DE69734288T2

DE69734288T2 - Unblutige bestimmung des blutdrucks ohne verwendung von manchetten

Info

Publication number: DE69734288T2
Application number: DE69734288T
Authority: DE
Inventors: L. Howard GOLUB
Original assignee: DxTek Inc
Current assignee: DxTek Inc
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: DE69734288D1; KR100609927B1; ATE305265T1; US5865755A; CA2268073C; JP3671059B2; AU4755697A; JP2001504362A; KR20000049078A; EP0944352B1; CA2268073A1; AU740573B2; CN1237885A; WO1998025516A1; US5857975A; CN1263421C; EP0944352A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Mehrere charakteristische arterielle Blutdruckparameter ergeben eine medizinisch verwertbare Information, unter ihnen sind der systolische Druck, der diastolische Druck, der mittlere arterielle Druck, der Pulsdruck und der kontinuierliche arterielle Druck. Die traditionellen Wege zum Messen von diesen können wie folgt eingeteilt werden: Sphygmomanometrie (Manschettenmessung), automatische Sphygmomanometrie und die permanente arterielle Leitungstransduktion (A-Leitung).
Die Bedeutung des kontinuierlichen arteriellen Blutdrucks als medizinischer Indikator hat der Entwicklung neuer Verfahren zu seiner Messung Auftrieb gegeben. Diese umfassen externe Drucktransduktion, Photoplethysmographie und Pulswellen-Durchgangszeitmessung. Derzeit werden diese letzteren Verfahren hauptsächlich experimentell eingesetzt.
Die Sphygmomanometrie, das am häufigsten eingesetzte traditionelle Verfahren, ergibt den systolischen und diastolischen Blutdruck. Die automatische Manschette verwendet eine maschinell betriebene Pumpe zum Aufblasen der Manschette und Algorithmen und Sensoren zum Abhören des ungehinderten arteriellen Anfangsblutflusses. Allerdings schränken die Manschettenverfahren den Blutfluss jeweils während der Messung ein, sodass sie zum kontinuierlichen Gebrauch ungeeignet sind, und die Bestimmungen des Blutdrucks, die durch viele automatische Manschettensysteme vorgenommen werden, vermögen die Genauigkeitsstandards nicht zu erfüllen. Zudem ruft die Manschette beim Patient auch ein Unwohlsein hervor, das die Blutdruckablesungen beeinflussen kann.
A-Leitungen, die verwendet werden, wenn eine kontinuierliche Messung notwendig ist, sind recht genau während Zeiträumen, die frei sind von Signalartefakten aus Quellen, wie Leitungskrümmung, Blutgerinnsel und Kontakt zwischen Dauer-Transducer und Arterienwand. Allerdings müssen die Transducer operativ eingeführt werden und können zu Thrombose und Infektion führen. Da das Verfahren einen operativen Eingriff notwendig macht, wird es selten eingesetzt, und häufig nicht zur Anwendung empfohlen, auch wenn sonst eine kontinuierliche Druckmessung erwünscht wäre.
Die aufgeführten experimentellen Verfahren versuchen alle, die Nachteile der A-Leitung durch externes Messen des kontinuierlichen Blutdrucks zu umgehen. Sowohl die direkte externe Blutdruck-Erfassung als auch die indirekten Berechnungsverfahren wurden vorgeschlagen.
Die direkten nicht-invasiven Verfahren verwenden die externe Druck-Transduktion. Ein Druck-Transducer wird über einer Arterie angeordnet, die unmittelbar unter der Haut liegt, wie die Radialarterie, und durch Drücken gegen die Arterienwand tastet er den Druck mechanisch ab. Da allerdings der Transducer unter Kraftausübung abtastet, unterliegt er sehr stark dem mechanischen Rauschen und Bewegungsartefakten. Eine kontinuierliche Messung ist in sofern problematisch, als der Transducer den Blutfluss behindert. Schwierigkeit entsteht auch dadurch, den Transducer richtig über der Arterie positioniert zu halten. Somit wurden bereits indirekte Messverfahren in Erwägung gezogen.
