Устройство, компьютерная система и компьютерная программа для определения внутригрудного объема крови и других сердечно-сосудистых параметров - RU2378986C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству, компьютерной системе и компьютерной программе для определения внутригрудного объема крови и других сердечно-сосудистых параметров пациента посредством термодилюционных измерений.

Уровень техники

К современному состоянию уровня техники в осуществлении транспульмонарных термодилюционных измерений относятся устройство для инъекции болюса термоиндикатора в верхнюю полую вену пациента и измерения температурного отклика в некотором месте системной циркуляции пациента, например в бедренной артерии пациента, для определения термодилюционной кривой, то есть температурного отклика как функции времени. По термодилюционной кривой, схематический пример которой представлен на Фиг.3, где абсцисса (ось времени) 1 является линейной, а ордината (ось разности температур) 2 является логарифмической, могут быть получены различные сердечно-сосудистые параметры, посредством исполнения компьютерных программ, которые выполняют вычисления параметров, как раскрыто в заявке WO 93/21823, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки, а также как вкратце изложено далее.

Сердечный Выброс (СВ) может быть определен по алгоритму, основанному на уравнении Стюарта-Гамильтона (Stewart-Hamilton):

где Т_В представляет собой начальную температуру крови, Т_L представляет собой температуру жидкого болюса, который используется как термоиндикатор, V_L представляет собой объем термоиндикатора, К₁ и К₂ представляют собой константы, учитывающие особые установки измерений, а ∆Т_В(t) представляет собой температуру крови как функцию времени относительно исходного уровня температуры крови Т_В. Термоиндикатор может быть либо холоднее, либо теплее по отношению к температуре крови. Для получения величины сердечного выброса площадь под термодилюционной кривой должна быть определена математическим интегрированием.

В число других параметров, которые могут быть определены по термодилюционной кривой 3, как схематически показано на Фиг.1, входят Экспоненциальное Затухание или Время Убывания (ВУ), то есть время, которое требуется разности температур ∆Т_В(t) для того, чтобы упасть на коэффициент е^-1, Время Появления (ВП), то есть промежуток времени между инъекцией болюса ВИ и первым появлением заметной разности температур ∆Т_В(t), и Среднее Время Прохождения СВП.

Внутригрудной Термальный Объем (ВГТО) и Внутригрудной объем крови (ВГОК) могут быть определены следующим образом:

ВГТО=СВ·СВП,

ВГОК=а' ∙ ГКДО+b',

где a' и b' представляют собой видовые зависимые константы, а ГКДО представляет собой Глобальный Конечнодиастолический Объем, который может быть определен следующим образом:

ГКДО=СВ · (СВП - ВУ).

Оценка внесосудистого термального объема может быть определена как разность между Внутригрудным Термальным Объемом (ВГТО) и Внутригрудным объемом крови (ВГОК)

ВСТО=ВГТО - ВГОК.

Если нет существенных дефектов перфузии в легких (например, массивной легочной эмболии или обширной единичной эмболии), то внесосудистый термальный объем близко коррелирует со степенью содержания Внесосудистой Легочной Воды.

Транспульмонарная термодилюция показала себя как надежная и достоверная технология оценки сердечного выброса, сердечной преднагрузки и внесосудистой легочной воды (ВСЛВ), то есть количественного измерения отека легких. Оценка ВСЛВ посредством инъекции единичного термоиндикатора основана на вышеупомянутом отношении ВГОК=а'ГКДО+b'. Как показано, этот способ выгодно сопоставим с технологией дилюции двойного индикатора (термоокраски) и с гравиметрическими способами ex-vivo.

Однако для пациентов с механической вентиляцией и пациентов, страдающих серьезным отеком легких, результаты были не полностью удовлетворительными.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение нового устройства, новой компьютерной системы и новой компьютерной программы, позволяющих определять внутригрудной объем крови посредством одноиндикаторной транспульмонарной термодилюции с улучшенной точностью, особенно для пациентов, страдающих тяжелым отеком легких, и/или пациентов с механической вентиляцией.

