DE69434152T2

DE69434152T2 - Vorrichtung zur beurteilungshilfe des kardiovaskulären zustandes eines patienten

Info

Publication number: DE69434152T2
Application number: DE69434152T
Authority: DE
Inventors: Shiu-Shin Chio
Original assignee: Pulse Metric Inc San Diego; Pulse Metric Inc
Current assignee: Pulse Metric Inc San Diego; Pulse Metric Inc
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: EP0738125B1; ATE282987T1; US5836884A; CA2177842A1; CA2177842C; US6165130A; CN1137744A; ES2233939T3; JP3607292B2; US20010016690A1; CN1123319C; EP0738125A4; US6540687B2; US6270461B1; JPH09506536A; DE69434152D1; EP0738125A1; WO1995016391A1; AU1374395A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung bei der Beurteilung des kardiovaskulären Zustands eines Patienten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kardiovaskuläre Erkrankungen sind eine Hauptursache von Tod und Behinderung. Eine kardiovaskuläre Erkrankung, die eine große Anzahl von Menschen betrifft, ist die Hypertonie, welche als abnormal erhöhter Blutdruck definiert ist. Hypertonie ist weit verbreitet. Es wird geschätzt, daß über 60 Millionen Amerikaner unter Hypertonie leiden.
Um zu verhindern, daß kardiale Fehlfunktionen Tod, ernsthafte Krankheit und Behinderung verursachen, ist es wichtig, den Zustand des kardiovaskulären Systems einer Person zu überwachen und die Daten der so ausgeführten Überwachung zu analysieren, um zu bestimmen, ob irgendwelche Pathologien in dem kardiovaskulären System der Person vorliegen, die behandelt werden sollten, um eine weitere Verschlechterung des kardiovaskulären Systems des Patienten zu verhindern.
Das am häufigsten verwendete Verfahren zum Überwachen eines kardiovaskulären Zustands ist die Bestimmung des Blutdrucks des Patienten. Der menschliche Blutdruck wird normalerweise durch systolische und diastolische Druckmeßwerte beschrieben, welche typischerweise in Millimetern Quecksilbersäule (mmHg) angegeben werden. Der systolische Druck ist der höhere der beiden angegebenen Werte, und der diastolische Druck ist der niedrigere der beiden angegebenen Werte. Von einem physiologischen Standpunkt aus repräsentiert der systolische Druck im allgemeinen den Druck, bei welchem das Blut durch eine Arterie, welche durch eine Blutdruckmanschette während einer Blutdruckmessung zusammengedrückt ist, zu fließen beginnt. Bei Drücken oberhalb des systolischen Drucks (suprasystolischer Druck) wird der Blutfluß durch die Arterie aufgrund der Blutdruckmanschette, welche verwendet wird, um den Blutdruckmeßwert zu erhalten, blockiert. Der diastolische Druck ist der Druck, unterhalb dessen der Blutfluß durch die Arterie von der Blutdruckmanschette unbeeinflußt ist. Eine weitere Erklärung der physiologischen Grundlage der systolischen und diastolischen Blutdruckmeßwerte findet man in Chio, US-Patent Nr. 4,880,013, welches am 14. November 1989 erteilt wurde, und in Chio, US-Patent Nr. 5,162,991, das am 10. November 1992 erteilt wurde. Die Patente Chio '013 und '991 wurden vom Anmelder erfunden und sind auf den Inhaber dieser Anmeldung eingetragen.
Es ist allgemein akzeptiert, daß ein systolischer Blutdruckmeßwert von mehr als 140 mmHg und/oder ein diastolischer Blutdruckmeßwert von mehr als 90 mmHg einen hypertonischen Zustand anzeigt. Diese Druckmeßwerte werden im allgemeinen als Anzeichen für eine Hypertonie betrachtet, unabhängig davon, ob diese Blutdruckmeßwerte mit nichtinvasiven oder invasiven Blutdruckbestimmungsverfahren erhalten wurden.
Obwohl systolische und diastolische Blutdruckmeßwerte nützlich sind, um zu bestimmen, ob eine Hypertonie vorliegt, sind sie nicht vollständig zuverlässig. Die systolische/diastolische Hypertonie-Schwellenwertdemarkationslinie (140 mmHg/90 mmHg) liefert nicht immer eine vollständig genaue Richtlinie zur Bestimmung entweder ob ein Patient hypertonisch ist oder welche Faktoren die Hypertonie verursacht haben. Unter diesem Gesichtspunkt wird angenommen, daß ungefähr 80% der Hypertoniefälle als "essentielle Hypertonie" eingestuft sind. Eine Diagnose einer "essentiellen Hypertonie" bedeutet im allgemeinen, daß die Ursachen der Hypertonie nicht bekannt sind. Daher können diese Personen, welche eine "essentielle Hypertonie" haben, nicht genau und zuverlässig durch ausschließliches Messen der systolischen und diastolischen Drücke des Patienten diagnostiziert werden. Zum Beispiel kann ein Patient einen gemessenen systolischen und diastolischen Druck von weniger als 140 (systolisch)/90 (diastolisch) haben, aber trotzdem genetisch hypertonisch sein. Umgekehrt kann eine Person einen gemessenen systolischen/diastolischen Blutdruck von mehr als 140190 haben, aber sie muß weder aufgrund von Umwelt- noch von genetischen Ursachen hypertonisch sein. Vor allem ist es für einen Art schwierig, wenn nicht unmöglich, die Hypertonie eines Patienten richtig zu behandeln, wenn der Arzt die Ursache der Hypertonie nicht kennt.
Seit mehr als 20 Jahren werden Studien durchgeführt, um andere physiologische hämodynamische Parameter zusätzlich zu den systolischen und diastolischen Blutdruckmeßwerten zu finden. Zum Beispiel führte in der Mitte der 1970er Jahre Watt Studien durch, die versuchten, die "Compliance" bzw. Nachgiebigkeit oder die "Elastizität" einer Arterie zu bewerten. T. B. Watt et al., Arterial Pressure Contour Analysis for Estimating Human Vascular Properties, J. Applied Physics, (1976), auf Seiten 171–176. Watt verwendet in seiner Studie ein elektrisches Schaltkreismodell und ein Windkesselmodell, die für ein menschliches arterielles System modifiziert wurden, um sein Modell zur Bestimmung physiologischer und hämodynamischer Parameter anzupassen. Watts Modell definierte zwei Komponenten der Compliance, C₁ und C₂, einen Widerstand R und eine Induktivität L. Durch Verwenden von Gleichungen, die ihren Ursprung im Gebiet der elektrischen Schaltkreise hatten, definierte Watt darüber hinaus, daß C₁ die elastische Compliance der Haupt- oder großen Arterien war. Dieser Faktor (C₁) wurde auch "proximale Compliance" genannt. Watt fand, daß C₂ die Compliance der kleineren peripheren Arterien ist, welche auch als "distale Compliance" bezeichnet wird.
Watt berichtete, daß Korrelationen zwischen den Werten der proximalen Compliance (C₁) und der distalen Compliance (C₂) und dem Vorliegen einer Hypertonie bestehen. Vor allem fand Watt, daß hypertonische Patienten dazu neigten, kleinere Compliancewerte (C₁ und C₂) zu haben. Seit Watts Studie wurden viele andere Studien durchgeführt, die auf die arterielle Compliance und ihre Beziehung zu verschiedenen Ursachen der Hypertonie gerichtet waren. Verschiedene Gruppen berichteten über das Verhältnis zwischen proximaler Compliance (C₁) und Hypertonie. Im US-Patent Nr. 5,054,493, welches am 8. Oktober 1991 erteilt wurde, berichteten J. N. Cohn et al. über ihre Be funde, daß die distale Compliance zur Bestimmung einer Hypertonie sensitiver ist als die proximate Compliance (C₁). Cohn schlug daher vor, daß die distale Compliance (C₂) ein besserer Parameter zur Diagnose einer Hypertonie wäre als die proximale Compliance (C₁). Es lohnt sich auch, Cohn aufgrund seiner Diskussion des Windkesselmodells und seiner Zitierung einer großen Anzahl von Referenzen, die sich mit Studien, welche die Compliance betreffen, beschäftigen, durchzusehen. In Spalte 3 zitiert Cohn eine größere Anzahl von Studien, die über die Eigenschaften der großen proximalen Arterien und über das Verhältnis der Eigenschaften dieser Arterien (insbesondere ihre Compliance (C₁)) zur Hypertonie durchgeführt wurden.
Da C₂ die distale Compliance ist und da die distale Compliance nicht stark durch die Reflexionswelle von den peripheren Arterien im arteriellen System beeinflußt wird, kann ihre Messung entweder durch ein invasives Verfahren oder alternativ mit einer sehr sensitiven nichtinvasiven Meßvorrichtung durchgeführt werden. Eine extrem sensitive nichtinvasive Meßvorrichtung ist möglicherweise notwendig, um eine nahezu perfekte Welle des Typs zu erhalten, der typischerweise gefunden wird, wenn invasive Techniken verwendet werden. Dieses Reflexionsphänomen und sein Einfluß auf seine Messung wurden von Schwid in Schwid, H. A., et al., Computer Model Analysis of Radial Artery Pressure Waveforms, J. Clinical Monitoring (1987), Band 3, Nr. 4, auf Seiten 220–228 beschrieben. Zusätzlich kann die Messung der distalen Compliance (C₂) auch durch die Reflexionswelle beeinflußt werden. Darüber hinaus kann die Messung der distalen Compliance Schwankungen aufweisen, die von anderen humanen Faktoren verursacht werden, wie z. B. Schwankungen der arteriellen Querschnittsfläche und der arteriellen Blockierung in dem gemessenen Glied. Als solche ist die distale Compliance C₂ immer noch ein sehr zuverlässiger Parameter zum Bestimmen des physischen Zustands eines menschlichen kardiovaskulären Systems und anderer hämodynamischer Parameter. In einer neuen Studie von Hayoz wird vorgeschlagen, daß die Compliance kein gültiges Indiz für eine Hypertonie ist, da in Hayoz Studie herausgefunden wurde, daß das elastische Verhalten (Compliance) sich nicht notwendigerweise mit einer Erhöhung des Blutdrucks änderte. Siehe Hayoz, D. et al., Conduit Artery Compliance and Distensibility are Not Necessarily Reduced in Hypertension, Hypertension 1992, Band 20, auf Seiten 1–6.
Mittel zum Bestimmen der Compliance eines Blutgefäßes sind in FR 2 318 612 offenbart. Von dieser Seite her werden nichtinvasiv erhaltene Blutdrucksignale, einschließlich des diastolischen und systolischen Blutdrucks, bewertet.
Obwohl die oben zitierten Referenzen alle Verfahren zum Bestimmen kardialer und kardiovaskulärer Zustände betreffen und einige der oben diskutierten Verfahren andere hämodynamische Parameter als die Bestimmung des systolischen und diastolischen Drucks betreffen, besteht Raum für Verbesserungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung hämodynamischer Parameter in einem menschlichen kardiovaskulären System bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Unterstützung bei der Beurteilung des kardiovaskulären Zustands eines Patienten bereitgestellt. Die Vorrichtung erleichtert die Bestimmung des kardiovaskulären Zustands des Patienten und ermittelt die systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drücke des Patienten aus der gesammelten kardiovaskulären Zustandsinformation. Mindestens einer der ermittelten diastolischen, systolischen und mittleren arteriellen Drücke wird verwendet, um den peripheren Widerstand des Patienten zu bestimmen. Der ermittelte periphere Widerstand wird dann mit einem vorbestimmten peripheren Widerstandsschwellenwert verglichen. Es wird dann diagnostiziert, daß der Patient eine kardiovaskuläre Pathologie aufweist, wenn der ermittelte periphere Widerstand des Patienten den vorbestimmten peripheren Widerstandsschwellenwert übersteigt.
Die Vorrichtung erlaubt darüber hinaus die Durchführung der Schritte des Verwendens von mindestens einem der ermittelten diastolischen, systolischen und hauptarteriellen Drücke, um die kardiale Ausgangsleistung des Patienten zu bestimmen. Die ermittelte kardiale Ausgangsleistung wird dann mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Der Patient wird als hypertonisch diagnostiziert, wenn das Produkt aus der kardialen Ausgangsleistung des Patienten und aus dem peripheren Widerstand den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Vorzugsweise ist der vorbestimmte Schwellenwert, mit dem das ermittelte Produkt aus der kardialen Ausgangsleistung und aus dem peripheren Widerstand verglichen wird, ein vorbestimmter mittlerer arterieller Druckschwellenwert (mean arterial pressure, MAP), d. h. MAP = (CO)(PR).
Gemäß der vorliegenden Erfindung hilft die Vorrichtung darüber hinaus bei der Beurteilung eines kardiovaskulären Zustands eines Patienten, welcher das Risiko trägt, eine kardiovaskuläre Pathologie zu haben, durch Ausführen der Schritte des Anbringens von nichtinvasiven druckausübenden Mitteln und von Wandlereinrichtungen an einem Patienten. Der durch die druckausübenden Mittel induzierte Druck wird auf einen suprasystolischen Druck erhöht und dann mit der Zeit auf einen subdiastolischen Druck verringert. Man erhält einen Datenstrom von den Wandlereinrichtungen. Der Datenstrom weist Druckdaten und Pulsschlagsignaldaten auf, so daß eine Reihe von Pulsschlagsignaldatenwellenformen erhalten wird. Die Wellenformen weisen mindestens Pulsschlagsignaldaten auf, die bei einem suprasystolischen Druck gemessen wurden und Pulsschlagsignaldaten, die bei einem subdiastolischen Druck gemessen wurden. Ein pseudoaortisches Wellenprofil bzw. eine Wellenkontur wird aus den erhaltenen suprasystolischen Wellenformdaten und den subdiastolischen Wellenformdaten erzeugt. Es wird dann durch Vergleichen der pseudoaortischen Wellenkontur mit kardiovaskulären Konturen, welche bekannte kardiovaskuläre Pathologien aufweisen, diagnostiziert, ob der Patient eine kardiovaskuläre Pathologie aufweist.
