DE102007013367A1 - Thoracic electrical impedance acquiring device for use during e.g. treatment of critically sick people, has measuring amplifier with inlet connected to measuring electrode, where impedance of control unit controls circuit and alternator - Google Patents

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Abstract

The device has a power electrodes inserted into a blood vessel. The power electrodes attached to a thorax wall are electrically connected with an outlet of an alternating current alternator over a selection combinatorial circuit. Another outlet of the alternator is connected to the power electrode and the measuring electrodes with an inlet of a measuring amplifier by the combinatorial circuit. Another inlet of the amplifier is connected to the measuring electrode. The impedance of a control unit measured with the amplifier controls the combinatorial circuit and the alternator.

Description

Die topographische Darstellung von Herz und Lungen ist bei der Behandlung und Überwachung von kritisch kranken und beatmeten Patienten von grosser Bedeutung. Bisher angewendete bildgebende Verfahren wie beispielsweise die Computertomographie oder die Ultraschalldiagnostik sind mit einem erheblichen technischen und personellen Aufwand verbunden. Die elektrische Impedanztomographie kann hierbei mit deutlich geringerem Aufwand betrieben werden. Während die Darstellung der Lunge mit der elektrischen Impedanztomographie verwertbare Informationen bietet ist eine entsprechende bildgebende Darstellung des Herzens mit der Impedanztomographie mit großen Ungenauigkeiten behaftet. Als Ursachen für diese Ungenauigkeit bei der Darstellung werden die durch die elektrische Impedanz von Rippen, Brustbein und Wirbelsäule bedingten Artefakte und der sehr niedrige Signal-Rausch Abstand bei äußerlichen thorakalen elektrischen Impedanzmessungen angesehen. Die mechanische Herzaktion bewirkt im Vergleich zur Atemaktion deutlich kleinere Änderungen der thorakalen Impedanz. Die durch die Herzaktion bewirkte Impedanzänderung von 1,5 Ohmmeter macht nur ein Zehntel der durch die Atmung bewirkten Änderung der thorakalen Impedanz aus (16 Ohmmeter) aus. Deshalb weisen mit der Impedanztomografie ermittelte Bilder im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren eine deutlich niedrigere Auflösung auf. Mit der transthorakalen Impedanzcardiografie (KUBICEK, Re30101) kann das Herzzeitvolumen ohne wesentlichen invasiven Aufwand erfasst werden. Das Verfahren ist jedoch bei Manipulationen am Patienten und bei verschiedenen Erkrankungen des Herzens i. e. Stenosen und Insuffizienzen der Herzklappen nur eingeschränkt zu verwerten. Die transcardiale Impedanzmessung nach Meier und Heinemann ( US 6,102,869 ), weist bei höherer Invasivität des Messverfahrens einen deutlich größeren Signel-Rauschabstand auf. Mit beiden Verfahren können jedoch keine topographischen Informationen über des schlagende Herz gewonnen werden. Die atmungsbedingte thorakale Impedanzänderung erschwert nicht nur bei der Impedanztomografie sondern auch bei bei transthorakalen und transcardialen Impedanzmessungen die Erfassung der durch des Herz ausgelösten Impedanzänderung. Deshalb wird des Herzzeitvolumen bei den transthorakalen Verfehren nach Kubicek nicht aus den Impedanzkurven direkt sondern aus der 1. Ableitung der Impedanzkurve dz/dt ermittelt. Transcardiale Impedanzmessungen (Meier & Heinemann US 6,102,869 ) erfassen systolische Impedanzänderungen zwischen inneren in ein herznahes Gefäß eingeführten Elektroden und äußeren auf der Thoraxwand aufgebrachten Hautelektroden, wobei die äußere Meßelektrode auf eine bezüglich des Herzens gegenüberliegende innere Meßelektrode gehalten wird, sodaß die Verbindungslinie zwischen den Meßelektroden in einer des Herz durchlaufenden Projektion liegt. Bei der Entwicklung der transcardialen Impedanzmessung wurden auch von anderen Elektrodenpositionen bisher unveröffentlichte Messungen durchgeführt. Die von verschiedenen Orten auf der äußeren Thoraxoberfläche gegen eine in die V. cava superior eingeführte Elektrode gemessenen Impedanzen wiesen auffällige von der Elektrodenlage und Projektion abhängige charakteristische Unterschiede der Kurvenverläufe auf.The topographic presentation of the heart and lungs is of great importance in the treatment and monitoring of critically ill and ventilated patients. Previously applied imaging methods such as computed tomography or ultrasound diagnostics are associated with considerable technical and human resources. The electrical impedance tomography can be operated with significantly less effort. While the presentation of the lung with the electrical impedance tomography provides useful information, a corresponding imaging of the heart with the impedance tomography is subject to great inaccuracies. Causes of this inaccuracy in the presentation are the artifacts due to the electrical impedance of the ribs, sternum and spine and the very low signal-to-noise ratio for external thoracic electrical impedance measurements. The mechanical heart action causes much smaller changes in the thoracic impedance compared to the respiratory action. The impedance change of 1.5 ohms caused by the heart action accounts for only one-tenth of the respiratory-induced change in thoracic impedance (16 ohm-meters). Therefore, images obtained with impedance tomography have a significantly lower resolution compared to other imaging methods. With transthoracic impedance cardiography (KUBICEK, Re30101) cardiac output can be recorded without significant invasive effort. However, the method is to be utilized only to a limited extent in manipulations of the patient and in various diseases of the heart ie stenoses and insufficiencies of the heart valves. The transcardial impedance measurement according to Meier and Heinemann ( US 6,102,869 ), has a significantly higher signal-to-noise ratio with higher invasiveness of the measurement method. With both methods, however, no topographic information about the beating heart can be obtained. The respiratory-induced thoracic impedance change impedes the detection of the impedance change triggered by the heart, not only in impedance tomography but also in transthoracic and transcardiac impedance measurements. Therefore, the cardiac output in the transthoracic conditions according to Kubicek is not determined directly from the impedance curves but from the first derivative of the impedance curve dz / dt. Transcardial impedance measurements (Meier & Heinemann US 6,102,869 ) detect systolic impedance changes between internal electrodes inserted into a near-net vessel and external skin electrodes applied to the thoracic wall, the outer measuring electrode being held on an inner measuring electrode opposite the heart so that the connecting line between the measuring electrodes lies in a projection passing through the heart. In the development of the transcardiac impedance measurement unpublished measurements of other electrode positions were carried out. The impedances measured from different locations on the outer thorax surface against an electrode inserted into the superior vena cava exhibited conspicuous characteristic differences in the course of the curves depending on the electrode position and projection.

