NL1036401C2

NL1036401C2 - Systeem en werkwijze voor het meten van het slagvolume van het hart.

Info

Publication number: NL1036401C2
Application number: NL1036401A
Authority: NL
Inventors: Maurits Karel Konings
Original assignee: Hemologic Bv
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-13

Description

Systeem en werkwijze voor het meten van het slagvolume van het hart

Sedert tientallen jaren wordt het slagvolume van 5 het hart gemeten met behulp van weerstandsmetingen waarbij een elektrische weerstand van het hart wordt gemeten dat wil zeggen de gemeten spanning in afhankelijkheid van de aangelegde elektrische stroom gedurende een hartslagcyclus. Een dergelijke meting is onvoldoende nauwkeurig om de 10 hartfunctie goed te kunnen bepalen.

De onderhavige uitvinding betreft een systeem voor het meten de pompwerking van het hart, d.w.z. naast het ventriculaire slagvolume, de atriale en de ventriculaire vullingscurven als functie van de tijd tijdens de 15 hartcyclus, het systeem omvat: drie of meer op de thorax aan te brengen oppervlakte-elektroden; elektronische middelen voor het gedurende een hartcyclus meten van de voltageveranderingen ten opzichte 20 van de spanningswaarde aan het begin van een hartslagcyclus; waarbij de metingen worden ontleed naar een atriale-vulling en een ventriculaire-vulling rekening houdend met een isovolumetrische contractiefase bij aanvang van de hartslagcyclus.

25 Volgens het systeem van de onderhavige uitvinding worden voltageveranderingen tijdens de hartslagcyclus ten opzichte van die voltageveranderingen aan het begin van de hartslag zoals die uit het ECG kunnen worden afgeleid, bepaald.

30 Bij voorkeur wordt een verkregen driedimensionale meetvector wiskundig ontleed naar drie zogeheten basisvectoren, te weten de vector (het effect) van uitsluitend atriale vulling, de vector (het effect) van 1036401 2 uitsluitend ventriculaire vulling en de vector (het effect) dat betrekking heeft op de beweging van het hart in de thorax die kan worden bepaald tijdens de isovolumetrische contractiefase bij aanvang van de hartslagcyclus.

5 Het moge duidelijk zijn dat door het meten van zowel atriale als ventriculaire vullingen als functie van de tijd, bijvoorbeeld tussen 0 en 800 milliseconden (ms), er volgens de onderhavige uitvinding veel betere informatie omtrent de hartfunctie wordt verkregen.

10 Bij voorkeur wordt voor iedere patiënt tijdens de zogeheten initialisatiefase gecompenseerd voor bijvoorbeeld de dikte van de vetlaag en de locatie van het hart door paren van elektroden tijdelijk als stimulatieelektroden die stroom voeren, te gebruiken terwijl door de andere 15 elektrodenparen wordt gemeten.

De onderhavige uitvinding verschaft voorts een velvormig orgaan dat is voorzien van drie of meer elektroden op vooraf bepaalde positie ten opzichte van elkaar waarbij het velvormig orgaan op de thorax bevestigbaar is.

20 De onderhavige uitvinding verschaft tevens een werkwijze voor het meten van het slagvolume van het hart, waarbij het systeem omvattende de volgende stappen: het aanbrengen van drie of meer oppervlakte elektroden op de thorax; 25 het gedurende een hartcyclus meten van voltageveranderingen ten opzichte van de spanningswaarde aan het begin van een hartcyclus; en het ontleden van de meetresultaten in gegevens die betrekking hebben op een atriale vulling en gegevens die 30 betrekking hebben op een ventriculaire vulling waarbij rekening wordt gehouden met een isovolumetrische contractiefase bij aanvang van de hartslagcyclus.

3

Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de navolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm daarvan, waarbij wordt verwezen 5 naar de bijgevoegde tekeningen waarin tonen:

Figuur 1: een gedeeltelijk schematisch vooraanzicht van een thorax met een daarop aangebrachte velvormige orgaan met elektroden voor een voorkeuruitvoeringsvorm van een systeem en werkwijze volgens 10 de onderhavige uitvinding;

Figuur 2: een schematisch vooraanzicht van een menselijk lichaam met aangesloten stroombronnen voor het genereren van een potentiaalveld ten behoeve van het hartslagvolurne volgens een werkwijze volgens de onderhavige 15 uitvinding; en

Figuur 3: gemeten volumeveranderingen als functie van de tijd gedurende de atriale respectievelijk ventriculaire vullingsfase van de hartslagcyclus.

