DE102006015630A1

DE102006015630A1 - Anordnung und Verfahren zur nichtinvasiven Diagnostik rechtsseitiger intrakardialer Druckverläufe im menschlichen Herzen

Info

Publication number: DE102006015630A1
Application number: DE200610015630
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Rother; Dieter Dr. Dietrich; Ekkehard Dr. Grünig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur nichtinvasiven Diagnostik rechtsseitiger intrakardialer Druckverläufe im menschlichen Herzen. Hierbei wird die Kraftwirkung des mit seiner rechten Kammer am Sternum anliegenden schlagenden Herzens mittels am Thorax befestigter Beschleunigungssensoren derartig registriert, dass die transversale Eigenbewegung des Herzens von den druckbasierten Bewegungen des rechten Herzmuskels getrennt wird. Dies wird durch die Fixierung mehrerer Beschleunigungssensoren an der Thoraxwand sowie durch eine getrennte Auswertung der Beschleunigungswerte im eingeatmeten und im ausgeatmeten Zustand erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur nichtinvasiven Diagnostik rechtsseitiger intrakardialer Druckverläufe im menschlichen Herzen, wobei auf dem Thorax fixierte Beschleunigungssensoren als Messaufnehmer dienen.
Stand der Technik
Der intrakardiale Blutdruck des menschlichen Herzens ist von großer diagnostischer Bedeutung bei der Untersuchung von Herz- und Kreislauferkrankungen. Hierbei ist die Bestimmung der rechtsseitigen intrakardialen Drücke u.a. für die Beurteilung der Pumpfunktion des rechten Herzens sowie zur Diagnose des Lungenhochdruckes erforderlich. Bislang gibt es nur wenige nichtinvasive Untersuchungsmethoden zur Hämodynamik in der rechten Herzseite sowie im Lungenkreislauf. So hat lediglich die Bestimmung der trikuspidalen Regurgitationsgeschwindigkeit mittels CW-Doppler-Echokardiographie (Yock PG, Popp RL. Noninvasive estimation of right ventricular systolic pressure by Doppler ultrasound in patients with tricuspidal regurgitation. Circulation 1984;4:657–662.) Einzug in die klinische Routine gefunden. Die CW-Doppler- Echokardiographie kann jedoch lediglich den systolischen rechtsventrikulären Druck bestimmen. Zudem ist dieses Verfahren apparativ sehr aufwendig und kann nur von speziell ausgebildeten Personen durchgeführt werden. Zusätzlich werden bei 15–20 % der Patienten wegen schwieriger Schallbedingungen oder fehlender trikuspiudaler Regurgitation keine auswertbaren Dopplerprofile erhalten. Diese Patienten müssen daher in der Regel invasiv mittels Rechtsherzkatheter untersucht werden. Die Untersuchung wiederum ist nicht ungefährlich. Lebensgefährliche Komplikationen wie Rhythmusstörungen kommen insbesondere bei Patienten mit Lungenhochdruck und vergrößertem rechten Herzen vor.
Des weiteren sind Diagnosemöglichkeiten bekannt, bei welchen mittels gleichzeitiger Bestimmung der Herz- und Lungen- bzw. Atemtätigkeit Rückschlüsse auf das Zusammenwirken von Herz- und Lungenfunktion gezogen werden können. Als Beispiele seien hierfür die Gebrauchsmusterbeschreibung DE 296 12 119 U1 und die Offenlegungsschrift DE 100 14 077 A1 genannt. In beiden Fällen können allerdings keine Aussagen zum Verlauf des Druckes in der rechten Herzkammer getroffen werden.
Die oben bereits genannten Untersuchungsmöglichkeiten zur Herztätigkeit werden in der Offenlegungsschrift DE 197 06 976 A1 durch eine transösophagale Messung der Herzbewegung mit Hilfe eines oder mehrere Beschleunigungssensoren, welche in der Speiseröhre positioniert werden, ergänzt. Allerdings kann bei dieser Methode nur eine ungefähre Positionierung und Ausrichtung der Sensoren erfolgen. Bei der unmittelbaren Nähe des Ösophagus zu den arteriellen Ausgängen des Herzens und den Herzvorkammern ist zudem eine hohe Sensibilität der Messwerte in Abhängigkeit zur Sensorposition zu erwarten. Durch die Einbringung der gekapselten Sonde über den Mund in die Speiseröhre sind die Messungen mit erheblichen Belastungen der Patienten verbunden und können zusätzlich nur durch geschultes Personal durchgeführt werden.
Zusammenfassend kann aus dem Stand der Technik zur Diagnostik der rechtsseitigen intrakardialen Druckverläufe geschlossen werden, dass ein einfaches und zuverlässiges nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung oder Abschätzung der Drücke zwar von großer Bedeutung wäre, nichtsdestoweniger aber gegenwärtig nicht verfügbar ist.
Ziel der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache und nichtinvasive Methode zur Diagnostik der rechtsseitigen intrakardialen Druckverläufe im menschlichen Herzen bereitzustellen, welche darüber hinaus die Möglichkeit eines mobilen Einsatzes bietet.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung soll anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen im Einzelnen
1a die schematische Darstellung eines transversalen Schnittes durch den Thorax in Höhe des 7. Brustwirbels, Ansicht von cranial;
1b die schematische Darstellung eines von einer elastischen Begrenzung umhüllten Hohlkörpers mit einem darauf fixierten Beschleunigungssensor sowie exemplarischen Verläufen von Druck und gemessener Beschleunigung; und
1c die schematische Darstellung der Herzbewegungen in der Sagittalebene mit Bezug auf 1a gemeinsam mit charakteristischen Verläufen der Beschleunigungsverläufe an den beiden Beschleunigungssensoren; sowie
2 gemessene sagittale Beschleunigungsverläufe des Sternums über eine Herzschlagperiode mit der gemeinsam aufgezeichneten EKG-Kurve;
3 gemessene sagittale Beschleunigungsverläufe des Sternums (Beschleunigungssensor 1) und am Dornfortsatz des 7. Brustwirbelkörpers (Beschleunigungssensor 2);
4a gemessene sagittale Beschleunigungsverläufe des Sternums im eingeatmeten und im ausgeatmeten Zustand;
4b gemessene sagittale Beschleunigungsverläufe des Sternums im eingeatmeten und im ausgeatmeten Zustand gemeinsam mit den jeweils gleichzeitig aufgezeichneten EKG-Kurven.
5 gemessene und über jeweils 16 Herzschlagperioden gemittelte sagittale Beschleunigungsverläufe für zwei Patienten sowie die mittels Echokardiographie bestimmten mittleren Druckwerte p_rV in der rechten Herzkammer.
Erfindungsgemäß wird die oben beschriebene Aufgabe mit einem System von Beschleunigungssensoren nach Anspruch 1 und den Unteransprüchen 2 bis 6 sowie mit einer Auswerteprozedur nach Anspruch 7 und den Unteransprüchen 8 bis 12 gelöst. Hierbei werden folgende, in den 1a bis 1c schematisch veranschaulichten, anatomischen und physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt.

