht erhältlich (PASSERINI, 2008).

Das Gerät Sonosens® (Friendly Sensors AG) misst die die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen zwei auf der Hautoberfläche befestigten Senso- ren (ADLER, 2003). Vorteilhaft an diesem Funktionsprinzip ist, dass die Ab- standsmessung statische Werte liefert und dadurch auch langsame Änderungen erfasst werden können. Dies ist für Anwendungen während einer Allgemeinan- ästhesie bei der Überwachung des EELV und der Beurteilung der Wirksamkeit von Recruitment Manöver zur Reduktion von Atelektasen wichtig.

Das an der Veterinärmedizinischen Universität Wien entwickelte System RUP verwendet elastische flüssigkeitsgefüllte Schläuche, die als dämpfungsar- me Wellenleiter für Ultraschallwellen arbeiten. Dem Vorteil eines guten Störab- standes und hoher Auflösung steht der Nachteil gegenüber, dass die Schläuche während der Messung nicht zusammengepresst werden dürfen, da dadurch das Signal unterbrochen wird. Eine detaillierte Beschreibung des Systems findet sich in Kapitel 3.

2.1. Kalibrationsmethoden der Ganzkörperplethysmographie

Verfahren zur Messung der Atembewegungen liefern elektrische Signale oder eine Tabelle von Zahlenwerten mindestens 10 mal pro Sekunde. Zur Umsetzung in ein Volumensignal ist eine Umrechnung der Messwerte durch Vergleich mit einem Spirometer oder durch Integration des Flows eines Pneumotachographen notwendig (WARREN et al., 1989). Dabei ist grundsätzlich eine Unterschei- dung zwischen Spontanatmung und Beatmung zu treffen.


2.1.1. Spontane Atmung Bei Spontanatmung geht man von der Annahme einer weitgehend freien und unabhängigen Bewegungsmöglichkeit von Brustraum und Bauchraum aus, die durch die Aktivitäten der Interkostalmuskulatur, des Diaphragmas und der Abdominalmuskulatur entsteht(KONNO und MEAD, 1967). Man berechnet das Lungenvolumen aus einem linearen Modell mit 2 EVeiheitsgraden zu Va = {kji X ABD + fcß X TX). Va ist das Volumen gemessen an der Nase, ki sind Bewertungskoeffizienten und TX bzw. ABD sind die Amplituden der Atem- bewegungen in den entsprechenden Bereichen (REVOW et al., 1987). Die Kalibration erfolgt durch Gleichsetzen der Bewegungen mit dem Atemzug- volumen gemessen mit einem Spirometer. Die Konstanten ki sind Volumen- Bewegungskoeffizienten die durch verschiedene Kalibrationsverfahren ermittelt werden können. Ihre Dimension ist je nach dem verwendeten Meßsystem [w?] ^ oder Volumen / Spannung [m'^/1/].

Die Konstanten ki können aus 2 Lösungen der Gleichung für Va mit mög- lichst unterschiedlichen Anteilen von ABD und TX berechnet werden. Ein Bei- spiel ist das Isovolumen Manöver (KONNO und MEAD, 1967). Dabei wird bei geschlossener Atemmaske {Va = 0) das eingeschlossene Luftvolumen zwischen Bauch- und Brustraum verschoben (paradoxe Atmungsbewegung) und daraus das Verhältnis der Koeffizienten berechnet. Diese Methode erfordert eine aktive Mitarbeit des Patienten und ist daher beim Kleinkind und beim Tier nicht anwendbar (GAGLIARDI et al., 1996).

Ein anderes Verfahren zur Ermittlung der Koeffizienten ist die Methode der kleinsten quadratischen Abweichung (CHADHA et al., 1982). Dabei werden die Anteile von Abdomen und Thorax am Volumen zu verschiedenen Zeitpunkten entlang der Atemkurve mit dem spirometrisch ermittelten Volumen verglichen, die Regressionsgeraden berechnet und aus deren Steigung die Koeffizienten ermittelt. REVOW et al. (1987) berichten, dass beim Menschen vorzugsweise nur die aktive Inspirationsphase zur Ermittelung der Koeffizienten verwendet werden soll, da die passive Expirationsphase einer größeren Streuung unterliegt. Auch sollte die Kalibration bei etwa dem zu erwarteten Tidalvolumen durch- geführt werden um die Abweichungen zu minimieren (MILLMAN et al., 1986).

Die „Qualitative Diagnostic Calibration" (QDC) Methode verwendet die Da- ten von vielen ungestörten Atemzügen mit nahezu gleichen Tidalvolumina aus einem Zeitraum von mehreren Minuten und bewertet den Anteil von TX und ABD aus dem Quotienten der Standardabweichungen der Signale (DE GROO- TE et al., 2001; SACKNER et al., 1989). Dieses Verfahren wird auch in der Patentschrift US 4.834.109 von WATSON (1989) erläutert. Es beruht auf der

^Volumen / Länge = Kubikmeter / Meter = Quadratmeter


Beobachtung, dass die Variation der Atembewegungen von Thorax und Abdo- men normalverteilt sind. Man setzt Va = M x{Kx TX + ABD). Der Faktor K (di- mensionslos) kalibriert den relativen Anteil von TX und ABD, M bewertet die Gesamtsumme. Ein über viele Atemzüge konstantes Volumen bedeutet, dass die Standardabweichung von K gleich null ist, woraus folgt K = —SDABD/SDTX-

K ist eine Näherung der Steigung der Regressionsgeraden berechnet aus den nicht kalibrierten Volumenanteilen von Thorax und Abdomen (DE GROOTE et al., 2001). Allerdings liefert die Methode ungenaue Resultate für K wenn die Variabilität der natürlichen Atemzüge zu klein ist. SDABD und SDTX ge- hen dann beide gegen null und der Quotient liefert ein ungenaues Ergebnis. BROWN et al. (1998) beschrieben diese Einschränkung der Methode bei an- ästhesierten Säuglingen. Die Nutzung der unbewusst auftretenden Variabilität der Atembewegungen von TX und ABD entspricht der Isovolumenmethode von KONNO und MEAD (1967) und ist auch beim Tier anwendbar, da eine aktive Mitarbeit nicht erforderlich ist.

Für die Flowmetrische Methode verwenden HOFFMAN et al. (2002) keine Kalibrationsmethode. Sie nehmen den Wert K = 1 willkürlich als gute Nähe- rung an und verwenden das Summensignal VSUM = M X (TX + ABD). Es werden nur die Bänder um Thorax und Abdomen auf gleiche Verstärkung eingestellt. M wird so gewählt dass die Differenz von VSUM — VpT ein Minimum wird.

2.1.2. Ventilation Wie eigene Messungen zeigen konnten, ist bei künstlicher Beatmung (IPPV) immer eine synchrone Bewegung von TX und ABD gegeben. Beide Signale sind proportional. Es gilt sowohl K = KA X ABD als auch K = Kß x TX. Eine Berech- nung der Atembewegungen aus einer Summe und die Bestimmung der Bewer- tungskoeffizienten ist nicht erforderlich. Der Umrechnungsfaktor zwischen Va und ABD bzw. TX ist nur durch die mechanischen Eigenschaften (Complian- ce) im Bereich der jeweiligen Umfangsmessung bestimmt. Die Compliance ist im mittleren Bereich des Abdomens am größten und nimmt zum Rand hin ab. Sie ist abhängig von der Elastizität der Gewebe, des Brustkorbes und der Lunge, von der Vorspannung durch den Füllungszustand des Abdomens und der Lunge, von der Lage des Körpers und vom Grad der Muskelrelaxation in Anästhesie.

Bei IPPV ist daher die Ermittlung des Umrechnungsfaktors in ein Volu- men mit einem Spirometer ausreichend und es ist nur ein Sensor, befestigt an einer Stelle mit möglichst starker Bewegung, zur Messung ausreichend. Bei einer Änderung der Lage des Patienten oder durch eine Erhöhung des intraabdominalen Druckes wie einem Capnoperitonäum ändert sich durch die Ver-


lagerung der Eingeweide und durch Dehnung der Haut die Nulllinie und der Kalibrationsfaktor. Es kann daher bei diesen Gegebenheiten aus der Änderung des Körperumfanges eine Änderung des end- expiratorischen Lungenvolumens prinzipiell nicht ermittelt werden. Eine Lagerung in Trendelenburg Position (Kopf tiefer) führt zu einer Abnahme des Umfanges im caudalen Bereich des Abdomens und zu einer Zunahme im Bereich des Thorax . Es ändern sich auch die Kalibrationsfaktoren, da die Compliance durch Änderung der mechanischen Vorspannung bzw. des intraabdominalen Druckes beeinflusst wird. Der Körpe- rumfang passt sich nach jeder Lageänderung auch nur langsam an die geänderte Vorspannung an und ist erst nach etwa 10 - 15 Minuten stabilisiert.

3. Vorversuche

Die Vorversuche wurden mit dem Gerät Sonosens@ der Firma Friendly Sen- sors AG durchgeführt. Das Gerät besteht aus einem Datenrecorder und 8 Ul- traschallwandler (4 Sender und 4 Empfanger). Es wird der Abstand zwischen zwei Ultraschall Wandler über die Laufzeit eines Impulses gemessen. Die maximal angegebene Messdistanz einer Strecke beträgt laut Herstellerangaben 70 cm^. Die Anwendung des Systems zur Sonospirometrie beim Menschen wurde von ADLER (2003) untersucht. Es konnte das Minutenvolumen mit einem Fehler von < 15 % bestimmt werden.

Im Rahmen von Vorstudien zu einer Dissertation wurden im Jahr 2002 an der Klinik für Interne Medizin und Seuchenlehre der Veterinärmedizinischen Universität Wien an Pferden Versuche zur Aufzeichnung der Atembewegun- gen mit dem Gerät Sonosens® durchgeführt, die wegen technischer Probleme eingestellt wurden. Das System erwies sich als zu störanfällig, da ein zuver- lässiger Ultraschallkontakt über einen längeren Zeitraum nicht zu erzielen war (LEINKER und RIEDELBERGER, 2006). Deshalb wurde die Idee untersucht ob mit dehnbaren Wellenleitern für Ultraschall, die um den Thorax und Abdo- men gelegt werden, bessere Resultate zu erzielen sind. Dazu wurde ein Silikon- schlauch über ein Ventil blasenfrei mit Ethanol befüllt und die Wandler mit Ultraschallgel auf Adapterstücken aus Aluminium befestigt (Abbildung 3a und b). Versuche mit Wasser als Überträgermedium scheiterten an einer zunächst unerklärlich hohen Dämpfung des Ultraschallsignales. Als Grund dafür konnte die Einbringung von kleinen Luftbläschen bei der Befüllung und die spontane Neubildung durch im Wasser gelöster Gase festgestellt werden. Es gelang ohne der Anwendung eines Vakuums nicht die Luftblasen zu entfernen. Im Gegen- satz dazu lässt Ethanol durch die kleine Oberflächenspannung und die gute Benetzung der Schlauchinnenfiäche die Luftblasen rasch zusammenlaufen die dann leicht entfernt werden können.

^Bei neueren Geräten, die nicht zur Verfügung standen, ist die maximal mögliche Messdistanz auf 50 cm reduziert

3. Vorversuche 14

(a) Das System Sonosens® in der Anwen- dung am Pferd

(b) Detail aus a): Sensor befestigt auf Ad- apter mit Füllventil.

Durch die Verwendung der akustischen Wellenleiter konnten mit dem System Sonosens® auch beim Pferd brauchbare Resultate erzielt werden. Besonders interessant war, dass die Methode auch statische Änderungen des Umfanges wiedergeben konnte. Im Gegensatz dazu ist mit dem Gerät Respitrace®, bedingt durch die Temperaturempfindlichkeit der Elektronik, eine Anzeige von statischen Änderungen nur schwierig zu erzielen (LEINO et al., 2001). Die an der Veterinärmedizinischen Universität zur Verfügung stehenden älteren Gerä- te haben diese Möglichkeit nicht vorgesehen und verfügen nur einen Ausgang mit AC Kopplung. Der statische Wert und die Verschiebung der Nulllinie wird dadurch unterdrückt.

Besonders nachteilig erwies sich, dass insgesamt 8 Sensoren mit Ultraschallgel zu befestigen waren und dass die Ergebnisse zwar auf einem Datenrecorder gespeichert, aber nicht sofort überprüft werden können. Weiters steht auch kein Spannungsausgang für einen direkten Vergleich mit dem System Respitrace® zur Verfügung. Auch die Auswertung gestaltet sich aufwändig, da die insgesamt 6 Teilstrecken erst summiert und Artefakte einzeln korrigiert werden müssen.

Deshalb wurde ein auf dem Prinzip der Abstandsmessung mit Ultraschall ba- sierendes Gerät entwickelt, dass in der klinischen Preixis einfach und zuverlässig anwendbar sein sollte.

