DE60103360T2 - Gerät, Computerprogramm und Zentralvenenkatheter zur hämodynamischen Überwachung - Google Patents

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    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow
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    • A61M25/0021—Catheters; Hollow probes characterised by the form of the tubing
    • A61M25/0023—Catheters; Hollow probes characterised by the form of the tubing by the form of the lumen, e.g. cross-section, variable diameter
    • A61M25/0026—Multi-lumen catheters with stationary elements
    • A61M2025/004—Multi-lumen catheters with stationary elements characterized by lumina being arranged circumferentially

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und eine Zentralvenen-Katheteranordnung zur hämodynamischen Überwachung.
  • Einer der wichtigsten Parameter in der hämodynamischen Überwachung ist das Herzzeitvolumen, welches derzeit üblicherweise durch Anwenden von intermittierenden Bolus-Thermodilutionsmessungen gemesen wird, wie es z.B. in US-Patent Nr. 3 651 318, US-Patent Nr. 4 217 910 und US-Patent Nr. 4 236 527 beschrieben ist.
  • Für Bolus-Thermodilutionsmessungen wird eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit mit einer Temperatur, die höher oder niedriger als die Bluttemperatur ist, als Bolus über einen Katheter injiziert, der im Blutkreislauf eines Patienten eingebracht wird, und die Temperaturabweichung des Blutes wird als Funktion der Zeit an einer Stelle stromabwärts zu der Stelle, an der der Bolus injiziert wird, aufgezeichnet. Das Herzzeitvolumen CO (Cardiac Output) kann durch Algorithmen bestimmt werden, denen die Stewart-Hamilton-Gleichung zugrundeliegt:
    Figure 00010001
    wobei TB die initiale Bluttemperatur ist, TL die Bolustemperatur, VL das Bolusvolumen ist, K1 und K2 Konstanten sind, um die spezifische Messungsanordnung zu berücksichtigen und ΔTB(t) die Abweichung der Bluttemperatur als Funktion der Zeit im bezug auf die Basislinien-Bluttemperatur TB ist.
  • Nach dem Stand der Technik werden gewöhnlich Pulmonalarterien-Katheter verwendet, wobei der Bolus durch einen Lumenausgang, der wesentlich entfernt von dem distalen Ende des Katheters ist, injiziert wird und die Temperaturabweichung des Blutes als Funktion der Zeit am distalen Ende des Katheters ermittelt wird.
  • Bei einem üblichen Meßvorgang wird ein kalter Bolus von physiologischer Kochsalzlösung bei Eis- oder Zimmertemperatur in einer Menge von etwa 5 – 10 Milliliter oder als Richtwert 0,1 ml/kg Körpergewicht über den Pulmonal-Katheter injiziert. Die Durchführung dieses Vorgangs nimmt etwa 2 Minuten in Anspruch. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, wird dieses mehrere Male wiederholt und die Ergebnisse werden gemittelt. Beim Anwenden dieses herkömmlichen Verfahrens erfordert somit ein Bestimmen eines zuverlässigen Herzzeitvolumenwertes eine Meßzeit von bis zu 10 Minuten und schließt die Injektion von bis zu 50 ml Flüssigkeit in das kardiovaskuläre System des Patienten ein und folglich kann das Verfahren nur ein- oder zweimal pro Stunde durchgeführt werden.
  • Anstelle einer Anwendung von kalten Bolusinjektionen werden heizende Pulmonalarterien-Katheter für modifizierte Thermodilutionsverfahren verwendet, wie es in US-Patent 4 507 974 und US-Patent 5 217 019 beschrieben ist. Periodische Heizimpulse in einem vorgegebenen Muster werden wesentlich entfernt von dem distalen Ende des Katheters durch eine Heizschlange oder einen Heizfaden, der an dem eingeführten Katheter angebracht ist, eingeführt. Temperaturänderungen des Blutes, das beim Passieren der Heizschlange bzw. des Heizfadens erwärmt wird, werden stromabwärts durch einen Thermistor an dem distalen Ende des Katheters gemessen. Das Herzzeitvolumen wird quasi-kontinuierlich auf der Grundlage von Daten bestimmt, die über mehrere Minuten durch Anwenden einer Signalverarbeitung und durch Mittelwertbildungs-Algorithmen erfaßt werden. Die ermittelten Herzzeitvolumenwerte sind somit Mittelwerte über Zeiträume von mehreren Minuten. Die Genauigkeit von modifizierten Thermodilutionsverfahren bei Verwenden von heizenden Pulmonal-Kathetern ist empfindlich gegenüber hohen und unstabilen Bluttemperaturen.
  • Die Wärmemenge, die in der vorher beschriebenen Weise eingeführt werden kann, ist dadurch eingeschränkt, dass eine Thermokoagulation des Blutes oder eine Schädigung des Gewebes in der Nähe des Heizelements vermieden werden muß. Versuchsansätze zum Regulieren der Wärme, die durch den Katheter übertragen wird, sind in US-Patent 5 701 908 und US-Patent 5 857 976 beschrieben.
