Компьютерная система многоканальной электроимпедансной кардиографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тихомиров Алексей Николаевич

• Тихомиров Алексей Николаевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Тихомиров Алексей Николаевич

Введение

Глава 1. Предпосылки к разработке компьютерной системы

многоканальной системы электроимпедансной кардиографии

1.1 Инструментальные методы мониторинга гемодинамических параметров деятельности сердца

1.1.1 Метод термодилюции

1.1.2 Метод анализа контура пульсовой волны

1.1.3 Метод Фика

1.1.4 Ультразвуковые методы мониторинга сердечного выброса

1.2 Электроимпедансные методы мониторинга гемодинамических параметров деятельности сердца

1.2.1 Трансторакальная реокардиография

1.2.2 Электроимпедансная томография в задачах оценки деятельности сердца

1.2.3 Прекардиальные электроимпедансные методы

1.3 Математические основы методов прекардиальной электроимпедансной кардиографии

1.4 Допущения при использвании аналитической модели

1.4.1 Оценка влияния размера токового электрода

1.4.2 Взаимное влияние сферического включения и его изображения при решении аналитической задачи

1.4.3 Влияние несоответствия реальной и модельной геометрии грудной клетки

1.5 Выводы к главе

Глава 2. Исследование влияния кожно-жирового слоя на

прекардиальные электроимпедансные измерения

2.1 Предпосылки к исследованию влияния кожно-жирового слоя на

прекардиальные электроимпедансные измерения

Стр.

2.2 Экспериментальные измерения и используемое аппаратное обеспечение

2.3 Исследование влияния кожно-жирового слоя на прекордиальные электроимпедансные измерения

2.4 Исследование влияния размеров электродных систем

2.5 Выводы к главе

Глава 3. Исследование влияния пульсового кровенаполнения мягких

тканей на прекардиальные электроимпедансные измерения

3.1 Моделирование влияния пульсового кровенаполнения мягких тканей на прекардиальные электроимпедансные измерения

3.2 Математическая модель изменения удельного сопротивления мягких тканей вследствие их пульсового кровенаполнения

3.3 Компенсация влияния кровенаполнения мягких тканей на прекардиальные электроимпедансные измерения

3.4 Исследование расположения и размеров электродной системы торакального канала

3.5 Оценка влияния пульсового кровенаполнения кожно-жирового

слоя на электроимпедансные прекардиальные измерения

3.6 Выводы к главе

Глава 4. Исследование возможности применения сферических

моделей сердца в прекардиальных измерениях

4.1 Метод оценки изменения объема желудочков по данным электроимпедасных измерений

4.2 Исследование возможности аппроксимации объема крови в

сердце единой сферой

4.3 Верификация разработанной математической модели

4.4 Исследование изменения радиуса эквивалентной сферы и смещения координат центра

4.5 Определение траектории движения центра масс сердца

4.6 Выводы к главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

БТС биотехническая система

ИВЛ искусственная вентиляция легких

ИМТ индекс массы тела

КТ компьютерная томография

МОК минутный объем крови

МРТ магнитно-резонансная томография

СВ сердечный выброс

ССЗ сердечно-сосудистые забилевания

УЗИ ультразвуковые исследования

УО ударный объем

ФВ фракция выброса

ЧСС частота сердечных сокращений

ЭКГ электрокардиография

ЭЭГ электроэнцефалография

EIT electrical impedance tomography

FDA Food and Drug Administration

ICG impedance cardiographia

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерная система многоканальной электроимпедансной кардиографии»

Введение

Оценка гемодинамических параметров — ударного выброса (УВ) и фракции выброса (ФВ) сердца является необходимой как при определении степени тяжести сердечно-сосудистого заболевания, так и при мониторинге состояния сердечно-сосудистой системы. Измерение УО и ФВ может проводиться единоразово или регулярно для отслеживания динамики в процессе лечения, также возможен мониторинг в режиме реального времени. При комплексном исследовании сердца оценка УО и ФВ традиционно производится методами ультразвуковой визуализации или методами компьютерной и магнитно-резонансной томографии. Однако, частое периодическое использование этих методов не всегда приемлемо из-за стоимости, а в случае с компьютерной томографией является вредной лучевой нагрузкой. В то время как периодическая оценка и непрерывный мониторинг гемодинамических параметров являются важными задачами при оценке рисков у пациентов.

Для мониторинга указанных параметров сегодня доступны инвазивные, малоинвазивные и неинвазивные методы (Kobe, Mishra 2019; LiDCO, London, UK; Lee S. Nguyen, 2017; и др.). При этом неинвазивные методы обладают неоспоримыми преимуществами для практики. Среди последних выделяются методы основанные на измерении электрического импеданса поскольку они обладают относительной технической простотой и потенциально позволяют осуществлять оценку УВ и ФВ для каждого сердечного цикла. Однако, отсутствие понимания биофизических механизмов формирования электроимпедансных сигналов и, как следствие, недостаточная точность и надежность определения УВ и ФВ у ряда пациентов привела к негативному отношению к ним медицинского сообщества.

Данная работа, основываясь на результатах исследований научной школы МГТУ им. Н.Э. Баумана (Морозов А.А., Зубенко В.Г., 1994; Беляев К.Р., 1996; Светашев М.Г., 1999; Морозов Д.Ю., 2003; Щукин С.И., Стрелков Б.В., 2004; Сергеев И.К., 2004; Кирпиченко Ю.Е., 2014; Тимохин Д.П., 2014; Кудашов И.А., 2016; Малахов А.И., 2017; Аль Харош М., 2017), направлена на исследование процессов и параметров влияющих на формирование электроимпедансных сигналов прекордиальной области пациента и разработку научно-технических

основ технологии многоканальной электроимпедансной кардиографии, что является актуальной задачей медицинского приборостроения.