Раскрытие изобретения

Изобретатели обнаружили, что некоторые факторы (в особенности отек легких и давление дыхательных путей) оказывают воздействие на отношение сердечного/легочного объемов крови и, следовательно, на оценку ВСЛВ посредством транспульмональной термодилюции. Действительно, отечные участки легких могут сдавливать легочные сосуды и увеличивать сужение легочных кровеносных сосудов, а оба этих фактора могут уменьшать истинный легочный объем крови и, следовательно, приводить к переоценке ВГОК и недооценке внесосудистой легочной воды ВСЛВ (когда ВГОК оценивают как 1,25 × ГКДО). Подобным образом, любое увеличение давления дыхательных путей (относящееся либо к увеличению объема одного дыхания, либо к применению положительного конечного экспираторного давления) может вызвать снижение легочного объема крови, которое также может изменить отношение сердечного/легочного объемов крови.

Для решения вышеупомянутой задачи в соответствии с настоящим изобретением обеспечено устройство для определения внутригрудного объема крови (ВГОК, ITBV) и других сердечно-сосудистых параметров пациента посредством термодилюционных измерений, включающее в себя влияющее на температуру средство для вызова первоначального местного изменения температуры вблизи первого места сосудистой системы пациента, таким образом вводящего перемещающееся температурное отклонение в поток крови пациента, датчик температуры для измерения местной температуры крови пациента во втором месте сосудистой системы пациента вниз по потоку от упомянутого первого места, компьютерную систему, соединенную с указанным датчиком температуры и приспособленную для записи указанной местной температуры крови пациента, измеренной в указанном втором месте, как функции времени, для определения термодилюционной кривой, указанная компьютерная система дополнительно приспособлена для определения глобального конечнодиастолического объема крови (ГКДО) и внутригрудного термального объема (ВГТО) по указанной термодилюционной кривой, указанная компьютерная система дополнительна приспособлена для определения внутригрудного объема крови (ВГОК) пациента в соответствии со следующей формулой:

ВГОК=f(ГКДО, ВГТО, Д),

ВГОК представляет собой внутригрудной объем крови, ГКДО представляет собой глобальный конечнодиастолический объем крови, ВГТО представляет собой внутригрудной термальный объем, Д представляет собой давление в дыхательных путях внутри легких пациента.

Для решения вышеупомянутой задачи в соответствии с настоящим изобретением также обеспечена компьютерная система, включающая в себя первое соединительное средство для связи указанной компьютерной системы с влияющим на температуру средством, и второе соединительное средство для связи указанной компьютерной системы с датчиком температуры, и, как возможный вариант, третье соединительное средство для связи указанной компьютерной системы с датчиком давления, и средство доступа для доступа к исполняемым командам, задействующим указанную компьютерную систему, чтобы управлять влияющим на температуру средством для вызова первоначального местного изменения температуры вблизи первого места сосудистой системы пациента, таким образом, вводя перемещающееся температурное отклонение в поток крови пациента, записывать указанную местную температуру крови пациента, измеренную датчиком температуры для измерения местной температуры крови пациента во втором месте сосудистой системы пациента вниз по потоку от упомянутого первого места, как функцию времени для того, чтобы определить термодилюционную кривую, определять глобальный конечнодиастолический объем крови (ГКДО) и внутригрудной термальный объем (ВГТО) по указанной термодилюционной кривой, определять внутригрудной объем крови (ВГОК) пациента в соответствии со следующей формулой:

ВГОК=f(ГКДО, ВГТО, Д),

ВГОК представляет собой внутригрудной объем крови, ГКДО представляет собой глобальный конечнодиастолический объем крови, ВГТО представляет собой внутригрудной термальный объем, Д представляет собой давление в дыхательных путях внутри легких пациента.

