A novel method of early detection of congestion in heart failure using bioimpedance on a pig model

Abstract

Congestive heart failure (CHF) is associated with an enormous human and economic burden. This is due to resulting high mortality, progressive and prolonged morbidity and recurrent hospitalization. A large portion of the costs arises from mandatory hospitalization and re-hospitalization for decongestion. Adjusting medication in early stages of deterioration could improve long term outcome, reduce re-hospitalization rates and costs. The current diagnostic and monitoring procedures for heart failure patients have two major setbacks: First, they are incapable of predicting preclinical decompensation. This leads to the disease being diagnosed so late that hospitalization becomes mandatory. Secondly, they are not routinely usable in the home setting by heart failure patients. A system which is free of these setbacks is currently not readily available. Bioimpedance in conjunction with telemedicine offers a possible solution. Bioimpedance (Z) is the resistance of biological tissue to electric current. The lung has unique electrical properties: The air inside acts as an insulator, the alveoli as capacitors and blood as a good conductor. The circulatory close proximity of the lung and the heart makes the lung sensitive to fluid overload. These unique properties make bioimpedance monitoring of the lung viable. Accumulation of fluid during pulmonary edema results in a measurable reduction of the Z. This was used as the basis of this study. Telemonitoring allows monitoring of physiological variables measured in patients at home by physicians and caretakers by making use of standard telecommunication technology e.g. telephone, cable etc. This would allow the close monitoring of heart failure patients and facilitate early intervention in case of worsening and so prevent hospitalization. Consequently, rates of admission to hospital would be reduced and discharge accelerated. The epidemiological and financial significance of heart failure predicts home care as a cost-effective solution with a good potential. The viability of both telemedicine in monitoring patients at home and bioimpedance in monitoring heart failure has been examined separately in numerous publications. Aim of this study was to determine if local thoracic bioelectrical impedance (Z) correlates with respiration parameters (tidal volumes and respiration rates), fluid overload (fl) and cardiac output (CO) and could therefore serve as a basis for a heart failure monitoring system. In seven juvenile farm pigs (average weight 32.5±5 kg), a subcutaneous passive can with four electrodes was implanted on the left side of the chest. After obtaining baseline values, acute heart failure and fluid overload were induced in two steps (reduction of CO to 70-80% and then to 50-60% of baseline value) by gradual injection of 4.3±2.0 mg Metoprolol and Verapamil for each step together with fluid administration (259±72ml 0.9% saline and 6% hydroxyethyl starch each for each step). Stepwise injection of Metoprolol, Verapamil and fluid resulted in a reduction of cardiac output, LVEF and MAP and an increase in MPAP, PCWP and CVP. The percentage change in Z decreased from baseline to the first and second step of fluid load. A linear trend was found for this decrease (R2=0.83) Several studies have confirmed the viability of using pulmonary electrical impedance to measure changes in lung fluid both in humans and animals with results in conformation with those of this study. The results of this research work show a possibility of measuring lung fluid content by thoracic bioelectrical impedance as a possible parameter of non-physiological changes in lung fluid. A good application could be in heart failure where lung congestion occurs. Although the results of this particular porcine study may be applicable to humans to a limited extend, there are currently studies confirming its applicability to humans. If applied, this method of hemodynamic monitoring could lead to an improvement of quality of life, less mortality and less hospitalization and associated costs.

Herzinsuffizienz ist eine der führenden Ursachen von Mortalität und Morbidität in Industrieländern und gehört zudem zu den kostenintensivsten Krankheitsbildern. Der größte Teil dieser Kosten entsteht als Folge von Krankenhausaufenthalten und Wiedereinweisungen zur kardialen Rekompensation. Eine Anpassung der medikamentösen Therapie im Anfangsstadium der Dekompensation könnte ggf. das Fortschreiten der Dekompensation verhindern. Dies würde wiederum die Anzahl der Krankenhauseinweisungen als auch die Kosten reduzieren. Die bisher verfügbaren ambulanten Überwachungsmaßnahmen haben verschiedene Nachteile: die Erkennung der Dekompensation erfolgt oft erst relativ spät bzw. die „Vohersagen“ der Dekompensation erfolgt nicht sicher. Die bisherigen technischen Geräte sind oft für die ambulanten routinemäßige Anwendung für Patienten zu komplex und für die Anwendung/Auswertung wird speziell geschultes Personal benötigt. Bioimpedanz („Z“) ist der Widerstand biologischer Gewebe zu Wechselstrom. Durch die kardiale Dekompensation kommt es zu einer Veränderung des Flüssigkeitsgehaltes des Gewebes und damit zu einer Änderung der Bioimpedanz. Die Flüssigkeitsstauung beim Lungenödem verursacht eine Abnahme der messbaren Bioimpedanz. Dieser Effekt wurde als Basis für diese Studie verwendet. Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, ob eine subkutane erfasste bioelektrische Impedanz (Z) mit Beatmungsparameter (Atemminutenvolumen und Atemfrequenz), Flüssigkeitsbelastung (fl) und Herzminutenvolumen (CO) korreliert und so als Basis für ein implantierbares Herzinsuffizienzüberwachungssystem dienen kann. Ein subkutanes Elektrodenelement mit Messelektroden wurde in die linken Thoraxhälften von sieben Schweine (Gewicht 32.5±5 Kg) implantiert. Nach der Aufzeichnung von Basiswerten, wurde eine Flüssigkeitbelastung (als Simulation einer kardialen Stauung/Dekompensation) in zwei Schritten (Reduktion des Herzzeit Volumens auf 70-80%, und dann auf 50-60% der Basiswerte) induziert. Diese erfolgte durch eine langsame Injektion von Metoprolol, Verapamil (jeweils 4.3±2.0mg für die erste und zweite Flüssigkeitsbelastungsstufe), physiologischer Kochsalzlösung und sechsprozentiger Hydroxyethylstärke (259±72ml für die erste und zweite Flüssigkeitsbelastungsstufe). Schrittweise Injektion von Metoprolol, Verapamil und Flüssigkeit führte zu einer Abnahme des Herzminutenvolumens (CO) und des mittleren arteriellen Drucks (MAP); und zu einer Zunahme des mittleren pulmonaren arteriellen Drucks (MPAP), des pulmonären Kapillardrucks (PCWP) und des zentralen venösen Drucks (CVP). Die prozentuale Abnahme von Z von Baseline, erste und zweite Flüssigkeitsbelastungsstufe folgte einem linearen Trend (R2 = 0.83). Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, Veränderung in Lungenflüssigkeitsmengen mittels subkutan erfasster Bioimpedanz zu messen. Ein mögliches Anwendungsgebiet wäre die Detektion von Veränderungen im Lungenflüssigkeitsvolumen als Indikator einer beginnenden kardialen Dekompensation.