Методы одноканальной трансторакальной реокардиографии, предложенные Кедровым А.А. (1940-ые), Kubicek W. (1966), а позднее модифицированные Пушкарем Ю.Т. (1977), Sramek B., Тищенко М.И. для мониторной оценки ге-модинамических параметров сердца, отличаются используемыми электродными системами и используют различные расчётные соотношения, связывающие измеряемый электрический импеданс и расстояние между электродами с УВ. Несмотря на наличие ряда серийно выпускаемых реокардиографических систем - Niccomo, CardioScreen, Рео-Спектр и др., в медицинском сообществе присутствует небезосновательный скепсис по отношению к данным методикам. А ряд исследований определения УВ трансторакальными методами (Riu P., 1999; van der Meer B.J., 1999; Bernstein D.P., 2005) указывают их недостаточную для клинической практики достоверность.

Проблемам повышения точности оценки УВ за счет анализа параметров электроимпедансной кардиограммы, получаемой с электродных систем различной локализации на поверхности груди пациента, посвящены работы (Bernstein D.P., 2005; Стрелков Б.В., 2004; Сергеев И.К. 2004; Кирпиченко Ю.Е., 2014; Тимохин Д.П., 2014; Малахов А.И., 2017). В последних впервые были использованы дополнительных электроимпедансные прекордиальные каналы, расположенные с учетом анатомических особенностей залегания сердца пациента. Эти исследования позволили приблизить значения фазовых параметров сердечного цикла к измеряемым инвазивно, однако, не позволили достичь клинически приемлемой точности определения УВ.

Для исследования особенностей параметров электроимпедансных сигналов измеряемых с различных областей проекции отделов сердца на поверхность грудной клетки были разработаны методы многоканального прекордиального картирования, (Кирпиченко Ю.Е., Тимохин Д.П., Щукин С.И., 2014; Малахов А.И., 2017) при которых электродные системы, с пространственной чувствительностью соответствующей анатомическим особенностям пациента, располагались над верхушкой, правым и левым желудочками сердца. Модель обработки прекордиальных сигналов для расчета УВ предполагала анализ уменьшения размеров сердца, окруженного мягкими тканями грудной полости на выдохе, удельное электрическое сопротивление которых неизменно. Анализ

результатов исследований данного подхода позволил выявить ряд противоречивых данных, сводящихся, в основном, к следующим:

- если для пациентов с невыраженным кожно-жировым слоем и неглубоким залеганием сердца параметры сигналов, в целом, соответствовали ожидаемым, то для «тучных» пациентов или при глубоком залегании сигналы имели в систолу выраженный и часто длительный участок уменьшения импеданса, иногда увеличения импеданса вследствие уменьшения объемов желудочков не наблюдалось, что противоречит принятой модели сокращения, значения УВ в этих случаях были на 70-30% ниже полученных методами МРТ и УЗИ, либо вообще не определялись, фазовые параметры не соответствовали действительности;

- непонятны процессы, приводящие к разной степени выраженности, но существенному и непродолжительному по длительности уменьшению импеданса в начале систолы желудочков сердца - так называемой "пред-волны".

Подобные вопросы связаны с механизмами формирования электроим-педансных сигналов, ранее не изучались и требуют проведения детальных исследований особенностей сокращения сердца и изменения электрофизических характеристик окружающих тканей с применением как многоканальных электроимпедансных, так и традиционных методов ультразвуковых и томографических исследований.

Цель работы - разработка технологии определения параметров сокращения сердца на основе многоканальных прекордиальных электроимпедансных измерений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование влияния параметров кожно-жирового слоя и размера электродных систем на изменение, определяемое на основе электро-импедансных измерений, размеров сердца в систолу.

2. Исследование влияния пульсового кровенаполнения мягких тканей на параметры прекардиальных электроимпедансных сигналов.

3. Исследование параметров перемещения сердца в систолу, анализ возможности применения сферических моделей аппроксимации крови в сердце для определения УОК и ФВ на основе многоканальных измерений импеданса и ЭКГ.

4. Исследование эффективности макета биотехнической системы многоканальной электроимпедансной компьютерной кардиографии.

Научная новизна:

1. В результате численного моделирования определено влияние параметров кожно-жирового слоя и размеров электродных систем на оценку изменений размеров сердца в систолу, рассчитываемых на основе элек-троимпедансных измерений.

2. В результате теоретических и экспериментальных исследований впервые установлено существенное влияние пульсового кровенаполнения мягких тканей на прекордиальные электроимпедансные сигналы.

3. Впервые определены биофизические механизмы формирования пре-кордиальных электроимпедансных сигналов, которые определяются совокупностью процессов пульсового кровенаполнения мягких тканей, перемещением сердца в систолу как целого и изменением его размеров.

4. Разработаны основы технологии многоканальной электроимпедансной компьютерной кардиографии, позволяющей определять гемодинамиче-ские параметры деятельности сердца и годографы движения центра масс сердца.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработана и апробирована методика компенсации влияния пульсового кровенаполнения мягких тканей на сигналы прекардиальных электро-импедансных измерений.

2. Разработана и апробирована методика снижения влияния кожно-жиро-вого слоя на сигналы прекардиальных электроимпедансных измерений на основе выбора электродных систем адекватных параметрам кожно-жирового слоя, мягких тканей и глубины залегания сердца.

3. Разработан и апробирован действующий макет БТС многоканальной электроимпедансной компьютерной кардиографии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчет гемодинамических параметров на основе электроимпедансных прекордиальных сигналов необходимо проводить с учетом толщины и удельного сопротивления кожно-жирового слоя, глубины локализации крови в сердце, величины и изменения при пульсовом кровенаполнении удельного сопротивления мягких тканей на выдохе, размеров электродных систем.

