DE60124736T2

DE60124736T2 - Vorrichtung zur messung des abschnittsweisen volumens und der elektrischen parallelleitfähigkeit einer herzkammer oder eines blutgefässes

Info

Publication number: DE60124736T2
Application number: DE60124736T
Authority: DE
Inventors: Reinier Jozef JANSEN; Jacobus Johannes SCHREUDER; Lilian Kornet
Original assignee: JANSEN JOZEF REINIER C
Current assignee: JANSEN JOZEF REINIER C
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: EP1315448B1; DE60124736D1; NL1016122C2; WO2002019905A1; US20040024329A1; EP1315448A1; US7069072B2; DK1315448T3; ATE345733T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Segmentvolumens und der elektrischen Parallelleitfähigkeit einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes eines Patienten, wobei ein erster Indikator, welcher die Leitfähigkeit des Blutes beeinflusst, in den Blutstrom eines Patienten eingespritzt wird, wobei die elektrische Leitfähigkeit in der Herzkammer oder dem Blutgefäß gemessen wird und wobei der Betrag des Segmentvolumens der Herzkammer oder des Blutgefäßes und der elektrischen Parallelleitfähigkeit aus der Leitfähigkeit berechnet wird, sowie einen Katheter zur Verwendung in dieser Vorrichtung.
Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung sind aus dem Artikel von Baan et al in Automedica 1989, vol. 11, pp. 357-365 bekannt. Ein sogenanntes elektrisches Leitfähigkeitsverfahren kann damit ausgeführt werden, wobei ein Katheter in eine der Herzkammern eines Patienten eingeführt wird. Der Katheter, welcher einige ringförmige Elektroden aufweist, stellt ein Signal bereit, welches eine Messung des Betrags der elektrischen Leitfähigkeit des Blutes in der Herzkammer und der elektrischen Leitfähigkeit der Strukturen ist, welche das Blut in der Herzkammer umgeben, was Parallelleitfähigkeit genannt wird. In Bezug auf diese Gesamtleitfähigkeit ergibt sich das Folgende:
wobei Q(t) das Volumen in der Herzkammer ist, L der Abstand zwischen den ringförmigen Elektroden ist, ob die elektrische Leitfähigkeit des Blutes ist, G(t) die Summe der gemessenen elektrischen Leitfähigkeitswerte zwischen den aufeinanderfolgenden ringförmigen Elektroden und G_p die zugehörige Parallelleitfähigkeit ist. Die Parallelleitfähigkeit G_p ist als konstant anzunehmen. Die Bestimmung der Parallelleitfähigkeit basiert auf der linearen Gleichung zwischen der gemessenen Leitfähigkeit G(t) und der Leitfähigkeit des Blutes Ϭ_b. Die Leitfähigkeit des Blutes wird mittels einer Injektion einer hypertonen salinen Lösung (0.8 M/l, 5-10 ml für Menschen) oder einer hypertonen Glukoselösung (10 ml Glukoselösung) stromaufwärts des Katheters zum Beispiel in die pulmonare Arterie verändert. Die parallele Leitfähigkeit wird durch Ausdrucken der gemessenen Leitfähigkeit bei einem Minimum-Kammervolumen (G_minimum) zu Beginn der Füllungsphase gegen die gemessene Leitfähigkeit bei einem maximalen Kammervolumen (G_maximum) zu Beginn der Ausstoßphase bestimmt. Diese Werte werden Herzschlag für Herzschlag während der Erhöhung (oder Absenkung) der Leitfähigkeit des Blutes in Folge der Injektion der salinen Lösung (oder Glukoselösung) bestimmt. Die lineare Regressionslinie durch diese Werte wird auf die Identitätslinie extrapoliert, wobei der Wert im Schnittpunkt als der Wert der Parallelleitfähigkeit angenommen wird. Da dieses Verfahren eine Extrapolation der Gleichung zwischen (G_minimum) und (G_maximum) bis zu der Identitätslinie für nur eine geringe Anzahl von Herzschlägen einsetzt, wird ein kleiner Fehler in der Bestimmung von (G_minimum) oder G_maximum) zu großen Fehlern in der Bestimmung der Parallelleitfähigkeit führen.
