Mög­li­che Anwen­dun­gen der Bio­im­pe­danz bei Pati­en­ten mit trans­fe­mo­ra­ler Amputation

Ein­lei­tung

Moder­ne Schaft-Stumpf-Anbin­dun­gen wer­den hin­sicht­lich der Mate­ri­al­aus­wahl immer inno­va­ti­ver und kom­ple­xer, um mög­lichst opti­mal form­schlüs­si­ge und stark haf­ten­de Pro­the­sen­schäf­te her­zu­stel­len. Die Pass­form ist und bleibt aber die Domä­ne des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers und ist untrenn­bar mit des­sen Erfah­rungs­schatz gekop­pelt. Was kenn­zeich­net einen gut sit­zen­den und pas­sen­den Pro­the­sen­schaft? Es sind ledig­lich die äußer­li­chen Kon­troll­mög­lich­kei­ten sei­tens des Hand­wer­kers, die bei der Über­prü­fung in Augen­schein genom­men wer­den. Was ist aber zu tun, wenn sich die Haut ver­än­dert, es zu Rötun­gen, Ver­här­tun­gen oder gar wun­den Stel­len kommt? Oft ist es dann zu spät, und es muss – sofern mög­lich – umge­hend reagiert wer­den. Aber die sicht­ba­ren Ver­än­de­run­gen sind ledig­lich Sym­pto­me. Auf­ga­be sowohl des Tech­ni­kers als auch des Arz­tes ist es, die Ursa­chen ent­spre­chend zu dia­gnos­ti­zie­ren. Hilf­reich bei die­sem Pro­zess könn­te eine Dar­stel­lung der Gescheh­nis­se im Stumpf auf der Basis von Bio­im­pe­danz­mes­sun­gen sein. Könn­te dies zukünf­tig die oben genann­ten Sym­pto­me ver­hin­dern oder zumin­dest die am Pro­zess betei­lig­ten Berufs­grup­pen dafür sen­si­bi­li­sie­ren? Arzt und Tech­ni­ker könn­ten dadurch gemein­sam auf die­sel­ben Infor­ma­tio­nen zurück­grei­fen, was die Dia­gnos­tik bei­der Berufs­grup­pen und deren Kom­mu­ni­ka­ti­on mit­ein­an­der ver­bes­sern würde.

Ein­füh­rung ins Thema

Alle Kör­per­ge­we­be set­zen sich aus Kom­po­nen­ten wie Fett, Mus­keln, Was­ser, Kno­chen usw. zusam­men, die je nach ihren spe­zi­fi­schen che­mi­schen Eigen­schaf­ten ver­schie­de­ne Leit­fä­hig­kei­ten bzw. Wider­stän­de einem Strom gegen­über auf­wei­sen. In Tabel­le 1 wird der spe­zi­fi­sche Wider­stand übli­cher Kör­per­ge­we­be in Ohm-Zen­ti­me­ter (Ω · cm) angegeben.

Wie man der Tabel­le ent­neh­men kann, zei­gen Gewe­be mit einem erhöh­ten Was­ser- und Elek­tro­lyt­ge­halt, z. B. Blut oder Blut­plas­ma, einen nied­ri­gen Wider­stand einem elek­tri­schen Strom gegen­über. Dem­ge­gen­über wir­ken Fett­ge­we­be als Iso­lie­rungs­schicht und wei­sen daher einen deut­lich erhöh­ten spe­zi­fi­schen Wider­stand auf. Das bedeu­tet, dass unter­schied­li­che Gewe­be sich durch ihre ent­spre­chen­den elek­tri­schen Eigen­schaf­ten und ins­be­son­de­re mit­tels ihrer Leit­fä­hig­keit ana­ly­sie­ren lassen.