Bei diesen Elektrodenpositionen konnten die folgenden Beobachtungen gemacht werden:

  • 1. Die systolische Impedanzänderung ist auf der linken Thoraxseite größer als auf der rechten.
  • 2. In der Diastole verlagert sich das Maximum der thorakalen Impedanz nach links vorn.
  • 3. In der Systole verlagert sich das Maximum der thorakalen Impedanz nach links hinten.
  • 4. Während der Systole nimmt die Impedanz auf der rechten zu.
For these electrode positions, the following observations could be made:
  • 1. The systolic impedance change is greater on the left thoracic side than on the right.
  • 2. In diastole, the maximum of the thoracic impedance shifts to the left front.
  • 3. In systole, the maximum of the thoracic impedance shifts to the left rear.
  • 4. During systole, the impedance on the right increases.

Im Gegensatz zu der Elektrischen Impedanztomografie (EIT) befindet sich bei all diesen Untersuchungen mindestens eine Meßelektrode auf einer in einem herznahen Blutgefäß liegenden Katheter. In einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich beide Meßelektroden in einem vorhofnahen Gefäß hier der V. cave superior. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weist eine in einem herznahen Blutgefäß liegende innere Meß- und eine innere Stromelektrode auf.in the Contrary to the electrical impedance tomography (EIT) is located at least one measuring electrode in all these investigations on a lying in a blood vessel near the heart Catheter. In an advantageous embodiment, both are located Measuring electrodes in a vorhofnahen vessel here the V. cave superior. Another advantageous embodiment of Invention has a lying in a blood vessel near the heart inner measuring and an inner current electrode.