3.1. Die Entwicklung der Respiratory Ultrasound Plethysmography RUP

Ziel war es ein Verfahren zu entwickeln, dass die Atembewegungen eines Pferdes zuverlässig erfassen und aufzeichnen kann. Die Daten sollten drahtlos zu einem PC übertragen, angezeigt und gespeichert werden. Zum Vergleich der Ergeb-

3. Vorversuche 15

nisse mit dem bisher verwendeten System Respitrace® sollten Spannungsaus- gänge vorhanden sein. Die Kennzeichnung von Ereignissen durch Marker wie beispielsweise der Beginn eines Experimentes sowie die Einblendung von Hilfs- linien war ebenfalls gefordert.

3.1.1. Funktionsbeschreibung Das System besteht aus zwei dehnbaren akustischen Wellenleiter mit an den Enden befestigten Wandlern für Ultraschall mit einer Mittenfrequenz von 250 kHz. Der Schlauch hat 10 mm Außendurchmesser (Silcolatex@ 7x10mm Be- stellnummer 471500 Fa. Rüsch, Deutschland) und ist mit Spiritus denaturatus (Ethanol vergällt) blasenfrei über ein Ventil befüllt.

Die Elektronik zur Messung der Laufzeit und zur Übertragung der Daten zum PC über einen Bluetooth® Link ist mit einem Klettband auf einem Gurt am Pferd befestigt. Die Verbindungen zu den Ultraschallwandlern erfolgt über steckbare Kabelverbindungen. Es wurde eine Auflösung der Längenänderung von 0,3 mm bei einer Abtastrate von 100 Hz oder 10 Hz realisiert. Die Länge des Schlauches kann 15 cm bis 1,8 m betragen.

Die Schläuche werden mit einem dünnen Seil oder einer Kette unter leichter mechanischer Vorspannung zirkulär um das Pferd im Bereich des 11. Inter- costalraums (TX Signal) und nach der letzten Rippe (ABD Signal) befestigt (Abbildung 3.1).

Abbildung 3.1.: Pferd während eine Messung mit dem System RUF.

3. Vorversuche 16

Die Benutzeroberfläche zur Anzeige der Signale am PC wurde mit dem Soft- ware Paket Measurement Studio(R) von National Instruments (www.ni.com) erstellt und bietet verschiedenste Einstellmöglichkeiten. (Siehe Abbildung 3.2). Mit Schiebeeinsteller neben der Signaldarstellung kann sowohl die Zeitachse als auch das Minimum und das Maximum der Skala einfach angepasst werden. Bei der Ausgabe der Werte in eine Text Datei kann eine Datenrate von 10 Hz oder 100 Hz ausgewählt werden. Mit einer Insert Funktion kann ein beliebiger Text auf Knopfdruck in das Datenfile eingefügt werden.

Clear

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RF[min-1];

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Referenced:

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• 1650 - 121.65

1 130 140

1 150

TimeM 160 170 176,08 1

File n Record | Save As | C:\SR_iockeH.txt

© lOOHz O 10Hz

Abbildung 3.2.: Benutzeroberfläche realisiert mit Measurement Studio®.

3. Vorversuche 17

3.1.1.1. Technische Daten

• Größe der Elektronik 115 x 65 x 30 mm

• Abmessung der Sensoren 20 mm x 45 mm

• Gewicht ca. 155 Gramm incl. 2 Batterien 1,5V Type AA

• 2 Messkanäle für Thorax und Abdomen, bestehend aus je einem US Geber mit Füllventil und einem US Empfanger verbunden mit einem elastischen Schlauch (Silcolatex® 7 x 10 mm) gefüllt mit Ethanol 96 %

• Messbereich 0,15 m bis 2 m (Längenänderung < 15 %)

• Messfrequenz ca. 250 kHz

• Auflösung 250 ns entsprechend 0,3 mm für die Laufzeit in Ethanol 96 %

• Übertragungsrate 100 Hz und 10 Hz

• Thermische Drift + 0,33 % / K

• Linearität < 1 %

• 2 DC Ausgänge +/- IV

• Markerfunktion

• Bluetooth® Class II Schnittstelle zur Übertragung der Messwerte und Markerkommentare

• Lebensdauer der Batterien > 12 Stunden

• Auswerte und Anzeige Software Speicherung der Daten in einer .txt Datei die mit der Software Excel® leicht weiterverarbeitet werden kann.

3. Vorversuche 18

3.2. Ergebnisse aus den Vorversuchen mit dem System Sonosens®

Nachfolgend wird die Anordnung der Sensoren beim System Sonosens® dargestellt. Es werden die Atembewegungen eines Pferdes, wie sie typisch in Ruhe auftreten, wiedergegeben. Die Daten wurden im Gerät zunächst gespeichert und danach mit der Software Excel® graphisch dargestellt.

Die Abbildung 3.3 zeigt schematisch den Querschnitt des Rumpfes eines Pfer- des und die Anordnung der drei etwa gleich langen Segmente A, B und C des Körperumfanges. Der Umfang wurde mit einer nicht dehnbaren Kette unter mechanischer Vorspannung der dehnbaren Schläuche geschlossen.

Kette

Abbildung 3.3.: Schematische Darstellung des Querschnittes eines Pferdes und die Anord- nung der Messstrecken bei den Vorversuchen mit dem System Sonosens®

Die Vorspannung wurde so gewählt, dass bei maximalem Exspirium die Schläuche noch ca. 5 cm gedehnt bleiben damit diese stabil am Pferd anliegen und das Fell etwas angepresst wird. In Abbildung 3.4 sind die Umfangsände- rungen von Thorax und Abdomen eines Pferdes bei Ruheatmung in den drei Segmenten, wie in Abbildung 3.3 angegeben, sowie deren Summe dargestellt.

3. Vorversuche 19

Abbildung 3.4.: Umfangsänderungen der Segmente A, B und C von Thorax und Abdomen und deren Summe gemessen mit Sonosens®.

Man erkennt, dass die Umfangsänderung im ventralen Bereich (Segment B) etwa 3-4 mal so groß ist wie in den dorsolateralen Abschnitten (Segmente A und C). Die Dehnung der Haut ist, so wie erwartet, in den einzelnen Segmen- ten unterschiedlich groß. Der Verlauf der DehnungskoefRzienten d = AL/AV über dem Umfang könnte mit der optischen Plethysmographie genauer ermittelt werden. Befestigt man in Abständen von etwa 10 cm optische Marker am Umfang, dann kann die Amplitude der Abstandsänderungen zwischen In-

3. Vorversuche 20

spirium und Exspirium berechnet werden. Im Bereich der Wirbelsäule, über den Processus spinosus und der Mm. longissimus dorsi, ist keine nennenswerte Bewegung zu erwarten. Der Umfang kann hier mit einem nicht dehnbaren Ele- ment geschlossen werden. Als sehr gut geeignet stellte sich die Verwendung einer Kette und einem Haken heraus. Die mechanische Vorspannung kann durch Einhängen des Hakens in ein passendes Kettenglied einfach eingestellt werden.

Die Spannung des Schlauches ist in allen Segmenten nur dann gleich, wenn die Ultraschallwandler 2 und 3 auf der Haut ideal gleiten würden oder die Un- terhaut leicht verschiebbar wäre. Der Einfluss der Reibung zwischen dem Fell und den Wandlern 2 und 3 wurde nicht näher untersucht, da bei dem neu ent- wickelten System nur ein Schlauch ohne Unterteilung in Segmenten verwendet wurde.

4. Material und Methode

4.1. Systemuntersuchungen

4.1.1. Simultanmessung am Modell Das zum Vergleich verwendete RIP System Respitrace® verwendet den Por- table Respiratory Monitor PRM-146C/LV und zwei für Pferde geeignete Sen- sorbänder (Respiband Plus 152 cm, Sensor Medics Corp.). Das Gerät liefert zwei Analogsignale im Bereich ±1 Volt, für die Bewegungen von Thorax und Abdomen. Die Signale werden in einem Verstärker BUXCO Max II (Buxco Electronics, Inc.) verarbeitet und mit einer Analog / Digital Karte in einem Laptop Computer mit der Software BioSystem XA (Buxco Electronics Inc.) als Kurven dargestellt und gespeichert. Das Ultraschallplethysmographie Gerät liefert ebenfalls zwei Analogsignale die von zwei weiteren Kanälen des Verstär- kers Buxco Mark II und der BioSystem XA Software simultan aufgezeichnet werden. Technische Details zum Gerät RUP sind in Kapitel 3.1.1.1 beschrieben.

Die Auswertung und der Vergleich der Kurven erfolgte mit der Software ACQknowledge (g) V3.8 (BIOPAC Systems Inc.). Die statistische Auswertung der Ergebnisse wurde mit dem Softwarepaket Microsoft® Office Excel 2003 durchgeführt und das Verfahren nach BLAND und ALTMAN (1986) angewendet.

Die Form des Querschnittsfläche eines Pferdes im mittleren Bereich des Tho- rax wurde mit einer 5 cm dicken Platte aus Styrodur® in elliptischer Form (60 cm X 50 cm) nachgebildet. Die Hartschaumplatte ist in der Längsachse zwei- geteilt und besitzt eine an einem Ende in Stufen einstellbaren Anschlag der die Öffnungsweite begrenzt. An der gegenüber liegenden Seite sind die Platten mit einem Scharnier aus einer Klebefolie beweglich miteinander verbunden. Es wurde darauf geachtet, keine metallischen Teile zu verwenden um das System RIP nicht zu beeinflussen. (Siehe Abbildung 4.1).

Am 5 cm breiten äußeren Rand der Styrodurplatten wurden ein Respiband und darüber Sensorschlauch von RUP befestigt. Die beiden Hälften der Platten

4. Material und Methode 22

Abbildung 4.1.: Styrodurmodell des Querschnittes eines Thorax zur Simulation von Umfangsänderungen

werden während einer Messung mit der Hand in wechselndem Rhythmus bis zum eingestellten Anschlag geöffnet und geschlossen um so Atembewegungen unterschiedlicher Frequenz und konstanter Amplitude zu simulieren.

Mit dieser Anordnung kann sowohl die Anstiegszeit als auch Verschiebun- gen der Nulllinie durch eine unterschiedliche Dauer von öffnen und schließen untersucht werden. Durch Annäherung des Modells an die Querstreben des Zwangsstandes können Artefakte bei System RIP nachgewiesen werden.

4.1.2. Linearität, Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität

Die Linearität wurde mit einem auf 0,005 mm einstellbaren Schlitten einer Fräsmaschine (EMCO FB-3) gemessen (Siehe Abb. 4.2). Die Wiederholgenau- igkeit der Einrichtung ist mindestens 50 mal besser als die Auflösung des zu messenden Systems (0,3 mm). Ein ca. 160 cm langes Schlauchstück wurde mit einer Vorspannung von 5 cm eingespannt und die Länge in 10 mm Schritten bis zu 150 mm verlängert. Zur Messung der Wiederholgenauigkeit wurden zwei 60 cm lange Schlauch- stücke 10 mal um 1 cm und 4 cm gedehnt.


Abbildung 4.2.: Anordnung zur Messung der Linearität und der Wiederholgenauigkeit. Zwei Sensorschläuche sind zwischen Metallstäben, die am Fräskopf und am Schlitten befestigt sind, eingespannt.

Zur Messung der Drift wurde ein 60 cm langes Schlauchstück auf einer stabilen Tischplatte in einem Raum mit konstanter Temperatur von 16,5 Grad eingespannt. Nach einem Temperaturangleich von 2 Stunden wurde der Wert ausgelesen und das Gerät abgeschaltet. Nach 18 Stunden bei unveränderter Einspannung wurde nochmals 2 Stunden lang gemessen.

4.1.3. Messung der Temperaturabhängigkeit Zur Messung der Temperaturabhängigkeit wurde ein 160 cm langer Schlauch auf einer Glasflasche mit einem Durchmesser von 15 cm aufgespannt und in einem Wärmeschrank der Type Heraeus HC 4020 vermessen. Die Temperatur wurde im Bereich von 10 - 50 Grad in 10 Grad Stufen verändert. Die Ablesung erfolgte nach einem Angleich der Temperatur nach 15 Minuten. Das Gerät selbst war außerhalb des Schrankes angeordnet um die Bluetooth® Übertra- gung der Daten zu ermöglichen ^.

^Der Temperaturgang des Gerätes ist durch die Verwendung eines Schwingquarzes als Zeit basis kleiner als 10~^ also um mindestens 2 Größenordnungen besser. Damit ist von einem wesentlichen Einfluss des Gerätes selbst nicht auszugehen.


4.1.4. Messung der Frequenzabhängigkeit Der Frequenzgang wurde mit einem adaptierten Schütteltisch für Flüssigkeiten (Modell Bl Firma Bühler ) gemessen. (Siehe Abbildung 4.3). Das Gerät führt sinusförmige Bewegungen mit einer konstanten Amplitude von 6 cm mit einer enstellbaren Frequenz von 0,37 Hz - 4,6 Hz aus^. Bei Vorversuchen wurde beobachtet, dass es bei rascheren Bewegungen zu Transversalschwingungen und Resonanzen des Schlauches kommt. Diese Schwingungen können nicht auftreten wenn der Sensorschlauch vollflächig am Körper aufliegt und sind daher als Artefakt zu bewerten. Deshalb wurde der Schlauch in einem Metallrohr mit 10mm Innendurchmesser gleitend geführt um diese Artefakte durch den Messaufbau zu verhindern.

