Κλινική μελέτη ανίχνευσης φυσαλίδων με την εφαρμογή πρωτότυπης φασματοσκοπικής τεχνικής ηλεκτρικής εμπέδησης
Creators: name: Μεσημέρης, Αντώνης Θεόδωρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Φυσαλλίδες
Νόσος των δυτών
I-VED
Bubbles
Decompression Sickness

description: Σκοπός της μεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανίχνευση της παρουσίας φυσαλίδων στο ανθρώπινο σώμα εφαρμόζοντας την πρωτότυπη φασματοσκοπική τεχνική ηλεκτρικής εμπέδησης υψηλής ευαισθησίας και ακρίβειας, I-VED (European Patent Office, Application Number: EP14188200.1). Η παρουσία φυσαλίδων στο ανθρώπινο σώμα σχετίζεται με τη Νόσο της Αποσυμπίεσης που συναντάται στους αστροναύτες, τους δύτες, τους εργαζομένους του μετρό, κ.α. Η τεχνική I-VED αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια από την Ομάδα Δυναμικής Πολυφασικών Συστημάτων του Τμήματος Χημείας Α.Π.Θ. Μπορεί να μετρήσει για διάφορες συχνότητες διέγερσης την ηλεκτρική εμπέδηση ενός μίγματος που αποτελείται από διακριτές φάσεις με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως είναι οι φυσαλίδες μέσα στο αίμα. Ως τώρα, η τεχνική I-VED είχε εφαρμοσθεί επιτυχώς τόσο in-vitro όσο και in-vivo σε αναισθητοποιημένους χοίρους και πότε σε ανθρώπους. Στην παρούσα μελέτη, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις για την ανίχνευση φυσαλίδων στο σώμα εθελοντών αυτοδυτών στη Μονάδα Υπερβαρικής Ιατρικής του Γενικού Νοσοκομείου Αγίου Παύλου Θεσσαλονίκης. Συμμετείχαν 17 άντρες και 3 γυναίκες, ενώ η μέση ηλικία ήταν τα 40 έτη. Οι φυσαλίδες είτε εγχύονται στη βασιλική/κεφαλική φλέβα του αριστερού χεριού των εθελοντών μέσω ενός μίγματος φυσιολογικού ορού/μικροφυσαλίδων, είτε παράγονται στο σώμα των δυτών ως αποτέλεσμα της «ξηρής κατάδυσης» τους μέσα στο Θάλαμο Αποσυμπίεσης της Μονάδας. Οι ηλεκτρικές μετρήσεις εκτελούνται εφαρμόζοντας ζεύγη αυτοκόλλητων ηλεκτροδίων καρδιογραφήματος σε κάποιο σημείο του σώματος. Για τα πειράματα έγχυσης φυσαλίδων, γίνονται μετρήσεις τοποθετώντας ηλεκτρόδια τόσο στον πήχη του αριστερού χεριού όσο και στην περιοχή του δεξιού κόλπου/δεξιάς κοιλίας της καρδιάς, ενώ για τα πειράματα «ξηρής κατάδυσης» γίνονται μετρήσεις μόνο στην περιοχή της καρδιάς κάθε 30 min μετά το πέρας της και για συνολικό χρόνο 2 ωρών. Πάντοτε οι ηλεκτρικές μετρήσεις επαληθεύονται με τη μέθοδο υπερήχου στο ίδιο σημείο μέτρησης. Για κάθε πείραμα προκύπτει μια χρονοσειρά κανονικοποιημένης αντίστασης η οποία αναλύεται με την εφαρμογή κατάλληλων φίλτρων επεξεργασίας σε τρεις συχνοτικές συνιστώσες: α) LPF (0-0.5 Hz) που αντιπροσωπεύει τη μέση τιμή της μετρούμενης αντίστασης και σχετίζεται με το ρυθμό της αναπνοής, β) BPF (0.5-10 Hz) που σχετίζεται με τον καρδιακό παλμό και γ) HPF (10-250 Hz) που λογίζεται ως θόρυβος. Η παρουσία των φυσαλίδων προκαλεί αύξηση της μετρούμενης αντίστασης στη χρονοσειρά LPF και διαταραχές στην ένταση και τη συχνότητα του καρδιακού παλμού στη χρονοσειρά BPF. Επιπλέον, σε κάθε μία από τις χρονοσειρές LPF, BPF και HPF εφαρμόζονται οι προηγμένες μέθοδοι επεξεργασίας σημάτων Spectrogram και Wavelet, οι οποίες προσφέρουν τη δυνατότητα ανίχνευσης διακυμάνσεων τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο της συχνότητας. Η παρουσία εγχυόμενων μικροφυσαλίδων ανιχνεύεται με μεγάλη επιτυχία τόσο στις χρονοσειρές της αντίστασης LPF και BPF όσο και στα αντίστοιχα Spectrograms και Wavelets, εκτελώντας μετρήσεις με ηλεκτρόδια που έχουν τοποθετηθεί στο χέρι των εθελοντών αυτοδυτών. Όταν εκτελούνται αντίστοιχα πειράματα έχοντας τοποθετήσει τα ηλεκτρόδια στην περιοχή της καρδιάς, οι μικροφυσαλίδες ανιχνεύονται και πάλι όμως με σχετική δυσκολία. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στο ότι ο μετρητικός όγκος του I-VED είναι αισθητά μεγαλύτερος σε σχέση με την περιοχή του χεριού, οπότε οι μεταβολές στο πλάτος και τις διακυμάνσεις των ηλεκτρικών σημάτων από την παρουσία μικρής ποσότητας φυσαλίδων εξασθενούν. Επιπλέον, η απόσταση του σημείου έγχυσης των φυσαλίδων από την καρδιά είναι μεγάλη και οι φυσαλίδες φαίνεται να φτάνουν με καθυστέρηση και κατά κύματα δυσχεραίνοντας τη διαδικασία ανίχνευσης. Ακόμη και με αυτές τις δυσκολίες, τα Wavelets ξεχωρίζουν για την αποτελεσματικότητα τους στην ανίχνευση των φυσαλίδων στη περιοχή της καρδιάς εξαιτίας της δυνατότητας ανίχνευσης ασθενών διακυμάνσεων τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων. Τέλος, θετικές ενδείξεις υπάρχουν για την ανίχνευση φυσαλίδων μετά από «ξηρή κατάδυση», όμως απαιτείται μεγαλύτερο στατιστικό δείγμα αφού μόνο 4 δύτες εμφάνισαν φυσαλίδες και μάλιστα σε αρκετά μικρότερη ποσότητα από ότι συμβαίνει κατά την πραγματική εμφάνιση της Νόσου Αποσυμπίεσης.
