DE60035026T2

DE60035026T2 - Gerät zur herzzeitvolumenbestimmung eines patienten

Info

Publication number: DE60035026T2
Application number: DE60035026T
Authority: DE
Inventors: Jozef Reinier Cornelis Jansen; Johannes Jacobus Schreuder
Original assignee: JANSEN JOZEF REINIER C
Current assignee: JANSEN JOZEF REINIER C
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: AU2831400A; WO2000053087A1; DE60035026D1; EP1154720A1; US6858013B1; EP1154720B1; NL1011339C2; ATE363229T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Herzzeitvolumens eines Patienten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Messung, welche mittels dieser Vorrichtung durchgeführt wird, ist als thermische Verdünnungsmessung bekannt, wobei ein Katheter in den Blutstrom des Patienten eingeführt wird, durch welchen Katheter z.B. ein vergleichsweise kaltes Fluid als Indikator in das Blut des Patienten eingespritzt wird. Am erwähnten oder einem ähnlichen Katheter ist stromabwärts der Einspritzstelle, in Richtung des Blutstroms gesehen, ein Sensor angebracht, mittels dessen die Bluttemperatur bestimmt werden kann. Auf diese Weise kann eine so genannte thermische Verdünnungskurve bestimmt werden, die die Temperaturänderung anzeigt. Da die eingespritzte Indikatormenge bekannt ist, ist es möglich das Herzzeitvolumen auf Basis der thermischen Verdünnungskurve zu bestimmen. Ein Erfordernis des Verfahrens des Stands der Technik ist, dass das Herzzeitvolumen konstant ist. In der Praxis wurde es jedoch ersichtlich, dass es zwei wichtige Störfaktoren des angenommenen konstanten Herzzeitvolumens gibt; ein Faktor ist das pulsierende Zeitvolumen verursacht durch die Herzaktivität, und der andere Faktor wird durch alle anderen Niederfrequenzvariationen im Herzzeitvolumen gebildet, welche z.B. durch eine künstliche Beatmung des Patienten verursacht werden.
Gewöhnlich haben die Schwankungen des Herzzeitvolumens, die durch die Herzaktivität verursacht werden, keinen beachtlichen störenden Einfluss hinsichtlich der Anwendung der thermischen Verdünnungsmethode. Falls aber eine künstliche Beatmung des Patienten mittels eines künstlichen Beatmungsgeräts vorgenommen wird, wird das Herzzeitvolumen in einem so großen Ausmaß beeinflusst, dass es nicht mehr als konstant betrachtet werden kann, sondern als von einer fluktuierender Natur seiend. Es ist genau dann sehr wünschenswert, das durchschnittliche Herzzeitvolumen mit großer Genauigkeit festzustellen, wenn künstliche Beatmung an einem Patienten mittels eines künstlichen Beatmungsgeräts angewendet wird, da dieser Wert eins der Kriterien beim Überwachen eines Patientenzustands ist. Untersuchungen die unter anderen von J. R. C. Jansen et al, Intensive Care Med 1990, 16, pp. 422–425, durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass, wenn das Herzzeitvolumen durch die thermische Verdünnungsmethode bestimmt wird, die Messergebnisse eine Verteilung von 65–125% des Durchschnitts vorweisen können.
NL-B-1 005 572 offenbart eine Vorrichtung der oben genannten Art, mittels der die Genauigkeit der thermischen Verdünnungsmethode erhöht werden kann, indem man den Indikator genau über den Zeitraum von einem Atemzyklus einspritzt. Durch Verwenden einer einzigen Injektion über den Zeitraum eines Atemzyklus wird das gleiche Resultat erreicht wird wie beim Berechnen des Durchschnitts basierend auf einer Anzahl von thermischen Verdünnungsmessungen gemäß dem konventionellen Verfahren, wie zum Beispiel im vorgenannten Artikel beschrieben.