Abbildung 4.3.: Schütteltisch adaptiert zur Messung des Frequenzganges

4.1.5. Vergleicii mit der Respiratorischen Inductance Plethysmographie am stehenden Pferd

Versuche an Pferden wurden von der universitären Ethikkommission unter Ein- haltung der GSP zugelassen und mit Bescheid BMWF-68.205/56-BrGT/2007 des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung genehmigt.

^4,6 Hz entsprechen einer maximalen Atemfrequenz von 279 pro Minute


An zwei klinisch lungengesunden Übungspferden der Klinik für Pferde wurden simultane Messungen der Atembewegungen mit der Respiratory Inductan- ce Plethysmographie und der Ultraschallplethysmographie durchgeführt. Die Pferde waren nicht sediert und wurden zunächst bei Ruheatmung gemessen. Danach erfolgte eine Stimulation der Atmung durch die Gabe von einem Bolus Lobelin HCL 0,2mg/kg intravenös (ART et al., 1991). Die Respibands waren im 11. ICR und nach der letzten Rippe direkt auf der Körperoberfläche befestigt. In der Mitte darüber waren die Sensorschläuche unter einer mechanischen Vorspannung von 5 cm mit einem Klebeband fixiert. Die Signale wurden wie bei der Simultanmessung am Modell aufgezeichnet und ausgewertet. Zum Ver- gleich der Ergebnisse der beiden Systeme wurden einzelne Abschnitte von 2 bis 10 Sekunden Länge mit unterschiedlichen Atembewegungen und Amplitu- den herangezogen und mit dem Verfahren nach BLAND und ALTMAN (1986) verglichen.

4.2. Anwendungen Grundsätzlich kann die Ultraschallplethysmographie bei gleichen Anwendun- gen wie die RIP eingesetzt werden. Eine der häufigsten Anwendungen der RIP beim Pferd ist die „Flowmetrische Methode" zur Lungenfunktionsdiagnostik (HOFFMAN et al., 2001). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messungen mit dieser Methode nicht durchgeführt, da keine neuen Erkenntnisse zu erwarten waren. Beide Systeme verfügen über einen Gleichspannungsausgang und es kann das System RUP als kompatibel zu RIP betrachtet werden.

4.2.1. Atmungsmuster beim stehenden Pferd Je fünf lungengesunde Pferde und fünf Pferde mit „Recurrent Airway Obstruc- tion" (RAO) mit unterschiedlich schwerer Ausprägung einer Dyspnoe wurden im Stehen mit dem System RUP gemessen und die Atembewegungen mit einer Lissajous Darstellung verglichen. Die Schläuche waren im 11. Intercostalraum (TX) und unmittelbar nach der letzten Rippe (ABD) befestigt (HOFFMAN et al., 2001; MILLER et al., 2000). Die Pferde waren nicht sediert, und waren frei stehend in einem Untersuchungsraum oder in einem Zwangsstand fixiert. Nach dem Befestigen der Sensorschläuche und des Gerätes wurde 5 bis 10 Minuten bis zum Erreichen einer Ruheatmung gewartet. Mit dem Softwarepa- ket Microsoft® Office Excel 2003 wurde aus der graphischen Darstellung von weitgehend ungestörten Atemzügen der Phasenwinkel ermittelt. In x- Richtung wurde das ABD Signal und in y- Richtung das TX Signal aufgetragen (HOFF- MAN et al., 2007). Der Phasenwinkel errechnet sich mit (f) = arcsin(m/s), wobei


m die Breite der Schleife bei TX in der Mitte und s die maximale Breite von ABD ist (BANOVCIN et al., 1995; HOFFMAN et al., 2007).

4.2.2. Atmungsmuster beim Pferd in Allgemeinanästhesie Zehn Pferde unterschiedlichen Alters, Geschlecht, Größe und Gewicht wurden im Rahmen von geplanten Operationen (Kastration, orthopädische Eingriffe) in Rücken - und Seitenlage während einer Spontanatmung und bei künstlicher Beatmung (IPPV) gemessen (siehe Abbildung 4.4). Die Schläuche waren im 11. Intercostalraum (TX) und nach der letzten Rippe (ABD) im oberen freilie- genden Teil des Körperumfanges angelegt. Der Umfang wurde mit einer nicht dehnbaren Metallkette unter dem Körper geschlossen.

Abbildung 4.4.: Pferd in Seitenlage mit RUF System

Es wurden die Atmungsmuster bei spontaner Atmung und bei Beatmung mit Überdruck (IPPV) während der gesamten Operationsdauer aufgezeichnet und die Kurvenformen der Signale von TX und ABD und das End - Exspiratorische Lungenvolumen (EELV) untersucht.

4.2.3. Vergleich der Ultraschallplethysmographie mit der Elektrischen Impedanz Tomographie

Bei einem Shetlandpony mit 85 kg KGW wurde eine Messung der ümfangs- änderungen von Thorax und Abdomen mit der ultraschallplethysmographie


durchgeführt und gleichzeitig eine Messung mit der Elektrischen Impedanz Tomographie (DIXTAL Corp. Brasilien Modell Enlight®, 32 Elektroden) vorgenommen. Das Pferd wurde in Allgemeinanästhesie in Rückenlage mit einem Volumen von 800ml VT beatmet. Nach 50 Minuten wurde während eines Zeit- raumes von 5 Minuten der PEEP Wert von QcmHÔ (ZEEP) auf lOcmHiO, 20cmH2O, l0cmH2O und wieder auf ZEEP verändert.

Die Plethysmographiekurve des EIT Gerätes wurde mit den Umfangsände- rungen von Thorax und Abdomen verglichen. Die Plethysmographiekurve wird aus dem Mittelwert der Impedanzänderungen in der Fläche der Elektroden berechnet. Die erfasste Schichtdicke beträgt nach Angaben des Herstellers etwa 5 - 10 % des Durchmessers, also etwa 2 cm und lag im 5. - 6. Intercostalraum. Die Sensorschläuche von RUP waren im 11. ICR und nach der letzten Rippe ventral am freien Teil des Umfanges fixiert.

Es wurde untersucht, wie sich ein erfolgreiches Recruitment Manöver im Ple- thysmogramm darstellt und wie die Plethysmograpiekurven der beiden völlig unterschiedlichen Verfahren voneinander abweichen. Weiters wurde mit der Pearson Korrelation und der Darstellung nach BLAND und ALTMAN (1986) das RUP Plethysmogramm mit dem EIT Plethysmogramm verglichen.

5. Ergebnisse

5.1. Systemuntersuchungen

5.1.1. Simultanmessung am Modell Die Abbildung 5.1 zeigt einen ca. 30 Sekunden langen Ausschnitt einer simul- tanen Messung von RUP und der Referenz Respitrace® die auf dem von Hand bewegten Styrodurmodell übereinander befestigt sind.

RIP versus RUP

Bland - AKman Plot

0.5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5

^ 1.96 X SD 1 1 A ^„, IK^^NF E^ü^>-M.^.^»-.fi»2lîfeîc^

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^M

^

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-1,96 X SD ^PR •

1 1 -0,5 0.5

Abbildung 5.1.: Simultanmessung mit dem Styrodurmodell

Beide Systeme haben konzeptbedingt unterschiedliche Verstärkung und Aus- gangsspannungsbereiche. Deshalb wurde die Verstärkung und der Offset von

5. Ergebnisse 29

RUP vor der Auswertung so angepasst, dass die Amplituden beider Signalen gleich und der Mittelwert über den gesamten Bereich null war.

Man erkennt am stärker geglättetem Signalverlauf von RIP, dass das Signal eine niedrigere obere Grenzfrequenz (kleinere Bandbreite) als RUP hat. Es wurde eine Anstiegszeit von 100ms entprechend einer oberen Grenzfrequenz von 1,6 Hz ermittelt.

Die Bestimmung der Zeitkonstante des RIP Gerätes ergab einen Wert von T = 10 Sekunden. Daraus lässt sich mit / = l/27r * r eine untere Grenzfrequenz von 0,016 Hz errechnen. Eine untere Grenzfrequenz bedeutet, dass statische Anteile nicht übertragen werden^ und dass sich der Mittelwert und die Nullinie von RIP abhängig von der Signalform verschiebt. Das System RUP liefert dagegen immer einen stabilen Wert der Ruhelage weil statische Werte gemessen werden^.

In der Darstellung nach BLAND und ALTMAN (1986) erkennt man, dass es durch die unregelmäßige Bewegung zu einer Auffächerung der Messwerte und zu einem relativ großen Konfidenzintervall von ±25% kommt. Die Übereinstim- mung der Ergebnisse in einem Bereich mit konstantem Verhältnis von geöffnet zu geschlossen, wie es bei gleichmäßigen Atembewegungen vorkommt, ist dagegen mit etwa ±8% deutlich besser. Dieser Effekt ist auch bei der Anwendung am Pferd von Bedeutung, wenn es beispielsweise durch eine Stimulation der Atmung mit Lobelin zu ungleichmäßigen Atemzügen kommt. Siehe dazu auch die Abbildungen 5.6 und 5.7.

5.1.2. Linearität, Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität

Die Abbildung 5.2 zeigt den Verlauf des Messwertes über einer Längenände- rung von 20 cm gemessen in cm Stufen. Man erkennt, dass es ab einer Dehnung von ca. 18 cm oder 11 % der Gesamtlänge es zu einer deutlichen Abweichung vom linearen Zusammenhang zwischen der Länge und dem Messwert kommt. Das Bestimmtheitsmaß wurde mit R^ = 0, 998 ermittelt.

êntspricht einer AC Kopplung êntspricht einer DC Kopplung

5. Ergebnisse 30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

cm

Abbildung 5.2.: Messwerte bei einer linearen Längenänderung in cm Stufen

Die Wiederholgenauigkeit wurde mit zwei 60 cm langen Schlauchstücken überprüft die 10 mal um 1 cm beziehungsweise um 4 cm gedehnt wurden. Es konnte eine Abweichung kleiner der Auflösung von 0,3 mm festgestellt werden. Zu berücksichtigen ist, dass eine Änderung der Anzeige um 0,3 mm auch durch eine Temperaturänderung von 0,15 K (entsprechend einer Temperatu- rabhängigkeit von 0,33 % / K) verursacht sein kann. Dieser Effekt muss bei Messungen über einen längeren Zeitraum beachtet werden.

Die Messung der Langzeitstabilität eines 60 cm langen Sensorschlauches ergab einen Anfangswert von 672,1 mm und nach 18 Stunden Werte zwischen 672,1 mm und 671,8 mm. Die Abweichung lag damit in der Größenordnung der Auflösung von 0,3 mm.

5.1.3. Messung der Temperaturabhängigkeit Die Abbildung 5.3 zeigt die Messwerte in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen 10°C und 50°C. Im Bereich zwischen 30 und 40 Grad beträgt die Steigung der Kurve + 0,33 % / K bei einer Füllung des Schlauches mit 96 % Spiritus denaturatus (Ethanol vergällt)^.

^Für Ethanol 96% wird bei 25°C eine Schallgeschwindigkeit von 1207 m/s und ein Temperaturgang von -4 m/sK angegeben. -4/1207 ergibt einen Wert von -0,33% /K für die Geschwindigkeit und damit -I- 0,33% für die Laufzeit oder die Länge der Strecke

5. Ergebnisse 31

Temperaturgang

1600

10 15 20 25 30

Grad C

35 40 45 50

Abbildung 5.3.: Temperaturabhängigkeit (blau) gemessen im Bereich von 10 bis 50 Grad und die Näherungsgerade zwischen 35 und 45 Grad (schwarz)

5.1.4. Messung der Frequenzabhängigkeit Die Abbildung 5.4 zeigt den Messwert bei einer sinusförmigen Längenänderung mit Frequenzen zwischen 0,3 Hz und 4,7 Hz. Es konnte in diesem Bereich kein messbarer Abfall der Amplitude festgestellt werden. Eine Atemfrequenz von 4,7 Hz würde einer Atemfrequenz von 279/Minute entsprechen und ist damit weit über der zu erwartenden Atemfrequenz beim Pferd.

Mk

Abbildung 5.4.: Frequenzgang zwischen 0,3 Hz und 4,7 Hz

5. Ergebnisse 32

5.1.5. Vergleich mit der Respiratorischen Inductance Plethysmographie am stehenden Pferd

Die Abbildung 5.5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Atembewegungen des Tho- rax im 11. Intercostalraum gemessen mit RUP und RIP nach der Gabe eines Bolus Lobelin HOL 0,2 mg/kg KGW. Man erkennt, dass der Basalwert des RIP Signals nicht konstant ist und sich abhängig von der Signalform ändert. Weiters erzeugt das Gerät bei einer Überschreitung des Ausgangssignales von < oder > 1 Volt einen Sprung zum Mittelwert 0 Volt um innerhalb des erlaubten Aus- gangsspannungsbereiches zu bleiben. Diese „Reset" Funktion erlaubt es trotz einer sehr niedrigen unteren Grenzfrequenz wieder rasch in den Arbeitsbereich zurückzukehren. Der Nachteil ist, dass dabei das Ergebnis verfölscht wird.