Betrachtet man die Form des Thorax als ein Zylinder, so ist die elektrische Impedanztomografie (EIT) durch äußere ausschließlich auf der Oberfläche des Zylinders liegende Elektrodenpositionen charakterisiert. Die Elektrodenpositionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (TSIA) führen durch die Einführung mindestens einer inneren Elektrode zu einer den Zylinder durchmessende Erfassung der Impedanz. Die Impedanzmessung erfolgt dabei segmental (Thorakale Segmentale Impedanzanalyse TSIA). Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde die durch den knöchernen Thorax bedingten elektrischen Artefakte zu mindern und bei den elektrischen tomographischen Impedanzmessungen einen signifikant höheren Signal-Rausch Abstand zu erzielen. Dieses Problem wird durch die im Anspruch 9 und 2 aufgeführten Merkmale der Erfindung:

  • – Innere Meßelektroden, von denen sich mindestens eine innere in einem Hohlgefäß des Brustkorbs vorteilhaft im Blut der oberen Hohlvene befindet.
  • – Innere Stromelektroden, von denen sich mindestens eine innere in einem Hohlgefäß des Brustkorbs oder Halses befindet.
  • – Äußere Meßelektroden, die auf die Haut aufgebracht sind.
  • – Äußere Stromelektroden, die sich paarweise auf der Haut des Brustkorbs befinden und welche vorteilhaft auf einer den Brustkorb in der Höhe des Herzens umfassenden Kreislinie liegen.
  • – Mindestens ein Selektionsschaltnetz, das jeweils 2 der vorgenannten Stromelektroden mit den Ausgängen eines Wechsestromgenerators verbindet und ein weiteres Selektionsschaltnetz, das mindestens 2 der vorgenannten Meßelektroden mit den Eingängen des Impedanzmeßverstärkers verbindet.
Considering the shape of the thorax as a cylinder, the electrical impedance tomography (EIT) is characterized by external electrode positions lying exclusively on the surface of the cylinder. The electrode positions of the device according to the invention (TSIA) lead, by the introduction of at least one inner electrode, to a detection of the impedance, which measures the cylinder. The impedance measurement is performed segmentally (Thoracic Segmental Impedance Analysis TSIA). The invention specified in claim 1 is based on the problem of reducing the bony thorax caused by electrical artifacts and to achieve a significantly higher signal-to-noise ratio in the electrical tomographic impedance measurements. This problem is solved by the features of the invention listed in claims 9 and 2:
  • Internal measuring electrodes, of which at least one inner one in a hollow vessel of the thorax is advantageously located in the blood of the superior vena cava.
  • - Internal current electrodes, of which at least one inner is located in a hollow vessel of the chest or neck.
  • - External measuring electrodes, which are applied to the skin.
  • - External current electrodes, which are in pairs on the skin of the chest and which advantageously lie on a chest around the heart in the circumference of the comprehensive circle.
  • - At least one selection switching network that connects each of the aforementioned two current electrodes with the outputs of a alternating current generator and another selection switching network that connects at least 2 of the aforementioned measuring electrodes to the inputs of Impedanzmeßverstärkers.