Die Pulswellen-Durchgangszeitmessung ist ein indirekter Weg zur Ermittlung des arteriellen Blutdrucks aus der Geschwindigkeit der bei jedem Herzcyclus erzeugten Pulswelle. Obwohl die Geschwindigkeit mit dem Blutdruck zusammenhängt, gehen allerdings die derzeit vorgeschlagenen Verfahren davon aus, dass die Beziehung linear ist, und auch wenn das der Fall wäre, ist es wahrscheinlich, dass die Durchgangszeit an sich zu wenig Information über die Pulswelle liefert, damit die exakte Bestimmung des Blutdrucks möglich ist. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass es nicht in der Lage ist, sowohl den systolischen als auch den diastolische Druck zu ergeben, was viele Mediziner als praktisch befinden würden.
Die Photoplethysmographie, eine Technik des Verfolgens des arteriellen Blutvolumens und des Blut-Sauerstoffgehalts, lässt den anderen indirekten Weg der kontinuierlichen Ermittlung des Blutdrucks entstehen. Allerdings leiten die darauf beruhenden Verfahren die Informationen aus den volumetrischen Daten ab als ob sie dem Blutdruck entsprechen würden; d.h. sie nehmen an, dass Blutdruck und Blutvolumenkurven ähnlich sind – was manchmal allerdings nicht allgemein zutrifft. Außerdem werden die photoplethysmographischen Messungen an Körperextremitäten, wie Ohrläppchen oder Finger, vorgenommen, und der in der Körperperipherie festgestellte Blutdruck ist nicht allgemein der gleiche wie aus den zentraleren Messungen.
Da die Einführung einer A-Linie häufig als ein zu invasives Verfahren angesehen wird, um es zur Bestimmung des Blutdrucks vorzunehmen, und kein praktisches nicht operatives Verfahren der kontinuierlichen Messung es bisher verdrängt hat, besteht immer noch Bedarf an einem solchen.
Die US-A-4,869,262 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung des arteriellen Blutdrucks nach der Präambel von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gekennzeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Wesentliche und frei wählbare Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in dem beigefügten Hauptanspruch bzw. in den Unteransprüchen dargelegt.
Bei einem Aspekt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen des arteriellen Blutdrucks bei einem Individuum Mittel zum Nachweis eines EKG-Signals für das Individuum. Auf dem EKG-Signal wird ein Bezugspunkt gewählt, und die Blutvolumen-vs.-Zeitwellenform an einem gewählten Ort auf dem individuellen Körper wird aufgezeichnet. Aus dem EKG-Signal wird die aktuelle Herzfrequenz bestimmt, und der arterielle Blutdruck wird aus der aktuellen Herzfrequenz und der Blutvolumen-gegen-Zeitwellenform berechnet. Bei einer Ausführungsform ist der Bezugspunkt die R-Welle, und der arterielle Druck wird unter Verwendung einer gewählten Änderung im Blutvolumen aus der Blutvolumen-gegen-Zeitwellenform berechnet. Es ist bevorzugt, dass die gewählte Änderung im Blutvolumen im Bereich von 20% bis 80% des Anstiegs auf der Wellenform liegt. Es ist stärker bevorzugt, dass die gewählte Änderung im Blutvolumen im Bereich von 40% bis 60% liegt. Die besonders bevorzugte gewählte Änderung im Blutvolumen beträgt etwa 50% auf dem Anstieg der Volumenwellenform. Es ist bevorzugt, dass der gewählte Körperteil eine distale Stelle, wie eine Fingerspitze, ist.