Darüber hinaus erlaubt die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Durchführung der Schritte des Anbringens nichtinvasiver druckausübender Mittel und einer Wandlereinrichtung an dem Patienten. Der durch die druckausübenden Mittel induzierte Druck wird dann auf einen suprasystolischen Druck erhöht. Der durch die druckausübenden Mittel induzierte Druck wird dann mit der Zeit auf einen subdiastolischen Druck verringert. Ein Datenstrom wird aus den Wandlereinrichtungen erhalten. Der Datenstrom weist Druckdaten und Pulsschlagsignaldaten auf, so daß eine Reihe von Pulsschlagsignaldatenwellenformen erhalten wird. Die Wellenformen weisen mindestens Pulsschlagsignaldaten auf, die bei einem suprasystolischen Druck gemessen wurden, und Pulsschlagsignaldaten, die bei einem subdiastolischen Druck gemessen wurden. Die maximale kardiale Kontraktibilität wird dann aus dem so erhaltenen Datenstrom bestimmt. Es kann dann auf Basis der bestimmten maximalen kardialen Kontraktibilität diagnostiziert werden, ob der Patient eine kardiovaskuläre Pathologie aufweist.
Zusätzlich liefert die Vorrichtung gemäß der Erfindung Mittel zum Bestimmen des peripheren Widerstands, der diastolischen Fließgeschwindigkeit, der Kontraktibilität der linken Herzkammer und der Compliance der Arterie.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß ein großer Bereich hämodynamischer Parameter durch nichtinvasive Mittel bestimmt werden kann. Viele der durch den Anmelder entdeckten und in Verbindung mit dieser Erfindung offenbarten Parameter waren zuvor entweder nicht zugänglich oder nicht als für die Diagnose kardiovaskulärer Pathologien nützlich bekannt. Darüber hinaus konnten einige der Parameter der vorliegenden Erfindung zuvor nur durch ein invasives Verfahren erhalten werden, das normalerweise das Legen eines Katheters bei dem Patienten umfaßte. Die Erfindung des Anmelders verbessert diese invasiven Techniken aus dem Stand der Technik dadurch, daß sie es dem Fachmann ermöglicht, Zugriff auf ein größere Anordnung von Daten zu haben, ohne es notwendig zu machen, daß der Patient die Unannehmlichkeiten und Kosten trägt, die mit invasiven Verfahren verbunden sind.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß sie die Analyse arterieller Pulsschlagwellenformen erlaubt, die aus nichtinvasiven Manschettenpulsschlagwellen gemessen werden können, um hämodynamische Parameter zu erhalten, wie z. B. die diastolische Fließgeschwindigkeit, den peripheren Widerstand, die Compliance oder die elastische Konstante einer Arterie und die kardiale (linke ventrikuläre (LV)) Kontraktibilität.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß der Anmelder fand, daß der periphere Widerstand, welcher aus der diastolischen Fließgeschwindigkeit erhalten wird, ein besseres Verfahren zur Diagnose einer Hypertonie ist als die Verwendung der Compliance. Die kardiale (LV) Kontraktibilität, die mit der Technik des Anmelders durch Verwendung nichtinvasiver Mittel erhalten wird, ist nicht nur zum Bestimmen einer Hypertonie, sondern auch bestimmter anderer kardialer Probleme und Unregelmäßigkeiten nützlich.
Diese und andere Merkmale werden für den Fachmann beim Betrachten der detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche unten dargestellt ist, in Verbindung mit den hiermit präsentierten Zeichnungen, offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Studie, welche bei 14 Probanden durchgeführt wurde, zeigt, wobei der erhaltene distale periphere Widerstand (PR₂) als eine Funktion des mittleren arteriellen Drucks (MAP) aufgetragen wurde;
2 ist eine schematische Darstellung eines Segments einer Arterie;
3 ist eine schematische Schnittansicht einer Arterie;
4 ist eine schematische Darstellung einer arteriellen Pulsschlagwelle, welche den systolischen Zyklus und den diastolischen Zyklus, die maximale positive Steigung und die maximale negative Steigung des systolischen Zyklus und die diastolische Steigung des diastolischen Zyklus zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung eines einfachen physiologischen Modells für die Aorta und für das große arterielle System;
6 ist eine schematische Darstellung eines Segments der Aorta;
7 ist eine graphische Darstellung einer aortischen Pulsschlagdruckwelle, welche durch Legen eines Katheters gemessen wurde, sowie einer suprasystolischen und subdiastolischen Pulsschlagdruckwellenform, welche durch das nichtinvasive Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen wurde;
8 ist eine schematische Darstellung eines arteriellen Systems in einem suprasystolischen Zustand;
8A ist eine graphische Darstellung der arteriellen Druckwelle bei einem suprasystolischen Druck;
9 ist eine schematische Darstellung eines arteriellen Systems bei einem subdiastolischen Druck;
11 ist eine graphische Darstellung der Beziehung der verschiedenen zeitlichen Komponenten der aortischen Welle (AO) und der linken ventrikulären (LV) Welle;
12A ist eine graphische Darstellung einer pseudoaortischen Manschettenwelle, die gegen eine tatsächliche aortische Druckwelle aufgetragen wurde, welche mit einem invasiven Katheter gemessen wurde, wobei eine aortische stenotische kardiovaskuläre Pathologie dargestellt ist;
12B ist eine graphische Darstellung einer pseudoaortischen Manschettenwelle, welche mit einer nichtinvasiven Messung gemäß der Erfindung des Anmelders ermittelt wurde und die gegen eine tatsächliche aortische Welle aufgetragen ist, die mit einem invasiv gelegten Katheter gemessen wurde, wobei ein aortischer sklerotischer pathologischer kardiovaskulärer Zustand dargestellt ist;
13 ist eine beispielhafte Ausgabe, welche von einer DYNAPULSE-Blutdruckvorrichtung erhalten wurde, die eine typische Reihe von kardiovaskulären Wellenformen zeigt; und
14 ist eine beispielhafte Ausgabe, welche von einer DYNAPULSE-Blutdruckvorrichtung erhalten wurde, die eine Programmierung aufweist, so daß eine erste Ableitungskurve (dP/dt) eines Teils der Pulsschlagdruckkurve eines Patienten angezeigt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1. Überblick
In der vorliegenden Erfindung wird die Analyse eines arteriellen Drucks oder einer Pulsschlagwellenform, so daß bestimmte wichtige Parameter, wie z. B. die arteriellen Compliance- und Elastizitätskonstanten, der arterielle Blutfluß oder die Geschwindigkeit und der periphere Widerstand sowie die kardiale Ausgangsleistung und die Kontraktibilität ermittelt werden, zum Diagnostizieren einer großen Vielfalt an kardiovaskulären Pathologien einschließlich Komplikationen und Fehlfunktionen und insbesondere zum Diagnostizieren einer essentiellen Hypertonie verwendet.
Ein direktes Verfahren zum Erhalten der oben genannten hämodynamischen Parameter und insbesondere der arteriellen Charakteristika ist die Verwendung einer Ultraschallechotechnik. Durch die Verwendung einer Ultraschallechotechnik kann die Pulsschlagwellengeschwindigkeit und der Durchmesser einer Arterie gemessen werden. Ausgehend von diesen gemessenen Parametern können dann Rechnungen verwendet werden, um die Compliance und den Blutfluß zu bestimmen. Ein indirektes Verfahren zum Bestimmen dieser Parameter ist das Anpassen der arteriellen Welle (eine invasive Welle durch Legen eines Katheters) an ein elektrisches Modell, welches als das Windkesselmodell bekannt ist. Um dies zu tun, muß man annehmen, daß die Kapazität gleich der Compliance ist und der elektrische Widerstand gleich dem peripheren Widerstand ist und die Leitfähigkeit gleich der Trägheit ist. Jedoch gibt es für eine arterielle Pulsschlagwellenform, welche durch ein nichtinvasives Verfahren ermittelt werden (wie z. B. von einer aufgeblasenen Manschette, einem Druckarray und optischem Absorptions- oder Reflexionssensoren), welches Wellenformen bereitstellt, die von solchen verschieden sind, die aus Wellen mit invasivem Katheter gewonnen werden, kein wohldefiniertes Verfahren zum Erhalten der hämodynamischen Parameter. In dieser Hinsicht ist darauf hinzuweisen, daß die kardialen Parameter, die kardiale Ausgangsleistung und Kontraktibilität, normalerweise mit einem invasiven Katheterverfahren gemessen werden.
Wie detaillierter in Chio, US-Patent Nr. 4,880,013 beschrieben, sind invasive Meßtechniken im allgemeinen störender und teurer als nichtinvasive Techniken. Wenn möglich, bevorzugen Fachleute die Verwendung nichtinvasiver Techniken, um Blutdruckparameter zu messen, da sie weniger Trauma bei dem Patienten verursachen. Daher wird eine Möglichkeit, kardiale Parameter durch nichtinvasive Technik zu messen, gegenüber einer invasiven Technik bevorzugt.
Das Chio-Patent '013 beschreibt detailliert die Methodik zum Erhalten arterieller Pulsschlagwellenformen. Die vorliegende Erfindung analysiert diese Wellenformen, um diese Wellenformen zu verwenden, so daß hämodynamische Parameter, wie z. B. eine diastolische Fließgeschwindigkeit, der periphere Widerstand, die arterielle (distale) und aortische (proximate) Gompliance und elastische Konstanten, abgeleitet werden. Zusätzlich verwendet die vorliegende Erfindung die Chio-Wellenformen, um eine kardiale (linke ventrikuläre) Kontraktibilität abzuleiten. Jedoch können die in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren auch für andere Wellenformen als solche, die mit dem Chio-Verfahren ermittelt wurden, verwendet werden.
Der Anmelder hat entdeckt, daß sowohl die distale als auch die proximale arterielle Compliance von den Querschnittsflächen der Arterien abhängig sind. Jedoch ist die diastolische Fließgeschwindigkeit unabhängig von der Größe der Arterien. Die Hypertonie steht in direktem Zusammenhang mit dem peripheren Widerstand (PR) eines kardiovaskulären Systems und die Fließgeschwin digkeit (VO) des Bluts hängt intrinsisch, auf eine Weise, welche durch die unten gegebene Gleichung beschrieben ist, vom Widerstand ab. VO = (Eingangsdruck – Ausgangsdruck) ÷ peripherer Widerstand
Daher können zwei relative periphere Widerstandsparameter, PR₁ und PR₂, wie folgt definiert werden:
wobei (Systolischer Druck – Diastolischer Druck) = Pulsschlagdruck (PP) und V₀ ist gleich die Fließgeschwindigkeit des Bluts.
Der Anmelder hat herausgefunden, daß eine Messung der diastolischen Fließgeschwindigkeit (wie in dieser Anmeldung definiert) die definierten relativen peripheren Widerstände (PR₁ und PR₂) oder irgendeine Kombination der Fließgeschwindigkeit und des peripheren Widerstands als bessere Indikatoren oder Markierungen zur Diagnose einer Hypertonie dienen als die Verwendung einer Messung der Compliance. Es wird angenommen, daß dieser Werte insbesondere zum Bestimmen sowohl einer essentiellen Hypertonie als auch von hypertonischen Fällen bei Personen, die eine normale kardiale Ausgangsleistung haben, nützlich sind. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung anderer Parametern als der Compliance und der Distensibilität zum Unterstützen der Diagnose einer Hypertonie, als hochgradig nützlich erachtet und sie stellt in diesem Gebiet einen wesentlichen Schritt nach vorne dar, insbesondere angesichts von gegenwärtigen Studien, welche andeuten, daß die Compliance und Distensibilität bei hypertonischen Patienten nicht verringert werden können. Siehe Hayoz et al., siehe oben.
Die vorliegende Erfindung verwendet auch den relativen peripheren Widerstand (wie oben definiert) als eine Markierung oder einen Index zur Diagnose einer Hypertonie und zum Bereitstellen von Richtgrößen für Verfahren zur Behandlung einer Hypertonie.
Experimentelle Studien, welche von dem Anmelder durchgeführt wurden, stützen ebenfalls die Aussage des Anmelders, daß der relative periphere Widerstand als eine Markierung oder ein Index zur Diagnose einer Hypertonie und zum Bereitstellen von Verfahren zur Behandlung einer Hypertonie verwendet werden kann.
1 ist ein Graph, welcher die Ergebnisse einer an 14 Probanden durchgeführten Studie zeigt, wobei der erhaltene distale periphere Widerstand (PR₂) als eine Funktion des mittleren arteriellen Drucks (MAP) aufgetragen wurde. Der Graph wurde dann in sechs Bereiche 10, 12, 14, 16, 18, 20 aufgeteilt. Diese sechs Bereiche entsprechen sechs verschiedenen Patientenzuständen. Bei der Betrachtung dieser Bereiche sollte beachtet werden, daß diese Bereiche nicht nur mit dem mittleren arteriellen Druck (MAP) und dem peripheren Widerstand (PR₂) in Beziehung gesetzt werden kön nen, sondern auch mit der kardialen Ausgangsleistung. Dieser Graph kann als eine Darstellung der kardialen Ausgangsleistung verwendet werden, da die kardiale Ausgangsleistung im allgemeinen gleich dem mittleren arteriellen Druck geteilt durch den peripheren Widerstand ist, wie dies durch die Gleichung ausgedrückt wird:
Bereich 10 stellt solche Patienten dar, die einen normalen peripheren Widerstand haben und einen normalen bis niedrigen mittleren arteriellen Druck (MAP). Aufgrund dieser Zustände sind diese Patienten innerhalb des Bereichs 10 solche Patienten, deren kardiale Ausgangsleistungen (CO) im niedrig-normalen Bereich liegen. Bereich 12 repräsentiert solche Patienten, die einen normlen peripheren Widerstand haben und einen normalen mittleren arteriellen Druck. Diese Patienten aus Bereich 12 haben auch eine normale kardiale Ausgangsleistung.
Bereich 14 repräsentiert solche Patienten, die einen niedrigen peripheren Widerstand und einen hohen mittleren arteriellen Druck haben. Daher weisen die Patienten aus Bereich 14 eine hohe kardiale Ausgangsleistung auf. Bereich 16 repräsentiert solche Patienten, die einen hohen peripheren Widerstand und einen niedrigen mittleren arteriellen Druck aufweisen. Als solche haben diese Patienten eine niedrige kardiale Ausgangsleistung.
Bereich 18 repräsentiert solche Patienten, die einen hohen peripheren Widerstand und einen normalen mittleren arteriellen Druck zeigen. Als solche haben die Patienten aus Bereich 18 eine niedrige kardiale Ausgangsleistung. Bereich 20 repräsentiert solche Patienten, die einen hohen peripheren Widerstand und einen hohen mittleren arteriellen Druck haben. Diese Patienten können eine kardiale Ausgangsleistung aufweisen, die entweder normal oder hoch ist.
Ein hoher peripherer Widerstand, wie er in diesen Diskussionen verwendet wird, ist im allgemeinen ein Widerstand über 0,6 (mmHg) (sec/cm). Darüber hinaus liegt ein hoher arterieller Druck im allgemeinen über 108 mmHg, ein niedriger arterieller Druck liegt im allgemeinen unter 80 mmHg und ein normaler mittlerer arterieller Druck liegt zwischen 80 und ungefähr 108 mmHg.
