82. Deutscher HNO-Kongress, Freiburg

Juni 5, 2011

Aus Anlass des 82. Deutschen HNO-Kongress in Freiburg wurden erstmals Ergebnisse des Forschungsvorhabens einer breiteren Öffentlichkeit präsentiert. Nach einer kurzen Erläuterung des Messprinzips und des Messgerätes wurde das Auswertungsverfahren vorgestellt Grundlage ist, dass die endoskopischen Untersuchungen gezeigt haben, dass den Messergebnissen von EMG und Bioimpedanz anatomische und physiologische Korrelate des Schluckvorgangs zugeordnet werden können. Das sind typische Veränderungen in der Mundbodenmuskulatur während der Kehlkopfhebung und die Änderung der Bioimpedanz durch die Kehlkopfhebung bzw. den Pharynxverschluss. Mithilfe der aus den Messergebnissen ermittelten Parameter konnte der Schluckvorgang sicher von ähnlichen Bewegungen wie Kauen, Kopfwendungen oder Sprechen differenziert werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass das Messergebnis für weitere Studien sicher reproduzierbar ist. Damit steht erstmals ein physiologisches Messverfahren zur Verfügung, das ein reproduzierbares Messsignal vom Schlucken erzeugt.

Im Weiteren wurden Einflussfaktoren auf das Messsignal geprüft. Da die Leitfähigkeit des Gewebes Grundlage des Messprinzips ist, haben wir auch den Einfluss der Leitfähigkeit des geschluckten Materials geprüft. Das Messsignal ist unabhängig von diesem Faktor, ebenso von der Geschlechtszugehörigkeit der Probanden. Einfluss nimmt die Konsistenz des geschluckten Materials, es gibt einen Unterschied zwischen den Materialien. Dies ist bereits aus früheren Untersuchungen mit anderen Messverfahren bekannt.

Begonnen wurde nun eine Automatisierung der Messauswertung um die Qualität des Schluckvorgangs bewerten zu können und den idealen Punkt für eine elektrische Stimulation der Muskulatur zu finden.

Vortrag 82. Deutscher HNO-Kongress

Endoskopie und Bioimpedanz

Februar 15, 2011

Im Rahmen der „Langen Nacht der Wissenschaften“ habe wir erstmals Probanden gleichzeitig mit einem Endoskop und der Bioimpedanz untersucht. Unsere ersten Studien haben wir mit Röntgenuntersuchungen gemacht. Im Rahmen des Projektes ist auch noch eine weitere Evaluation des Messverfahrens mit radiologischen Untersuchungen geplant. Bei den radiologischen Untersuchungen können an Hand der Bilddaten exakte Werte gewonnen werden, die eine statistische Korrelation mit der Bioimpedanz ermöglichen. Dies ist mit einer Endoskopie nicht möglich. Dafür können in der Endoskopie die Änderungen des Raumes und einzelne anatomische Details besser wahrgenommen werden.

Das neu entwickelte Messgerät ist nun in der Lage, gleichzeitig Bioimpedanz und EMG über die gleichen Elektroden abzuleiten. Durch eine Änderung im Gerät können jetzt Probanden durch den Untersucher berührt werden. Während bei früheren Geräten es durch die Berührung des Probanden zu einem zusätzlichen Abfluß von elektrischen Strom kam, der das Messsignal veränderte. Dieser Fehler ist nun behoben. Diese Änderungen des Aufbaus machte eine Endoskopie erst möglich.

In den endoskopischen Untersuchungen kann man nun sehen, dass die Änderungen der Messkurven ein anatomisches Korrelat besitzen, also die Abläufe des pharyngealen Schlucks mit dem Messverfahren dargestellt werden können. Diese Einschränkung auf den pahryngealen Schluck ist wichtig, wir können keine Aussage über die Dinge machen, die im Mund stattfinden oder in der Speiseröhre. Allerdings ist der pharyngeale Vorgang von grosser Bedeutung, hier entscheidet es sich, ob der Schluck in die Speiseröhre oder in die Luftröhre gelangt.

In der vorgestellten Untersuchung befindet sich das Endoskop ungefähr in Höhe des Zäpfchens und verbleibt dort während dem Schluckvorgang. Auf den Bildern unten findet sich die Zunge, man sieht den Kehldeckel, oben ist die Rachenhinterwand bzw. die Wirbelsäule zu sehen.

