DE69937494T2

DE69937494T2 - Vorrichtung zur überwachung des herzzeitvolumens mittels ultraschall

Info

Publication number: DE69937494T2
Application number: DE1999637494
Authority: DE
Inventors: Robert Coffs Harbour PHILLIPS
Original assignee: Uscom Ltd
Current assignee: Uscom Ltd
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: ES2299249T3; US6565513B1; ATE377380T1; EP1089655B1; DE69937494D1; WO1999066835A1; AUPP431898A0; JP2002518122A; EP1089655A4; EP1089655A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herzüberwachung und legt insbesondere ein Verfahren zur Nutzung eines äußeren Wandlerelementes in der Ultraschall-Herzüberwachung offen.
Hintergrund der Erfindung
Das Verfahren der genauen physiologischen Herzüberwachung ist offensichtlich ein wichtiger Prozess bei akuter Krankheit und Anästhesie. Insbesondere kann die frühzeitige Erkennung von Veränderungen in der Herzfunktion entscheidend für die Reduzierung der Patientenmorbidität und Patientenmortalität sein.
Gegenwärtige Methoden der direkten Herzüberwachung sind kostspielig, technisch schwierig zu betreiben und stellen schwankende Ergebnisse bereit.
Eine Form der Überwachung ist das Verfahren der elektrokardiographischen Überwachung, das die elektrische Herztätigkeit überwacht. Leider stellt dieses Verfahren lediglich indirekte Überwachung der Herzmuskel-Leitfähigkeit und nicht des Blutflusses bereit. Weiterhin wird gegenwärtig ein Ultraschallverfahren der physiologischen Herzüberwachung unter Verwendung von zweidimensionalen transösophagalen echokardiographischen ventrikulären Transsektionen verwendet. Dieses Verfahren ist jedoch invasiv, kostspielig und aufgrund seiner technischen Schwierigkeit und aufgrund dessen, dass jeweils nur sechs von 16 Herzmuskelsegmenten abgebildet werden, ungenau. Bedauerlicherweise schwankt die normale linke ventrikuläre Myokardfunktion transmural, transtemporal und intersegmental, und die zweidimensionale Bewertung der Wandbewegung erfordert Fähigkeiten räumlicher und temporaler Integration, die erst nach einem Programm umfassender und kostspieliger ärztlicher Ausbildung erlangt werden können.
Daher besteht ein allgemeiner Bedarf an einer verbesserten und geeigneteren Form der physiologischen Herzüberwachung.
US 4509526 legt ein Verfahren und ein System zum Messen des Herzzeitvolumens mittels Sensoren offen, die durch einen Bediener bedient werden, um den Aortadurchmesser zu messen und den Fluss in der aufsteigenden Aorta zu messen.
EP 0 311 431 A1 legt ein Verfahren für nichtinvasive fortlaufende Überwachung des Herzzeitvolumens offen.
EP 02 72 607 A2 legt ein Verfahren für Echtzeitmessung der Blutflussgeschwindigkeit offen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Form von physiologischer Herzüberwachung unter Verwendung von Ultraschallverfahren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der physiologischen Herzüberwachung gemäß dem Anspruch 1 bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise die in den Ansprüchen 2 bis 9 definierten Aspekte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ungeachtet anderer Formen, die gegebenenfalls in den Erfindungsbereich der hier vorliegenden Erfindung fallen, werden nunmehr bevorzugte Formen lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 veranschaulicht eine Beispielausgabe einer ventrikulären Insonation.
Die 2 und 3 veranschaulichen verschiedene Merkmale des Herzzeitvolumens von 1.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, wenn dieses zur Überwachung eines Patienten eingesetzt wird.
5 veranschaulicht eine Schnittdarstellung des Wandlerelementes.
6 ist ein Funktionsblockschema des bevorzugten Ausführungsbeispieles; und
7 veranschaulicht eine Beispielform einer Benutzerschnittstelle, die für die Verwendung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel geeignet st.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles und weiterer Ausführungsbeispiele
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine einfache echokardiographische Doppler-Bewertung des Herzblutflusses verwendet, um genaue und reproduzierbare Herzzeitvolumen-Daten bereitzustellen, die wiederum den Einsatz von dauerhaften, kostengünstig herzustellenden und einfach zu bedienenden Geräten ermöglichen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine transaortale und transpulmonale fortlaufende Dopplerwellen-Analyse (CW-Doppleranalyse) als Herzüberwachungsgerät verwendet. Die fortlaufende Dopplerwellen-Analyse ist hinreichend validiert und ein routinemäßiges echokardiographisches Verfahren der Quantifizierung des Herzzeitvolumens mit geringer Inter-Observer-Variabilität und Intra-Observer-Variabilität.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel einer CW-Screengrab-Ausgabe 1 von einem 7777-Gerät zum Messen der Blutgeschwindigkeit im Zeitablauf veranschaulicht. Das CW-Verfahren detektiert die Geschwindigkeit einzelner Blutzellen durch Messen der Frequenzänderung eines reflektierten Ultraschallstrahls und durch Anzeigen derselben als Zeit-Geschwindigkeits-Flussprofil wie in 1 angedeutet.