  • Generell ist die Verwendung von Pulmonalarterieren-Kathetern sehr hochinvasiv und beinhaltet Risiken für den überwachten Patienten, wie beispielsweise krankhafte Arrythmien und Rupturen von Pulmonalarterien oder Infarktbildung. Das sogenannte transpulmonale Thermodilutionsverfahren ist weniger invasiv durch Anwenden eines Zentralvenen-Katheters anstelle eines Pulmonalarterien-Katheters. Ein Thermoindikator wird durch ein Lumen des Zentralvenen-Katheters injiziert und ein zusätzlicher Arterien-Katheter, der beispielsweise in die Oberschenkelarterie eingeführt wird, wird zum Detektieren der Thermodilutionskurve nachdem der Thermoindikator das Herz passiert hat, verwendet. Die vollständige Durchführung dieses Vorgangs nimmt wiederum einige Minuten in Anspruch und ist nicht geeignet für wiederholte Herzzeitvolumen-Bestimmungen innerhalb kurzer Zeitintervalle.
  • Eine Pulskonturanalyse ist ein kontinuierliches Verfahren, um ein Herzzeitvolumen durch Multiplizieren der Herzfrequenz durch ein Schlagvolumen für jeden Herzschlag zu bestimmen. Das Schlagvolumen wird aus der Form der arteriellen Blutdruckkurve der Systole und der Fläche unter derselben bestimmt, wobei der arterielle Blutdruck in der Oberschenkelarterie oder einer anderen großen Arterie gemessen wird. Bei dem aktuell käuflich erwerbbaren System PICCO der Pulsion Medical Systems AG, Deutschland, wird das sogenannte Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO (pulse contour cardiac output) durch Verwenden der folgenden Gleichung bestimmt:
    Figure 00030001
    wobei HR die Herzfrequenz, p(t) der zeitabhängige treibende Blutdruck (i.e. der zeitabhängige arterielle Bludruck AP(t) (arterial blood pressure), der abzüglich des mittleren zentralvenösen Blutdruckes CVP (central venous blood pressure) gemessen wird), dp/dt die erste Ableitung von p(t) nach der Zeit, SVR der systemische Gefäßwiderstand (systemic vascular resistance) und C(p) die Aorta-Compliance-Funktion des überwachten Patienten ist. Das Integral wird für die systolische Phase bestimmt. Die Kalibrierung wird durch transpulmonale Thermodilutionsverfahren einer konventionellen Kalt-Bolusinjektion erreicht. Die Compliance-Funktion C(p) charakterisiert die Volumenänderung und nachfolgende Druckänderung der Aorta aufgrund der Fähigkeit der Aorta sich während der Systole zu erweitern und während der Diastole zu kontrahieren. Auch C(p) und SVR müssen durch Verwenden einer Referenz-Thermodilutionsmessung bestimmt werden. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Compliance-Funktion C(p) sind in DE 19814371 A1 beschrieben, die hiermit als Referenz eingeschlossen ist. Um zuverlässige Ergebnisse über eine erweiterte Zeitperiode zu erzielen, ist eine Rekalibrierung erforderlich. Nach dem aktuellen Stand der Technik wird in der Klinikpraxis das zeitaufwendige Rekalibrierungsverfahren durch Ausführen der transpulmonalen Thermodilutionsmessung mit konventioneller Kalt-Bolusinjektion üblicherweise alle 8 Stunden durchgeführt.
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Mittel bereitzustellen, die eine kontinuierliche Rekalibrierung der Pulskonturmessungen mit nur kurzen Zeitintervallen zwischen zwei jeweiligen Rekalibrierungsschritten möglich machen. Es ist ebenso ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der Bestimmung von hämodynamischen Parametern zu erhöhen und gleichzeitig die Invasivität der Anwendung der notwendigen medizinischen Ausrüstung so gering wie möglich zu halten.
  • Um diese Ziele durchzusetzen, stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur hämodynamischen Überwachung bereit, welche eine Zentralvenen-Katheteranordnung mit wenigstens einem Lumen und Heizmitteln in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes der Zentralvenen-Katheteranordnung aufweist. Die Heizmittel sind ausgelegt, Heizimpulse zum Einführen von wandernden Temperaturabweichungen in die Blutzirkulation eines Patienten abzugeben. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Bestimmen der Energie, die durch die Heizmittel übertragen wird, als Funktion der Zeit auf. Die während des Abgebens jedes Heizimpulses übetragene Energie repräsentiert dabei ein Eingangssignal, das dem jeweiligen Heizimpuls entspricht. Die Vorrichtung weist zudem eine Arterien-Katheteranordnung auf, die Temperaturensormittel zum Messen der lokalen Bluttemperatur in einer Arterie des Patienten als Funktion der Zeit aufweist, wobei für ein jeweiliges Eingangssignal eine entsprechende Systemantwort ermittelt wird. Die Vorrichtung weist außerdem Berechnungsmittel mit implementierten ausführbaren Operationen zum Bestimmen eines Referenz-Herzzeitvolumenwertes des Patienten aus wenigstens einem Eingangssignal und einer jeweiligen entsprechenden Systemantwort auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in den Berechnungsmitteln ausführbare Operationen zusätzlich implementiert zum Bestimmen eines globalen enddiastolischen Volumens und/oder intrathoraktalen Blutvolumens und/oder extravasalen Thermovolumens des Patienten aus wenigstens einem Eingangssignal und einer jeweiligen entsprechenden Systemantwort.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zentralvenen-Katheteranordnung ausgelegt ist, die Heizimpulse regellos oder mit wenigstens einem vordefinierten Muster, wie beispielsweise als Sinuswellen oder Stufenfunktionen mit vorgegebenen Amplituden und Dauern, auszugeben.