2. Учет влияния пульсового кровенаполнения мягких тканей в систолу желудочков на прекордиальные электроимпедансные сигналы возможен при использовании торакального канала и предложенного метода учета этого влияния.

3. Основные биофизические механизмы формирования прекордиальных сигналов в систолу определяются совокупностью процессов пульсового кровенаполнения мягких тканей, перемещением и изменением размеров сердца как целого.

Результаты работы внедрены в научно-учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» ФГБОУ ВО «Московский государственных технический университет Н.Э. Баумана» в рамках образовательных программ по направлению подготовки «Биотехнические системы и технологии», в практику исследований Медико-технологического центра университета.

Методология и методы исследования. Исследования, представленные в диссертации, опираются на классические труды отечественных и зарубежных ученых, изучавших проблемы неинвазивной оценки гемодинамических параметров сердца на основе электроимпедансных методов. Разработка компьютерной системы многоканальной электроимпедансной кардиографии основана на методологии теории биотехнических систем. Для решения поставленных задач использовался математический аппарат цифровой обработки сигналов, методы безусловной оптимизации, теория распределения электрического поля в проводящих биосредах. Моделирование электроимпедансных сигналов проводилось методом конечных элементов, реализованным в среде ЛК8У8. Экспериментальные исследования проводились с использованием программно-аппаратного комплекса РЕО-32, разработанного на факультете биомедицинской техники МГТУ им. Н.Э. Баумана, обладающего необходимой чувствительностью и временным разрешением. УЗИ, КТ и МРТ исследования сердца проводились в Медико-технологическом центре университета, в Научном центре сердечнососудистой хирургии им. А.Н. Бакулева и ГКБ №1 им. Н.И. Пирогова под патронажем медицинских специалистов.

Степень достоверности и апробация работы. Представленные в диссертационной работе результаты подтверждаются численными и физическими экспериментами, соответствием результатов экспериментов известным научным данным и результатам, полученным в работах других авторов. Верификация

результатов производилась их сравнением с традиционными методами диагностики параметров деятельности сердца - МРТ, КТ и УЗИ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: «1th Russian German Conference on Biomedical Engineering 2013 (9th Russian-Bavarian Conference)» (Germany, Hanover, 2013); «10th Russian German Conference on Biomedical Engineering 2014» (Russia, St. Petersburg, 2014); «11th Russian German Conference on Biomedical Engineering 2015» (Germany, Aachen, 2015); «12th Russian German Conference on Biomedical Engineering 2016» (Russia, Suzdal 2016); «2018 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT 2018)» (Россия, Екатеринбург, 2018); «2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT 2019)» (Россия, Екатеринбург, 2019); «2020 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT 2020)» (Россия, Екатеринбург, 2020); «2021 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT 2021)» (Россия, Екатеринбург, 2021);

Грантовая поддержка. Исследования были выполнены при поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-29-02042 «Исследования и разработка технологии динамической визуализации деятельности сердца на основе многоканальных измерений электрического импеданса и ЭКГ».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные положения диссертации соответствуют паспорту специальности 2.2.12 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения. Результаты проведенного исследования соответствуют области исследования, специальности, конкретно пунктам 1,2 паспорта специальности «Приборы, системы и изделия медицинского назначения».

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 11 научных изданиях, 6 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus , 4 — в тезисах докладов международных и отечественных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения.

Полный объём диссертации составляет 101 страницу, включая 61 рисунок и 15 таблиц. Список литературы содержит 86 наименований.

Глава 1. Предпосылки к разработке компьютерной системы многоканальной системы электроимпедансной кардиографии

Всемирная Организация Здравоохранения прогнозировала на 2020-2021 смертность от сердечно-сосудистых заболеваний на уровне 25 млн. человек в год. Однако на самом деле статистика оказалась гораздо хуже, что обусловлено высокой смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний, при осложнениях на фоне СОУГО-19. Как показывают исследования у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями и новой коронавирусной инфекцией риск смерти в 4 раза выше [1].

При этом среди сердечно-сосудистых заболеваний выделяются ишемиче-ская болезнь, смертность от которой составляет 32% от общей смертности от ССЗ, и инфаркт миокарда - 18%.

Как показывают статистические исследования [2], смертность от ишемиче-ской болезни сердца в России на 2017 составила свыше 500 человек на 100 тыс. населения, что почти в 4 раза превышает смертность в странах Западной Европы (Рисунок 1.1) [2].

Rate per 100,000

under 135 135-187 187-250 250 - 500 over 500

Рисунок 1.1.

Статистика смертности от ишемической болезни сердца на 100 тыс. населения [2].

По инфаркту миокарда смертность в России так же превышает смертность в Западной Европе более чем в 4 раза и достигает 300 на 100 тыс. населения (Рисунок 1.2).

Ра1е рег 100,000

under 70 70-104 104-173 | 173-295 ■ отег 295

Рисунок 1.2.

Статистика смертности от инфаркта миокарда на 100 тыс. населения [2]

В основе предотвращения высокой смертности, повышения качества и эффективности лечения сердечно-сосудистых заболеваний лежит ранняя диагностика [3—5]. Диагностика и выявление сердечно-сосудистых заболеваний на ранней стадии начинается со скрининга методом электрокардиографии. При выявлении отклонений от нормы на электрокардиограмме или при наличии симптомов характерных для ССЗ, проводится дальнейшая диагностика, которая включает оценку насосной функции сердца и его гемодинамических характеристик. Для этого применяются ультразвуковые методы исследования сердца, а также томографические методы, в том числе исследование сердца методами магнитно-резонансной томографии или компьютерной томографии [6].