Eine Analyse der 1 offenbart eine Anwendung der Erfindung zur Unterstützung bei der Bestimmung und Diagnose einer Hypertonie. Solche Patienten, die in Bereich 20 fallen, sind solche Personen, bei denen es wahrscheinlich ist, daß sie eine Hypertonie vom Typ mit hohem peripheren Widerstand haben. Solche Patienten, die in Bereich 14 fallen, sind die Personen, welche wahrscheinlicher eine Hypertonie vom Typ mit hoher kardialer Ausgangsleistung haben. Personen, welche Bluthochdruckhypertonien aufweisen, welche entweder durch einen hohen peripheren Widerstand oder durch eine hohe kardiale Ausgangsleistung verursacht werden, tragen ein höheres Risiko, einen Schlaganfall oder einen Herzinfarkt zu erleiden als solche, die keine Hypertonie haben. Durch Bestimmen der Ursache der Hypertonie (entweder verursacht durch den hohen peripheren Widerstand oder durch eine hohe kardiale Ausgangsleistung) ist der Arzt besser in der Lage, eine angemessene Behandlung zu planen, um den hypertonischen Zustand des Patienten zu korrigieren. Zum Beispiel kann eine hypertonische Person (oder solche mit hohem Blutdruck), die einen hohen peripheren Widerstand hat, normalerweise mit einem Vaso-Dilatator behandelt werden. Jedoch werden solche Personen mit hoher kardialer Ausgangsleistung vorzugsweise mit Calciumkanalblockern behandelt.
Die Erfindung wird ebenfalls durch 1 belegt. Es ist anzumerken, daß bei 8 der 14 Patienten, bei welchen ein Katheter gelegt wurde und deren Ergebnisse in 1 dargestellt sind, bestätigt wurde, daß sie eine koronare arterielle Erkrankung (coronary artery disease, CAD) haben. 1 deutet ebenfalls an, daß alle sechs hypertonischen Patienten, die entweder einen hohen peripheren Widerstand oder eine hohe kardiale Ausgangsleistung haben (diejenigen in Bereichen 14 bzw. 20), eine koronare arterielle Erkrankung aufweisen. Jedoch haben diese normotonischen Patienten, welche einen normalen mittleren arteriellen Druck und einen hohen peripheren Widerstand (solche in Bereich 18) haben, auch ein gewisses Risiko, eine koronare arterielle Erkrankung zu haben. Bei Personen mit einem mittleren arteriellen Druck und einem niedrigen peripheren Widerstand (solche in Bereichen 10 und 12) ist allgemein gezeigt, daß sie, wie in dieser Studie angedeutet, ein niedrigeres Risiko einer koronaren arteriellen Erkrankung haben. Daher unterstützen die Daten aus 1 die These des Anmelders, daß bestimmte Parameter, wie z. B. der periphere Widerstand, der mittlere arterielle Druck und die kardiale Ausgangsleistung, als Richtlinien zur Diagnose einer Hypertonie und anderer kardialer Erkrankungen verwendet werden können. Darüber hinaus können, wie oben diskutiert, Messungen des peripheren Widerstands, des mittleren arteriellen Drucks und der kardialen Ausgangsleistung verwendet werden, um die Diagnose der Ursache des hypertonischen Zustands einer Person zu unterstützen, und sie können daher die Behandlung des Zustands des Patienten vereinfachen.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es auch, ein Verfahren zur Bestimmung der kardialen (linken ventrikulären (LV)) Kontraktibilität durchzuführen. Normalerweise kann die kardiale (LV) Kontraktibilität nur durch eine invasive Messung mit einem Katheter erhalten werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann die kardiale (LV) Kontraktibilität gemessen werden, wobei nichtinvasive Manschettendruckwellenformen verwendet werden. Dieser kardiale (LV) Kontraktibilitätsparameter kann zur Diagnose bestimmter anderer kardialer Probleme verwendet werden. Die vorliegenden Erfindung erlaubt es, ein Verfahren zur Bestimmung der kardialen (LV) Kontraktibilität durchzuführen, welches relativ zuverlässig zu sein scheint. In zwei klinischen Studien, die von dem Anmelder durchgeführt wurden, wurden unter Verwendung des Verfahrens kardiale Kontraktibilitäten von 968 und 1015 mmHg/sec erhalten, welche vorteilhaft mit Messungen von 1057 und (bzw.) 1000 mmHg/sec, welche durch invasive Katheterisierung gemessen wurden, vergleichbar und im allgemeinen diesen gleich waren. Eine Gauß-Kurve wird für die Berechnung der kardialen Kontraktibilität aus der rekonstruierten aortischen Welle oder der suprasystolischen Manschettenwelle verwendet. Jedoch können für dieses Konzept ebenso andere Kurvenanpassungsverfahren verwendet werden.
II. Der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Physik und Physiologie
A. Die Physik
Eine Arterie ist im allgemeinen eine flexible Röhre, deren Inneres mit Blut gefüllt ist. Die flexible, gefüllte röhrenförmige Natur einer Arterie erlaubt es einer Arterie, eine radiale Bewegung, Expansion und Kompression in einer Richtung, welche im allgemeinen senkrecht zu ihren Wänden ist, zu zeigen. Diese radiale Bewegung, Expansion und Kompression sind im allgemeinen eine Reaktion auf den Blutdruck (P(x, t)). Der Blutdruck innerhalb einer Arterie ist allgemein nicht konstant, sondern ändert sich vielmehr ständig mit der Zeit.
Um den Einfluß eines Blutdrucks auf die Bewegung, Expansion und Kompression einer Arterie besser zu verstehen, wird die Aufmerksamkeit nun auf 2 gelenkt. In 2 ist (P₁ – P₂) = dP die Druckdifferenz innerhalb des Arteriensegments, welche ihrerseits eine Funktion sowohl der Zeit als auch des Orts ist (dP(x, t)). Das Volumen des Arteriensegments ist als dV = (A)(dx) definiert, und "A" ist der Querschnitt der Arterie. Es ist offensichtlich, daß sowohl das Volumen der Arterie (V) als auch der Querschnittsbereich der Arterie (A) Funktionen der Zeit und des Orts sind. Man muß darüber hinaus eine Elastizitätskonstante (Ke) der Arterie annehmen, so daß diese Elastizitätscharakteristika wie folgt definiert werden können: dP(x, t) = [Ke][dV(x, t)] = Ke[A(x, t)][dx] Gl. 1
Die Compliance (C) einer Arterie kann definiert werden als
Wenn Messungen mit einer Blutdruckmanschette durchgeführt werden, wird die Manschette im allgemeinen eine definierte Länge (l_cuff) haben und eine vernachlässigbare Elastizitätskonstante. In solch einem Fall ist die Kurve der Druck- oder Volumenvariation das Integral der Gleichung der Elastizitätscharakteristik (Gleichung 1) über die Länge der Manschette (l_cuff). Das Ergebnis ist die Manschettenpulsschlagwellenform des Drucks als eine Funktion der effektiven Länge der Manschette (l_cuff) zu einer bestimmten Zeit, t, welche wie folgt dargelegt ist: P(lcufft) = Ke[A(t)][lcuff] Gl. 3.
Die erste Ableitung der Manschettenpulsschlagwellenform ist wie folgt gegeben:
Um die oben gegebene Gleichung zu lösen und die Elastizitätskonstante (Ke) abzuleiten, muß man annehmen, daß eine einfache sinusförmige Pulsschlagwellenform sowohl für den Druck zu einer bestimmten Zeit (P_t) als auch für die Querschnittsfläche der Arterie zu einer bestimmten Zeit (A(t)) in Gleichung 4 existiert, wobei die maximale und die minimale Änderung des Drucks gegen die Zeit (dP/dt) und die maximale und die minimale Änderung der Querschnittsfläche gegen die Zeit (dA/dt) beim "Null"-Punkt auftreten sollte, an dem der arterielle Druck bei seinem Mittelwert ist oder bei dem mittleren arteriellen Druck (MAP) und der arterielle Querschnitt bei seinem mittleren Wert (A₀) ist. Durch Treffen dieser beiden Annahmen werden die folgenden Gleichungen wahr:
In einem idealen Fall, in dem eine sinusförmige Pulsschlagwelle existiert, welche nur vernachlässigbar durch externe Kräfte beeinflußt wird (wie z. B. wenn der Manschettendruck bei einem geringeren Druck liegt als der diastolische Druck des Patienten), kann die Querschnittsvariation (dA(t)) aus einer Skizze definiert werden, welche in 3 gezeigt ist. Die Skizze in 3 suggeriert, daß die Änderung der Fläche gleich 2πR-mal der Änderung des Radius ist, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt: dA = [2πR][dR] Gl. 7.
In dieser Gleichung ist R gleich der Radius der Arterie. Aus dieser Gleichung wird offensichtlich, daß die Flächenänderung der Arterie über die Zeit durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:
Wenn man annimmt, daß der Radius der Arterie zu irgendeiner gegebenen Zeit (R_(t)) eine Funktion Rt = R0[sin(2πft)] Gl. 9des mittleren Radius und der Frequenz des Pulsschlags ist, so ist die folgende Gleichung anwendbar:
wobei "f" gleich der Frequenz des Pulsschlags ist. Daher kann die maximale Änderung des Radius "R" gegen die Zeit durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
Ähnlich kann die minimale Änderung des Radius "R" gegen die Zeit durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
so daß die folgende Gleichung anwendbar ist:
und so daß daher
Die Pulsschlagfrequenz, (f), ist gleich 1/2T_pp, wobei T_pp als die Spitze-Spitze-Breite definiert sein kann, die dann die zeitliche Periode zwischen der maximalen positiven Steigung (dP/dt)_max und der maximalen negativen Steigung (dP/dt)_min ist. Die Aufmerksamkeit wird auf 4 gerichtet, wel che eine arterielle Pulsschlagwelle zeigt, wobei die maximale positive Steigung mit (dP/dt)_max und die maximale negative Steigung mit (dP/dt)_min bezeichnet sind. Daher kann der Spitze-Spitze-Wert bzw. Peak-to-Peak-Wert der maximalen oder der positiven Steigung (oder die Änderung des Drucks gegen die Zeit (dP/dt)_max) und der minimalen oder der negativen Steigung (oder die Änderung des Drucks gegen die Zeit (dP/dt)_min)), welche gleich der Änderung der Steigung des Drucks gegen die Zeit (dP/dt)_pp ist, durch die folgenden Gleichungen erhalten werden:
In den oben angegebenen Gleichungen ist A0 = π(R0)2 Gl. 19,welche jeweils gleich der mittleren Querschnittsfläche "A" der Arterie sind. Die Elastizitätskonstante, Ke, kann wie folgt bestimmt werden:
Darüber hinaus kann die Compliance (C) wie folgt erhalten werden:
Im Falle einer nicht sinusförmigen Pulsschlagwellenform gilt
Darüber hinaus sollte T_pp verwendet werden, um sowohl die Elastizitätskonstante (Ke) als auch die Compliance (C) zu berechnen.
In einem realen menschlichen kardiovaskulären System können, da die Pulsschlagwellenform nicht eine sinusförmige Funktion ist, der systolische Zyklus, die systolische Welle SW und der diastolische Zyklus, die diastolische Welle (DW) unabhängig voneinander behandelt werden. Daher kann die in Gleichung 4 abgeleitete Manschettenpulsschlagwellenform zur Bestimmung der Elastizitätskonstante (Ke) und der Compliance (C) nur für die systolische Welle (SW) gültig sein. Es wird daher die Verwendung der 1/2 der Spitze-Spitze-Breite (1/2T_pp) als die Frequenz der systolischen Welle (SW) vorgeschlagen.
Die diastolische Welle (DW) fängt nach dem Ende des systolischen Zyklus (SW) an. Die diastolische Welle (DW) beginnt bei dem "dikroten Einbruch", welcher durch eine mit einem invasiven Katheter gemessenen arteriellen Pulsschlagwellenform, wie in 4 gezeigt, beobachtet wird. Wie in 4 gezeigt, wird der dikrote Einbruch (dicrotic notch, DN) im allgemeinen als die Demarkationslinie zwischen dem systolischen Zyklus und dem diastolischen Zyklus verwendet.
Die Bewegungsgleichung dieser diastolischen Welle (DW) kann durch Gleichung 1 wie oben angegeben beschrieben werden, solange man annimmt, daß an dem Ort der Katheterspitze (x₁) die Pulsschlagwellenform wie folgt definiert werden kann:
Man kann auch zwei andere Annahmen treffen. Die erste Annahme ist, daß von einem Punkt in dem Pulsschlagzyklus, welcher ungefähr um den Mittelwert (welcher der mittlere arterielle Druck (MAP) der Pulsschlagwelle ist) herum beginnt, zum Ende des diastolischen Zyklus hin eine fast lineare Druckabnahme eines Pulsschlagdrucks auftritt. Gemäß 4 ist dieser Bereich als der Bereich der Pulsschlagwelle gezeigt, welcher bei dem dikroten Einbruch (DN) beginnt, bis hin zum Ende des diastolischen Punkts. Eine zweite Annahme ist, daß aufgrund Harmonischer zweiter oder höherer Ordnung in der diastolischen Welle, DW, welche eine vernachlässigbare Oszillation verursachen, die Steigung (dP/dt)DW dieser nahezu diastolischen Welle (wie in 4 gezeigt) zu Zeiten t₁ und t₂ gemäß den folgenden Gleichungen aus der diastolischen Welle (DW) erhalten werden kann:
wobei A₀ gleich die mittlere Querschnittsfläche der Arterie ist und V₀ gleich die mittlere Blutfließgeschwindigkeit ist, die während der diastolischen Welle DW auftritt.
Aus Gleichung 21 haben wir folgende Verhältnisse erhalten:

wobei die Druckänderung des Pulsschlagdrucks gegen die Zeit
ist und die Spitze-Spitze-Breite (T_pp) aus der ersten Ableitungskurve der systolischen Welle SW einer Manschettenpulsschlagwellenform erhalten wird und die Änderung des Drucks gegen die Zeit der diastolischen Welle
entweder (a) aus der diastolischen Welle (DW) einer mit invasivem Katheter gemessenen Pulsschlagwellenform oder (b) aus einer Manschettenpulsschlagwellenform, die eine diastolische Welle annimmt, welche eine lineare Steigung von dem dikroten Einbruch zu dem diastolischen Endpunkt hat, erhalten wird.
