СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ СЕРДЕЧНОГО ВЫБРОСА Российский патент 2011 года по МПК A61B5/295 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам функциональной диагностики заболеваний, связанных с нарушениями сердечно-сосудистой системы.

Оценка величины сердечного выброса (СВ) крови является основным показателем работы сердца и используется для выработки тактики лечения пациента в условиях реанимации, реабилитации, кабинетах функциональной диагностики при амбулаторном лечении и т.д.

Сердечный выброс определятся как количество крови, выбрасываемой правым и левым желудочком в единицу времени. В норме эта величина варьирует в широких пределах: при необходимости сердечный выброс может увеличиваться в 3-5 раз по сравнению с покоем. Наиболее точными методами определения величины сердечного выброса являются прямые методы Фика и так называемые методы разведения.

Предшествующий уровень техники.

Сердечный выброс в настоящее время можно определить несколькими способами, основанными на использовании различных физических факторов: путем оценки изменений импеданса грудной клетки, разведения индикатора, ультразвуковыми методами и радионуклеидным методом.

К методам оценки величины сердечного выброса предъявляются многочисленные требования: безвредность, техническая простота, биофизическая обоснованность, достоверность и хорошая воспроизводимость результатов, пригодность для частого повторного применения и применимость как в естественных, нормальных для человека условиях, так и в экстремальных условиях и состояниях. Метод не должен влиять на измеряемые показатели.

Часто задачей исследования является не столько достоверное определение абсолютных значений показателей, сколько констатация их динамики, т.е. относительная оценка их изменений.

Ни один метод не удовлетворяет всей совокупности требований.

Известны способы и устройства (реоплетизмографы), позволяющие определять величину СВ биоимпедансным методом.

Известен способ тетраполярной грудной реографии по Шрамеку (Sramek B. "Hemodynamic and Pump-performance Monitoring by Electrical Bioimpedance". Problems in Respiratory Care, April-June 1989, Vol.2). Согласно этому способу применяются точечные, комфортные электрографические (ЭКГ) электроды, установленные с двух сторон торса, а в расчетной формуле используют модель сферы, в отличие от цилиндра у Кубичека, см. ниже.

Другим аналогом является способ интегральной реографии, описанный в работе М.И.Тищенко "Биофизические и метрологические основы интегральных методов определения ударного объема крови человека". Автореф. докт. дисс., М., 1971 г.

Для осуществления метода Тищенко применялся реограф типа РГ1-01. Он имеет мостовую схему, позволяющую измерять базисное (исходное) сопротивление между электродами, компенсировать емкостную составляющую импеданса и работает на частоте 30 кГц, на которой меньше сказываются ошибки за счет изменения линейной скорости кровотока. Его нельзя признать полностью удовлетворяющим требованиям количественной реографии. Это относится прежде всего к амплитудной характеристике прибора. Для регистрации применялись электроды из различных материалов (свинец, посеребренная латунь) общей площадью 100-120 см². Между кожей и электродами помещались матерчатые прокладки, смоченные щелочным электролитом, заметно стабилизирующим переходное сопротивление.

В этом аналоге область измерения сердечного выброса включает в себя весь торс и конечности, кроме головы. Следовательно, в область измерения включен как большой, так и малый круг кровообращения.

Также известен аналогичный "Способ системной оценки динамики жидкости и крови", см. патент РФ №2314750, рег. 20.01.2008 (Цветков А.А., Николаев Д.В. и др.).

Способ осуществляется следующим образом.

