DE3871897T2

DE3871897T2 - Unblutige ueberwachung des herzschlagvolumens.

Info

Publication number: DE3871897T2
Application number: DE8888309386T
Authority: DE
Inventors: Paul Clancy; Peter Ronald Hall; Darwood Parker; Jack Trehearne
Original assignee: Abbey Biosystems Ltd
Current assignee: Abbey Biosystems Ltd
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2008-10-08
Also published as: ATE77040T1; DE3871897D1; GB8723621D0; EP0311431A1; US5022410A; JPH021249A; JPH0556905B2; EP0311431B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine nicht-invasive Herzschlag-Überwachungsvorrichtung; im speziellen bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zum Langzeit- oder kontinuierlichen Gebrauch bei einer derartigen Überwachung.
Die kontinuierliche Überwachung der arteriellen Blutgeschwindigkeit und abgeleiteter Parameter durch Doppler- Ultraschall oder die Überwachung durch eine Kombination von ECG und Doppler-Ultraschall wurde bisher nicht durchgeführt.
In einfachen Worten, die nicht-invasive Überwachung des Herzschlags bedeutet die Bestimmung der Blutmenge, welche durch das Herz gepumpt wird, ohne in den Körper einzudringen. Die Verwendung einer Ultraschall-Ausrüstung wurde für diesen Zweck vorgeschlagen, sie ist jedoch von erheblichen Problemen begleitet. Ohne daß der Anwender ein hohes Maß an Erfahrung hat, sind die Ergebnisse unzuverlässig, da keine Mittel für die Ausrüstung vorhanden sind, um zwischen einem systolischen, d.h. gewollten Blutfluß und einem diastolischen, d.h. ungewollten Blutfluß zu unterscheiden. Zusätzlich gibt es für das System keine Mittel, den Rauschabstand der Strömungssignale zu bewerten, eine Funktion, welche notwendig ist, da ein schlechter Rauschabstand Fehlmessungen hervorruft. Weiterhin muß für eine aussagefähige Messung der Meßwandler exakt positioniert werden und muß so an seinem Platz gehalten werden, daß ein sachgemäßer Druck aufgebracht wird. Versuche, den Meßwandler, welcher beispielsweise ein Klebeband verwendet, in bester Weise zu positionieren, sind nur zum Teil erfolgreich. Weiterhin dürfen die Positioniermittel, speziell bei einer Langzeitverwendung, keine unnötige Belästigung für den Patienten bewirken und müssen eine Körperbewegung ohne Störung der Überwachung zulassen.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die Anforderungen zur Unterscheidung zwischen einer systolischen und einer diastolischen Strömung, einer Abschätzung des Rauschabstands und einer Meßwandlerpositionierung für eine Langzeitverwendung und bietet erhebliche Vorteile für das Klinikpersonal.
Allgemein ausgedrückt, umfaßt eine Herzschlag-Überwachungs- Vorrichtung, welche auf der Ultraschalltechnik basiert, üblicherweise die folgenden Einheiten: einen Meßwandler, welcher die Ultraschallsender/empfängerelemente enthält, welcher manuell an seiner Stelle an der Einkerbung des oberen Brustbeins des Patienten gehalten wird. Der Meßwandler ist über ein Kabel mit dem Hauptinstrument verbunden. Das Instrument umfaßt ein Doppler-Frontendsystem, welches jeweils die Ultraschallsignale zu und von dem Meßwandler erzeugt und empfängt, und welches ein Audio-Ausgangssignal des Doppler-verschobenen Ultraschalls erzeugt. Dieses Audiosignal wird daraufhin einem Spektralanalysator oder einem Nulldurchgangszähler zugeleitet, welcher, in Echtzeit, die vorliegende Maximalfrequenz, welche eine signifikante Energie enthält, extrahiert. Die während der Systole vorliegende Maximalfrequenz repräsentiert die arterielle Blutgeschwindigkeit, da eine Integration dieser Funktion, für jeden Schlag, den Abstand wiedergibt, welcher durch das Blut während jedes Schlages zurückgelegt wird. Dies wird üblicherweise als "Schlagabstand" bezeichnet. Der arterielle Querschnittsbereich wird daraufhin bestimmt, entweder durch direkte Messung, oder unter Verwendung eines Nomogramms. Der Schlagabstand multipliziert mit dem arteriellen Querschnittsbereich, multipliziert mit der Pulsrate ist dann gleich der Herzleistung, eine Berechnung, welche üblicherweise durch Software ausgeführt wird. Der