DE3784861T2

DE3784861T2 - Vorrichtung zum messen der arteriellen blutstroemung.

Info

Publication number: DE3784861T2
Application number: DE8787108130T
Authority: DE
Inventors: Jerome H Abrams; Claire T Hovland
Original assignee: Applied Biometrics Inc
Current assignee: Applied Biometrics Inc
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2007-06-05
Also published as: ATE86844T1; DE3784861D1; CA1281808C; JPH0431262B2; US4671295A; EP0270733A1; EP0270733B1; JPS63260538A

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Gebiet

Die Messung der Herz-Abgabemenge ist bei der Versorgung von kritisch kranken Patienten wie bei Patienten mit einem Mehrfach-Trauma, Patienten mit schwerer Sepsis und Patienten mit akutem Myokardial-Infarkt entscheidend. Im Falle von Patienten mit akutem Myokardial-Infarkt verschlechtert sich mit der Abnahme der Herz-Abgabemenge die Prognose. Die Kenntnis der Herz-Abgabemenge ergibt Informationen, die bei der Bestimmung des klinischen Zustandes eines gegebenen Patienten und bei der vernünftigen Planung der Therapie für den Patienten nützlich sind. Diese Informationen sind in den üblicherweise gemessenen Lebenszeichen nicht enthalten. Zum Beispiel läßt sich bei einem niedrigen mittleren arteriellen Druck mit erhöhtem Puls nicht geeignet zwischen einem kardiogenen und septischen Schock unterscheiden, deren Behandlungen sehr verschieden sind. Folglich ist ein Verfahren, das zwischen einem kardiogenen und einem septischen Schock unterscheiden kann, bei der Vorbereitung der richtigen Therapie wichtig. Die Messung der Herz-Abgabemenge ergibt in diesem Falle eine wertvolle Information, die es ermöglicht, eine geeignete Diagnose zu treffen.

