lungenfunktion - impulsoszillometrie rainald fischer zentrum für erwachsene...
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Lungenfunktion - Impulsoszillometrie
Rainald FischerZentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten,
Universität München
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Lungenfunktion und CF
Lungenfunktion ergibt sich aus Anamnese Klinischer Befund Messungen
Aufgaben der Lunge Gasaustausch Reinigung / Immunabwehr
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Wozu Lungenfunktion bei Mukoviszidose (CF) ?
Lunge meist das am stärksten betroffene Organ Beurteilung von statischen und dynamischen
Funktionsanteilen Erkennung von akuten und chronischen Veränderungen
(Trend !) Wichtig für Therapieentscheidungen Ungefährliche, aber unangenehme Prozedur !
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http://www.cff.org/UploadedFiles/research/ClinicalResearch/2006%20Patient%20Registry%20Report.pdf
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Intermittierende Therapie zur Verminderung des Pseudomonas - Wachstums
Richard B. Moss, Chest. 2002;121:55
bedingt durch Studienwechsel
120 Patienten 65 Patienten
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Effekt von Belastung auf FEV1 nach Placebo oder Albuterol
Serisier D, Chest 2007, 1181
Kein Effekt auf- Watt max- VO2 max
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Kurzzeiteffekt Salmeterol
Bargon J, ERJ 1997, 2307
Kein Effekt auf FEV1
N=26
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Bargon J, ERJ 1997, 2307
N=26
Kurzzeiteffekt Salmeterol
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Effekt von Bronchodilatatoren auf mukoziliäre Clearance
Terbutaline (6) Steigert Sputumproduktion Steigert mukoziliäre Clearance nicht
Albuterol (9) steigert Clearance nur minimal Fenoterol (3) steigert Clearance Salmeterol (3): kein klarer Effekt Formoterol (1): signifikante Verbesserung Ipratropium (5): keine Verbesserung, eher
schlechter Tiotropium (1): keine Verschlechterung
Ruben D, Resp Care 2007, 1159(Anzahl Studien)
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Verlaufsbeispiel Lufu
date
0,50
1,00
1,50
FE
V1
, ME
F25
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Verlaufsbeispiel ABPA
date
0,00
1,00
2,00
3,00
Mit
telw
ert
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Stabile Lufu
date
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
FE
V1
, ME
F25
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Verlauf alle
date
0
1
2
3
4
Mit
telw
ert
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87871022941352703025105043217154245231126422314032128N =
NAME
FE
V1
8
6
4
2
0
Spektrum FEV1
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Übliche Verfahren der Lungenfunktion (I)
Spirometrie Atemfrequenz Atemtiefe Maximale atembare
Lungenvolumina Einsekundenkapazität
Fluß - Volumen - Kurve Forciertes Manöver Maximale atembare
Lungenvolumina Luftfluß in verschiedenen
Bronchienabschnitten Spitzenfluß (PEF) Mittlerer Fluß bei 25, 50
und 75% Volumen
FEV1 = EinsekundenkapazitätGlobaler Funktionsparameter, unspezifisch
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Übliche Verfahren der Lungenfunktion (II)
Bodyplethysmographie Ruheatmung Resistance der zentralen
Bronchien Überblähung trapped air
Diffusion Sauerstoffdurchlässigkeit
der Lungenbläschen
Atempumpenmessung Verfügbare Kraft der
Atemmuskeln Auslastung der
Atempumpe (Erschöpfung)
Blutgasanalysen Verfügbarer Sauerstoff im
Blut genauer als Sättigung
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Nachteile der üblichen Lungenfunktionsverfahren
Spirometrie spezielle Atemmanöver
Fluß - Volumen - Kurve forciertes, maximales
Atemmöver mitarbeitsabhängig
Bodyplethysmographie kleine Bronchien nicht gut
beurteilbar
Spezielle Anforderungen an die Lungenfunktion bei Mukoviszidose rasche Durchführung keine speziellen Manöver Aussage über Verengung
der kleinen Bronchien Sekret in der Peripherie Verlaufsparameter
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ImpulsoszillometrieFunktionsprinzip (1)
Atemwegswiderstand = Relation von Druck und Strömung bei Spontanatmung / forcierten Manövern
Atemwegswiderstand Impulsoszillometrie Druck und Strömung
abhängig von externer Generator (Lautsprecher) Impulssignal der Spontanatmung überlagert
Lautsprecher
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ImpulsoszillometrieFunktionsprinzip (2)
Multifrequentes Schallsignal = Impuls „Echo“ (= Druck und Strömung) wird gemessen, sog.