In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich eine innere Meßelektrode in einem thorakalen Gefäß in der Nähe des rechten Vorhofs. Die äußeren Meßelektroden werden ringförmig auf der Höhe des Manubrium sterni auf Thoraxvorderwand und Rücken plaziert und umfassen so bandförmig den Brustkorb. Die Stromelektroden werden einmal ringförmig cranial zu den den Thorax umfassenden äußeren Meßelektroden und ein zweitesmal caudal zu den äußeren Meßelektroden auf der Thoraxwand plaziert. Die innere in dem herznahen Blutgefäß liegende Meßelektrode wird mit einem Eingang eines Impedanzmeßverstärkers verbunden. Die äußeren Meßelektroden werden in Reihe geschaltet mit dem anderen Eingang des Meßverstärkers verbunden. Die Stromelektroden des cranialen Stromelektrodenrings werden wie euch die caudalen Elektroden des unteren Stromelektrodenrings über ein Selektionsschaltnetz mit den Ausgängen eines Wechselstromgenerators verbunden. Durch das Selektionsschaltnetz wird jeweils eine über den Meßelektroden liegende Stromelektrode sowie eine unter den Meßelektroden liegende Stromelektrode mit dem Wechselstromgenerator verbunden. Die mit dem Meßverstärker gemessene Impedanz wird aufgezeichnet, danach wird ein über einem anderen benachbarten-Thoraxsegment liegendes Stromelektrodenpaar über das Selektionsschaltnetz mit dem Wechselstromgenerator verschaltet und die Impedanz zwischen den Meßelektroden gemessen und aufgezeichnet. Dieser Vorgang wird wiederholt bis alle Stromelektrodenpaare durch das Selektionsschaltnetz angesteuert worden sind.In a simple embodiment of the invention is an inner Measuring electrode in a thoracic vessel in near the right atrium. The outer ones Measuring electrodes become annular at the height of the manubrium sterni placed on thoracic anterior wall and back and thus comprise the rib cage in a ribbon shape. The current electrodes are once ring-shaped cranial to the outer comprehensive the thorax Measuring electrodes and a second caudal to the outer Measuring electrodes placed on the thorax wall. The inner in the measuring electrode lying near the heart of the blood is connected to an input of an impedance measuring amplifier connected. The outer measuring electrodes are connected in series with the other input of the measuring amplifier connected. The current electrodes of the cranial current electrode ring Become like the caudal electrodes of the lower current electrode ring on a Selection switching network with the outputs of an alternator connected. Through the selection switching network is one over the measuring electrodes lying current electrode and one of the Measuring electrodes lying current electrode with the alternator connected. The measured with the measuring amplifier Impedance is recorded, then one over one other adjacent-thorax segment lying Stromelektrodenpaar over interconnects the selection switching network with the alternator and the impedance between the measuring electrodes is measured and recorded. This process is repeated until all current electrode pairs through the selection switching network has been activated.

Eine zusätzliche innere Stromelektrode, die auf einem in der Vene cava superior liegenden Venenkatheter über der inneren Meßelektrode angebracht wird, kann die die Anzahl der auf der äußeren Thoraxwand notwendigen Hautelektroden reduzieren. Des vereinfacht besonders die Anwendung bei kritisch kranken Patienten auf Intensivstationen. Bei dieser Anordnung wird am Eingang des Impedanzmeßverstärkers mit der inneren Meßelektrode im Gefäß verbunden; der andere Eingang des Impedanzmeßverstärkers wird durch des Selektionsschaltnetz mit jeweils einer der äußeren Meßelektroden verschaltet. Gleichsem wird die innere im Gefäß liegende Stromelektrode an einen Wechselstromgenerator angeschlossen, dessen anderer Ausgang über ein Selektionsschaltnetz mit den als Stromelektroden dienenden Hautelektroden verbunden ist.A additional inner current electrode placed on top of a Venous cava superior lying venous catheter over the inner Measuring electrode is attached, which can increase the number of the outer thoracic wall necessary skin electrodes to reduce. This simplifies the application especially for critical sick patients in intensive care units. In this arrangement is at the input of the Impedanzmeßverstärkers with the internal measuring electrode connected in the vessel; the other input of the Impedanzmeßverstärkers is through the selection switching network with one of the outer Connected measuring electrodes. The same is true of the inner im Vessel lying current electrode connected to an alternator, whose other output via a selection switching network with connected to the skin electrodes serving as current electrodes.