Zu Beginn eines typischen Wasserschlucks sieht man, wie sich die Stimmbänder annähern und schliessen. Dieser Mechanismus, den man unwillkürlich als zusätzlichen Schutzmechanismus erwartet, kommt allerdings nur bei ca. der Hälfte aller Menschen vor. Gleichzeitig sieht man eine Aktivität im EMG. Bevor ein Schluck gestartet wird, wird er im Mund vorbereitet, nach dem Kauen bilden wir mit der Zungen eine Schüssel bevor wir den Schluck in den Pharynx entlassen. Diese Vorbereitung erfolgt durch die Zungen- und Mundbodenmuskulatur, was hier in einer Aktivität im EMG sichtbar wird.

Nun Beginnen wir die Zunge mit dem anhängenden Kehlkopf anzuheben. Der Raum zwischen Zunge und Rachen wir kleiner, was an der Änderung der Bioimpdanzkurve abzulesen ist. Das Prinzip der Bioimpedanz beruht darauf, das man elektrischen Strom durch Gewebe schickt, der an anderer Stelle gemessen wird. Dabei ist die Menge des Stroms, die durch das Gewebe hindurchtritt, von dem dazwischen liegenden Gewebe abhängig. Luft ist ein schlechter Leiter, wenn wir also Luft holen, haben wir eine schlechte Bioimpedanz. Mit dem Anheben der Zunge ist die Mundbodenmuskulatur aktiv, was an dem EMG-Signal abzulesen ist.

Es kommt nun zum Durchtritt von Wasser, dass mit blauer Farbe versetzt ist, damit man es besser sieht. Gleichzeitg wird der Kehlkopf weiter angehoben.

Den kompletten Verschluß des Pharynx kann man in der Endoskopie nicht sehen, durch die Verlegung des Endoskops kommt es zu einem „white out“. Sie ist in der Bioimpedanzkurve mit einem Minimum erkennbar. Daran anschließend kommt es zu einer Rückbewegung von Zunge und Kehlkopf. Der Kehlkdeckel, der sich passiv auf den Kehlkopfeingang gelegt hat, schnellt zurück. Die Bioimpedanzkurve steigt wieder an. Im EMG ist nur noch wenig Aktivität, das Zurücksinken des Kehlkopfes passiert passiv bzw. durch eine Muskulatur die mit dem EMG nicht erfasst wird.

Der Kehlkopf kehrt in seine Ausgangsposition zurück.

Zum Abschluß atmen wir aus, Speisereste, die sich in der Nähe des Kehlkopfes befinden, können auf diese Weise entfernt werden. Die Bioimpedanzkurve kehrt zurück.

Hier noch einmal der Film, der die Messung im Zusammenhang zeigt. Der erste Teil zeigt den tatsächlichen Zeitablauf eines solchen Schluckvorgangs, er dauert weniger als eine Sekunde (Wasserschluck und Bioimpedanz).

Der Tagesspiegel berichtet über uns

Oktober 10, 2010

 

Voten der Ethikkommission

April 15, 2010

Voraussetzung für die Forschung am Menschen ist die Einholung eines Votums der Ethikkommission. Dies ist auch bei unseren Forschungsprojekten so, bei denen sowohl freiwillige, gesunde Probanden als auch Patienten untersucht werden sollen.  Die Anträge wurden bereits mit der Bewerbung zum Innovationspreis eingereicht, damit wir frühzeitig mit unseren Versuchen beginnen können.

Ein Antrag umfasst die Beschreibung des Projektes, die Aufklärungs- und Einwilligungsbögen. Der Umfang der geplanten Studien muss durch einen Statistiker geprüft werden, damit verwertbare Ergebnisse entstehen. Diese Unterlagen werden der Ethikkommission der Charité vorgelegt, bei der man zu einer Dikussion geladen wird. Wir haben nun für alle Studien positive Voten erhalten, so dass wir mit den Studien beginnen können. Dies sind die Studien zu den Messverfahren an gesunden Probanden, die Vergleichsstudie von Bioimpedanz und Videofluoroskopie sowie der Pilotstudie für die Bioimpedanz geregelte elektrische Stimulation der Mundbodenmuskulatur.