На конечности человека накладывают токовые и потенциальные электроды, подают зондирующий переменный ток, измеряют импеданс и по его величине определяют физиологические параметры исследуемого региона. Дополнительно накладывают электроды на голову, поочередно к электродам, расположенным на голове Е, правой руке R, левой руке L, левой ноге F и правой ноге N, подключают генератор к токовым электродам, а измеритель напряжения - к потенциальным электродам в совокупности биоимпедансных отведений. Производят суперпозиционный расчет импеданса всего торса от шеи до паховой области и медленных или пульсовых измерений импеданса всего торса, производят суперпозиционный расчет импеданса торакального региона от шеи до уровня мечевидного отростка грудной клетки путем вычитания импеданса региона головы и торса импедансом области головы и абдоминального региона и медленных или пульсовых измерений импеданса торакального региона, после чего производят оценку величины и направленности динамики жидкости и крови. Способ позволяет обеспечить возможность оценки количественного перераспределения жидкости и кровотока по регионам как по в величине, так и по направлению.

Геометрический объем области измерения сердечного выброса Vсв в указанном патенте вычисляют по формуле объема эллипсоида вращения.

Для повышения точности и помехозащищенности расчетов при оценке величины сердечного выброса амплитуду реограммы ΔZсв определяют как интеграл ΔZ(t) за время изгнания крови из сердца Ti

Здесь требуется дополнительное наложение двух сдвоенных (токовых и потенциальных) электродов на ноги и одного на голову, что весьма неудобно в условиях работы реаниматологов и анестезиологов. Необходимо не менее трех реографических каналов. Кроме того, реальной реограммы аортального отведения нет, она "виртуальна", т.к. ее амплитуда рассчитывается методом суперпозиционного вычитания по трем реографическим отведениям и, соответственно, не может быть проконтролирована в процессе регистрации.

В качестве ближайшего аналога принимается биоимпедансный способ оценки величины сердечного выброса по Кубичеку (Kubicek W.G. Impedance Plethysmograph, Pat. USA №3.340.867. A61b 5/02, 1967, sept., 12).

Регистрацию реограммы по известному способу производят с опоясывающих металлизированных электродов на уровне 5-го шейного позвонка (1-й токовый) и 7-го шейного позвонка (1-й потенциальный) и двух, опоясывающих грудную клетку, на уровне мечевидного отростка грудины (2-й потенциальный) и пояса (2-й токовый).

Это основной и, пожалуй, единственный биоимпедансный метод широко распространенный в мировой клинической практике.

Между потенциальными (измерительными) электродами измеряют импеданс Z (Ом), регистрируют реограмму ΔZ (пульсовые изменения - Z), дополнительно регистрируют диффреограмму dZ/dt (1-ю производную реограммы), измеряют ее амплитуду Ad (Ом/с) и время изгнания крови из сердца Ti до 2-го тона фонокардиограммы (ФКГ), измеряют расстояние между потенциальными электродами L (см), удельное сопротивление крови р (Ом·см) и производят расчет величины сердечного выброса по формуле СВ=ρ·(L²/Z²)·Ad· Ti(cm³).

Однако этот способ имеет следующие недостатки.

Область измерения ограничена верхней частью грудной клетки, так называемым "трансторакальным" регионом, заключенным между измерительными электродами. Однако в область измерения попадает большой и малый круг кровообращения (см. Фиг.5б, US №3340867).

Расчетная формула для оценки величины сердечного выброса по Кубичеку основана на модели области измерения в форме вертикального цилиндра с основаниями в области шеи и на уровне мечевидного отростка грудины, но значительно точнее может быть представлена усеченным конусом - V1 и цилиндром - V2 (Фиг.6а, там же).

При определении амплитуды реограммы по Кубичеку используется линейная аппроксимация дифреограммы (прямоугольником) от начала до конца времени изгнания - Ti, т.е. произведение амплитуды дифреограммы (Ad) на время изгнания ΔZ=Ad·Ti (Ом) (Фиг.6б).

Наложение опоясывающих электродов весьма дискомфортно для пациента и при измерениях становится причиной артефактов т.к. электроды врезаются в тело при дыхании (особенно форсированном, а на выдохе провисают, искажают величину измеряемого импеданса и форму регистрируемой реограммы). Метод расчета величины сердечного выброса, основанный на регистрации дифреограммы, влечет повышение требований к регистрирующей аппаратуре: полосе пропускаемых частот, шумам и предполагает использование сигнала дополнительного фонокардиографического датчика.