komplexe Gesamtimpedanz Z Meßdauer etwa 30 Sek., Ruheatmung,
minimale Kooperation Durch Fast-Fourier-Analysen kann die Gesamtimpedanz Z
in Resistance (zentraler Anteil) und Reactance (peripherer, kapazitiver Anteil) zerlegt werden
Und in Resonanzfrequenz und volumenabhängige Schwankung der Impedanz
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X 5 Hz
R 5 Hz
Tro
mpe
tenm
odel
l der
Lun
ge
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Vergleich Impulsoszillometrie / normale Lungenfunktion
Vergleich von Impulsoszillometrie mit Spirometrie Fluß - Volumen - Kurve Bodyplethysmographie
Bis jetzt 331/661 Messungen (n=45) keine Probleme mit der Methode wird als angenehm empfunden, sekretlösend ??
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1,0,50,0-,5-1,0
2,0
1,5
1,0
,5
0,0
Korrelation IOS - Bodyplethysmographie
X 5 Hzr = - 0,73
R 5 Hzr = 0,58
R e
ff
X 10 Hzr = - 0,82
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1,0,50,0-,5-1,0
2,0
1,5
1,0
,5
0,0
Korrelation IOS - Bodyplethysmographie
X 5 Hzr = - 0,74 R 5 Hz
r = 0,57
R t
ot
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Korrelation IOS - Spirometrie
1,0,50,0-,5
5
4
3
2
1
FE
V1
R 5 Hzr = - 0,6
X 5 Hzr = 0,57
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Korrelation IOS - Spirometrie
Resonanz
40302010
FE
V1 5
4
3
2
1
r = - 0,61
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1,0,50,0-,5-1,0
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
,5
0,0
Korrelation IOS - Spirometrie M
EF
25
R 5 Hzr = - 0,44
X 5 Hzr = 0,43
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1,61,41,21,0,8,6,4,20,0
6
5
4
3
2
1
0
Korrelation Spirometrie - Bodyplethysmographie
FE
V1
R tot
r = 0,77
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Korrelation FEV1 - Rtot
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Korrelation FEV1 – X5
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Korrelation Rtot – X5
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Broncholyse und CF
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Broncholyse und CF
12% Responder Starke Schwankung der Reagibilität Volle Reversibilität nur bei 7%
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Reaktion auf Broncholyse
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Reaktion auf Broncholyse
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Vergleich Impulsoszillometrie / normale
Lungenfunktion gute Korrelation von Resistance, Reactance mit
herkömmlichen Lungenfunktionsparameter (spez. Resistance, tot R, FEV1)
Resonanzfrequenz scheint guter Verlaufsparameter zu sein (ähnlich FEV1)
gute Differenzierung von Bronchialkollaps und peripherer Obstruktion
Volumenabhängige Schwankung der Impedanz Zeichen von Trapped air
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Zusammenfassung
Impulsoszillometrie einfach in Anwendung, schnell, Ruheatmung sensitiv und spezifisch bei zentraler und
peripherer Obstruktion Airtrapping gut zu erkennen extrathorakale Stenose differenzierbar
Altersbereich: 2 - 100 Jahre
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Ausblick
Ambulante Messung mit telemetrischerÜbertragung der Daten
Resonanz – Sekretolyse ?