Все эти методы дают различную информацию о работе сердца. Электрокардиография отражает электрическую активность сердца, позволяя оценивать проводящую систему сердца и ионные процессы происходящие в сердце [7]. Ультразвуковые и томографические методы дают представление о внутреннем строении, размерах сердца, позволяют увидеть работу сердца в динамике, оценить сократительную функцию миокарда, в том числе оценить гемодинами-ческие параметры деятельности сердца.

В ходе диагностики, лечения и реабилитации после сердечно-сосудистых заболеваний возникает потребность периодической оценки состояния сердечнососудистой системы или мониторинг её параметров. Периодический контроль ультразвуковыми и томографическими методами на коротком промежутке времени хотя и возможен, но является дорогостоящим, а в случае с компьютерной

томографией является вредной лучевой нагрузкой. Оценка гемодинамических параметров работы сердца возможна при использовании ряда инструментальных методов мониторинга гемодинамики сердца, в том числе инвазивных, малоин-вазивных и неинвазивных.

1.1 Инструментальные методы мониторинга гемодинамических параметров

деятельности сердца

Измерение УО имеет большое значение при оценке эффективности лечения гемодинамической нестабильности, а также влияет на принятие клинических решений [8—10]. Контроль сердечного выброса у пациентов, перенесших серьезные операционные вмешательства, может снизить частоту послеоперационных осложнений, а также уменьшить продолжительность пребывания в стационаре [11]. Золотым стандартом мониторинга УО является метод термоди-люции при катетеризации легочной артерии, он же катетер Сван-Ганца [12—14], разработанный еще в 1970-х годах. Несмотря на то, что метод разработан около 50 лет назад, его развитие не прекращается до сих пор, предпринимаются попытки автоматизации процедуры установки катетера, что должно снизить процент осложнений, вызванный человеческим фактором, при проведении катетеризации легочной артерии [15].

Несмотря на широкое использование катетеризации легочной артерии, в научной среде вопрос о показаниях к применению остается открытым [16]. По некоторым исследованиям использование катетеризации легочной артерии может вызвать увеличение продолжительности пребывания в больнице и не нести заметной долгосрочной пользы [17]. А в случае застойной сердечной недостаточности катетеризация легочной артерии может быть связана с повышением смертности у пациентов [18—20].

Так как современная медицина направлена на минимизацию инвазивности при исследованиях, разработаны различные инструментальные методы малоин-вазивной и неинвазивной оценки УО, как альтернатива методу термодилюции, а развитие и модификация этих методов продолжаются и сегодня [11; 21—24].

В обзорных исследованиях среди инвазивных и малоинвазивных выделяют следующие методы:

- метод термодилюции;

- метод анализа контура пульсовой волны;

- метод Фика.

Среди неинвазивных методов мониторинга параметров гемодинамики выделяются:

- метод анализа контура пульсовой волны (неинвазивный);

- ультразвуковые методы;

- электроимпедансные методы.

Метод термодилюции основан на дилюции холодового индикатора на принципе Стюарта-Гамильтона [25—28].

При термодиллюции оценивается изменение концентрации вводимого индикатора. В общем виде для дилюционных методов верно соотношение [29]:

где Р - сердечный выброс, К - константа дилюции характерная для индикатора, V - объем вводимого индикатора, Св - исходная концентрация индикатора в крови, С/ - исходная концентрация индикатора в приготовленном растворе, вводимого в кровоток, / АС- площадь под кривой дилюции индикатора.

Использование термоиндикатора обладает рядом достоинств, так как не происходит накопление индикатора в кровотоке, не является токсичным и не вызывает аллергических реакций организма. При использовании термоиндикатора соотношение (1.1) приобретает вид:

где Р - сердечный выброс (л/мин), К - термодилюционная константа расчета, Тв - температура крови, Т/ - температура индикатора, / АС- площадь под кривой дилюции индикатора(кривая изменения температуры). При введении термоиндикатора в центральный кровоток и измерении температуры крови

1.1.1 Метод термодилюции

(1.1)

(1.2)

дистальнее места введения, по полученным данным строится термодилюцион-ная кривая (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Термодилюционная кривая

В качестве термоиндикатора может использоваться значительно охлажденный изотонитечкий раствор (0.9 % №0 или 5% глюкоза) в объеме 5-20 мл для взрослого человека. Он вводится через венозный порт катетера Сван-Ганца, как правило, автоматически для поддержания равномерности введения индикатора.

Для обеспечения непрерывного измерения сердечного выброса, изменение температуры крови может производится не термоиндикатором, а катетером Свана-Ганца с термофиламентом в виде спиралевидного нагревательного элемента.

Метод термодиллюции с использованием катетеризации легочной артерии считается «золотым стандартом», но из-за неотъемлемого риска, связанного с его использованием, описанного в разделе 1.1, исследователи идут по пути разработки минимально инвазивных и неинвазивных мониторов сердечного выброса.

1.1.2 Метод анализа контура пульсовой волны

Метод анализа контура пульсовой волны является косвенным методом оценки сердечного выброса [30] по данным пульсации давления. Большинство реализаций данного метода в той или иной степени основано на модели Виндкесселя, описанной Отто Франком [31]. Она связывает артериальное давление или перепад давления с изменением потока или объема. В 1993 году Весселинг К. развил модель Виндкесселя. Для оценки ударного объема Уг (мл)

использовалась площадь под систолической частью волны артериального давления Яист (Рисунок 1.4) поделенная на сопротивление артериального русла ^арт (Па • сек/см3) (1.3):

Vz — 5'сист/

арт

(1.3)

Систолическое

Время

Рисунок 1.4.