Краткое изложение сущности изобретения

Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков известных способов оценки величины сердечного выброса.

Целью изобретения является повышение достоверности и помехозащищенности импедансной оценки величины сердечного выброса путем повышения точности совмещения области импедансных измерений и области, в которой локализованы наиболее выраженные проявления сердечного выброса биообъекта, характерные для большого круга кровообращения, и минимизированы - для малого.

Технический результат достигается за счет того, что в способе оценки величины сердечного выброса, заключающегося в том, что на пациента накладывают токовые электроды, подключенные к генератору высокочастотного тока, и потенциальные электроды, подключенные к измерителю высокочастотного напряжения, измеряют междуэлектродный импеданс, регистрируют реограмму и рассчитывают величину сердечного выброса, используют два потенциальных электрода, которые накладывают на правую и левую руку, и две пары токовых электродов - два фронтальных и два задних, два фронтальных токовых электрода накладывают на переднюю поверхность грудной клетки по средней горизонтальной линии, соединяющей руки под серединой ключичных выступов, а два задних токовых электрода устанавливают симметрично на поверхности спины в областях проекции передних электродов и соединяют их с фронтальными, после измерения импеданса и регистрации реограммы рассчитывают геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса по формуле:

где k - коэффициент эффективной части области измерения, равный 0,5, он получен в численном виде по данным моделирования в программе "Matlab 7" как суммарная чувствительность по всему объему области измерения;

π - число, равное 3,14,

А - расстояние между шеей и мечевидным отростком,

В - расстояние между подмышечными впадинами,

Q - периметр грудной клетки на уровне подмышечной линии,

L - расстояние между измерительными электродами,

а величину сердечного выброса большого круга кровообращения оценивают с учетом геометрического объема аортальной области измерения сердечного выброса:

где Vсв - геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса, рассчитанный по формуле (1),

ΔZсв - амплитуда реограммы, определяемая как интеграл ΔZ(t), за время изгнания крови из сердца - Ti по формуле (1),

Zсв - межэлектродный импеданс.

Теоретически область измерения должна быть ограничена только аортой или (практически) всеми исходящими из аорты разветвляющимися крупными сосудами, уходящими в голову, руки и нижнюю часть торса, т.е. большой круг кровообращения, и не должна включать в себя малый круг - захватывать правый желудочек сердца, легочную артерию и сами легкие (Фиг.1а).

Реализовать такую локализацию области измерения с поверхностно расположенных токовых и потенциальных электродов на поверхности грудной клетки практически невозможно.

Ток можно вводить через электроды, расположенные на доступных для наложения электродов частях рук. Тогда преимущественной областью его распределения является только верхняя часть торакального региона. При этом наибольшая плотность зондирующего тока, пересекающего полость грудной клетки в горизонтальном направлении, приходится на уровень расположения аорты, а основные сосуды малого круга остаются в области меньших плотностей зондирующего тока.

На Фиг.1б показаны наложение и подключение электродов при измерении по данному способу. В соответствие с законом Кирхгофа, теоремой взаимности, источник э.д.с. 7 и тока 8, переставлены местами (для удобства реализации предлагаемого способа).

Повышение точности локализации области измерения сердечного выброса большого круга кровообращения обеспечивается следующим образом.

1. Два потенциальных электрода - 1 (RU - правый) и - 2 (LU - левый) устанавливают на правую и левую руку (соответственно) и подключают к измерителю высокочастотного напряжения 7.

2. На переднюю поверхность грудной клетки на уровне середины аорты, по средней горизонтальной линии (соединяющей руки), под серединой ключичных выступов накладывают два фронтальных токовых электрода - 3(RI) и - 5(LI).