somit erhaltene Herz-Leistungswert kann dann auf LED's oder LCD's angezeigt werden. Im Gebrauch wird der Meßwandler manuell an der Einkerbung des oberen Brustbeins positioniert und manipuliert, bis einige vorbestimmte Kriterien maximiert sind, beispielsweise die Steigung des Geräusches, welches über den Lautsprecher gehört wird, den Herz-Leistungswert, welcher angezeigt wird, oder die Spitzenfrequenz, so wie sie an einem Balkendiagramm wiedergegeben wird. Der so erhaltene Herz-Leistungswert wird notiert und der Meßwandler wird entfernt. Im allgemeinen wurden derartige Instrumente durch das medizinische Personal nicht gut akzeptiert. Eines der Hauptprobleme ist, daß sie dazu neigen, unzuverlässig zu sein, d.h., die Instrumente sind anfällig für Störungseffekte anderer Strömungen oder Bewegungen der Organe des Patienten relativ zu dem Meßwandler. Es können fehlerhafte Ergebnisse auftreten, ohne daß der Benutzer dies merkt. Ein weiteres großes Problem besteht darin, daß, wie bei den invasiven Techniken, welche die Ultraschallmethode zu ersetzen versuchen, die Messungen nur intermittierend sind, ein kontinuierliches Verfahren zur Überwachung der Herzleistung ist weit mehr wünschenswert, da es eine Überwachung beispielsweise während therapeutischer Bewegungen und Übungstests ermöglicht.
Überraschenderweise ist es nun möglich gewesen, einen vorteilhaften Ultraschallsensor und ein Instrument zu entwerfen, welche diese Probleme in signifikantem Maße überwinden.
Die vorliegende Erfindung schafft, bei einem Herzschlag- Überwachungsgerät, eine Vorrichtung zur Positionierung/Halterung eines Meßwandlers relativ zu einem Körper, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein Trägerelement zur Plazierung an dem Körper umfaßt, mit welchem ein Ende eines flexiblen und verlängerten Armes verbunden ist, welcher eine Aufnahme für den Meßaufnehmer an oder nahe seinem freien Ende aufweist, sowie Mittel zur Verriegelung des Arms in einer festen Stellung relativ zu dem Körper.
Im allgemeinen umfaßt der Arm mehrere miteinander in Eingriff befindliche Segmente, welche einen auf einen Draht aufgeschraubt sind. Der Spanndraht kann als feste Konstruktion ausgebildet sein, jedoch ist das Kabel, falls es, wie bevorzugt, gewebt ist, so, daß axiale Verdrehung bei veränderter Spannung minimiert ist. Die Segmente können durch Spannmittel in ihrer Stellung verriegelt sein, welche in der Schrauben- und Hebelbauart oder der Nocken- und Hebelbauart ausgebildet sind. Für die Segmente kann das gleiche oder ein unterschiedliches Material verwendet werden, welche entweder alle eine im wesentlichen konvexe Oberfläche oder eine gegenüberliegende, im allgemeinen konkave Fläche aufweisen oder zwischen solchen abwechseln, welche beide Flächen im wesentlichen konkav und solche, welche beide Flächen im wesentlichen konvex ausgebildet haben.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Überwachung der arteriellen Blutgeschwindigkeit und abgeleiteter Parameter durch Doppler-Ultraschall und /wahlweise, ECG, welche die vorliegende Einrichtung umfaßt und welche weiterhin die Verwendung einer derartigen Vorrichtung vorsieht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, welche im speziellen zur Verwendung beim nichtinvasiven Überwachen der Herzleistung geeignet ist. In allgemeinen Worten ist die vorliegende Vorrichtung eine Positionierung/Halterung für einen Meßwandler, beispielsweise einen konventionellen Ultraschallmeßwandler, an der Körperoberfläche, wobei im speziellen ein fester Kontakt mit der Einkerbung des oberen Brustbeins gemacht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Meßwandler an einem Ende eines flexiblen, feststellbaren Armes gelagert, einer sogenannten "sperrbaren Schlange", und kann in konventioneller Weise mit dem Doppler-Vorderende innerhalb des Instruments verbunden sein. Die "sperrbare Schlange" umfaßt mit Gewinde versehene Segmente, welche jeweils eine konkave Fläche und einen konvexe Fläche in einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel besitzen, welche mit