Ten behoeve van de bepaling van de atriale vulling 20 en de ventriculaire vulling wordt op de thorax 110 (figuur 1) een plakker of pleister (niet getoond) aangebracht omvattende ten minste 6 meetelektroden. In de getoonde uitvoeringsvorm is de plakker voorzien van 9 meetelektroden 131-139. Doordat de meetelektroden op vooraf bepaalde 25 posities op de plakker zijn aangebracht, is het mogelijk om op eenvoudige wijze de meetelektroden op de juiste positie op de thorax 110 aan te brengen. Daartoe is de plakker voorzien van ten minste één merkteken dat uitgelijnd dient te worden met een op de thorax 110 terug te vinden 30 referentiepunt, zoals bijvoorbeeld het onderste eind van het borstbeen. Door het merkteken correct op te lijnen met het referentiepunt en de plakker verder juist te oriënteren bijvoorbeeld aan de hand van een oriëntatie merkteken, 4 worden de meetelektroden op een voordelige positie op de thorax 110 aangebracht.

De meetelektroden zijn geordend in groepen van 3 elektroden, welke aangeduid zullen worden als tripletten. In 5 de afgeheelde uitvoeringsvorm vormen de meetelektroden 131, 132 en 133 tezamen het zogenaamde C-triplet, ofwel Center-triplet. De meetelektroden 134, 135 en 136 vormen samen het zogenaamde H-triplet, ofwel het Heart-triplet. Tenslotte vormen de meetelektroden 137, 138 en 139 het zogenaamde L-10 triplet, ofwel het Large-triplet. Bij voorkeur liggen de meetelektroden van de verschillende tripletten op oplopende afstand van het punt op de thorax dat, vereenvoudigd gezegd, overeenkomt met het middelpunt van het hart, zoals ook in figuur 1 getoond wordt.

15 In de getoonde uitvoeringsvorm wordt voor ieder triplet de bovenste (meest craniaal geplaatste) elektrode als referentieelektrode beschouwd. Er worden voor ieder triplet dus twee potentiaalverschillen bepaald, namelijk tussen de respectievelijke twee resterende elektroden in het 20 triplet en de referentieelektrode in het triplet. In de getoonde uitvoeringsvorm, waarin drie tripletten gebruikt worden, worden zodoende zes verschillende potentiaalverschillen getoond. Voor het C-triplet het potentiaalverschil tussen respectievelijk elektrode 131 en 25 132 en tussen 131 en 133. Voor het H-triplet tussen respectievelijk elektrode 134 en 135 en tussen 134 en 136.

En voor het L-triplet tenslotte tussen respectievelijk elektrode 137 en 138 en tussen 137 en 139.

Om een potentiaal veld te genereren in de thorax 30 worden geleidende polsbanden 222, 224 en enkelbanden 226, 228 om respectievelijk de polsen 212, 214 en enkels 216, 218 aangebracht. Vervolgens wordt een stroombron 232, 234 aangesloten op een polsband 222, 224 en een enkelband 226, 5 228. Een eerste stroomband 232 zorgt ervoor dat een elektrische wisselstroom met constante stroomamplitude via de linkerpols 212, de linkerarm door de thorax 110 en door het linkerbeen naar de linkerenkel 216 loopt. Een tweede 5 stroombron zorgt ervoor dat een wisselstroom met constante stroomamplitude via de rechterpols 214, de rechterarm, door de thorax 110 via het rechterbeen naar de rechterenkel 218 loopt. De amplitude van de door de stroombronnen 232, 234 afgegeven stroom wordt voldoende laag gekozen om geen 10 negatieve gevolgen te hebben voor de veiligheid van de patiënt. Voor de frequentie van de wisselstroombronnen kan bijvoorbeeld een frequentie van 64 kHz gekozen worden.

Het aldus door de stroombronnen opgewekte potentiaalveld is nu meetbaar door middel van de elektroden 15 131-139 (figuur 1). Hiertoe wordt in eerste instantie een initialisatiefase doorlopen.

Tijdens de initialisatiefase worden alle elektroden 131-139 bemeten om vast te stellen welk triplet het meest optimaal gepositioneerd is ten opzichte van het 20 hart 120 voor de specifieke patiënt waaraan gemeten wordt. Tevens worden tijdens deze fase reciprociteitsmetingen uitgevoerd op de elektroden 131-139. Door variaties tussen patiënten, zoals bijvoorbeeld variaties in de dikte van de onderhuidse vetlaag, zijn de signalen van de diverse 25 elektroden 131-139 elk individueel verzwakt. Om deze verzwakking vast te stellen wordt een reciprociteitsmeting uitgevoerd op elk elektrodenpaar door elk elektrodenpaar een voor een te exciteren met behulp van een stroombron. Ondertussen meten de overige elektrodenparen de aldus 30 opgewekte spanningsverandering. Op basis van het reciprociteitsprincipe wordt de verzwakkingsfactor ωρ van elk elektrodenpaar p vastgesteld. Hierbij wordt dit ’principle of reciprocity', een principe dat bekend is van zogenoemde 6 'lead fields', ingeroepen om de meetresultaten die tijdens de initialisatiefase verkregen worden (wanneer er gestimuleerd wordt op de electroden die in de normale meetfase (d.w.z. niet de initialisatie-fase) als metende 5 electroden worden gebruikt), te kunnen interpreteren als verzwakkingsfactoren; waarbij deze verzwakkingsfactoren vervolgens toepasbaar zijn tijdens de normale (niet-initialisatie) fase wanneer er niet gestimuleerd wordt via de electroden op de borstkas, maar via electroden die 10 bevestigd zijn aan de extremiteiten (armen of benen) van het lichaam.

