Document 651629

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ СЕРДЕЧНОГО ВЫБРОСА БОЛЬШОГО
КРУГА КРОВООБРАЩЕНИЯ
А.А.Цветков, Д.В.Николаев, К.А. Коростылев
НТЦ «МЕДАСС», Москва
Оценка величины сердечного выброса крови является основным показателем работы
сердца и используется для выработки тактики лечения пациента в условиях реанимации,
реабилитации, кабинетах функциональной диагностики при амбулаторном лечении и т.д.
Для определения величины сердечного выброса (СВ), по данным биоимпедансных
измерений, в широкой мировой и отечественной клинической практике применяется
методика Кубичека [1], где регистрация реограммы производится с использованием
опоясывающих металлизированных электродов, на уровне 5-го шейного позвонка (1-й
токовый) и 7-го шейного позвонка (1-й потенциальный), и двух опоясывающих грудную
клетку, на уровне мечевидного отростка грудины (2-й потенциальный) и пояса ( 2-й
токовый).
Между потенциальными электродами измеряют величину импеданса - Z (Ом),
регистрируют реограмму - Z, дополнительно регистрируют дифреограмму - dZ/dt (1-ю
производную реограммы), измеряют её амплитуду - Ad (Ом/с), время изгнания крови из
сердца - Ti, до 2-го тона фонокардиограммы, и производят расчёт величины СВ по
формуле: CB    ( L2 / Z 2 )  Ad  Ti(cm3 ) , где - L (см) - расстояние между потенциальными
электродами,  (Ом  см) - удельное сопротивление крови.
В методике Кубичека область измерения ограничена верхней частью грудной
клетки, так называемым "трансторакальным" регионом. В область измерения попадает и
большой и малый круг кровообращения (Рис.1.).
а.
б.
Рис. 1. Трехмерный (а), и двумерный (б) графики распределения чувствительности
53
импедансных измерений трансторакального региона в методике Кубичека.
Расчётная формула СВ по Кубичеку основана на модели области измерения в
форме вертикального цилиндра с основаниями в области шеи и на уровне мечевидного
отростка грудины, но значительно точнее может быть представлена усеченным конусом и
цилиндром (Рис.2а).
Наложение опоясывающих электродов весьма дискомфортно для пациента и при
измерениях становится причиной артефактов т.к. электроды врезаются в тело при
дыхании (особенно форсированном а, на выдохе провисают, искажают величину
измеряемого импеданса и форму регистрируемой реограммы).
б.
а.
Рис.2. Слева - объём области измерения по Кубичеку состоит из 2-х частей: конусной –
V1 и цилиндрической – V2. Справа - аппроксимация амплитуды дифреограммы по
Кубичеку
При определении амплитуды реограммы по Кубичеку используется линейная
аппроксимация восходящей части дифреограммы от начала до конца времени изгнания,
т.е.
произведение
амплитуды
дифреограммы
(Ad)
на
время
изгнания
(Ti)
-
Z  Ad  Ti (Oм) , (Рис.2.б). Метод расчёта СВ основанный на построении дифреограммы
влечет повышение требования к регистрирующей аппаратуре – полосе пропускаемых
частот,
шумам
и
предполагает
использование
сигнала
дополнительного
–
фонокардиографического датчика .
Методики Шрамека [2] и Бернштейна является модификацией методики Кубичека.
Она отличается тем, что, взамен опоясывающих электродов, применяются более
комфортные точечные ЭКГ электроды, установленные по правой и левой сторонам торса,
а в расчётной формуле объема используется модель сферы, а не цилиндра.
Значительно реже используется методика Тищенко [3], когда на запястья рук
накладывают опоясывающие электроды, соединённые между собой, и на щиколотки ног
54
также накладывают соединённые между собой электроды. Генератор тока и измеритель
высокочастотных потенциалов подключают к электродам, в соответствии с биполярным
методом измерения. Таким образом, область измерения СВ включает в себя, весь торс и
конечности. Следовательно, и здесь область измерения включает в себя как большой, так
и малый круг кровообращения (рис.3.).
Рис. 3. Трехмерный (слева) и двумерный (справа) графики распределения
чувствительности биоимпедансных измерений для плоской модели отведения по
Тищенко.
Метод математического моделирования, посредством которого рассчитывались
трёхмерные графики распределения чувствительности импедансных измерений в плоских
моделях различных регионов тела, описан в работе [4].
Целью данной работы являлась разработка метода оценки СВ, основанного на
локализации области импедансных измерений только в большом круге кровообращения.