B. Ein einfaches Modell des menschlichen kardiovaskulären Systems
Ein einfaches physiologisches Modell für die Aorta und das große arterielle System ist schematisch in 5 dargestellt. Die primären kardiovaskulären Komponenten, welche in 5 gezeigt sind, weisen das Herz 30 auf, dessen linkes Ventrikel (LV) das Blut in die Aorta 32 pumpt. Die Arterien sind nur als die arteriellen Zweige 34 dargestellt, auf welche die Manschette 36 Druck ausübt. Normalerweise wird dies die brachiale Arterie (Oberarmaterie) sein. Das restliche arterielle System ist als Arterie 38 dargestellt.
5 zeigt auch drei Drücke P₁, P₂ und P₃. P₁ ist gleich der Blutdruck von dem linken Ventrikel des Herzens 30 zu der Aorta 32. Der Druck P₂ repräsentiert den Druck von der Aorta 32 zu der Arterie 34, auf welche die Manschette 36 Druck ausübt und P₃ ist gleich der Druck, welcher auf den Rest des arteriellen Systems 38 ausgeübt wird.
Wenn eine Katheterspitze in der Aorta angeordnet ist, kann die Druckwelle in der Aorta (P_a(xt)) gemäß der unten angegebenen Gleichung 34 definiert werden, welche unten reproduziert ist. Es ist offensichtlich, daß Gleichung 34 im allgemeinen äquivalent zu der oben angegebenen Gleichung 1 ist. dPa(x,t) = [Ke(aorta)]dV(x,t) = [Ke(aorta)][dAa(t)][dx] Gl. 34,wobei P_a, [Ke_(aorta)] und A_a(t) die Druckwelle, die Elastizitätskonstante bzw. die Querschnittsfläche der Aorta ist, wie unten in 6 gezeigt.
Wenn man annimmt, daß die "effektive Länge" der Aorta mit "l_a" bezeichnet ist, so ist die aortische Druckwellenform (T_a(xa,t)) an einem aortischen Ort xa durch Integration über die effektive Länge (l_a) wie folgt definiert: Pa(xa,t) = [Ke(aorta)][Aa(xa,t)][la] Gl. 35.
Es wird angenommen, daß eine typische mit einem Katheter gemessene aortische Druckwelle ein Aussehen haben kann, das dem der oben beschriebenen Welle sehr ähnlich ist, wobei die systolische Welle SW und die diastolische Welle DW voneinander durch einen dikroten Einbruch getrennt sind.
Da das menschliche kardiovaskuläre System ein geschlossenes System ist, wobei sein Basisdruck beim diastolischen Druck (P_dia) liegt, kann der aortische Druck P_at beschrieben werden als Pa(t) = Pa(t)l + Pdia Gl. 35A,wobei P_a(t)t der Druckanstieg des aortischen Drucks oberhalb des diastolischen Punkts ist.
Wenn eine Manschette auf der brachialen Arterie eines Arms angeordnet ist und die Manschette auf einen Druck aufgeblasen ist, der den systolischen Punkt übersteigt, existiert ein suprasystolischer Zustand. Ein suprasystolischer Zustand ist schematisch in 8 dargestellt, welche zeigt, daß der Blutfluß durch die brachiale Arterie 34 aufgrund des suprasystolischen Drucks blockiert ist, welcher auf die brachiale Arterie 34 durch die Manschette 36 ausgeübt wird. Es ist offensichtlich, daß sich ein kardiovaskuläres System, in welchem sich die brachiale Arterie 34 in einem suprasystolischen Zustand befindet, aufgrund des Verschlusses einer der arteriellen Zweige 34 (hier als die Brachialarterie dargestellt) anders verhält als ein System, das nicht in einem suprasystolischem Zustand ist.
Wenn die von der Manschette 36 empfangene Druckwelle an einem Punkt ist, an welchem der Manschettendruck den systolischen Punkt übersteigt, liegt eine suprasystolische Welle (P_ss(t)) vor, deren Druck mit dem Druck in der Aorta P_a(t) durch einen geometrischen Transformationsfaktor, G_ss(t), und einen nicht geometrischen Arterienmanschettenkopplungsfaktor (H_ss(t)) in Beziehung steht, wie unten angegeben: Pss(t) = Gss(t)Pa(t)l + Pdia + Hss(t) Gl. 36.
Der geometrische Faktor und der nicht geometrische Faktor einer normalisierten suprasystolischen Manschettenwelle kann für den systolischen Zyklus wie folgt definiert werden: Gss(t) 1 Hss(t) = 0 Gl. 37und für den diastolischen Zyklus: Gss(t) = 1 Hss(t) = F(t) Gl. 38,wobei F_(t) eine Oszillationsfunktion höherer harmonischer Ordnung ist.
Wendet man sich nun 8A zu, so kann die Druckwelle graphisch wie folgt dargestellt werden. Wenn die Blutdruckmanschette weniger Druck auf den Arm ausübt als der diastolische Druck des Patienten (ein subdiastolischer Druck), verhält sich das kardiovaskuläre System des Patienten und insbesondere sein aortisches/arterielles System anders als es sich verhält, wenn die Manschette einen suprasystolischen Druck ausübt. Gemäß 9 ist ein kardiovaskuläres System dargestellt, in dem die Manschette einen subdiastolischen Druck ausübt. Es ist zu bemerken, daß die brachiale Arterie 34 von der Manschette 36 nicht blockiert ist. Da der Blutfluß durch die brachiale Arterie 34 von der Manschette 36 nicht blockiert ist, kann die subdiastolische Manschettendruckwelle (P_sd(t)) auf eine ähnliche Weise wie die suprasystolische Welle durch die folgende Gleichung erhalten werden: Psd(t) = [Gsd(t)Pa(t)l] + Pdia + Hsd(t) Gl. 39,wobei G_sd(t) und H_sd(t) der entsprechende geometrische Faktor und der nicht-geometrische Faktor des arteriellen/aortischen Systems des Patienten sind.
Der geometrische Faktor und der nicht-geometrische Faktor einer subdiastolischen Welle können wie folgt definiert werden: Gsd(t) = 1 Hsd(t) = 0 Gl. 40für den systolischen Zyklus; und Gsd(t) = 1 Hsd(t) > 0 Gl. 41für den diastolischen Zyklus.
Um eine Druckwelle aus einem nichtinvasiven Manschettensystem zu erhalten, die ähnlich der Druckwelle ist, die man mit einem invasiven Sensorsystem erhält, ist es wichtig, daß die nichtinvasiven Sensoren in den gleichen Frequenzbereich sensitiv sein sollten wie der Frequenzbereich, in dem die Sensoren der invasiven Kathetervorrichtung sensitiv sind. Wenn man annimmt, daß ein Sensor für hohe Frequenzen und ein Sensor für niedrige Frequenzen verwendet werden, kann eine nichtinvasive Manschettenpulsschlagwelle (P_a(t)) erneut definiert werden als Pn(t) = Gn(t)[Pa(t)1h + Pa(t)1l] + Pdia + Hn(t) Gl. 42,wobei "h" und "l" die hohen bzw. niedrigen Frequenzkomponenten bezeichnen und "n" die nichtinvasive Manschettenmessung der Pulsschlagwelle bezeichnet.
Wenn eine Blutdruckmanschette auf einen höheren Druck aufgeblasen wird, neigt sie im allgemeinen dazu, empfindlicher für Pulsschläge mit hoher Frequenz zu sein. Umgekehrt neigt eine Manschette, wenn sie auf einen niedrigeren Manschettendruck aufgeblasen ist, dazu, empfindlicher für Signale mit niedrigerer Frequenz zu sein. Daher müssen die suprasystolischen und subdiastolischen Wellen, Gleichungen 36 und 39, wie folgt neu definiert werden: Pss(t) = Gss(t)[Pa(t)1H + Pdia + Hss(t)] Gl. 43, Psd(t) = Gsd(t)[Pa(t)1L + Pdia + Hsd(t)] Gl. 44.
Werden darüber hinaus die oben diskutierten Annahmen für die geometrischen Faktoren (G) und die nicht-geometrischen Faktoren (H), wie oben diskutiert, aus Gleichung 43 und 44 eingearbeitet, so kann eine invasive pseudo-katheter (aortische/arterielle) Wellenform (P_(t)) aus den nichtinvasiven suprasystolischen und subdiastolischen Manschettenwellenformen rekonstruiert werden. Unter diesem Gesichtspunkt ist es allgemein aus Gründen der Klarheit vorzuziehen, die Bildung einer pseudoinvasiven arteriellen Welle (P_(t)) durch Berücksichtigung der systolischen Kurve, der systolischen Welle (SW) sowie des diastolischen Zyklus und der diastolischen Welle (DW) getrennt von einander zu diskutieren. In dieser Anwendung wird der Ausdruck "pseudo", wenn er vor einem Ausdruck angeordnet ist, welcher eine Wellenform (z. B. pseudoaortische Welle, pseudoaortische Wellenkontur, pseudoinvasive arterielle Welle etc.) bezeichnet, zur Bezeichnung einer Wellenform verwendet, welche nicht direkt gemessen wurde, sondern die vielmehr aus der Bearbeitung von Daten erzeugt wurde, um ein Modell zu konstruieren, welches die interessierende Wellenform approximiert.
C. Die systolische Welle
Da G_ss gleich 0 ist, G_sd = 1, H_ss = 0 und H_sd sehr klein ist und somit vernachlässigt werden kann, können die Gleichungen 43 und 44 wie folgt transformiert werden: Pss(t) = Pa(t)1H + Pdia = Pa(t)H Gl. 46 Psd(t) = Pa(t)1L + Pdia = Pa(t)L Gl. 47,wobei P_a(t)H und P_a(t)L hohe und niedrige Frequenzkomponenten des aortischen Drucks zu einer bestimmten Zeit (P_a(t)) sind. Der Druck einer pseudoinvasiven systolischen Welle (P_sw(t)) kann durch Annahme bestimmter Wichtungen der suprasystolischen und subdiastolischen Wellen erhalten werden. Die Annahme dieser bestimmten Wichtungen führt zu der folgenden Gleichung, welche den Druck der systolischen Welle zu einer bestimmten Zeit beschreibt.
wobei W_ss die Wichtung ist, welche der suprasystolischen Wellenkomponente zugeordnet ist und W_sd die Wichtung, welche der subdiastolischen Wellenkomponente zugeordnet ist. Die Wichtungen, die den entsprechenden suprasystolischen und subdiastolischen Wellenkomponenten (W_ss und W_sd) zugeordnet sind, können empirisch bestimmt werden. Um diese empirisch zu bestimmen, werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Zunächst wählt man den Wert für die Wichtung, welche entsprechenden suprasystolischen und subdiastolischen Wellenkomponenten (W_ss und W_sd) zugeordnet werden soll, und verwendet diese Werte, um die pseudoinvasive systolische Welle (P_sw(t)) gemäß Gleichung 48 zu konstruieren. Als nächstes vergleicht man die so erhaltene pseudoinvasive systolische Welle mit einer invasiven mit Katheter gemessenen aortischen Druckwelle (P_a(t)).
Es wird dann versucht, die beste Anpassung der pseudoinvasiven systolischen Welle (P_sw(t)) an die invasive mit Katheter gemessene aortische Druckwelle (P_a(t)) zu finden und diese zu verwen den, um die Wichtungen zu bestimmen, die den entsprechenden suprasystolischen und subdiastolischen Wellenkomponenten (W_ss und W_sd) zugeordnet sind.
Die Wellenfaktoren mit der besten Anpassung von 17 Patienten sind in Tabelle 1 gezeigt und ein Beispiel dieser Anpassung ist in den 7, 12A und 12B gezeigt.
Durch das Ausprobieren an den 17 Probanden, welches oben in 1 beschrieben ist, fanden die Anmelder, daß die beste Anpassung die folgenden mittleren Wichtungsfaktoren enthält: Wss = 1, Wsd = 0,4 und Wd = 0,6. Gl. 48A.
Die oben angegebenen Wichtungsfaktoren repräsentieren "mittlere Wichtungsfaktoren" und sind als solche allgemein auf die meisten Patienten anwendbar. Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben diese Wichtungsfaktoren eine Standardabweichung von 0, 0,29 bzw. 0,19, welche die Fehlerwerte der Wichtungsfaktoren sind.
TABELLE 1 WICHTUNGSFAKTOREN FÜR DIE BESTE ANPASSUNG NICHTINVASIVER MANSCHETTENWELLEN AN EINE AORTISCHE DRUCKWELLE, WELCHE MIT EINEM KATHETER ERHALTEN WURDE
D. Diastolische Welle
Für die diastolische Welle (DW) können, da G_ss = 0, G_d = 1 und da H_ss(t) und H_sd(t) ungleich 0 sind, die Gleichungen 43 und 44 wie folgt transformiert werden, so daß die diastolische Welle beschrieben wird. Pss(t) = Pdia + Hss(t) Gl. 50 Psd(t) = Gsd(t)Pa(t)(1)(L) + Pdia + Hsd(t) = Pa(t)(L) + Hsd(t) Gl. 51.
Während des diastolischen Zyklus ist das Aorta-arterielle System bei einem niedrigeren Blutdruck und das kardiovaskuläre System ist im allgemeinen in einem entspannten Zustand. Daher dominiert die Wellenkomponente mit niedriger Frequenz gegenüber der Wellenkomponente mit hoher Frequenz. Daher, P_at = P_a(t)L. Unter der Annahme, daß H_sd(t) = (W_d)(H_ss(t)), kann darüber hinaus eine pseudoinvasive diastolische Druckwelle (P_dw(t)), welche gleich dem aortischen Druck P_a(t) ist, wie folgt erhalten werden. In der folgenden Gleichung ist "W_d" ein Wichtungsfaktor. Pdw(t) = Psd(t) + (Wd)(Pdia – Pss(t) Gl. 52.
W_d ist eine Zahl, welche empirisch, wie oben in Verbindung mit Tabelle und Gleichungen 48 und 48A diskutiert, bestimmt werden kann.
III. Linke ventrikuläre Druckwelle und aortische oder pseudoaortische Druckwellen
In dem obigen Abschnitt wurde die Rekonstruktion einer aortischen Welle dargelegt und diskutiert. Tatsächlich wurde eine pseudoaortische Welle aus einer Beobachtung und einer mathematischen Bearbeitung der Werte arterieller Manschettenwellen ermittelt. In einem idealen Fall kann, da der systolische Zyklus der aortischen Welle (die systolische Welle (SW) wie oben definiert) Teil der linken ventrikulären Welle ist, ihre Beziehung durch die graphische Darstellung, welche in 11 gegeben ist, beschrieben werden.