EP-A-0 374 248 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen des Herzzeitvolumens eines Patienten, aufweisend einen Steuerausgang zum Steuern von Injektionsmitteln und einen ersten Sensor zum Messen der Änderung in einem Indikatorwert im Blutstrom des Patienten. Eine Prozesseinheit ist angeordnet zum Messen der Änderung des Indikatorwerts im Blutstrom stromabwärts der Injektionsstelle, festlegend die eingespritzte Menge des Indikators, der in das Blut eingespritzt wird, und den Anfangswert davon.
Die US-A-4 819 655 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Herzzeitvolumens, wobei das Herzzeitvolumen durch Messen der Bluttemperatur über einen Zeitraum von einem oder zwei Atemzyklen vor der Injektion des Indikators und Messen der Änderung der Bluttemperatur über denselben Zeitraum nach der Injektion des Indikators gemessen wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist, die Vorrichtung der in der Einleitung genannten Art weiter zu verbessern.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gekennzeichnet.
Auf diese Weise wird die Genauigkeit des thermischen Verdünnungsverfahrens weiter dadurch erhöht, dass die Veränderung des Indikatorwertes über eine Zeitdauer von einem Atemzyklus von der Messung des Indikatorwertes über eine Zeitdauer von n Atemzyklen entfernt wird. Als ein Resultat wird jede zyklische Variation im Indikatorwert vom Messergebnis entfernt, so dass nur die Änderung des Indikatorwertes, die von der Injektion verursacht wird, erhalten wird.
Eine zweite Veränderung des Indikatorwertes wird über eine Zeitdauer von mindestens im wesentlichen einem Atemzyklus gemessen, vorzugsweise direkt angrenzend zur Messung der Änderung im Indikatorwert, wobei der Durchschnitt von der ersten und der zweiten Veränderung ermittelt wird, welcher Durchschnitt bevorzugt gegenüber der ersten Veränderung zum Bestimmen der Änderung im Indikatorwert verwendet wird. Der folglich erhaltene Vorteil ist, dass die Genauigkeit weiter erhöht wird und dass weiterhin die langsame Abweichung im Indikatorwert vom Endergebnis beseitigt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine so genannte Pulskonturmessung durchgeführt werden, wodurch ein arterielles Blutdrucksignal gemessen wird. Das arterielle Blutdrucksignal ist zum Herzzeitvolumen ungefähr proportional, angenommen, dass der charakteristische Widerstand des Gefäßsystems konstant ist. Diese Anforderung entspricht nicht der Praxis, weil der besagte charakteristische Widerstand mit einer verhältnismäßig großen Zeitkonstante schwankt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 wird eine präzise Messung dadurch ermöglicht, dass das arterielle Blutdrucksignal gemessen wird, wobei die Werte des Schlagvolumens und des Herzzeitvolumens über die Zeitdauer eines Herzschlags berechnet werden, korrespondierend zu der Anzahl (n) von Atemzyklen, wobei der Mittelwert der berechneten Werte ermittelt wird, und wobei die Proportionalitätskonstante von einem Vergleich des so berechneten Durchschnittsausgangswerts und des basierend auf der Änderung des Indikatorwertes bestimmten Herzzeitvolumenwerts berechnet wird, wonach das Schlagvolumen und das Herzzeitvolumen mit der berechneten Proportionalitätskonstante multipliziert werden. So wird das Resultat, wie es war, der thermischen Verdünnungsmessung als Kalibrierung für die Pulskonturmessung verwendet, wonach das Herzzeitvolumen ohne nachträgliche Injektionen mittels der Pulskonturmessung kontinuierlich überwacht werden kann. Die Ermittlung des Herzzeitvolumens durch die Änderung im Indikatorwert kann, falls es erwünscht ist, regelmäßig wiederholt werden, indem man eine neue Injektion durchführt und die Proportionalitätskonstante berechnet.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnung erklärt, die schematisch eine exemplarische Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
2 und 3 sind Diagramme, die den Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulichen.
