SE453255B - Anordning for icke-invasiv bestemning av hjertats minutvolym - Google Patents

Description

20 25 30 453 255 Hjärtat pumpar i vila ca 5 l blod/min (slagvolym ca 75 ml, slagfrekvens ca 70 slag/min). Vid hårt muskelarbete kan den pumpade volymen per minut (vanligen benämnd hjärtats minutvolym) uppgå till 25 l/min, varvid både slagvolymen och slagfrekvensen är ökade med en faktor 2-3. Normalt passerar blodströmmen i ordning höger hjärthalva 1, lun- gan 2 och vänster hjärthalva 3. Hjärtminutvolymen kan de- finieras som in-ut- eller genomflödet av blod i något av dessa tre avsnitt av det centrala kretsloppet.

I fig.l visas schematiskt frán vänster till höger den högra hjärthalvan 1, lungan 2 och den vänstra hjärthalvan 3. Till högra förmaket leder den övre och nedre hälvenen H med C02 berikat blod och från högra kammaren förs detta till lungan via lungartären L. I lungan avgives C02 vid andning (övre pilspetsen) och 02 upptages (undre pilspet- sen). Med oxygen berikat blod går via lungvenerna V till vänstra förmaket och vänstra kammaren ut i aorta A och vidare ut i kroppen.

Hjärtminutvolymen är en mycket viktig variabel att bestäm- ma hos svårt sjuka patienter, t.ex. i samband med chock- tillstànd av olika slag, större operativa ingrepp m.m.

Hjärtminutvolymen är också en mycket viktig variabel att studera inom arbetsmedicin, idrottsmedicin och rehabili- tering eller eljest, när man vill bestämma vilka faktorer som påverkar den fysiska arbetsförmàgan.

Konventionellt sker bestämning av hjärtminutvolymen med invasiva (blodiga) metoder, vilka innebär introduktion av katetrar i blodbanan. Detta är förenat med vissa ris- ker och obehag för patienten, vilket i de fall då man ändå tillämpar inva iv metod uppvägs av fördelen att pa- tientens hjärtminutv lym kan bestämmas och de därav föl- jande behandlingsàtgärderna. De invasiva metoderna om- fattar vanligen införande av kateter via en ven genom höger hjärthalva 1 och till lungpulsádern L samt injek- "“W"*“wE; 10 15 20 25 30 1- n~y----r ,_.,__ (453 255 tion av en indikatorvätska (termodilution), vanligen ned- kyld koksaltlösning. En annan mer komplicerad metod inne- bär att perifera artärer punkteras för provtagning och att ett färgämne injiceras på vensidan (färgspädning).

Vid den äldsta och mest komplicerade bestämningsmetoden placeras katetrar i såväl lungpulsàdern L som en perifer artär och man tar prover på oxygeninnehàllet i såväl blan- dat venblod som artärblod. Samtidigt bestäms upptaget av oxygen till lungorna. Denna bestämningsmetod sker enligt Ficks princip och illustreras i fig.2.

Därvid gäller följande formler: v=ó-c\-,-Q-c Q __; ( EkV. l) C- - C v a där Ü = oxygenupptaget (ml Oz/min) Ö = blodflödet genom lungorna (l blod/min) C- = innehållet av oxygen i blandat venblod v (ml Oz/l blod) Ca = innehållet av oxygen i artärblod (ml 02/l blod).

I princip kan motsvarande beräkning göras likaväl på basis av koldioxid -(C02)-avgivningen från lungan och blodets koldioxidinnehåll. Ü avser då C02-avgivningen och Cë res- pektive Ca anger då CO -innehållet i blod.

Vidare förekommer s.k. icke-invasiva metoder för bestäm- ning av hjärtminutvolymen såsom inledningsvis antytts.