Geeignet gerichtete Doppler-Einschallung von dem apikalen oder suprasternalen akustischen Fenster stellt ein Zeit-Geschwindigkeits-Profil des transaortalen Flusses bereit, wohingegen Einschallung von dem parasternalen Schallfenster ein transpulmonares Flussprofil ergibt. Dieses Flussprofil ist ein Analogon des Herzzeitvolumens und eine Echtzeitmessung der Herzphysiologie für einen jeden Schlag.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet das Flussprofil, um eine entsprechende Änderungsüberwachung des Flussprofils im Zeitverlauf zu erzeugen. Das Spektralflussprofil kann bildverarbeitet werden, um präzise Konturlinienermittlung bereitzustellen, wobei eine in Echtzeit berechnete ausgelesene transaortale Spitzengeschwindigkeits-Herzfrequenz (VpK HR), bedeutet transvalvulärer Druckgradient (Pmn), ein Zeit-Geschwindigkeits-Integral (tvi) und, mit einem vorgemessenen aortalen (Ao) oder pulmonalen (PA) Arteriendurchmesser von einer 2D-Untersuchung, ein Herzzeitvolumen (CO) oder ein beliebiges anderes Produkt als Analogon des Herzzeitvolumens ermittelt werden kann. Die Messungen (Vpk), tvi und HR werden in 2 veranschaulicht.
Der intrakardiale Fluss durch die Aortenklappe und die Pulmonalklappe müssen bei Nichtvorliegen signifikanter Regurgitation oder transseptalen Flusses (Shunt) gleich sein, und ungeachtet dessen können beide verwendet werden, um Änderungen in dem Herzzeitvolumen widerzuspiegeln, so dass die Auswahl oder die Entscheidung zwischen transpulmonaler oder transaortaler Überwachung alleinig auf der Grundlage der leichten Signalverfügbarkeit getroffen werden kann.
Wenngleich absoluter Fluss unter Verwendung eines Aortenklappendurchmessers oder Pulmonalarteriendurchmessers, der aus einem 2D-Echokardiogramm abgeleitet wurde, ermittelt werden kann, ist dies gegebenenfalls nicht erforderlich, da die Relevanz der physiologischen Überwachung von der Detektion temporaler Veränderungen des Herzzeitvolumens abhängig ist. Daher würde eine Änderung von entweder dem transaortalen oder dem transpulmonalen Grundprofil, insofern keine signifikante Ände rung in dem Einschallungswinkel vorliegt, eine Änderung des Herzzeitvolumens proportional zu der Änderung der Grundparameter (tvi, Pmn, Vpk und CO) u. s. w. darstellen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel können normale Streuungsbereiche für hämodynamische Parameter vorzugsweise von dem Benutzer aus den Referenzzyklen so ausgewählt werden, dass ein Alarm ertönt, wenn Signale über diesen Bereich hinaus gehen. Wie in 3 veranschaulicht wird, kann die Toleranz für die Auslösung eines Alarms für (Vpk) eine abgestufte von dem Benutzer ausgewählte Variable sein, die eingestellt ist, um einzelne Grundvariabilität für jeden Schlag (–15%, –20%, –30% u. s. w.) auszugleichen.
Herzrhythmusstörungen stehen in Zusammenhang mit Herzerkrankungen und können große Variabilität der hämodynamischen Parameter für jeden Schlag erzeugen, wodurch automatisierte Einzelzyklus-Signalanalyse nichtrepräsentativ gemacht wird. Dies kann behoben werden, indem eine Mehrzyklussignal-Mittelwertbildung verwendet wird, so dass ein Mittelwert für eine von dem Benutzer ausgewählte veränderliche Anzahl von Zyklen gebildet wird, um Durchschnittsparameter für Vpk, Pmn, tvi und CO für Alarmdetektion und die Einstellung breiter Alarmparameter für Variabilität für jeden Schlag zu gewinnen.