Es wird bemerkt, dass es sich bei der Bezeichnung Atemzyklus, wie im Rahmen der Beschreibung und der Ansprüche verwendet, sowohl um einen natürlichen als auch um einen künstlichen Atemzyklus handelt. Der Indikator kann ein kaltes Fluid, aber auch ein anderer Indikator sein, zum Beispiel können eine salzige Lösung oder eine Glukoselösung oder ein Farbmittel benutzt werden. Obwohl ein kaltes Fluid als Indikator in der vorliegenden Ausführungsform benutzt wird, ist es folglich auch möglich, einen anderen Indikator zu benutzen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen des Herzzeitvolumens eines Patienten, welche Vorrichtung eine eingebaute Prozesseinheit 1, z.B. in Form eines PC mit geeigneter Software, aufweist. Die Prozesseinheit 1 weist einen Eingang/Ausgang 2 auf zum Steuern der Einspritzmittel 3 (schematisch dargestellt), mittels deren ein kaltes Fluid in den Blutstrom des Patienten eingespritzt werden kann. Zu diesem Zweck wird ein thermischer Verdünnungs-Katheter in das Blutgefäß des Patienten auf eine übliche Art und Weise eingeführt. Die Temperatur des kalten Fluids wird mittels eines Sensors 4 gemessen, der an die Prozesseinheit 1 angeschlossen ist. Der Katheter (nicht gezeigt) ist mit einem Sensor 7 ausgerüstet, der in einem gewissen Abstand von der Injektionsöffnung gelegen ist, mittels dessen die Temperatur des Bluts stromabwärts von der Injektionsstelle gemessen werden kann. Der Sensor 7 ist an einem Eingang 8 eines Verstärkers 9 angeschlossen, dessen Ausgangssignal ebenfalls der Prozesseinheit 1 zugeführt wird. Mit der bis jetzt beschriebenen Vorrichtung kann eine so genannte thermische Verdünnungskurve ermittelt werden, von der das Herzzeitvolumen auf der Grundlage der eingespritzten Menge von kaltem Fluid und der Temperatur des Fluids berechnet werden kann. Eine Mehrzahl von Injektionen von kaltem Fluid wäre erforderlich, um das durchschnittliche Herzzeitvolumen ermitteln zu können. Wie NL-B-1 005 572 jedoch offenbart ist es möglich, die thermische Verdünnungskurve mittels einer einzigen Injektion während des Zeitraums von einem Atemzyklus zu ermitteln.
Zu diesem Zweck weist die hier offenbarte Vorrichtung einen Sensor 10 auf, der über einen Verstärker 11 an die Prozesseinheit 1 angeschlossen ist. Der Sensor 10 misst ein atemzyklus-abhängiges Signal. Solch ein Sensor kann z.B. die Konzentration des Kohlendioxids, die Stärke der Luftströmung, die Temperatur der Atemluft oder dergleichen messen. Die Prozesseinheit 1 steuert jetzt die Injektionsmittel 3 derart, dass eine Injektion des Indikators genau während der Dauer von einem Atemzyklus durchgeführt wird und zeichnet nachfolgend die Änderung in der Konzentration des Indikators für eine Anzahl von n Atemzyklen auf.
2 zeigt ein Temperatur-/Zeitdiagramm, worin die Temperaturänderung als eine Funktion der Zeit dargestellt wird. Das durchschnittliche Herzzeitvolumen wird durch eine gesteuerte Injektion während der Dauer eines Atemzyklus gemessen, und es ist nicht notwendig, eine Mehrzahl von Messungen durchzuführen. Im Beispiel von 2 ist die Zeitdauer, während der die Änderung in der Konzentration aufgezeichnet wird, als T₁ gezeigt. Diese Zeitdauer läuft von t = 4 bis t = 12.