В идеальном случае, область измерения должна быть ограничена только аортой, и
не должна захватывать лёгочную артерию и сами лёгкие. Реализовать такую локализацию
области измерения с поверхностно расположенных токовых и потенциальных электродов,
на грудной клетке практически невозможно.
Однако если зондирующий ток подавать через электроды, расположенные на
руках, то преимущественной областью его распределения будет верхняя часть
торакального региона
(рис.4а). Измерение высокочастотных потенциалов может
производиться с электродов, установленных на передней поверхности грудной клетки и
на спине.
На рис. 4б и 5а показана схема расположения и коммутации электродов. Два
потенциальных электрода (RU и LU)), устанавливают на правую и левую руки. На
55
переднюю поверхность грудной клетки, на уровне середины аорты, под серединой
ключичных выступов, накладывают два фронтальных токовых электрода RI и LI. Задние
токовые электроды, соединенные с соответствующими фронтальными, устанавливают на
поверхности спины в областях проекции фронтальных.
а.
б.
Рис. 4. Слева – показана аортальная область измерения сердечного выброса крови, справа
локализация и подключение электродов согласно предлагаемой методике
а.
б.
Рис.5. Схемы наложения и подключения электродов по предлагаемой методике (слева) и
по методике Кубичека.
На рис.6. представлен график распределения чувствительности биоимпедансных
измерений для плоской модели торакальной области человека, согласно предлагаемому
методу. Применение парных электродов обеспечивает равномерную чувствительность к
изменению импеданса в глубине измеряемой области (рис.7.). Для нормостеников и
астеников электроды могут быть одинарные, т.е. расположенные только на фронтальной
поверхности грудной клетки (рис.8.).
56
Рис. 6. Трехмерный график (слева) и двумерный (справа) распределения
чувствительности биоимпедансных измерений для плоской модели торакальной
области человека
Рис. 7. Трехмерный график (слева) и двумерный (справа) распределения чувствительности
биоимпедансных измерений для плоской модели аортальной области с четырьмя
потенциальными электродами
Рис. 8. Трехмерный график (слева) и двумерный (справа) распределения чувствительности
биоимпедансных измерений для плоской модели торакальной области с двумя потенциальными
электродами
57
Для оценки СВ использовалась модифицированная реоприставка (РПКА2-01) для
компьютерного анализа МАГИ-01м "МЕДАСС" [6], с соответствующим программным
обеспечением.
Электрическую компоненту кровотока в аортальной области - Zсв, определяют
как площадь под кривой реограммы, за время изгнания крови из сердца – Ti, по формуле,
описанной в [7]:
Ti
Z CB   Z (t )dt (1)
0
Геометрический объём аортальной области измерения сердечного выброса Vсв,
который по форме близок к горизонтально ориентированному цилиндру с эллиптическим
сечением, рассчитывается по формуле:
VCB  k  ( / 8)  A  B  C (2)
где: k ≈ 0,5 - коэффициент эффективной части области,
A - расстояние (высота) между шеей и мечевидным отростком (см),
B - расстояние между подмышечными впадинами (см),
С - расстояние (глубина) от передней поверхности грудины до поверхности спины
на уровне подмышечных впадин (см),
L - расстояние между измерительными электродами (см).
Расстояние С может быть определено и через периметр, по соотношению:
C  (2Q /  )  B , (3)
где: Q - периметр грудной клетки, на уровне подмышечной линии (см).
С учётом расстояния между измерительными электродами L объём
аортальной области измерения равен:
VCB  k  ( / 8)  A  B  [(2  Q /  )  B  k  L] (4)
или
VCB  k  0,39  LM  B  [(0, 637  QM )  B  k  LS ] (4а)
Окончательно, с учетом оценки объема аортальной области, величину сердечного
выброса определяют по соотношению [7]
СВ = Км  Vсв  ( Zсв / Zсв ) (5)
где Км - методический корректирующий коэффициент.
По данным СВ и частоте сердечных сокращений ЧСС (1/мин), могут быть
определены минутный объём кровообращения МОК = СВ  ЧСС, и систолический индекс
СИ = МОК ППТ, где ППТ - площадь поверхности тела .
58
В качестве критерия, позволяющего оценить приближение реографического
способа определения СВ с поверхностных электродов к инвазивному съему реограммы –
регистрации сигнала непосредственно с аорты, может быть использована величина
удельного сопротивления « ρ » измеряемого эффективного объема. Известно, что
величина удельного сопротивления крови близка к 150 Ом  м, а величина « ρ » тканей
торакальной области, измеряемая в отведении по Кубичеку составляет более 450 Ом  м.