Stand der Technik

Die hohe Bedeutung der Kenntnis der Herz-Abgabemenge hat bereits zu vielen Verfahren zu deren Bestimmung geführt. Das im allgemeinen klinischen Gebrauch verbreitetste Verfahren ist die Thermodilution. Beim Thermodilutionsverfahren wird ein Katheder im zentralen Venenkreislauf plaziert, gewöhnlich durch perkutane Einführung in die innere Hals- oder Subklavianvene. Ein Ballon am Ende des Katheders wird aufgeblasen, und der normale Blutfluß wird dazu verwendet, die Spitze des Katheders in die Arteria pulmonalis zu richten. Die Messung der Herz-Abgabemenge erfolgt durch Beobachtung der Verteilung eines Temperaturimpulses, im allgemeinen von einem Bolus aus gefrorenem sterilem Wasser oder einer Salzlösung. Offensichtlich kann das Verfahren ohne Eingriff in die Gefäßverzweigung nicht ausgeführt werden. In der Tat verläuft der Katheder durch das Herz und die Herzklappen. Die Fließrichtung ist nicht völlig sicher. Bei manchen Patienten ist der Zugang zu der Arteria pulmonalis nicht möglich. Während des Einbringens des Katheders sind Herzrythmusstörungen nicht ungewöhnlich. Andere Komplikationen schließen eine Sepsis, eine Thrombose in den zentralen Venen, eine Embolie und einen tödlichen Bruch der Arteria pulmonalis ein. Nachteile dieser Vorgehensweise sind das Fehlen von kontinuierlichen Informationen über die Herz-Abgabemenge und die zufällige Position des Katheders, etwa in einem ungünstigen Zweig der Arteria pulmonalis, mit der Folge von fehlerhaften Werten für die Herz-Abgabemenge. Eine Analyse des der Messung des Blutflusses durch Thermodilution innewohnenden Fehlers hat eine Standardabweichung von 20-30% ergeben.
Die Messung der Herz-Abgabemenge erfolgte auch bereits mittels der Indocyaningrün-Farbstofftechnik, die mehrere Nachteile hat. Die Technik ist mühsam, erfordert das Anbringen eines Arterienkatheders, ist bei niedrigen Werten der Herz-Abgabemenge nicht genau und ist bei wiederholten Messungen an demselben Patienten schwierig anzuwenden. Komplikationen schließen eine Hämatomie an der Stelle des Katheders, eine Sepsis durch den Katheder, Thrombosen in der Arterie, die den eingeführten Katheder enthält, und die Bildung von Pseudoaneurismen an der Stelle des Eindrigens in die Arterie ein.
Die Fick-Methode basiert auf der Messung des Sauerstoffverbrauchs. Sie ist am besten bei wachen, bei Bewußtsein befindlichen, stabilen Patienten anzuwenden, die keine Atmungsunterstützung durch ein Beatmungsgerät benötigen. die Methode erfordert einen Eingriff in die Arteria pulmonalis, um Proben des vermischten venösen Blutes zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes zu erhalten. Wie bei der Indocyaningrün-Farbstofftechnik muß zum Entnehmen von arteriellem Blut für den Sauerstoffgehalt ein Arterienkatheder gesetzt werden, mit den oben erwähnten Nachteilen.
Transkutaner Ultraschall wurde ebenfalls bereits verwendet. Die Ultraschallwandler werden außen am Körper am Suprasternal-Einschnitt angebracht. Unter den günstigsten Umständen kann bei mindestens 10% der Patienten die Herz-Abgabemenge nicht auf diese Weise gemessen werden. Es wurden viele bei diesen Versuchen aufgetretene Schwierigkeiten berichtet: Wiederholte Messungen können zu einer sich ändernden Stelle für die aufgenommene, abgetastete Menge führen, es treten Änderungen im Schnittwinkel des Ultraschallstrahles mit der Achse des Blutgefässes auf, es besteht keine Möglichkeit für eine kontinuierliche Messung der Herz-Abgabemenge, und es können andere Haupt-Brustblutgefässe die Doppler-Ultraschallsignale beeinflussen. Des weiteren ist die Methode unter vielen klinischen Bedingungen nicht anwendbar, bei denen die Patienten nicht kooperativ sind oder sich im Operationsraum befinden, wo der Suprasternal-Einschnitt nicht zugänglich sein kann.
Wegen dieser Schwierigkeiten wurde eine einpflanzbare, entfernbare Doppler-Ultraschallvorrichtung für die Messung der Herz-Abgabemenge zur direkten Anbringung an der Aorta entwickelt. Die Vorrichtung erfordert einen größeren operativen Eingriff wie das Auftrennen des Brustbeins oder das Entfernen einer Rippe zur Öffnung der Brusthöhle, um die Vorrichtung direkt an der Wand der Aorta anzubringen. Das Entfernen der Vorrichtung erfordert ebenfalls einen chirurgischen Eingriff. Wenn die Vorrichtung in einer Hauptkörperhöhle verlorengeht, wird ein schwerwiegender chirurgischer Eingriff erforderlich.