benachbarten Segmenten zusammenpassen. Die Segmente sind üblicherweise aus Glas, welches mit Polykarbonat versetzt ist, gefertigt. Im allgemeinen sind derartige Elemente auf einen geeigneten Draht aufgeschraubt. An dem Ende der "sperrbaren Schlange" entfernt von dem Meßwandler ist eine Spanneinrichtung angebracht. Bis eine Spannung auf den Draht aufgebracht wird, können sich die Elemente relativ zueinander bewegen, was zu einer flexiblen "Schlange", welche die gewünschte Positionierung ermöglicht. Wenn der Meßwandler wie erforderlich angeordnet ist, kann eine Spannung auf den Draht aufgebracht werden, wodurch die Segmente in Eingriff gebracht werden und die Form beibehalten. Die Spannung kann durch vielfältige bekannte Mittel aufgebracht werden, welche üblicherweise auf einer Schrauben- und Hebel- und Nockenjustierung beruhen. Das mit Spannmitteln versehene Ende der Schlange ist an einem Trägerelement gelagert. Beispielsweise kann ein dreibeiniges Kunststoff-Trägerelement verwendet werden, welches an dem Brustkasten des Patienten befestigt ist, so daß der Meßwandler wie erforderlich positioniert werden kann. Das Trägerelement kann in vielfältiger Weise an dem Brustkasten befestigt werden. Es kann mit Klebepflastern an seinem Platz festgesteckt werden oder beispielsweise durch ein elastisches Band oder Bänder oder eine Kombination derartiger Mittel gehalten werden. Eine im speziellen günstige Kombination ist die Verwendung von Standard ECG-Elektroden als ein Verfahren zum Ankleben, zusammen mit einem einzelnen Nackenband. Dadurch werden die ECG-Signale, welche von dem Hauptinstrument benötigt werden, von dem gleichen Sensor bereitgestellt, welcher die Doppler-Signale abgibt. Andererseits kann das ECG-Signal durch eine standardisierte, separate ECG-Leitung erhalten werden.
Zum Zwecke der beispielhaften Erläuterung werden zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den zugehörigen Zeichnungen weiter beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht derselben;
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht von Spannmitteln;
Fig. 4, 5 und 6 zeigen ähnliche Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines Instruments unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezug auf die beigefügte beispielhafte Fig. 1 trägt in einem Ausführungsbeispiel ein Trägerelement 11 Spannmittel 12. Die Spannmittel steuern die Spannung in einem Draht 13, auf welchen jeweils abwechselnd im wesentlichen zylindrische und im wesentlichen sphärische Segmente 14 und 15 aufgefädelt sind, welche zusammen eine "sperrbare Schlange" bilden. An dem freien Ende der Schlange ist ein Meßwandler 16 gelagert, welcher mit einer geeigneten Überwachungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist. Korrespondierende Bezugszahlen sind in der beigefügten beispielhaften Fig. 2 verwendet. Wie aus diesem Ausführungsbeispiel zu ersehen ist, kann das Trägerelement 11 in gewünschter Weise konturiert sein, um zu einem Patientenkörper zu passen und kann die Lagerung der "Schlange" frei von diesem halten. Es ist weiterhin, im Schnitt, ein sphärisches Segment 15 dargestellt.
Die beigefügte beispielhafte Fig. 3 zeigt im Detail Spannmittel, welche jeweils in den Fig. 1 und 2 angedeutet sind. Grundsätzlich sind zwei gelenkig verbundene Elemente 31, 32 (gelenkig verbunden bei 35) so vorgesehen, daß der Draht 13 durch das Element 31 in nächster Nähe zu der "Schlange" hindurchgeht, welche den Meßwandler trägt und an dem anderen Element 32 angebracht oder befestigt ist. Durch Öffnen oder Schließen des gelenkigen Elements wird eine Spannung aufgebracht oder freigegeben. Eine Schrauben-Gewindeanordnung 33 wird bevorzugterweise verwendet, welche mittels eines Knopfes 34 eingestellt wird.
In einem derartigem Fall kann die Einrichtung an dem Brustkasten unter Verwendung zweier elastischer Bänder befestigt werden, eines um jeden Arm, deren Enden an den Extremitäten des Trägerelements angebracht sind. ECG-Signale können durch eine Standardanordnung von ECG-Drähten und Elektroden erhalten werden.