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Heizmittel einen elektrischen Heizfaden oder eine Heizschlange auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Heizmittel Mittel zur Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung auf, die ein Lichtleitfaserbündel aufweist, welches in ein Lumen der Katheteranordnung einsetzbar ist oder in einem Lumen der Katheteranordnung angebracht ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektromagnetische Strahlung eine modulierte elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Lichtleitfaserbündel wenigstens eine Faser auf, die ausgelegt ist, reflektierte Strahlung bei den unterschiedlichen Wellenlängen zu sammeln, und in die Berechnungsmittel sind zusätzlich Instruktionen implementiert, um aus der reflektierten Strahlung die zentralvenöse Sauerstoffsättigung zu bestimmen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zentralvenen-Katheteranordnung Mittel, z.B. einen in eines der Lumina der Zentralvenen-Katheteranordnung angebrachten Drucksensor, zum Messen des zentralvenösen Blutdruckes auf. Die Mittel sind vorzugsweise ausgelegt, den zentralvenösen Blutdruck kontinuierlich oder intermittierend zu messen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Bestimmung des Referenz-Herzzeitvolumenwertes eine statistische Bewertung einer Vielzahl der Eingangssignale und jeweiliger entsprechender Systemantworten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Arterien-Katheteranordnung zusätzlich Drucksensormittel zum Messen des arteriellen Blutdruckes des Patienten AP(t) als Funktion der Zeit auf, wobei eine Kurve des arteriellen Blutdrucks erzeugt wird, und in die Berechnungsmittel sind ausführbare Operationen implementiert zur wiederholten Bestimmung von hämodynamischen Parametern aus der Kurve des arteriellen Blutdrucks mit Hilfe einer Pulskonturanalyse, wobei das Referenz-Herzzeitvolumen verwendet wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in die Berechnungsmittel zusätzlich Instruktionen implementiert, um die hämodynamischen Parameter, die aus der Kurve des arteriellen Blutdruckes und dem Referenz-Herzzeitvolumenwert nach Bestimmen des Referenz-Herzzeitvolumenwertes erhalten werden, neu zu berechnen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zentralvenen-Katheteranordnung ein zusätzliches Lumen zur thermischen Indikatorinjektion auf. Eine transpulmonale Thermodilutionsmessung mit Kalt-Bolus kann daher verwendet werden, um einen initialen Referenz-Herzzeitvolumenwert für die Anfangskalibrierung zu erhalten.
  • Um das vorher erwähnte Ziel zu erreichen, beschreibt die vorliegende Anmeldung auch ein Computerprogramm zur hämodynamischen Überwachung, welches durch ein Computersystem ausführbare Befehle aufweist, um die folgenden Schritte wiederholt durchzuführen:
    • (a) Bestimmen eines Referenz-Herzzeitvolumenwertes mittels statistischer Bewertung einer Vielzahl von Eingangssignalen und jeweiligen entsprechenden Systemantworten, wobei die Eingangssignale die Energie repräsentieren, die während des Ausgebens einer Vielzahl von Heizimpulsen übertragen werden, als Funktion der Zeit, die Heizimpulse wandernde Temperaturabweichungen in die Blutzirkulation eines Patienten einführen und die entsprechenden Systemantworten durch Messen der lokalen Bluttemperatur in einer Arterie des Patienten als Funktion der Zeit bestimmt werden, und
    • (b) Ermitteln der hämodynamischen Parameter aus einer Kurve des arteriellen Blutdruckes mittels Pulskonturanalyse unter Verwendung des Referenz-Herzzeitvolumenwertes, wobei die Kurve des arteriellen Blutdruckes durch Messen des arteriellen Blutdruckes in einer Arterie des Patienten als Funktion der Zeit bestimmt wird.
  • Ermitteln der hämodynamischen Parameter weist vorzugsweise die folgenden Schritte auf:
    • (1) Berechnen eines mittleren arteriellen Blutdruckes MAP (mean arterial blood pressure) aus dem arteriellen Blutdruck AP(t),
    • (2) Berechnen eines systemischen Gefäßwiderstands SVR (systemic vascular resistance) des Patienten nach folgender Formel SVR = (MAP – CVP)/COref wobei CVP (central venous pressure) ein willkürlicher zentralvenöser Druck ist, der gemessen (vorzugsweise kontinuierlich oder intermittierend), ermittelt oder geschätzt wird, und COref das Referenz-Herzzeitvolumen ist,
    • (3) Berechnen des treibenden Blutdruckes p(t) nach der Formel p(t) = AP(t) – CVP,
    • (4) Berechnen wenigstens der ersten Ableitung des treibenden Blutdruckes nach der Zeit p(t) = dp/dt, und
    • (5) Ermitteln der hämodynamischen Parameter aus wenigstens p(t), p(t) und SVR nach einem nichtlinearen Modell.
  • Vorzugsweise weist der Schritt des Ermittelns der hämodynamischen Parameter aus wenigstens p(t), p(t) und SVR nach einem nichtlinearen Modell ein Bestimmen einer Blutströmung q(t) auf der Grundlage des treibenden Blutdruckes p(t) und der ersten Ableitung nach der Zeit p(t) und Berechnen einer Compliance-Funktion wie folgt auf
    Figure 00070001
    für beliebige Impedanzfunktionen Z(p) und beliebige Zeiten t in solcher Weise, dass
    Figure 00070002
    optimal erfüllt ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die hämodynamischen Parameter ein Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO (pulse contour cardiac output) und/oder Schlagvolumen SV (stroke volume) und/oder eine Schlagvolumenvariation SVV (stroke volume variation).