Gemensamt för dessa metoder är att man bestämmer Q pà grundval av värden på C; och Ca som estimeras utan blod- provstagning. Ü bestämmes som alltid icke-invasivt genom att samla upp och analysera utandad luft. Därefter beräk- nas Ö enligt Ficks princip. Estimeringen av C; och Ca är behäftade med vissa felkällor, som dock är mindre, om man 10 15 20 25 30 35 453 255 gör beräkningen pà basis av C02-avgivningen än om beräk- ningen sker på basis av 02-upptagningen. Detta beror på att C02 lättare passerar mellan lungan och blodet samt pà att C02-innehållet i blodet har ett tämligen enkelt samband till C02-halten i lungluften.

Icke-invasiv bestämning av hjärtminutvolymen på basis av C02-utbytet mellan blod och lungor är en känd metodik se- dan flera decennier. Det är en komplicerad metod, som kräver patientens medverkan samt skrymmande utrustning.

Proceduren sker i två etapper och kräver att gasutbytet och hjärtminutvolymen är stabila under flera minuter.

Därvid bestämmes först C02-avgivningen. Den utandade topp-koncentrationen av C02 mäts enligt fig.3 med en snabb C02-analysator 4. Denna topp-koncentraticn, som visas av kurvan upptill till vänster i fig.3 och ofta är medelvärdet för flera andetag, omräknas till partialtryck (Pend_tidal), vilket värde ungefär är lika med det par- tialtryck av C02 som råder i artärblodet (Pa). På grund av ett standardiserat icke-linjärt samband mellan parti- altryck (P) och volyminneháll (C) för C02 i blod beräknas sedan Ca, d.v.s. C02-innehållet i det arterialiserade blod som lämnar lungan. Se diagrammet upptill till höger i fig.3. Därefter bestämmes i en andra etapp den blanda- de venösa halten av C02. Patienten áterandas 1-2 l/ande- tag i en blása 5, varvid C02-partialtrycket i blásan och lungan asymptotiskt kommer att stiga mot samma värde P; som finns i det C02-rika blodet som kommer in i lungan. Återandningen tar ca 20 sekunder. Se fig.4.

Den ovan beskrivna metoden är förenad med flera nackdelar och olägenheter: - Praktiska: kräver patientmedverkan och komplicerad appa- ratur med stora mekaniska ventiler och exakt fyllning av àterandningsblàsa 5.

- Medicinska/hygieniska: risk för oxygenbrist under äter- användning även om det finns Oz-överskott 10 15 20 25 30 35 453 255 i blàsan 5 initialt. Ohygieniskt med àterand- ning av utandad gas.

- Teoretiska/beräkningsmässiga: estimeringen av Ca från utandad toppkoncentration baseras på flera osäkra antaganden. Estimeringen av C; base- ras på extrapolering och är ännu osäkrare.

Antagandet att all C02 som lämnar blodet till lungan samtidigt lämnar lungan till om- givningen är osäkert; C02 kan upplagras i iufiqvävnadën. Ändamålet med uppfinningen är att eliminera dessa olägen- heter. Anordningen enligt uppfinningen omfattar tvà prin- cipiellt nya delmoment: A. Aterandningsblàsan ersättes med ett elektroniskt sys- tem som mäter utandad C02-mängd och sedan doserar motsva- rande C02-mängd i inandningsluften i påföljande andetag (fig.5). Man erhåller då en selektiv àterandning av enbart en gaskomponent, och man erhåller ett säkrare och enklare sätt att åstadkomma den etapp i den konventionella åter- andningskliniken, som finns beskriven i fig.4.