Unter Bezug auf die beigefügten beispielhaften Fig. 4 und 5 trägt in einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel ein Trägerelement 41 oder 51 Spannmittel 42 oder 52. Die Spannmittel steuern die Spannung in einem Draht 43 oder 53, auf welches Segmente aufgefädelt sind, welche jeweils eine teil-sphärische konkave Fläche aufweisen, welche zusammen eine "sperrbare Schlange" bilden. An dem freien Ende der Schlange ist ein Meßwandler 44 oder 54 gelagert, welcher mit einer geeigneten Überwachungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist.
Zusätzlich ist an der Spitze jedes der drei "Beine" des Trägerelements bei diesem Ausführungsbeispiel eine Druckbolzen-Buchse 45 oder 55 mit einer solchen Dimensionierung, daß sie einen Standard ECG-Elektroden-Druckbolzen aufnimmt. Die ECG-Elektroden können somit mit dem Trägerelement verbunden oder von diesem getrennt sein. Elektrische Verbindungen erfolgen im Inneren der Druckbolzen-Buchsen, um die ECG-Signale selbst zu erhalten.
Die beigefügte beispielhafte Fig. 6 zeigt im Detail die Spannmittel, welche in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Grundsätzlich ist ein feststehendes Bauelement 61 vorgesehen, welches ein drehbares Element 62 umfaßt, welches mittels eines Hebels 63 gedreht wird. Das drehende Element ist in Längsrichtung, exzentrisch, gebohrt und die so erhaltene Ausnehmung enthält eine Zwinge, in welche das Ende des Drahtes 64 fixiert ist. Das drehende Element bildet somit einen Nocken, welcher bei Absenkung eine Spannung aufbringt.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die Verwendung einer Kombination von Doppler-Ultraschall und ECG-Techniken eine zuverlässigere Messung der systolischen arteriellen Blutgeschwindigkeit und somit der Herzleistung möglich ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Software-Algorithmus verwendet werden, welcher Daten von dem Doppler- Ultraschall und dem ECG verwendet, welcher im speziellen verwendbar ist für die nicht-invasive Überwachung der Herzleistung.
Der QRS-Komplex des ECG-Signals kann als Synchronisier-Bezug verwendet werden, um zwischen Systole und Diastole zu unterscheiden. Beispielsweise kann die Systole als die erste Hälfte einer Zwischenschlagperiode und die Diastole als die zweite Hälfte definiert werden. Das gewünschte arterielle Blutflußsignal von dem Doppler-Sensor tritt beinahe ausschließlich während der Systole auf. Jedoch sind Signale, welche während der Diastole von dem Doppler-Sensor ausgehen, fast ausschließlich unerwünscht, beispielsweise Strömungen oder Bewegungen anderer als der arteriellen Blutströmungen, oder elektrisches Rauschen. Für jeden Herzschlag können die Charakteristika des Doppler-Signals entweder Amplitude oder Frequenzbestandteil oder beide separat für die Systole und Diastole analysiert werden, nämlich durch Verwendung der ECG-Synchronisier-Bezugsgröße. Zuerst können nur Doppler- Signale, welche während der Systole erhalten werden, bei der Herzleistungsberechnung verwendet werden. Zweitens kann das Verhältnis der Parameter des Doppler-Signals zwischen der Systole und der Diastole verwendet werden, als ein Maß der Signalqualität und somit der Zuverlässigkeit. Beispielsweise kann die maximale Frequenz signifikanter Energie über die Systole integriert und mit der Energie verglichen werden, welche über eine gleichen Zeitraum bei der Diastole integriert wurde. Wenn das Verhältnis dieser Werte von Systole : Diastole nicht einen bestimmten Grenzwert erreicht, wird der Schlag als ungültig oder mit Rauschen beaufschlagt abgelehnt. Anderenfalls wird er als gültig akzeptiert.
Die Fähigkeit des Instruments, zwischen rauschbehafteten und klaren Schlägen zu unterscheiden, trägt in großem Maße zu seiner Zuverlässigkeit bei.
Ein weiterer Vorteil der Systole/Diastole-Unterscheidung liegt darin, daß automatische Verstärkungregelungs-Systeme in dem Doppler-Signal-Weg gebildet werden können, welche nur während der Systole aktiviert werden. Dies verbessert die Wirksamkeit und die Geschwindigkeit der Antwort desselben.