Bei allen Versuchen wurde 2-3 Sekunden nach der Bolusgabe eine erste Apnoephase von ca. 10 Sekunden beobachtet. Unmittelbar danach erfolgt eine kräftige Stimulation der Atmung für etwa 100 - 120 Sekunden auf das ca. 2,5 - fache Tidalvolumen. Danach findet man eine zweite Apnoephase gefolgt von einer ca. 5 Minuten andauernden unregelmäßigen aber verlangsamten Atmung. Wie in der Literatur beschrieben, hat Lobelin eine stark beruhigende Wirkung, und es ist eine wesentliche Belastung für das Tier nicht anzunehmen. Aus den Signalverläufen der RIP konnte beobachtet werden, dass in den Apnoephasen die Bewegungen von Thorax und Abdomen auf dem Wert der Atemruhelage (Stelle des Equilibrium) angehalten werden.

Abbildung 5.5.: Vergleich der Thoraxbewegung von RUP und RIP am Pferd bei Stimula- tion mit Lobelin. (RUP = rot, RIP = blau).

5. Ergebnisse 33

Die Auswertung mit dem Bland-Altmann Diagramm bei niedrigen Tidalvo- lumen in Ruheatmung (Abbildung 5.6a) ergab eine Abweichung von 0,8 %. Die Auffüllung der Fläche wird durch Rauschen verursacht (Siehe Anhang A). Bei einem durch Lobelin HCL gesteigerten Atemzugvolumen ergab sich eine größere Abweichung von 2,2 % (Abbildung 5.6b). Beide Angaben zur Abwei- chung beziehen sich auf ein Intervall von ±1,96 mal der Standardabweichung entsprechend einem Konfidenzintervall von 95 %.

0.15 -r

0,1 A • 0,06

' 0. /\7^\/v -0,1

1 5 10

Nk i

0,03

0,01 ^^1^ ̂ 2

-0,01 ^Wi^ mm i

-0,03 -0,2 -0,1 0,1 0,2

0.5

-. /\ /\ At JM

/\ / l / \ /\ f\ n^ / \ / \ / \ f \ / \

S 0.25 § 0,2

/ \ f \ 1 \ / \ 1 \ \ i \ f \ / \ 1 \ \ / \ / \ / \ / \ \ f \ 1 \ 1 \ i \ \l \ 1 \i \ 1 \

0 -0.05

V V » v \

(a) Normalatmung (b) Vertiefte Atmung

Abbildung 5.6.: Normalatmung und vertiefte Atmung durch Lobelin. (RUP = rot, RIP blau)

Die Abbildung 5.7 zeigt einen Ausschnitt aus der Abbildung 5.5 in dem es durch die Überschreitung des Ausgangsspannungsbereiches von RIP zu einer Unstetigkeit und Verschiebung der Nulllinie (Baseline Jump) des Signales kommt. Dieser Effekt führt im Bland - Altmann Diagramm zu einer Auftren- nung der Punkte in 2 Bereiche. Man erkennt, dass die Abweichung innerhalb der Bereiche viel kleiner als die Gesamtabweichung über einen längeren Zeit- raum ist. Die Abweichungen sind besonders bei einer Änderungen des Atem- musters groß.

5. Ergebnisse 34

Artefakt sek

-0,4 -0,2 0,0 0.2 0,4

Abbildung 5.7.: Ausschnitt aus Abbildung 5.5 : Baseline Jump, (rot = RUP, blau = RIP)

Bei einem Versuch kam es durch eine zu starke Vorspannung bei der Befesti- gung der Schläuche bei einer durch Lobelin induzierten maximalen Atemtiefe zu einer Überschreitung des Arbeitsbereiches von RUP. Die Überdehnung führt zu einer Verkleinerung des Schlauchquerschnittes und dadurch zu einer starken Dämpfung des Ultraschallsignals. Der angezeigte Signalwert springt bei Über- schreitung der Grenze zu einem von der Software vorgegebenen Maximalwert, wodurch die Fehlerhaftigkeit der Messung erkannt werden kann. Dieser Effekt ist in Abbildung 5.8 dargestellt. Das Meßsystem nimmt dabei keinen Schaden und kann durch die Reduktion der Vorspannung sofort wieder eingesetzt werden.

5. Ergebnisse 35

Abbildung 5.8.: Ausfall des Meßsystems RUP durch Überschreitung des Arbeitsbereiches (Überdehnung)

5.2. Anwendungen

5.2.1. Atmungsmuster beim stehenden Pferd Die Abbildung 5.9 zeigt die Lissajous Darstellung der Umfangsänderungen von ThoFcLx und Abdomen bei einem lungengesunden Pferd und bei einem Pferd mit hochgradiger Dyspnoe verursacht durch eine langjährig bestehende RAO Erkrankung („heaves").

5. Ergebnisse 36

1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910

THORAX <mm>

1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950

THORAX <mm>

(a) Pferd gesund (b) Pferd mit RAO

Abbildung 5.9.: TX vs ABD Plot von einem lungengesunden Pferd und einem Pferd mit hochgradiger RAO gemessen mit RUP

Das ABD Signal ist in x - Richtung und das TX Signal ist in y - Richtung aufgetragen. Beim Pferd mit RAO zeigt sich die dafür typische Aufweitung und Vergrößerung der Schleife, die in schweren Fällen die Form einer Acht annehmen kann. Die Bestimmung des Phasenwinkels ist durch die starke Ab- weichung von der Sinusform dann praktisch nicht mehr möglich.

5.2.2. Atmungsmuster beim Pferd in Allgemeinanästhesie Nachfolgend sind einige typische beobachtete Kurvenformen der Umfangsän- derungen von Thorax und Abdomen bei Pferden in Allgemeinanästhesie in Rückenlage wiedergegeben. Die Spontanatmung ist gekennzeichnet durch eine starke Bewegung des Abdomens bei einer niedrigen Atemfrequenz von 2 bis 5 pro Minute (Abbildung 5.10). Beim TX Signal kommt es zu Beginn und am Ende des Atemzuges eine dem Abdomen gegenphasige Bewegung, weil durch die starke Kontraktion des Diaphragmas der Rippenbogen nach innen gezogen wird und die inspiratorische Intercostalmuskulatur die Mm. intercostales externi nicht genügend stco-k aktiviert werden um der Kraft entgegenzuwirken.

5. Ergebnisse 37

950

900

850

-I 800

750

20 40

sek 60 80

Abbildung 5.10.: Pferd A: Atembewegung von Thorax (rot) und Abdomen (blau) bei Spon- tanatmung in Allgemeinanästhesie

Die Atembewegungen im Stehen, gemessen am selben Pferd einen Tag nach der Anästhesie, wird in Abbildung 5.11 dargestellt. Das Atemmuster unterscheidet sich deutlich von der Spontanatmung in Anästhesie. Es zeigt annä- hernd gleich große Anteile von Thoreix und Abdomen und die für stehende Pferde typische dreieckige Kurvenform mit einem im mittleren Bereich flache- ren Anstieg des ABD Signals. Der flache Abschnitt führt zu einer bei Ruheat- mung beobachtbaren, charakteristischen Einsattelung der Flow Kurve (Siehe Abbildung 1.1) .

5. Ergebnisse 38

A E E V

900

880

860

840 P

820

800 0)

i* 780

-* 760

740

720

700

10

sek

20

Abbildung 5.11.: Pferd A: Atembewegung von Thorax (rot) und Abdomen (blau) im Stehen

Bei manchen Pferden wurde auch eine paradoxe (= gegenläufige) Bewegung des Thorax beobachtet (Siehe Abbildung 5.12). Es kommt während der gesamten Zeit der Anspannung des Diaphragmas zu einer Verengung des Brustkor- bes.

1050

1000

t 950

;; 900 Dl

• 850

800

750

=r^

100

la) Pferd A (b) Pferd B

Abbildung 5.12.: Zwei Beispiele für paradoxe (= gegenläufige) Bewegungen des Thorax bei Spontanatmung in Allgemeinanästhesie

In Tabelle 5.1 ist die Standardabweichung der Umfangsänderungen von Ab- domen und Thorctx (SDABD/SDTX) bei sechs Pferden in Allgemeinanästhesie in Rückenlage bei Spontanatmung und ventiliert dargestellt. Die durchgeführten Operationen waren fünf Kastrationen und ein orthopädischer Eingriff. Vier weitere Pferde wurden nicht in die Tabelle aufgenommen, da bei diesen während

5. Ergebnisse 39

der Anästhesie entweder nur Spontanatmung oder nur IPPV vorgenommen wurde. Zum Vergleich der Atembewegungen wurde die Standardabweichung herangezogen, da diese dem Effektiv- oder RMS Wert der Signale entspricht (siehe Anhang B). Die Verwendung des Spitzenwertes ist wenig aussagekräftig, da die Atembewegungen von TX und ABD stark unterschiedliche Kurvenfor- men haben (Siehe Abbildung 5.12) und Anhang B.

Nummer Alter KGW spontan ventiliert spontan/ventiliert

1 7a lim 438kg 5,40 1,75 3,09 2 la 10m 348kg 5,97 1,82 3,28 3 3a 9m 450kg 5,46 1,51 3,61 4 2a 6m 577kg 3,58 0,92 3,89 5 3a 4m 491kg 4,87 2,31 2,11 6 0a9m 310kg 3,51 1,32 2,66

MEAN 435,67 4,80 1,61 3,10 SD 96,67 1,03 0,47 0,65

Tabelle 5.1.: Der Quotient der Standardabweichungen (Effektivwert) SDABD/SDTX bei Spontanatmung und bei IPPV im Vergleich

Die Amplituden der Atembewegungen sind über die Dauer der Anästhesie nicht konstant und subjektiv abhängig von der Tiefe. Der Unterschied der Umfangsänderungen von Thorax und Abdomen zwischen Spontanatmung und Beatmung mit IPPV bestimmt aus der Standardabweichung der Signale die dem Effektivwert äquivalent sind'* wurde mit ANOVA (einfaktorielle Varianz- analyse) mit p < 0,002 als hoch signifikant festgestellt.

Nach dem Beginn der Beatmung konnte bei manchen Pferden ein Anstieg des EELV beobachtet werden (Abbildung 5.13). Dadurch kommt es reflekto- risch zum Aussetzen der spontanen Atemzüge. Vor dem Wiedereinsatz der Spontanatmung, bedingt durch fallende Narkosetiefe und steigendem J0CO2, zeigte sich ein plötzlich einsetzender kontinuierlicher Abfall des Volumens bis nahe zum Ausgangswert des EELV. Die Abbildung 5.14 zeigt diesen Effekt. Ganz links sind die Atembewegungen der maschinellen Beatmung zu sehen. Danach folgt eine Apnoephase und zwei Blöcke mit manueller Beatmung aus dem Atembeutel. Nach einer weiteren Apnoephase folgt eine spontan einsetzen- de, etwa 140 Sekunden dauernde kontinuierliche Exspirationsphase bzw. Abfall des EELV bis zum Beginn von spontanen Atemzügen die nur vom Diaphragma bzw. durch Bewegungen des Abdomens ausgeführt werden. Der ThorcLx be- wegte sich während des Abfalles gegenläufig, woraus geschlossen werden kann,

*Die Erläuterungen zur Verwendung der Standardabweichung als Effektivwert finden sich im Anhang B

5. Ergebnisse 40

dass das Diaphragma vorher in partieller Inspirationslage gespannt war und nun wieder erschlafft.

Abbildung 5.13.: Übergang von Spontanatmung zur Beatmung mit IPPV. (Pferd C, Tho- rax = rot, Abdomen = blau)

750 100 200 300 400

sok

500 600 700 800

Abbildung 5.14.: Übergang von Beatmung mit IPPV zur Spontanatmung. (Pferd B, Tho- rax = rot, Abdomen = blau)

Erst ab dem Erreichen des Ausgangswertes des EELV konnten wieder spontane Atemzüge registriert werden. Dieser „Inspiratory Inhibition" Reflex (HEAD, 1889), der eine Überdehnung der Lunge verhindert, kann auch nachgewiesen werden, wenn während einer regelmäßigen Spontanatmung der exspiratorische Schenkel des Kreisatemsystems manuell gedrosselt wird wodurch sich die Ausa- temzeit plötzlich verlängert (Abbildung 5.15). Eine spontane Inspiration wurde auch bei diesem Versuch erst wieder ab dem Erreichen des Ausgangswertes des EELV ausgeführt.

5. Ergebnisse 41

90 sek

Abbildung 5.15.: Verzögerung der Inspiration durch verlangsamte Ausatmung (Thorax =rot, Abdomen = blau)

In Abbildung 5.16 wird gezeigt, dass durch eine manuelle Kompression des Thorax ein spontaner Atemzug ausgelöst werden kann, sobald der EELV Wert fast erreicht ist. Dieser Eff"ekt (Head's paradoxical reflex) kann als Ersatz einer

5. Ergebnisse 42

manuellen Beatmung mit dem Atembeutel angewendet werden. Die Kompres- sion des Thorax wurde latero-lateral oder ventro-dorsal versucht und führte in beiden Fällen zu spontanen Atemzügen. Allerdings konnte die Atemfrequenz nicht beliebig erhöht werden, da ein ausreichend hoher Wert des pC02 und eine nicht zu tiefe Narkose die Voraussetzung für eine mögliche Triggerung der Einatmung ist. Die Grenzwerte dafür wurden im Rahmen dieser Studie nicht ermittelt.