Величина удельного сопротивления измеряемой области в предложенном отведении
составляет 210-230 Ом  м, что значительно ближе к удельному сопротивлению крови, и
отражает долю объема, приходящегося в измеряемой области на аорту и крупные сосуды.
Рис. 9. Пример записи реограммы в аортальном отведении.
На рис.9. приведён пример регистрации: кардиограммы - ЭКГ, реограммы - РЕО,
диффреограммы – ДИФ и интегральной реограммы – ИНТ. Примечательно, что на кривой
ДИФ весьма слабо выражен зубец В, характерный для отведений по Кубичеку и Шрамеку.
В таблице 1 приведены данные конкретного пациента “Н”, при проведении
измерений по предлагаемому методу. Обследование проводилось поочерёдно: в
59
положении лёжа, стоя, сразу после нагрузки (25 приседаний в произвольном темпе) и по
окончании нагрузки через 10 минут. Полученные результаты демонстрируют, что
динамическая чувствительность параметров гемодинамики СВ, МОК и СИ достаточно
выражена.
Таблица 1
№
Параметр
1
Z св
2
Размерность
Лёжа
Стоя
Нагрузка
Постнагрузка
Ом
13,6
13,4
14,0
13,7
Zсв
Ом
0,19
0,16
0,19
0,17
3
Vсв
л
5,9
5,9
4
СВ
мл
83,0
70,9
80,6
73,7
5
ЧСС
1/мин
61
72
100
72
6
MOK
литр
5,06
5,11
8,06
5,31
7
СИ
л/мин/кв.м
2,3
2,3
3,7
2,4
5,9
5,9
Исследовалась устойчивость оценки СВ к смещению потенциальных электродов в
горизонтальном направлении. В таблице 2 приведены величины погрешности оценки СВ,
при проведении измерений c установкой измерительных электродов со значимыми
изменениями расстояния L. Аппроксимация представленных в таблице величин  L и
∆СВ к вероятным в медицинской практике погрешностям установки электродов по
горизонтали на ±1см позволяет оценить погрешности СВ как -0,8% и +1%,
соответственно.
Таблица 2
Пациент “Н”. (M = 86кг, Рост = 182 см.)
L
L
Z
Zсв
Vcv
CB
∆СВ
см
%
Ом
Ом
куб.см
куб.см
%
13
-19
8,3
0,12
5656
82,5
+6
16
0
12,2
0,16
5938
77,9
0
21
+31
14,4
0,17
6342
74,9
-4
Таким образом, в данной работе:
- предложен новый метод импедансной оценки СВ, подлежащий дальнейшим
исследованиям и верификации,
60
- проведено сравнение предложенного метода с наиболее широко используемыми
методами оценки СВ на основе построенных трехмерных графиков чувствительности
импедансных измерений плоской модели тела человека,
- предложен критерий сравнения импедансных методов оценки СВ по величине
удельного сопротивления измеряемого региона,
- продемонстрировано, что новый метод позволяет оценивать изменения кровотока
в нагрузочных экспериментах,
- показан способ определения устойчивости импедансных оценок СВ по
отношению к наиболее вероятным ошибкам установки электродов - смещениям в
горизонтальном направлении.
Литература
1. Kubicek W.G. Impedance Plethysmograph, Pat.USA. № 3.340.867. A61b.5/02,1967,
sept.,12.
2. Sramek.B.
Hemodynamic
and
Pump-performance
Monitoring
by
Electrical
Bioimpedance. Problems in Respiratory Care, April-June 1989, Vol.2.
3. Тищенко М.И. Биофизические и метрологические основы интегральных методов
определения ударного объёма крови человека. Автореф. докт. дис. Москва, 1971.
4. Новые подходы к системному анализу гемодинамики биоимпедансным методом.
А.А.Цветков, Д.В.Николаев, В.А.Можаев. В сборнике: "Диагностика и лечение
нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", 8-я научно-практическая
конференция ГКГ МВД РФ. Москва, 22 марта 2006, с.31-42.
5. Патент РФ. № 2314750, Рег.20.01.2008. Способ системной оценки динамики
жидкости и крови. Патент РФ. Авторы: Цветков А.А., Николаев Д.В., и др.
6. Биоимпедансный анализатор. Патент РФ на полезную модель. № 57578,
Рег.27.10.2006. Цветков А.А, Туйкин С.А, Смирнов А.В, Николаев Д.В, Можаев
В.А.
7. Гетерогенная модель для оценки гидрогемодинамики. А.А.Цветков. В сборнике:
"Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", 10-я
научно-практическая конференция ГКГ МВД РФ. Москва, 25 марта 2008, с.152158.
61