Validierung der Wärmebildgebung zur Erkennung einer Lungenentzündung

I. HINTERGRUND UND BEDEUTUNG

1. Historischer Hintergrund

   Jeden Tag sterben 16.000 Kinder unter 5 Jahren. Obwohl Fortschritte bei der Früherkennung und Behandlung von Lungenentzündungen erzielt wurden, ist sie immer noch für etwa 15 % der Todesfälle bei Kindern unter 5 Jahren verantwortlich (1). Leider sind Pflegedienstleister in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMICs) aufgrund mangelnder Ressourcen und Ausbildung begrenzt. In diesen LMICs ist es besonders schwierig, Röntgenaufnahmen des Brustkorbs anzufertigen (14). Ironischerweise sind Smartphones leicht verfügbar. Seit ihrer Entwicklung im Jahr 1960 haben vorwärtsgerichtete Infrarotkameras (FLIR) mehrere technologische Fortschritte gemacht. Insbesondere sind sie jetzt erschwinglicher und kompakter und lassen sich an Smartphones befestigen. FLIR-Kameras haben nun das Potenzial, bei der Früherkennung und anschließenden Behandlung von Lungenentzündungen im Kindesalter zu helfen.

   Die FLIR-Bildgebung wurde erstmals 1956 mit militärischer Finanzierung an der University of Chicago entwickelt. Von den 1960er bis 1970er Jahren wurde die FLIR-Technologie unabhängig voneinander von der Luftwaffe und Texas Instruments Inc. für den Einsatz in Militärflugzeugen modifiziert (2). Wendell Smith dokumentierte erstmals 1964 den Einsatz der Wärmebildtechnik in der medizinischen Diagnose. Smith benötigte 6 Minuten, um jedes Thermogramm der von ihm untersuchten Pferde aufzunehmen (3). Seitdem wurden mehrere veterinärmedizinische Studien durchgeführt, und nun wurde die Wärmebildgebung als Mittel zur Beurteilung von Muskel-Skelett-Verletzungen bei Tieren validiert (4,5).

2. Frühere klinische Studien zur Unterstützung der vorgeschlagenen Forschung

   Interessanterweise wurden nur sehr wenige klinische Studien durchgeführt, um den Einsatz der Wärmebildgebung in der medizinischen Diagnose menschlicher Krankheiten zu validieren. Der Einsatz der Thermographie zur Diagnose von Lungenerkrankungen wurde in Russland 1976, 1981 und 1991 in drei separaten Studien untersucht, diese Studien waren jedoch weder kontrolliert noch randomisiert (6-8). Im Jahr 1970 zeigte Potanin anhand einer Fallserie, dass bei Patienten mit Lungenentzündung die Temperatur über der Brust erhöht war und bei Patienten mit Lungenembolie die Temperatur über der Brust gesunken war (12). Die jüngste und wirkungsvollste Studie zur Bewertung von Lungenentzündungen mithilfe der Wärmebildgebung war eine Fallserie von Wiecek et al. (2001), die zeigten, dass Patienten mit Lungenentzündung eine Verringerung des thermografischen Signals zeigten, wenn sie positiv auf die Behandlung ansprachen (13). In neueren Studien wurde versucht, die Infrarot-Wärmebildgebung unter anderem bei der intraoperativen Messung der Größe von Hirntumoren (9), dem Fieberscreening bei Kindern (10) und der Vorhersage der Erholungsdauer nach Verbrennungen (11) zu validieren. Es gibt jedoch keine moderne Studie zur Validierung der Wärmebildgebung bei der Diagnose einer Lungenentzündung.