Ein zusätzlicher Informationsgewinn ist möglich wenn beide innere auf dem Katheter liegenden Elektroden als innere Meßelektroden verwendet werden, die mit dem Impedanzmeßverstärker verbunden sind. Durch ein Selektionsschaltnetz wird jetzt jeweils eine erste äußere Stromelektrode und eine zweite äußere Stromelektrode mit dem Wechselstromgenerator verbunden. Die mit dem Meßverstärker von den inneren Meßelektroden gemessene Impedanz wird aufgezeichnet, danach wird durch des Selektionsschaltnetz ein benachbartes Stromelektrodenpaar mit dem Wechselstromgenerator verschaltet und erneut die Impedanz zwischen den inneren Meßelektroden gemessen und aufgezeichnet. Auch dieser Vorgang wird solange wiederholt bis alle Stromelektrodenpaare durch das Selektionsschaltnetz angesteuert worden sind. Besonders vorteilhaft ist die simultane Durchführung der beiden zuletzt beschriebenen Verfahren mit zwei unterschiedlichen Frequenzen unter Nutzung der gleichen oder anderer z. B. benachbarter Elektroden.One additional information is possible if both inner electrodes lying on the catheter as inner measuring electrodes used with the Impedanzmeßverstärker are connected. Through a selection switching network is now one each first outer current electrode and a second outer Current electrode connected to the alternator. With the measuring amplifier of the inner measuring electrodes Measured impedance is recorded, then is through the selection switching network an adjacent pair of current electrodes to the alternator interconnected and measured again the impedance between the inner measuring electrodes and recorded. This process is repeated until all current electrode pairs are driven by the selection switching network have been. Particularly advantageous is the simultaneous implementation of the two methods last described with two different ones Frequencies using the same or different z. B. adjacent Electrodes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 6102869 [0001, 0001] - US 6102869 [0001, 0001]

Claims (10)

