A prospective, non-randomized observational study involving forty-nine patients undergoing coronary artery bypass surgery (CABG) with a unilateral harvesting of the internal thoracic artery (ITA) was carried out at the Department of Cardiac Surgery, Herzzentrum Dresden University hospital. Using a commercially available industrial-grade RGB camera and normal indoor lighting, the chest wall of the patients was scanned before surgery and in three follow-up measurements. The primary aim of this thesis was to show whether iPPG is sensitive enough to detect global signal changes after a major surgery – CABG in this case – and local signal changes due to the removal of the ITA, the main supply vessel of the chest wall. As a secondary aim, the thesis looked at subgroups of data to show if differences in signal existed between the colour channels of the RGB camera, subdivisions of the thorax and the surgical technique used as well as to show if demographic factors had an impact on signal strength. With mathematical programs developed by the Technical University Dresden, the scanned optical data was transformed into signal to noise ratios (SNR) used in imaging photoplethysmographic (iPPG) studies. The signal data was analysed in R and, based on a stepwise deletion, a multivariable mixed effects model was constructed. Adjusted versions of this model were used for the analysis of the subgroups of the data. Analysis of the data showed a significant decrease of iPPG signal strength after the CABG surgery with a steeper decrease and an attenuated recovery on the side of the ITA harvesting. Even though the signal variations were relatively small, using the models in this thesis, the differences were reliably detected by iPPG. The analysis of the data from the subdivisions of the chest and from patients’ groups determined by the surgical technique showed a caudo-cranial signal gradient on the ITA side twenty-four hours after the surgery and a stronger signal in the Pedicled group within twenty-four hours after the surgery. The latter calculations, however, were based on a possibly biased sample and should be verified using a controlled sample in prospective randomised study designs. Demographic factors showed no significant correlation with iPPG signal strength. iPPG was able to detect relatively small signal variations that could be associated with changes of cutaneous perfusion after major surgery. Future development could lead to non-invasive monitoring devices in the clinical practice of post-surgery care.:1. Introduction 1
1.1. Coronary Artery Bypass Grafting (CABG) 1
1.1.1. Historical Overview 1
1.1.2. Coronary Grafts 3
1.1.2.1. Pedicled vs. Skeletonised Grafts 4
1.2. Plethysmography 5
1.2.1. Air-Displacement Plethysmography (APG) 5
1.2.2. Strain Gauge Plethysmography (SGP) 6
1.2.3. Impedance Plethysmography (IPG) 6
1.2.4. Photoplethysmography (PPG) 7
1.2.5. Imaging Photoplethysmography (iPPG) 8
1.3. Hypothesis and Aim of the Thesis 11
2. Methods 13
2.1. Study Setting and Patients 13
2.2. Camera and Technical Setup 14
2.3. Recording Area and Regions of Interest 15
2.4. Signal Processing 16
2.5. Statistical Analysis 17
3. Results 19
3.1. Descriptive Properties of the Data 19
3.2. Signal Strength in the Three Colour Channels 20
3.3. Choosing a Multilevel Model 21
3.4. The Effect of the Major Surgery on the Signal Strength in the Three Colour Channels 22
3.5. The Effect of the Unilateral Resection of the Internal Thoracic Artery 25
3.6. Results from the Model Fitted to the Data 27
3.7. The Effect of Cofactors 28
3.8. Data from the Subdivisions of the Chest 29
3.9. The Effect of the Surgical Technique 31
4. Discussion 34
4.1. Signal Strength in the Red, Green and Blue Colour Channels 34
4.2. Signal from the Entire Chest Area 36
4.3. Signal from the Subdivisions of the Chest 37
4.4. The Influence of the Surgical Technique on Signal Strength 38
5. Conclusion 39
6. Abstract 41
7. Zusammenfassung 42
8. References 44
9. Appendix 60
10. Acknowledgements 82
11. Resume 83
Anlage 184