Волна артериального пульса, систолическая часть выделена серым

Для корректировки полученного значения УО Vcz(мл) использовалось среднее артериальное давление Рсред (мм рт. ст.), ЧСС (уд/мин), возраст (в годах) (1.4):

VCz — Vz • (0.66 + 0.005ЧСС - 0.01 • ВОЗРАСТ(0.014Рсред - 0.8)) (1.4)

Для определения сердечного выброса (СВ) (1.5) ударный объем Vcz домножает-ся на ЧСС и дополнительный калибровочный коэффициент к — СВ/СВтермодил, который определяется как минимум один раз для каждого пациента путем сравнения сердечного выброса по методу анализа пульсовой волны с оценкой сердечного выброса по методу термодилюции СВтермодил (л/мин):

СВ — к • ЧСС • VCz (1.5)

Данный метод был реализован в нескольких системах мониторинга сердечного выброса [29; 30].

Компания LiDCO использует несколько вариантов мониторов сердечного выброса. Система LiDCO PLUS относится к минимально инвазивным и может

быть откалибровано методом дилюции лития, а система LiDCO Rapid заявлена как неинвазивная система, и значения сердечного выброса масштабируются c использованием номограммы с учетом возраста, роста и веса пациента. Кривая давления при этом получается с пальцев руки неинвазивным датчиком по CNAP технологии или инвазивным методом c помощью катетера в лучевой артерии (LiDCO PLUS) (Рисунок 1.5).

Рисунок 1.5.

Расположение датчиков инвазивного (справа) и неинвазивного (слева) измерения

давления в системах LiDCO

Система PiCCO была разработана System Pulsion и на сегодняшний день выпускается Getinge, как PulsioFlex Monitor. Данный монитор параметров гемодинамики также основан на алгоритмах анализа контура пульса [32] и требует калибровки перед использованием. Для калибровки используется метод транс-пульмональной термодилюции.

Компания Edwards, как и LiDCO, выпускает систему FloTrack позволяющую мониторировать гемодинамические параметры деятельности сердца как инвазивно, используя доступ к артериальной линии, так и неинвазивно, регистрируя давление датчиком на пальцах Acumen IQ cuff.

Система PPWA от Deltex Medical также основана на методе анализа формы пульсовой кривой, но в отличие от аналогов она калибруется с использованием неинвазивного метода чрезпищеводного допплеровского сканирования [33; 34].

Несмотря на широкое растространиение малоинвазивных и неинвазивных систем на основе метода анализа пульсовой волны, в обзорной работе [11] указывается на проблемы с точностью и воспроизводимостью при их использовании. А катетеризация легочной артерии указывается как стандарт сбора гемодина-мических данных.

1.1.3 Метод Фика

В 1870 году Адольфом Фиком был предложен метод для измерения СВ у людей [35]. Сердечный выброс определяется, как отношение потребление кислорода У02(мл/мин) к разнице между концентрациями кислорода в артериальной 5а02(мл/л) и венозной крови Sv02(мл/л) (1.6).

СВ = VÖ2/(SaÖ2 - SvÖ2) (1.6)

Несмотря на то, что метод является довольно точным, его клиническое применение ограничено, что связано с достаточно низким временным разрешением, как правило, свыше 5 минут. К тому же для данного метода необходимо стабильное гемодинамическое и респираторное состояние пациента, что противоречит области применения гемодинамического мониторинга - нестабильные гемодинамические состояния.

Клиническое применение метод Фика, а точнее его модификация, нашел в системе NICO (Рисунок 1.6) производства Novametrix Medical Systems [36]. Модифицированный метод оценивает производство диоксида углерода С02 вместо потребления кислорода 02 и применяется у интубированных пациентов находящихся на аппарате искусственной вентиляции легких. Монитор NICO состоит из дыхательной петли, которая присоединяется к контуру аппарата ИВЛ и обеспечивает состояние частичного повторного дыхания.

Рисунок 1.6.

Система мониторинга гемодинамических параметров сердца Nico Novametrix

Каждые три минуты присоединенный контур производит переключение в состояние замкнутого дыхательного контура, что приводит к повышению концентрации С02 в выдыхаемом воздухе. Сердечный выброс рассчитывается исходя из разницы изменения концентрации С02 при нормальном дыхании

и при дыхании в замкнутом контуре. К ограничениям данной системы можно отнести необходимость интубации, а метод считать малоинвазивным, а также искусственная вентиляция должна проводиться с фиксированными настройками, что потенциально проблематично с развитием современных адаптивных режимов искусственной вентилляции легких.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихомиров Алексей Николаевич, 2021 год

Список литературы

1. Mortality associated with cardiovascular disease in patients with COVID-19 [Текст] / A. Cordero [и др.] // REC: CardioClinics. 2021. Янв. Т. 56, № 1. С. 30-38.

2. European Cardiovascular Disease Statistics 2017 edition [Текст] : тех. отч. /

E. Wilkins [и др.]. 2017. С. 8-15, 94, 118, 127, 149, 162, 174.

3. Screening for early detection of cardiovascular disease in asymptomatic individuals [Текст] / J. N. Cohn [и др.] // American Heart Journal. 2003. Окт. Т. 146, № 4. С. 679-685.

4. Kannel, W. B. Blood pressure as a cardiovascular risk factor: prevention and treatment [Текст] / W. B. Kannel // JAMA: The Journal of the American Medical Association. 1996. Май. Т. 275, № 20. С. 1571-1576.

5. Primary Prevention of Coronary Heart Disease: Guidance From Framingham [Текст] / S. M. Grundy [и др.] // Circulation. 1998. Май. Т. 97, № 18. С. 1876-1887.

6. Salerno, M. Advances in cardiovascular MRI for diagnostics: applications in coronary artery disease and cardiomyopathies [Текст] / M. Salerno, C. M. Kramer // Expert Opinion on Medical Diagnostics. 2009. Нояб. Т. 3, № 6. С. 673-687.

7. Дощицин, В. Руководство по практической элеткрокардиографии [Текст] / В. Дощицин. МОсква : МЕДпресс-информ, 2013. С. 416.