1.) Die rechte Herzkammer liegt dorsal am Sternum an (1a). Kraftwirkungen des Herzmuskels in der Sagittalebene, insbesondere die des rechten Herzmuskels, werden direkt auf das Sternum übertragen und sind damit extern als Beschleunigungswerte zugänglich.
2.) Druckänderungen innerhalb eines durch eine elastische Wand begrenzten Hohlkörpers werden als Formänderungen an der Wand wirksam und sind dort phasengleich als Beschleunigungswerte messbar (1b).
3.) Die Kraftwirkung eines frei beweglichen und elastisch begrenzten Druckkörpers auf die angrenzende Wand einer Einhausung setzen sich aus den Eigenbewegungen des Druckkörpers und den Druckverläufen innerhalb des Druckkörpers zusammen (1c). Beide Kraftwirkungen können durch Beschleunigungsmessungen an gegenüberliegenden Seiten der Einhausung voneinander unterschieden werden.
4.) Der Muskel der rechten Herzkammer (1a) pumpt das Blut gegen den Widerstand der Lunge durch diese hindurch. Bei der Einatmung steigen der venöse Rückstrom und das Schlagvolumen des rechten Herzens, weswegen im eingeatmeten Zustand ein höherer systolischer Druck aufgebaut werden muss. Die von dem Beschleunigungssensor in 1b gemessenen Intensitäten der Beschleunigungsverläufe im ein- und ausgeatmeten Zustand unterscheiden sich damit für die druckbasierten Ereignisse deutlich voneinander.