Es kann los gehen.

Start des Forschungsprojekts

April 1, 2010

Mit dem heutigen Tag hat das geplante Forschungsprojekt begonnen. In diesem Rahmen wurden zwei Promovenden angestellt, die einen grossen Teil der anfallenden Forschungsarbeiten erledigen müssen. Das ist zum Einen Holger Nahstaedt, der vor allem für die technische Entwicklung des Messgerätes verantwortlich ist.  Er soll den technischen Aufbau voran treiben und eine Zertifizierung durchführen. Er hat sich bereits in seiner Diplomarbeit mit dem Bioimpedanzmessverfahren beschäftigt.

Zum Anderen wurde Frau Corinna Schultheiss angestellt, die für die Evaluation des Messverfahrens verantwortlich sein wird. Sie soll in den nächsten Monaten das Messverfahren erproben und seine Reliabilität prüfen. Sie hat sich bereits in ihrer Diplomarbeit mit der Evaluation eines Messverfahren beschäftigt, dem Berliner Schluck Test.

Erstes Ziel soll nun der weitere Aufbau des neuen Bioimpedanzmessgerätes sein. Das Messgerät bzw. das Messverfahren muss geprüft werden. Es wird getestet, ob das Messverfahren wirklich in der Lage ist, reporduzierbar Schlucken zu messen, um als Verfahren für eine gerichtete elektrische Stimulation zu dienen. Die bisherigen Versuche lassen das vermuten, sie sind allerdings nur bei einem sehr kleinen Personenkreis mit einem rudimentären Messgerät durchgeführt worden.

Verleihung Innovationspreis für Medizintechnik 2009

Oktober 29, 2009

Heute war es soweit, wir haben den Innovationspreis für Medizintechnik 2009 überreicht bekommen.

 

In der Veranstaltung bestand die Möglichkeit, das eigenen Forschungsvorhaben mit einem Poster zu präsentieren (Poster Innovationspreis 2009).

Erkennung von Aspiration

März 12, 2009

Nachdem wir in den ersten Versuchen gesehen haben, dass wir mit der Bioimpedanz den Verschluss des Rachens während eines Schluckvorgangs messen können, hatten wir die Idee mit Hilfe der Bioimpedanz den Durchtritt von Flüssigkeiten durch den Kehlkopf zu messen. Die theoretische Überlegung dabei war, dass mit dem Durchtritt von Flüssigkeiten, an der Schleimhautoberfläche des Kehlkopfes, eine Änderung der Leitfähigkeit auftreten wird. Ist diese Änderung ausreichend, können wir sie vielleicht auch messen. Allerdings ist der Kehlkopf von einem Skelett auch Knorpel umhüllt. Wir wissen nicht, ob die Messmethode in der Lage ist, durch Knorpel hindurch zu messen.

Als Modell haben wir einen Rinderkehlkopf benutzt, der, nach Einwilligung durch das Veterinäramt, bei einer Schlachtung entnommen wurde. Die Untersuchungen wurden in der TU Berlin durchgeführt, was in einer technischen Abteilung doch einige Aufregung erzeugte.  Solche Modelle sind nicht unbedingt üblich in einer technischen Abteilung, die meiste Arbeit wird dort heute an Rechnermodellen durchgeführt.  Um den Durchtritt von Flüssigkeiten durch den Kehlkopf in einem praxisnahen Modell zu beobachten, haben wir den Kehlkopf schräg aufgehangen und eine Kamera oberhalb des Kehlkopfeingangs positioniert. Damit konnten wir den Durchlauf der Flüssigkeiten durch den Kehlkopf mit einer Videoaufnahme aufzeichnen.

So erhielten wir einen Einblick in den Kehlkopf während der Versuche. Der Kehlkopf eines Rindes entspricht dabei in seinem anatomischen Aufbau einem menschlichen Kehlkopf, ist aber deutlich größer.

Die Messelektroden wurden in der Muskulatur des Kehlkopfes befestigt, der Versuchsaufbau entspricht den Überlegungen für die Entwicklung eines Implantats aus dem Antrag. Die Messelektroden wurden wenig unterhalb der Stimmbänder angebracht, um das Ziel der Messung einer Aspiration, die als Durchtritt von Flüssigkeiten unterhalb der Stimmbandebene definiert ist, möglichst nahe zu kommen.