Anlage 2 85 / Eine prospektive, nicht randomisierte Studie mit neunundvierzig Patienten geplant für eine koronare Bypassoperation (CABG) mit einseitiger Präparation der Arteria thoracica interna (ITA) wurde im Herzzentrum Dresden, Universitätsklinikum durchgeführt. In einer präoperativen und in drei postoperativen Messungen wurde die Brustwand bei den untersuchten Patienten unter normaler Innenbeleuchtung mit Hilfe einer handelsüblichen, industriellen RGB Kamera untersucht. Das primäre Ziel der Arbeit war zu zeigen, ob iPPG als Messmethode genug Sensitivität besitzt um globale Signal-Veränderungen nach einem großen Eingriff – die CABG in diesem Fall – und lokale Signaländerung nach der Abnahme der ITA, die Hauptversorgungsarterie der Brustwand, zu erkennen. Als sekundäres Ziel der Arbeit war zu eruieren, ob iPPG Signaldifferenzen zwischen den Farbkanälen der RGB Kamera, den Brustwandaufteilungen und den Arten der ITA Präparation sowie nach den demographischen Faktoren detektieren konnte. Die gemessenen Daten wurden unter Verwendung von Eigentumsprogrammen der Technischen Universität Dresden in den, bei plethysmographischen Studien genutzten, Signal zu Geräusch Quotienten (SNR - signal to noise ratios) umgewandelt. Die gewonnenen Signaldaten wurden in R verarbeitet und durch Verwendung der Methode schrittweise Löschung wurde ein multivariables gemischte Effekte Modell erstellt. Angepasste Versionen dieses Modells wurden für die Analyse von Patientensubgruppen verwendet. Die Datenanalyse ergab eine signifikante Abschwächung des Signals nach der CABG, wobei die Thorax-Seite mit der ITA Präparation zeigte, im Vergleich mit der anderen Thorax-Seite, eine stärkere Abnahme und eine gedämpfte Rückbildung der Signalstärke. Obwohl die detektierte Signaländerungen relativ klein waren, sie konnten durch die entwickelten Modelle mittels iPPG zuverlässig detektiert werden. Die weitere Analyse der Daten aus den Brustwandaufteilungen und von Patientensubgruppen definiert nach Präparationsart der ITA zeigte auf der ITA Seite eine caudo-craniale Zunahme der Signalstärke ab vierundzwanzig Stunden und ein stärkeres Signal in der pedikulierten Präparationsgruppe bis vierundzwanzig Stunden nach der Operation. Allerdings, diese letztere Berechnungen wurden auf einem möglicherweise unausgewogenen Muster durchgeführt und sollten dementsprechend auf kontrollierten Mustern in prospektiven randomisierten Studien verifiziert werden. Die demographischen Faktoren hatten keiner signifikanten Korrelation mit der iPPG Signalstärke. Die iPPG war geeignet kleine Signaländerungen assoziiert mit den erwarteten Änderungen der dermalen Perfusion bei einem großen chirurgischen Eingriff zu detektieren. Weitere Entwicklung der Technologie kann die Anwendung dieses nicht-invasive Monitoringsverfahren in der klinischen postoperativen Patientenversorgung ermöglichen.:1. Introduction 1
1.1. Coronary Artery Bypass Grafting (CABG) 1
1.1.1. Historical Overview 1
1.1.2. Coronary Grafts 3
1.1.2.1. Pedicled vs. Skeletonised Grafts 4
1.2. Plethysmography 5
1.2.1. Air-Displacement Plethysmography (APG) 5
1.2.2. Strain Gauge Plethysmography (SGP) 6
1.2.3. Impedance Plethysmography (IPG) 6
1.2.4. Photoplethysmography (PPG) 7
1.2.5. Imaging Photoplethysmography (iPPG) 8
1.3. Hypothesis and Aim of the Thesis 11
2. Methods 13
2.1. Study Setting and Patients 13
2.2. Camera and Technical Setup 14
2.3. Recording Area and Regions of Interest 15
2.4. Signal Processing 16
2.5. Statistical Analysis 17
3. Results 19
3.1. Descriptive Properties of the Data 19
3.2. Signal Strength in the Three Colour Channels 20
3.3. Choosing a Multilevel Model 21
3.4. The Effect of the Major Surgery on the Signal Strength in the Three Colour Channels 22
3.5. The Effect of the Unilateral Resection of the Internal Thoracic Artery 25
3.6. Results from the Model Fitted to the Data 27
3.7. The Effect of Cofactors 28
3.8. Data from the Subdivisions of the Chest 29
3.9. The Effect of the Surgical Technique 31
4. Discussion 34
4.1. Signal Strength in the Red, Green and Blue Colour Channels 34
4.2. Signal from the Entire Chest Area 36
4.3. Signal from the Subdivisions of the Chest 37
4.4. The Influence of the Surgical Technique on Signal Strength 38
5. Conclusion 39
6. Abstract 41
7. Zusammenfassung 42
8. References 44
9. Appendix 60
10. Acknowledgements 82
11. Resume 83
Anlage 184
Anlage 2 85
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:80692 |
| Date | 19 September 2022 |
| Creators | Kukel, Imre |
| Contributors | Matschke, Klaus, Malberg, Hagen, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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