  • Die vorliegende Anmeldung beschreibt eine Zentralvenen-Katheteranordnung zur hämodynamischen Überwachung, welche Anordnung wenigsten ein Lumen und Heizmittel in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Lumen, in welches ein Lichtleitfaserbündel zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung, um wandernde Temperaturabweichungen in das Blutzirkulationssystem des Patienten einzuführen, einsetzbar oder angebracht ist, eine Öffnung näher an dem distalen Ende der Katheteranordnung als all die Öffnungen der anderen Lumina der Katheteranordnung auf.
  • Die anhängenden Zeichnungen, die zur verbesserten Erläuterung nicht maßstabsgetreu sind, dienen dem besseren Verständnis des vorher beschriebenen und anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung und sind nachfolgend kurz beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch sowohl das Herz und Gefäßsystem eines Patienten, welche Gegenstand einer hämodynamischen Überwachung sind, als auch eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch sowohl das Herz und Gefäßsystem eines Patienten, welche Gegenstand einer hämodynamischen Überwachung sind, als auch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • 3a ist ein Flußdiagramm, das die Schrittfolge der Routine für eine Referenz-Herzzeitvolumen-Bestimmung in einer Ausführungsform eines Computer-Programms zeigt.
  • 3b ist ein Flußdiagramm, das die Schrittfolge der Routine für eine Pulskontur-Herzzeitvolumen-Bestimmung in einer Ausführungsform eines Computer-Programms zeigt.
  • 4a veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Zentralvenen-Katheteranordnung.
  • 4b zeigt eine vergrößerte Ansicht des distalen Endabschnittes der Venen- Katheteranordnung aus 4a.
  • 4c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des distalen Endabschnittes der Katheteranordnung aus 4a – b bei der Schnittebene Z–Z'.
  • 4d zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des länglichen Köpers der Katheteranordnung aus 4a – c bei der Schnittebene Y–Y'.
  • 5a zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Zentralvenen-Katheteranordnung.
  • 5b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des erweiterten Abschnitts der Katheteranordnung aus 5a bei der Schnittebene X–X'.
  • 1 veranschaulicht schematisch die Hauptkomponeneten, die zur Implementierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich sind. Ein Zentralvenen-Katheter 1 befindet sich in der oberen Hohlvene (Vena cava superior) 2 eines Patienten. Eine elektrisch erwärmbare Heizschlange 3 ist über ein Lumen des Katheters 1 mit einer Stromquelle 4 verbunden zum Abgeben von Heizimpulsen in die unmittelbare Nähe des distalen Endes 5 des Katheters 1, um wandernde Temperaturabweichungen in die Blutzirkulation eines Patienten einzuführen. Die Stromquelle enthält einen Schaltkreis zur Ermittlung der dem Blutfluß des Patienten übertragenen Energie als Funktion der Zeit. Die Energie die dem Blutfluß während des Abgebens eines jeweiligen Heizimpulses übertragen wird, repräsentiert ein Eingangssignal für modifizierte Thermodilutionsmessungen.
  • Ein Drucksensor 8 mißt kontinuierlich oder intermittierend den zentralvenösen Blutdruck.
  • Die wandernden Temperaturabweichungen passieren den rechten Vorhof 6 und die rechte Kammer 7 des Herzes des Patienten, den Lungenkreislauf 9 und den linken Vorhof 10 und die linke Kammer 11 des Herzens des Patienten, um über die Aorta 12 in den systemischen Keislauf 13 einzutreten. Ein Arterien-Katheter 14 ist mit einem Temperatursensor 15 ausgerüstet zur Messung der lokalen Bluttemperatur als Funktion der Zeit in einer Arterie 16 des Patienten, z.B. in der Oberschenkelarterie (Arteria femoralis) oder Radial- oder Axillararterie. Jede wandernde Temperatur abweichung wird daher als Systemantwort detektiert, die einem Eingangssignal für modifizierte Thermodilutionsmessungen entspricht, wenn diese den Arterien-Katheter 14 erreicht. Zusätzlich weist der Arterien-Katheter 14 einen Drucksensor 17 auf zum Messen des lokalen Blutdruckes in der Arterie 16 als Funktion der Zeit.
  • Die Stromquelle 4 ebenso wie der Temperatursensor 15 als auch die Drucksensoren 8, 17 sind mit einem Computer 18 verbunden, um die Eingangssignale, jeweilige Systemantworten und die Zentralvenen- und arteriellen Blutdruckmeßwerte dem Speicher des Computers 18 zu übertragen, so dass die Rohmeßdaten für eine entsprechende Verarbeitung zugriffsbereit gemacht werden. In den Computer 18 ist ein ausführbares Computerprogramm mit Befehlen gespeichert zum wiederholten Bestimmen eines Referenz-Herzzeitvolumenwerts aus einer Vielzahl von Eingangssignalen und entsprechenden Systemantworten mittels bekannter Thermodilutionskurven-Bewertungsverfahren und zum Bestimmen von hämodynamischen Parametern aus der Blutdruckfunktion, wie beispielsweise ein Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO, Schlagvolumen SV und eine Schlagvolumenvariation SVV mittels Pulskonturanalyseverfahren, wobei der neuerste jeweilige Referenz-Herzzeitvolumenwert für eine quasi-kontinuierliche Rekalibrierungs-Pulskonturanalyse verwendet wird. Aus der gleichen Messung können auch das globale enddiastolische Volumen GEDV (global enddiastolic volume), das intrathorakale Blutvolumen ITBV (intrathoracic blood volume) und das extravasale thermische Volumen ETV (extravascular thermal volume) quasi-kontinuierlich erhalten werden.