Wenn man einfache Gauß-Kurven sowohl für die aortische systolische Welle als für auch die linke ventrikuläre systolische Welle zu einer Zeit "0" (welche die Zeit des maximalen Drucks oder des systolischen Punkts ist) annimmt, können die Gleichungen für die aortische systolische Welle SW wie folgt definiert werden:
In Gleichung 53 P_p = der Pulsschlagdruck, T_a = 1/2T_pp der aortischen Welle und P_dia = der diastolische Druck.
Ähnlich kann die Gleichung für den Druck der linken ventrikulären (LV) systolischen Welle (P_LV(t)) wie folgt definiert werden:
wobei P_sys = der systolische Druck und T_V = 1/2 T_pp der LV (linken ventrikulären) Welle, wobei wiederum T_pp = die Zeit zwischen der maximalen Druckänderung gegen die Zeit und dem minimalen Druck gegen die Zeit der linken ventrikulären Welle ist. In dieser Beziehung ist darauf hinzuweisen, daß T_pp der aortischen systolischen Welle im allgemeinen kleiner ist als das T_pp der linken ventrikulären Welle.
Aus den oben angegebenen Gleichungen kann die maximale
oder, da die Gaußsche Kurve symmetrisch ist, die minimale
linke ventrikuläre Kontraktibilität wie folgt abgeleitet werden:
In Gleichung 55 ist
Andere kardiale Parameter können ebenfalls durch Verwendung des oben angegebenen Modells erhalten werden.
IV. Betrieb der vorliegenden Erfindung
A. Sammeln der kardiovaskulären Zustandsinformation
Der erste Schritt, um entweder einen bestimmten hämodynamischen Parameter (z. B. den peripheren Widerstand, die kardiale Ausgangsleistung, den Blutdruck etc.) zu bestimmen oder eine kardiovaskuläre Pathologie (z. B. Hypertonie etc.) zu diagnostizieren, ist das Zusammentragen von Informationen über den kardiovaskulären Zustand des Patienten. Das bevorzugte Verfahren zum Zusammentragen dieser Informationen ist das Verfahren, welches in Chios US-Patent Nr. 4,880,013 gelehrt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung von Chio betreffen ein nichtinvasives Mittel und eine Vorrichtung zum Sammeln von Information über den kardiovaskulären Zustand eines Patienten. Das Verfahren von Chio weist die Verwendung einer aufblasbaren Manschette und Aufnahmemitteln für die Druckwellensignale, welche durch ein kardiovaskuläres System während der Verwendung der Manschette gemacht werden, auf. Die kardiovaskulären Geräusche werden durch einen Übertrager übermittelt, welcher die Druckwellensignale von Audiosignalen in elektrische Signale umwandelt. Die elektrischen Signale vom analogen Typ, welche so erhalten werden, werden durch einen Analog-zu-Digital-Wandler umgewandelt und in eine Verarbeitungseinheit, wie z. B. einen Personalcomputer, welcher Software enthält, zur Verarbeitung der empfangenen Information eingespeist. Der Datenstrom der Information wird durch den Computer auf einer brauchbaren Grafikanzeige verarbeitet. Die "grundlegende"-Anzeige des Datenstroms ist eine graphische Darstellung, wobei die Pulsschlagsignaldaten als eine Funktion entweder des Manschettendrucks oder der Zeit dargestellt sind.
Der Computer kann Software zur Bearbeitung des Datenstroms aufweisen, so daß andere Charakteristika des Datenstroms dargestellt werden. Die Darstellung des Pulsschlagdrucks als eine Funktion der Zeit (und des Manschettendrucks) wird gleichzeitig zu der in 2 des Chio '013-Patents gezeigten Information erscheinen. Da das Chio-Verfahren detaillierter in dem Chio '013-Patent beschrieben ist, wird es hier nicht wiederholt.
Das Chio-Verfahren weist eine Ähnlichkeit zu den meisten bekannten Verfahren zum Erhalten des Blutdrucks auf, in welchen die Blutdruckmanschette zunächst auf einen Druck oberhalb des erwarteten systolischen Blutdrucks des Patienten aufgeblasen wird. Dieser "suprasystolische Blutdruck" weist den Anfangspunkt für die Datenaufnahme auf. Mit der Zeit wird der Manschettendruck über den systolischen Druck in den Bereich des Drucks zwischen dem systolischen und dem diastolischen Druck reduziert und dann schließlich endet er bei einem Punkt unterhalb des bestimmten diastolischen Drucks des Patienten. Wie detaillierter unten beschrieben wird, fanden die Anmelder, daß die Pulsschlagwellenformen, welche in den suprasystolischen und subdiastolischen Bereichen erhalten wurden, insbesondere bei der Bestimmung einiger interessierender hämodynamischer Parameter der vorliegenden Erfindung hilfreich sind.
Aus diesem Datenstrom (und den so erzeugen Wellenformen) kann der systolische Blutdruck, der diastolische Blutdruck und der mittlere arterielle Blutdruck des Patienten bestimmt werden.
Wenn das Chio-Verfahren verwendet werden soll, kann dies durch Erwerb einer DYNAPULSE^TM-Blutdrucküberwachungsvorrichtung geschehen, welche von Pulse-Metric, Inc., dem Inhaber der vorliegenden Erfindung, hergestellt wird. Wie oben diskutiert, sollte ein Datenstrom an Information erhalten werden, welcher sowohl die suprasystolische als auch die subdiastolische Information aufweist, zusammen mit der Information in dem Bereich zwischen dem systolischen Druck und dem diastolischen Druck.
In 13 ist eine beispielhafte Ausgabe der DYNAPULSE^TM-Blutdrucküberwachungsvorrichung gezeigt. Diese Wellenformen und die Information in dem Bereich zwischen ungefähr 180 und 160 mmHg stellen die suprasystolische Information dar, die mit der Vorrichtung erhalten wurde. In 13 wurde der systolische Druck zu 159 mmHg bestimmt. Die Information zwischen dem ermittelten systolischen Druck (159 mmHg) und dem ermittelten diastolischen Druck (81 mmHg) stellt die Information in dem Bereich zwischen dem ermittelten systolischen Druck und dem ermittelten diastolischen Druck dar. Wie erwartet, tritt der mittlere arterielle Druck (109 mmHg) in diesem Bereich auf. Das Material, welches zwischen 81 mmHg und dem Ende des Tests (ungefähr 45 mmHg) erhalten wurde, weist die subdiastolische Information auf. Aus dieser subdiastolischen Information ist die besonders interessierende Information diejenige Information in dem nahezu-subdiastolischen Bereich zwischen ungefähr 81 mmHg und ungefähr 65 mmHg.
Zusätzlich zu dem in dem Chio '013-Patent offenbarten Übertrager, welcher in Verbindung mit der DYNAPULSE^TM-Blutdrucküberwachung verwendet wird, kann man auch andere druckerfassende Vorrichtungen verwenden, wie z. B. einen Ultraschallsensor, welcher in dem Bereich der Arterie stromaufwärts von der Position der druckausübenden Manschette angeordnet ist.
B. Bestimmen des peripheren Widerstands und Diagnostizieren eines Patienten unter Verwendung des so bestimmten peripheren Widerstands
Wie oben diskutiert, bestimmt man zunächst die systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drücke aus dem so erhaltenen Datenstrom an Information. Zusammen mit anderen Verwendungen (unten beschrieben) ist es eine Verwendung der ermittelten systolischen und diastolischen Drücke, die suprasystolischen und subdiastolischen Bereiche zu definieren. Pulsschlagwelleninformation, welche aus dem suprasystolischen Bereich (suprasystolische Pulsschlagwellen) erhalten wurde, ist bedeutsam, da die arteriellen Pulsschlagwellen, welche bei einem suprasystolischen Druck gemessen werden, bei einem Druck gemessen werden, weicher den systolischen Punkt übersteigt. Die physiologische Bedeutung des suprasystolischen Segments der Pulsschlagwellen ist, daß oberhalb des systolischen Punkts kein Blut durch den Manschettenbereich fließt. Ähnlich sind die subdiastolischen Wellen solche arteriellen Pulsschlagwellen, welche bei einer Manschette (oder einer ähnlichen druckerfassenden Vorrichtung) gemessen wurden, wenn die druckerzeugende Vorrichtung (z. B. die Manschette) einen Druck auf die Arterie ausübt, welcher geringer ist als der diastolische Druck. Die subdiastolischen Pulsschlagwellen können mit einer druckausübenden Manschettenvorrichtung erhalten werden oder durch andere druckerfassende Mittel, wie z. B. einem Ultraschallsensor. Die physiologische Bedeutung des diastolischen Drucks ist, daß die Pulsschlagwellen, welche bei subdiastolischen Blutdrücken erfaßt werden, einen Zustand ungehinderten Blutflusses durch die Arterie darstellen.
Nachdem die suprasystolischen und subdiastolischen Wellenformen zusammen mit den systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drücken erhalten wurden, ist der nächste Schritt, die suprasystolischen und subdiastolischen Wellen auf systolische und diastolische Punkte zu normalisieren. Um diese Wellen zu normalisieren, nimmt man zunächst an, daß der maximale Punkt sowohl der suprasystolischen als auch der diastolischen Wellen bei dem systolischen Druck auftritt. Darüber hinaus sollte angenommen werden, daß der Anfang des systolischen Zyklus der suprasystolischen Welle und der niedrigste Punkt der subdiastolischen Welle bei dem diastolischen Druck auftreten. Durch diese Annahmen können sowohl die suprasystolischen als auch die subdiastolischen Wellen auf systolische und diastolische Drücke, wie in 7, gezeigt normalisiert werden. In 7 ist darauf hinzuweisen, daß die normalisierten suprasystolischen und subdiastolischen Wellen zusammen mit einer aortischen Druckwelle aufgetragen sind, die durch ein invasives Katheterverfahren erhalten wurde. In dem in 7 gezeigten Beispiel liegen die systolischen Drücke der normalisierten nichtinvasiven Wellen und der invasiven mit Katheter gemessenen Wellen bei 171 mmHg, ihre diastolischen Drücke bei 96 mmHg und ihre mittleren arteriellen Drücke bei 116 mmHg. Diese "Normalisierungs"-Prozedur basiert auf den Beobachtungen des Anmelders und auf einem Verständnis der dem aortischen Zyklus zugrundeliegenden Theorie. Wie in Gleichung 46 beschrieben, wird die suprasystolische Welle durch die "harmonische" (nicht-geometrische) Komponente P_a(t)H dominiert. Daher sollte die suprasystolische Welle mit ihrem Anfangspunkt oder einer "mittleren Linie" bei dem diastolischen Druck und ihrem Maximum bei einem systolischen Druck, ähnlich der in 8 gezeigten Welle, auftreten. Es wurde vom Anmelder herausgefunden, daß sowohl invasive Wellen als auch nichtinvasive subdiastolische Wellen ihr Maximum im systolischen Bereich und ihre Nadir-Punkte im diastolischen Bereich haben.
Der nächste Schritt ist, Gleichung 31 zu verwenden, um den diastolischen Fluß V₀ (welcher natürlich direkt mit dem peripheren Widerstand und dem Druckgradienten in Beziehung steht) zu berechnen. Um Gleichung 31 zu verwenden, muß die effektive Länge der Blutdruckmanschette (l_cuff), aus welcher der Datenstrom erhalten wird, die Zeit zwischen den Maxima benachbarter Wellenformen (T_pp) sowie die Druckänderung gegen die Zeit (oder die Steigung) einer diastolischen Welle
und die Spitze-Spitze-Änderung in der Steigung einer systolischen Welle
bestimmt werden.
In Bezug auf die oben erwähnten Variablen kann die effektive Länge der Blutdruckmanschette (l_cuff) gemessen werden. Die typische effektive Länge der Blutdruckmanschette in der Standard-Erwachsenengröße beträgt typischerweise ungefähr 9 cm.
Die Zeit zwischen den Spitzen benachbarter Wellenformen kann empirisch aus den Pulsschlagwellenformen des Datenstroms bestimmt werden. Zum Beispiel kann in dem in 12A gezeigten Datenstrom die Druckänderung gegen die Zeit der diastolischen Welle aus der pseudoaortischen Welle durch bestimmen der Druckdifferenz zwischen dem Druck bei einer Zeit t₁ (0,5 Sekunden) und einer Zeit t₂ (0,6 Sekunden) bestimmt werden. In diesem Fall ist der Druck zur Zeit t₁ 122 mmHg, der Druck zur Zeit t₂ ist 111 mmHg und die Differenz dazwischen beträgt 122 – 111 = 11 mmHg. Daher beträgt die Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt) gleich 11 mmHg/0,1 sec oder 110 mmHg/sec. Ähnlich können die maximalen und minimalen Druckänderungen gegen die Zeit der suprasystolischen Welle aus der ersten Ableitung der systolischen Welle in Bezug auf die Zeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von Gleichung 14 kann (dP/dt)_pp erhalten werden. Daher kann die zeitliche Periode zwischen den maximalen und minimalen Druckänderungen aus der ersten Ableitungskurve ermittelt werden.
Die erste Ableitungskurve kann durch richtige Programmierung der zentralen Verarbeitungseinheit erhalten werden, welche in Verbindung mit dem Erhalten und dem Verarbeiten des Datenstroms an Information des Patienten verwendet wird. Gemäß 14 ist eine Anzeige von einer DYNAPULSE-Blutdrucküberwachungsvorrichtung gezeigt. Da die erste Ableitungskurve eine Auftragung der Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt) ist, sind die maximale Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt)_max und die minimale Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt)_min aus der Kurve einfach ersichtlich. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zentrale Verarbeitungseinheit so programmiert sein, daß (1) numerische Werte für (dP/dt)_max und (dP/dt)_min bereitgestellt werden; (2) T_pp aus bestimmten Werten von t₁ und t₂ ermittelt wird; und (3) Gleichung 14 mit den Werten für (dP/dt)_max und (dP/dt)_min gelöst wird.
Gleichung 48 wird so verwendet, daß der Druck einer systolischen Welle zu einer gegebenen Zeit T_(sw)(1) bestimmt wird und die Druckänderung gegen die Zeit der diastolischen Welle (dP/dt)_(dw) bestimmt wird.
Nachdem die Druckänderung der diastolischen Welle gegen die Zeit und die maximalen und minimalen Druckänderungen gegen die Zeit durch die Verwendung von Gleichung 48 gelöst sind, kann dann die diastolische Fließgeschwindigkeit (V₀) gemäß Gleichung 31, welche unten erneut abgedruckt ist, bestimmt werden.
