NL1001979C1

NL1001979C1 - Inrichting voor het bepalen van een karakteristiek punt in de hartcy- clus.

Info

Publication number: NL1001979C1
Application number: NL1001979A
Authority: NL
Inventors: Sebastiaan Adrianus Al Hoeksel; Johannes Jacobus Schreuder; Josef Reinier Cornelus Jansen
Original assignee: Cardiovasculair Research Insti
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-06-24
Also published as: US6258035B1; JP3758190B2; AU1153797A; EP0976078A1; JP2000513242A; WO1997024690A1

Description

inrichting voor het bepalen van een karakteristiek punt in de hartcyclus.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van een kaïwkteristiek punt in de hartcyclus.

Een dergelijke inrichting kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor het aansturen 5 van een intra-aortale ballonpomp (IABP).

Een IABP bevat onder andere een intra-aortale ballon (IAB) die bijvoorbeeld in de aorta van een patiënt met slecht functionerend hart kan worden ingébracht en een pompinrichting.

De IAB wordt elke hartcyclus na afloop van een ejectiefase van 10 het linkerventrikel van het hart met behulp van de pompinrichting opgeblazen en voor de aan vang van de daarop volgende ejectiefase weer geleegd.

Op deze manier wordt de pompwerking van het hart verbeterd en treedt er een verbetering op van de bloedvoorziening van de kransslagader.

Voor een goede werking van de IABP is het van groot belang dat 15 de IAB op de juiste tijdstippen in de hartcyclus wordt opgeblazen en geleegd. Vooral het juist kiezen van het tijdstip waarop de IAB wordt opgeblazen is van zeer groot belang.

Indien de IAB te vroeg wordt opgeblazen wordt de pompwerking van het hart in mindere mate versterkt of kan de pompwerking zelfs negatief 20 worden beïnvloed, omdat de te vroeg opgeblazen IAB tijdens de dan nog optredende ejectie van het linkerventrikel als een stroomingsweerstand in de aorta fungeert.

Indien het tijdstip te laat wordt gekozen is de werking van de IABP ook minder effectief. Er wordt dan een minder groot bloedvolume door 25 de IAB verpompt en de kransslagader en het vaatbed ondervinden slechts gedurende een kort tijdsinterval een hoge perfusiedruk.

1001979 2

De tijdstippen voor het opblazen en legen van de IAB kunnen door een ervaren persoon handmatig worden ingesteld op vaste tijdstippen in de hartcyclus aan de hand van het elektrocardiogram (ECG) van het hart. Een nadeel daarvan is dat bij een geleidelijke versnelling of 5 vertraging van de hartcyclus de ingestelde tijdstippen steeds meer af gaan wijken van de gewenste tijdstippen en daarom telkens opnieuw moeten worden ingesteld. Verder is het onmogelijk om rekening te houden met een onregelmatige hartcyclus en vindt met name de instelling van het tijdstip waarop de IAB wordt opgeblazen niet nauwkeurig genoeg plaats.

10 Het einde van de ejectiefase en het daarbij behorende sluiten van de aortaklep wordt op zich nauwkeurig aangegeven door het optreden van een dip in het arteriële bloeddruksignaal P(t). Deze dip wordt ook wel incisurapunt genoemd.

Uit US-5,183,051 is een inrichting bekend waarmee wordt 15 getracht het incisurapunt te bepalen door binnen een vooraf afgebakend tijdinterval te zoeken naar de dip in het verloop van het arteriële bloeddruksignaal P(t). Het tijdinterval kan echter onjuist worden afgebakend en verder werkt de inrichting niet bij een gedempt bloeddruksignaal, omdat het incisurapunt daarbij niet gepaard gaat met een duidelijke 20 bloeddrukverandering.

Een verder nadeel van deze inrichting is dat er nog steeds geen rekening gehouden kan worden met een onregelmatige hartcyclus, terwijl patiënten waarbij een IABP wordt toegepast meestal een onregelmatige hartcyclus bezitten. Verder wordt in US-5,183,051 het gebruik van de 25 inrichting om een IABP aan te sturen in zijn geheel niet genoemd.

In IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1990, 37(2), p. 182-192 wordt een inrichting voorgesteld die het incisurapunt in het verloop van het arteriële bloeddruksignaal P(t) detecteert. Het is echter mogelijk dat deze inrichting onregelmatigheden in het verloop van het arteriële bloeddruksignaal 30 interpreteert als het incisurapunt, waardoor de werking van de IABP wordt ontregeld.

1001979 3

Uit US-4,809,681 is een inrichting voor het aansturen van een IABP bekend die uit het ECG het punt bepaald waarop de iAö moet worden geleegd. Het is echter niet mogelijk met behulp van de inrichting het indsurapunt te bepalen.

5 Uit Sakamoto e.a., ASAIO Journal 1995, p. 79-83 is een inrichting bekend die de ligging van het indsurapunt in een hartcyclus voorspelt uit het ECG door de lengte van de ejectiefase te berekenen uit de periodetijd van de voorgaande hartslag. Deze inrichting is nog steeds onnauwkeurig.

10 De uitvinding beoogt een inrichting voor het bepalen van een karakteristiek punt in de hartcyclus te verschaffen die bovengenoemde nadelen niet bezit.

Verrassenderwijs wordt dit bereikt doordat de inrichting volgens de uitvinding middelen omvat om uit het verloop van het arteriële 15 bloeddruksignaal P(t) het verloop van het bloeddebiet D(t) in de aorta te berekenen en uit het verloop van het bloeddebiet D(t) elke hartcyclus het tijdstip (ti) waarop het indsurapunt ligt te bepalen.

Het tijdstip waarop het indsurapunt ligt kan momentaan uit het verloop van D(t) worden bepaald, zodat op het moment dat het 20 indsurapunt in een hartcyclus wordt bereikt door de inrichting precies op het juiste moment (in real time) de IABP kan worden aangestuurd.

Een verder voordeel van de inrichting volgens de uitvinding is dat slechts het verloop van de arteriële bloeddruk behoeft te worden gemeten, wat op eenvoudige wijze kan plaats vinden.

25 De inrichting volgens de uitvinding kan voor vele doeleinden worden gebruikt. Zo kan de inrichting goed worden gebruikt om hartfunctie-ondersteunende apparatuur aan te sturen.

Bij voorkeur wordt de inrichting gebruikt om een IABP aan te sturen. Ook is het mogelijk de inrichting te gebruiken als onderdeel van een monitoring 30 systeem dat de duur van de ejectiefase van een hartslag bepaalt en deze relateert aan de totale periode van de hartslag. Met een dergelijk monitoring systeem kan de hemodynamische toestand van een patiënt worden vervolgd.

1001979 4

Dit kan worden uitgevoerd uitgaande van het arteriéle bloeddruksignaal of van het pulmonale bloeddruksignaal.

6ij voorkeur bevat de inrichting middelen om op het moment dat het incisurapunt wordt bereikt een signaal af te geven. Met behulp van dat signaal 5 kan bijvoorbeeld de IABP in werking worden gesteld om de IAB op te blazen. De middelen die de inrichting volgens de uitvinding omvat om uit het verloop van het arteriéle bloeddruksignaal P(t) het verloop van het bloeddebiet D(t) te berekenen kunnen uit een rekentuig bestaan, bijvoorbeeld een computer, een microprocessor of een digitale rekenmachine. Het rekentuig is daarbij geladen 10 met een rekenprogramma om uit het arteriéle bloeddruksignaal P(t) het bloeddebiet D(t) te berekenen.

Het rekenprogramma kan gebaseerd zijn op een van de aan de vakman bekende modellen om uit het arteriéle bloeddruksignaal P(t) het bloeddebiet D(t) te berekenen.

15 Voorbeelden van dergelijke modellen worden gegeven in IEEE

Transactions on Biomedical Engineering 1985, 32(2), p. 174-176, Am. J. Physiol. 1988, 255 (Heart Circ. Physiol.), H742-H753 en in WO 92/12669.

Zeer goede resultaten worden verkregen als het rekenprogramma is gebaseerd op het Windketelmodel, zoals ook is beschreven in 20 bovengenoemde literatuur. In een geschikte uitvoeringsvorm is het

Windketelmodel gebaseerd op drie elementen, namelijk een karakteristieke ingangsweerstand, Rao, een arteriéle compliance, Cw, en een periphere weerstand, Rp.