Die Anwendung des Leitfähigkeitsverfahrens in Blutgefäßen schließt ein zusätzliches Problem ein. Da Blut als eine Suspension von kleinen isolierenden Partikeln (Blutzellen) in einem leitfähigen Fluid (Plasma) angenommen wird und Blut im Zentrum des Blutgefäßes schneller als in der Nähe der Blutgefäßwand fließt, werden die Blutzellen während eines Herzzyklus unterschiedlichen Scherkräften ausgesetzt. Dies wird verursachen, dass die Blutzellen ihre Orientierung ändern und sich deformieren, wenn die Herzleistung sich erhöht, aufgrund dessen die effektive Pfadlänge eines Elektronenstroms kleiner werden wird und die elektrische Leitfähigkeit des Blutes erhöht werden wird. Das Umgekehrte findet statt, wenn die Herzleistung abnimmt. Dies ergibt eine pulsierende Änderung in der Leitfähigkeit des Blutes bei konstanten Querschnittsdimensionen und eine konstante Parallelleitfähigkeit. Aus diesem Grund wurde die Anwendung des Leitfähigkeitsverfahrens zum Bestimmen der Querschnittsdimensionen eines Blutgefäßes bisher nicht akzeptiert.
US-A-4380237 offenbart eine Vorrichtung zum Durchführen einer Herzleistungs-Leitfähigkeitsmessung, welche einen Katheter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, wobei die Beanstandungen, welche im Zusammenhang mit dem oben genannten Leitfähigkeitsverfahren stehen, in einer einfachen und dennoch effizienten Art und Weise überwunden werden.
Die Vorrichtung zum Bestimmen des Segmentvolumens einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes eines Patienten weist eine Prozessoreinheit mit einem Steuerungs-Ausgang zum Injizieren der Injektion eines ersten Indikators in den Blutstrom des Patienten, welcher die Leitfähigkeit des Blutes beeinflusst, und einen ersten Detektor auf, der in einer Herzkammer oder einem Blutgefäß zum Messen eines Leitfähigkeitssignals platziert ist, welches von der elektrischen Leitfähigkeit an der Stelle des Detektors abhängt, wobei die Prozessoreinheit so eingerichtet ist, dass sie das Segmentvolumen der Herzkammer oder des Blutgefäßes aus dem Leitfähigkeitssignal berechnet, und ist entsprechend der Erfindung durch einen zweiten Detektor gekennzeichnet, der in dem Blutstrom zum Messen eines Indikatorsignals platziert ist, das von einer Konzentration des Indikators im Blut abhängt, wobei die Prozessoreinheit so eingerichtet ist, dass sie die Herzleistung aus der injizierten Menge des Indikators und dem Indikatorsignal berechnet und dass sie das Segmentvolumen und die elektrische Parallelleitfähigkeit einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes aus der berechneten Herzleistung, der injizierten Menge des Leitfähigkeitsindikators und dem Leitfähigkeitssignal berechnet.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht eine Doppel-Indikatormessung, wobei eine Messung durchgeführt wird, um die Herzleistung auf die gleiche Art und Weise zu messen, wie mit einem Thermodilutionsverfahren, welches per se bekannt ist, und eine andere Messung verwendet wird, um ähnlich zu dem Thermodilutionsverfahren die Dilution der Anzahl von Ionen sozusagen folgend auf die Injektion von z. B. einer hypertonen salinen Lösung oder einen hypertonen Glukoselösung zu berechnen. Da nur die Durchschnittsänderung in der elektrischen Leitfähigkeit über die Herzschläge gemessen wird, beeinflussen die pulsierenden Änderungen der Scherrate der Blutzellen und der elektrischen Leitfähigkeit der Gewebe, welche das Blut umgeben, das Segmentvolumen nicht, welches berechnet werden soll, oder die Querschnittsdimensionen, die daraus berechnet werden sollen. Außerdem ist es möglich, die Parallelleitfähigkeit durch Bestimmen eines Bereichs unter der Leitfähigkeits-Dilutionskurve zu bestimmen, die auf die Injektion einer salinen Lösung folgt.
Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, welche schematisch eine exemplarische Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen.
1 ist ein Blockdiagramm einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
2 zeigt einige Diagramme des Verlaufs des elektrischen Leitfähigkeitssignals.
3 zeigt ein Beispiel eines Katheters gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockdiagramm der Vorrichtung zum Bestimmen des Volumens und der elektrischen Parallelleitfähigkeit einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes eines Patienten. Die Vorrichtung weist eine Prozessoreinheit 1 auf, welche ein oder zwei Steuerungs-Ausgänge 14 und 16 aufweist, mittels welcher die Prozessoreinheit 1 in der Lage ist, eine oder zwei Injektionsvorrichtungen 15 und 17 (schematisch dargestellt) zu steuern, mittels welcher ein Indikator in den Blutstrom des Patienten injiziert werden kann. Es wird angemerkt, dass die Steuerungs-Ausgänge alternativ ebenfalls ein Signal abgeben können, um die Injektion eines Indikators zu injizieren, wodurch der Indikator von einem Arzt oder einer anderen qualifizierten Person injiziert werden kann.