Wenn ein kaltes Fluid als Indikator eingespritzt wird, gilt folgende Gleichung: QiρiSi(Tb – Ti) = Q'bρbSb∫ΔTb(t)dt,wobei, Q_i das injizierte Volumen ist, p die spezifische Wärme ist, S die spezifische Masse von (i) der injizierten Sache bzw. (b) des Blutes ist, T die Temperatur ist, Q'_b das Herzzeitvolumen ist und ΔT_b die Änderung der Bluttemperatur ist, die durch die Injektion des kalten Fluids hervorgerufen wird.
Eine Umformung der Formel zeigt, wie das Herzzeitvolumen berechnet werden kann.
Diese Formel bildet die Grundlage für die meisten Thermische-Verdünnung-„Herzzeitvolumen"-Computer.
Forschungen haben gezeigt, dass es nicht möglich ist, genaue Messergebnisse auf diese Weise zu erreichen, weil das pulsierende Herzzeitvolumen wegen der natürlichen oder der mittels eines Beatmungsgerätes künstlichen Beatmung schwankt.
Das ist schematisch in 2 dargestellt. In diesem Fall schließt der Temperaturwechsel auch eine Temperaturveränderung ein, die nicht durch die Injektion verursacht wird. Dieser Einfluss auf die Beatmung kann durch Messen des Bereichs unter der gemessenen Temperaturkurve über eine Zeitdauer von genau einem Atemzyklus, vorzugsweise direkt vor der Injektion des kalten Fluids entfernt werden. In der Ausführungsform, die in der 2 gezeigt ist, findet die Injektion zum Zeitpunkt t = 4 statt, und infolgedessen wird der Bereich A zuerst für die Dauer von Periode T2 gemessen. Die Ermittlung von Bereich B unter der Temperaturkurve beginnt zu der Zeit der Injektion t = 4 und dauert über eine Dauer einer Anzahl n von Atemzyklen bis t = 12. Der Bereich, der aus der Injektion des kalten Fluids resultiert, wird dann: Verdünnter Bereich = B – n × A.
Das Herzzeitvolumen wird dann aus folgender Formel berechnet:
Der Einfluss der langsamen Temperaturschwankung, z.B. resultierend aus einer Zunahme oder einer Abnahme der Körpertemperatur, kann z.B. eliminiert werden durch Messen der Temperaturänderung über eine Dauer von genau einem Atemzyklus direkt vor als auch direkt der Injektion folgend. Dieser Fall ist in 3 gezeigt. Sowohl Bereich A als auch Bereich C werden damit über die Periode T₂ bzw. T₃ gemessen, so dass der Bereich, der aus der Injektion des kalten Fluids resultiert, dann Bereich_Verdünnt = B – n/2 × (A + C) sein wird.
Es ist daher möglich, mit dem Verfahren und der Vorrichtung, wie hier offenbart, das durchschnittliche Herzzeitvolumen eines Patienten mit großer Genauigkeit durch eine einzige Injektion eines Indikators zu messen.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführung wird die Vorrichtung auch mit einem Sensor 12 ausgerüstet, der über einen Verstärker 13 an die Prozesseinheit 1 angeschlossen ist. Der Sensor 12 misst das arterielle Blutdrucksignal, z.B. in der Aorta. Es ist an sich bekannt, dass es möglich ist, den nichtkalibrierten Wert des Schlagvolumens und des Herzzeitvolumens von dem arteriellen Blutdrucksignal über eine Dauer von einem Pulsschlag des Herzens zu berechnen. Dieses wird z.B. in US-A-3 841 313 offenbart. Im der dort offenbarten Vorrichtung werden die berechneten Werte des Herzzeitvolumens über die Dauer der Messung der thermischen Verdünnungskurve aufgezeichnet, und davon wird der Durchschnitt ermittelt. Dann wird eine Proportionalitätskonstante durch die Prozesseinheit 1 berechnet, indem man den so berechneten Herzzeitvolumenwert mit den Herzzeitvolumen, das mittels der thermischen Verdünnungmethode ermittelt worden ist, vergleicht. Dann können die berechneten Werte für das Schlagvolumen und das Herzzeitvolumen, die aus der Messung des arteriellen Blutdruckes resultieren, mittels der Proportionalitätskonstante kontinuierlich in genaue Messungen umgewandelt werden.