  • Ein Lumen 20 des Katheters 1 kann zusätzlich zur Injektion eines Kalt-Bolus durch den entsprechenden proximalen Port 19 verwendet werden, um eine transpulmonale Thermodilutionsmessung durchzuführen und somit einen initialen Referenz-Herzzeitvolumenwert für eine schnelle initiale Kalibrierung der Pulskonturanalyse zu erhalten.
  • 2 zeigt schematisch die Hauptkomponenten, die zur Implementierung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich sind. Ein Zentralvenen-Katheter 21 befindet sich in der oberen Hohlvene 22 eines Patienten. Ein Lichtleitfaserbündel 23 ist mit einem Lichtquellengerät 24 verbunden, um Lichtimpulse durch den Katheter 21 zu leiten und somit Heizimpulse in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes 25 des Katheters 21 abzugeben, um wandernde Temperaturabweichungen in die Blutzirkulation des Patienten einzuführen. Das Lichtquellengerät 24 ist zum Abgeben der Lichtimpulse in einem vordefinierten Muster ausgelegt und enthält einen Schaltkreis zur Bestimmung der übertragenen Energie als Funktion der Zeit. Die während der Abgabe jedes Heizimpulses übertragene Energie repräsentiert ein Eingangssignal für modifizierte Thermodilutionsmessungen.
  • Zusätzlich kann ein Abschnitt der Faser des Lichtleitfaserbündels 23 verwendet werden, um reflektiertes Licht von dem Blut zurück zu einem in das Lichtquellengerät 24 integrierten Detektor (nicht gezeigt) zurückzuübertragen. Wenn die Lichtemission mit verschiedenen Wellenlängen moduliert ist, i.e. einer Wellenlänge, die im wesentlichen durch das Blut absorbiert wird, und einer Referenzwellenlänge, die am stärksten reflektiert wird, kann die Information der reflektierten Strahlung zur Steuerung der Energie verwendet werden, welche der Blutströmung des Patienten übertragen wird. Wenn zudem die Wellenlängen so gewählt werden, dass sie in einem Wellenlängenbereich liegen, der gewöhnlich bei spektrometrischen Blutsauerstoffsättigungs-Messungen verwendet wird, kann die zentralvenöse Blutsauerstoffsättigung durch die reflektierten Intensitäten für die verschiedenen Wellenlängen ermittelt werden.
  • Die wandernden Temperaturabweichungen passieren den rechten Vorhof 26 und die rechte Kammer 27 des Herzens 28 des Patienten, den Lungenkreislauf 29 und den linken Vorhof 30 und die linke Kammer 31 des Herzens 28 des Patienten, um über die Aorta 32 in den systemischen Kreislauf 33 einzutreten. Ein Arterien-Katheter 34 ist mit einem Temperatursensor 35 ausgerüstet zur Messung der lokalen Bluttemperatur als Funktion der Zeit in einer Arterie 36 des Patienten, z.B. in der Oberschenkelarterie (Arteria femoralis) oder Axillararterie. Jede wandernde Temperaturabweichung wird daher als Systemantwort, die einem Eingangssignal für modifizierte Thermodilutionsmessungen entspricht, detektiert, wenn diese den Arterien-Katheter 34 erreicht. Zusätzlich weist der Arterien-Katheter 34 einen Drucksensor 37 auf zum Messen des lokalen Blutdruckes in der Arterie 36 als Funktion der Zeit.
  • Die Lichtquelle 24 ebenso wie der Temperatursensor 35 als auch der Drucksensor, 37 sind mit einem Computer 38 verbunden, um die Eingangssignale, jeweilige Systemantworten und arterielle Blutdruckmeßwerte dem Speicher des Computers 38 zu übertragen, so dass die Rohmeßdaten für eine entsprechende Verarbeitung zugriffsbereit gemacht werden. In den Computer 38 ist ein ausführbares Computerprogramm mit Befehlen gespeichert zum wiederholten Bestimmen eines Referenz-Herzzeitvolumenwertes aus einer Vielzahl von Eingangssignalen und entsprechender Systemantworten mittels bekannter Thermodilutionskurven-Bewertungsverfahren und zum Bestimmen von hämodynamischen Parametern aus der arteriellen Blutdruckfunktion, wie beispielsweise ein Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO, Schlagvolumen SV und eine Schlagvolumenvariation SVV mittels Pulskonturanalyseverfahren, wobei der neuerste jeweilige Referenz-Herzzeitvolumenwert für eine quasi-kontinuierliche Rekalibrierungs-Pulskonturanalyse verwendet wird. Aus der gleichen Messung können auch das globale enddiastolische Volumen GEDV (global enddiastolic volume), das intrathorakale Blutvolumen ITBV (intrathoracic blood volume) und das extravasale thermische Volumen ETV (extravascular thermal volume) quasi-kontinuierlich erhalten werden.
  • 3a ist ein Flußdiagramm, das die Schrittfolge der Routine für eine Referenz-Herzzeitvolumen-Bestimmung in einer Ausführungsform eines Computer-Programms zeigt, vorausgesetzt, dass die n-te Systemantwort detektiert worden ist, die dem n-ten Heizimpuls entspricht, der in die Blutströmung eines Patienten ausgegeben wurde. Das n-te Eingangssignal ISn, das die n-te wandernde Temperaturabweichung charakterisiert, die in den Blutstrom des Patienten eingeführt ist, und die n-te Systemantwort SRn, die die wandernde Temperaturabweichung charakterisiert, die stromabwärts in der Oberschenkelarterie des Patienten detektiert wird, werden erfaßt (Schritt S1, S2). Das Referenz-Herzzeitvolumen COref wird mit dem bekannten Stewart-Hamilton-Verfahren aus der Thermodilutionskurve ermittelt, die aus den neuersten n-m -Systemantworten SRm ... SRn und jeweiligen n-m -Eingangssignalen ISm ... ISn extrahiert werden, wobei geeignete Mittelwerte und Signalverarbeitungs-Algorithmen angewendet werden (Schritt S3). Die Zählervariablen n und m werden beide um eins erhöht (Schritte S4, S5). Wenn kein Stoppbefehl eingegeben wird, wird die Routine wieder beginnend bei Schritt S1 ausgeführt (Schritt S6).