Für diese Injektion wird ein Thermodilutionskatheter und ein elektrischer Leitfähigkeitskatheter oder z. B. ein spezieller Katheter, wie er in 3 dargestellt ist, in den Blutstrom eines Patienten auf übliche Art und Weise eingeführt. Der Katheter gemäß 3 wird nun detaillierter beschrieben. Ein oder zwei Indikatoren werden über einen der Katheter injiziert. Der Indikator, welcher verwendet wird zum Bestimmen der Herzleistung, kann ein kaltes Fluid, ein Farbmittel, eine saline Lösung, eine Glukoselösung oder dergleichen sein. Der Indikator, welcher zum Bestimmen der Leitfähigkeit verwendet wird, kann eine saline Lösung oder eine Glukoselösung sein. Es ist möglich, die Indikatoren zu kombinieren, welche für die zwei Messungen verwendet werden, um einen einzigen Indikator bereitzustellen, z. B. eine kalte oder eingefärbte saline Lösung. Außerdem ist es möglich, eine gewöhnliche saline Lösung zu verwenden, wobei die Entwicklung der Leitfähigkeit des Blutes in der direkten Nachbarschaft des Detektors gemessen wird, zum Zweck der Messung der Veränderung der Konzentration, um es möglich zu machen, die Herzleistung zu bestimmen.
Der/die Katheter hat/haben zwei Detektoren 2 und 5 (schematisch bezeichnet), welche im Abstand von der Injektionsöffnung sind. Der Detektor 2 weist zumindest vier, z. B. zwölf, aufeinanderfolgende ringförmige Elektroden auf und liefert ein Leitfähigkeitssignal, welches von dem Betrag der elektrischen Leitfähigkeitswerte zwischen den aufeinanderfolgenden aktivierten ringförmigen Elektroden und der Parallelleitfähigkeit abhängt. Der Detektor 5 kann die Konzentration des Indikators im Blut messen und liefert ein Konzentrationssignal. Der Detektor 5 ist zum Beispiel ein Thermistor, ein optischer Detektor oder ein Leitfähigkeitsdetektor. Die Detektoren 2 und 5 sind mit den Eingängen 3 und 6 der Vorrichtung verbunden. Die erhaltenen Messungssignale werden von den Verstärkern 4 und 7 verstärkt und den Eingängen der Prozessoreinheit 1 zugeführt.
Auf diese Weise können sogenannte Dilutionskurven bestimmt werden, welche die Entwicklung der Konzentration über die Zeit illustrieren. Aus diesen kann die Herzleistung auf der Basis der bekannten Menge des Indikators berechnet werden, welcher eingespritzt wurde. Daraus ergibt sich Folgendes:
wobei m_i die injizierte Menge des Indikators ist, c(t) die Entwicklung der Konzentration ist und Q'_b(t) die Herzleistung ist. Bei einer konstanten Herzleistung und einer plötzlichen Injektion eines kalten Fluids als Indikator kann die folgende Gleichung geschrieben werden:
wobei Q_i das Injektionsvolumen ist, ρ die spezifische Wärme und S die spezifische Masse des injizierten Indikators (i) bzw. des Blutes (b) ist, T die Temperatur ist, Q'_b die Herzleistung und ΔT_b die Änderung der Temperatur des Blutes ist, welche durch die Injektion eines kalten Fluids bewirkt wurde.
Eine Umstellung der Gleichung zeigt, wie die Herzleistung berechnet werden kann:
Diese Gleichung bildet die Basis für die meisten Thermodilutions-Herzleistungs-Computer.
Für eine hypertone saline Lösung als dem Indikator kann die Gleichung 3 geschrieben werden als:
wobei Ϭ_i die Leitfähigkeit des injizierten Indikators und Ϭ_b die Leitfähigkeit des Blutes ist.