1000

750 50 100

sek

Abbildung 5.16.: Auslösung eines spontanen Atemzuges durch latero-laterale manuelle Kompression des Thorax (Pfeil)

Wenn die Narkose (Isofluran) zu flach wird, dann war eine zwei- oder mehr- phasige Atmung zu beobachten (Siehe Abbildung 5.17).

950

750

20 40 60

sek

Abbildung 5.17.: Mehrfache Atemzüge bei flacher Anästhesie

Die Atemzüge erreichen nicht das EELV sondern pendeln zwischen einer Mittellage und maximaler Inspiration. Unterhalb dieser Mittellage ist die TX

5. Ergebnisse 43

Kurve gegenphasig zur ABD Kurve, darüber aber in Phase (Siehe Diskussion).

5.2.3. Vergleich der Ultraschallplethysmographie mit der Elektrischen Impedanz Tomographie

Bei einem Shetlandpony in Rückenlage und in Allgemeinanästhesie wurde ein Recruitment Manöver durch die Verwendung von PEEP durchgeführt. Dabei wurden während 500 Sekunden die Plethysmographiekurven mit den Systemen RUP und EIT aufgezeichnet. Die Abbildung 5.18 links zeigt im Vergleich die Umfangsänderungen von Thorax (RUP TX) und Abdomen (RUP ABD), und ein nach der in Anhang B beschriebenen Methode bewertetes Summensignal SUM der TX und ABD Signale^ sowie die Plethysmographiekurve des EIT Ge- rätes. Die rechten Abbildungen zeigen die selben Kurvenabschnitte jedoch mit herausgefilterten Tidalbewegungen um die Änderung des mittleren Lungenvo- lumens durch die PEEP Stufen deutlich hervor zu heben. Die Filterung wurde durch Berechnung eines gleitenden Mittelwertes über einen Atemzug erzielt^.

Zu Beginn des Manövers mit PEEP = OcmHiO (ZEEP) betrug die Com- pliance 4:8ml/cmH20. Durch das Recruitment Manöver verbesserte sich bei der zweiten PEEP = lOcmi/sO Stufe der Wert um 48 % auf llml/cmHiO. Auch nach der Rückkehr zu ZEEP war die Compliance zu Beginn noch 63ml/cmH20 oder -|- 31 % über dem Ausgangswert und sank erst danach wieder langsam ab.

^Die Effektivwerte von TX und Abdomen sind gleich groß Êiner Atemfrequenz von 10 / Minute entspricht ein Atemzug alle 6 Sekunden. Der Mittelwert wurde

über jeweils 60 Werte berechnet, da die Abtastrate 0,1 Sekunden betrug

5. Ergebnisse 44

680

675

670

665

660

655

RUPABD lllllllllllllllll 1 '^'"-'^ iiil 11IMIIMM

IlllllllllillllllllUllllll ,i.,.>iiiiiH iBir ipipiiiip, MiMMj |nnpilW«l«PP/«v• 1 H

1 i

200 300 400

1

817

812

1 807 802

797

RUP 5UM llllllllllllllii 815 RUP SUM '•

•

1

R-0,9M w , 810 S ^ V..^^,.,...,,,...,,,...^,.-^^

llliilillllllllilliillll lllllllll = 805 ^-~ ~—' J UJ iiiiPPNPPPP wma

Pf 795

^ 100 200

Mk 300 400 500 100 200 ^ ^ 400 5001

820

EIT 1 ^810

= 805 i V -~\ TSE?/" PEEP 10 PEEP 20 PEEP 20 \ ^^

795 -

200 300

Abbildung 5.18.: Vergleich der Signale (links) und Mittelwerte (rechts) von RUP TX, RUP ABD und RUP SUM mit EIT.

Die Pearson Korrelation der RUP Signale mit dem EIT Signal ergab für das TX Signal r = 0,949, für das ABD Signal r = 0,990 und für SUM r = 0,987. Das RUP TX Signal zeigt besonders bei der zweiten PEEP lOcm/ZsO Stufe eine Welligkeit von 2/min die sich durch die Überlagerung der Herzaktivität (42/min) mit der Atmung (10/min) erklären lässt. Im RUP ABD Signal tritt diese Welligkeit schwächer jedoch gegenphasig auf.

Die beste Übereinstimmung unter Berücksichtigung der Änderung des EELV, ist zwischen RUP SUM und EIT festzustellen. Die Abbildung 5.19 zeigt die Signale RUP SUM und EIT direkt überlagert und den Vergleich in der Dar- stellung nach Bland - Altman.

5. Ergebnisse 45

1810

1800

1790

Ä 1780

i 1770

1760

1750

1740

-^ RUP SUM lililillil lill

—^'' jiMii VT = 800 mL , iny\|\j\jyy\iyvvvMvxii\i>i i|||lli||lilillil|lilil|lll iiiiiii^^î^^^ r ^^ \\ Min.Ill .,,, Jiyi^ lyyumi

fW '^fq««w«oqii

ZEEP REEP 10 PEEP 20 PEEP 10 ZEEP

10 20 30 40

sek

50

10 5 0

-5 -10

^.•vf»^•y*>iJii«ifT1iTl"iT»' MiTÂg>:V>*uji.

•—•— • • fTT.«'. •jdSoirt'^ ̂ ML ^MJiMiîi^Jli^

« ,

\0 -20 -10 0 10 20 30 40

Abbildung 5.19.: Vergleich von RUP (bewertete Summe) mit der EIT Plethysmographie

Die Abweichung zwischen beiden Methoden beträgt < 13 % im Bereich ±2 x SD entsprechend einem Konfidenzintervall von 95 %.

6. Diskussion

6.1. Diskussion der Methodik Verfahren zur Ganzkörperplethysmographie könnten sich zu einem wesentlichen Bestandteil der nicht invasiven Lungenfunktionsdiagnostik beim Pferd entwickeln. Nicht invasive diagnostische Methoden haben eine große potentiel- le Bedeutung besonders bei im Wettkampfeinsatz stehenden Pferden, da eine Sedierung nicht gewünscht ist. Auch aus Gründen des Tierschutzes ist eine möglichst schonende und einfach anzuwendende Untersuchungsmethode wichtig.

An der Veterinärmedizinischen Universität Wien wird seit vielen Jahren die „Respiratory Inductance Plethysmography" (RIP) zur Messung der Atembe- wegungen für die nicht invasive Lungenfunktionsdiagnostik mit der „Flowme- trischen Methode" verwendet (HOFFMAN et al., 2001 und 2007). Für Studien wurde die RIP auch während einer Allgemeinanästhesie eingesetzt (LEINKER, 2005).

Die RIP Methode und das an der VUW zur Verfügung stehende Gerät erwies sich bei der Anwendung in der klinischen Praxis als unzuverlässig (LEIN- KER und RIEDELBERGER, 2006). HOFFMAN et al., (2001) fordern zur Untersuchung der Lungenfunktion mit der „Flowmetrische Methode" ein besonders störungsarmes Verfahren zur Messung der Atembewegungen, da bei der Berechnung des Flow Signals durch Bildung der Ableitung nach der Zeit {V = dV/dt) Störungen verstärkt erscheinen. Artefakte müssen durch Glättung mit einem Tiefpassfilter reduziert werden wôdurch aber der Informationsgehalt und damit die Empfindlichkeit des Verfahrens abnimmt.

DE GROOTE et al. (2000) und MARTINOT-LAGARDE et al. (1988) stell- ten fest, dass die Methode der Respiratory Inductance Plethysmography einen komplexe Mischung aus Umfang und Querschnittsfläche anzeigt. Verfahren die auf der Messung der Dehnung eines Sensors beruhen („strain gauges"), messen dagegen ausschließlich die Länge des Umfanges. Da die Querschnittsfläche von Thorax und Abdomen eine unterschiedliche Form hat, ist der ermittel-

6. Diskussion 47

te Phasenwinkel der thorakoabdominalen Asynchronität bei den verschieden Systemen nicht gleich (DE GROOTE et al., 2000).

Bei der Umsetzung der Körperbewegungen in eine Volumenänderung mit dem Kompartment Modell nach KONNO und MEAD (1967), das die Bewe- gungen mit konstanten Faktoren für Thorax und Abdomen in ein Volumen um- rechnet^, sollte grundsätzlich eine Flächenänderung eingesetzt werden. Jedoch kann wegen der nur kleinen relativen Änderungen auch eine Umfangsänderung verwendet werden wie nachfolgend gezeigt werden soll.

Das Volumen eines zylindrischen Körpers errechnet sich aus der Querschnitts- fläche mal der Höhe und hat die Dimension [m^]. Das bedeutet, dass ein Umfang zunächst in eine Fläche umgerechnet werden muss wenn daraus ein Volumen berechnet werden soll. Dazu ist die Umfangsänderung zu quadrieren und durch den Faktor An zu dividieren ^. Verwendet man nun statt einer Querschnittsflä- che einen Umfang, dann ist der Fehler abhängig von der Größe der relativen Umfangsänderungen. In Abbildung 6.1 ist die Größe des Fehlers der durch die Vernachlässigung des Quadrierens entsteht, in Abhängigkeit von den Umfangs- änderungen aufgetragen.

1,00%

0,90%

0,80%

0,70%

^ 0,60%

I 0,50% "" 0,40%

0,30%

0,20%

0,10%

0,00% 0,00%

1 ' (—•—i f

: I —\—' \—

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_J \ .——H

\ \ 1 • 'r

5,00% 10,00%

Umfangsänderung

15,00% 20,00%

Abbildung 6.1.: Fehler in Abhängigkeit der Umfangsänderungen

Bei erwachsenen Pferden liegen die Umfangsänderungen bei physiologischer

^V; = {kA X ABD + kBX TX) ^Weil das System RIP eine Mischung aus der Querschnittsfläche und dem Umfang anzeigt, wäre das

Signal mit einer Zahl etwas kleiner als 2 zu potenzieren.

6. Diskussion 48

Atmung in Ruhe (Vr ~ 5,6/)^ in der Größenordnung von 5 %'*. Der daraus resultierende Fehler ist < 0,1 % und ist daher zu vernachlässigen.

Die Genauigkeit des Plethysmogramms wird durch die Tatsache begrenzt, dass Volumenänderungen und Umfangsänderungen nicht notwendigerweise korreliert sein müssen. Bei gegebenem Umfang hat eine Kreisfläche den mctximalen Flächeninhalt. Die Fläche einer Ellipse ist umso kleiner je stärker die Exzentri- zität wird. Dieser Effekt ist nach eigenen Beobachtungen beim stehenden Pferd nur gering ausgeprägt, scheint aber in Anästhesie in Rückenlage von Bedeu- tung zu sein. Mit der Optoelektrischen Plethysmographie wäre dieser Einfluss noch näher zu untersuchen.

Weitere Fehlerquellen entstehen durch Verrutschen der Bänder, durch die Bestimmung des Intercostalraumes und durch eine schräge Lage zur Rücken- linie. Nach eigenen Beobachtungen ist eine stabile Lage des Bauchgurtes bei Pferden mit stark konvexer Unterlinie („Heubauch") nur schwierig zu erzielen. Es kann zu einem Abrutschen nach caudal und zu vermehrten Artefakten durch Bewegungen der Hinterbeine beim Lastwechsel (schildern) kommen. Bei männlichen Tieren wird der Gurt wegen des Präputiums meist weiter cranial als bei Stuten befestigt. Dieser Umstand ist bei vergleichenden Messungen von männlichen und weiblichen Tieren zu beachten.

Eine stabile Lage der runden Sensorschläuche am Körper ist besonders bei stark konvexem Abdomen schwieriger als mit flachen Bändern zu erzielen. Das Abrollen nach caudal kann durch die Befestigung der Schläuche auf einem elastischen Gurt verhindert werden (Siehe Abbildung 3.1). Man kann auch die Schläuche mit einem Klebeband gegen abrutschen sichern. Bei einer Ver- gleichsmessung zu einem späteren Zeitpunkt muss die Stelle an der die Bänder befestigt wurden dauerhaft markiert werden. Bei manchen Tierarten wie dem Schaf ist durch die starke Verschieblichkeit der Haut eine weitere Fehlerquelle gegeben.

Ein wichtiger Vorteil der RUP ist die Möglichkeit der statischen Längen- messung, wodurch auch Änderungen des EELV überwacht werden können^. Diese Eigenschaft empfiehlt die RUP besonders für Anwendungen bei künstli- cher Beatmung, da das EELV eine Aussage über Änderungen des Luftinhaltes der Lunge liefert. Voraussetzung ist, dass es zu keiner wesentlichen Gasbildung in anderen Organen wie dem Darm oder dem Vormagen bei Wiederkäuern kommt und dass die Lage nicht verändert wird. Es ist aber nicht zu erwarten,

3VAN ERCK et al.. (2005) "^Die Amplitude der Atembewegungen in der Abbildung 5.9 a) beträgt 2,9 % in der Abbildung 5.9 b) 5,1

%. Bei der Verwendung eines verkürzten Gurtes beim liegenden Pferd treten auch höhere Werte auf ^Das System Respitrace Plus hat eine zu geringe Grundhnienstabilität (NEUMANN et al., 1998)

6. Diskussion 49

dass während eines Recruitment Manövers von einigen Minuten Dauer wesentliche Gasmengen entstehen.