Anordningen i fig.5 innefattar ett inandningsrör 13 och ett utandningsrör 14. En givare 15 är förbunden med en anordning 10 för mätning av den utandade luftens C02-halt (PC02). En annan givare 16 är förbunden med en anordning 8 för mätning av utandningsflödet. En källa 12 för C02 är ansluten till en solenoid 11, vilken styrs av en mikro- processor (hP) 6 för dosering av C02 till inandningsröret 13. Anordningarna 8 och 10 styr mikroprocessorn 6, som i sin tur styr en indikeringsanordning 9. Utandad och in- andad gas separeras med andningsventiler. Utandat flöde och utnadad C02-halt mäts direkt i andningsströmmen med givarna 15,16. Mikroprocessorn 6 (UP) beräknar utandad C02-mängd och styr en dosering, sá att exakt lika stor mängd doseras i inandningsluften under påföljande inand- ning. 10 15 20 25 30 455 255 B. Det andra principiellt nya momentet i uppfinningen ut- gör en ny beräkningsmetod som möjliggöres av anordningen enligt fig.5, om den modifieras med avseende pà gasdose- ringen.

Anordningen enligt uppfinningen innefattar att doseringen av nämnda gas styrs så, att lungans halt av gasen ändras enligt ett bestämt program (exempelvis en linjär ökning med avseende pà tiden) och att värdet Q bestämmes för parvisa andetag såsom kvoten mellan skillnaden mellan ef- fektiva gasflödet/tidsenhet V1 för ett andetag och Û2 för nästa andetag och skillnaden mellan gasinnehâllet Ca1 res- pektive Ca; i arteriellt blod, att värdet Q bestämmes för ett antal andetagspar, vilka par har ett visst antal ande- tags mellanrum, samt att medelvärdet av de erhållna olika värdena på Q beräknas.

Anordningen enligt uppfinningen kännetecknas väsentligen av en mikrodator programmerad att styra gasdoseringen, så att lungans halt av gasen ändras enligt ett bestämt program, och anordnad att bestämma Ö för parvisa andetag enligt formeln 5: V1 ' V2 (mkv. 4) C - C a1 az där V är det effektiva gasflödet per tidsenhet beräk- nat andetag för andetag och C är det samtidigt beräknade gasinnehàllet per en- het arteriellt blod, varvid index 1 betecknar ett första andetag och index 2 betecknar påföl- jande andetag, varjämte mikrodatorn beräknar Q för ett antal andetagspar, vilka par har ett visst antal andetagsmellanrum, och bestämmer me- o delvärdet av de så framtagna olika värdena pà Q.

Q betyder här det effektiva C02-flödet per tidsenhet be- 10 15 20 25 30 l4s3 255 räknat andetag för andetag, d.v.s. (inandad COz~mängd- -utandad C02-mängd)/tiden för andetaget. För ett enskilt andetag fås värdet V; och en mass-balans-ekvation för C02- -flödena kan uppställas: C; - Q = Û1 + Cal - Q + A upplagring (Ekv.2) Cal är det samtidigt beräknade C02-innehållet i artärblod.

Under ett senare andetag föreligger värdet V2 och ett an- nat högre värde på Ca (Caz). En andra mass-balans-ekvation kan då uppställas: az Q + A upplagring (§kv.3) C- V Ö och C; är definitionsmässigt oförändrade under den kor- ta tid pà ett par sekunder som átskiljer de två andetagen.

Termen “A upplagring" betingas av den kontinuerliga öknin- gen av lungans C02-innehåll. Så länge lungans C02-halt ökar linjärt är termen "A upplagring" konstant. De tvâ ekvationerna subtraheras och ett enkelt matematiskt ut- tryck erhålls då för beräkning av Ö (Ekv.4, se ovan). Be- räkningen upprepas för 5-6 par av andetag, som parvis lig- ger med t.ex. 4 andetags mellanrum. Medelvärdet på Ö be- räknas sedan. Hela mätproceduren görs i en etapp under ca 20 sekunder.

De ovan nämnda teoretiska/beräkningsmässiga nackdelarna med den kända tekniken elimineras i stor utsträckning.

Estimeringen av Ca är fortfarande behäftad med ett osä- kert fel, men eftersom två värden med samma fel subtrahe- ras faller det osäkra felet bort. Ingen extrapolering av C; behöver göras, eftersom C; ej ingår i den slutliga beräkningen.