8. Lieshout, J. J. van. Continuous cardiac output by pulse contour analysis? [Текст] / J. J. van Lieshout, K. H. Wesseling. 04.2001.

9. Michard, F. Changes in arterial pressure during mechanical ventilation [Текст] /

F. Michard, M. F. 2005.

10. Marik, P. E. Hemodynamic parameters to guide fluid therapy [Текст] / P. E. Marik, X. Monnet, J. L. Teboul. 03.2011.

11. Dries, D. Cardiac output monitors: Old and new [Текст] / D. Dries. 09.2013.

12. Swan, H. /.Hemodynamic monitoring: a personal and historical perspective [Текст] / H. J. Swan, W. Ganz // Canadian Medical Association Journal. 1979. Т. 121, №7. С. 868-871.

13. Swan, H. J. C. The pulmonary artery catheter [Текст] / H. J. C. Swan // Disease-a-Month. 1991. Т. 37, № 8. С. 478-508.

14. Thakkar, A. B. Swan, Ganz, and Their Catheter: Its evolution over the past half century [Текст] / A. B. Thakkar, S. P. Desai // Annals of Internal Medicine. 2018. Нояб. Т. 169, № 9. С. 636-642.

15. Da Xu. Towards Automating the Pulmonary Artery Catheter: a Canine Validation Study [Текст] / Da Xu, N. B. Olivier, R. Mukkamala // 2007 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, 08.2007. С. 994-997.

16. Assessment of the clinical effectiveness of pulmonary artery catheters in management of patients in intensive care (PAC-Man): A randomised controlled trial [Текст] / S. Harvey [и др.] // Lancet. 2005. Авг. Т. 366, № 9484. С. 472-477.

17. Fluid resuscitation in septic shock: A positive fluid balance and elevated central venous pressure are associated with increased mortality [Текст] / J. H. Boyd [и др.] // Critical Care Medicine. 2011. Т. 39, № 2. С. 259-265.

18. Early Goal-Directed Therapy in the Treatment of Severe Sepsis and Septic Shock [Текст] / E. Rivers [и др.] // New England Journal of Medicine. 2001. Нояб. Т. 345, № 19. С. 1368-1377.

19. The effectiveness of right heart catheterization in the initial care of critically ill patients [Текст] / A. F. Connors [и др.] // Journal of the American Medical Association. 1996. Сент. Т. 276, № 11. С. 889-897.

20. A Trial of Goal-Oriented Hemodynamic Therapy in Critically Ill Patients [Текст] / L. Gattinoni [и др.] // New England Journal of Medicine. 1995. Авг. Т. 333, № 16. С. 1025-1032.

21. Comparison of Cardiac Output Measurement by Noninvasive Method with Electrical Cardiometry and Invasive Method with Thermodilution Technique in Patients Undergoing Coronary Artery Bypass Grafting [Текст] / R. S. Rajput [и др.] // World Journal of Cardiovascular Surgery. 2014. Т. 04, № 07. С. 123-130.

22. Nguyen, L. S. Non-invasive monitoring of cardiac output in critical care medicine [Текст] / L. S. Nguyen, P. Squara // Frontiers in Medicine. 2017. Т. 4, NOV. С. 1-8.

23. Cardiac Output Monitoring: Technology and Choice [Текст] / J. Kobe [и др.] // Annals of Cardiac Anaesthesia. 2019. Т. 22, № 1. С. 6-17.

24. Mehta, Y. Newer methods of cardiac output monitoring [Текст] / Y. Mehta // World Journal of Cardiology. 2014. Т. 6, № 9. С. 1022.

25. Sherman, H. On the theory of indicator-dilution methods under varying blood-flow conditions [Текст] / H. Sherman // The Bulletin of Mathematical Biophysics. 1960. Дек. Т. 22, № 4. С. 417-424.

26. Meier, P. On the theory of the indicator-dilution method for measurement of blood flow and volume [Текст] / P. Meier, K. L. Zierler // J Appl Physiol6. 1954. С. 731-744.

27. Studies on the circulation: IV. Further analysis of the injection method, and of changes in hemodynamics under physiological and pathological conditions [Текст] / W. F. Hamilton [и др.] // American Journal of Physiology-Legacy Content. 1932. Февр. Т. 99, № 3. С. 534-551.

28. Stephenson, J. L. Theory of the measurement of blood flow by the dilution of an indicator [Текст] / J. L. Stephenson // The bulletin of mathematical biophysics. 1948. Т. 10, №3. С. 117-121.

29. Кузьков, В. Инвазивный мониторинг гемодинамики в интенсивной терации и анестезиологии [Текст] / В. Кузьков, К. М.Ю. Архонгельск : Северный государственный медицинский университет, 2008. С. 244.

30. Jansen, J. R. C. Cardiac Output by Thermodilution and Arterial Pulse Contour Techniques [Текст] / J. R. C. Jansen, P. C. M. van den Berg //. Springer, Berlin, Heidelberg, 2005. С. 135-152.

31. Sagawa, K. Translation of Otto frank's paper "Die Grundform des arteriellen Pulses" zeitschrift fur biologie 37: 483-526 (1899) [Текст] / K. Sagawa // Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 1990. Март. Т. 22, № 3. С. 253-254.

32. Perioperative goal-directed hemodynamic therapy based on radial arterial pulse pressure variation and continuous cardiac index trending reduces postoperative complications after major abdominal surgery: a multi-center, prospective, randomized study [Текст] / C. Salzwedel [и др.] // Critical Care. 2013. Т. 17, №5. R191.

33. Estimating cardiac output from arterial blood pressurewaveforms: a critical evaluation using the MIMIC II database [Текст] / J. Sun [и др.] // Computers in Cardiology, 2005. IEEE, 2005. С. 295-298.