Falls es erwünscht ist, kann die Prozesseinheit so programmiert werden, dass eine thermische Verdünnungsermittlung regelmäßig in der oben beschriebenen Weise durchgeführt wird, und eine neue Proportionalitätskonstante kann ermittelt werden.
Es wird bemerkt, dass die Messergebnisse, falls erwünscht, auf einem Schirm 14 angezeigt werden können. Außerdem wird bemerkt, dass die thermische Verdünnungsmessung automatisch oder durch einen geeigneten Befehl gestartet werden kann, z.B. über eine Tastatur 15.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform wie in der Zeichnung gezeigt eingeschränkt, die auf verschiedene Weisen variiert werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den Ansprüchen definiert.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen des Herzzeitvolumens eines Patienten, welche Vorrichtung aufweist eine Prozesseinheit (1), die einen Steuerausgang (2) zum Steuern von Injektionsmitteln (3) aufweist, einen ersten Sensor (7) zum Messen der Änderung in einem Indikatorwert im Blutstrom des Patienten und einen zweiten Sensor (10) zum Ermitteln des Atemzyklus des Patienten, wobei die Prozesseinheit eingerichtet ist zum Messen der Änderung im Indikatorwert im Blutstrom stromabwärts der Injektionsstelle über eine Anzahl (n) von Atemzyklen, zum Bestimmen der injizierten Menge des Indikators und zum Ermitteln des Herzzeitvolumens auf der Grundlage der gemessenen Änderung im Indikatorwert, der Menge des Indikators, der in das Blut injiziert wird, und des Anfangswerts davon, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit (1) eingerichtet zum Messen einer ersten Veränderung im Indikatorwert über eine Periode (T₂) von mindestens im wesentlichen einem Atemzyklus, vorzugsweise direkt vor der Injektion des Indikators, zum Messen einer zweiten Veränderung im Indikatorwert über eine Periode (T₃) von mindestens im wesentlichen einem Atemzyklus, bevorzugt direkt angrenzend zur Messung der Änderung im Indikatorwert, wobei die Prozesseinheit den Durchschnitt von der ersten und der zweiten Veränderung ermittelt, und wobei die Prozesseinheit eingerichtet ist zum Bestimmen der Änderung im Indikatorwert, der aus der Injektion resultiert, auf der Grundlage des Unterschieds zwischen der gemessenen Änderung im Indikatorwert, gemessen über eine Periode (T₁), von n mal der Periode der ersten Änderung und n mal des Durchschnitts der gemessenen ersten und zweiten Veränderung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, aufweisend einen dritten Sensor (12) zum Messen eines arteriellen Blutdrucksignals, wobei die Prozesseinheit (1) eingerichtet zum Berechnen der Werte des Schlagvolumens und des Herzzeitvolumens über eine Periode von einem Herzschlag über eine Periode (T₁) entsprechend der Anzahl (n) von Atemzyklen, wobei der Durchschnitt der errechneten Werte ermittelt wird, wobei die Prozesseinheit das so berechnete durchschnittliche Herzzeitvolumen und den Herzzeitvolumenwert vergleicht, der auf der Grundlage der Änderung im Indikatorwert ermittelt wird, und berechnet eine Proportionalitätskonstante, wonach die Prozesseinheit das Schlagvolumen und das Herzzeitvolumen, berechnet aus dem arteriellen Blutdrucksignal, mit der Berechnungs-Proportionalitätskonstante multipliziert.