Ten slotte wordt tijdens de initialisatiefase het effect van de isovolumetrische beweging van het hart 120 15 vastgesteld. Dit wordt verderop besproken.

Nadat tijdens de initialisatiefase het optimale triplet en de voor elk elektrodenpaar toepasselijke verzwakkingsfactor cop is vastgesteld, begint de daadwerkelijke meting. Het door de stroombronnen 20 gegenereerde potentiaalveld, veroorzaakt op ieder punt x op de huid van de thorax een potentiaal Φ(χ) . Een beweging van een grensvlak in de thorax, bijvoorbeeld een verplaatsing van een deel van de hartwand door contractie van het hart 120, veroorzaakt in ieder punt x een potentiaalverandering 25 cp(x) . Indien een hoogtelijnengrafiek wordt weergegeven op de thorax, waarbij de hoogtelijnen alle punten x met gelijke potentiaalverandering cp(x) verbinden, dan ontstaat een hoogtelijnenpatroon rond het punt op de thorax dat het dichtst bij het bewogen grensvlak ligt. In dit patroon neemt 30 de potentiaalverandering cp(x) af naarmate het punt x verder van het bewogen grensvlak afligt. Hierdoor heeft iedere grensvlakbeweging een karakteristiek potentiaalveranderingspatroon. Met behulp van de 7 elektrodenparen p kunnen nu de potentiaalveranderingen cp(p) gemeten worden. Hierbij wordt de verandering gemeten ten opzichte van het begin van de hartcyclus, welk moment aangegeven wordt door de ECG R-piek.

5 De grensvlakbewegingen van het hart 120 die tijdens een hartcyclus plaatsvinden kunnen samengevat worden als een zuivere translatie/rotatie van het hart 120, een zuivere atriale vulling of lediging en een zuivere ventriculaire vulling of lediging. De gemeten cp(p) is 10 derhalve een lineaire combinatie van een atriale potentiaalverandering <patriaai/ een ventriculaire potentiaalverandering <Pventriouiair en een isovolumetrische potent iaalverandering (pisovoiumetrisch: Ψ p k) — ff(t) ψάί1 + β{£) Φ ventTiculair 7^ Ψ i scvol urne Cri s ci] 15 Zoals eerder gemeld wordt de invloed van de isovolumetrische bewegingen vastgesteld tijdens de initialisatiefase. Onmiddellijk na de ECG R-piek vindt de isovolumetrische contractie van het hart 120 plaats. Tijdens deze fase blijft het volume van de atria en de ventrikels 20 gelijk en zijn zodoende a(t) en P(t) gelijk aan nul. Tijdens deze fase bestaat φρ(ϋ) dus alleen uit y(t) φ,en wordt deze laatste bepaald door de potentiaalverandering voor elk elektrodepaar p te meten.

De atriale en ventriculaire componenten (patriaai en 2 5 cpventricuiair zijn vooraf bepaald in een in-vitro opstelling.

Met deze informatie is het nu mogelijk op ieder moment in de hartcyclus de atriale vullingsgraad a(t) en de ventriculaire vullingsgraad β(t) te bepalen door de gemeten potentiaalveranderingsvector cp (t) te ontleden.

30 Een volgens een werkwijze van de uitvinding gegenereerde weergave van de verandering van de atriale vulling 324 wordt weergegeven in de grafiek 300 van figuur 3. De horizontale as geeft de tijd weer, waarbij het nulpunt 8 bepaald wordt door de R-piek van de elektrocardiogram (ECG). De verticale as geeft de volumeverendering van de atria en ventrikels weer. In dezelfde grafiek 300 wordt naast de verandering van de atriale vulling 324 de verandering van de 5 ventriculaire vulling 322 getoond.

Het is voor de vakman duidelijk dat de hierboven beschreven uitvoeringsvormen volgens de uitvinding slechts voorbeelduitvoeringsvormen zijn. Binnen de uitvinding zijn vele modificaties van de getoonde uitvoeringsvormen 10 mogelijk. Zo is het mogelijk alle getoonde uitvoeringsvormen te combineren zonder af te wijken van de onderhavige uitvinding. De gevraagde bescherming wordt bepaald door de bijgevoegde conclusies.