34. Cardiac output estimation using pulse wave analysis-physiology, algorithms, and technologies: a narrative review [Текст] / B. Saugel [и др.] // British Journal of Anaesthesia. 2021. Янв. Т. 126, № 1. С. 67-76.

35. Fick, A. Uber die Messung des Blutquantums in den Herzventrikeln [Текст] / A. Fick // Seitung der Physikalisches und Medicinisches Gesellschaft zu Wurzburg. 1870. Т. 2. С. 290-291.

36. Correlation of cardiac output measured by non-invasive continuous cardiac output monitoring (NICOM) and thermodilution in patients undergoing offpump coronary artery bypass surgery [Текст] / H. Cheung [и др.] // Journal of Anesthesia. 2015. Июнь. Т. 29, № 3. С. 416-420.

37. Abbas, S. M. Systematic review of the literature for the use of oesophageal Doppler monitor for fluid replacement in major abdominal surgery [Текст] / S. M. Abbas, A. G. Hill // Anaesthesia. 2007. Дек. Т. 63, № 1. С. 44-51.

38. Systematic review of the clinical effectiveness and cost-effectiveness of oesophageal Doppler monitoring in critically ill and high-risk surgical patients. [Текст] / G. Mowatt [и др.] // Health Technology Assessment. 2009. Янв. Т. 13, №7.

39. Improving Perioperative Outcomes: Fluid Optimization with the Esophageal Doppler Monitor, a Metaanalysis and Review [Текст] / T. D. Phan [и др.] // Journal of the American College of Surgeons. 2008. Дек. Т. 207, № 6. С. 935-941.

40. Doppler-guided intra-operative fluid management during major abdominal surgery: systematic review and meta-analysis [Текст] / S. R. Walsh [и др.] // International Journal of Clinical Practice. 2007. Нояб. Т. 62, № 3. С. 466-470.

41. Сравнение результатов измерения сердечного выброса шестью различными методами до и после экстракорпорального кровообращения [Текст] /

A. В. Ветчинкин [и др.] // Анестезиология и реаниматология. 2007. Т. 5. С. 63-66.

42. Малоинвазивные способы определения сердечного выброса [Текст] /

B. В. Субботин [и др.] // Анестезиология и реаниматология2. 2007. Т. 5.

C. 61-63.

43. Van Den Oever, H. L. A. USCOM (Ultrasonic Cardiac Output Monitors) Lacks Agreement with Thermodilution Cardiac Output and Transoesophageal Echocardiography Valve Measurements [Текст] / H. L. A. Van Den Oever, E. J. Murphy, G. A. Christie-Taylor // Anaesthesia and Intensive Care. 2007. Дек. Т. 35, № 6. С. 903-910.

44. Старшов, А. Реография для профессионалов [Текст] / А. Старшов, И. Смирнов. Москва : "Познавательная книга пресс", 2003. С. 80.

45. Grimnes, S. Bioimpedance and Bioelectricity basics [Текст] / S. Grimnes, O. G. Martinsen. Elsevier, 2008. С. 471.

46. Sramek, B. Cardiac output by electrical impedance [Текст] / B. Sramek // Medical electronics. 1982. Т. 13 2. С. 93-7.

47. Thomas, S. H. Impedance cardiography using the Sramek-Bernstein method: accuracy and variability at rest and during exercise. [Текст] / S. H. Thomas // British journal of clinical pharmacology. 1992. Дек. Т. 34, № 6. С. 467-76.

48. Цветков, А. Биоимпедансные методы контроля системной гемодинамики [Текст] / А. Цветков. Москва : Издательство фирма "Слово", 2010. С. 330.

49. Стрелков, В. Метод прекардиальной импедансной реокардиографиии [Текст] : дис. ... канд. / Стрелков В.Б. 2004. С. 151.

50. Accuracy of impedance cardiography for evaluating trends in cardiac output: a comparison with oesophageal Doppler [Текст] / E. Lorne [и др.] // British Journal of Anaesthesia. 2014. Окт. Т. 113, № 4. С. 596-602.

51. Noninvasive Assessment of Cardiac Index in Healthy Volunteers: A Comparison Between Thoracic Impedance Cardiography and Doppler Echocardiography [Текст] / J.-L. Fellahi [и др.] // Anesthesia & Analgesia. 2009. Май. Т. 108, № 5. С. 1553-1559.

52. Comparison of cardiac output derived from FloTrac™/Vigileo™ and impedance cardiography during major abdominal surgery [Текст] / J.-Y. Kim [и др.] // Journal of International Medical Research. 2013. Авг. Т. 41, № 4. С. 1342-1349.

53. Impedance plethysmography as an alternative method for the diagnosis of peripheral arterial disease [Текст] / E. Masanauskiene [и др.] // Medicina. 2014. Т. 50, № 6. С. 334-339.

54. Whole-body electrical bio-impendance is accurate in non invasive determination of cardiac output: a thermodilution controlled, prospective, double blind evaluation [Текст] / G. Torre-Amione [и др.] // Journal of Cardiac Failure. 2004. Авг. Т. 10, № 4. S38-S39.

55. Accurate, Noninvasive Continuous Monitoring of Cardiac Output by Whole-Body Electrical Bioimpedance [Текст] / G. Cotter [и др.] // Chest. 2004. Апр. Т. 125, №4. С. 1431-1440.

56. Impedance Cardiography for Cardiac Output Estimation Reliability of Wrist-to-Ankle Electrode Configuration [Текст] / O. L. Paredes [и др.] // Circulation Journal. 2006. Т. 70, № 9. С. 1164-1168.