De karakteristieke ingangsweerstand, Rao, vertegenwoordigt de 25 stromingsweerstand die door het hart wordt waargenomen. De arteriéle compliance, Cw, vertegenwoordigt het vermogen van de aorta en de slagaders om ten gevolge van elastische uitzetting een bepaald bloedvolume op te slaan. De periphere weerstand, Rp, vertegenwoordigt de weerstand van het vaatbed.

30 De waarden die voor de elementen in het Windketelmodel worden gebruikt zijn bekend uit de literatuur. Geschikte waarden zijn bijvoorbeeld bekend uit Am. J. Physiol. 1988, 255 (Heart Circ. Physiol.), H742-H753.

1 0 0 1 979 5

Zeer goede resultaten worden bereikt indien rekening wordt gehouden met de afhankelijkheid van de elasticiteit van de aorta van de momentane bloeddruk, zoals is beschreven in WO 92/12669.

Een voordeel van het rekenprogramma gebaseerd op het 5 Windketelmodel is dat de waarden voor de elementen in het model die bij de berekening worden gebruikt weliswaar de absolute waarde van het berekende bloeddebiet beïnvloeden, maar dat de ligging van het incisurapunt slechts in zeer geringe mate afhankelijk is van de gebruikte waarden voor de elementen. Het is dus niet nodig om de waarden van de elementen voor eer.

10 bepaalde patiënt zeer goed te kennen om goede resultaten bij de berekening van het incisurapunt te verkrijgen.

Uit het verloop van het aldus berekende bloeddebiet D(t) kan zeer nauwkeurig de ligging van het incisurapunt worden bepaald, terwijl dat uit het verloop van de arteriële bloeddruk P(t) niet goed mogelijk is.

15 Zo is het mogelijk dat het eerste lokale minimum dat optreedt in het verloop van het bloeddebiet D(t) na het begin van de injectiefase van het linkerventrikel wordt bepaald. Dit punt vertegenwoordigt het incisurapunt.

Het minimum in het bloeddebiet D(t) kan volgens een van de daarvoor bekende rekenmethoden worden bepaald. Zo is het mogelijk telkens 20 drie opeenvolgende waarden in het verloop van het bloeddebiet D(t) met elkaar te vergelijken. Indien aan de voorwaarde D(t-dt)>D(t)<D(T+dt) is voldaan is het minimum bereikt op het tijdstip t. Door dt voldoende klein te kiezen kan nagenoeg op het moment dat het minimum wordt bereikt dit daadwerkelijk worden gedetecteerd en kan op dat moment een signaal 25 worden gegenereerd en aan de IABP worden toegevoerd. Bij voorkeur is dt minder dan 0,02 seconde, meer bij voorkeur minder dan 0,01 seconde en nog meer bij voorkeur minder dan 0,005 seconde.

Nog nauwkeuriger resultaten worden verkregen indien aan het optreden van het lokale minimum tevens de voorwaarde wordt verbonden dat 30 op het moment dat het lokale minimum wordt bereikt het bloeddebiet zich onder een bepaalde drempelwaarde Dd bevindt. Hierdoor wordt voorkomen 1001979 6 dat reflecties in het bloeddruksignaal die op kunnen treden tijdens de ejectiefase van het linker hartventrikel als indsurapunt worden gedetecteerd. De drempelwaarde kan bijvoorbeeld gelijk zijn aan 10% van de waarde die het bloeddebiet bezit terwijl het bloeddebiet uit het linkerventrikel haar 5 maximale waarde heeft bereikt. Het rekenprogramma kan zodanig zijn opgesteld dat de drempelwaarde na elke hartcyclus opnieuw wordt berekend. Bij voorkeur wordt de drempelwaarde gelijk aan nul, Dd=0, gekozen . Deze drempelwaarde wordt juist bereikt voordat het indsurapunt optreedt, zodat de kans dat een reflectie ten onrechte als een indsurapunt wordt gedetecteerd 10 zeer klein is.

Om een nauwkeurige berekening te krijgen van D(t) als deze zich op of juist boven de nulwaarde bevindt is het belangrijk de juiste waarde voor Rp te kennen. Deze waarde kan eveneens met gebruik making van het Windketelmodel worden berekend uit Rao en Cw door er vanuit te gaan dat 15 de totale hoeveelheid bloed die in een hartslag of zelfs gezien over een aantal hartslagen het de Windketelcompliantie instroomt er ook weer uitstroomt.