3. Begründung der vorgeschlagenen Forschung und potenzieller Nutzen für die Gesellschaft

Lungenentzündung ist weltweit eine der Hauptursachen für die Sterblichkeit von Kindern unter fünf Jahren. Bildgebung zur Unterstützung der Diagnose einer Lungenentzündung kann in ressourcenbeschränkten Umgebungen aufgrund mangelnder Ausrüstung und geschultem Personal sehr schwierig zu erhalten sein. Eine leicht zugängliche Bildgebung einer Lungenentzündung mithilfe der Wärmebildtechnik könnte es Ärzten ermöglichen, eine Lungenentzündung früher und genauer zu diagnostizieren, was zu einer geringeren Morbidität und Mortalität führen würde. In LMICs, in denen die Verfügbarkeit von Röntgenstrahlen in peripheren Zentren bereits begrenzt ist, kann eine übermäßige Nutzung dieser Einrichtungen zum Verbrauch begrenzter medizinischer Ressourcen führen. Die Validierung der Wärmebildgebung bei der Diagnose einer Lungenentzündung würde wahrscheinlich zu Kosteneinsparungen und zur Vermeidung von Nebenwirkungen antimikrobieller Mittel und übermäßiger Strahlung führen.

II. SPEZIFISCHE ZIELE:

1. Um festzustellen, ob die FLIR ONE-Kamera zur Erkennung von klinisch anwendbaren Unterschieden in einem Temperaturspektrum verwendet werden kann. Die mit einem Schläfenarterienthermometer bei Krankenhauspatienten gemessene Temperatur kann zwischen weniger als 96° Fahrenheit und über 104° Fahrenheit variieren. Die Grundlage der FLIR ONE-Kamera und der irPNA-Anwendung ist die Erkennung von Temperaturasymmetrien. Die Forscher hoffen zu zeigen, dass diese Technologie in der Lage ist, diesen Unterschied aufzuzeigen.
2. Validierung der Wärmebildgebung mit der FLIR ONE-Kamera und der irPNRA-Anwendung als empfindliche Modalität zur Diagnose einer Lungenentzündung. Die Forscher hoffen zu zeigen, dass es bei der Verwendung dieser Modalität zur Diagnose einer Lungenentzündung nur wenige falsch-negative Ergebnisse gibt.

3. Validierung der Wärmebildgebung mit der FLIR ONE-Kamera und der irPNRA-Anwendung als spezifische Modalität zur Unterscheidung von Lungenentzündung von anderen Lungenprozessen wie Asthma, Lungenembolie und Bronchiolitis. Die Forscher hoffen zu zeigen, dass es bei der Verwendung dieser Modalität zur Diagnose einer Lungenentzündung nur wenige falsch positive Ergebnisse gibt.

   III. THEMENAUSWAHL:

   1. Einschluss-/Ausschlusskriterien

      Einschlusskriterien sind 1) Patienten im Alter von 28 Tagen bis 17 Jahren, 2) die unter Atemnot leiden und 3) die eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs erhalten. Die Forscher werden Patienten mit bekannter chronischer Lungenerkrankung ausschließen.

   2. Quelle der Proben

   Die Ermittler werden die Zustimmung von Patienten und Eltern auf der pädiatrischen Intensivstation (PICU), der pädiatrischen Notaufnahme (ED) und den pädiatrischen Stationen des Massachusetts General Hospital einholen

   IV. FACHANMELDUNG:

   1. Anmeldemethoden

      Geschultes klinisches Forschungspersonal wird auf der Intensivstation des MGH, auf den Kinderstationen und in der Notaufnahme anwesend sein und über Anbieter potenzielle Probanden identifizieren. Darüber hinaus wird das elektronische Patientenaktensystem EPIC von qualifiziertem Forschungspersonal (wissenschaftliche Mitarbeiter, Koordinatoren, Manager) genutzt, um Patienten, die potenzielle Kandidaten für die Studie sein könnten, elektronisch zu identifizieren. Probanden, bei denen eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs angefertigt wurde, werden für die Teilnahme an der Studie angesprochen. Diese Studie wird die medizinische Versorgung des Probanden nicht beeinträchtigen.

      Wenn ein Patient geeignet zu sein scheint, wird der behandelnde Arzt des Patienten zunächst auf das Thema eingehen und fragen, ob er bereit ist, bezüglich einer Forschungsstudie angesprochen zu werden. Wenn der potenzielle Proband ablehnt, werden keine weiteren Versuche unternommen, den Probanden einzuschreiben. Wenn der Proband bereit ist, mit jemandem über die Forschung zu sprechen, wird ein Studienmitarbeiter ihn oder sie bezüglich einer Teilnahme kontaktieren.