CF - Team der Erwachsenen - Ambulanz:Prof. Huber, Dr. Fischer, Dr. Henke, Sr. Maria
MTAs Lungenfunktion
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ImpulsoszillometrieMeßwerte
Resistance (R) - Modell „Energieverbraucher“ R bei 5 Hz entspricht dem
Rtot der Bodyplethysmographie R frequenzunabhängig große und mittlere Bronchien
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ImpulsoszillometrieMeßwerte
Inertance (Trägheit) positive Teil der Reactance Trägheit der Luftsäule in
Luftröhre
Resonanzfrequenz Schnittpunkt der Reactancekurve
mit der Nulllinie
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ImpulsoszillometrieMeßwerte
Reactance (X) - Modell imaginärer Blindwiderstand
„Energiespeicher“ aus Trägheit Kapazität
X bei 5 Hz immer negativ X 5Hz entspricht der peripheren
Kapazität = Verminderung durch Sekret Verengung der Bronchiolen
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Einflussfaktoren bezüglich DLCO
Transportstörungenim Gasraum
Lungenvolumen
Oberfläche, Oberfläche/Volumen
Durchgängigkeitder Diffusionsbarriere
CO
CO-Gegendruck
Hb
kapilläres Blutvolumen/Blutfluss
DLCO „Leitfähigkeit für CO“
„Widerstand“ = „Leitfähigkeit“
1
Serielle Widerstände addieren sich
CO
1DLCO
1DmCO
1= + . Vc
„alveolo-kapilläre
Membran“
pulmonal-kapilläres
Blutvolumen
Aufnahmerate pro mL für CO
Ändere CO durch
Ändern von pO2
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Ansatz der NO-CO-Diffusionskapazität
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NOCO
Hb
Molekulargewicht &Diffusionseigenschaftenfür NO und CO gleich
Kombinierte CO/NO-Diffusionskapazität
1Dm
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Kombinierte CO/NO-Diffusionskapazität
1
DL1
Dm1
=+ . Vc
DiffusionswiderstandDLNO
kapilläres BlutvolumenDLCO und DLNO
NOCO
HbAffinität 400x
Molekulargewicht &Diffusionseigenschaftenfür NO und CO gleich
insensitivgegenüber Vc
DLNO DLCO informativ/
NO >> CO
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Volumen
Testgas
Analysefenster
Effektive Atemanhaltezeit“
ProblemObstruktion
VC
VA Beginn Aufnahme
Ende Einatmung
=Problem
Verteilungsstörungen
Zeit
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Fragestellungen bei CF
Messwerte DLNO relativ zu DLCO
Dm und Vc
Korrelation mit CF-spezifischem CT-Score DLNO, DLCO, abgeleitete Größen Vergleich mit üblicher Lungenfunktion
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Charakteristika der ProbandenCF
n=21Gesund
n=30p
Frauen, n (%) 8 (38%) 16 (53%) 0,394
Alter, Jahre 34,8 ± 8,8 38,3 ± 15,8 0,312
Größe, cm 176 ± 11 174 ± 9 0,630
Gewicht, kg 65,5 ± 13,4 72,4 ± 16,4 0,117
FEV1, %Soll 65,6 ± 28,4 108,5 ± 13,3 <0,001
VC, %Soll 87,7 ± 22,5 112,9 ± 12,9 <0,001
FEV1/VC, %Soll 72,6 ± 14,9 96,9 ± 7,1 <0,001
ITGV, L 4,14 ± 1,10 3,50 ± 0,66 0,023
RV, L 2,90 ± 1,06 1,91 ± 0,51 <0,001
TLC, L 7,08 ± 1,69 6,85 ± 1,21 0,573
VA, L 5,45 ± 1,78 6,30 ± 1,15 0,063
DLNO, mmol×min-1×kPa-1 34,7 ± 12,2 45,5 ± 10,2 0,002
DLCO, mmol×min-1×kPa-1 9,14 ± 2,84 10,25 ± 2,33 0,148
DLNO/DLCO (geometrischer MW (SD)) 3,74 (1,11) 4,44 (1,47) <0,001
KNO, mmol×min-1×kPa-1×L-1 6,34 ± 0,91 7,21 ± 0,87 0,001
KCO, mmol×min-1×kPa-1×L-1 1,69 ± 0,18 1,62 ± 0,21 0,258 (Mittelwert ± SD)
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CT Score302520151050
DL
NO
(%
pre
dic
ted
)
120
100
80
60
40
20
0
DLNO (%Soll) versus CT-Score
(rS = -0,87; p < 0,001)
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CT Score302520151050
DL
CO
(%
pre
dic
ted
)
120
100
80
60
40
20
0
DLCO (%Soll) versus CT-Score
(rS = -0,82; p < 0,001)
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Folgerung
NO-Diffusionskapazität möglicherweise besonders sensitiv gegenüber morphol. Veränderungen bei CF
KNO
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Normierung der DLCO auf DLNO statt VA
Nicht nur erreichbares Volumen,
auch Stärke der Diffusionshindernisse
berücksichtigt
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DLCO versus DLNO bei Gesunden
![Page 56: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/56.jpg)
Gesunde und CF
CF
Gesunde
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Plus Gesunde bei 80% VA
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Plus Gesunde bei 60% VA
![Page 59: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/59.jpg)
Folgerung
DLCO relativ zur DLNO bei CF erhöht
Hinweis auf (kompens.) Hypervaskularisierung?