Zum Zwecke der weiteren beispielhaften Erklärung wird nachfolgend eine Prototypversion eines Instrumentes, welches die vorliegende Erfindung umfaßt, beschrieben. Die beigefügte beispielhafte Fig.7 ist ein Blockdiagramm eines derartigen Instruments. An der linken Seite des Diagramms ist der Meßfühler oder Meßwandler mit einem konventionellen Vorderende verbunden. Es gibt Möglichkeiten zur Aufzeichnung und Wiedergabe dieser Signale. Beim Sammeln von Doppler- Signalen mit 24 kHz und ECG-Signalen mit 100 Hz, werden die Daten über ein doppelt gepuffertes Speichersystem in die Zentralrechnereinheit oder CPU aufgenommen. Dort wird ein Spektralanalyse durchgeführt und es werden alle Algorithmen und Berechnungen ausgeführt, welche zur Herzleistungsberechnung erforderlich sind. Die numerischen Resultate werden zu sieben Segment-LED's zur Anzeige übermittelt, während graphische Darstellungen der Doppler-ECG-Signale zu einer CRT-Einheit übermittelt wurden. Ein Videoausgang ist vorgesehen.
Beim Gebrauch (mit Bezug zu dem bevorzugten, dargestellten Sensor) wird eine Standard ECG-Elektrode in das Verbindungsstück an jedem der Füße des Sensors gesteckt. Der Sensor mit den Elektroden wird daraufhin auf den Brustkasten aufgesteckt, so daß der Ultraschall-Meßwandler die Einkerbung des oberen Brustbeins erreichen kann. Ein Nackenstreifen wird daraufhin hinter den Nacken des Patienten positioniert, wobei jedes Ende mit einem der beiden oberen Schenkel des Sensors verbunden wird.
Das Hauptinstrument wird eingeschaltet und der Sensor verbunden. Patientendaten werden, über eine Tastatur, eingegeben, so daß das Instrument den arteriellen Querschnittsbereich abschätzen kann. Die Überwachung beginnt daraufhin und eine ECG-Spur erscheint an dem Bildschirm. Darauffolgend muß der Doppler-Ultraschallsensor positioniert werden.
Der Meßwandler wird durch Anheben des Verriegelungshebels freigegeben, Ultraschall-Gel wird auf die Meßwandler-Fläche aufgebracht und der Meßwandler wird an der Einkerbung des oberen Brustbeins positioniert. Der Meßwandler wird daraufhin vertikal und horizontal geskanned, bis optimale systolische Blutflußsignale empfangen werden. Die Kriterien hierfür sind die höchste systolische Spitzengeschwindigkeit und Beschleunigung und das minimale diastolische Rauschen, welches an dem CRT angezeigt wird. Wenn der Meßwandler optimal positioniert ist, wird der Verriegelungshebel nach unten gedrückt, um den Meßwandler in dieser Stellung zu verriegeln, und um den Beginn einer nicht handbedienten Überwachung zu ermöglichen.

Claims

1. Herzschlag-Überwachungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Positionierung/Halterung eines Meßwandlers relativ zu einem Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Trägerelement zur Anordnung an dem Körper umfaßt, an welchem ein Ende eines flexiblen und länglichen Armes angebracht ist, welcher an seinem freien Ende oder nahe zu diesem eine Lagerung für den Meßwandler aufweist, sowie Mittel zum Sperren des Armes in einer festen Stellung relativ zu dem Körper.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Arm mehrere auf einen Draht aufgefädelte, miteinander in Zusammenwirkung befindliche Segmente umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Verriegelungseinrichtung in der Lage ist, die Spannung in dem Draht zu erhöhen, um die Relativposition der Segmente zu fixieren.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Verriegelungseinrichtung eine Schrauben- und Hebelanordnung oder eine Nocken- und Hebelanordnung umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher die Segmente entweder alle eine im wesentlichen konvexe Fläche und eine gegenüberliegende im wesentlichen konkave Fläche aufweisen oder zwischen solchen wechseln, welche beide Flächen im wesentlichen konkav und solchen, welche beide Flächen im wesentlichen konvex ausgebildet haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Trägerelement im wesentlichen schmetterlingsförmig, im wesentlichen mit dreieckiger Form oder im wesentlichen dreibeinig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Trägerelement mit Mitteln zu dessen Halterung relativ zu dem Körper versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Haltemittel mit Klebstoff versehene ECG-Elektroden und/oder Bänder umfassen.

9. Vorrichtung zur Überwachung der arteriellen Blutgeschwindigkeit und abgeleiteter Parameter durch Doppler-Ultraschall und, optional, ECG, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfaßt.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Überwachung der arteriellen Blutgeschwindigkeit und abgeleiteter Parameter mittels Doppler-Ultraschall, und, optional, ECG.