Bei einem weiteren Aspekt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des arteriellen Blutdruckes bei einem Individuum Mittel zum Nachweis eines EKG für das Individuum und die Auswahl eines Bezugspunkts auf dem EKG während der Pulsdauer. Blutvolumen-gegen-Zeit wird an einer gewählten Stelle auf dem individuellen Körper aufgezeichnet. Die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des gewählten Bezugspunkts auf dem EKG und dem Auftreten einer gewählten Änderung im Blutvolumen an der gewählten Körperstelle wird bestimmt. Die Herzfrequenz wird aus dem EKG bestimmt, und der arterielle Blutdruck wird auf der Grundlage der Zeitdifferenz und der Herzfrequenz gemessen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bezugspunkt die R-Welle, und der Körperteil ist eine distale Stelle, wie eine Fingerspitze. Ein bevorzugtes Verfahren zur Aufzeichnung des Blutvolumens verwendet die Photoplethysmographie. Der berechnete arterielle Druck kann der diastolische, der systolische Druck oder der mittlere arterielle Blutdruck sein.
Das Gerät kann ein EKG-Gerät zum Nachweis der elektrischen Aktivität des Herzens umfassen. Das Gerät, das auf die Änderung im Blutvolumen anspricht, kann ein Photoplethysmographiegerät umfassen. Die Ausgaben aus dem EKG-Gerät und dem Blutvolumen-Aufzeichnungsgerät werden in einen Signalprozessor oder Computer eingegeben, der den arteriellen Blutdruck berechnet.
Das Gerät kann dazu ausgelegt sein, Artefakte in der Blutdruckmessung nachzuweisen und solche Artefakte zu verwerfen. Diese Techniken gestatten die zuverlässige Bewertung der Konfidenz der Blutdruckberechnung für jeden Puls. Das hier offenbarte Gerät stellt ein viel zuverlässigeres Mittel zum Messen des Blutdrucks während Zeiten eines guten Eingangsignals bereit und setzt den Anwender davon in Kenntnis, dass keine Messungen während Zeiten einer schlechten Eingangssignalqualität verfügbar sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät zum kontinuierlichen, nicht-invasiven Messen des arteriellen Blutdrucks ohne die Verwendung einer Blutdruckmanschette bereit. Aufgrund eines automatischen Artefakt-Nachweises und automatischer Artefakt-Ausschluss kann eine zuverlässige Beurteilung der Konfidenz der Blutdruckberechnung für jeden Puls vorgenommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Erläuterung des erfindungsgemäßen Geräts.
2 ist ein Graph von EKG und Blutvolumen-gegen-Zeit.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Physik der Wellenausbreitung in elastischen Röhren ist ein wesentlicher Faktor zum Verständnis des Konzepts, das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt. Die einfachste Gleichung für die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Druckpulses in einer elastischen Röhre wurde zuerst von Moens-Kortweg beschrieben, die aus dem experimentellen Beweis und den theoretischen Grundlagen die Formel
erstellten, wobei c die Wellengeschwindigkeit ist, E und h Young-Modul und Dicke der Arterienwand bedeuten, δ die Dichte des Fluids und R der mittlere Radius der Röhre ist.
Zur Beseitigung der experimentellen Schwierigkeiten beim Messen von Wanddicke und Young-Modul wurde die Moens-Kortweg-Gleichung durch Bramwell und Hill modifiziert (1922), so dass das elastische Verhalten der Röhre als seine Druck-Volumen-Dehnfähigkeit ausgedrückt wurde. Sodann kann die Formel reduziert werden auf
wobei V das Anfangsvolumen der Arterie ist, ΔV die Änderung im Volumen aufgrund des Druckpulses ΔP ist und c die Pulswellengeschwindigkeit ist.
Das Problem umfasst dann die Bestimmung eines nicht-invasiven Weges zur Messung sowohl der Pulswellengeschwindigkeit als auch der prozentualen Änderung im arteriellen Volumen. Um dies zu erreichen, haben wir die Verwendung des Standard-EKG-Signals und einer stabilen Messung von Blutvolumen-gegen-Zeit (wie Photoplethysmographie bei der bevorzugten Ausführungsform) gewählt.