Die elek­tri­schen Eigen­schaf­ten bio­lo­gi­scher Gewe­be wer­den gene­rell als „Bio­im­pe­danz“ bezeich­net. Dabei ist jedoch zu beach­ten, dass die Bio­im­pe­danz nicht nur von der bio­che­mi­schen Zusam­men­set­zung der ana­ly­sier­ten Gewe­be, son­dern auch von der Fre­quenz des ein­ge­hen­den Stroms abhän­gig ist [1–4]. Grund dafür ist die Basis­kom­po­si­ti­on der Zel­len, aus denen die Gewe­be zusam­men­ge­setzt sind. Wie in Abbil­dung 1 dar­ge­stellt, hat jede Zel­le eine phos­pho­li­pi­di­sche Mem­bran (Zell­mem­bran), die eine Abgren­zung der Zel­le gegen­über der äuße­ren Welt schafft. Inner­halb und außer­halb der Zel­le gibt es leit­fä­hi­ge, elek­tro­ly­ti­sche Flüs­sig­kei­ten; ande­rer­seits kann die Zell­mem­bran elek­tro phy­sio­lo­gisch als Plat­ten­kon­den­sa­tor ange­se­hen wer­den, des­sen spe­zi­fi­sche Kapa­zi­tät bei Mem­bra­nen ver­schie­de­ner Zell­ty­pen im Bereich von etwa 1 μF · cm−2 liegt. Des­halb lässt die Zell­mem­bran nied­ri­ge Strom­fre­quen­zen nicht hindurch.

Wie in Abbil­dung 2 dar­ge­stellt, kann man je nach der ein­ge­hen­den Strom­fre­quenz drei Haupt­fre­quenz­be­rei­che unterscheiden:

• Bereich α‑Dispersion: In die­sem Fre­quenz­be­reich ist der Wider­stand ledig­lich eine Kon­se­quenz der Was­ser­men­ge und der Elek­tro­ly­ten außer­halb der Zel­len (extra­zel­lu­lä­re Flüssigkeit).
• Bereich β‑Dispersion: In die­sem Fall wirkt die Zell­mem­bran als Kon­den­sa­tor und lässt den Strom mit nied­ri­gen Fre­quen­zen nicht hindurchfließen.
• Bereich γ‑Dispersion: In die­sem Fre­quenz­be­reich kann der Strom durch die Zell­mem­bran der Gewe­be hin­durch­flie­ßen. Der Wider­stand ist in die­sem Fall ledig­lich eine Kon­se­quenz des Ionen­trans­ports durch die Zell­mem­bran selbst, wäh­rend die tat­säch­li­che Leit­fä­hig­keit von den intra- und extra­zel­lu­lä­ren Flüs­sig­kei­ten abhän­gig ist.

Die Ana­ly­se, die durch Anwen­dung eines Wech­sel­stroms zur Aus­wer­tung der Bio­im­pe­danz durch­ge­führt wird, wird als „Bio­im­pe­danz­ana­ly­se“ (abge­kürzt BIA) bezeich­net. Die­se ist bei­spiels­wei­se das Basis­prin­zip aller elek­tro­ni­schen Per­so­nen­waa­gen, die eine Ana­ly­se der Kör­per­zu­sam­men­set­zung erlauben.

Prin­zi­pi­ell kann eine BIA mit einer oder meh­re­ren Fre­quen­zen durch­ge­führt wer­den. Die Anwen­dung meh­re­rer Fre­quen­zen hat den gro­ßen Vor­teil, zusätz­li­che Infor­ma­tio­nen bezüg­lich Gewe­be­zu­sam­men­set­zung und Stoff­wech­sel­funk­tio­nen zu lie­fern. In der Tat ist die Men­ge an extra- und intra­zel­lu­lä­ren Flüs­sig­kei­ten durch die soge­nann­te Kali­um-Natri­um-Pum­pe (oder Kali­um-Natri­um-ATPa­se) regu­liert, die eine wesent­li­che Rol­le bei der Hin­durch­füh­rung von Ener­gie (ATP) in die Zel­len spielt. Eine unba­lan­cier­te Men­ge an intra- und extra­zel­lu­lä­ren Flüs­sig­kei­ten kann daher eine Stoff­wech­sel­stö­rung signa­li­sie­ren. Den­noch kön­nen loka­le Ent­zün­dun­gen, Mus­kel­ver­let­zun­gen, Blut­ergüs­se, Ver­än­de­run­gen der peri­phe­ren Durch­blu­tung und wei­te­re loka­le Ver­än­de­run­gen der in den Gewe­ben ver­füg­ba­ren (extra­zel­lu­lä­ren) Flüs­sig­kei­ten eben­falls durch BIA erkannt wer­den. Eine voll­stän­di­ge Über­sicht über das all­ge­mei­ne Ver­fah­ren und die prak­ti­sche Anwen­dung der Bio­im­pe­danz ist ^{1 2 3 4} zu entnehmen.