Rao en Cw kunnen op zich goed worden ingeschat voor een patiënt als geslacht en leeftijd bekend zijn.

Het is ook mogelijk dat het indsurapunt wordt bepaald op het tijdstip 20 dat D(t)=0, na het begin van de ejectiefase. Hierdoor wordt bereikt dat aan de IABP reeds een signaal kan worden gegeven, juist voordat de aortakleppen zich sluiten en indien er een traagheid optreedt bij het opblazen van de IAB kan de IAB opgeblazen zijn als de kleppen zich daadwerkelijk sluiten.

Uit het ECG, uit het verloop van het arteriële bloeddruksignaal P(t) of 25 uit een combinatie van beiden kan het begin van de ejectiefase van het linker hartventrikel worden bepaald. De manier waarop dit plaats kan vinden is aan de vakman bekend.

Het tijdstip waarop het begin van de ejectiefase wordt bereikt kan worden doorgegeven aan de inrichting volgens de uitvinding die het tijdstip gebruikt 30 om de inrichting volgens de uitvinding te activeren voor de berekening van een daarop volgend indsurapunt. Verder kan op dat tijdstip aan de IABP een signaal worden toegevoerd om de IAB te legen.

1 0 0 1 97 9 7

Een nog verder verbeterde inrichting volgens de uitvinding wordt verkregen indien de inrichting een filter bevat om hoogfrequente ruis uit het bloeddruksignaal te filteren.

Hierdoor wordt bereikt dat onregelmatigheden in het verloop van het 5 bloeddruksignaal worden uitgefilterd, waardoor de kans dat de inrichting het incisurapunt op een verkeerd tijdstip detecteert nog verder afneemt. Dit is vooral van belang indien de inrichting moet functioneren in een omgeving waar door het veelvuldig optreden van elektromagnetische golven de goede werking van de inrichting kan worden verstoord.

10 Bij voorkeur is de inrichting volgens de uitvinding verbonden met een drukopnemer voor het meten van de arteriële bloeddruk, welke drukopnemer bevestigd is aan de IAB. Op deze manier wordt aan de inrichting een bloeddruksignaal P(t) toegevoerd, dat in de aorta, direct achter het hart wordt gemeten. Hierdoor is de kans dat het bloeddruksignaal onregelmatigheden 15 bevat, die door de inrichting ten onrechte als incisurapunt worden herkend nog verder verkleind. Verder heeft dit als voordeel dat het gemeten druksignaal niet of nauwelijks vertraagt is, maar het actuele stadium van de hartcyclus goed weergeeft.

De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de tekening, 20 zonder zich daartoe te beperken.

Fig. 1 geeft een voorbeeld van het verloop van een gemeten arteriële bloeddruk P(t). Op de verticale as is P(t) uitgezet in millimeters kwikdruk (mmHg) en op de horizontale as is de tijd t uitgezet in seconden (sec).

Fig. 2 toont een schema van een Windketelmodel.

25 Fig. 3 geeft een diagram van een rekenprogramma voor het berekenen van het verloop van het bloeddebiet D(t) uit het verloop van de arteriële bloeddruk P(t), gebaseerd op het Windketelmodel uit Fig. 2.

1001979 8

Fig. 4 geeft het verloop van het bloeddebiet D(t) berekend uit het verloop van de gemeten arteriële bloeddruk P(t) volgens Fig. 1 met het rekenprogramma uit Fig. 3. Op de verticale as is D(t) uitgezet in milliliters per seconde (ml/sec) en op de horizontale as is opnieuw de tijd uitgezet.

5 In Fig. 1 is het tijdstip a in het verloop van de arteriële bloeddruk P(t) het punt waarop een ejectiefase van het linkerventrikel begint. Dit is het tijdstip waarop de IAB moet worden geleegd. Verder kan op dit tijdstip aan de inrichting volgens de uitvinding een signaal worden toegevoerd om een rekencyclus voor het bepalen van het typische punt in α«= hartcyclus op te starten. Het 10 tijdstip a kan worden bepaald uit het ECG, uit het arteriële bloeddruksignaal of uit beiden.