Das Verfahren der Verwendung des EKG-Signals und der Blutvolumen-gegen-Zeitsignale umfasst zuerst die Messung von T_{R_50(i)} (Dauer der R-Welle auf dem EKG bis zum 50-%-Punkt auf dem Volumen-gegen-Zeit-Anstieg) für den i-ten Puls. Diese Dauer ist die Summe der Zeit zwischen der R-Welle und der Ankunft des Pulses am 0-%-Punkt (T_{R_0(i)}), addiert zu der Dauer des Pulses am 0-%-Punkt bis zum 50-%-Punkt auf dem Anstieg (T_{O_50(i)}). Der reziproke Wert von T_{R_0(i)} entspricht der Pulsgeschwindigkeit, wie vorstehend definiert (oder c = 1/T_{R_50(i)}, und T_{0_50(i)} ist stärker mit ΔV und V verknüpft. Darum ist das Maß T_{R_50(i)} ein Maß, das mit c, ΔV und V verknüpft ist.
Anschließend entspricht die kombinierte Pulsgeschwindigkeitsmessung für den i-ten Puls (V_p(i)) dem reziproken Wert von T_{R_50(i)} und die kombinierte Pulsgeschwindigkeit zum Quadrat (V_p(i) ²) wird erhalten, indem V_p(i) einfach quadriert wird. Auch das aktuelle R-R-Intervall und damit die aktuelle Herzfrequenz für den i-ten Druckpuls (RR_i bzw. IHR_(i) bzw.) werden bestimmt und bei der Berechnung des diastolischen, systolischen und mittleren Blutdrucks für den i-ten Puls (P_D(i)), P_(S(i)) bzw. P_M(i)) verwendet. Die theoretische Grundlage für die Bedeutung des R-R-Intervalls oder von IHR bei der Berechung eines diastolischen Drucks kann wie folgt zusammengefasst werden. Der diastolische Druck ist als der arterielle Druck definiert, der am Ende des diastolischen Druckabfalls existiert. Dieser exponentielle diastolische Druckabfall beginnt mit dem Schließen des Aortaventils und endet mit dem Öffnen des Aortaventils. Die Druckabfallgeschwindigkeit häng von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich des aortalen Druckaufbaus während der Systole und der systemischen arteriellen Impedanz (hängt mit der Steisheit der Wände des arteriellen Systems, insbesondere der Arteriole, zusammen). Für ein gegebenes Individuum hängt darum der Druck, auf den dieser Abfall für jeden gegebenen Herzschlag (oder diastolischen Druck) sinkt, mit der Dauer zusammen, für den man diesen fortgesetzten Abfall zulässt. Diese Dauer des Abfalls für jeden gegebenen Puls ist direkt proportional zu dem aktuellen R-R-Intervall oder umgekehrt proportional zur IHR dieses Pulses. Je kürzer darum die Abfallsfallsdauer (höhere IHR) desto höher wird erwartungsgemäß der diastolische Druck und je länger die Abfallsdauer (niedrigere IHR) desto geringer ist erwartungsgemäß der diastolische Druck. Zusammenfassend sind die Gleichungen für die Berechnung der Drücke für den i-ten Druckpuls wie folgt: IHR(i) = 1/RR(i) vp(i) 2 = (1/TR_50(i))·(1/TR_50(i)) PD(i) = (KDv·vp(i) 2) + (KDihr·IHR(i)) + KDcal PS(i) = (KScal·vp(i) 2) + KSconst PM(i) = (KS(i) – PD(i))·1/3 + PD(i)