En annan version, som kan utnyttjas för samma beräknings- gång som den i fig.5 visade áskádliggöres i fig.7 och är något mer komplicerad. Anordningen innefattar en flödes- 453 255 mätare 18 även för inandningsflödet samt en blandnings- volym 7 i anslutning till doseringen av C02. Doseringen av ren C02 kan då synkroniseras med inandningsflödet, så att en jämn tillblandning erhålls, även vid ojämn spontan- 5 andning. Doseringen av C02 ástadkoms av en grupp magnet- ventiler, vilkas öppningsfrekvens och öppningstid bestäm- mer tillförd C02-mängd. Den tillförda C02-gasen kan vid doseringen vara uppblandad med 02 för att undvika sänk- ning av den inandade gasens 02-halt i samband med C02- l0 -tillförsel. Maximalt nås 8% C02 i lungluften.

Vid den i fig.7 visade varianten betecknar detaljerna 6 och 8-16 samma delar som i fig.5. En flödesmätare 18 för inandningsluften med en givare 17 tillkommer samt dess- utom en blandningskammare 7. Denna mätare 18 styr jämte 15 anordningarna 8 och 10 mikroprocessorn 6, som liksom för- ut styr C02-doseringen i inandningsluften.

Ett ytterligare utförande liknar i alla avseenden det fip närmast beskrivna utförandet utom att lustgas (N20) eller annan gas med tillräcklig löslighet i blodet tillförs i 20 stället för C02. Lüstgas i mindre koncentrationer påver- kar ej medvetandet och har fördelen av att inte stimule- ra andningen och ge känsla av andfåddhet på samma sätt som C02.

Claims (3)

10 15 20 25 30 453 255 P a t e n t k r a v

1. Anordning för icke-invasiv bestämning av hjärtats minutvolym Ö, innefattande organ för bestämning av hal- ten av C02, N20 eller annan i blodet tillräckligt löslig gas före och efter blodets passage genom hjärtat, med organ för att för varje andetag separera utandad och in- andad luft, organ (8,16) för mätning av det utandade luftflödets storlek, organ (15,10) för bestämning av hal- ten av gasen i andningsströmmen, organ (6,11) styrda av flödesmätnings- och haltbestämningsorganen för dosering till inandningsströmmen av nämnda gas från en gaskälla ¶18) under närmast påföljande inandning, k ä n n e t e c k- n a d av en mikrodator (6) programmerad att styra gas- doseringen så, att lungans halt av gasen ändras enligt ett bestämt program och anordnad att bestämma Ö för par- visa andetag enligt formeln . (ll _ V2 Q : Cal- Caz där v är det effektiva gäsflöaer per rideenher beräknar andetag för andetag och Ca är det samtidigt beräknade gasinnehållet per enhet arteriellt blod, varvid index 1 betecknar ett första andetag och index 2 betecknar påföl- jande andetag, varjämte mikrodatorn är anordnad att be- räkna Ö för ett antal andetagspar, vilka par har ett visst antal andetags mellanrum, och bestämmer medelvärdet av de så framtagna olika värdena på Ö.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att programmet är anordnat att ge lineär ökning av lungluftens gashalt genom att mikrodatorn (6) ökar den per andetag inandade gasmängden.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att mikrodatorn (6) är anordnad att styras av 10 453 255 \O -en första givare (15), matande en anordning (10) för be; stämning av gashalten, och att en andra givare (16), ma- tande en anordning (8) för bestämning av utandningsluft- flödet, samt av en tredje givare (17), matande en anord- ning (18) för bestämning av inandningsgasflödet, varvid datorn (6) är programmerad att som funktion av nämnda an- ordningar (10,8,18) utsignaler styra solenoider (11), som verkar såsom ventiler mellan en gaskälla (12) och en med inandningsluften och nämnda gas matad blandningskammare (7), samt att mikrodatorn (6) är anordnad att styra en indikator (9) för värdet av Ö.