Increasing the accuracy of spinal needle placement in lumbar punctures using vibroacoustic excitations

Intro: Lumbar punctures are a standard procedure for diagnostics or drug administration. However, the correct placement heavily relies on experience. This can increase distress and complications such as post-puncture headaches. The goal of our study was to detect the correct needle placement and facilitate the intervention.

Methods: We performed lumbar punctures in five pig cadavers and recorded the vibroacoustic signal (VAS) produced by the needle, as it interacted with the tissue, including ligaments, bone and the dura puncture (DP). To achieve this, we used a microphone prototype, which generates an audible signal from the vibrations. The VAS was filtered and the square of the signal as well as the Continuous Wavelet Transformation (CWT) were used to identify signal characteristics.

Results: In 76% of the 75 successful punctures, the experimenter could detect a loss of resistance (LOR). A clear excitation of the VAS could be detected at the time of the DP in 96% of the cases. These events were characterized by a rapid rise and recovery of signal amplitude, followed by free oscillations after the loss of dampening by surrounding tissue when entering the subarachnoid space. The CWT time-frequency spectrum shows spectral lines following the initial excitation corresponding to the free oscillation. These are absent in all other events, making it a key distinction. We were, therefore, able to detect the DP with a higher accuracy than the LOR based on its specific, distinguishable VAS pattern.

Discussion: This pattern can be used to train an algorithm to identify a successful DP in real time during the intervention. It also serves as proof of concept, to use the VAS to improve accuracy in a wide range of medical applications such as operating tools and puncture devices.

Einleitung:Lumbalpunktionen (LPs) kommt eine wichtige Rolle sowohl in der Diagnostik als auch der Verabreichung von Medikamenten zu. Der Erfolg ist aber stark von Erfahrung abhängig, was zu vermehrten Komplikationen führen kann. Das Ziel der Studie war daher, die korrekte Positionierung der Nadel zu erkennen und die Punktion somit zu erleichtern.

Methode:Wir führten LPs an fünf Schweinekadavern durch und zeichneten das vibroakustische Signal (VAS) der Interaktionen mit Geweben wie Bändern, Knochen und der Dura auf. Dafür nutzten wir einen Mikrophon-Prototypen, der aus den Vibrationen ein akustisches Signal generiert. Das Quadrat des gefilterten Signals sowie die kontinuierliche Wavelet Transformation (CWT) wurden verwendet, um Merkmale der Interaktionen zu identifizieren.

Ergebnisse:Bei 76% der 75 Durapunktionen (DP) konnte ein Loss of Resistance (LOR) als Zeichen einer DP wahrgenommen werden. Demgegenüber konnte die Punktion in 96% der Fälle eindeutig im VAS identifiziert werden. Die DPs zeichnen sich durch einen schnellen Anstieg und Abfall der Signalamplitude aus, gefolgt vor freien Oszillationen durch die fehlende Dämpfung des Gewebes nach Eintritt in den Subarachnoidalraum. Das CWT-Zeit-Frequenz-Spektrum einer DP zeigt Spektrallinien als Korrelat der freien Oszillation. Diese treten in keiner der anderen Gewebsinteraktionen auf und stellen somit ein Hauptmerkmal einer DP dar. Es war uns somit möglich, DPs mit einer hohen Genauigkeit nachzuweisen und deren typisches VAS-Muster aufzudecken.

Diskussion:Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um einen Algorithmus zu trainieren und erfolgreiche DPs in Echtzeit zu erkennen. Zudem können VAS perspektivisch in verschiedensten medizinischen Geräten Anwendung finden, um spezifische Gewebsinteraktionen zu identifizieren.

G. Gschwend, P. Fuentealba, T. Hoffmann, P. Schuler: Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

A. Illanes, N. Esmaeili, T. Sühn, M. Spiller: Gründer, Teilhaber und Angestellte der SURAG Medical GmbH

A. Boese: Gründer und Teilhaber der SURAG Medical GmbH