Aus dem Wissen über die diastolische Fließgeschwindigkeit kann dann entweder der distale periphere Widerstand (PR₂) oder der systemische periphere Widerstand (PR₁) aus der oben bestimmten diastolischen Fließgeschwindigkeit und den peripheren Widerstandsparametergleichungen, wie sie zuvor auf Seite dargelegt sind, berechnet werden. Insbesondere kann der systemische periphere Widerstand durch die folgende Gleichung 58 erhalten werden.
Ähnlich kann der distale periphere Widerstand (PR₂) durch Gleichung 59, welche das Ergebnis des peripheren Widerstands zeigt, der von dem Anmelder gemessen und bestimmt wurde, erhalten werden. Insbesondere zeigt 1 den ermittelten distalen peripheren Widerstand (PR₂) von 14 Patienten. Diese Darstellung des ermittelten peripheren Widerstands der Patienten als eine Funktion des mittleren arteriellen Drucks ist bei der Diagnose der kardiovaskulären Pathologien der Patienten, deren peripherer Widerstand bestimmt wurde, hilfreich.
Um den Patienten zu diagnostizieren, bestimmt man zunächst einen klinisch signifikanten Schwellenwert, welcher als Demarkationslinie dient zwischen denjenigen, welche wahrscheinlich ein Risiko tragen, eine bestimmte kardiovaskuläre Pathologie zu haben, und denjenigen, die dies nicht tun. Im vorliegenden Fall hat der Anmelder die bekannten "Richtgrößen"-Schwellenwerte für die systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drücke verwendet. Der Anmelder hat auch einen Schwellenwert in Bezug auf den distalen peripheren Widerstand etabliert.
Der Standardschwellenwert für den mittleren arteriellen Druck beträgt 108 mmHg, für den systolischen Druck 140 mmHg und für den diastolischen Druck beträgt er 90 mmHg. Der Schwellenwert, welcher vom Anmelder für den peripheren Widerstand bestimmt wurde, beträgt 0,6 (mmHg) (sec/cm).
Diese Schwellenwerte verwendend nimmt der Anmelder an, daß ein Patient mit einer begründeten Wahrscheinlichkeit für eine Hypertonie vom Typ hoher peripherer Widerstand diagnostiziert werden kann, wenn (1) der mittlere arterielle Druck größer als 108 mmHg ist oder der systolische Blutdruck größer als 140 mmHg ist; oder der diastolische Blutdruck größer als 90 mmHg ist; und (2) der distale periphere Widerstand größer als 0,6 (mmHg) (sec/cm) ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Schwellenwert für den distalen peripheren Widerstand von 0,6 ein Wert ist, der wahrscheinlich modifiziert oder besser verfeinert werden muß, wenn weitere Studien zugänglich werden.
Wenn ein bestimmter Patient die oben diskutierten Kriterien erfüllt, würde er allgemein so diagnostiziert, daß er eine Hypertonie vom Typ hoher peripherer Widerstand hat. In solch einem Fall erschiene die angezeigte Behandlung die Verwendung eines Vaso-Dilatators.
Zusätzlich kann der periphere Widerstand verwendet werden, um hypertonische Patienten vom Typ hohe kardiale Ausgangsleistung (CO) zu diagnostizieren. Der Anmelder hat herausgefunden, daß diese Patienten diejenigen sind, die typischerweise einen mittleren arteriellen Druck von größer als 108 mmHg oder einen systolischen Druck von größer als 140 mmHg oder einen diastolischen Druck von größer als 90 mmHg haben. Jedoch unterscheiden sich die hypertonischen Patienten vom Typ hohe kardiale Ausgangsleistung von den hypertonischen Patienten vom Typ peripherer Widerstand dadurch, daß die hypertonischen Patienten vom Typ hohe kardiale Ausgangsleistung typischerweise einen distalen peripheren Widerstand von weniger als 0,6 (mmHg) (sec/cm) aufweisen.
Obwohl der Anmelder Experimente durchgeführt hat, bei denen ein distaler peripherer Widerstand verwendet wurde, ist es auch klar, daß der systemische periphere Widerstand ebenfalls verwendet werden kann, um eine Hypertonie zu bestimmen und den Unterschied zwischen hypertonischen Patienten vom Typ hoher peripherer Widerstand und hypertonischen Patienten vom Typ hohe kardiale Ausgangsleistung zu diagnostizieren.
Obwohl die oben dargelegten Schritte zum Bestimmen des peripheren Widerstands so beschrieben wurden, daß sie (zu einem großen Teil) von Hand ausgeführt werden, versteht es sich, daß ein Computer so programmiert werden kann, daß er den oben beschriebene Prozeß sowohl zum Bestimmen des peripheren Widerstands als auch zur Diagnose eines Patienten basierend auf dem peripheren Widerstand und der so bestimmten kardialen Ausgangsleistung, durchführt.
Die peripheren Widerstandsmessungen, welche oben diskutiert wurden, können auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Patient ein hohes Risiko trägt, eine Erkrankung der koronaren Arterie zu haben. Wieder werden der periphere Widerstand und der mittlere arterielle Druck, welche von einem Patienten erhalten wurden, mit Schwellenwerten verglichen. Basierend auf der Beziehung zwischen dem ermittelten peripheren Widerstand und dem mittleren arteriellen Druck und dem Schwellenwert kann der Patient diagnostiziert werden, ob er entweder ein hohes, mittleres oder niedriges Risiko hat, eine koronare Erkrankung der Arterie zu haben. Es wurde vom Anmelder herausgefunden, daß im allgemeinen Patienten ein hohes Risiko haben, eine Erkrankung der koronaren Arterie zu haben, wenn ihr mittlerer arterieller Druck größer ist als 108 mmHg. Patienten haben ein mittleres Risiko, eine Erkrankung der koronaren Arterie zu haben, wenn ihr mittlerer arterieller Druck weniger als 108 mmHg beträgt, aber ihr distaler peripherer Widerstand größer ist als der Schwellenwert von 0,6 (mmHg) (sec/cm). Darüber hinaus haben Patienten im allgemeinen ein niedriges Risiko, eine Erkrankung der koronaren Arterien zu haben, wenn sowohl ihr mittlerer arterieller Druck als auch ihr distaler peripherer Widerstand geringer sind als die Schwellenwerte von 108 mmHg bzw. 0,6 (mmHg) (sec/cm).
C. Bestimmen einer pseudoaortischen Wellenkontur und ihre Verwendung zum Bestimmen kardiovaskulärer Pathologien
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Unterstützung bei der Bestimmung einer pseudoaortischen Druckwellenkontur und die Verwendung dieser Kontur, um die Diagnose von Patienten zu unterstützen, die kardiovaskuläre Pathologien haben. Insbesondere ist dieser Ansatz zur Diagnose kardialer aortischer Erkrankungszustände geeignet.
Um die pseudoaortische Druckwellenkontur eines menschlichen kardiovaskulären Systems zu erkennen, werden zunächst ein druckausübendes Mittel und ein Übertrager an einem Patienten befestigt. Ein Datenstrom von dem Patienten wird dann aus den Wandlereinrichtungen erhalten. Der Datenstrom weist Druckdaten und Pulsschlagsignaldaten auf. Vorzugsweise weist der Datenstrom Daten auf, welche bei einem suprasystolischen Druck, bei einem subdiastolischen Druck und bei Drücken in dem Bereich zwischen dem ermittelten systolischen Druck und dem diastolischen Druck liegen.
Diese Pulsschlagsignaldaten und Druckdaten werden verwendet, so daß dann die pseudoaortische Druckwellenkontur bestimmt werden kann.
Um die pseudoaortische Druckwellenkontur zu bestimmen, werden zunächst die normalisierten suprasystolischen Wellen und subdiastolischen Wellendaten, wie in 7 gezeigt und wie oben diskutiert, verwendet. Eine Integration von Gleichung 48 wird benutzt, um diese Daten einschließlich der Wichtungsfaktoren zum Erhalten der besten Anpassung, welche in Gleichung 48a und Tabelle 1 offenbart sind, zu bestimmen.
Nachdem die pseudoaortische Druckwellenkontur (P_sw(t)) bestimmt ist, werden diese normalisierten suprasystolischen Wellen und subdiastolischen Wellendaten in Verbindung mit Gleichung 52 benutzt, so daß die pseudodiastolische Wellenkontur (P_dw(t)) erhalten wird. Darüber hinaus beträgt die in Verbindung mit Gleichung 52 zu verwendende Wichtung (W_(d)) 0,6.
Aus dieser Information wird die pseudodiastolische Wellenkontur bestimmt. Die pseudosystolische Wellenkontur und die pseudodiastolische Wellenkontur werden dann kombiniert, so daß die pseudoaortische Druckwelle wie in den 12A und 12B gezeigt erhalten wird. Die rekonstruierte und normalisierte pseudoaortische Druckwellenkontur trägt einen großen Anteil an Information über das kardiovaskuläre System eines Patienten. Im Prinzip kann es zur Diagnose einer großen Anzahl an Charakteristika eines kardiovaskulären Systems und eines breiten Bereichs an humanen-hämodynamischen Parametern und von kardiovaskulären Pathologien verwendet werden.
Zum Beispiel kann die pseudoaortische Druckwellenkontur mit einer Darstellung von bekannten kardiovaskulären Pathologien verglichen werden. Zum Beispiel kann die pseudoaortische Kontur mit den Variationen in der Kontur des arteriellen Pulsschlags mit korrelierten ECGs verglichen werden, wie sie z. B. in 4.2 von K. G. Andreoli et al., Hrsg., Comprehensive Cardiac Care, C. V. Mosby Co., St. Louis, 1983, gezeigt sind.
Ein Vergleich der Konturen kann Dinge, wie z. B. eine Arteriosklerose, bestimmen. Gemäß 12B ist der "Einbruch" in der pseudoaortischen Druckwelle, welcher zwischen 101 und 115 mmHg auftritt und zwischen 0,05 und 0,15 Sekunden, ein Einbruch, der sehr typisch für Patienten ist, die eine aortische Sklerose aufweisen.
Gemäß 12A ist eine pseudoaortische Konturwelle gezeigt, welche eine aortische Stenose aufweist. Die Stenose in 12A wird durch die Abnahme der Steigung in dem mit 110 bezeichneten Bereich im aufsteigenden Teil des systolischen Zyklus der Pulsschlagdruckwelle dargestellt. Wird der vergleichbare Teil der Pulsschlagdruckwelle aus 12 betrachtet, wird klar, daß die Steigung bei den Patienten, die keine Stenose haben, nicht so schnell abflacht.
C. Bestimmen der kardialen Ausgangsleistung und Diagnose kardiovaskulärer Pathologien in Bezug auf das linke Ventrikel des Herzens
Um die maximale linke ventrikuläre (kardiale) Kontraktibilität eines humanen kardiovaskulären Systems zu bestimmen, befestigt man zunächst ein nichtinvasives druckausübendes Mittel und einen Übertrager an einem Patienten, um einen Datenstrom von dem Übertrager zu erhalten. Der Datenstrom sollte Druckdaten und Pulsschlagsignaldaten aufweisen. In dieser Hinsicht ist das Verfahren zur Bestimmung der maximalen linken ventrikulären (kardialen) Kontraktibilität im allgemeinen den oben diskutierten Verfahren ähnlich. Das Verfahren zum Erhalten des Datenstroms, welches in dem Chio '013-Patent offenbart ist, ist ein bevorzugtes Verfahren zum Erhalten dieses Datenstroms.
Nachdem der Datenstrom erhalten wurde, werden die Pulsschlagsignaldaten und Druckdaten verwendet, um die maximale kardiale (LV) Kontraktibilität durch die folgenden Schritte zu bestimmen. Zunächst werden die suprasystolischen und subdiastolischen Wellen zusammen mit Gleichung 48 (und den Wichtungsfaktoren) verwendet, so daß eine pseudosystolische Wellenkontur (P_sw(t)) erhalten wird. Die Druckänderung gegen die Zeit der diastolischen Welle wird dann zusammen mit der Spitze-Spitze-Druckänderung gegen die Zeit bestimmt.
Mit der Gleichung 57 und den gemessenen systolischen (P_sys) und diastolischen (P_dia) Drücken und dem Spitzendruck (P_P = P_sys – P_dia) kann dann Tr berechnet werden, welches das Verhältnis von T_pp(aorta) zu T_pp(LV) ist, wie oben in Bereich III. (Gleichungen 43–57) und 11 definiert. Die oben abgeleiteten Parameter und Gleichung 56 verwendend kann dann die kardiale Spitzen-Kontraktibilität berechnet werden:
Die kardiale Spitzen-Kontraktibilität kann bei der Diagnose einer kardiovaskulären Pathologie benutzt werden, da die maximale kardiale Kontraktibilität als ein Anzeichen zum Bestimmen der Stärke des Herzens verwendet werden kann. Es ist klar, daß die Stärke des Herzens (oder das Fehlen davon) ein wichtiger Parameter zur Diagnose einer kardialen Erkrankung oder eines kardialen Fehlers sein kann.
D. Bestimmen der arteriellen Compliance und Elastizität eines humanen kardiovaskulären Systems
Die vorliegende Erfindung kann auch zur Unterstützung der Bestimmung der arteriellen Compliance (CO) und Elastizität (K_e) eines humanen kardiovaskulären Systems benutzt werden. Um dies zu tun, werden die Gleichungen 27 und 28 verwendet. Dazu kann entweder der arterielle Querschnitt gemessen werden oder der arteriellen Querschnitt (für einen normalen) zu A₀ angenommen werden, welcher gleich 0,67 cm² ist. Es kann darüber hinaus die arterielle elastische Konstante Ke abgeleitet werden, und die Compliance, welche gleich dem Inversen der Elastizitätskonstante (C = 1/Ke) ist. Eine Information über eine arterielle Elastizität oder eine Compliance eines Patienten ist auch ein hilfreicher Parameter zur Diagnose des Zustands des kardiovaskulären Systems eines Patienten.
E. Verwendung in Kombination
Obwohl die verschiedenen Faktoren und Parameter alleine diskutiert wurden, ist es offensichtlich, daß diese ermittelten Parameter in Kombination verwendet werden können, so daß eine breite Auswahl an Erkrankungen diagnostiziert werden kann und diese entweder eine Unterstützung oder einen gegenteiligen Beweis für andere so bestimmte Parameter und so gestellte Diagnosen liefem kann.