Es wurde auch versucht, die Herz-Abgabemenge durch eine kontinuierliche oder einzige Gas-Auswaschung zu messen, jedoch dies nicht bei der Üblichen klinischen Medizin angewendet. Solche Methoden erfordern viele Näherungen für die Lungenfunktion beim Nachahmen des Systems. Es sind zeitaufwendige numerische Analysen notwendig. In einer Studie wurde gezeigt, daß eine Messung der Herz-Abgabemenge bei narkotisierten Patienten mittels Argon und Freon während des passiven Beatmens niedrigere Herz-Abgabemengen ergibt als eine gleichzeitig durchgeführte Fick-Bestimmung. Die Autoren schlossen daraus, daß das Verfahren erhebliche Störungen der Blut-Dynamik verursacht und daher nicht für den allgemeinen Gebrauch geeignet ist.
Indirekte Messungen schließen den Puls, den Blutdruck und die Urinabgabe ein, diese Messungen sind jedoch nicht kennzeichnend für die Herz-Abgabemenge. Zum Beispiel kann bei einem akuten Nierenversagen die Urinabgabe nicht mit der Perfusion von wesentlichen Organen korreliert werden.
Bezüglich Patenten zeigt Tickner im US-Patent Nr. 4 316 391 eine Ultraschalltechnik zur Messung der Blutflußrate. Colley et al. zeigen im US-Patent Nr. 4 354 501 eine Ultraschalltechnik zum Erfassen einer Luftembolie in Blutgefässen. Zahlreiche Patente beschreiben Katheder oder Sonden, einschließlich Calinog, US-Patent Nr. 3 734 094, Wall, US-Patent Nr. 3 951 136, Mylrea et al., US-Patent Nr. Re. 31 377, Perlin, US-Patente Nr. 4 303 239; 4 304 240 und 4 349 031, Colley et al., US-Patent Nr. 4 354 501 und Furler, US-Patent Nr. 4 369 794.
Die FR-A-2 424 733 beschreibt eine Sonde für die Ultraschallbestimmung des Blutflusses in einer Arterie, die die Merkmale umfaßt, die im ersten Teil des Patentanspruchs 1 angeführt sind. Die bekannte Vorrichtung beinhaltet einen aufblasbaren Ballon, der, wenn er mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dazu dient, den mittig angeordneten Ultraschallwandler stationär in der Arterie in einer vorgegebenen Orientierung zu halten.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur nicht-invasiven, kontinuierlichen und genauen Messung der Herz-Abgabemenge in einer Hauptschlagader eines Säugetierherzens, insbesondere des Menschenherzens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Sonde gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei die aufblasbare Einrichtung so angeordnet, daß sie eine Linse, die am Wandler angebracht ist, in Kontakt mit der Innenwand der Luftröhre drängt, wodurch die Übertragung des Ultraschalls verbessert ist und die Genauigkeit der Messung erhöht wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine vertikale Schnittansicht des oberen Teiles des menschlichen Körpers von vorne nach hinten, die die Nasen- und Mundhöhlen und den Weg durch die Luftröhre zu deren Verzweigung zeigt. Das Herz ist in einer linken seitlichen Ansicht gezeigt. Die erfindungsgemäße Luftröhrensonde ist in Position in der Luftröhre gezeigt, mit dem (den) Wandler(n) in unmittelbarer Nähe der aufsteigenden Aorta.
Figur 2 ist eine eine Vorderansicht der aufsteigenden Aorta, der Luftröhre einschließlich deren Verzweigung und der Speiseröhre und zeigt die enge Beziehung zwischen der Luftröhre und der aufsteigenden Aorta.
Figur 3 ist eine horizontale Schnittansicht des Rumpfes eines Menschen auf der Höhe der Luftröhrenverzweigung und zeigt die enge Beziehung zwischen der Luftröhre und der aufsteigenden und der absteigenden Aorta und den Lungenarterien.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Sonde mit einem im Axialschnitt weggeschnittenen Ende, um die Anbringung und Orientierung der Wandler bezüglich der Röhrenachse zu zeigen.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht der Luftröhre und der aufsteigenden Aorta und zeigt die Plazierung und Orientierung der Sonde und der Wandler bezüglich des Weges des Blutes in der aufsteigenden Aorta.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht und ein Blockdiagramm, die bzw. das die Orientierung und Beziehung der Wandler zeigt. Auch sind die elektrischen Leiter gezeigt, die die Röhre der Länge nach zu der Ultraschall erzeugenden und empfangenden Einrichtung entlanglaufen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung

Die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung besteht aus einer Sonde mit einem piezoelektrischen Wandler, der an einem Ende angebracht ist, und elektrischen Leitern, die sich über der Länge der Sonde erstrecken, um eine Verbindung mit herkömmlicher Hardware für einen gerichteten gepulsten oder kontinuierlichen Dopper-Ultraschall herzustellen, wie der von Hartley et al. im Journal of Applied Physiology, Oktober 1974, und von Keagy et al. im Journal of Ultrasound Medicine, August 1983, beschriebenen. Der Signalausgang kann modifiziert werden, um die Blutfluß-Volumenrate, den Durchmesser der Aorta oder eines anderen Blutgefässes und andere ausgewählte Darstellungen anzuzeigen.
Die Sonde 10 ist in den Figuren 1, 4, 5 und 6 gezeigt. Die Sonde 10 besteht aus einer flexiblen Plastikröhre 11, die etwa drei bis vier Fuß lang ist und einen Außendurchmesser von etwa einem viertel Zoll hat. Die Länge muß ausreichen, um sich von der Außenseite des Körpers durch die Luftröhre bis in die Nähe des Herzen zu erstrecken, wobei sie entweder durch die Nasen- oder Mundhöhle eingeführt wird oder im Falle von Patienten mit einem Luftröhrenschnitt durch eine chirurgische Öffnung.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind in einem Anbringungsmedium 23 an der Außenseite der Röhre 11 an einem Ende zwei piezoelektrische Wandler 21 und 22 angebracht. Der Wandler 21 wird dazu verwendet, Doppler-Daten für die Berechnung der Geschwindigkeit aufzunehmen, und der Wandler 22 dazu, Daten für die Berechnung des Durchmessers der Arterie an der Stelle der Geschwindigkeitsmessung aufzunehmen, obwohl die Daten für die Durchmesserbestimmung auch, wenn auch mit geringerer Genauigkeit, mittels des Wandlers 21 erhalten werden können. Der Röhre 11 entlang erstrecken sich elektrische Leiter 24, 25, 26 und 27, um eine Verbindung mit der herkömmlichen Doppler-Ultraschall-Hardware 28 herzustellen. Die piezoelektrischen Wandler 21 und 21 ergeben eine gerichtete Ultraschallübertragung und sind wie in der Fig. 6 gezeigt orientiert. Der Wandler 21 ist entsprechend orientiert, um den Ultraschall in einer Richtung von 45º bezüglich der Achse der Röhre 11 auszusenden und zu empfangen, und der Wandler 22, um den Ultraschall in der gleichen Ebene (d.h. in der Ebene, die von der Achse der Röhre 11 und der Richtung der Ultraschallaussendung vom Wandler 21 festgelegt wird), jedoch im Winkel von 90º bezüglich der Achse der Röhre 11 auszusenden und zu empfangen. Der Winkel der Ultraschallaussendung vom Wandler 21 bezüglich der Achse der Röhre 11 ist mit bezeichnet (vgl. Figur 6). Bei der bevorzugten Ausführungsform ist gleich 45º, der Winkel kann jedoch im Bereich von 10º - 80º variieren. Winkel unter 10º sind nicht geeignet, da dann die Möglichkeit fehlt, einen Offset- Fluß zu schneiden, der sich im wesentlichen parallel zur Achse der Röhre 11 erstreckt (und der bei der Anwendung des unten genauer beschriebenen Verfahrens erforderlich ist), und Winkel zwischen 80º und 90º sind nicht geeignet, da die Doppler-Verschiebung nicht vorhanden ist oder zu klein ist, um ausgenützt zu werden, wenn die Ultraschallwellen durch einen Fluß reflektiert werden, der senkrecht zur Richtung der Ultraschallaussendung verläuft. Es ist zu erkennen, daß der piezoelektrische Wandler 21 in jede Richtung der Achse der Röhre 11 gerichtet werden kann, d.h. entweder zum Wandler 22 hin oder davon weg, mit dem Ergebnis einer Ultraschallaussendung entweder im wesentlichen in oder im wesentlichen gegen die Strömungsrichtung des Blutflusses in der Arterie.
Wie in der Fig. 4 gezeigt, ist an der Vorderseite der Wandler 21 und 22 jeweils eine Linse 21A bzw. 22A angeordnet, um ein Medium für die Übertragung des Ultraschalls von den Wandlern zu einer ebenen Fläche am äußersten Ende des Sondenaufbaues zu bilden. Diese Anordnung erlaubt einen engen Kontakt zwischen den Linsen 21A und 22A und der Wand der Luftröhre T (siehe Figur 5), so daß sich zwischen der Wand der Luftröhre und den Wandlern 21 und 22 keine Luftspalt befindet, eine Barriere für die Ultraschallübertragung. Ein akustisches Gel wie Aquasonic 100, ein Warenzeichen von und erhältlich von Park Laboratories, Orange, New Jersey, ist an der Oberfläche der Linsen 21A und 22A aufgebracht, umd den kleinen, unregelmäßigen Raum oder die Räume zwischen den Linsen 21A und 21B und der Luftröhre auszufüllen, die wegen der unregelmäßigen geformten und relativ gering deformierbaren knorpeligen inneren Oberfläche der Luftröhre bleiben, wenn die Linsen an der Luftröhre anliegen. Die Linsen 21A und 22A können aus einem Kunststoff wie Plexiglas bestehen, einem Warenzeichen von und erhältlich von Rohm and Haas Company, Philadelphia, Pennsylvania, und sie sind am Wandler 21 bzw. 22 mit einem geeigneten Klebstoff befestigt.
Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Sonde 10 in der Luftröhre T festzuhalten und die Linsen 21A und 22A in engen Kontakt mit der Innenwand der Luftröhre zu drängen. Ein ringförmiger Ballon 29 erstreckt sich um den Umfang der Röhre 11 oberhalb der Wandler 21 und 22 (siehe Figur 4) und hält, aufgeblasen, die Röhre 11 in Position. Ein nur an einer Seite der Röhre 11 gegenüber den Wandler 21 und 22 angebrachter zweiter Ballon 30 drückt und hält, aufgeblasen, die Wandler in Eingriff mit der Wand der Luftröhre. Die Ballons 29 und 30 sind in der Figur 4 unaufgeblasen und in der Figur 5 aufgeblasen gezeigt. Es ist eine (nicht gezeigte) Rohrverbindung vorgesehen, die sich der Röhre 11 entlang erstreckt, um die Ballons 29 und 30 von einer Stelle außerhalb der Körpers aufzublasen und abzulassen, wenn sich die Sonde an ihrer Stelle befindet. Der Betrieb und Gebrauch der Ballone 29 und 30 ist genauer weiter unten erläutert.
Der Raum oder Abstand zwischen dem Wandler 21 und dem Wandler 22 ist eine Funktion des Winkels und des Durchmessers des Blutgefässes wie der Aorta oder Lungenarterie, in der die Messung des Butflusses erfolgt, so daß die Durchmesserdaten mittels des Wandlers 22 und die Geschwindigkeitsdaten mittels des Wandlers 21 in der gleichen Ebene über die Arterie genommen werden. Dies stellt sicher, daß die Volumenberechnung (Geschwindigkeit x Querschnittsfläche) exakt ist. Das heißt, der Abstand D (siehe Figur 6) ist gleich dem geschätzten Durchmesser de des Blutgefässes an der Meßstelle (Wandler 22) geteilt durch 2 mal den Tangens von , oder
Im Falle von gleich 45º, wie bei der bevorzugten Ausführungsform, ist der Abstand D zwischen den Wandlern gleich der Hälfte des geschätzten Durchmessers (oder gleich dem Radius) des Blutgefässes am der Stelle der Durchmesser- und Geschwindigkeitsmessungen.
Über die Länge der Röhre 11 erstrecken sich elektrische Leiter 24, 25, 26 und 27, die in der Lage sein müssen, ultrahochfrequente elektrische Signale (bis hinauf zu 20 Megahertz) ohne wesentliche Abschwächung zu übertragen. Zum leichteren Verbinden und Lösen der Verbindung der Leiter 24-27 mit der herkömmlichen Doppler-Ultraschall-Hardware 28 kann ein elektrisches Verbindungselement wie das im Furler-Patent (4 369 794) gezeigte verwendet werden.
Das obige ist eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Luftröhrensonde 10, die die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens folgt.

