Signal-Analysis of Electrical Impedance Tomography Data under high G-acceleration

El objetivo de este Trabajo de Fin de Máster (TFM) es analizar la respuesta fisiológica del pulmón ante su exposición a un perfil de aceleraciones que simulan las condiciones de vuelos suborbitales. Con el fin de caracterizar la ventilación, el comportamiento dinámico del pulmón y la señal pulsatil se generaron una serie de parámetros a partir de señales obtenidas con tomografía de impedancia eléctrica.
La tomografía de impedancia eléctrica es una tecnología que permite cuantificar los cambios de conductividad locales a lo largo del tiempo, lo que permite monitorizar el sistema cardiopulmonar.
El estudio que concierne a este TFM fue llevado a cabo en una centrifugadora, donde 12 participantes fueron expuestos a diferentes aceleraciones en el eje ventral-dorsal (Gx).
Los resultados correspondientes a la ventilación muestran que al incrementar la aceleración, ocurre un decrimento del volumen pulmonar tanto en respiración corriente o tidal como durante inspiraciones completas. Por otro lado, los valores espiratorios finales muestran que la cantidad de aire que permanece en el pulmón tras la exhalación aumenta con la aceleración en Gx.
Además, a causa del incremento en la aceleración también se puede detectar un considerable desplazamiento de la actividad respiratoria hacia las zonas no-dependientes de la gravedad del pulmón (zona ventral).
El análisis dinámico fue realizado observando el comportamiento de llenado y vaciado del pulmón durante inspiraciones completas. Al aumentar la aceleración, la región dependiente muestra un vaciado mucho más rápido que la no dependiente. En el caso del llenado, este comienza con cierto retraso con respecto a la zona no dependiente pero alcanza su valor final rápidamente.
Finalmente, la señal correspondiente a la ventilación fue filtrada para poder analizar la señal pulsatil. Es posible contemplar que las variaciones de la conductividad en la región del corazón ganaban amplitud con el incremento en la aceleración mientras que los cambios de conductividad en el pulmón experimentaban una reducción de amplitud con respecto a su valor en 1G. Adicionalmente, el porcentaje de la región en el que la señal de la ventilación coincide con la señal pulsatil disminuye al incrementar la aceleración.
Para concluir, se puede asegurar que el incremento de la aceleración en el eje x conduce a un comportamiento distinto de la ventilación de las regiones dependiente y no dependiente. Este efecto se ve incrementado por la duración e intensidad de la exposición. El comportamiento de la señal pulsatil también se ve afectado por Gx, no obstante, es necesario que se siga investigando la verdadera naturaleza de esta señal para poder comprenderla completamente.

The aim of this master’s thesis is to address the physiological response of the lung to a profile of high G-accelerations that simulates the conditions of commercial suborbital flights. Different parameters were derived from electrical impedance tomography signals in order to characterize three main aspects: ventilation, dynamic behavior of the lung and pulsatile signal.
Electrical impedance tomography is a technology able to quantify regional conductivity changes overtime, which can be used to monitor the cardiopulmonary system. A study with
12 healthy subjects was conducted in a human centrifuge to investigate the influence of the Gx (ventral to dorsal) acceleration.
The ventilation shows a decrease of the lung volumes during tidal breathing and full inspirations by increasing Gx-exposure. Also end-expiratory values show that the amount
of air that remains in the lung after exhaling increases with the Gx-level. Furthermore, a remarkable shift of the breathing activity towards the non-dependent regions of the lung (ventral area) can be detected during the high Gx-exposures.
The dynamic analysis was studied via analyzing the filling and emptying behavior of the lung during full inspirations. For high Gx-exposures the dependent region shows a faster emptying
behavior and a filling behavior that initiates with a delay with respect to the non-dependent region but that reached the end value fastly.
Finally, the ventilation signal was filtered to analyze the pulsatile signal. It was found that conductivity changes in the heart region gained amplitude with the Gx-level whereas conductivity changes in the lung experienced a reduction of their amplitude with respect to 1G. Also the percentage of the region where the ventilation signal coincides with the pulsatile signal decreased with the increasing Gx-exposure.
In conclusion, it can be assured that increasing Gx-Forces leads to different behavior of the ventilation signal between the dependent and non-dependent regions. This effect is increased by the duration and intensity of the Gx-exposure. The behavior of the pulsatile signal is also affected by Gx but further investigation should be performed around this signal to fully understand it.