Haupt­vor­teil der BIA ist ihre Nicht­in­va­si­vi­tät: Nur ein­fa­che Elek­tro­den, die an der Haut posi­tio­niert wer­den, sind dafür nötig. Die Elek­tro­den kön­nen Band­elek­tro­den sein, d. h. Elek­tro­den, die wie ein Gür­tel bei­spiels­wei­se am gan­zen Bein befes­tigt wer­den. Außer­dem ist kei­ne kom­ple­xe mess­tech­ni­sche Hard­ware erfor­der­lich. Typi­sche Elek­tro­den­kon­fi­gu­ra­tio­nen für eine ein­fa­che BIA sind in Abbil­dung 3 dar­ge­stellt, wobei die zwei­te Kon­fi­gu­ra­ti­on (Abb. 3b), bei der Mess­elek­tro­den (Volt­me­ter) und Elek­tro­den für den Wech­sel­strom getrennt sind, in der Regel prä­zi­se­re Ergeb­nis­se liefert.

Typi­sche kli­ni­sche Anwen­dun­gen sind die Aus­wer­tung der Kör­per­zu­sam­men­set­zung, z. B. bei adi­pö­sen Pati­en­ten ^{5 6} sowie bei Dia­ly­se­pa­ti­en­ten, bei denen das kon­ti­nu­ier­li­che Moni­to­ring des Was­ser­an­teils eine äußerst wich­ti­ge Rol­le spielt ⁷. Neue Stu­di­en ver­wen­den Bio­im­pe­danz­mes­sun­gen auch für die Unter­su­chung (chro­ni­scher) Herz­in­suf­fi­zi­enz­pa­ti­en­ten, bei denen oft Lun­gen- oder Bein­öde­me ent­ste­hen ⁸. Das hämo­dy­na­mi­sche Moni­to­ring von Trau­ma­pa­ti­en­ten lässt sich auch mit­tels Bio­im­pe­danz durch­füh­ren, wie u. a. in ^{9 10} gezeigt.

Im Fol­gen­den wer­den diver­se Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten der BIA vor­ge­stellt, die für die Erken­nung bzw. Aus­wer­tung von Stö­run­gen bei bein­am­pu­tier­ten Pati­en­ten signi­fi­kant sein kön­nen. Der Fokus liegt haupt­säch­lich auf Lösun­gen, mit deren Hil­fe man Stö­run­gen am Bein­stumpf wie z. B. Schwel­lun­gen, eine beschränk­te Durch­blu­tung usw. erken­nen kann.

Impe­danz­ple­thys­mo­gra­phie (IPG)

Unter Impe­danz­ple­thys­mo­gra­phie (IPG) ver­steht man die Anwen­dung von Bio­im­pe­danz zur nicht­in­va­si­ven Mes­sung klei­ner Blut­vo­lu­men­ver­än­de­run­gen eines Kör­per­teils mit dem spe­zi­fi­schen Ziel, den Gesund­heits­zu­stand der unter­such­ten Gewe­be zu ana­ly­sie­ren. Sowohl Stan­dard- als auch Band­elek­tro­den kön­nen für die Mes­sung benutzt wer­den. Das Prin­zip der IPG ist sche­ma­tisch in Abbil­dung 4 dar­ge­stellt. Dabei wird in der Regel ein Wech­sel­strom mit einer Fre­quenz von 86 KHz angewendet.

Wie der Abbil­dung zu ent­neh­men ist, ist die resul­tie­ren­de Bio­im­pe­danz abhän­gig von arte­ri­el­len und venö­sen Blut­vo­lu­men­va­ria­tio­nen und setzt sich aus drei Kom­po­nen­ten zusammen:

1. aus der arte­ri­el­len Pulswelle,
2. aus den venö­sen Blutvolumenveränderungen,
3. aus einer kon­stan­ten Kom­po­nen­te, der Grund­im­pe­danz, die von allen ande­ren Bestand­tei­len des Mess­ab­schnitts bestimmt wird.

