Nicht-invasive Diagnostik in der Pädiatrie : Pilotstudie zur Messung der Atmung bei Frühgeborenen

Abstract

The survival of premature infants could be improved significantly in recent years by the development of diagnostic and therapeutic procedures. In particular, long-term monitoring of the still very fragile vital parameters is of special importance. In this context, conventional monitoring of vital parameters is based on electrodes that are glued to the surface of the skin and connected with cables to appropriate devices. These adhesive connections can damage the sensitive and immature skin of neonates and increase the risk of skin defects, infections and pressure necrosis. A non-contact alternative could minimize these additional stressors. For this purpose, the high-precision radar system VitaSense (IEE, Bissen, Luxembourg) was used in this study. This is regularly used in the automotive industry, as it is able to detect vital signs of sleeping newborns and thus alarm in case of detected children forgotten in the car. This work investigated if and how far the sensor is able to map breathing patterns of newborns without contact based on the chest movement. The application of the sensor system in everyday clinical practice required the development of a suitable measurement setup as well as the adaptation of the system to the clinical environment (Figure 25), i.e. to the conditions of daily clinical practice. In addition, the VitaSense system was used as a reference in parallel to a conventional, wired vital monitor. In 36 measurement series on twelve hospitalized preterm infants, their respiratory curves were recorded simultaneously, cable-connected and with the aid of the non-contact sensor for 25 minutes each, and various transient changes in the respiratory pattern were observed and analysed (Table 6). The probands of the study were hospitalized in the neonatal unit of the Homburg University Hospital and had similar clinical pictures as well as body constitution as preterm infants with corrected age between -48 and 11 days of life (Table 4). Within the measurements on newborns, different variables and their influence on the measurement system, such as the angle of inclination of the bed, the distance to sensor system or the double occupancy of a warming bed in the context of co-bedding, were additionally considered (Table 5). As a further reference method to the measurements on real newborns, infant breathing was simulated with the aid of a dummy and recorded with the VitaSense system (Figure 56, Figure 57 and Figure 58). The measurements showed that the VitaSense system can also detect the breathing of premature infants sufficiently (Appendix 2). The strength of the millimeter wave technology is the detection of small movements, which allows an inference of respiration. However, the high sensitivity of the system also carries the risk of artifact susceptibility. In the case of strong movements, the sensor's data are in the saturated region (Figure 32, Appendix 3). The study showed that in a subject at rest, for example in a sleeping state, the imaging of respiration was well possible (Figure 31). In follow-up studies, other influencing parameters should be examined in more detail. The detection of transients such as crying, yawning or hiccups as well as pathological breathing patterns was possible (Figure 50 and Figure 51). The comparison between the data of the VitaSense system and the vital monitor showed a comparable recording of the respiratory curve. This is particularly illustrated in the mapping of the documented Cheyne-Stokes respiration. In summary, the results illustrated the potential of this technique within vital sign monitoring. The strengths and weaknesses of the sensor system were also evident when examining dummy-simulated breathing. The results of this exploratory study are the basis for further development steps in non-contact vital sign monitoring.