Das eigentliche Messgerät war noch in der Entwicklung…

Die Messdatenerfassung erfolgte auf einem Laptop…

In den Untersuchungen zeigte sich, dass es tatsächlich zu einer Änderung des Messsignals in Abhängigkeit von dem Durchtritt der Flüssigkeiten kommt. Die Änderungen waren dabei von der Leitfähigkeit der Flüssigkeiten abhängig.

Wir haben einen kleinen Film von den Messungen erstellt, der die Ergebnisse zusammen fasst (Aspiration und Bioimpedanz).

Videofluoroskopie und Bioimpedanz

März 15, 2008

Auf der Suche nach einer Methode, die Schluckfrequenz sicher zu erfassen, haben wir auch die Bioimpedanz geprüft. Das Prinzip der Bioimpedanz ist, dass ein definierter Strom durch Gewebe hindurch geschickt wird. An einem Zielpunkt misst man dann, wieviel an dieser Stelle ankommt. Diese Menge ist unter anderem von der Leitfähigkeit des Gewebes abhängig. Da Luft ein schlechter Leiter ist, wird der Strom durch den geöffneten Rachen z.B. während der Atmung schlecht fließen. Bisher wurde die Methode unter anderem für die Messung des Schlagvolumens am Herzen oder für die Messung von Gelenkwinkeln benutzt. Im Rahmen unserer Versuche, in denen wir die direkte Wirkung einer elektrischen Stimulation der Mundbodenmuskulatur prüfen wollten, zeigte sich reproduzierbare, charakteristische Bioimpedanz-Messkurve, mit einem Minimum zu dem Zeitpunkt, an dem der Kehlkopf gehoben wird.

Unsere erste Hypothese war, dass wir die Verringerung des Raumes oberhalb des Kehlkopfes, also den Verschluss des Kehlkopfes, durch die Annäherung des Zungengrundes an den Kehlkopf und damit den passiven Verschluss des Kehlkopfes abbilden können. Um diese Hypothese zu prüfen, haben wir bei zwei Patienten, die sich wegen einer bösartigen Erkrankung einer Röntgenuntersuchung unterziehen mussten, eine gleichzeitige Messung der Bioimpedanz durchgeführt. Die technische Umsetzung der Untersuchung war schwierig, da wir eine Synchronisation zwischen den Röntgenbildern und dem Bioimpedanzmesssignal benötigten. Inzwischen ist dies durch eine selbst entwickelte Software, die über eine Framegrabberkarte die Bilddaten erhält, möglich.

Als Maß für den Verschluss des Kehlkopfeingangs haben wir die Verringerung der Distanz zwischen Kehlkopfskelett und Zungenbein benutzt. Dies entspricht dem luftgefüllten Raum oberhalb des Kehlkopfeingangs. Grundsätzlich ist es schwierig, aus einem eindimensionalen Röntgenbild eine Änderung des Raumes oberhalb des Kehlkopfes zu berechnen, da er noch von weiteren Faktoren abhängig ist, wie z.B. die Einwärtsbewegung der Pharynxseitenwände.

Für das Schlucken entscheidend ist der Schutz der Atemwege, der durch eine Annäherung des Zungengrundes an den Kehlkopfeingang und den damit verbundenen passiven Verschluss des Kehlkopfes durch den Kehldeckel erreicht wird. Es stehen zur Zeit noch keine besseren Messverfahren für die Beurteilung des Kehlkopfverschlusses zur Verfügung. Die Auswertung der Bilddaten erfolgte an Hand von Einzelbildern, da es keine Programme gibt, die dies automatisch können (Videofluoroskopie und Bioimpedanz). Die Videoaufzeichnung zeigt die Bewegung des Kehlkopfes und die gleichzeitige Änderung der Bioimpedanz. In den beiden Pilotstudien konnten sehr gute Ergebnisse erreicht werden (Korrelationskoeffizient  RProband1= 0,65 RProband2= 0,51). Diese Pilotstudien sind Ausgangspunkt für unsere weiteren Studien.