Anspruch 1 Vorrichtung zur Erfassung von thorakalen elektrischen Impedanzen mit jeweils einer in ein herznahesBlutgefäß eingeführten Strom und/oder Meßelektrode sowie mehreren auf die äußere Thoraxwand aufgebrachten Strom- und Meßelektroden, einem Impedanzmeßverstärker, Wechselstromgenerator, einem Selektionsschaltnetz und einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Toraxwand aufgebrachten Stromelektroden über ein Selektionsschaltnetz mit einem Ausgang eines Wechselstromgenerators elektrisch verbunden sind, dessen anderer Ausgang an eine in ein herznehesBlutgefäß eingeführte Stromelektrode angeschlossen ist und die auf der Thoraxwand aufgebrachten Meßelektroden über ein Selektionsschaltnetz mit einem Eingang eines Impedanzmeßverstärkers verbunden sind, dessen anderer Eingang an die in des herznahenBlutgefäß eingeführte Meßelektrode angeschlossen ist, wobei die mit dem Impedanzmeßverstärker gemessenen Impedanzen einer Steuereinheit zugeführt werden, die die beiden Selektionsschaltnetze und den Wechselstromgenerator steuert.Claim 1 Apparatus for detecting thoracic electrical impedances, each with a current and / or measuring electrode inserted into a blood vessel close to the heart and a plurality of current and measuring electrodes applied to the outer thoracic wall, an impedance measuring amplifier, AC generator, a selection switching network and a control unit, characterized in that the the Toraxwand applied current electrodes are electrically connected via a selection switching network with an output of an alternator whose other output is connected to a current in a cardiac blood vessel inserted current electrode and the measuring electrodes applied to the thorax wall via a selection switching network to an input of an Impedanzmeßverstärkers whose other input to the measuring electrode inserted in the blood vessel close to the heart is connected, wherein the impedances measured with the impedance measuring amplifier are supplied to a control unit which controls the two selection switching networks and the alternator. Anspruch 2 nach Anspruch 1 Verrichtung zur Erfassung von thorakalen elektrischen Impedanzen mit einer in ein herznahes Gefäß eingeführten Meßelektrode und mindestens einer auf der äußeren Thoraxwand befindlichen Meßelektrode, einem Meßverstärker, Wechselstromgenerator, einem Selektionsschaltnetz und einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Thoraxwand aufgebrachten Stromelektroden über ein Selektionsschaltnetz mit dem Eingang eines Wechselstromgenerators verbunden sind, der von einem Prozessor gesteuert wird, der von dem Meßverstärker Informationen erhält. Claim 2 according to claim 1 Performing for recording of thoracic electrical impedances with a close-to-heart Vessel inserted measuring electrode and at least one on the outer chest wall located measuring electrode, a measuring amplifier, Alternator, a selection switching network and a control unit, thereby characterized in that the applied on the chest wall Current electrodes via a selection switching network with the input of a Alternator connected, controlled by a processor is the information from the amplifier receives. Anspruch 3 nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einem in ein herznahes Gefäß eingeführten Katheter mindestens zwei von einander beabstandete Meßelektroden befinden, die mit einem Impedanzmeßverstärker elektrisch verbunden sind und mehrere auf der äußeren Thoraxwand aufgebrachte Stromelektroden über ein Selektionsschaltnetz mit dem Eingang eines Wechselstromgenerators verbunden sind, der von einem Prozessor gesteuert wird, der von dem Meßverstärker Informationen erhält.Claim 3 according to claims 2 and 3, characterized in that on a close to a heart Vascular-inserted catheter at least two spaced from each other measuring electrodes, which with an impedance measuring amplifier electrically connected are and several applied to the outer thoracic wall Current electrodes via a selection switching network with the input an alternator connected by a processor which is controlled by the measuring amplifier information receives. Anspruch 4 nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ansprüchen 1, 2 und 3 verwendeten Elektroden über Selektionsschaltnetze wahlweise mit den Ausgängen mindestens eines Wechselstromgenerators der mit den Eingängen eines Impedanzmeßverstärkers verbunden werden kann.Claim 4 according to one of the preceding claims characterized in that the in claims 1, 2 and 3 used electrodes via selection switching networks optionally with the outputs of at least one alternator the with the inputs of an Impedanzmeßverstärkers can be connected. Anspruch 5 nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß 2 verschiedene Wechselstromfrequenzen gleichzeitig durch 2 Selektionsschaltnetzean die in den Ansprüchen 1, 2 und 3 bezeichneten Elektroden angeschlossen werden, wobei 2 weitere Selektionsschaltnetze die gleichen oder unterschiedliche Elektroden der Ansprüche 1, 2 und 3 mit den Eingängen von mindestens 2 Impedanzmeßverstärkern verbinden.Claim 5 according to one of the preceding claims characterized in that 2 different AC frequencies at the same time by 2 Selektionsschaltnetzean in the claims 1, 2 and 3 designated electrodes, wherein 2 further selection switching networks the same or different Electrodes of claims 1, 2 and 3 with the inputs of at least 2 impedance amplifiers. Anspruch 6 nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mit den Elektroden simultan ein Elektrokardiogramm aufgezeichnet wird.Claim 6 according to one of the preceding claims characterized in that with the electrodes simultaneously an electrocardiogram is recorded. Anspruch 7 nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden, die in ein herznahes Gefäß eingeführt werden in einen Katheter eingefügt sind, mit dem Injektionen und Blutentnahmen durchgeführt werden können. Claim 7 according to any one of the preceding claims characterized in that the two electrodes, the be introduced into a heart-shaped vessel are inserted into a catheter, with the injections and Blood withdrawals can be performed. Anspruch 8 nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß durch des Lumen des Katheters Lösungen ins Blut injiziert werden, die die Leitfähigkeit des Blut verändern.Claim 8 according to any one of the preceding claims characterized in that through the lumen of the catheter Solutions are injected into the blood that increase the conductivity to change the blood. Anspruch 9 nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Injektion verwendete Lösung Harnstoff enthält.Claim 9 according to claim 8, characterized that the solution used for injection is urea contains. Anspruch 10 nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Injektion verwendete Lösung Hydroxyethylstärke enthält.Claim 10 according to claims 8 and 9, characterized characterized in that the solution used for the injection Contains hydroxyethyl starch.
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