Verfahren

Das Verstehen des Verfahrens unter Anwendung der obigen Sonde erfordert einiges Verständnis der Anatomie der Säugetiere und insbesondere das Verständis der menschlichen Anatomie, die in den relevanten Teilen in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt ist. Das Verfahren basiert auf dem Schritt des Anordnens der Ultraschallwander 21 und 22 in unmittelbarer Nähe des arteriellen Blutgefässes, in dem der Blutfluß zu messen ist, typischerweise die aufsteigende Aorta eines Menschen, ohne Chirurgie oder andere eingreifende Techniken. Das Verfahren beruht auf der anatomischen Entdeckung oder dem Umstand, daß die aufsteigende Aorta an die Luftröhre gerade über deren Verzweigung angrenzt, und daß in der Luftröhre angeordneter Wandler zu der aufsteigenden Aorta hin ausgerichtet werden kann und genaue Blutflußmessungen ohne wesentliche Beeinträchtigungen erfolgen können. Wie in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt, kann durch die Nasenhöhle N oder die Mundhöhle 0 an der Epiglottis E vorbei und in die Luftröhre T hinein gemäß üblicher medizinischer Praxis Zugang zu der Luftröhre T eines Menschen erhalten werden. Auch kann ein Zugang durch eine chirurgische Öffnung am Suprasternal-Einschnitt S bei Patienten erhalten werden, die einen Luftröhrenschnitt erhalten hatten. Die aufsteigende Aorta A und die Lungenarterie PA befinden sich in unmittelbarer Nähe der Luftröhre T gerade über der Verzweigung, wie am besten aus den Figuren 2 und 3 gesehen werden kann.
Folglich kann ein oder können mehrere in der Luftröhre angebrachte Wandler wie in der Figur 1 gezeigt darauf ausgerichtet werden, Ultraschallwellen durch die Wand der Luftröhre und die Wand der aufsteigenden Aorta oder der Lungenarterie zu senden und zu empfangen, die vom Blutfluß in der gewählten Arterie reflektiert werden und, aufgrund der Bewegung des Blutes, eine Dopplerverschiebung in der Frequenz der reflektierten Wellen im Vergleich zur Frequenz der ausgesendeten Wellen verursachen. Die Ultraschallwellen werden auch von den naheliegenden und entfernteren Wänden der Arterie reflektiert, diese Reflexion kann zur Durchmesserbestimmung der Arterie verwendet werden.
Die Sonde 10 ist so plaziert, daß die Wandler 21 und 22 in der Luftröhre T so angeordnet sind, daß sie zu der gewählten Arterie hin zeigen, etwa der aufsteigenden Aorta A, wie es in der Figur 5 gezeigt ist. Die Position der Sonde 10 und der Wandler 21 und 22 kann eingestellt werden, bis die maximale Dopplerverschiebung erhalten wird, und die Position kann auch durch Röntgenstrahlen überprüft oder bestätig werden, um eine Plazierung für eine optimale Datenaufnahme sicherzustellen. Im allgemeinen sollten die Wandler 21 und 22 gerade oberhalb der Luftröhrenverzweigung angeordnet und zu der ausgewählten Arterie hin ausgerichtet werden, etwa der aufsteigenden Aorta (siehe Figur 5).
Die Ballons 29 und 30 werden dann mit einem ausreichenden Minimaldruck aufgeblasen, um die mit akustischem Gel belegte Oberfläche der Linsen 21A und 22A in eingen Kontakt mit der Wand der Luftröhre zu bringen, die der aufsteigenden Aorta am nächsten ist. Ein ausreichender Minimaldruck ist erreicht, wenn am Instrument 28 Ultraschallmeßwerte erhalten werden. Der Ballon 29 positioniert die Sonde 10 und blockiert den Ringraum zwischen der Luftröhre und der Sonde 10. Es ist daher wichtig, daß die Röhre 11 als herkömmliche Endotracheal-Röhre dient und ein offenes Ende hat, wie es in der Figur 4 gezeigt ist, um eine Atmung des Patienten über die Röhre 11 zu ermöglichen, die reguliert und gesteuert werden kann und die die Zugabe von Sauerstoff einschließt. Der Ballon 30 hält die mit akustischem Gel versehene Oberfläche der Linsen 21A und 22A in engem Kontakt mit der vorderen Innenwand der Luftröhre, die zur aufsteigenden Aorta hin zeigt, wodurch ein Luftspalt oder Zwischenraum zwischen den Wandlern und der Luftröhrenwand vermieden wird, die eine Barriere für die Ultraschall-Aussendung und den Empfang darstellen würde, und die Ultraschallübertragung von den Wandlern 21 und 22 über die Linsen 21A und 22A, das akustische Gel, die Luftröhrendwand, das Bindegewebe, das zwischen der Luftröhre und der aufsteigenden Aorta liegt, der Wand der aufsteigenden Aorta, dem in der aufsteigenden Aorta fließenden Blut und zurück sicherstellt. Es ist anzumerken, daß zwischen der Außenwand der Luftröhre und der aufsteigenden Aorta kein Luftraum vorhanden ist, da aller Raum mit Bindegewebe angefüllt ist, das Ultraschall überträgt.
Nach der richtigen Plazierung der Sonde 10 und der Verbindung mit der elektrischen Hardware 28 werden Ultraschallsignale erzeugt und es wird die Dopplerverschiebung für die Geschwindigkeitsberechnung gemessen, und es werden auch Daten zur Berechnung des Durchmessers der Arterie aufgenommen. Diese Daten werden dazu verwendet, die volumetrische Rate des Blutflusses gemäß dem folgenden Beispiel zu bestimmen.
Die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes an der Stelle der Ultraschallreflexion kann unter Verwendung der Formel
bestimmt werden, in der
die mittlere Fließgeschwindigkeit,
C die Schallgeschwindigkeit im Medium (menschliches Gewebe oder Blut),
Δf die mittlere Dopplerfrequenzdifferenz oder Verschiebung,
θ der Winkel zwischen der Richtung der ausgesendeten und empfangenen
Wellen und dem Weg des Flusses (Geschwindigkeitsvektor) des Blutes, und,
fo die Ultraschall-Trägerfrequenz (die Sendefrequenz)
ist.