3. Задние токовые электроды - 4(RI) и - 6(LI) устанавливают симметрично на поверхности спины в областях проекции передних электродов, накладывают симметрично на поверхности спины, соединяют с фронтальными токовыми электродами и подключают к генератору тока 8.

4. Производят измерение импедансов Zсв, регистрируют реограмму ΔZ(t), измеряют и рассчитывают амплитуду реограммы ΔZсв по формуле (3).

5. Рассчитывают геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса Vсв, который по форме близок к горизонтально ориентированному цилиндру с эллиптическим основанием (полуцилиндру, при одностороннем наложении электродов), объем которого рассчитывают по формуле:

где k - коэффициент эффективной части области измерения, равный 0,5,

π - число, равное 3,14,

А - расстояние между шеей и мечевидным отростком (см),

В - расстояние между подмышечными впадинами (см),

С - расстояние от передней поверхности грудины до поверхности спины на уровне подмышечных впадин (см).

Расстояние С может быть определено через периметр по соотношению:

где Q - периметр грудной клетки на уровне подмышечной линии (см).

Тогда объем аортальной области измерения равен:

С учетом расстояния между измерительными электродами L (см) геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса рассчитывают по формуле:

6. В завершение определяют величину сердечного выброса большого круга кровообращения по формуле (3).

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где:

на Фиг.1а изображена аортальная область измерения сердечного выброса крови,

на Фиг.1б - схема подключения электродов при измерении согласно настоящему изобретению,

на Фиг.2а и 2б - соответственно трехмерный и двумерный графики распределения чувствительности регистрации кровотока в плоском сечении,

на Фиг.3а и 3б - соответственно трехмерный и двумерный графики распределения чувствительности в поперечном сечении при расположении измерительных электродов на груди и спине,

на Фиг.4а и 4б - соответственно трехмерный и двумерный графики распределения чувствительности в поперечном сечении при расположении потенциальных электродов только на груди,

на Фиг.5а и 5б - трехмерный и двумерный графики распределения чувствительности в плоском сечении при измерении сердечного выброса по Кубичеку,

на Фиг.6а и 6б приведены изображения соответственно определяемого по Кубичеку объема области измерения и аппроксимация амплитуды дифреограммы по Кубичеку,

на Фиг.7а и 7б - трехмерный и двумерный графики распределения чувствительности в плоском сечении при измерении сердечного выброса по Тищенко,

на Фиг.8а и 8б - схемы наложения и подключения электродов по изобретению и методике Кубичека,

на Фиг.9 - пример регистрации данных при обследовании конкретного пациента.

Пример осуществления изобретения

Изобретение осуществляется следующим образом.

На Фиг.8а и 8б показаны соответственно схемы подключения электродов по предлагаемой методике и по методике Кубичека.

На правой руке устанавливают первый потенциальный электрод 1 (RI), а на левой руке устанавливают второй потенциальный электрод 2 (LI), например ЭКГ-клипсы, как при регистрации электрокардиограммы.

На правой и левой руке также устанавливают электроды для регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) рядом с реографическими - потенциальными, не создающими артефактов в отличие от токовых.

Передние токовые электроды 3 (RU) и 5 (LU) устанавливают на поверхности грудной клетки по средней горизонтальной линии (соединяющей руки), под серединой ключичных выступов, например ЭКГ-присоски.

Задние токовые электроды 4 (RU) и 6 (LU) устанавливают симметрично на поверхности спины в областях проекции передних, например, одноразовые самоклеющиеся (мониторные) ЭКГ-электроды.

Причем электроды 3 (RU) и 4 (RU), а также 5 (RU) и 6 (RU) соединены попарно проводниками.

Метод математического моделирования позволяет строить трехмерные графики распределения чувствительности импедансных измерений в плоских моделях различных регионов тела.

На Фиг.2а и 2б представлены соответственно трехмерный график распределения чувствительности регистрации кровотока в плоском сечении и двумерный график зоны равной чувствительности, т.е. "эквипотенциалей".