In diesen Gleichungen sind K_Dv, K_Dihr und K_Sconst Konstanten, die bei der bevorzugten Ausführungsform 2,5, 0,5 bzw. 35 entsprechen, und wobei K_Dcal, und K_Scal Kalibrierungskonstanten sind. P_D(i), P_S(i) und P_M(i) sind der diastolische, systolische und der mittlere arterielle Druck.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In 1 sind bei einem menschlichen Individuum 10 die EKG-Leitungen gezeigt, die allgemein mit 12 bezeichnet sind. Fachleute erkennen, dass typischerweise mehrere Leitungen zum Messen des EKG verwendet werden. Das Photoplethysmographiegerät 14 zeichnet das Blutvolumen an einer Fingerspitze 16 des Individuums 10 auf. Die Ausgaben aus EKG-Gerät 12 und Photoplethysmographiegerät 14 werden in einem Computer oder Signalprozessor 18 verarbeitet und erzeugen als Ausgabe den Blutdruck, der, wie vorstehend diskutiert, der diastolische, systolisch oder der mittlere arterielle Blutdruck für jeden Puls sein kann. Unter Bezugnahme auf 2 weist Prozessor 18 das R-Wellen-Eintreffen nach. Danach weist das Blutvolumen-Messgerät 14 das Einsetzen einer Änderung im Volumen zur Zeit T_{R_0(i)} nach und bestimmt die Zeit, wenn das Volumen den 50-%(T_{0_50(i)})-Punkt auf dem Volumen-vs.-Zeit-Anstieg erreicht hat. Wie aus 2 gesehen werden kann, hängt die Dauer von der Ankunft des Pulses am 0-%-Punkt (T_{R_0(i)}) bis zum 50-%-Punkt auf dem Anstieg (T_{0_50(i)}) von der Form der Volumen-vs.-Zeitkurve ab. Da die vorliegende Erfindung sowohl die Zeit von der R-Wellenankunft am 0-%-Volumenänderungspunkt und vom 0-%-Volumenänderungspunkt bis zu 50%-Punkt verwendet, sind die Druckbestimmungen exakter als in der bisherigen Technik, wobei entweder die Puls-Ankunftszeit oder die Wellenform verwendet wurde, allerdings nicht beide in Kombination wie bei der vorliegenden Erfindung.
Das Gerät umfasst auch Mittel zum automatischen Artefakt-Nachweis und -Aussondern, wodurch eine zuverlässige Beurteilung der Konfidenz jeder Blutdruckberechnung für jeden Puls bereitgestellt wird. Die Artefakt-Verwerfungsmethoden umfassen die Berechnung von zwei zusätzlichen Variablen für jeden Puls. Für den i-ten Puls sind sie wie folgt: qvp(i) 2 = (ivp(3) 2 – ivp(i) 2)/ivp(2) 2 wobei ⁱv_p(i) ² durch Sortieren von fünf aufeinander folgenden v_p ²-Termen {v_p(i-2) ², v_p(i-1))², v_p(i) ², v_p(i+1) ², v_p(i+2) ²} erhalten wird und der zweitniedrigste Wert ist, ⁱv_p(2) ² der mittlere Wert der Werte ist und ⁱv_p(3) ² der zweithöchste Wert der Werte ist.
Und diffvp(i) 2 = vp(i) 2 – Vv(i-1) 2
Der Algorithmus zum Nachweis, ob der i-te Puls ein Artefakt ist, umfasst die Testung, ob diese Variablen oberhalb der zuvor bestimmten Schwellenwerte liegen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst der Test, ob entweder qvp(i) 2 > THRESH_pv diffvp(i) 2 > THRESH_diffvist, wobei die bevorzugten Werte von THRESH_qv = 0 0,8 und THRESH_diffv = 8,0 sind. Insbesondere werden diese Variablen zusätzlich zu den folgenden anderen verwendet, um den P_D(i)-Berechnungsartefakt zu bestimmen. Der Algorithmus umfasst: qvp(i) 2 > THRESH_qvoder PD(i) < PD_TOOLOWoder PD(i) > PD_TOOHIGHoder PD(i) > PS(i) ist, wobei bei der bevorzugten Ausführungsform PD_TOOLOW = 30 und PD_TOOHIGH = 150 bedeuten. Falls eines von obigem zutrifft, wird davon ausgegangen, dass der diastolische Druck für den i-ten Puls (P_D(i)) nicht bewertbar ist.