Berechnungsbeispiel

Es sei
C = 1,55 x 10&sup5; cm/s (Konstante für Gewebe und Blut)
Δf = 1,5 x 10³ Hz (mit Doppler-Ultraschall gemessen)
fo = 10 x 10&sup6; Hz (angenommene Geräte-Primärfrequenz), und
θ = 45º (cos θ = 0,7071).
Dann ist:
= 16,4 cm/s (Blutgeschwindigkeit).
Die volumetrische Fließrate, Q, kann wie folgt bestimmt werden:
Q = A,
wobei
Q die volumetrische Fließrate,
mittlere Fließgeschwindigkeit und
A die Querschnittsfläche an der Stelle der Geschwindigkeitsmessung
ist.

Berechnungsbeispiel

Es sei
= V = 16,4 cm/s
A = πr² mit r = 1,25 cm
(d mit Ultraschall gemessen, r = d/2).
Dann ist
Q = 16,4 cm/s x 4,909 cm²
Q = 80,7 cm³/s oder 4,84 Liter/Minute.
Bei der Bestimmung der Fläche A der Arterie wird der Wandler 22 dazu verwendet, Ultraschallsende- und -empfangsdaten aufzunehmen, aus denen die Durchmesserbestimmung auf herkömmliche Weise erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist der Wandler 22 vom Wandler 21 einen Abstand D entfernt, der gleich dem geschätzten Durchmesser de der Arterie an der Meßstelle geteilt durch 2 mal dem Tangens von ist, so daß die Ultraschallsendungen und Reflexionen vom Wandler 22 zur Durchmesserbestimmung die Geschwindigkeits-Ultraschallsendungen und Reflexionen vom Wandler 21 in der Mitte der Arterie schneiden. Damit wird die Durchmesserbestimmung an der Stelle der Erfassung der mittleren Geschwindigkeit des Flusses in der Arterie durchgeführt, so daß die Mengenberechnung genau ist. Es ist anzumerken, daß zum Zwecke des Berechnens der Querschnittsfläche der Arterie angenommen wird, daß die Fläche kreisförmig ist, wie aus dem vorhergehenden Beispiel ersichtlich ist.
Es ist anzumerken, daß der Winkel ab dem Zeitpunkt, wenn die Wandler an der Röhre 11 montiert werden, festgelegt ist, unter der Annahme, daß sich die Röhre 11 zwischen den Wandlern 21 und 22 nicht biegt. bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Winkel gleich 45º, obwohl, wie oben angegeben, er von 10º bis 80º reichen kann. Wenn eine Plazierung der Röhre 11 in einer Position in der Luftröhre mit der Achse parallel zum Fluß P des Blutes in der Arterie angenommen wird, in der die Messung erfolgen soll, ist der Winkel θ (der Winkel zwischen der Richtung der Ultraschallaussendung vom Wandler 21 und dem Fluß P des Blutes in der Arterie) der gleiche wie der Winkel θ. Es ist jedoch nicht immer möglich, die Röhre 11 mit ihrer Achse genau parallel zum Fluß P anzuordnen. Wenn nicht parallel zum Fluß P positioniert, ist der Winkel θ nicht der gleiche wie der Winkel und, wenn als gleich angenommen, wird ein unnötiger Fehler in die Berechnung der Geschwindigkeit eingeführt. Um einen genaueren Wert θ zu erhalten, kann die folgende Formel verwendet werden:
wobei
r&sub1; der Bereich oder Abstand zur Arterien-Mittellinie für den Wandler 21,
r&sub2; der Bereich oder Abstand zur Arterien-Mittellinie für den Wandler 22 und
θ der Winkel zwischen den Wandlern 21 und 22
ist.
In der vorstehenden Beschreibung wurden zwei Wandler 21 und 22 beschrieben, einer für die Geschwindigkeitsmessung und einer für die Durchmesserbestimmung. Sowohl die Geschwindigkeitsdaten als auch die Durchmesserdaten können unter Verwendung nur eines Wandlers 21 erhalten werden. In einem solchen Fall erfolgt die Geschwindigkeitsbestimmung wie oben angegeben, und die Durchmesserbestimmung erfolgt durch Berechnung des Abstandes der Hypotenuse, dh, über die Arterie in der Richtung der Übertragung vom Wandler 21 und die Berechnung des Durchmessers d als die Hypotenuse mal dem sin θ, d.h. d = dh sin θ. Der Nachteil dieses Vorgangs ist, daß die Durchmesserbestimmung nicht am Schnittpunkt der Ultraschallübertragung in der Mitte der Arterie erfolgt, und daß angenommen werden muß, das θ gleich ist, was im Ergebnis einen gewissen Mangel an Genauigkeit in den Geschwindigkeits- und Mengenberechnungen zur Folge hat. Nichtsdestoweniger sind Bestimmungen unter Verwendung nur eines Wandlers genau genug, um von Nutzen zu sein.