Применение парных электродов обеспечивает равномерную чувствительность к изменению импеданса при пульсациях крови в глубине измеряемой области (Фиг.3). Для нормостеников и астеников электроды могут быть одинарные, т.е. расположенные только на фронтальной поверхности грудной клетки (Фиг.4). Основные сосуды расположены в передней области грудной клетки, поэтому возможна работа только с грудными электродами.

Потенциальные электроды подключаются к измерительному входу прибора 7 (расположенные на правой стороне - к одному входу, на левой - к другому), а токовые - к выходу генератора 8, например модифицированной реоприставки РПКА2-01, для компьютерного анализа "МЕДАСС" или МАГИ-01 м с соответствующим программным обеспечением.

Прибор производит измерение импедансов Z(RL), регистрацию реограммы ΔZ(t) и расчет амплитуды реограммы по формуле (1).

По данным антропометрических измерений пациента рассчитывают геометрический объем аортальной области измерения по формуле (7а).

Затем по формуле (3) определяют величину сердечного выброса большого круга кровообращения, а также минутный объем кровообращения МОК и систолический индекс СИ.

Пример

В качестве примера приведены данные измерений и расчетов.

Вес пациента "Н"=86 (кг), рост=182 (см).

Размеры А=21 см, В=38 см, L=18 см, Q=106 см.

Объем Vсв=0,5·0,39·21·38·(0,637·106-38+0,5·18)=5994 куб.см.

Величина межэлектродного импеданса Zсв=13,6 Ом.

Амплитуда реограммы ΔZсв=0,19 Ом.

Объем Vсв=0,5·0,39·21·38·(0,637·106-38+0,5·18)=5994 куб.см.

Частота сердечных сокращений ЧСС=61 (1/мин).

Минутный объем кровообращения МОК=Vсв·ЧСС=83,74·61≈5,108 (л/мин).

Площадь поверхности тела пациента ППТ=2,2 кв.м.

Систолический индекс СИ=МОК/ППТ=5,1/2,2≈2,3 (л/мин/кв.м).

Примечание. В качестве критерия, позволяющего оценить приближение географического способа определения сердечного выброса с поверхностных электродов к инвазивному съему реограммы - регистрации сигнала непосредственно с аорты, может быть использована величина удельного сопротивления «ρ» измеряемого эффективного объема. Известно, что величина удельного сопротивления крови близка к 150 Ом·см, а величина «ρ» тканей торакальной области, измеряемая в отведении по Кубичеку, составляет более 450 Ом·см. Величина удельного сопротивления измеряемой области в предложенном отведении составляет 210-230 Ом·см, что значительно ближе к удельному сопротивлению крови, и отражает долю объема, приходящегося в измеряемой области на аорту и крупные сосуды.

На фиг.9 приведен пример регистрации: электрокардиограммы - ЭКГ, реограммы - РЕО, диффреограммы - ДИФ и интегральной реограммы - ИНТ.

В таблице 1 приведены данные конкретного пациента "Н" при проведении измерений по данному методу. Обследование проводилось поочередно: в положении лежа, стоя, сразу после нагрузки (25 приседаний в произвольном темпе) и по окончании нагрузки через 10 минут. Полученные результаты демонстрируют, что динамическая чувствительность параметров гемодинамики СВ, МОК и СИ достаточно выражена.

Таблица 1 № Параметр Размерность Лежа Стоя Нагрузка Постнагрузка 1 Zсв Ом 13,6 13,4 14,0 13,7 2 ΔZсв Ом 0,19 0,16 0,19 0,17 3 Vсв л 5,9 5,9 5,9 5,9 4 СВ мл 83,0 70,9 80,6 73,7 5 ЧСС 1/мин 61 72 100 72 6 МОК литр 5,06 5,11 8,06 5,31 7 СИ л/мин/кв.м 2,3 2,3 3,7 2,4

Исследовалась устойчивость оценки СВ к смещению потенциальных электродов в горизонтальном направлении. В таблице 2 приведены величины погрешности оценки СВ при проведении измерений с установкой измерительных электродов со значимыми изменениями расстояния L. Аппроксимация представленных в таблице величин ΔL и ΔСВ к вероятным в медицинской практике погрешностям установки электродов по горизонтали на ±1 см позволяет оценить погрешности СВ как -0,8% и +1% соответственно.