Для решения вышеупомянутой задачи в соответствии с настоящим изобретением также обеспечена компьютерная программа для определения внутригрудного объема крови (ВГОК) и других сердечно-сосудистых параметров пациента посредством термодилюционных измерений, содержащая команды, исполняемые компьютерной системой, чтобы задействовать указанную компьютерную систему, чтобы управлять влияющим на температуру средством для вызова первоначального местного изменения температуры вблизи первого места сосудистой системы пациента, таким образом, вводя перемещающееся температурное отклонение в поток крови пациента, записывать указанную местную температуру крови пациента, измеренную датчиком температуры для измерения местной температуры крови пациента во втором месте сосудистой системы пациента вниз по потоку от упомянутого первого места, как функцию времени для того, чтобы определить термодилюционную кривую, определять глобальный конечнодиастолический объем крови (ГКДО) и внутригрудной термальный объем (ВГТО) по указанной термодилюционной кривой, определять внутригрудной объем крови (ВГОК) пациента в соответствии со следующей формулой:

ВГОК=f(ГКДО, ВГТО, Д),

ВГОК представляет собой внутригрудной объем крови, ГКДО представляет собой глобальный конечнодиастолический объем крови, ВГТО представляет собой внутригрудной термальный объем, Д представляет собой давление в дыхательных путях внутри легких пациента.

Опыт показал, что посредством определения внутригрудного объема крови не только как функции глобального конечнодиастолического объема (ГКДО) крови, но также и как функции внутригрудного термального объема, могут быть сделаны лучшие оценки внутригрудного объема крови и, следовательно, лучшая оценка экстравазальной легочной воды.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения указанная функция f(ГКДО, ВГТО, Д) выбрана такой, чтобы

f(ГКДО, ВГТО, Д)=а · ГКДО+b+c ∙ ВГТО+d ∙ Д,

а представляет собой зависимый параметр, причем 1

Член c∙ВГТО обеспечивает поправку главным образом для больших значений ВГТО, а член d ∙ Д обеспечивает поправку ВГОК главным образом, когда пациент подвергается механической вентиляции. Как только видовые зависимые параметры a, b, c и d определены, применение формулы позволяет обеспечить оптимальное совпадение оцененных значений внутригрудного объема крови и экстравазальной легочной воды с точно измеренными объемами у большой совокупности пациентов.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная функция f(ГКДО, ВГТО, Д) выбрана такой, чтобы

a, b, c и d представляют собой видовые зависимые параметры, причем 1норм, ГКДО_норм и Д_норм являются эмпирическими нормальными значениями ВГТО, ГКДО и Д соответственно. Параметры a, b, c и d определены посредством регрессии.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная функция f(ГКДО, ВГТО, Д) выбрана такой, чтобы

параметры a, b, c1, с2, d1, d2 могут быть получены посредством нелинейной регрессии из сравнительных измерений двойной дилюции. Эти параметры являются видовыми зависимыми. Член a/((c2+1)(d2+1)) нормально находится в диапазоне от 0,5 до 10.

Первая часть

описывает полное перемещение из грудной клетки в большую циркуляцию.

Вторая часть

описывает измененное отношение между ГКДО и ЛОК.

Исследования показали, что при использовании формулы, известной из уровня техники, ВГОК, т.е. сумма ЛОК и ГКДО, была недооценена при большом ВСТО и высоком давлении дыхательных путей. Это происходит потому, что большой ВСТО приводит к растяжению легочной ткани, что нарушает нормальное, фиксированное отношение между ЛОК и ГКДО (ВГОК=ГКДО+ЛОК=а·ГКДО+b). Подобный результат достигается при высоком давлении Д дыхательных путей.