description: The objective of the present Master Thesis is to detect the presence of bubbles in the human body employing a novel electrical impedance spectroscopy technique of high sensitivity and accuracy, named I-VED (European Patent Office, Application Number: EP14188200.1). Bubbles presence in the human body is associated with Decompression Sickness encountered in astronauts, divers, metro workers, etc. I-VED technology has been developed in the last ten years by Multiphase Dynamics Group (School of Chemistry, AUTH).Ιt measures for varying excitation frequency values the electrical impedance of a medium composed of dispersed phases having different electrical properties, such as gas bubbles in blood. So far, I-VED has been successfully tested both in-vitro and in-vivo on anesthetized swines but never on humans. In this study, experimental measurements were performed for bubbles detection in the body of volunteer divers, at the Hyperbaric Medicine Unit of St. Paul General Hospital of Thessaloniki. 17 men and 3 women with an average age of 40 years participated in the experimental campaign. The bubbles were either infused in the form of a saline/microbubbles mixture through the basilic/cephalic vein of divers’ left hand, or generated in the body due to decompression as a result of divers’ treatment in the Decompression Chamber. The electrical measurements were performed applying pairs of self-adhesive ECG pads at different human body sites. For the bubbles infusion experiments, measurements were conducted by placing electrodes at the sites of left hand’s forearm and chest over the heart’s right atrium/right ventricle area. For the "dry dive" experiments, post-dive measurements were performed only at the chest site, every 30 min for a total duration of 2 hours. In all cases, electrical impedance measurements were validated against ultrasound measurements at the same site. Each experiment provides a time series of normalized resistance which can be fragmented to three distinct frequency band components applying proper signal filtering tools: a) LPF (0-0.5 Hz) which represents the average value of the measured resistance and it is associated with the breathing rate, b) BPF (0.5-10 Hz) which is associated with the heart rate and c) HPF (10-250 Hz) which is considered chiefly as noise. Bubbles presence increases the measured resistance value in LPF time series and at the same time modifies both the amplitude and frequency of the heart rate in BPF time series. Moreover, advanced signal processing tools such as Spectrogram and Wavelet analysis are employed in LPF, BPF and HPF time series in order to detect fluctuations in both frequency and time domain. Infused microbubbles are successfully detected by placing electrodes at the site of left hand’s forearm in both LPF/BPF time series and respective Spectrogram/Wavelet graphs as well. On the other hand, infused microbubbles are marginally detected when ECG pads are placed at the chest site. In this case, the measuring volume of I-VED is considerably larger than at the forearm and therefore microbubbles presence causes less intense impedance variations in both amplitude and frequency. Furthermore, bubbles need to travel a great distance from the infusion point to the heart and a delay in their arrival is often noticed that makes their detection more complicated. Even under these difficulties, Wavelet analysis seems to be the most effective tool for bubbles detection in heart area taking advantage of its capability on sensing slight fluctuations in both frequency and time domain. Finally, there are positive signs for detecting bubbles in human body after a "dry dive" but further experiments need to be carried out since bubbles were noticed only in the body of four divers, while their amount is much smaller than that during actual Decompression Sickness.