  • 3b ist ein Flußdiagramm, das die Schrittfolge der Routine für eine Pulskontur-Herzzeitvolumen-Bestimmung in einer Ausführungsform eines Computer-Programms zeigt. Die arterielle Blutdruckkurve AP(t) der aktuellsten Systole wird erfaßt (Schritt S11). Dann werden der treibende Blutdruck p(t) und der mittlere arterielle Blutdruck MAP berechnet (Schritt S12). Zur Kalibrierung wird das aktuelleste Referenz-Herzzeitvolumen COref erfaßt (Schritt S13) und zur Berechnung des systemischen Gefäßwiderstandes SVR (Schritt S14) nach der folgenden Formel verwendet SVR = (MAP – CVP)/COref wobei CVP (central venous pressure) ein zentralvenöser Druck ist, der kontinuierlich oder intermittierend gemessen wird. Der Blutströmungswert q(t) wird durch Verwenden von COref und p(t) initialisiert (Schritt S15). Die Compliance-Funktion C(p) wird iterativ bestimmt (Schritt S16) nach der folgenden Formel
    Figure 00130001
    für beliebige Impedanzfunktionen Z(p) und beliebige Zeiten t, wobei p(t) die erste Ableitung von p(t) nach (dp/dt) ist, bis die Bedingung
    Figure 00130002
    optimal erfüllt ist. Das Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO wird berechnet (Schritt S17) mit folgender Gleichung
    Figure 00130003
    wobei HR die Herzfrequenz ist. Dann wird PCCO angezeigt und kann in einen File gespeichert oder ausgedruckt werden (Schritt S18). Wenn kein Stopp-Befehl eingegeben wird, wird die Routine wieder beginnend bei Schritt S11 ausgeführt (Schritt S19).
  • 4a–d zeigen eine Zentralvenen-Katheteranordnung, wobei 4b eine vergrößerte Ansicht des distalen Endabschnittes 150 der Venen-Katheteranordnung aus 4a zeigt. 4c zeigt eine Querschnittsansicht bei der Schnittebene Z–Z' aus 4a – b und 4d zeigt eine weitere Querschnittsansicht bei der mit Y–Y' bezeichneten Schnittebene aus 4a. Sowohl in 4a als auch 4b ist der distale Endabschnitt 150 teilweise im Längsschnitt (durch Schraffierung gekennzeichnet) gezeigt zur schematischen Veranschaulichung des Inneren des distalen Endabschnitts 150. Die Katheteranordnung weist einen länglichen Katheterkörper 100 auf, der einen intravasalen Katheterabschnitt 101 enthält, der ausgelegt ist, um mit dem distalen Ende 102 voraus in die obere Hohlvene eines Patieten eingesetzt zu werden. Der Katheterkörper 100 weist ein erstes Lumen 103, ein zweites Lumen 104, ein drittes Lumen 105 und ein viertes Lumen 106 auf. Von einer an dem proximalen Ende des Kathetenkörper 100 liegenden Katheterkörper-Verbindungsstelle 107 erstrecken sich die Lumina 103, 104, 105, 106 weiter innerhalb jeweiliger getrennter Kanäle 108, 109, 110, 111 hinzu jeweiligen proximalen Ports (von denen nur einer gezeigt ist als proximaler Port 112), durch welche Ports ein Zugriff auf die Lumina 103, 104, 105, 106 möglich ist. Der intravasale Katheterabschnitt 102 hat eine Länge von etwa 15 cm und es ist möglich, ihn während des Einführens zu biegen, aber er weist eine ausreichende Starrheit auf, um eine problemlose Handhabung zu ermöglichen und zu verhindern, dass die Lumina 103, 104, 105, 106 kollabieren. Eine elektrisch erwärmbare Heizschlange 113, die von einer wärmeleitenden Oberflächenschicht 114 überzogen ist, erstreckt sich in mehreren Windungen um den Katheterkörper 100 nahe am distalen Ende 102. Die Heizschlange ist an eine elektrische Energiequelle (nicht gezeigt) durch Verbindungsleitungen 115, 116 in dem ersten Lumen 103 angeschlossen. Die Heizschlange ist zum Ausgeben von Heizimpulsen in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes 102 ausgelegt, wodurch Energie von der elektrischen Energiequelle in die Blutströmung des Patienten übertragen wird, sobald der intravasale Katheterabschnitt 101 in die obere Hohlvene eingeführt worden ist. Die Wärmeenergie, die dem Blut durch Abgeben von Heizimpulsen übetragen wird, repräsentiert ein jeweiliges Eingangssignal für modifizierte transpulmonale Thermodilutionsmessungen im Zusammenhang mit hämodynamischen Überwachen und kann unter Berücksichtigung der Temperatur der Heizschlange 113, die durch einen Temperatursensor 117 gemessen wird, der in thermischen Kontakt mit der Heizschlange 113 ist und in das zweite Lumen 104 plaziert ist, bestimmt werden. Der Temperatursensor 117 ist über ein Kabel 118 mit einer geigneten Meßdaten-Erfassungsschaltung verbunden und wird durch ein Positionierelement 119 fest in seiner Position gehalten. Das dritte Lumen 105, das einen Auslaß 120 aufweist und auf das bei dem proximalen Port 112 zugegriffen werden kann, kann zur Injektion eines Thermoindikators für transpulmonale Thermodilutionsmessungen (für Kalibrierungszwecke) verwendet werden, sobald der intravasale Katheterabschnitt 101 in die obere Hohlvene eingesetzt worden ist. Das vierte Lumen 106 mit einem Auslaß 121 kann zum Anbringen eines Drucksensors (nicht gezeigt) verwendet werden, um den zentralvenösen Blutdruck zu messen. Die Katheteranordnung kann zusätzliche Lumina für andere Zwecke aufweisen.