Zusätzlich zur Messung der arteriellen Blutflußrate kann die obige Methode dazu verwendet werden, während einer Kardio-Pulmonar-Wiederbelebung (CPR) die Wirksamkeit der CPR zu bestimmen; die Blutbeschleunigung und die Fließrate zu bestimmen; ein Blut-Geschwindigkeitsprofil über die Arterie, wie über die Aorta, über eine Entfernungszuordnung zu erhalten; die Variation der Arterienabmessungen während des pulsierenden Flusses zu messen; und eine Herzschlag-Volumenmessung der Herz-Abgabemenge zu erhalten.
Eine große Anzahl von Patienten, die eine kontinuierliche Messung der Herz-Abgabemenge erfordern, haben bedeutende begleitende klinische Probleme. Oft haben solche Patienten ein Mehrfachsystem-Organversagen, eine schwere Sepsis, ein bedeutendes Trauma an vielen Hauptorgansystemen, ein dekompensiertes Stauungs-Herzversagen oder einen schweren Myokardial-Infarkt. Bei solchen Patienten ist oft wegen solcher Probleme ein Endotrachealtubus eingesetzt. Beispielsweise erfordert die Anwendung einer allgemeinen Anästhesie bei Patienten mit einem größeren chirurgischen Eingriff das Vorhandensein eines Endotrachealtubus zur Aufrechterhaltung des Luftweges des Patienten. Bei Patienten mit Operationen am offenen Herzen bleibt ein Endotrachealtubus oft für die Operation folgenden Nacht an Ort und Stelle. Patienten mit einem schweren Trauma werden routinemäßig intubiert nach bedeutendem Thoraxtrauma, bedeutenden Kopfverletzungen oder Mehrfach-Bauchverletzungen. Patienten mit Mehrfachsystem-Organversagen, septischem Schock oder Blutungsschock haben eingesetzte Endotrachealtubusse zur Unterstützung der Atmung während der akuten Dekompensation und in der unmittelbaren Wiederbelebungsphase. Patienten mit größeren Verbrennungen erfordern häufig eine Endotracheal-Intubation während der anfänglichen Wiederbelebung, für den Transport zu einem Zentrum für Verbrennungen und wegen thermischer Verletzungen des Atmungssystems. Patienten mit dekompensiertem Stauungs-Herzversagen, das zu einer Lungen- Dekompensation mit der Ansammlung von Flüssigkeit in der Lunge führt, erfordern eine Endotracheal-Intubation. Solche Patienten können unterliegende Myokardial-Infarkte, eine Kardiomyopathie, Herzklappenfehler oder ein chronisches Stauungs-Herzversagen haben. Bei vielen dieser Beispiele ist die Stabilisierung des Herzgefäßsystems eine Voraussetzung für das Entfernen des Trachealtubus. Folglich stellt die Anwendung einer Endotrachealsonde gemäß der vorliegenden Erfindung keine weiteres Eindringen in eine Körperhöhle dar. Im Falle von Patienten, die bereits einen Trachealtubus eingesetzt haben, und auch im Falle von Patienten, bei denen vorher aus anderen Gründen kein Trachealtubus gesetzt wurde, erlaubt die erfindungsgemäße Sonde die Messung der Herz-Abgabemenge an einer optimalen Stelle, ohne große chirurgische Vorgänge oder einen Eingriff in ein geschlossenes Körpersystem. Es wird keine Hauptkörperhöhle benötigt, die nicht sowieso mit der äußeren Umgebung in Verbindung steht. Kein kleinerer oder größerer chirurgischer Vorgang ist notwendig. Im Gefäßsystem, einer Hauptkörperhöhle oder einem Hauptorgan ist kein eingeführter fremder Körper erforderlich. Es wird kein Farbstoff und kein radioaktive Substanz für die Ausführung der Messung benötigt, und es wird keine Luftembolie ausgelöst. Auch ist eine kontinuierliche Überwachung möglich.
Während die obige Beschreibung auf die Messung der Herz-Abgabemenge in der aufsteigenden Aorta gerichtet ist, kann auch eine Messung des Blutflusses in der absteigenden Aorta, der rechten Lungenarterie und der linken Lungenarterie erfolgen.