Ein Umstellen der Gleichung 1 für die Änderung der Leitfähigkeit des Blutes ΔϬ_b ergibt:
Eine Kombination der Gleichungen 5 und 6 ergibt:
Ϭ_i und Ϭ_b werden mittels einer Messungszelle gemessen, welche per se bekannt ist, in welcher Detektoren für die Temperatur 8 und die Leitfähigkeit 7 untergebracht sind. Die Detektoren 8 und 11 sind mit den Eingängen 9 und 12 der Vorrichtung verbunden. Die erhaltenen Messungssignale werden von den Verstärkern 10 und 13 verstärkt und der Prozessoreinheit 1 zugeführt. Wenn der Detektor 5 an eine Messung der Leitfähigkeit des Blutes angepasst ist, kann Ϭ_b mittels des Detektors 5 gemessen werden. Die Werte für Ϭ_b und Ϭ_i können ebenfalls über eine Eingabevorrichtung 18 eingegeben werden. Die Signale werden durch die Prozessoreinheit 1 in Werte umgewandelt, welche die Bluttemperatur erzielen, wie vom Detektor 2 gemessen. Da Ϭ_i mehr als 25 mal größer ist als Ϭ_b (im Fall einer 3M hypertonen Salinelösung), kann Ϭ_b im Allgemeinen vernachlässigt werden.
Aus dem obigen folgt, dass es möglich ist, eine kombinierte Injektion einer einzelnen kalten hypertonen salinen Lösung zu verwenden, um das Segmentvolumen zwischen zwei aufeinanderfolgenden ringförmige Elektroden oder die Querschnittsdimensionen einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes zu bestimmen. Der Einfluss der Scherraten auf die Blutzellen ist damit eliminiert.
In Bezug auf die elektrische Parallelleitfähigkeit kann einer anderen Argumentation gefolgt werden. Gleichung 1 kann wie folgt geschrieben werden:
Eine Kombination von Q_seg der Gleichung 7 mit Gleichung 8 ergibt:
wobei G_mean(t) der Durchschnittswert der gemessenen Leitfähigkeit über einen Herzschlag für die Injektion einer salinen Lösung ist (mit 30 in 2 bezeichnet) und ΔG(t) die Änderung der gemessenen Leitfähigkeit pro Herzschlag ist, welche aus der Injektion der salinen Lösung resultiert. Diese Änderung ist in 2A wiedergegeben. Sobald die Parallelleitfähigkeit G_p auf diese Art und Weise bestimmt wurde, kann das Segmentvolumen der Herzkammer und damit die Herzfunktion kontinuierlich mittels des Leitfähigkeitssignals des Detektors 2 gemessen werden, wobei die Prozessoreinheit 1 das Segmentvolumen mit dem berechneten Wert G_p als dem Korrektionswert aus Gleichung 1 bestimmt.
Um das Segmentvolumen und die elektrische Parallelleitfähigkeit innerhalb des Herzzyklus aufzuzeichnen, muss das Leitfähigkeitssignal in i gleiche Intervalle für jeden Herzzyklus während der Passage des Indikators unterteilt werden. Das erste Intervall ist am Anfang der Systole und das i-te Intervall ist am Ende der Diastole. Für jedes i-te Intervall wird das Leitfähigkeitssignal für jeden Herzschlag gemittelt. Die Messungspunkte bilden eine Indikator-Dilutionskurve, von welcher das Segmentvolumen und die Parallelleitfähigkeit für das i-te Intervall entsprechend der Gleichungen 7 bzw. 9 berechnet werden kann.
Dieses Prinzip der Operation ist in 2 dargestellt, für ein Intervall pro Herzzyklus (in A), für das erste Zeitintervall 31 von z. B. zehn Intervallen pro Herzzyklus (in B), und für das sechsfache Intervall 32 der zehn Intervalle pro Herzzyklus (in C).
3 zeigt schematisch einen Katheter 20, welcher mit dem Verfahren und der Vorrichtung verwendet werden kann, die hierin beschrieben sind. Der Katheter 20 weist ein Lumen 21 auf, welches mit Auslassöffnungen 22 in der Nähe des distalen Endes 23 des Katheters ausgestattet ist. Über das Lumen 20 kann der Indikator in die Herzkammer oder das Blutgefäß injiziert werden. Außerdem ist ein Leitfähigkeitsdetektor 24 in der Nähe des distalen Endes 23 vorgesehen, welcher 12 ringförmige Elektroden 25 in der illustrierten Ausführungsform aufweist. Ein Konzentrationsdetektor 26 ist in einigem Abstand weg von dem distalen Ende 23 vorgesehen, wobei der Detektor in der illustrierten Ausführungsform 4 Parallelelektroden 27 aufweist, mittels welcher die Leitfähigkeit des benachbarten Blutes gemessen werden kann. Die Elektroden 27 erstrecken sich vorzugsweise in axialer Richtung auf einem Teil des Umfangs des Katheters. Dies macht es möglich, den Katheter 20 in dem Blutgefäß in einer derartigen Art und Weise zu platzieren, dass die Elektroden 27 zu jeder Zeit frei von der Wand des Blutgefäßes sein werden. Es wird angemerkt, dass der Detektor 26 ebenfalls in der Form eines Thermistors sein kann.