Таким образом, действительным давлением, которое выталкивает кровь из легких, является трансмуральное давление Д_тм=ВГД - Д_мс. Оно представляет собой разницу между внутригрудным давлением и микрососудистым давлением. Периферийным микрососудистым давлением можно пренебречь. Если легкое является очень тугоподвижным, например при фиброзе, даже высокое давление дыхательных путей оказывает небольшое воздействие - внутригрудное давление остается низким.

По большей части значение Д_тм в микрососудах легкого не доступно. В таком случае вместо него может быть использовано внутригрудное давление или среднее значение давления дыхательных путей. Поскольку ПКЭД (PEER) (положительное конечное экспираторное давление) является коррелированным, оно также может быть полезно.

Кровь перемещается из легкого двумя путями.

1. Фракция крови перемещается из легких в сердце, посредством чего нормальное отношение между ГКДО и ЛОК изменяется.

2. Часть ЛОК полностью перемещается из грудной клетки в большую циркуляцию (системную циркуляцию).

В зависимости от доминирующего фактора c1, d1 или c2, d2 могут быть равными нулю. В особом случае с человеком a=1,48, b=87 мл, c1=-0,18, d1=0, c2=0, d2=0.

Возможны также и другие формулы. Вообще, ВГОК является функцией ГКДО, ВГТО и Д. Также можно с успехом применить это к внутригрудному объему крови. Индекс ВГОКИ=ВГОК/ППТ представляет собой ВГОК, деленный на площадь поверхности тела (ППТ). В таком случае ВГОКИ является функцией ГКДО/ППТ, ВГОК/ППТ и Д.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения Д установлено равным трансмуральному легочному давлению Д_тм, определенному как Д_тм=ВГД - Д_мс, ВГД представляет собой внутригрудное давление, а Д_мс представляет собой микрососудистое давление. Поскольку именно трансмуральное давление отвечает за сужение легочных кровеносных сосудов, что и является причиной переоценки внутригрудного объема крови и недооценки внесосудистой легочной воды, наилучшие результаты получают посредством использования трансмурального давления для корректировки внутригрудного объема крови, даже если пациент страдает легочным фиброзом.

Однако трансмуральное давление иногда бывает трудно определить. Довольно хорошие результаты получают также в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения посредством использования для Д среднего давления, измеренного в дыхательном пути механического респиратора, или положительного конечного экспираторного давления (ПКЭД, PEER) механического респиратора. Эти давления могут быть определены легко.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Сопроводительные чертежи служат лучшему пониманию вышеизложенных и других признаков настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическая иллюстрация, объясняющая зависимости между глобальным конечнодиастолическим объемом ГКДО, легочным объемом крови ПОК, внесосудистым термальным объемом ВСТО, объемом дыхательных путей О_дп и давлением Д дыхательных путей.

Фиг.2 - схема сосудистой системы пациента и предпочтительного варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематический пример термодилюционной кривой на диаграмме с изменением температуры крови как функции времени, причем ось абсцисс представлена в линейном масштабе, а ось ординат - в логарифмическом.

Фиг.4 - структурная схема, представляющая общую структуру аппаратного обеспечения компьютерной системы в соответствии с настоящим изобретением, являющегося частью устройства, представленного на Фиг.2.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 представлена схематическая иллюстрация, объясняющая зависимости между глобальным конечнодиастолическим объемом ГКДО, который в грубом приближении представляет собой кровь, находящуюся в сердце, легочным объемом крови ЛОК 111 (PBV), который представляет собой кровь, находящуюся в легких, внесосудистым термальным объемом ВСТО 112 (ETV), который в грубом приближении представляет собой легочную воду вне сосудов, объемом дыхательных путей О_дп (Vaw) и давлением Д дыхательных путей. Увеличение давления Д дыхательных путей вызывает увеличение объема О_дп, что приводит к снижению легочного объема крови ЛОК, другими словами, увеличение давления Д вызывает отток крови из легких в сердце и/или в системную циркуляцию. Подобным образом, увеличение ВСТО также вызывает отток крови из легких в сердце и/или системную циркуляцию.