  • 5a–b zeigen eine weitere Zentralvenen-Katherteranordnung, wobei 5b einen Querschnitt mit einer mit X–X' bezeichneten Schnittebene aus 5a zeigt. Die Katheteranordnung weist einen länglichen Katheterkörper 200 mit einem intravasalen Katheterabschnitt 201 auf, der ausgelegt ist, um mit dem distalen Ende 204 voraus in die obere Hohlvene eines Patieten eingesetzt zu werden. Der intravasale Katheterabschnitt 201 hat eine Länge von etwa 15 cm und es ist möglich, ihn während des Einführens zu biegen, aber er weist eine ausreichende Starrheit auf, um eine problemlose Handhabung zu ermöglichn und zu verhindern, dass das erste Lumen 202 und das zweite Lumen 203 kollabieren. Ein in das erste Lumen 202 eingepaßtes Lichtleitfaserbündel 205 kann entweder permanent an den Katheterkörper 200 befestigt sein oder in das erste Lumen 202 eingesetzt werden, nachdem der intravasale Katheterabschnitt 201 in die obere Hohlvene eingesetzt worden ist. Das Lichtleitfaserbündel 205 wird zum Leiten von Lichtimpulsen von einer Quelle (nicht gezeigt) zu dem Auslaß 206 des ersten Lumens 202 nahe am distalen Ende 204 verwendet, um Heizimpulse in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes abzugeben, wodurch Energie von der Quelle in den Blutstrom des Patienten übertragen wird, sobald der intravasale Katheterabschnitt 201 in die obere Hohlvene eingesetzt worden ist. Die durch Abgeben von Heizimpulsen übertragene Energie repräsentiert ein jeweiliges Eingangssignal für modifizierte transpulmonale Thermodilutionsmessungen im Zusammenhang mit einer hämodynamischen Überwachung. Zusätzlich kann ein Abschnitt der Faser des Lichtleitfaserbündels 205 verwendet werden, um reflektiertes Licht von dem Blut zurück zu einem Detektor (nicht gezeigt) zurückzuübertragen. Wenn die Lichtquelle mit verschiedenen Wellenlängen moduliert ist, i.e. einer Wellenlänge, die im wesentlichen durch das Blut absorbiert wird, und einer Referenzwellenlänge, die am stärksten reflektiert wird, kann die Information der reflektierten Strahlung zur Steuerung der Energie verwendet werden, welche der Blutströmung des Patienten übertragen wird. Wenn zudem die Wellenlängen so gewählt werden, dass sie in einem Wellenlängenbereich liegen, der gewöhnlich bei spektrometrischen Blutsauerstoffsättigungs-Messungen verwendet wird, kann die zentralvenöse Blutsauerstoffsättigung durch die reflektierten Intensitäten für die verschiedenen Wellenlängen ermittelt werden. Das zweite Lumen 203, auf welches an seinem proximalen Ende 208 zugegriffen werden kann, kann für andere Zwecke, wie beispielsweise Blutprobenentnahme, verwendet werden. Der Auslaß 206 des ersten Lumens 202 befindet sich näher an dem distalen Ende 204 der Katheteranordnung als der Auslaß 207 des zweiten Lumens 203. Die Katheteranordnung kann zusätzliche Lumina für andere Zwecke aufweisen.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur hämodynamischen Überwachung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: (a) eine Zentralvenenkatheteranordnung (1, 21) mit einem proximalen Ende (208) und einem distalen Ende (5, 25, 102, 204), wobei die Zentralvenenkatheteranordnung (1, 21) wenigstens ein Lumen (20, 103, 104, 105, 106, 202, 203) und Heizmittel (3, 23, 113, 205) in der unmittelbaren Nähe des distalen Endes (5, 25, 102, 204) aufweist, die ausgelegt sind, Heizimpulse zum Einführen von wandernden Temperaturabweichungen in die Blutzirkulation eines Patienten abzugeben, (b) Mittel zum Bestimmen der Energie, die durch die Heizmittel (3, 23, 113, 205) übertragen wird, als Funktion der Zeit, wobei die während des Abgebens jedes Heizimpulses übetragene Energie ein Eingangssignal repräsentiert, das dem jeweiligen Heizimpuls entspricht, und (c) eine Arterienkatheteranordnung (14, 34), die Temperatursensormittel (15) zum Messen der lokalen Bluttemperatur in einer Arterie (16) des Patienten als Funktion der Zeit aufweist, wobei für ein jeweiliges Eingangssignal eine entsprechende Systemantwort ermittelt wird, (d) Berechnungsmittel (18, 38) mit implementierten ausführbaren Operationen zum Bestimmen eines Referenz-Herzzeitvolumenwertes des Patienten aus wenigstens einem der Eingangssignale und einer jeweiligen entsprechenden Systemantwort.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in die Berechnungsmittel (18, 38) ausführbare Operationen zusätzlich implementiert sind zum Bestimmen wenigstens eines Parameters aus der Gruppe von enddiastolischem Gesamtvolumen, intrathoraktalem Blutvolumen und extravasalem Thermovolumen des Patienten aus wenigstens einem Eingangssignal und einer jeweiligen entsprechenden Systemantwort.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zentralvenenkatheteranordnung (1, 21) ausgelegt ist, die Heizimpulse regellos oder wenigstens mit einem vordefinierten Muster, wie beispielsweise als Sinuswellen oder Stufenfunktionen mit vorgegebenen Amplituden und Dauern, auszugeben.