Aus 1. und 2. folgt, dass Druckverläufe in der rechten Herzkammer gemeinsam mit anderen Kraftwirkungen als Beschleunigungen am Sternum messbar sind. Aus 3. und 4. folgt, dass die druckbasierten Beschleunigungswerte von anders verursachten sagittalen Beschleunigungsanteilen des Sternums getrennt werden können. Somit können quantitative Aussagen zum relativen Verlauf der rechtsseitigen intrakardialen Drücke getroffen werden. Eine Eichung der Messergebnisse auf Absolutwerte ist ebenfalls möglich.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll an vier Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Für die ersten drei Beispiele wurden zur Beschleunigungsmessung einachsige piezoelektrische Sensoren mit Ladungsausgang eingesetzt. Für das dritte Beispiel wurde ein dreiachsiger Beschleunigungsaufnehmer mit der gleichen Empfindlichkeit wie die einachsigen Sensoren eingesetzt. Die weitere Signalaufbereitung erfolgte identisch über Ladungsverstärker und Tiefpassfilter. Die Signalaufzeichnung erfolgte mit einem mehrkanaligem Speicheroszillographen. Für die Messunsicherheit zwischen den Messstrecken mehrerer Beschleunigungssensoren wurde ein Wert von ≤ 2 % ermittelt. Die mit der verwendeten Messanordnung ermittelten Spannungswerte U und die dazugehörigen Beschleunigungswerte a sind über die Größengleichung
miteinander verknüpft.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Messanordnung beschrieben, welche die sagittalen Beschleunigungssignale am Sternum gleichzeitig mit den EKG-Signalen aufzeichnet und somit eine Zuordnung der Beschleunigungsverläufe zu den Aktionsphasen des Herzens ermöglicht. Hierbei wird ein Beschleunigungssensor mit einem elastischen Band auf den unteren flachen Bereich des Sternums derartig fixiert, dass die Normale seiner Messfläche in der Sagittalebene nach der Körpermitte hin ausgerichtet ist. Die Klebeelektroden zur Aufnahme des EKG-Signals werden im dritten Interkostalraum (ICR) rechts vom Sternum und links im 5. ICR auf der Medioklavikularlinie fixiert. Die Messanordnung besteht für beide Signale aus jeweils einer Verstärkereinheit sowie einem gemeinsamen Speicheroszilloskop. Die Signalaufzeichnung erfolgt mittels Speicherung beider Signale im Echtzeitbetrieb am sitzenden und in Ruhe befindlichen Patienten.
Ein typisches Ergebnis dieser Messungen ist in 2 dargestellt. Der Vergleich des Beschleunigungssignals mit dem EKG-Signal zeigt, dass der Beginn der Peakfolge im Beschleunigungssignal bei 0 s mit dem R-Peak im EKG korreliert und somit den Beginn der Systole charakterisiert. Das Ende des T-Peaks im EKG korreliert wiederum mit einer weiteren charakteristischen Peakfolge im Beschleunigungssignal, was damit den Beginn der Diastole anzeigt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Messanordnung beschrieben, mit welcher in den am Sternum gemessenen sagittalen Beschleunigungssignalen druckbasierte Signale aus der rechten Herzkammer identifizieren werden können. Nach dem in 1c dargestellten Prinzip sind hierbei zwei Beschleunigungssensoren am Thorax eines Patienten so fixiert, dass der erste Sensor wie im ersten Ausführungsbeispiel und der zweite Sensor auf den Dornfortsatz des 7. Brustwirbelkörpers positioniert ist. Letzterer wiederum so, dass die Normale seiner Messfläche ebenfalls in der Sagittalebene nach der Körpermitte hin ausgerichtet ist.
Der Patient befindet sich bei der Messung in sitzender Position und in Ruhe. Die Signalaufzeichnung erfolgt über identische Verarbeitungsstrecken, wobei die Messsignale beider Sensoren über 16 Herzschläge gemittelt werden. Ein typisches Ergebnis dieser Messungen ist in 3 dargestellt. Die Triggerung für die gemittelte Signalaufzeichnung erfolgte hierbei an der positiven Signalflanke des Beschleunigungssensors 1 bei 0 s. Die Beschleunigungsverläufe der beiden Sensoren zeigen, dass von den drei Beschleunigungspeaks am Sternum zwischen 0 und 0,08 s lediglich der zweite Peak druckbasiert ist. Da es sich hier allerdings um Mittelwerte der Messverläufe handelt, muss dieses Ergebnis weiter verifiziert werden, was in einem dritten Ausführungsbeispiel erläutert werden soll.
In dem dritten Ausführungsbeispiel werden mit einer zum ersten Ausführungsbeispiel identischen Messanordnung die sagittalen Beschleunigungswerte am Sternum sowie die EKG-Kurven in Echtzeit im eingeatmeten und im ausgeatmeten Zustand aufgezeichnet. Typische Messergebnisse sind in 4 dargestellt. Die Messungen im eingeatmeten und ausgeatmeten Zustand wurden unmittelbar hintereinander aufgezeichnet. Bei der Interpretation der Beschleunigungsverläufe in 4a wird davon ausgegangen, dass der Perfussionswiderstand der Lunge im eingeatmeten Zustand höher ist als im ausgeatmeten Zustand und daher druckbasierte Beschleunigungswerte im eingeatmeten Zustand deutlich höher als im ausgeatmeten Zustand sind. Danach kann auch hier, genau wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, der zweite Beschleunigungspeak am Systolenbeginn für die Druckbestimmung in der rechten Herzkammer herangezogen werden. Gleichzeitig zeigt der in 4b dargestellte Vergleich zwischen den Beschleunigungswerten und den dazugehörigen EKG-Kurven, dass erstere ein deutlich differenzierteres Bild der Herzaktionen liefert. Während im EKG für den eingeatmeten und den ausgeatmeten Zustand lediglich Frequenzveränderungen angezeigt werden, ermöglichen die Beschleunigungsverläufe auch quantitative Diagnosen der entsprechenden Druckveränderungen im Herzen.
In einem vierten Ausführungsbeispiel werden Messergebnisse an zwei verschiedenen Patienten gewonnen, wobei für beide gleichzeitig zu den Beschleunigungsmessungen am Sternum die Druckwerte p_rV in der rechten Herzkammer mittels CW-Doppler-Echokardiographie bestimmt werden. Für die Beschleunigungsmessungen wurde eine zum ersten Ausführungsbeispiel identische Fixierung des Beschleunigungssensors gewählt. Für die in 5 dargestellten Beschleunigungswerte wurde allerdings lediglich die Sagittalkomponente des dreiachsigen Beschleunigungssensors dargestellt. Mittels Echokardiographie wurde für den ersten der beiden männlichen Patienten eine normale Herzfunktion und -größe sowie ein normaler mittlerer Druck von 20 Torr in der rechten Herzkammer diagnostiziert. Für den zweiten Patienten wurde dagegen eine pulmonale Hypertonie mit mittleren Drücken von 65 Torr in der rechten Herzkammer sowie ein hypertrophierter rechter Herzmuskel diagnostiziert.