Insbesondere und auf gleiche Weise umfasst die Artefakt-Bestimmung für P_5(i) die Berechnung, ob qvp(i) 2 > THRESH_qvoder diffvp(i) 2 > THRESH_diffvoder PS(i) < PS_TOOLOWoder PS(i) > PS_TOOHIGHoder PD(i) > PS(i) wobei bei der bevorzugten Ausführungsform PS_TOOLOW = 50 und PS_TOOHIGH = 200. Falls eines von obigem zutrifft, wird davon ausgegangen, dass der systolische Druck für den i-ten Puls (P_S(i)) nicht bewertbar ist.
Schließlich und insbesondere, wenn die P_M(i)-Berechnung einen Artefakt für den i-ten Puls ergeben würde, die Bestimmung, ob:
P_D(i) nicht bewertbar ist
oder
P_S(i) nicht bewertbar ist,
und falls eines davon zutrifft, wird davon ausgegangen, dass der mittlere Druck für den i-ten Puls nicht bewertbar ist.

Claims

Gerät zur Bestimmung des arteriellen Blutdrucks in einem Individuum umfassend: ein Elektrokardiogrammgerät, das ein EKG-Signal misst; Einrichtung (14) zur Aufzeichnung des Blutvolumens als Funktion der Zeit; Berechnungseinrichtung (18), die zur Durchführung der folgenden Schritte ausgelegt ist: Auswählen eines Bezugspunkts auf dem EKG-Signal; Bestimmen der augenblicklichen Herzfrequenz aus dem EKG-Signal; und Berechnen von diastolischem und systolischem Blutdruck auf der Basis der augenblicklichen Herzfrequenz und einer Messung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Blutvolumen-vs.-Zeit Wellenform; einer Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des ausgewählten Bezugspunkts und dem Auftreten einer ausgewählten Änderung im Blutvolumen an einer ausgewählten Körperstelle (16); einer Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des ausgewählten Bezugspunkts und der Summe der Zeit zu Beginn einer Volumenänderung und der Zeit bis zu einer ausgewählten Änderung im Blutvolumen, die eine Funktion der Blutvolumen-vs.-Zeit Wellenform ist, dadurch gekennzeichnet, dass der diastolische Druck, P_D(i), durch folgende Berechnung bestimmt wird PD(i) = (KDv·VP(i) 2) + (KDihr·IHR(i)) + KDcal vp(i) 2 = (1/TR_50(i))·(1/TR_50(i))wobei T_{R_50(i)} die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des gewählten Bezugspunkts und einer Änderung im Blutvolumen an der gewählten Körperstelle ist; K_Dv und K_Dihr Konstanten sind und K_Dcal ein Kalibrierungskonstante ist; und IHR_(i) die augenblickliche Herzfrequenz ist, und der systolische Druck, P_S(i), durch folgende Berechnung bestimmt wird PS(i) = (KScal·VP(i) 2) + KSconst wobei K_Sconst eine Konstante ist und K_Scal eine Kalibrierungskonstante ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Überwachung des Blutvolumens einen Photoplethysmograph (14) umfasst.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Berechnung von diastolischem und systolischem Druck die Identifizierung einer ausgewählten Änderung im Blutvolumen in der Blutvolumen-vs.-Zeit Wellenform einschließt.
Gerät nach Anspruch 3, wobei die ausgewählte Änderung im Blutvolumen etwa 50% eines Anstiegs der Wellenform beträgt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Bezugspunkt ein Punkt auf einer R-Welle ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der ausgewählte Körperteil eine distale Stelle (16) ist.
Gerät nach Anspruch 6, wobei die distale Stelle eine Fingerspitze (16) ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der mittlere arterielle Druck, P_M(i), durch folgende Berechnung PM(i) = (PS(i) – PD(i))·1/3 + PD(i) bestimmt wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinrichtung (18) weiterhin umfasst: Berechnung des Blutdrucks für eine Serie von Pulsen in einem Zeitfenster; Bestimmung der Verteilung der Blutdrücke für die Serie von Pulsen; und Nachweis von Artefakten aus der Verteilung.