На Фиг.2 показаны основные компоненты, необходимые для выполнения варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением, а также схематически показаны первое и второе места 101, 102 сосудистой системы 103 пациента, где устройство взаимодействует с сосудистой системой 103 пациента. Компьютерная система 104, общая структура аппаратного обеспечения которой схематически показана на Фиг.4, соединена через порт А 201 с медицинским дозирующим устройством 105, служащим совместно с катетером 106 инъекционным средством 107 для введения в первое место 101, например в верхнюю полую вену пациента, болюса, например 10 мл, или, как руководство, 0.15 мл/кг массы тела пациента. Болюс, служащий термоиндикаторной жидкостью, является существенно более теплым или холодным по сравнению с температурой крови пациента. В результате перемещающееся температурное отклонение вводится в сосудистую систему 103 пациента, где оно постоянно изменяется в соответствии с граничными условиями. Температурное отклонение проходит правое предсердие и правый желудочек 109 сердца 110 пациента, чтобы попасть в легочную циркуляцию 111, в которой, вблизи сосудов пациента может присутствовать внесосудистый термальный объем 112. Температурное отклонение проходит левое предсердие 113 и левый желудочек 114 сердца 110 пациента, чтобы попасть в системную циркуляцию 116 через аорту 115. Когда перемещающееся температурное отклонение достигает второго места 102, например бедренной артерии пациента, где температуру крови пациента постоянно измеряют датчиком 117, который соединен с компьютерной системой 104 через порт В 202, перемещающееся температурное отклонение записывают компьютерной системой 104 как Термодилюционную Кривую, то есть температуру, измеренную во втором месте 102 как функцию времени. По этой Термодилюционной кривой компьютерная система 104 определяет оценку внесосудистого термального объема в соответствии с отношениями, объясненными выше. Если отсутствует какой-либо существенный дефект перфузии в легких (например, легочная эмболия), то внесосудистый термальный объем весьма близко коррелирует со степенью содержания Внесосудистой Легочной Воды.

На Фиг.4 представлена общая структура аппаратного обеспечения варианта осуществления компьютерной системы 104 в соответствии с настоящим изобретением, пригодной, чтобы являться частью устройства, представленного на Фиг.2. Через порты А и В 201, 202, которые принадлежат подсистеме ввода/вывода, компьютерная система 104 обеспечена возможностью соединения с инъекционным средством 107, датчиком 117, датчиком 118 давления соответственно. Подсистемой ввода/вывода управляет центральный процессор (ЦП) 204, который по шине 205 адреса и данных осуществляет связь с другими компонентами компьютерной системы 104, которые включают в себя таймер 206, обеспечивающий сигналы таймера ЦП 204, системную память (ПЗУ) 207, в которой постоянно хранится системное программное обеспечение, память данных и команд (ОЗУ) 208, где могут быть сохранены исполняемые команды и различные данные, включая считанные значения температуры для термодилюционных кривых и считанные значения давления дыхательных путей, контроллер 209 устройства ввода, управляющий устройством 210 ввода, таким как клавиатура, сенсорный экран или подобные элементы, для ручного ввода системных параметров, операционных установочных параметров или тому подобного, дисковую подсистему 211 для чтения данных или программных команд из среды 212 хранения информации, такой как жесткий диск, гибкий диск, компакт-диск, оптический диск и тому подобного, и для сохранения данных в среде 212 хранения информации, подсистему 213 отображения, управляющую устройством 214 отображения для отображения релевантной информации, такой как Термодилюционная Кривая или сердечно-сосудистые параметры, определенные компьютерной системой 104. Датчик 118 давления, который приспособлен для измерения давления в дыхательных путях пациента, соединен с компьютерной системой 104 через порт 203.

Вышеописанное устройство приспособлено для измерения СВП, ВУ, СВ и для вычисления таких параметров, как ГКДО, ВГОК и ВСТО.