57. Non-invasive measurement of cardiac output by whole-body bio-impedance during dobutamine stress echocardiography: Clinical implications in patients with left ventricular dysfunction and ischaemia [Текст] / M. Leitman [и др.] // European Journal of Heart Failure. 2006. Март. Т. 8, № 2. С. 136-140.

58. Impedance cardiography revisited [Текст] / G. Cotter [и др.] // Physiological Measurement. 2006. Сент. Т. 27, № 9. С. 817-827.

59. Comparison of monitoring performance of Bioreactance vs. pulse contour during lung recruitment maneuvers [Текст] / P. Squara [и др.] // Critical Care. 2009. Т. 13, № 4. R125.

60. Brown, B. H. Electrical impedance tomography (EIT): A review [Текст] / B. H. Brown // Journal of Medical Engineering and Technology. 2003. Май. Т. 27, № 3. С. 97-108.

61. Influence of background lung tissue conductivity on the cardiosynchronous EIT signal components: A sensitivity study [Текст] / M. Kircher [и др.] // Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. 2019. Т. m. С. 1547-1550.

62. Braun, F. Influence of heart motion on cardiac output estimation by means of electrical impedance tomography : a case study [Текст] / F. Braun, M. Rapin. 2015.

63. Measurement of lung function using Electrical Impedance Tomography (EIT) during mechanical ventilation [Текст] / S. Nebuya [и др.] // Journal of Physics: Conference Series. 2010. Т. 224, № 1.

64. A review of electrical impedance tomography in lung applications: Theory and algorithms for absolute images [Текст] / T. d. C. Martins [и др.] // Annual Reviews in Control. 2019. Т. 48. С. 442-471.

65. A High Frame Rate Wearable EIT System Using Active Electrode ASICs for Lung Respiration and Heart Rate Monitoring [Текст] / Y. Wu [и др.]. 2018.

66. Rymarczyk, T. Inverse Problem Solution for Model with Lungs and Heart in EIT [Текст] / T. Rymarczyk, K. Kania // 2019 Applications of Electromagnetics in Modern Engineering and Medicine (PTZE). 2019. С. 180-183.

67. Proenca, M. Non-Invasive Hemodynamic Monitoring by Electrical Impedance Tomography PAR [Текст] / M. Proenca. 2017.

68. Validation study of stroke volume measurement by means of Electrical Impedance Tomography [Текст] / A. Janse [и др.] // Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings. Т. 2. IEEE, 1996. С. 772-773.

69. Determination of stroke volume by means of electrical impedance tomography [Текст] / A. Vonk-noordegraaf [и др.] // Physiological measurement. 2000. Т. 21, № 2. С. 285-293.

70. Kriz, T. Practical application of electrical impedance tomography and electrical resistive tomography [Текст] / T. Kriz, Z. Roubal // 2016 Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS 2016 - Proceedings. Institute of Electrical, Electronics Engineers Inc., 11.2016. С. 1499-1503.

71. Babaeizadeh, S. 3-D electrical impedance tomography for piecewise constant domains with known internal boundaries [Текст] / S. Babaeizadeh, D. H. Brooks, D. Isaacson // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2007. Янв. Т. 54, № 1. С. 2-10.

72. Fast High-Precision Electrical Impedance Tomography System for Real-Time Perfusion Imaging [Текст] / W. Li [и др.] // IEEE Access. 2019. Т. 7. С. 61570-61580.

73. Тимохин, Д. П. Разработка биотехнической системы многоканального электроимпедансного картирования биомеханической деятельности сердца [Текст] : дис. ... канд. / Тимохин Дмитрий Павлович. Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, 2012. С. 144.

74. Тихонов, А. Уравнения математической физики [Текст] / А. Тихонов, А. Самарский. Москва : Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ), 2000. С. 735.

75. Жданов, М. Электроразведка [Текст] / М. Жданов. Москва : Недра, 1986. С. 316.

76. Хасанов, Д. Введение В Электроразведку [Текст] / Д. Хасанов. Казань : Казанский Государственный Университет, 2009. С. 75.

77. Hill, D. W. The effect of haematocrit on the resistivity of human blood at 37°C and 100 kHz [Текст] / D. W. Hill, F. D. Thompson // Medical & Biological Engineering. 1975. Т. 13, № 2. С. 182-186.

78. IT'IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues [Текст] / P. Hasgall [и др.]. 2018.

79. Rush, S. Resistivity of body tissues at low frequencies. [Текст] / S. Rush, J. A. Abildskov, McFeer // Circulation research. 1963. Т. 12. С. 40-50.

80. Tikhomirov, A. Finite elements analysis used to verify two layer mathematical model with spherical immersion [Текст] / A. Tikhomirov, S. I. Shchukin, I. Sergeev // Russian-German Conference on Biomedical Engineering. 2015.

81. Использование конечно-элементного анализа для верификации сферической математической модели импедансных измерений [Текст] / А. Тихомиров [и др.] // Биомедицинская Радиоэлектроника. 2015. Т. 7. С. 9-14.

82. Малов, Ю. О симметрии работы сердца человека [Текст] / Ю. Малов, А. Марин // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2016. Т. 2(54). С. 87-92.

83. Ткаченко, Б. Основы физиологии человека [Текст] / Б. Ткаченко. Санкт-Петербург : Международный фонд истории науки, 1994. С. 557.

84. Судаков, К. Физиология. Основы и функциональные системы [Текст] / К. Судаков. Москва : Медицина, 2000. С. 784.

85. Cineangiocardiographic recordings of the cyclic changes in volume of the left ventricle [Текст] / P. Gribbe [и др.] // Cardiologia. 1961. Т. 39, № 6. С. 341-362.

86. Малахов, А. И. Биотехническая Система Многоканальных Электроимпе-дансных Исследований Фазовой Структуры Деятельности Сердца [Текст] : дис. ... канд. / Малахов Артем Игоревич. Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, 2016. С. 123.