Таблица 2 Пациент "Н". (М=86 кг, рост=182 см) L ΔL Z ΔZсв Vcv СВ ΔСВ см % Ом Ом куб.см куб.см % 13 -19 8,3 0,12 5656 82,5 +6 16 0 12,2 0,16 5938 77,9 0 21 +31 14,4 0,17 6342 74,9 -4

Промышленная применимость

Описанный способ имеет такую же высокую точность определения ударного выброса, как и инвазивные методы, но не создает по сравнению с ними риска для пациента, не требует стерильных условий выполнения и высококвалифицированного медицинского персонала.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам функциональной диагностики. На пациента накладывают токовые электроды, подключенные к генератору высокочастотного тока, и потенциальные электроды, подключенные к измерителю высокочастотного напряжения. Измеряют междуэлектродный импеданс, регистрируют реограмму и рассчитывают величину сердечного выброса. Для определения величины сердечного выброса в области большого круга кровообращения два потенциальных электрода накладывают на правую и левую руку; на переднюю поверхность грудной клетки по средней линии, соединяющей руки, под серединой ключичных выступов и два фронтальных токовых электрода. Задние токовые электроды устанавливают симметрично на поверхности спины в областях проекции передних и соединяют их с фронтальными. Рассчитывают геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса по формуле V_св≅k·(π/8)·A·B·[(2/π)-B+k·L], где k - коэффициент, равный 0,5; А - расстояние между шеей и мечевидным отростком; В - расстояние между подмышечными впадинами; Q - периметр грудной клетки на уровне подмышечной линии; L - расстояние между измерительными электродами. Рассчитывают величину сердечного выброса по формуле CB=V_cв·(ΔZcв/Zcв), где ΔZcв - амплитуда; Zсв - межэлектродный импеданс реограммы. Способ повышает достоверность измерения величины сердечного выброса. 9 ил., 2 табл.

Способ оценки величины сердечного выброса, заключающийся в том, что на пациента накладывают токовые электроды, подключенные к генератору высокочастотного тока, и потенциальные электроды, подключенные к измерителю высокочастотного напряжения, измеряют межэлектродный импеданс, регистрируют реограмму и рассчитывают величину сердечного выброса, отличающийся тем, что используют два потенциальных электрода, которые накладывают на правую и левую руку, и две пары токовых электродов - два фронтальных и два задних, два фронтальных токовых электрода накладывают на переднюю поверхность грудной клетки по средней горизонтальной линии соединяющей руки, под серединой ключичных выступов, а два задних токовых электрода устанавливают симметрично на поверхности спины в областях проекции передних электродов и соединяют их с фронтальными, после измерения импеданса и регистрации реограммы рассчитывают геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса по формуле:
Vсв≅k·(π/8)·A·B·[(2·Q/π)-B+k·L],
где k - коэффициент эффективной части области измерения, равный 0,5;
А - расстояние между шеей и мечевидным отростком;
В - расстояние между подмышечными впадинами;
Q - периметр грудной клетки на уровне подмышечной линии;
L - расстояние между измерительными электродами,
а величину сердечного выброса большого круга кровообращения оценивают с учетом геометрического объема аортальной области измерения сердечного выброса:
CB=Vсв·(ΔZсв/Zсв),
где Vсв - геометрический объем аортальной области измерения сердечного выброса;
ΔZсв - амплитуда реограммы;
Zсв - межэлектродный импеданс.