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Heizmittel (3, 113) einen elektrischen Heizfaden oder eine Heizschlange (3, 113) aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 3, bei der die Heizmittel (23, 205) Mittel (23, 205) zur Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Mittel (23, 205) zum Ausstrahlen von elektromagnetischer Strahlung ein Lichtleitfaserbündel (23, 205) aufweisen, welches in das. Lumen (202) der Katheteranordnung (21) einsetzbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Mittel (23, 205) zum Ausstrahlen von elektromagnetischer Strahlung ein Lichtleitfaserbündel (23, 205) aufweisen, welches in dem Lumen (202) der Katheteranordnung (21) angebracht ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei der die elektromagnetische Strahlung eine mit verschiedenen Wellenlängen modulierte elektromagnetische Strahlung ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Lichtleitfaserbündel (23, 205) wenigstens eine Faser aufweist, die ausgelegt ist, reflektierte Strahlung bei den genannten unterschiedlichen Wellenlängen zu sammeln, und in die Berechnungsmittel (38) zusätzlich Instruktionen implementiert sind, um aus der reflektierten Strahlung die zentralvenöse Sauerstoffsättigung zu bestimmen.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zentralvenenkatheteranordnung (1, 21) Mittel (8) zum Messen des zentralvenösen Blutdruckes aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bestimmung des Referenz-Herzzeitvolumenwertes eine statistische Bewertung einer Vielzahl der Eingangssignale und jeweiligen entsprechenden Systemantworten enthält.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Arterienkatheteranordnung (14, 34) zusätzlich Drucksensormittel (17) zum Messen des arteriellen Blutdruckes des Patienten AP(t) als Funktion der Zeit aufweist, wobei eine Kurve des arteriellen Blutdrucks erzeugt wird, und in die Berechnungsmittel (18, 38) ausführbare Operationen implementiert sind zur wiederholten Bestimmung von hämodynamischen Parametern aus der Kurve des arteriellen Blutdrucks mit Hilfe einer Pulskonturanalyse, wobei das Referenz-Herzzeitvolumen verwendet wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der in die Berechnungsmittel (18, 38) zusätzlich Instruktionen implementiert sind, um die hämodynamischen Parameter,.die aus der Kurve des arteriellen Blutdruckes und dem Referenz-Herzzeitvolumenwert nach Bestimmen des Referenz-Herzzeitvolumenwertes erhalten werden, neu zu berechnen.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zentralvenenkatheteranordnung (1, 21) ein zusätzliches Lumen (20, 105) zur thermischen Indikatorinjektion zum Durchführen von transpulmonalen Thermodilutionsmessungen aufweist, um einen Anfangs-Referenz-Herzzeitvolumenwert für die Anfangskalibrierung zu erhalten.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 – 14, bei die Ermittlung der hämodynamischen Parameter die folgenden Schritte aufweist: (1) Berechnen eines mittleren arteriellen Blutdruckes MAP (mean arterial blood pressure) aus dem arteriellen Blutdruck AP(t), der als Funktion der Zeit gemessen wird, (2) Berechnen eines systemischen Gefäßwiderstands SVR (systemic vascular resistance) des Patienten nach folgender Formel SVR = (MAP – CVP)/COref wobei CVP (central venous pressure) ein willkürlicher zentral venöser Druck ist, der gemessen, ermittelt oder geschätzt wird, und COref das Referenz-Herzzeitvolumen ist, (3) Berechnen des treibenden Blutdruckes p(t) nach der Formel p(t) = AP(t) – CVP,(4) Berechnen wenigstens der ersten Ableitung des treibenden Blutdruckes nach der Zeit p(t) = dp/dt, und (5) Ermitteln der hämodynamischen Parameter aus wenigstens p(t), p(t) und SVR nach einem nichtlinearen Modell.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Schritt des Ermittelns der hämodynamischen Parameter aus wenigstens p(t), p(t) und SVR nach einem nichtlinearen Modell folgendes aufweist: Bestimmen einer Blutströmung q(t) auf der Grundlage des treibenden Blutdruckes p(t) und der ersten Ableitung nach der Zeit p(t), und Berechnen einer Compliance-Funktion wie folgt
    Figure 00190001
    für beliebige Impedanzfunktionen Z(p) und beliebige Zeiten t in solcher Weise, dass
    Figure 00190002
    optimal erfüllt ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 – 14, bei der die hämodynamischen Parameter wenigstens einen Parameter aus der Gruppe von Pulskontur-Herzzeitvolumen PCCO (pulse contour cardiac output), Schlagvolumen SV (stroke volume) und Schlagvolumenvariation SVV (stroke volume variation) aufweisen.
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