F. Vorrichtungen zum Bestimmen der oben angegebenen Parameter
Die oben diskutierten Verfahren können in eine Vorrichtung zur Automatisierung des oben diskutierten Prozesses eingearbeitet sein. Die primäre Anforderung an eine solche Vorrichtung ist, daß sie in der Lage ist, die benötigten Informationen zu erhalten. Eine solche Vorrichtung, welche in der Lage ist, die Information zu erhalten, ist die DYNAPULSE 200M^TM-Blutdrucküberwachung, welche von Pulse-Metric, Inc. aus San Diego, Kalifornien, der Inhaberin der vorliegenden Erfindung, hergestellt wird. Die DYNAPULSE-Vorrichtung ist in dem Chio '013-Patent detaillierter beschrieben. Sie weist eine Blutdruckmanschette zum Ausüben eines Drucks auf die Arterie eines Patienten auf. Ein Wandler wird zur Erfassung kardiovaskulärer Signale bereitgestellt und zum Umwandeln dieser kardiovaskulären Signale in ein elektrisches Signal. Ein Analog-zu-Digital-Wandler ist zum Umwandeln der analogisierten Geräusche in einen digitalen Informationsstrom vorgesehen. Der digitale Informationsstrom wird dann von einer CPU verarbeitet, so daß eine Vielzahl von Informationsanzeigen erzeugt wird. Die oben in Verbindung mit der Bestimmung der verschiedenen Parameter diskutierten Verhältnisse und Gleichungen können in die CPU programmiert sein, um es der Vorrichtung zu ermöglichen, eine Anzeige oder einen Ausdruck eines Typs bereitzustellen, welcher von dem Fachmann verwendet werden kann, der versucht, die verschiedenen Parameter zu bestimmen. Einige der Parameter (z. B. der periphere Widerstand) können am besten digital als ein numerischer Wert dargestellt werden. Andere Anzeigen (z. B. die erzeugte pseudoaortische Welle) können besser graphisch dargestellt werden. In Bezug auf die pseudoaortische Kontur kann die Vorrichtung auch ein Programm zum Vergleichen der erhaltenen pseudoaortischen Welle mit aortischen Wellen bekannter kardiovaskulärer Pathologien aufweisen, so daß dem Fachmann Wahrscheinlichkeiten dafür vorgeschlagen werden, daß ein bestimmter Patient eine bestimmte kardiovaskuläre Pathologie (z. B. eine aortische Sklerose oder Stenose) hat. Abwechselnd kann die Anzeige einen Vorschlag von alternativen Diagnosen aufweisen, die der Fachmann ebenfalls vollständiger durch visuelle Diagnose zu untersuchen wünschen könnte. In dieser Beziehung hat der Anmelder herausgefunden, daß eine Wellenformanzeige ein nützliches Werkzeug ist, um die oben diskutierten Parameter zu bestimmen und zum Diagnostizieren kardiovaskulärer Pathologien.
V. ARBEITSBEISPIELE
Der erste Schritt beim Erhalten der verschiedenen Parameter, welche zum Treffen der Diagnose der vorliegenden Anmeldung notwendig sind, ist es, eine normalisierte suprasystolische und subdiastolische Druckwelle zu ermitteln.
Man erhält zunächst die systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drücke des Patienten. In dem vorliegenden Beispiel wurde dies durch die Verwendung der DYNAPULSE^TM Modell 200M-Blutdruckvorrichtung, welche von Pulse-Metric, Inc. aus San Diego, Kalifornien, der Inhaberin der vorliegenden Erfindung, hergestellt wurde, durchgeführt. Die Druckwelle, welche so von dem Patienten erhalten wurde, ist in 13 dargestellt.
Wie zuvor diskutiert, sind die suprasystolischen Wellenformen solche Wellenformen, die bei einem Druck erhalten wurden, bei dem kein Blut durch den Manschettenbereich fließt. Daher spiegeln die arteriellen Pulsschlagwellen, welche bei einer Manschette oder ähnlich bei einer Vorrichtung bei einem suprasystolischen Druck gemessen wurden, diesen Zustand wider.
Gemäß 13 wurden die suprasystolischen Wellen durch Verwendung der DYNAPULSE^TM-Vorrichtung erhalten. Eine Standard-Blutdruckmanschette wurde verwendet, um den Blutfluß durch Anlegen eines Drucks auf die Arterie zu verschließen, welcher größer ist als der systolische Druck. Die suprasystolischen Wellen wurden dann durch Verwenden eines Übertragers und eines Analog-Digital-Wandlers erhalten, wie ausführlicher in dem Chio '013-Patent gelehrt. Alternativ kann ein Ultraschallsensor verwendet werden, um kardiovaskuläre Töne bei einem suprasystolischen Druck zu erfassen.
Als ein Teil der Methode war der durch die Manschette ausgeübte Druck anfänglich ein Druck, welcher größer war als der systolische Druck des Patienten. Mit der Zeit wurde der Manschettendruck in einer im wesentlichen linearen Weise bis zu einem Punkt unterhalb des diastolischen Drucks des Patienten reduziert. Während der gesamten Zeit wurden Pulsschlagdruckwellen von dem Patienten erhalten. Pulsschlagdruckwellen wurden bei dem Patienten bei Drücken unterhalb des ermittelten diastolischen Drucks des Patienten erhalten. Die subdiastolischen Pulsschlagdruckwellen wurden bei diesem subdiastolischen Druck erhalten. Jedoch ist es offensichtlich, daß in Situationen, in denen nur bestimmte Informationen (z. B. nur subdiastolische und suprasystolische) benötigt werden, die Vorrichtung so verwendet werden kann, daß nur die benötigte Information erhalten wird.
Die suprasystolischen (SS) und subdiastolischen (SD) Wellen wurden dann normalisiert auf die systolischen (P_sys) und diastolischen (P_dia) Punkte normalisiert. Wie oben diskutiert, können die systolischen und diastolischen Drücke durch Verwendung der DYNAPULSE^TM-Blutdrucküberwachungsvorrichtung oder durch jedes andere Verfahren zur Bestimmung des Blutdrucks ermittelt werden.
Es wird dann angenommen, daß der maximale Punkt sowohl der suprasystolischen als auch der subdiastolischen Welle der systolische Druck ist und daß der Anfang des systolischen Zyklus der suprasystolischen Welle und der niedrigste Punkt der subdiastolischen Wellen die diastolischen Drücke sind. Sowohl die suprasystolischen als auch die subdiastolischen Wellen werden dann auf die systolischen und diastolischen Drücke, wie in 7 gezeigt, normalisiert. Gemäß 7 sind die normalisierten suprasystolischen und subdiastolischen Wellen zusammen mit einer aortischen Druckwelle aufgetragen, welche durch ein Katheterverfahren erhalten wurde. In dem in 7 gezeigten Beispiel haben die normalisierten nichtinvasiven Wellen und die invasiven Katheterwellen ihren systolischen Druck bei 171 mmHg und ihren diastolischen Druck bei 96 mmHg.
Nachdem die normalisierten suprasystolischen und die subdiastolischen Drücke ermittelt wurden, können Gleichung 48 und Gleichung 42 mit den entsprechenden Wellenfaktoren (W_ss = 1, W_sd = 0,4 und W_d = 0,6) verwendet werden, so daß die pseudoaortischen Druckwellen P_sw(t) und P_dw(t) erhalten werden.
Dann werden die normalisierten suprasystolischen, subdiastolischen und pseudoaortischen Wellen benutzt, um weiterhin ihre Steigung (dP/dt) bei der maximalen Steigung des ansteigenden Teils der Pulsschlagwelle (dP/dt)_max und bei der maximalen negativen Steigung des abnehmenden Teils der Pulsschlagwelle (dP/dt)_min zu berechnen. Wie oben in Verbindung mit der Diskussion von 12A diskutiert, kann dieser Prozeß durch entsprechende Programmierung der zentralen Verarbeitungseinheit, welche in Verbindung mit der Erfassung des Informationsstroms von dem Patienten verwendet wird, durchgeführt werden.
Die maximalen Werte [(dP/dt)_max und (dP/dt)_min] werden dann ermittelt. Gleichung 14 verwendend kann (dP/dt)_pp dann aus den ermittelten (dP/dt)_max und (dP/dt)_min erhalten werden.
In dem in 7 gezeigten Beispiel wurden die zum Verwenden von Gleichung 31 notwendigen Variablen wie folgt bestimmt:
L_cuff ist gleich 9 cm, wenn eine Manschette mit der Standard-Erwachsenengröße, welche ein Breite von 12,7 cm (5 Zoll) aufweist, verwendet wird.
T_pp ist gleich 0,24 Sekunden, die Zeit zwischen der maximalen Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt)_max und der minimalen Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt)_min;
(dP/dt)_pp ist gleich 1250 mmHg/sec; und
(dP/dt)_DW ist gleich 62,5 mmHg/sec.
Werden diese Werte und Gleichung 31 verwendet, so beträgt die diastolische Fließgeschwindigkeit für den Patienten, dessen kardiovaskuläre Information in 7 erhalten wurde, V₀ = 23,56 cm/sec.
Es wird dann Gleichung 22 verwendet und angenommen, daß die arterielle Querschnittsfläche (A₀) gleich 0,67 cm² ist. Aus diesen Werten kann man darüber hinaus die arterielle Compliance (C) wie folgt berechnen: C = 0,26 cc/mmHg.
Die folgenden Gleichungen verwendend können dann die peripheren Widerstände (PR₁ und PR₂) ermittelt werden:
Werden die Gleichungen 58 und 59 verwendet, so können sowohl der proximate periphere Widerstand (PR₁) als auch der distale periphere Widerstand (PR₂) berechnet werden. Die Werte des peripheren Widerstands für den Patienten, dessen kardiale Information in den 13 und 7 gezeigt ist, sind:
PR₁ = 3,18 (mmHg) (sec/cm) und
PR₂ = 0,85 (mmHg) (sec/cm).
Die linke ventrikuläre (kardiale) Spitzen-Kontraktibilität wurde dann durch Verwenden der pseudoaortischen systolischen Welle (P_sw(t)) und ihrer maximalen Druckänderung gegen die Zeit (dP/dt) zusammen mit Gleichungen 56 und 57 ermittelt, um die Spitzen-Kontraktibilität des linken Ventrikels des Patienten, dessen kardiale Information in 7 gezeigt ist, zu berechnen.
Es ist ein Beispiel dargestellt. Für einen Patienten, welcher einen systolischen Druck von 166 mmHg hat, einen ermittelten diastolischen Druck von 94 mmHg, wurde der Pulsschlagdruck (P_p) gemäß dem Zähler aus Gleichung 58 zu 72 mmHg berechnet. Gleichung 57 verwendend, kann T_r zu 0,563 berechnet werden.
Die maximale Druckänderung gegen die Zeit wurde dann aus der pseudoaortischen Welle gemäß dem folgenden Ausdruck erhalten: [(dP/dt)_aorta]_max = 804 mmHg/sec. Daraus kann, Gleichung 56 verwendend, die linke ventrikuläre (kardiale) Spitzen-Kontraktibilität berechnet werden. In dem vorliegenden Beispiel wurde herausgefunden, daß die maximale kardiale Kontraktibilität:
gleich 1015 mmHg/sec ist.
Der so durch das nichtinvasive Verfahren des Anmelders erhaltene Wert wurde dann mit dem Wert verglichen, welcher aus einer invasiven Katheterisierungsmessung erhalten wurde. Die gleiche Information verwendend, maß die invasive Messung mit Katheter bei dem gleichen Patienten eine kardiale Spitzen-Kontraktibilität von 1000 mmHg/sec.
Die allgemeine Ähnlichkeit der Ergebnisse wird überzeugend für die Zuverlässigkeit der Erfindung des Anmelders verwendet.
VI. Experimentelle Ergebnisse
A. Diagnose einer Hypertonie
Als Teil der experimentellen Methode, welche verwendet wurde, um die vorliegende Erfindung zu untersuchen, hat der Anmelder Studien an verschiedenen Patienten durchgeführt.
Um die Theorie der Verwendung des peripheren Widerstands (PR₁ und PR₂) zu untersuchen, welcher oben definiert und aus einer Messung der diastolischen Wellengeschwindigkeit abgeleitet wurde, wurden 14 menschliche Probanden im Alter zwischen 45 und 81 untersucht. Es wurden die invasiven aortischen Druckwellenformen und nichtinvasiven Manschettenpulsschlagwellenformen von diesen Patienten erhalten. Subdiastolische Wellenformen wurden analysiert, so daß die in Gleichung 31 oben definierten Parameter erhalten wurden. In diesen Studien betrug die gemessene Länge der Manschette 12,7 cm (5 Zoll). Diese effektive Länge wurde unter der Annahme berechnet, daß die effektive Länge gleich die gemessene Manschettenlänge geteilt durch die Quadratwurzel von 2 ist. Daher betrug die effektive Länge der Manschette, welche eine gemessene Länge von 12,7 cm (5 Zoll) hat, gleich 8,9 cm (3,5 Zoll). Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Druckänderung einer diastolischen Welle (dP/dt)_DW) gegen die Zeit aus dem linearen Teil T₁ bis T₂ der diastolischen Welle (siehe z. B. 11) berechnet wurde und sie wurde durch die invasive Wellenform bestätigt. Diese Werte wurden dann in Gleichung 31 verwendet.
Die Compliance wurde aus Gleichungen 22 und 23 berechnet unter der Annahme, daß ein männlicher Proband mit einer Größe von 152,4 cm (60 Zoll, 5 Fuß) einen arteriellen Querschnitt von 1 cm² hat und daß ein weiblicher Proband der gleichen Größe einen arteriellen Querschnitt von 0,8 cm² hat. Für unterschiedliche Größen wurden die arteriellen Querschnitte gemäß der folgenden Gleichung angepaßt: A0(x) = (A0)(Größe(x)/60).
1 der vorliegenden Anmeldung zeigt die Ergebnisse sowohl für den systemischen peripheren Widerstand (PR₁) als auch für den distalen peripheren Widerstand (PR₂) sowohl als Funktion der systolischen, der diastolischen als auch der mittleren arteriellen Drücke aller 14 Probanden. Diese Ergebnisse belegen den Befund des Anmelders, daß entweder der systemische periphere Widerstand oder der distale periphere Widerstand zur Diagnose einer Hypertonie verwendet werden können. Der Anmelder hat ebenfalls herausgefunden, daß der periphere Widerstand vorzugsweise gegen entweder den mittleren arteriellen oder den systolischen Druck aufgetragen wird, da für ältere Menschen ihr diastolischer Druck ansteigen kann und die üblichen Richtgrößen zum Bestimmen hypertonischer systolischer und diastolischer Drücke (140/90 mmHg) keine zuverlässigen Indikatoren sein können.