Die Überlebenschance frühgeborener Kinder konnte durch die Entwicklung diagnostischer und therapeutischer Verfahren in den letzten Jahren um ein Vielfaches verbessert werden. Insbesondere die Langzeitüberwachung der noch sehr instabilen Vitalparameter nimmt einen besonderen Stellenwert ein. Dabei erfolgt die konventionelle Überwachung von Vitalparametern über Elektroden, die auf der Hautoberfläche verklebt und mit Kabeln an entsprechenden Geräten verbunden sind. Diese Klebeverbindungen können die sensible und unreife Haut der Neonaten strapazieren und erhöhen das Risiko für Hautdefekte, Infektionen und Drucknekrosen. Eine berührungslose Alternative könnte diese zusätzlichen Stressoren minimieren. Dazu wurde in dieser Studie mit dem hochpräzisen Radarsystem VitaSense (IEE, Bissen, Luxemburg) gearbeitet. Dieses erfährt reguläre Anwendung in der Automobilindustrie, da es dazu fähig ist, Lebenszeichen schlafender Neugeborener wahrzunehmen und somit Alarm bei im Auto vergessenen, detektierten Kindern zu schlagen. Ob und inwiefern der Sensor anhand der Brustkorbbewegung darüber hinaus kontaktlos Atemmuster bei Neugeborenen abbilden kann, wurde in dieser Arbeit untersucht. Die Anwendung des Sensorsystems innerhalb des Klinikalltags erforderte die Entwicklung eines geeigneten Messaufbaus, sowie die Anpassung des Systems auf die klinische Einsatzumgebung (Abbildung 25), das heißt auf die Gegebenheiten des regulären Klinikalltags. Hinzu wurde das VitaSense-System parallel zu einem konventionellen, kabelgebundenen Vitalmonitor als Referenz verwendet. In 36 Messreihen an zwölf hospitalisierten Frühgeborenen wurden für jeweils 25 Minuten simultan, kabelgebunden und mit Hilfe des berührungslosen Sensors deren Atmungskurven aufgezeichnet, verschiedene transiente Veränderungen des Atemmusters beobachtet und analysiert (Tabelle 6). Die Probanden der Studie waren auf der Neugeborenenstation des Universitätsklinikums Homburg hospitalisiert und wiesen als Frühgeborene im korrigierten Alter zwischen -48 und 11 Lebenstagen ähnliche Krankheitsbilder sowie Körperkonstitution auf (Tabelle 4). Innerhalb der Messungen an Neugeborenen wurden zusätzlich verschiedene Variablen und deren Einfluss auf das Messystem wie beispielsweise der Neigungswinkel des Bettes, der Abstand zu Sensor-System oder die Doppelbelegung eines Wärmebettes im Rahmen des Co-Beddings betrachtet (Tabelle 5). Als weitere Referenzmethode zu den Messungen an realen Neugeborenen wurde mit Hilfe eines Dummys die kindliche Atmung simuliert und diese mit dem VitaSense-System erfasst (Abbildung 56, Abbildung 57 und Abbildung 58). Die Messungen zeigten, dass das VitaSense-System auch die Atmung von Frühgeborenen suffizient erkennen kann (Anhang 2). Die Stärke der Millimeterwellentechnologie ist dabei die Erkennung geringer Bewegungen, die einen Rückschluss auf die Atmung erlaubt. Die hohe Sensitivität des Systems birgt jedoch auch das Risiko einer Artefaktanfälligkeit. Bei starken Bewegungen befinden sich die Daten des Sensors im gesättigten Bereich (Abbildung 32, Anhang 3). Die Studie zeigte, dass bei einem Probanden in Ruhe, beispielsweise im schlafenden Zustand, die Abbildung der Atmung gut möglich war (Abbildung 31). In Folgestudien sollten weitere Einflussparameter näher beleuchtet werden. Das Erkennen von Transienten, wie Weinen, Gähnen oder Schluckauf sowie pathologischer Atemmuster war möglich (Abbildung 50 und Abbildung 51). Der Abgleich zwischen den Daten des VitaSense- Systems und dem Vitalmonitor zeigte eine vergleichbare Aufzeichnung der Atmungskurve. Dies veranschaulicht sich insbesondere in der Abbildung der dokumentierten Cheyne- Stokes-Atmung. Zusammenfassend konnte anhand der Ergebnisse das Potential dieser Technik innerhalb der Vitalparameterüberwachung verdeutlicht werden. Die Stärken und Schwächen des Sensorsystems zeigten sich auch bei der Betrachtung der dummysimulierten Atmung. Die Ergebnisse dieser explorativen Studie bilden die Grundlage für weitere Entwicklungsschritte im berührungslosen Vitalparametermonitoring.