Die arte­ri­el­len Puls­wel­len des IPG-Signals wer­den zur Dia­gno­se der Arte­ri­en aus­ge­wer­tet. Bei der Venen­ver­schluss­ple­thys­mo­gra­phie (VVP) und der Arte­ri­en­ver­schluss­ple­thys­mo­gra­phie (AVP) wer­den venö­se Blut­vo­lu­men­ver­än­de­run­gen pro­vo­ziert, die mit Hil­fe der IPG gemes­sen wer­den kön­nen, um einen Funk­ti­ons­test des peri­phe­ren venö­sen bzw. arte­ri­el­len Sys­tems durchzuführen.

Die­ses Ver­fah­ren kann vor­teil­haft zur Aus­wer­tung der peri­phe­ren Durch­blu­tung bei Pati­en­ten ange­wen­det wer­den, die eine Ober- bzw. Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on erlebt haben. Die Metho­de ist nicht­in­va­siv und ermög­licht ein kon­ti­nu­ier­li­ches Moni­to­ring, damit mög­li­che Durch­blu­tungs­pro­ble­me recht­zei­tig erkannt wer­den kön­nen. Mit der Anwen­dung von nur einer Mess­fre­quenz ist außer­dem die Hard­ware tech­nisch ein­fach zu rea­li­sie­ren. Zu beach­ten ist dabei jedoch, dass der Abstand zwi­schen den Mess­elek­tro­den nicht gerin­ger als 10 cm sein soll­te, um eine gute Signal­qua­li­tät zu errei­chen. Die­ses Erfor­der­nis könn­te ein Pro­blem bei Pati­en­ten mit extrem kur­zem Bein­stumpf dar­stel­len. In die­sen Aus­nah­me­fäl­len ist IPG daher nicht gut geeignet.

Mul­ti­fre­quenz-Bio­im­pe­danz­ana­ly­se (MFBIA)

Da die Bio­im­pe­danz von der Wech­sel­strom­fre­quenz abhän­gig ist und die­se eine indi­rek­te Aus­wer­tung der Men­ge an intra- und extra­zel­lu­lä­ren Flüs­sig­kei­ten lie­fert, kann man meh­re­re unter­schied­li­che Fre­quen­zen statt einer ein­zel­nen Mess­fre­quenz anwen­den. Die Anwen­dung meh­re­rer Fre­quen­zen ver­mit­telt nicht nur direk­te Infor­ma­tio­nen über den Hydrat­a­ti­ons­sta­tus des Pati­en­ten, son­dern auch in Bezug auf Stoff­wech­sel­funk­tio­na­li­tät, Durch­blu­tungs­stö­run­gen, Öde­me, loka­le Ent­zün­dun­gen, Nekro­sen usw.

Wie oben erwähnt, wird die Men­ge an intra- und extra­zel­lu­lä­ren Flüs­sig­kei­ten durch die soge­nann­te Natri­um-Kali­um-ATPa­se gere­gelt, d. h., die Men­ge an Was­ser, das sich im Zyto­plas­ma und im Extra­zell­raum befin­det, wird durch eine fei­ne, selbst­re­gu­lie­ren­de Reak­ti­on fest­ge­legt, die das Was­ser durch die Zell­mem­bran hin­durch­flie­ßen lässt, um die Kon­zen­tra­ti­on von Kali­um inner­halb und Natri­um außer­halb der Zel­len auto­ma­tisch aus­zu­glei­chen. Zahl­rei­che Stu­di­en zei­gen eine star­ke Kor­re­la­ti­on zwi­schen Na-K-Pum­pe und Mor­ta­li­täts­ri­si­ko sowie Gesund­heits­stö­run­gen, die mit sys­te­mi­schen und neu­ro­lo­gi­schen Erkran­kun­gen zu tun haben ¹¹.