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Fazit NO-CO-Diffusionskapazität
Möglichkeiten• einfach, schnell, reproduzierbar
• Partitionierung der Diffusionskapazität• Volumenabhängigkeit möglicherweise informativ
• DLNO
- statt VA als Bezugsgröße für DLCO
- Strukturkorrelat (Gasraum/Barriere)
Limitationen• Umrechnung in alveolo-kapilläres Blutvolumen unsicher
• komplexe Abhängigkeit von Volumen und Belüftung
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Mögliche Anwendungen
• Diagnostisch zu eruieren• „echte“ Diffusionsstörungen (Asthma, CF, COPD...)• Kapillarbettstörungen (Diabetes…)• pulmonale Hypertonie (HZV mittels Azetylen)• Embolien
• Vasokonstriktion• Feinstaub (Außenluft, Schweißer...)• Hypoxie (experimentell, Höhe, Arbeitsplatz)
• Vasodilatation• z.B. Nebeneffekte von Bronchodilatatoren• vasoaktive Substanzen
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0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
4 Sek. 6 Sek. 8 Sek. 10 Sek.
DLN
O (m
mol/m
in/k
Pa)
+ V
K
Variation coefficient (%) 3.9 4.5 5.6 4.1
Variability acceptable, CF similarDressel et al., Chest 2008
Healthy
Intraindividual variability (SD) of repeatedDLNO measurements at various breathhold times
4 s 6 s 8 s 10 s
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CT Score302520151050
DL
NO
(%
pre
dic
ted
)
120
100
80
60
40
20
0
DLNO (%pred) versus CT-Score (Brody) in CF
(rS = -0.87; p < 0.001)
Dressel et al., BMC Pulm Med 2009
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CT Score302520151050
KN
O (
mm
ol/
min
/kP
a/L
)9
8
7
6
5
4
KNO (=DLNO/VA) versus CT-Score (Brody) in CF
(rS = -0.54; p = 0.012)
Dressel et al., BMC Pulm Med 2009
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DLCO versus DLNO in healthy subjects
Healthy
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Healthy subjects and CF patients
CF
Healthy
elevated DLCO relative to DLNO in CF
![Page 67: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/67.jpg)
Plus healthy subjects at 60% VA
suggesting pulmonary hypercapillarization in CF?
CF
Healthy60%
![Page 68: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/68.jpg)
Combined diffusing capacity for CO and NO
• Potential information• pulmonary capillary blood volume
• membrane factor
• changes with lung volume
• easy to assess
• Clinical data not sufficient
![Page 69: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/69.jpg)
Paredi et al., AJRCCM 2009
Exhaled ethane elevated in untreated CF
marker of lipid peroxidation
![Page 70: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/70.jpg)
Paredi et al., AJRCCM 2009
Exhaled ethane correlates with exhaled CO in untreated CF
![Page 71: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/71.jpg)
Barker et al., ERJ 2006
Relationship between exhaled pentane and lung function
CF exacerbation
CF stable
Controls
![Page 72: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/72.jpg)
Analysis of exhaled breathby chromatography [HS-SPME(PDMS)-GC-MS]
high demands on technology
Lung cancer
Healthy Smoker
Chemoth.
![Page 73: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/73.jpg)
Drift gas
Drift gas
Reaction chamber
Sample gas
Ionization
Principle of ion mobility spectrometry
Drift chamber
Electrode rings (+/-)
Electrode rings (+/-)
DetectorElectricswitching (+/-)
Voltage gradient (+/-)
Ions are generated• different charge• different size
Result depends on• ion charge• ion size and form• drift gas flow
+-
Possibility to identify VOCs
![Page 74: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/74.jpg)
Electronic nose (chemiresistor array)
Cyranose 320 (Smith Detection)
Nanocomposite Sensor Array
32 sensor signals
Pattern recognition(smell print)
Comparison withmit GC-MS etc.
and defined substances
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Dellinger et al., Respiration 2008
40 acoustic sensorsattached by negative pressure
Data processing and conversion ofinformation into dynamic images
Acoustic imaging of the lung(Vibration Response Device)
![Page 76: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/76.jpg)
Dellinger et al., Respiration 2008
Signal of maximal energy
right left
Inspiration
Expiration
Acoustic imaging of the lung
Time course of acoustic images
![Page 77: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/77.jpg)
Dellinger et al., Respiration 2008
Acute asthma
before bronchodilation after bronchodilation
Acoustic imaging of the lung
![Page 78: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/78.jpg)
• Potential information• time course of ventilation
• regional ventilation
• effect of interventions
• Clinical data not sufficient
Acoustic imaging of the lung
![Page 79: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/79.jpg)
PET statt Lufu?
Klein et al, CHEST 2001
![Page 80: Lungenfunktion - Impulsoszillometrie Rainald Fischer Zentrum für erwachsene Mukoviszidose-Patienten, Universität München](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062318/55204d6949795902118be953/html5/thumbnails/80.jpg)
FEV1 – Verlauf nach Exacerbation
Sanders et al Ped Pulm 2010