Claims

1. Sonde zur Verwendung bei der Bestimmung der Blutströmungsgeschwindigkeit in der Arteria pulmonalis, der Aorta oder einer sonstigen Haupt-Schlagarterie eines Säugetierherzens, umfassend

einen zur Einführung in den Körper des Säugetiers geeigneten Schlauch (11),

einen ersten Ultraschallwandler (21), der an dem Schlauch (11) nahe von dessen distalem Ende angebracht und so angeordnet ist, daß er in einer Richtung innerhalb eines Bereichs von 10º bis 80º bezüglich der Achse des Schlauchs (11) sendet, und

eine erste an dem Schlauch (11) angebrachte aufblasbare Einrichtung (30), um den Wandler (21) durch Aufblasen zu positionieren,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Schlauch (11) eine ausreichende Länge hat, um sich vom Mund- oder Nasenraum des Säugetiers oder von einer chirurgischen Luftröhrenöffnung durch die Luftröhre (T) bis zu deren Verzweigung zu erstrecken,

daß die erste aufblasbare Einrichtung (30) dem ersten Ultraschallwandler (21) gegenüber angeordnet ist, um den Wandler (21) in Berührung mit der Innenwand der Luftröhre (T) zu drücken, und

daß an dem ersten Wandler (21) eine Linse (21A) angebracht ist, die ein Medium zur Ultraschallübertragung von dem Wandler (21) an einen mit der Wand der Luftröhre (T) in Berührung stehenden äußeren Teil der Sonde bildet.

2. Luftröhrensonde nach Anspruch 1, wobei das distale Ende des Schlauchs (11) offen ist, um eine Belüftung des Säugetiers durch den Schlauch (11) zu vermitteln.

3. Luftröhrensonde nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zweiten aufblasbaren Einrichtung (29), die an dem Schlauch (11) nahe und oberhalb des ersten Wandlers (21) angebracht ist und sich um den gesamten Umfang des Schlauchs (11) erstreckt, um beim Aufblasen die Sonde zentrisch in der Luftröhre (T) zu placieren.

4. Luftröhrensonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem zweiten Ultraschallwandler (22), der an dem Schlauch (11) nahe von dessen Ende angebracht, in Richtung der Ultraschallaussendung von dem ersten Wandler (21) gegenüber diesem in Abstand angeordnet und so ausgelegt ist, daß er in einer Richtung sendet, die zu Achse der Sonde senkrecht steht und die Aussendungen des ersten Wandlers (21) schneidet.

5. Luftröhrensonde nach Anspruch 4, wobei der Abstand vom ersten Wandler (21) zum zweiten Wandler (22) gleich dem geschätzten Durchmesser der Arterie (A) an der Stelle der beabsichtigten Blutströmungsmessung ist, dividiert durch den doppelten Tangens des Winkels, unter dem der erste Wandler (21) bezüglich der Achse der Schlauchs (11) sendet.

6. Luftröhrensonde nach Anspruch 4 oder 5, mit elektrischen Leitern (24...27), die von dem ersten bzw. dem zweiten Wandler (21, 22) über die Länge der Sonde verlaufen.

7. Luftröhrensonde nach Anspruch 3, mit einer Einrichtung zum Aufblasen der ersten und der zweiten aufblasbaren Einrichtung (30, 29).