Bei der Messung von statischen Längen ist die Temperaturempfindlichkeit des Sensorschlauches von RUP zu beachten. Die thermische Drift der Elektro- nik selbst ist bei RUP zu vernachlässigen. Im Gegensatz dazu wird die Tempe- raturempfindlichkeit bei RIP ausschließlich durch die Auswerteelektronik verursacht. Die Induktivität der Respiband, die eine Luftspule ist, hat selbst keine thermische Drift. Die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindig- keit von Ultraschall entsteht durch die Änderung der Dichte des Mediums und wird bei Ethanol mit - 0,33% / K angegeben. Bei direkter Befestigung an der Körperoberfläche wird der Schlauch durch die Körpertemperatur auf etwa ±5 Grad konstant gehalten wodurch die thermische Drift bei der Anwendung kein wesentliches Problem darstellt. Daher sollten die Schläuche erst an die Körper- und Raumtemperatur angeglichen werden, wenn ein stabiler Grundwert gefordert ist. Nach eigenen Erfahrungen ist das nach etwa 10 Minuten ausreichend gegeben.

Die thermische Drift könnte durch die Verwendung eines Ethanol - Wasser Gemisches reduziert werden®. Beispielsweise hat Ethanol 10% zwischen 40 und 50 Grad eine fast konstante Schallgeschwindigkeit. Versuche mit verdünntem Alkohol zeigten aber das Problem einer hohen Dämpfung durch Luftbläschen nach der Befüllung. Trotzdem ist die Verwendung einer optimierten Flüssigkeit für die Anwendung in kurzen Sensorschläuchen, bei denen die Dämpfung des Signals keine Rolle spielt, eine interessante Möglichkeit die Temperaturabhän- gigkeit der Methode zu verbessern.

Einer der Nachteile bei RUP ist, dass Ethanol durch die Schläuche aus dem Material Silcolatex® diff"undiert und deshalb regelmäßig nachgefüllt werden muss. Untersuchungen mit anderen elastischen Materialien wie beispielsweise Nitrilkautschuk sollten noch durchgeführt werden.

Alle Systeme zur Messung der Körperbewegungen müssen mit einer mechanischen Vorspannung um den Körper gelegt werden. Die Messung ist nur dann genau, wenn die Sensoren eng anliegen und der Körperbewegung exakt folgen können. Ein dickes Winterfell oder das eines Schafes kann das Ergebnis ver- fälschen, da sich das Haarkleid abhängig von der Spannung komprimiert und dadurch die Amplitude verkleinert.

Bei der RUP ist zu beachten, dass eine zu starke Vorspannung den linearen Arbeitsbereich von etwa 15 % Längenänderung weiter einschränkt. Bei einer

^Wasser hat einen dem Ethanol gegenläufigen Temperaturgang von + 0,16 % / K

6. Diskussion 50

plötzlichen starken Erhöhung des Titalvolumens oder bei einer Lageänderung kann es vorkommen, dass der Arbeitsbereich überschritten wird. Ursache da- für ist die durch die Dehnung des Schlauches entstehende Verkleinerung des Durchmessers die die Dämpfung der Ultraschallwelle stark erhöht. Wahrschein- lich könnte der Effekt durch einen dickeren Schlauch oder durch Ultraschall- wandler mit einer höheren Frequenz verringert werden. Untersuchungen dazu wurden bisher nicht durchgeführt.

Die Sensorschläuche des RUP dürfen während der Anwendung nicht abge- klemmt werden. Deshalb sind bei einer Messung am liegenden Tier die Unter- lagepolster so zu adaptieren, dass die Sensoren frei liegen können. Man kann auch die Schläuche nur im freibleibenden Teil des Umfanges befestigen. Es wäre durch Vergleich der Messwerte mit der Optischen Plethysmographie zu untersuchen, wie stark die Genauigkeit der Messung durch kurze Sensorschläuche beeinflusst wird.

Die Software des RUP bietet die Möglichkeit, die Signale mit 100 Hz oder 10 Hz zu speichern. Ein Wert von 10 Hz ist theoretisch ausreichend um Atem- frequenzen bis zu 300 / Minute darzustellen'^. Will man eine Kurvenform im Detail analysieren, wie das zur Bestimmung des Phasenwinkels notwendig ist, dann ist ein etwa 10 - 50 fach höherer Wert erforderlich.

6.2. Diskussion der Anwendungen Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Anwendungen am stehenden Pferd und während der Allgemeinanästhesie getestet. Beim stehenden Pferd und bei regelmäßiger Atmung ist die RUP grundsätzlich für die gleichen An- wendungen wie die RIP geeignet. Vorteilhaft bei der RUP ist, dass weniger Artefakte zu beobachten sind und die drahtlose Datenübertragung die Anwen- dung stark vereinfacht.

Für Untersuchungen zum Atemmuster des Pferdes ist die Wiedergabe von statischen Änderungen der Lungenvolumen wichtig. In dieser Studie wurde Lo- belinHCL zur kontrollierten Stimulation der Atmung verwendet, da eine durch Lobelin induzierte Hyperpnoe beim Pferd voraussagbare und reproduzierbare Ergebnisse liefert (MARLIN, 2000). Dabei kommt es abwechselnd zu Phasen mit einer Apnoe, Hyperpnoe und unregelmäßigen Atemzügen (SPEIRS et al., 1981).

Êin periodisches Signal kann bis zur halben Abtastfrequenz erfasst werden. (Abtasttheorem von NY- QUIST H., 1928 und SHANNON CE., 1949)

6. Diskussion 51

Der Verlust der Nullline beim RIP System durch die untere Grenzfrequenz und einem Reset bei Überschreitung der Grenzen des Ausgangssignales, führt zu einer Aufsplittung des Punkteschwarmes im Bland - Altmann Diagramm (Siehe die Abbildungen 5.1 und 5.7). Das bedeutet, es gibt Bereiche mit einer guten Übereinstimmung obwohl die Abweichung über einen längeren Zeitraum groß ist.

Wie in der Abbildung 5.5 zu sehen ist, könnte man aus den Daten der RIP den Schluss ziehen, dass das Pferd ebenso wie der Mensch zur Vertiefung der Atmung auch das exspiratorische Reservevolumen heranzieht (GUYTON und HALL, 2006). Das ist aber, wie die die zeitgleiche Messung mit der RUP zeigt, beim Pferd nicht der Fall und auf ein Artefakt der RIP zurückzuführen. Bei der Verstärkung der Atmung durch Lobelin oder durch Rückatmung von CO2 wird ausschließlich das inspiratorische Reservevolumen verwêndet. Ob dies auch in Bewegung, durch die Kopplung der Atmung mit der Gangart, besonders im Ga- lopp zutrifft (LAFORTUNA et al., 1996), wäre noch zu untersuchen. Es ist aber anzunehmen, dass bei schnellen Gangarten durch die auftretende Beschleuni- gungen und Verzögerungen die Eingeweide im Rhythmus der Bewegung verschoben werden. Dadurch könnte bei der Ausatmung auch ein kleinerer EELV Wert als bei Ruheatmung oder bei einer Hyperventilation im Stand erreicht werden.

Die spontanen Atembewegungen im Stehen unterscheiden sich hochsignifi- kant von den Bewegungen in Allgemeinanästhesie. Auffallend ist, dass in An- ästhesie die Bewegungen des Thorax - vor allem in Rückenlage - stark einge- schränkt sind. Gemessen an 6 Pferden ergab sich im Mittel eine 4,8 fach stärke- re Bewegung des Abdomens. Es konnte im Rahmen dieser Studie der Einfiuss des Druckes durch die seitliche Polsterung sowie die Lage und Befestigung der Vorderbeine nicht genauer untersucht werden. Besonders auffallig war, dass es bei der Kontraktion des Diaphragmas zu einer kurzzeitigen gegenphasigen Be- wegung des Thorax kommt. Dieser Effekt ist regelmäßig zu beobachten, aber subjektiv unterschiedlich stark ausgeprägt und abhängig von der Steifigkeit des Brustkorbes oder auch von der Koordination der Atemmuskulatur. Durch den Ansatz des Diaphragmas innen am Rippenbogen müssen die Inspiratoren des Brustkorbes, die Mm. intercostales externi, zeitgleich mit dem Diaphragma angespannt werden, um der Verkleinerung des Brustkorbes entgegen zu wir- ken. Ein exaktes Abstimmung des Zeitpunktes und das Verhältnis der Kräfte zueinander ist entscheidend.

Die vorliegenden Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass durch die Rücken- lage oder durch die Narkose dieses Gleichgewicht gestört ist und es zu einer restriktiven Funktionseinschränkung kommt. Die Ursache könnte an der geän-

6. Diskussion 52

derten Vorspannung der passiven und aktiven Teile des Atemapparates und am Gewicht der Eingeweide liegen. Die paradoxe Bewegung des Thorax verringert die Effizienz der Atmung, weil für ein bestimmtes Tidalvolumen zur Kompen- sation eine größere Auslenkung des Diaphragmas erforderlich wird.

In Allgemeinanästhesie wurden die Unterschiede von Spontanatmung zu Be- atmung und die Übergänge untersucht. Es wurde beobachtet, dass es unmittelbar nach Beginn der Beatmung mit IPPV zu einem Anstieg des EELV kommt (Siehe Abbildung 5.13). Das bedeutet, dass im Mittel mehr Luft in den Lungen ist. Die Ursache dafür wäre noch näher zu untersuchen. Durch die Anwendung von Muskelrelaxantien könnte untersucht werden, ob eine Änderung des To- nus des Diaphragmas oder die Auflösung von Atelektasen für die Anhebung des EELV verantwortlich ist.

Eine andere Erklärung könnte die stark erhöhte Atemfrequenz der Beatmung und die dadurch zu kurze Zeitdauer für die Exspiration sein, wodurch es zu einer Kumulation von Luft in den Lungen kommen könnte. Dagegen spricht jedoch, dass es nicht unmittelbar nach Beendigung der Beatmung zu einem Abfall des Volumens trotz geöffnetem Überdruckventil kommt.

Die Anhebung des EELV führt unmittelbar zu einer Blockade der Einatmung durch den Inspiratory Inhibition Reflex (HEAD, 1889). Besonders interessant ist der vor dem Wiederbeginn der Spontanatmung plötzlich auftretende Abfall des EELV (Siehe Abbildung 5.14), der möglicherweise durch eine Änderung des Tonus des Diaphragmas hervorgerufen wird. Die dabei zu beobachtende gegenläufige Bewegung des Thorax lässt nur diese Schlussfolgerung zu. Die Ent- stehung von Atelaktasen würde sowohl Thorcix als auch Abdomen gleichzeitig kollabieren lassen. Deshalb wird die Hypothese vertreten, dass die Anhebung des EELV durch eine aktive Änderung des Tonus des Diaphragmas entsteht. Es wird weiters angenommen, dass es zu einer Adaption der Dehnungsrezeptoren der Lunge an den durch IPPV erhöhten mittleren Druck und darauf folgender Änderung der Ruhelage des Diaphragmas kommt.

Bei einer flachen Narkose können mehrfache Atemzügen mit deutlich kleine- rem Tidalvolumen auftreten. Dieser Effekt wurde auch von BURGER (1995) und LEINKER (2005) beschrieben. Bei den Messungen mit der RUP wurde festgestellt, dass das EELV bei diesen flachen Atemzügen nicht erreicht wird (Siehe Abbildung 5.17). Die Bewegungen des Thorax unterscheiden sich deutlich von den Bewegungen des Abdomens. Sie sind während der rasch aufein- ander folgenden Atemzüge in Phase mit dem Abdomen, jedoch im Fall einer tiefen Exspiration gegenphasig. Diese Tatsache zeigt, dass auch in Anästhesie bei spontaner Atmung die Atembewegung in eine passive und aktive Phase un- terteilt werden muss. Es ist jedoch anzunehmen, dass die Atemruhelage durch

6. Diskussion 53

die geänderte Lage unterschiedlich zum stehenden Pferd ist. Aus dem Auftre- ten einer spontanen bi- oder multiphasischen Atmung kann aus den vorliegenden Ergebnissen und Beobachtungen auf eine geringe Narkosetiefe geschlossen werden. Der Einfluss von unterschiedlichen Anästhesieprotokollen wäre noch zu untersuchen.

Spontane Atemzüge konnten durch eine kurze Kompression des Thorax durch den Hering-Breuer Reflex ausgelöst werden. Es wurde auch versucht den Reflex durch eine Volumenänderung mit einer 7 Liter Kalibrationsspritze, angeschlos- sen an das Kreisatemsystem, auszulösen. Nur eine rasche Verkleinerung des Volumens wie das auch bei der Kompression des Thorax auftritt, war in der Lage einen spontanen Atemzug auszulösen. Eine Vergrößerung des Volumens ergab keinen Effekt.