Typi­sche Mess­fre­quen­zen für eine MFBIA sind 5, 50, 100 und 200 KHz. Wenn die­se Punk­te im Fre­quenz-Bio­im­pe­danz-Raum dar­ge­stellt wer­den, erhält man soge­nann­te Mul­ti­fre­quenz-Bio­im­pe­danz-Kur­ven (MFBIA-Kur­ven). Bei gesun­den Pati­en­ten sind die­se durch eine stei­le Abnah­me mit stei­gen­der Fre­quenz gekenn­zeich­net, weil die Men­ge an Was­ser im Zyto­plas­ma und im Extra­zell­raum gut aus­ba­lan­ciert ist. Dage­gen ist die MFBIA-Kur­ve bei Pati­en­ten mit erhöh­tem Mor­ta­li­täts­ri­si­ko wegen der unaus­ge­gli­che­nen Men­ge an intra- und extra­zel­lu­lä­rem Was­ser rela­tiv flach. Somit stel­len die MFBI-Kur­ven eine ein­fa­che gra­fi­sche Lösung zur intui­ti­ven, direk­ten Aus­wer­tung der Pati­en­ten gesund­heit dar (sie­he Abb. 5).

Zudem kann man anhand der MFBIA-Kur­ven einen wei­te­ren Para­me­ter defi­nie­ren: die Impe­danz-Ratio als

.

Die­se ent­spricht dem Quo­ti­en­ten aus der Impe­danz bei der maxi­ma­len und der mini­ma­len Mess­fre­quenz, die eine Appro­xi­ma­ti­on der Kur­ven­ab­stiegs­ge­schwin­dig­keit ergibt.

Der Haupt­vor­teil der Impe­danz-Ratio besteht dar­in, dass alle mul­ti­pli­ka­ti­ven Stö­run­gen, die Ein­fluss auf den End­wert der Impe­danz neh­men kön­nen, sich auto­ma­tisch annul­lie­ren. Das heißt aber auch, dass Ergeb­nis­se unter­schied­li­cher Pati­en­ten von­ein­an­der unab­hän­gig und mit­ein­an­der ver­gleich­bar sind. Eine all­ge­mei­ne Über­sicht über die MFBIA und die Bedeu­tung der Impe­danz-Ratio ist in ¹² zu finden.

Obwohl die der­zei­ti­ge For­schung auf die Aus­wer­tung des gesam­ten Gesund­heits­sta­tus eines Pati­en­ten beschränkt ist, kön­nen die MFBIA-Kur­ve und die Impe­danz-Ratio in ähn­li­cher Wei­se zur Unter­su­chung und zum Moni­to­ring von Kör­per­tei­len bei Pati­en­ten mit Ampu­ta­tio­nen ver­wen­det wer­den. Ver­än­de­run­gen in den Kur­ven kön­nen in der Tat ein peri­phe­ri­sches Pro­blem signa­li­sie­ren, wobei die Erken­nung der Ursa­che und der Natur sowie die Iso­lie­rung bzw. Loka­li­sie­rung per se nicht tri­vi­al sind.

Zudem kann die Impe­danz-Ratio ein adäqua­ter Para­me­ter für das Moni­to­ring und für die recht­zei­ti­ge Erken­nung von Stö­run­gen an ampu­tier­ten Glied­ma­ßen sein, wobei die tat­säch­li­che Bedeu­tung der gemes­se­nen Wer­te in der Pra­xis noch expe­ri­men­tell­mit­telt wer­den muss.

Der­zeit sind kei­ne Stu­di­en bekannt, in denen MFBIA-Kur­ven oder die Impe­danz-Ratio zum Moni­to­ring oder zur Unter­su­chung peri­phe­rer Stö­run­gen bei ampu­tier­ten Glied­ma­ßen ver­wen­det werden.

Impe­danz­spek­tro­sko­pie

Die Impe­danz­spek­tro­sko­pie ist ein Son­der­fall der MFBIA, bei der nicht nur eini­ge, son­dern sehr vie­le diver­se Mess­fre­quen­zen ver­wen­det wer­den. Tech­nisch unter­schei­det sie sich von der MFBIA jedoch kaum. Hier sind eben­falls der­zeit kei­ne For­schungs­ar­bei­ten bekannt, in denen die­se Tech­nik zur Unter­su­chung peri­phe­rer Stö­run­gen bei ampu­tier­ten Glied­ma­ßen ange­wen­det wird. Auch auf die­sem Gebiet gibt es die Mög­lich­keit, inno­va­ti­ve Lösun­gen zu ent­wi­ckeln, die die Erken­nung mini­ma­ler Ver­än­de­run­gen in den peri­phe­ren Gewe­ben wegen Durch­blu­tungs­stö­run­gen, Schwel­lun­gen, Wun­den usw. erlauben.