Es wurden Darstellungen (nicht gezeigt) der diastolischen Wellengeschwindigkeit, aufgetragen gegen die systolischen und diastolischen Meßwerte, welche von den 14 menschlichen Probanden erhalten wurden, vorbereitet. Die Daten legen nahe, daß Menschen, welche einen systolischen Blutdruck von weniger als 140 mmHg oder einen diastolischen Blutdruck von weniger als 70 mmHg haben, dazu neigen, eine niedrigere diastolische Wellengeschwindigkeit zu zeigen. Jedoch scheint es bei solchen Patienten, welche höhere systolische und diastolische Drücke haben, eine Gruppe von Patienten zu geben, welche eine höhere diastolische Wellengeschwindigkeit hat, wobei eine andere Gruppe eine niedrigere diastolische Wellengeschwindigkeit hat. Da der periphere Widerstand gleich dem mittleren arteriellen Druck geteilt durch die kardiale Ausgangsleistung ist, kann die Gruppe, welche einen niedrigeren peripheren Widerstand hat, eine höhere kardiale Ausgangsleistung aufweisen. Daher sollte die Behandlung der beiden Gruppen mit hohem Blutdruck unterschiedlich sein. Dies wird oben diskutiert.
Darüber hinaus wurden Darstellungen (nicht gezeigt) der berechneten Compliance der 14 Probanden als eine Funktion sowohl des systolischen als auch des diastolischen Drucks vorbereitet. Neben der Streuung der ermittelten Compliancewerte über einen breiten Bereich von systolischen und diastolischen Drücken hat der Anmelder bemerkt, daß der Trend der Compliance verglichen mit dem systolischen Druck entgegengesetzt zu demjenigen ist, wenn die Compliance mit dem diastolischen Druck verglichen wird. Diese Daten suggerieren, daß die Compliance ein genauso gültiger und zuverlässiger Indikator einer Hypertonie ist, wie der periphere Widerstand, der gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
B. Rekonstruktion aortischer Wellenformen
In den klinischen Daten und aus den obigen Diskussionen wurde dargelegt, daß es möglich ist, eine empirisch angepaßte pseudoaortische Welle zu erzeugen, wobei Gleichungen 51 und 52 verwendet werden. Diese pseudoaortische Welle kann dann zur Diagnose bestimmter kardiovaskulärer Pathologien, wie z. B. einer arteriellen Stenose, Sklerose etc., verwendet werden. Darüber hinaus kann sie weitere Informationen über aortische Ventil- und linke ventrikuläre Charakteristika liefern. Durch Verwendung der Daten der oben angegebenen 14 Probanden und angemessene Wellenfaktoren war es möglich, entsprechende pseudoaortische Wellen zu erzeugen. Die 12A und 12B stellen Vergleiche pseudoaortischer Wellen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert wurden, und aortischer Wellen, welche durch invasive Messung mit Katheter gemessen wurden, dar.
C. Linke ventrikuläre (kardiale) Kontraktibilität aus Manschettenpulsschlagwellenformen
Linke ventrikuläre Druckwellen, welche durch invasive Messung mit Katheter erhalten wurden, und nichtinvasive Manschettenpulsschlagwellenformen eines humanen Probanden wurden gleichzeitig aufgenommen. Unter Verwendung von Gleichungen 56 und 57 wurden P_dia und P_p bestimmt, wobei die nichtinvasive Manschette verwendet wurde. Zusätzlich wurde (dP/dt)_max aus der Verwendung einer 90% suprasystolischen und 10% subdiastolischen Wellenform erhalten. Diese verwendend, wurde ein gemitteltes
zu 968 (±139) mmHg/sec berechnet. Dies verglich sich positiv mit der kardialen Kontraktibilität von 1057 mmHg/sec, welche aus der mit einem invasiven Katheter abgeleiteten linken ventrikulären Druckwelle berechnet wurde. Da die systolische Welle der pseudoaortischen Welle nicht symmetrisch ist, beträgt die Druckänderung gegen die Zeit des ansteigenden Teils der Welle ungefähr 675 mmHg/sec, wohingegen die Druckänderung gegen die Zeit des abnehmenden Teils der Welle ungefähr 900 mmHg/sec beträgt. Wenn man den Wert 900 als die maximale Druckänderung gegen die Zeit für die Aorta (dP/dt)_max verwendet, beträgt die linke ventrikuläre kardiale Kontraktibilität, welche daraus berechnet wird:
1106 mmHg/sec. Daher geht der Anmelder davon aus, daß es für eine asymmetrische aortische systolische Welle besser ist, den größeren Wert ihrer Druckänderung gegen die Zeit durch Berechnen der kardialen/linken ventrikulären Kontraktibilität zu verwenden. Dies findet einige intuitive Unterstützung, da die Steigung der ansteigenden aortischen Welle durch eine aortische Stenose oder Sklerose oder andere unbekannte Faktoren verringert werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail mit Bezug auf die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, bestehen Variationen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung wie beschrieben und wie in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

Vorrichtung zur Unterstützung bei der Beurteilung des kardiovaskulären Zustandes eines Patienten, mit: (1) Mitteln zum nicht-invasivem Erfassen von kardiovaskulären Informationen von einem Patienten, wobei die kardiovaskulären Informationen einen Datenstrom aufweisen, der Druckdaten und Pulsschlag-Signaldaten aufweist, um eine Serie von Wellenformen zu erhalten, wobei mindestens eine der Wellenformen Pulsschlag-Signaldaten aufweist, die bei (a) einem supra-systolischen Druck, (b) einem systolischen Druck, (c) einem diastolischen Druck und (d) einem sub-diastolischen Druck gemessen wurden, (2) Mittel zum Bestimmen des systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drucks des Patienten aus den erfaßten kardiovaskulären Informationen; und wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist, durch Mittel zum Verwenden mindestens einer der Wellenformen, die von dem supra-systolischen Druck und dem sub-diastolischen Druck erhalten wurden, um die diastolische Fließgeschwindigkeit des Patienten zu bestimmen; und durch Mittel zum Verwenden der bestimmten diastolischen Fließgeschwindigkeit zum Bestimmen des peripheren Widerstandes des Patienten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen des systolischen, diastolischen und mittleren arteriellen Drucks des Patienten Computersoftware aufweisen und die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen, um den peripheren Widerstand oder die diastolische Fließgeschwindigkeit zu bestimmen, Computersoftware aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, darüber hinaus mit (1) Mitteln zum Erzeugen einer pseudoarteriellen Wellenkontur aus Wellenformen, welche bei einem supra-systolischen Druck und bei einem sub-diastolischen Druck erhalten wurden durch eine Integration der Gleichungen:
und Pdw(t) = Psd(t) + (Wd)(Pdia – Pss(t)),wobei P_sw(t) = der Druck einer pseudo-aortischen systolischen Welle zu einer gegebenen Zeit (t), W_ss = ein Koeffizient, welcher die Wichtung aufweist, die der suprasystolischen Wellenkomponente zugeordnet ist, P_ss(t) = der Druck der supra-systolischen Wellenkomponente zu einer gegebenen Zeit (t), W_sd = ein Koeffizient, welcher die Wichtung aufweist, die der subdiastolischen Wellenkomponente zugeordnet ist, P_sd(t) = der Druck der sub-diastolischen Wellenkomponente zu einer gegebenen Zeit (t), P_dw(t) = der Druck einer pseudo-aortischen diastolischen Welle zu einer gegebenen Zeit (t), P_dia = der bestimmte diastolische Druck und W_d = ein Wichtungsfaktor.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen einer pseudoarteriellen Wellenkontur Mittel zum Erzeugen einer pseudo-aortischen Wellenkontur aufweisen und wobei: W_ss ungefähr gleich 1 ist und W_sd ungefähr 0,4 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Sammeln der kardiovaskulären Informationen aufweisen: Mittel zum Erhalten eines Datenstromes, welcher Druckdaten und Pulsschlag-Signaldaten aufweist, um eine Serie von Pulsschlag-Signaldatenwellenformen zu erhalten, wobei die Wellenformen mindestens Pulsschlag-Signaldaten enthalten, die bei einem supra-systolischen Druck gemessen wurden und Pulsschlag-Signaldaten, die bei einem sub-diastolischen Druck gemessen wurden und wobei die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel zum Bestimmen des Maximums der kardialen Kontraktibilität aus dem Datenstrom aufweisen, wobei man diese erhält durch (a) Bestimmen der maximalen Änderung des Drucks mit der Zeit und (b) Verwenden des bestimmten diastolischen Drucks und des bestimmten Pulsdrucks, um Tr, das Verhältnis von T_aorta zu T_ventricle, zu bestimmen, (c) wobei das bestimmte Tr verwendet wird, um die maximale kardiale Kontraktibilität zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der maximalen kardialen Kontraktibilität Mittel zum Bestimmen von Tr gemäß der Gleichung
aufweisen, wobei T_r = das Verhältnis von T_a zu T_v, T_a = 1/2 des Zeitintervalls zwischen dem Punkt der maximalen positiven Druckänderungsrate einer aortischen Welle gegen die Zeit und der maximalen negativen Druckänderungsrate einer aortischen Welle gegen die Zeit, T_v = 1/2 des Zeitintervalls zwischen der maximalen positiven Druckänderungsrate einer linken ventrikulären Welle gegen die Zeit und der maximalen negativen Druckänderungsrate einer linken ventrikulären Welle gegen die Zeit, P_dia = der bestimmte diastolische Wert des Patienten und P_p = der bestimmte Pulsdruck des Patienten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der maximalen kardialen Kontraktibilität Mittel aufweisen zum Bestimmen der maximalen kardialen Kontraktibilität gemäß der Gleichung:
wobei
= das Maximum (maximale kardiale) Kontraktibilität,
= die bestimme maximale Druckänderung gegen die Zeit und T_r = das Verhältnis von T_a/T_v.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Informationen Mittel aufweisen zum Bestimmen einer Elastizitätskonstante einer interessierenden Arterie mit: (a) Mitteln zum Bestimmen einer Querschnittsfläche der interessierenden Arterie, (b) Mitteln zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit für die Arterie des kardiovaskulären Bereichs, (c) Mitteln zum Verwenden der bestimmten Querschnittsfläche und der diastolischen Fließgeschwindigkeit, um die Elastizitätskonstante zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen aufweisen: (a) Mittel zum Bestimmen des diastolischen, systolischen oder mittleren arteriellen Drucks, (b) Mittel zum Verwenden des bestimmten diastolischen, systolischen oder mittleren arteriellen Drucks zum Bestimmen der kardialen Ausgangsleistung des Patienten.
Vorrichtung nach Anspruch 9, darüber hinaus mit (a) Mitteln zum Vergleichen der bestimmten kardialen Ausgangsleistung mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und Mitteln zum Diagnostizieren des Patienten als hypertonisch, wenn die kardiale Ausgangsleistung des Patienten den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Verwenden mindestens einer der Wellenformen aus der Serie von Wellenformen, um die diastolische Fließgeschwindigkeit zu bestimmen, wobei die Mittel aufweisen: (a) Mittel zum Verwenden der Wellenform bei dem systolischen Druck, um die Druckänderung mit der Zeit zwischen zwei Spitzenwerten und dem nächsten zu bestimmen, (b) Mittel zum Verwenden der Wellenform bei dem diastolischen Druck, um die diastolische Flußänderung des Druck mit der Zeit zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Informationen Mittel aufweisen zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit gemäß der Gleichung:
wobei V₀ = diastolische Fließgeschwindigkeit, l_cuff = die effektive Länge der Blutdruckmanschette von welcher der Datenstrom erhalten wird, T_pp = die Zeit zwischen der positiven Steigung des Maximums und der negativen Steigerung des Maximums einer systolischen Wellenform,
= die Druckänderung der diastolischen Welle gegen die Zeit und
= die Druckänderung gegen die Zeit in dem Intervall zwischen der positiven Steigung des Maximums und der negativen Steigung des Maximums der systolischen Wellenform.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit und Mittel zum Bestimmen des systemischen peripheren Widerstandes gemäß der Gleichung:
wobei PR₁ = der systemische periphere Widerstand, SYS = der bestimmte systolische Druck, DIA = der bestimmte diastolische Druck und V₀ = die bestimmte diastolische Fließgeschwindigkeit, darüber hinaus mit Mitteln zum Bestimmen der kardialen Ausgangsleistung gemäß der Gleichung:
wobei CO = der kardiale Ausgang und MAP = der bestimmte mittlere arterielle Druck.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit und Mittel zum Bestimmen des distalen peripheren Widerstands gemäß der Gleichung:
wobei PR₂ = der distale periphere Widerstand, MAP = der bestimmte mittlere arterielle Druck, DIA = der bestimmte diastolische Druck und V₀ = die bestimmte diastolische Fließgeschwindigkeit, darüber hinaus mit dem Schritt des Bestimmens des kardialen Ausgangs gemäß der Gleichung
wobei CO = der kardiale Ausgang und MAP = der bestimmte mittlere arterielle Druck.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit und Mittel zum Bestimmen des systemischen peripheren Widerstands gemäß den Gleichungen:
und Pdw(t) = Psd(t) + (Wd)(Pdia – Pss(t)),wobei PR₁ = der systemische periphere Widerstand, SYS = der bestimmte systolische Druck, DIA = der bestimmte diastolische Druck, V₀ = die bestimmte diastolische Fließgeschwindigkeit, P_dw(t) = der Druck einer pseudo-aortischen diastolischen Welle zu einer gegebenen Zeit (t), P_dia = der bestimmte diastolische Druck und W_d = ein Wichtungsfaktor.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit und Mittel zum Bestimmen des distalen peripheren Widerstands gemäß der Gleichung:
wobei PR₂ = der distale periphere Widerstand, MAP = der bestimmte mittlere arterielle Druck, DIA = der bestimmte diastolische Druck und V₀ = die bestimmte diastolische Fließgeschwindigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verwenden der erfaßten kardiovaskulären Zustandsinformationen Mittel aufweisen zum Bestimmen einer Elastizitätskonstante einer interessierenden Arterie, mit: (a) Mitteln zum Bestimmen einer Querschnittsfläche der interessierenden Arterie, (b) Mitteln zum Bestimmen der diastolischen Fließgeschwindigkeit für die Arterie des kardiovaskulären Bereichs, (c) Mitteln zum Verwenden der bestimmten Querschnittsfläche und der diastolischen Fließgeschwindigkeit, um die Elastizitätskonstante zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der Elastizitätskonstante Mittel aufweisen zum Bestimmen der Elastizitätskonstante durch die Gleichung: Ke = [A0][V0],wobei Ke = die bestimmte Elastizitätskonstante, A₀ = die Querschnittsfläche und V₀ = die bestimmte diastolische Fließgeschwindigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 18, darüber hinaus mit: Mitteln zum Verwenden der bestimmten Elastizitätskonstante um die Compliance der interessierenden Arterie durch die Gleichung:
zu bestimmen, wobei C = die Compliance und Ke = die Elastizitätskonstante.