Der Vergleich der RUP mit der Impedanz Plethysmographie aus dem EIT System brachte eine sehr gute Übereinstimmung der Messungen, die noch im Rahmen weiterer Studien zu erhärten sind. Erste Ergebnisse zeigen, dass es mit der RUP möglich ist, die Wirksamkeit von Recruitment Manöver zur Öff"nung von kollabierten Lungenarealen nachzuweisen. An der Anhebung des EELV nach dem Recruitment Manöver ist abzulesen, wie viel mehr Luft prozentuell zum Tidalvolumen in der Lunge ist. Dieser Eff'ekt wurde auch von GOTHBERG et al., (2001) bei Schafen mit einem modifizierten RIP System beschrieben. Das verwendete Gerät hatte einen DC Ausgang der statische Änderungen wiedergeben konnte. Die Autoren beschreiben auch das Problem der Verschiebung der Nulllinie durch geringe Temperatur Schwankungen bei der Messung über einen längeren Zeitraum. Sie geben an dass die Methode, im Gegensatz zum Goldstandard der Nitrogen washout Methode, Änderungen des Lungenvolu- mens ohne Zeit Verzögerung darstellen kann und daher von Bedeutung für die Optimierung der Beatmung sein kann.

Die Darstellung des Mittelwertes der Luft in der Lunge ist für die Beurteilung der Wirksamkeit eines Recruitment Manövers wichtig. Bei einer konstanten Be- atmungsfrequenz und bei Volume Controlled Ventilation (VCV)* können die Tidalbewegungen durch Mittelwertbildung über eine Atemperiode ausgeblen- det werden. Der Verlauf des Mittelwertes gibt bei konstantem Tidalvolumen direkt die Änderungen des EELV und damit den Zuwachs des Lungenvolumens wieder (Siehe Abbildung 5.18, rechte Abbildungen). Das Summensignal aus TX + ABD scheint beim Pferd sehr gut mit dem EIT Signal übereinzustimmen. Es müssen noch weitere Untersuchungen folgen um eine Kalibrationsmethode

®Bei Pressure Controlled Ventilation (PCV) steigt nach einem Recruitment Manöver das Tidalvolumen, da die Compliance größer wird. Wird das Tidalvolumen größer, dann steigt auch der Mittelwert - auch ohne Erhöhung des EELV

6. Diskussion 54

oder eine geeignete Position der Sensorschläuche zu finden die die Änderungen des EELV bestmöglich mit den Messungen der EIT in Übereinstimmung bringt.

Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass eine Überwachung der Atem- bewegungen und des EELV mit der RUP während der Narkose zusätzliche Informationen zur Optimierung einer manuellen Beatmung liefert.

7. Welterführende Untersuchungen und Anwendungen

Im Rahmen einer nachfolgenden Dissertation soll der Zusammenhang zwischen dem Tidalvolumen und den Bewegungen von Thorax und Abdomen in Allge- meinanästhesie und künstlicher Beatmung bei unterschiedlicher Lagerungen (dorsal, lateral, geneigter Tisch) genauer untersucht werden. Weiters soll der Einfluss des Alters der Pferde und der nicht konstanten Compliance überprüft werden.

Versuche zur Atemstrategie bei Pferden werden im Rahmen des Profillinien- projektes „Variability of the breathing patterns in horses and their adaptations to lung diseases and stimuli" mit der RUP durchgeführt. Es ist geplant, lungengesunde Pferde und Pferde mit RAO unterschiedlichen Alters im Rahmen der Vorstellung an der Klinik routinemäßig zu messen. Weiters wird überlegt, eine periodische (monatliche) Untersuchung von Pferden in unterschiedlichen Haltungsformen im Rahmen einer Bakkalaureatsarbeit durchzuführen.

An fünf Shetlandponys die sich auf Anweisung in Seitenlage niederlegen kön- nen (AUER, 2007) soll die Änderung des Atemmusters im Stehen und in Sei- tenlage dokumentiert werden. Es wurde beobachtet, dass Pferde in Seitenlage die Atemstrategie anpassen und es soll die Hypothese überprüft werden, ob die geänderte Atmung dazu beiträgt das Entstehen von Atelektasen zu verhindern oder zu minimieren.

An Ponys in Seitenlage sind gleichzeitige Messungen von EIT und RUP wäh- rend einer Computertomographie des Thorax geplant, um die Entstehung und Auflösung von Atelektasen zu dokumentieren. Ziel ist es, zu prüfen, ob die Er- folgskontrolle eines Recruitment Manövers mit RUP alleine möglich ist.

Es wurden Messungen von RUP und EIT an Schafen in Allgemeinanästhe- sie bei verschiedenen Lagerungen (Rückenlage, Seitenlage und Trendelenburg Position) durchgeführt, die den Zusammenhang von RUP, EIT und anderen Atmungsparametern näher zeigen werden.

7. Weiterführende Untersuchungen und Anwendungen 56

Weiters sollen Versuche mit der RUP auch bei anderen Tierarten wie Hun- den oder Schweinen in Anästhesie durchgeführt werden. Für die Anwendung bei Kleintieren wäre eine Miniaturisierung der Sensoren vorteilhaft.

In der Humanmedizin ist beschrieben, dass Verengungen der Atemwege, un- abhängig von der Ursache zu einer Begrenzung des Flows, zu Luftspeicherung und zu einer Erhöhung der FRC bzw. des EELV führen (LUMB, 2005). Aus- führliche Untersuchungen zu dieser Fragestellung sind beim stehenden Pferd bisher nicht durchgeführt worden. Im Rahmen der Vorversuche zu dieser Ar- beit wurde bei einigen Pferden ein vertieftes Inspirium durch Verschluss der Nüstern bis zu einer Abwehrreaktion untersucht. Es wurden Ergebnisse erzielt, die auf einen ähnlichen Effekt, wie schon in der Humanmedizin beschrieben, hinweisen. Es war aber bisher nicht möglich eine Methode zu finden die beim nicht sedierten Pferd ein reproduzierbares tiefes Inspirium auslösen kann.

Eine weitere Anwendung könnte die Überwachung im Rahmen einer Kolik- therapie sein. Mit der RUP kann eine langsame Volumenänderung wie durch eine Aufgasung von Darmteilen registriert werden. In der Humanmedizin ist eine ähnliche Untersuchung von BASILISCO et al., (2003) mit einem Exten- someter (LAFORTUNA und PASSERINI , 1995) durchgeführt worden. Für diese Art der Anwendung sollte das Gerät, die Verkabelung und die Sensoren robuster gemacht werden, um ein Niederlegen oder Wälzen des Pferdes schad- los zu überstehen.

Die Software des Meßsystems wurde nach Abschluss der Messungen zu dieser Arbeit durch ein Kalibrationsroutine erweitert, damit eine Anpassung an unterschiedliche Sensoren einfach möglich ist.

8. Zusammenfassung

Das an der VUW entwickelte Verfahren der Respiratorischen Ultraschall Ple- thysmographie (RUF) verwendet zwei dehnbare mit Ethanol gefüllte Schläuche als Wellenleiter für Ultraschall und kann mit einer Auflösung von 0,3 mm bei einer Abtastrate von 100 Hz eine beliebig geformte Strecke von 15 cm bis 2 m Länge messen. Über eine Bluetooth® Verbindung werden die Daten zu einem Computer übertragen und angezeigt.

Ein wesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit der Überwachung des End - Exspiratorischen Lungenvolumens (EELV) über eine längere Zeitspanne. Die Langzeitstabilität, gemessen über 18 Stunden, war in der Größenordung der Auflösung. Die Messung der Linearität ergab ein Bestimmtheitsmaß von r^ = 0,998. Die Temperaturabhängigkeit entspricht dem für Ethanol beschriebenen Wert von + 0,33% / K.

Das Verfahren wurde mit der Respiratory Inductance Plethysmography an gesunden Pferden und Pferden mit Recurrent Airway Obstruction in Ruheat- mung und nach Stimulation mit Lobelin HCL 0,2 mg/kg verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Erhöhung des Tidalvolumens beim Pferd nur durch die Erhöhung des inspiratorischen Reservevolumens zustande kommt und dass das EELV dabei unverändert bleibt. In Allgemeinanästhesie konnten die Unter- schiede der Atembewegungen zwischen Spontanatmung und Beatmung sowie die Wirkung eines Positiven End - Exspiratorischen Druckes und von Recruit- ment Manöver auf das EELV nachgewiesen werden.

In Allgemeinanästhesie wurde an einem Shetland Pony ein Vergleich von RUP mit dem Impedanz Plethysmogramm aus einer Elektrischen Impedanz Tomographie durchgeführt. Die Korrelation mit den Umfangsänderungen von ThorcLX und Abdomen war r = 0, 95 und r = 0,99. Mit der Methode nach Bland und Altman wurde eine Abweichung von < 13% bei einem Vertrauensbereich von 95% ermittelt.

Schlussfolgerungen: Das System der Respiratorische Ultraschall Plethysmo- graphie kann zur Messung der Atembewegungen und zur Feststellung von Än- derungen des EELV am stehenden Pferd und in Allgemeinanästhesie eingesetzt

8. Zusammenfassung 58

werden. Es liefert weniger Artefakte als die Respiratory Inductance Plethysmo- graphy und korreliert sehr gut mit den Messungen der Elektrischen Impedanz Tomographie.

Schlüsselwörter: Ganzkörperplethysmographie, Respiratorische Ultraschall Ple- thysmographie, Respiratory Inductance Plethysmography, End - Exspiratori- sches Lungenvolumen. Elektrische Impedanz Tomographie.

9. Summary

For boxless plethysmography, a novel Respiratory Ultrasound Plethysmogra- phy (RUP) system was developed and validated. The method uses extendible fluid-filled tubes as waveguides for ultrasound to measure the changes in circumference of the body. It provides a resolution of 0.3 mm at a sample rate of 100 Hz. A Bluetooth® link transfers the data to a computer where they are displayed and processed.

One of the main advantages of the system is the long-time monitoring of the End - Expiratory Lung Volume (EELV). The stability measured over 18 hours was found to be within the magnitude of the resolution. The coefficient of determination of the linearity was r^ = 0.998. The temperature dependency of the ultrasound velocity was + 0.33% / K which agrees the reported value for ethanol 96%.

The system was compared with the Respiratory Inductive Plethysmography (RIP) in healthy horses and in horses with severe Recurrent Airway Obstruc- tion during quiet and forced breathing induced with Lobeline 0.2 mg/kg bwt. The stimulation increased the tidal volume due to a larger recruitment of the inspiratory reserve volume while EELV remain constant.

In general anesthesia, the differences of the thoracic and abdominal movements between spontaneous breathing and ventilation as well as the raise of the EELV due to positive end - expiratory pressures and recruitment manoeuvres could be demonstrated.

In a ventilated Shetland pony, the agreement of RUP with the impedance plethysmogram of the Electrical Impedance Tomography (EIT) system showed a high correlation with the thoracic movements (r = 0.95) and the abdominal movements (r = 0.99). A deviation of less than 13 % at a confidence interval of 95 % was determined with the Bland and Altman method .

Conclusion: The RUP method is an easy to use tool to measure the breathing pattern and changes of the EELV in standing horses and during general

9. Summary 60

anaesthesia. It gives fewer artefacts than the RIP and the results are highly correlated with the Impedance Plethysmogram of the EIT.

Keywords: Boxless Plethysmography, Respiratory Ultrasound Plethysmogra- phy, Respiratory Inductance Plethysmography, Electrical Impedance Tomogra- phy.

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A. Das Bland - Altmann Verfahren

In dieser Studie werden die Systeme Respiratory Inductance Plethysmogra- phie RIP und die Ultraschallplethysmographie RUP bei Simultanmessungen mit der Darstellung nach BLAND und ALTMAN (1986) verglichen^ Diese statistische Methode wird zum graphischen Vergleich zweier Messmethoden empfohlen und berücksichtigt, dass aus einer guten Korrelation nicht auf eine hohe Übereinstimmung geschlossen werden kann. Man kann einfach feststel- len ob die Abweichung abhängig von der Größe des Messwertes ist und ob es Bereiche mit unterschiedlich guter Übereinstimmung gibt. Systematische Ab- weichungen können dadurch leicht erkannt werden.

Mit typisch auftretenden periodischen Signalformen wurde untersucht, wie sich eine Abweichung oder Störung (Rauschen) in der Darstellung nach Bland und Altman (Syn. mean - difference plot, m-d plot) repräsentiert, um die Er- gebnisse der Arbeit besser interpretieren zu können.

Bei der Darstellung nach Bland - Altman wird in Richtung der x - Achse der Mittelwert der Ergebnisse und in y - Richtung die Differenz der Ergeb- nisse aufgetragen. Zusätzlich wird auf der y - Achse + und — 1,96 mal die Standardabweichung entsprechend einem Konfidenzbereich von 95 % (p<0,05) aufgetragen.