Ver­gleich der Methoden

In Tabel­le 2 sind die hier vor­ge­stell­ten Metho­den mit ent­spre­chen­den Vor­tei­len und Her­aus­for­de­run­gen über­blicks­ar­tig zusammengefasst.

Dabei ist zu beach­ten, dass die genann­ten Metho­den im Prin­zip zwar die Erken­nung peri­phe­rer Ver­än­de­run­gen in den unter­such­ten Gewe­ben erlau­ben – eine genaue Loka­li­sie­rung bzw. Iso­lie­rung der ent­spre­chen­den Stö­rung ist dabei jedoch aus­ge­schlos­sen. Mit meh­re­ren Fre­quen­zen kön­nen gleich­zei­tig meh­re­re Infor­ma­tio­nen über die genaue Gewe­be­zu­sam­men­set­zung gesam­melt wer­den, d. h., durch Impe­danz­spek­tro­sko­pie könn­ten prin­zi­pi­ell Art und Ursa­che der Beschwer­de iden­ti­fi­ziert wer­den, jedoch wächst dadurch die tech­ni­sche Kom­ple­xi­tät der dafür erfor­der­li­chen Hard­ware. Außer­dem sind der­zeit kei­ne Stu­di­en­be­kannt, in denen die spek­tra­len Infor­ma­tio­nen über die Bio­im­pe­danz mit diver­sen Beschwer­de­ar­ten (Schwel­lun­gen, Wun­den, Ent­zün­dun­gen usw.) kor­re­liert wer­den. Daher ist ein Erfolg sol­cher Klas­si­fi­ka­tio­nen der­zeit nur schwer zu prognostizieren.

Fazit

Die Daten­er­fas­sung durch Bio­im­pe­danz­mes­sun­gen stellt eine Mög­lich­keit dar, Haut‑, Gewe­be- und Gefäß­ver­än­de­run­gen des Stump­fes wäh­rend des Tra­gens eines Pro­the­sen­schaf­tes früh­zei­tig zu erken­nen und Rück­schlüs­se auf deren Ursa­che zu zie­hen. Tech­nisch gese­hen ist aber der Kon­takt der Sen­so­ren zur Haut eine gro­ße Her­aus­for­de­rung. Nach ein­ge­hen­der Recher­che und ent­spre­chen­den Ana­ly­sen bzw. Ver­su­chen wird sich das Pro­jekt­team des Autors wei­ter­hin mit die­sem The­ma aus­ein­an­der­set­zen. Das hier Beschrie­be­ne ist ein ers­ter Ansatz zum Moni­to­ring des Pro­the­sen­tra­ge­ver­hal­tens; ins­be­son­de­re bezüg­lich des Schaf­tes und auch hin­sicht­lich tele­me­di­zi­ni­scher Ansät­ze kann dies als Schritt nach vorn gel­ten. Zum Zeit­punkt der Bei­trags­er­stel­lung konn­ten bereits Ver­suchs­auf­bau­ten in gesi­cher­ter Umge­bung getes­tet wer­den. Für die Publi­ka­ti­on von Ergeb­nis­sen ist es aber noch zu früh; die­se wer­den zu einem spä­te­ren Zeit­punkt veröffentlicht.

Der Autor:
Dani­el Mer­bold (CPO, MBA)
D Med Tech Consulting
Waid­manns­pro­me­na­de 10
14548 Schwie­low­see
info@dmedtech.consulting

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Tab. 1 Bei­spie­le spe­zi­fi­scher Wider­stän­de unter­schied­li­cher bio­lo­gi­scher Gewebe.

Tab. 2 Vor­ge­stell­te Metho­den mit ihren jewei­li­gen Vor­tei­len und Her­aus­for­de­run­gen im Vergleich.

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