Het tijdstip b is het tijdstip waarop het incisurapunt wordt bereikt en de hartkleppen zich sluiten. Dit is het tijdstip waarop de IAB moet worden opgeblazen. Duidelijk is te zien dat het incisurapunt zich slechts in de vorm 15 van een onscherp lokaal minimum in het verloop van de arteriële bloeddruk P(t) manifesteert.

Op het tijdstip a' eindigt de hartcyclus en begint de ejectiefase van de volgende hartcyclus. Het tijdinterval a-b wordt ook wel aangeduid met systolische fase. Het tijdinterval b-a' wordt ook wel aangeduid met 20 diastolische fase.

In Fig. 2 is een schema gegeven van een eenvoudig Windketelmodel, dat de volgende elementen bevat, een karakteristieke ingangsweerstand, Rao (1), een arteriële compliantie, Cw (2), en een periphere weerstand, Rp (3). Verder worden de aortakleppen gemodelleerd door middel van een ideale 25 diode (4), die sluit nadat in een hartcyclus D(t) negatief wordt.

Fig. 3 geeft een diagram voor een rekenprogramma voor het berekenen van het incisurapunt.

In stap 1, in Fig. 3 aangegeven met (1), wordt het begin van de ejectiefase (punt a) gedetecteerd, bijvoorbeeld uit het ECG. Zolang het begin van de 30 ejectiefase nog niet is gedetecteerd wordt D(t) = 0 verondersteld. Indien het begin van de ejectiefase is gedetecteerd wordt overgegaan naar stap 2 (2).

1001979 9

Tijdens stap 2 wordt uit het gemeten druksignaal P(t) het verloop van het bloeddebiet D(t) berekend, bijvoorbeeld met behulp van de vergelijking: (1 + Rao/Rp).lao + Rao.CwTao = Pao/Rp + Cw.Pao • * (lao en Pao zijn de eerste orde afgeleiden naar de tijd van lao en Pao) 5 Zodra D(t) < 0 gaat het programma zoeken naar het eerste lokale minimum in het D(t), bijvoorbeeld door het telkens vergelijkeii van een reeks van ten minste drie opeenvolgende punten in het verloop van D(t).

Als het eerste lokale minimum, het incisurapunt, is bereikt wordt een signaal naar de IABP afgegeven en begint stap 1 (1) opnieuw.

10 Uit het verloop van het bloeddebiet in Fig. 4, berekend uit het verloop van de arteriële bloeddruk volgens Fig. 1, met behulp van het rekenprogramma uit Fig. 3, is het incisurapunt duidelijk waarneembaar als een scherp lokaal minimum.

De diode (4) uit Fig. 2 maakt D(t) tijdens de diastole fase gelijk aan nul.

15 1 0 0 1 9 7 9

Claims

1. Inrichting voor het bepalen van een karakteristiek punt in de hartcyclus, met het kenmerk, dat de inrichting middelen omvat om uit het verloop van het arteriéle bloeddruksignaal P(t) het verloop van het bloeddebiet D(t) in de aorta 5 te berekenen en uit het verloop van het bloeddebiet D(t) elke hartcyclus het tijdstip waarop het incisurapunt ligt te bepalen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de middelen worden gevormd door een rekentuig, geladen met een rekenprogramma om uit het 10 verloop van de arteriële bloeddruk P(t) het bloeddebiet D(t) te berekenen.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de inrichting middelen bevat om op het moment dat het incisurapunt wordt bereikt een signaal af te geven.

4. Inrichting volgens een der conclusie 1-3, met het kenmerk dat het 15 incisurapunt wordt bepaald uit het optreden van het eerste lokale minimum in het verloop van het bloeddebiet D(t) na het begin van de ejectiefase.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk dat aan het optreden van het eerste lokale minimum tevens de voorwaarde wordt verbonden dat het bloeddebiet zich onder een drempelwaarde Dd bevindt.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat Dd gelijk is aan 10% van de waarde die het bloeddebiet bezit terwijl het bloeddebiet uit het linkerventrikel haar maximale waarde heeft bereikt.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat Dd=0. '001979

8. Inrichting volgens een der conclusie 1-3, met het kenmerk dat het incisurapunt wordt bepaald op het tijdstip dat na het bedin van de ejectiefase.

9. Inrichting volgens een der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat de 5 inrichting een filter bevat voor het filteren van de hoogfrequente ruis op het arteriële bloeddruksignaal P(t). ^001979