      Die Einstellung unterliegt keinen Einschränkungen hinsichtlich soziodemografischer Faktoren, einschließlich ethnischer Merkmale. Die Einstellung erfolgt frei von Verfahren, die als Zwang ausgelegt werden könnten.

   2. Verfahren zur Einholung der Einverständniserklärung

      Bei der Einschreibung holt der Prüfer/Beauftragte in einem privaten Raum eine schriftliche Einverständniserklärung der Eltern oder Erziehungsberechtigten der Teilnehmer für diese Studie ein. Während dieser Begegnung erinnern die Ermittler die Teilnehmer daran, dass es ihnen freisteht, an der Forschung teilzunehmen oder nicht. Die Prüfärzte verwenden ein allgemeines Einverständnisformular für die Eltern/Erziehungsberechtigten der Patienten. Kinder im Alter von 14 bis 17 Jahren können ihre Zustimmung erteilen, indem sie, sofern möglich, das allgemeine Einverständnisformular mitunterzeichnen. Die Ermittler werden die Zustimmung der Probanden nach Möglichkeit mündlich einholen.

   3. Behandlungszuweisung und Randomisierung

   Auf der Grundlage dieser Forschung werden keine Behandlungen oder Änderungen im Gesundheitsplan vorgenommen.

   V. STUDIENVERFAHREN:

   1. Zu messende Studienparameter

      Zusätzlich zur Aufnahme von Wärmebildern mit der FLIR ONE-Kamera erhalten die Ermittler mehrere Patientendatenpunkte. Dazu gehören 1) Hauptbeschwerde, 2) Temperatur der Schläfenarterie, 3) Hauttemperatur, 4) Umgebungstemperatur, 5) Atemfrequenz, 6) Sauerstoffsättigung, 7) Röntgenergebnisse des Brustkorbs und relevante Daten, 8) Entlassungsdiagnose und 9) Disposition. Es werden keine zusätzlichen Röntgenaufnahmen des Brustkorbs angefertigt. Die Prüfärzte werden bereits beschaffte Röntgenaufnahmen als Teil der Patientendiagnose und des Behandlungsansatzes und -plans verwenden.

   2. Zu verwendende Medikamente

      Keiner

   3. Zu verwendende Geräte

      FLIR ONE-Kamera, angeschlossen an ein verschlüsseltes iPhone. Die Forscher werden auch die irPNRA-Anwendung auf dem iPhone verwenden, die von Jim Lewis, Mitglied des Forschungsteams, entwickelt wurde, um die Wärmebildgebung zu steuern. Das iPhone ist gemäß den Partnerbestimmungen verschlüsselt und kann keine Verbindung zu einem Telefonnetz oder dem Internet herstellen. Das iPhone bleibt jederzeit im „Flugmodus“. Biomed hat diese Geräte bereits untersucht und zugelassen.

   4. Verfahren/Chirurgische Eingriffe

      Keiner

   5. Zu erfassende Daten und wann die Daten erfasst werden sollen

   Die Ermittler erhalten FLIR ONE-Wärmebilder innerhalb von 4 Stunden nach der Röntgenaufnahme des Brustkorbs des Probanden. Die Ermittler werden außerdem die folgenden Daten sammeln: 1) Hauptbeschwerde, 2) Temperatur der Schläfenarterie, 3) Hauttemperatur, 4) Umgebungstemperatur, 5) Atemfrequenz, 6) Sauerstoffsättigung, 7) Röntgenergebnisse des Brustkorbs und relevante Daten , 8) Entlassungsdiagnose und 9) Disposition. Die Vitalwerte werden zu dem Zeitpunkt ermittelt, der der Röntgenaufnahme des Brustkorbs am nächsten liegt.