Claims

Anordnung zur nichtinvasiven Diagnostik rechtsseitiger intrakardialer Druckverläufe im menschlichen Herzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung der Herzbewegung auf den Thorax mittels eines oder mehrerer Beschleunigungssensoren, welche direkt oder über Zwischenstücke auf der Thoraxwand, insbesondere auf dem Sternum, derartig fixiert sind, dass die Normale ihrer Messfläche eine definierte senkrechte Komponente zu der darunter liegenden Körperoberfläche besitzt, aufgezeichnet und über eine geeignete elektronische Auswertung aufbereitet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Beschleunigungssensoren auf dem Sternum fixiert sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem oder den auf dem Sternum fixierten Beschleunigungssensoren) weitere Beschleunigungssensoren am Thorax, insbesondere an der Wirbelsäule, fixiert sind und deren Signale zeitgleich ausgewertet und aufgezeichnet werden.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren Piezosensoren oder Zungensensoren oder kapazitive Sensoren sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrachsige Beschleunigungssensoren verwendet werden.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig EKG-Sonden auf der Thoraxwand platziert sind und deren Signal gemeinsam mit dem der Beschleunigungssensoren aufgezeichnet wird.
Verfahren zur nichtinvasiven Diagnostik rechtsseitiger intrakardialer Druckverläufe im menschlichen Herzen mittels einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Beschleunigungssensoren gemessenen Spannungsverläufe in Beschleunigungsverläufe umgerechnet werden und die am Sternum und an einer anderen Stelle der Thoraxwand gemessenen Beschleunigungswerte zur Bestimmung der druckbasierten Beschleunigungswerte am Sternum gegeneinander verrechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass nach Identifizierung druckbasierter Beschleunigungswerte des Sternums mit nur einem Beschleunigungsaufnehmer am Sternum gearbeitet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das EKG-Signal zur Identifizierung einzelner Herzphasen in den Beschleunigungsverläufen genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung der einzelnen Herzphasen Ultraschallmessungen eingesetzt werden
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsverläufe getrennt für den eingeatmeten und den ausgeatmeten Zustand aufgezeichnet werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Beschleunigungsverläufe am Thorax mit einer unabhängigen Methode zur Bestimmung des Druckes in der rechten Herzkammer geeicht werden.