Der Katheter 20 weist einen zweiten Leitfähigkeitsdetektor 28 auf, welcher im Abstand von dem distalen Ende 23 mit einem derartigen Abstand ist, dass der Detektor in der Aorta positioniert sein wird, wenn der Detektor 24 in der Herzkammer positioniert ist. Dies macht den Katheter 20 geeignet für eine Messung des Segmentvolumens und der Parallelleitfähigkeit eines Blutgefäßes und der Herzkammer.
In einer alternativen Ausführungsform des Katheters, die nicht dargestellt ist, kann der Konzentrationsdetektor 26 näher an dem distalen Ende des Katheters als der Leitfähigkeitsdetektor 24 positioniert sein.
Es wird angemerkt, dass alle (Messungs-) Ergebnisse auf einer geeigneten Anzeigevorrichtung 19 in einer per se bekannten Art und Weise dargestellt werden können.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, wie sie oben beschrieben wurden, welche auf unterschiedliche Weise variiert werden können, ohne sich von dem Umfang der Erfindung zu entfernen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen des Segmentvolumens einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes eines Patienten, mit einer Prozessoreinheit (1), welche einen Steuerungsausgang (14, 16) zum Injizieren der Injektion eines ersten Indikators in den Blutstrom des Patienten aufweist, welcher die Leitfähigkeit des Blutes beeinflusst, und einem ersten Detektor (27, 24), der in der Herzkammer oder dem Blutgefäß zum Messen eines Leitfähigkeitssignals platziert ist, welches von der elektrischen Leitfähigkeit an der Stelle des Detektors abhängt, wobei die Prozessoreinheit zum Berechnen des Segmentvolumens der Herzkammer oder des Blutgefäßes aus dem Leitfähigkeitssignal eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Detektor (57, 26), welcher in dem Blutstrom zum Messen eines Indikatorsignals platziert ist, das von einer Konzentration eines Indikators im Blut abhängt, wobei die Prozessoreinheit (1) zum Berechnen der Herzleistung aus der injizierten Menge des Indikators und dem Indikatorsignal und zum Berechnen des Segmentvolumens und der elektrischen Parallelleitfähigkeit einer Herzkammer oder eines Blutgefäßes aus der berechneten Herzleistung, der injizierten Menge des Leitfähigkeitsindikators und dem Leitfähigkeitssignal eingerichtet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Detektor (5) an ein Messen der Konzentration des Leitfähigkeitsindikators angepasst ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Steuerungsausgang (14, 16) die Injektion eines zweiten Indikators injiziert, wobei der zweite Detektor (5) an ein Messen der Konzentration des zweiten Indikators angepasst ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Steuerungsausgang (14, 16) zumindest eine Injektorvorrichtung zum Injizieren eines Indikators steuert.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, wobei die Prozessoreinheit (1) die Parallelleitfähigkeit als einen Korrekturwert zum Bestimmen des Segmentvolumens exklusiv aus dem Leitfähigkeitssignal verwendet.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste und der zweite Detektor (2, 5) in einem gewöhnlichen Katheter (20) untergebracht sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Katheter (20) ebenfalls ein Lumen (21) zum Injizieren eines Indikators aufweist.
Katheter (20) zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, welcher einen ersten Detektor (24) zum Messen eines Leitfähigkeitssignals, welches von einer elektrischen Leitfähigkeit abhängt, wobei der erste Detektor (24) eine Reihe von ringförmigen Elektroden (25) aufweist, und einen zweiten Detektor (26) zum Messen eines Indikatorsignals aufweist, das von einer Konzentration des Indikators in dem Blut abhängt, gekennzeichnet durch einen dritten Detektor (28), der zu dem ersten Detektor (24) korrespondiert und welcher im Abstand von dem distalen Ende (23) mit einem derartigen Abstand angeordnet ist, dass der dritte Detektor in der Aorta positioniert sein wird, wenn der erste Detektor in dem Herz positioniert ist.
Katheter (10) gemäß Anspruch 8, wobei der zweite Detektor (26) eine Anzahl von Parallelelektroden (27) aufweist, welche vorzugsweise axial an dem Katheter vorgesehen sind.
Katheter (20) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der erste Detektor (24) in der Nähe des distalen Endes (23) positioniert ist und der zweite Detektor (26) mit einigem Abstand weg von dem distalen Ende (23) positioniert ist.
Katheter (20) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Katheter ein Lumen (21) mit zumindest einer Auslassöffnung (22) zwischen dem ersten Detektor (24) und dem distalen Ende (23) aufweist.