   Patientendaten werden vor der Anonymisierung erfasst. Die Prüfer verwenden den Namen des Patienten und die Nummer der Krankenakte, um auf ihr Diagramm im EMR zuzugreifen. Dann werden die folgenden Daten aus dem Diagramm abgerufen: 1) Hauptbeschwerde, 2) Temperatur der Schläfenarterie, 3) Hauttemperatur, 4) Umgebungstemperatur, 5) Atemfrequenz, 6) Sauerstoffsättigung, 7) Röntgenergebnisse des Brustkorbs und relevante Daten, 8) Entlassungsdiagnose und 9) Disposition. Die Röntgenbilder werden erstellt, in die LifeImage-Anwendung hochgeladen, anonymisiert und dann mit der entsprechenden Studien-ID an den Radiologen unseres Forschungsteams gesendet. Die Patienteninformationen werden dann anonymisiert und durch eine Studien-ID ersetzt.

   VI. BIOSTATISTISCHE ANALYSE:

   1. Spezifische zu erfassende Datenvariablen

      Die Forscher sammeln die folgenden Variablen aus der Patientenakte: 1) Hauptbeschwerde, 2) Temperatur der Schläfenarterie, 3) Hauttemperatur, 4) Umgebungstemperatur, 5) Atemfrequenz, 6) Sauerstoffsättigung, 7) Röntgenergebnisse des Brustkorbs und relevante Daten, 8) Entlassungsdiagnose und 9) Disposition.

      Die Prüfer sammeln die folgenden Identifikatoren aus der Patientenakte, bevor sie anonymisiert werden: 1) Name, 2) Geburtsdatum, 3) Alter, 4) Geschlecht und 5) MRN.

      Die Interpretation der Röntgenbilder erfolgt blind. Die Röntgenbilder werden auf LifeImage hochgeladen, anonymisiert und dann an den Radiologen unseres Forschungsteams gesendet. Die anonymisierten Röntgenbilder werden dann vom Radiologen ausgewertet.

   2. Studienendpunkte

      Die Forscher werden die Temperaturasymmetrie mit der Wärmebildkamera FLIR ONE anhand von Bildern der Brust beurteilen. Die Forscher vergleichen diese Ergebnisse mit den Ergebnissen einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs, die innerhalb der letzten 12 Stunden angefertigt wurde.

   3. Statistische Methoden

      Die Forscher vergleichen die Röntgenergebnisse des Brustkorbs mit den Ergebnissen der FLIR ONE-Wärmebildaufnahme. Die Forscher werden Sensitivitäts- und Spezifitätsberechnungen verwenden, die auf den positiven und negativen Ergebnissen dieser Studien basieren.

   4. Leistungsanalyse

   Unter Verwendung des Standards α = 0,05, der Stichprobengröße = 31, der beobachteten Falsch-Positiv-Rate (TI+|CXR-) = 0,38 und der beobachteten Falsch-Negativ-Rate (TI-|CXR+) = 0,20 wurde die Trennschärfe (β-1) für den Test angewendet zur Gesamtbevölkerung wurde mit 0,26 berechnet. Um unter den in dieser Studie festgestellten Bedingungen eine Potenz von 0,80 zu erreichen, würden die Forscher 138 Patienten benötigen.

   VII. RISIKEN UND BESCHWERDEN:

   1. Komplikationen chirurgischer/nichtchirurgischer Eingriffe

      Keiner

   2. Arzneimittelnebenwirkungen und Toxine

      Keiner

   3. Komplikationen und Fehlfunktionen des Geräts

      Das FLIR ONE-Gerät ist eine Wärmebildkamera, die an ein iPhone angeschlossen wird. Komplikationen des Geräts haben keine Auswirkungen auf den Patienten. Bei einer Fehlfunktion werden die Ermittler es reparieren oder ersetzen.

   4. Psychosoziale (nichtmedizinische) Risiken

      Das Risiko eines Verlusts der Vertraulichkeit wird durch die Verwendung von Studien-IDs in der Studiendokumentation zur Identifizierung von Probanden minimiert. Die Liste, die die Studienteilnehmer mit den Studien-IDs verknüpft, wird an einem sicheren Ort aufbewahrt und ist nur dem Personal vorbehalten, das direkt an der Forschungsstudie beteiligt ist.