Mit der Software Microsoft® Office Excel 2003 wurden drei Perioden einer Sinuskurve berechnet und mit anderen Signalformen gleicher Frequenz verglichen. In den folgenden Abbildungen sind verschiedene Vergleiche von Testsignalen, die periodische zu vergleichende Messergebnisse repräsentieren, dargestellt.

Êin anderes Verfahren zum Vergleich zweier Methoden ist die Regressionsmethode nach PASSING und BABLOCK (1983). Dabei werden die Ergebnisse des zu testenden Verfahrens auf der y - Achse und die der Referenzmethode auf der x - Achse aufgetragen und es wird die Steigung und der Achsenabschnitt der Regressionsgeraden angegeben. Dieses Verfahren führt zu ähnhchen Ergebnissen ist aber graphisch nicht so leicht zu interpretieren. Die Richtigkeit der Daten hat einen wesentlich größeren Einfiuss auf die Zuverlässigkeit des Ergebnisses der angewendeten Regressionsmethode und entbindet nicht von einer Interpretation der Ergebnisse und deren Bedeutung für die Praxis (STÖCKL et al., 1998)

A. Das Bland - Ahmann Verfahren 69

Die Abbildungen A.l zeigen, wie sich eine Phasenverschiebung von 23° im Bland - Altman Diagramm darstellt. Der Graph ist abhängig von der Kurven- form der verglichenen Signale und wird zu einer Ellipse bei einem Sinus Signal, zu einem Rechteck bei einem Dreieck Signal und zu einer Raute bei einem Rechteck Signal. Gemeinsam ist allen, dass die Abweichung am größten beim Mittelwert = 0 ist.

PhoMnWilvr Slnui PtMMnfahlcr Ow«ck

1.S

1

0.9

0

•0.S 13 a 37« 73 IS llJ»' 1331« ÎMItJ IS3

. ' !

2 1.S

0.S 0

•as

-1.5 •2

• S

*

A -t •OS 0 0.5 ' '

(a) Sinus (b) Dreieck (c) Rechteck

Abbildung A.l.: Phasenverschiebung bei unterschiedlichen Signalformen

Phasen und Verstärkungsfehler erkennt man im Diagramm an einer schräg gestellten Ellipse. Siehe Abbildung A.2 .

06 04

-0.2 -0.4 -06 -0.8

Abbildung A.2.: Phasen und Verstärkungsfehler

Die Abbildungen A.3 zeigen, wie sich Amplitudenrauschen und Phasenrau- schen von sinusförmigen Signalen im Bland - Altman Diagramm darstellen.


Rauschen führt zu einer Auffüllung der Fläche während die Randkurve gleich bleibt. Der Unterschied zwischen Amplituden und Phasenrauschen ist in der Umrandung zu erkennen. Beim Amplitudenrauschen ist die Fläche rechteckig begrenzt. Beim Phasenrauschen ist die Fläche, wie auch bei einer diskreten Phasenverschiebung zu beobachten (Abbildung A,l ), elliptisch begrenzt.

-0.2 •0.4 -0.6 -o.e

•l^^^l^yî^^

Phasanrausciwn

13 25 at ta /f\ 73 85 8H 109 10 133 145 1511169 19|1»3

-02 -04 -0.6 -08

• • •' •• * "' ' '•

(a) Sinus (b) Dreieck

Abbildung A.3.: Amplituden und Phasenrauschen

Wird ein Sinussignal mit reinem Rauschen verglichen, dann entsteht das Bild einer Raute (Abbildung A.4).


Rauschen

Abbildung A.4.: Sinus mit reinem Rauschen

Um die Auswirkungen einer unterschiedlichen Bandbreite von Kurvenfor- men zu untersuchen, wurde ein Sinussignal mit einem Rechtecksignal verglichen. Das Rechtecksignal enthält neben der Grundfrequenz auch Komponenten ungeradzahliger Vielfache (3/g, 5/g, 7/g usw.). Spektrale Anteile höherer Fre- quenzen bzw. mehr Details sind daher im Signal enthalten. Die Abbildung A.5 zeigt, dass die Abweichung bei mittleren Werten groß wird und symmetrisch zum Mittelwert bleibt.

Die Abbildungen A.6 zeigen wie sich Nichtlinearitäten im Bland - Altman Diagramm darstellen. Die Abbildung A.6a ist eine Verzerrung zweiter Ordnung und führt zu einer asymmetrischen Anordnung der Punkte. Abbildung A.6b zeigt eine Verzerrung dritter Ordnung und führt zu einer größeren Abweichung in der Mitte oder an beiden Enden des Mittelwertes (ähnlich A.5).


Frequenzgang 1

1.5

1

0,5

0

-0,5

-1

-1,5

/^ /"\ ^^ / \ 1 ' \ / \ " y \ _.._

13 25 [!(7 49 91 73 85 ^ 109 l^fllSS 145 I5K169 18V193 | 1 1 \ / I i\ /1 i\ / 1 Vy vy v.y

1 0,8 0,6 0,4 0,2

0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

-1

m ^f- ^

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5

Abbildung A.5.: Vergleich von Sinus und Rechtecksignal. Simulation einer unterschiedlichen Bandbreite

Nichtlinuritlit 3. Ordnung

1,5

/\ /\ /\ / 0 / \ / V / \ /

13 25 P 49 r 73 85 91 109 13(133 145 15Ä169 18f193

-1

-1,5

\y \y \y

0,5 0,4 03 0,2 0,1

-0,? -0,2 -0,3

1 / /' 1

f f » 1

-0,5 -1

1 ,5 1 -0.5 0 0,5 1 1, >

(a) Sinus (b) Dreieck

Abbildung A.6.: Nichtlinearitäten

Mit diesen Beispielen kann eine Interpretation der Ergebnisse des Vergleiches von Signalverläufen mit dem Bland - Altman Verfahren leichter durchgeführt werden.

B. Effektivwert und Standardabweichung eines Signales

Zum Vergleich der Größe von Signalen ist es nicht immer zielführend die Am- plitude zu verwenden wenn die Formen der Signale stark unterschiedlich sind. Enthält ein Signal hochfrequente Spektralanteile, dann treten Maxima und Mi- nima von kurzer Dauer auf die den Spitzenwert des Signals wenig repräsentativ machen. Die gleiche Problematik stellt sich in der Elektrotechnik bei der Be- trachtung der Wirkung von Wechselströmen unterschiedlicher Kurvenformen auf einen ohmschen Widerstand. Die umgesetzte Leistung im Widerstand ist abhängig von der Kurvenform des Wechselstromes. Zur Lösung des Problems hat sich die Definition eines EfFektivwertes als sinnvoll erwiesen.

Der Effektivwert Uejf einer sinusförmigen Wechselspannung entspricht dem Wert einer Gleichspannung, der in einem ohmschen Widerstand dieselbe Wär- mewirkung hervorruft. Ist die Kurvenform bekannt, dann kann der Eff"ektivwert aus der Amplitude (Scheitelwert) und einem Formfaktor berechnet werden.

[V] +ü

-u

*

® / ̂ \

(V /

(?)

/t'ls]

E C?) V y

)

Abbildung B.I.: Scheitelwert (1), Spitze-Spitze Wert (2), Effektivwert (3) und Perioden- dauer (4) einer Sinusschwingung

B. Effektivwert und Standardabweichung eines Signales 74

Die Abbildung B.l zeigt die Zusammenhänge zwischen dem Scheitelwert (1) dem Spitze-Spitzewert (2) dem Effektivwert (3) und der Periodendauer (4) einer Sinusschwingung.

Bei sinusförmigen Signalen beträgt der Formfaktor y/2 und der Effektivwert errechnet sich zu

TT ^Scheitel /r) i \ f/., = —^ (B.l)

Dieser Formfaktor beträgt bei einem Rechtecksignal 1 und beim Dreiecksi- gnal \/3 ^.

Allgemein betrachtet versteht man unter dem Effektivwert den quadratischen Mittelwert eines zeitlich veränderlichen Signals. Für nicht sinusförmige Signale gilt:

Ist s ein reellwertiges Signal, das von der Zeit t abhängt, und T die Perioden- dauer des Signals, so heißt

= V?/. ••to+T

Setf = \li;l^ sHt)dt (B.2)

der Effektivwert von s.

Bei einem beliebigen Verlauf des Signals kann zur Berechnung des Effektiv- wertes folgende Näherung verwendet werden:

Seff ~ . -J2''^= V ~t^? +Xl+Xl-- + Xl] (B.3)

Der Effektivwert ist die Wurzel aus dem Mittelwert der Quadrate. Xj sind die Abtast- bzw. Momentanwerte die im konstanten Abstand A^ während einer Periode T von dem Signal abgelesen werden. In der englischsprachigen Lite- ratur ist für den Effektivwert der Begriff RMS value für „ Root Mean Square value " gebräuchlich.

Die Standardabweichung der Abtastwerte kann unter gewissen Vorausset- zungen an Stelle des Effektivwertes treten. Die Standardabweichung S^ einer Stichprobe der Größe n kann mit der Formel

^Bei Rauschen (Zufallswerte zwischen -1 und +1) wurde ein Wert für den Formfaktor von \/3 ermittelt. Dieser Wert entspricht dem der Dreieckschwingung da auch bei dieser alle Zahlenwerte zwischen -1 und 1 gleich häufig jedoch sogar regelmäßig vorkommen.

B. Effektivwert und Standardabweichung eines Signales 75

q ~ ^;^D-^-^)^ (B.4)

abgeschätzt werden, wobei x der arithmetische Mittelwert der Probe ist.

Wird die Anzahl der Messwerte n sehr groß, wie das beispielsweise bei den Abtastwerten eines Signals der Fall ist, dann wird der Unterschied zwischen dem Term -^ in der Gleichung für die Standardabweichung und dem Term ^ in der Gleichung für den Effektivwert vernachlässigbar klein. Bei 1000 Werten be- trägt die Abweichung beispielsweise nur mehr 0,1 %. Liefert der Mittelwert des Signals keine Informationen weil nur die zeitlich veränderlichen periodischen Signalanteile relevant sind, dann kann der Mittelwert x = 0 gesetzt werden und beide Formeln liefern das gleiche Ergebnis.

Das bedeutet, dass die Standardabweichung der Abtastwerte eines Signals mit seinem Effektivwêrt identisch ist. Die Standardabweichung des TX und ABD Signals ist daher als der jeweilige Beitrag am Gesamtvolumen gemittelt über viele Atemzüge („Minutenvolumen") zu sehen. Der Effektivwert von TX und ABD, berechnet aus der Standardabweichung, kann auch verwendet werden, um in einem Summensignal die Anteile von TX und ABD auf gleiche Größe zu bringen wie dies bei der Anwendung zur Flowmetrischen Methode beschrieben wird (HOFFMAN et al., 2001). Die Verwendung der Spitzenwerte dafür liefert oft ein ungenaues Ergebnis, da Störungen diesen Wert verfalschen. SUM errechnet sich unter Verwendung der Standardabweichungen zu:

SUM = TX + 4S^^ X ^BD (B.5) SD ABD

Der Quotient aus den Standardabweichungen ^^^ ist der Gewichtungsfak- tor mit dem das ABD Signal zu multiplizieren ist damit beide Summanden gleich groß werden.

C. Danksagung

Mein besonderer Dank gilt meiner Familie, vorallem meiner Frau Ingrid die mir das Studium der Veterinärmedizin neben Familie und Berufsausübung ermög- licht hat und auf viel Zeit mit mir verzichten musste. Ohne ihre grenzenlose Geduld und ihr Vertrauen wäre es nicht möglich gewesen.

Ein besonderer Dank geht an meinen Sohn DI (FH) Andreas Schramel der die Software für dieses Messsystem entwickelt hat.

Bei meiner Tochter Mag. Cornelia Schramel möchte ich mich für die Hilfe bei der Korrektur und die vielen gemeinsamen schönen Stunden mit Pferden be- danken.

Meinen Eltern möchte ich für die immerwährende Unterstützung in jeder Hin- sicht danken.

Den Professoren und Kolleginnen der Klinik für Pferde der Veterinärmedizi- nischen Universität danke ich für das gute Arbeitsklima und die zahlreichen Anregungen zu dieser Arbeit.

Univ. Prof. Dr. Rene van den Hoven und Ass. Prof. Dr. Klaus Riedelberger haben mir stets freie Entfaltungsmöglichkeiten und Unterstützung bei der Um- setzung des Projektes gewährt.

Bei Univ. Prov. Dr. Yves Moens bedanke ich mich für die Anregungen und Dis- kussionen und die immer neuen Herausforderungen noch etwas auszuprobieren.

Hrn. Kurt Wimmer vom Institut für Chemie, Biochemie und Physik danke ich für die Überlassung der Messmittel und der Werkstätte wann immer es erforderlich war.

Nicht zuletzt gilt es den Pferden und Tieren zu danken und zu gedenken die mich von der Wichtigkeit Veterinärmedizin zu studieren überzeugt haben.

Ich habe es nie bereut.

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Ultraschallplethysmographie beim Pferd - vetmeduni.ac.at · Gewidmet meiner Frau Ingrid und meinen Eltern Die Weisheit eines Menschen misst man nicht nach seinen Erfahrungen, sondern