1036401

Claims

1. Systeem voor het meten van het slagvolume van het hart, waarbij het systeem omvat: 5 drie of meer op de thorax aan te brengen oppervlakte-elektroden; elektronische middelen voor het gedurende een hartcyclus meten van de voltageveranderingen <pp(t) ten opzichte van de spanningswaarde aan het begin van een 10 hartslagcyclus; waarbij de metingen worden ontleed naar een atriale-vulling a(t) en een ventriculaire-vulling β(ϋ) rekening houdend met een isovolumetrische contractiefase bij aanvang van de hartslagcyclus door de voltageveranderingen 15 <pp(t) te beschouwen als een lineaire combinatie van een atriale voltageverandering cpatr±aaif een ventriculaire voltageverandering (Pven-ricuiair en een isovolumetrische voltageverandering cpisovoiunetrischi· waarbij de atriale voltageverandering <pst-.Haai en de ventriculaire 20 voltageverandering cpven-ricuiair een vooraf in een in-vitro opstelling bepaalde waarde hebben en een isovolumetrische component y(t) <PiSOVoiumerrisch gemeten wordt door de voltageverandering φΡ(ϋ) te meten direct na het optreden van een ECG R-piek. 25

2. Systeem volgens conclusie 1 waarbij de complete pompwerking van het hart, d.w.z. niet slechts het ventriculaire slagvolume, maar zowel de complete atriale als ook de complete ventriculaire vullingscurven als functie van 30 de tijd tijdens de hartcyclus, tegelijkertijd worden bepaald.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij de elektroden in vooraf bepaalde posities ten opzichte van elkaar op de thorax worden aangebracht.

4. Systeem volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij de elektroden aan een velvormige orgaan met onderling vooraf bepaalde posities zijn aangebracht waarbij het velvormige orgaan op de thorax is aan te brengen.

5. Systeem volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, waarbij een aantal elektrodes nabij elkaar zijn aangebracht, waarbij een dergelijk stel elektroden voor de meting wordt gebruikt in meer of mindere mate al naar gelang de positie en beweging van het hart in de thorax. 15

6. Velvormig orgaan dat is voorzien van drie of meer elektroden op vooraf bepaalde positie ten opzichte van elkaar waarbij het velvormig orgaan op de thorax bevestigbaar is. 20

7. Werkwijze voor het meten van het slagvolume van het hart, waarbij het systeem omvattende de volgende stappen: het aanbrengen van drie of meer oppervlakte 25 elektroden op de thorax; het gedurende een hartcyclus meten van voltageveranderingen ten opzichte van de spanningswaarde aan het begin van een hartcyclus; en het ontleden van de meetresultaten in gegevens die 30 betrekking hebben op een atriale vulling en gegevens die betrekking hebben op een ventriculaire vulling waarbij rekening wordt gehouden met een isovolumetrische contractiefase bij aanvang van de hartslagcyclus door de voltageveranderingen φO(t) te beschouwen als een lineaire combinatie van een atriale voltageverandering (patriaair een ventriculaire voltageverandering cpVentricuiair en een isovolumetrische voltageverandering cpiSOvoiumctrisch, waarbij de 5 atriale voltageverandering cpatriaai en de ventriculaire voltageverandering (pVenaricuiair een vooraf in een in-vitro opstelling bepaalde waarde hebben en een isovolumetrische component γ(t) cpiSOvoionearisch gemeten wordt door de voltageverandering cpp(t) te meten direct na het optreden van 10 een ECG R-piek.

8. Werkwijze voor het meten van de pompwerking van het hart, waarbij naast het ventriculaire slagvolume, bij voorkeur tegelijkertijd de atriale als de ventriculaire 15 vullingscurven als functie van de tijd tijdens de hartcyclus worden bepaald; waarbij het systeem omvat de stappen als genoemd in conclusie 6.

9. Werkwijze volgens 7 of 8, daarbij aangevuld met 20 metingen tijdens een initialisatiefase omvattende de volgende stappen: het bepalen van de gewenste gewichtsfactoren voor de verscheidene electrodeparen in hun bijdrage aan het eindresultaat, gezien de uit de metingen gebleken ligging 25 van die electroden t.o.v. het hart; en het bepalen van verzwakkingsfactoren die de verzwakking tengevolge van spierlagen en vetlagen beschrijven, door middel van metingen waarbij er gestimuleerd wordt via juist die electroden op de borstkas, 30 die buiten de initialisatiefase juist niet voor stimulering worden gebruikt.