   5. Strahlenrisiken

   Es sind keine Strahlenrisiken bekannt. Wie oben erwähnt, werden nur Röntgenaufnahmen verwendet, die im Rahmen der Diagnose- und Behandlungspläne des Patienten angefertigt wurden. Es werden keine zusätzlichen Röntgenaufnahmen gemacht.

   VIII. MÖGLICHE VORTEILE:

   1. Mögliche Vorteile für teilnehmende Einzelpersonen

      Die Teilnehmer werden keinen direkten Nutzen aus ihrer Teilnahme an der Studie ziehen.

   2. Mögliche Vorteile für die Gesellschaft

   Weltweit ist Lungenentzündung eine der häufigsten Todesursachen bei Kindern in den ersten fünf Lebensjahren. Sowohl in Industrieländern als auch in ressourcenarmen Ländern ist der Nachweis bakterieller Krankheitserreger durch Kultivierung von Blut oder anderen Proben zeitaufwändig, unempfindlich und in den USA schwierig bis in Entwicklungsländern unmöglich. In den USA führt die Unfähigkeit, festzustellen, welche Kinder eine bakterielle Infektion haben, zu einem übermäßigen Einsatz von Antibiotika und einem erhöhten Infektionsrisiko mit multiresistenten Organismen. In den Entwicklungsländern sind die Folgen Verzögerungen bei der rechtzeitigen Einleitung einer Antibiotikatherapie und übermäßige Überweisungen von Kindern ins Krankenhaus, wodurch die Überweisungseinrichtungen überlastet sind. Unabhängig von der Situation besteht ein dringender Bedarf an Point-of-Care-Diagnostik, um festzustellen, welche Kinder wahrscheinlich an einer bakteriellen Lungenentzündung leiden und von der Verabreichung von Antibiotika profitieren.

   Darüber hinaus kann die Unterstützung der Diagnose einer Lungenentzündung durch Wärmebildgebung dazu führen, dass Röntgenaufnahmen des Brustkorbs als primäres diagnostisches Hilfsmittel überflüssig werden und die unnötige Strahlenbelastung der Patienten verringert wird. Auf der Intensivstation und auf den Stationen ist es nicht ungewöhnlich, dass einige Patienten tägliche oder sogar häufigere Röntgenaufnahmen des Brustkorbs benötigen. Wenn die Forscher in der Lage sind, die Wärmebildgebung als Instrument zur Erkennung von Lungenentzündungen zu validieren, könnten sie möglicherweise die Strahlenbelastung dieser Patienten minimieren.

   IX. ÜBERWACHUNG UND QUALITÄTSSICHERUNG:

   1. Unabhängige Überwachung der Quelldaten

      Angesichts der relativ geringen Größe dieser Studie und des Fehlens eines Prüfers wird kein Ausschuss zur Daten- und Sicherheitsüberwachung eingerichtet, der die Daten und Sicherheit der Teilnehmer bewerten soll. Der Hauptforscher sowie der IRB des Partners sorgen während der gesamten Dauer der Studie für die Aufsicht und Überprüfung des Studienprotokolls.

   2. Sicherheitsüberwachung

      Eine offizielle Sicherheitsüberwachung findet nicht statt. Die Forscher gehen davon aus, dass die Risiken einer Teilnahme an dieser Forschungsstudie minimal sind.

   3. Ergebnisüberwachung

      Eine Ergebnisüberwachung findet nicht statt. Auf der Grundlage dieser Forschung werden keine Behandlungen oder Änderungen im Gesundheitsplan vorgenommen.

   4. Richtlinien zur Meldung unerwünschter Ereignisse

   Der Hauptermittler wird alle Berichte über Sicherheits- oder andere Bedenken innerhalb von 24 Stunden nach der Benachrichtigung prüfen und diese gemäß der IRB-Richtlinie des Partners „Meldung unvorhergesehener Probleme einschließlich unerwünschter Ereignisse“ an das IRB weiterleiten. Die Forscher benötigen für diese Studie kein DSMB.