Die direkte Messung von transpulmonalem Fluss kann erzielt werden, indem ein kleiner CW-Wandler mit einer anhaftenden Gelkopplungsschicht an die Oberfläche der Haut an dem linken parasternalen Schallfenster angelegt wird; angrenzend an das Sternum in einem Interkostalraum, während der transaortale Fluss von dem Interkostalraum, der mit dem fühlbaren ventrikulären Herzspitzenschlag in Verbindung steht, oder von der Incisura detektiert werden kann. Der Wandler kann mit Klebeband oder Klebefolie und/oder einem transthorakalen Gürtel befestigt werden, indem eine dünne Gelkopplungsschicht verwendet wird, um Hautkontakt des Wandlers zu gewährleisten.
In 4 wird eine Beispielanordnung veranschaulicht, wobei ein Patient 10 unter Verwendung eines Wandlerelementes 11, das mit einer Computer-Signalverarbeitungseinheit 12 verbunden ist, überwacht wird.
In 5 wird eine vergrößerte Schnittdarstellung des Wandlerelementes 11 veranschaulicht, welches einen Wandler 15 umfasst, der an einem Griff befestigt ist, der als Positionierungsvorrichtung 16 dient, die verwendet werden kann, um die Position des Wandlers zunächst einzustellen. Zwischen dem Wandler 15 und der Haut 17 einer Person wird eine Gelkopplungsschicht 18 angeordnet, um die Ultraschallwandler-Schwingungen mit der Haut 17 zu koppeln.
Unter Bezugnahme auf 6 wird in Form eines Funktionsblockschemas eine Form der Ausführung des Computersystems 12 aus 4 veranschaulicht. Das System 12 umfasst einen Master-Oszillator 20, der mit einem Sender 21 verbunden ist, der für das Senden der Schwingung an den Wandler 11 verantwortlich ist. Der Wandler 11 umfasst einen Empfänger 22, der an ein Demodulationselemet 23 gesendet wird, das Phasenausgänge von dem Master-Oszillator 20 verwendet, um das empfangene Signal von dem Empfänger 22 zu demodulieren, um auf diese Weise einen Spektralausgang bereitzustellen, der an einen Spektralanalysator 24 gesendet wird, der wiederum eine digitale Computer-Signalverarbeitungsanordnung umfassen kann, um die relevanten Parameter zu bestimmen. Der Spektralanalysator 24 kann eine Computervorrichtung mit einer geeigneten DSP-Hardware umfassen. Der Spektralanalysator 24 gibt eine Spektralanzeige 25 aus, die eine Standard-Benutzerschnittstelle relevanter Daten umfassen kann. Zum Beispiel wird in 7 ein beispielhafter Anzeigeausgang gezeigt, der Schaltflächen zum Einstellen verschiedener Empfindlichkeits- und Alarmbereiche enthält, um umfassende physiologische Herzüberwachung bereitzustellen.
Der kontinuierliche Wellen-Ultraschallwandler (1,0 bis 3,0 MHz) 11 kann einen kleinen erhabenen Kippschalter für Winkeleinstellung umfassen. Der Wandler kann an das linke ventrikuläre apikale Interkostalraum-Schallfenster, das linke parasternale Interkostalraum-Schallfenster oder die Incisura angeschnallt werden und mit Klebeband oder Klebefolie und einem Gürtel gesichert werden.
Unter Bezugnahme auf 8 werden die Schritte veranschaulicht, die an einem Verfahren der Merkmalsermittlung durch den DSP-Prozessor beteiligt sind. Die Schritte 30 beruhen auf Standardbildverarbeitungsverfahren, die dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Computer-Bildverarbeitung hinlänglich bekannt sind.
Zuerst wird ein erstes CW-Bild erfasst 31. Von diesem Bild werden Konturlinien ermittelt (32) und ausgewertet, um die relevanten Parameter zu bestimmen 33. Indem das Verfahren 31–33 für mehrere Frames wiederholt wird, ist es möglich, Schwankungen oder Veränderungen in den Zeitbasisparametern 34 zu ermitteln. Diese Schwankungen oder Veränderungen können gespeichert werden 35 oder zwecks Anzeige und Überwachung ausgegeben werden 36.
Offensichtlich sind zahlreiche unterschiedliche Anordnungen eines Systems möglich. Das System kann als eigenständiger physiologischer Monitor, integriert mit Sauerstoffsättigungsmessung, EKG u. s. w., verwendet werden, oder einen Fernmonitor mit eigener Analyse oder Fernübertragung bereitstellen.
Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass zahlreiche Varianten und/oder Abänderungen an der hier vorliegenden Erfindung wie in den spezifischen Ausführungsbeispielen gezeigt vorgenommen werden können, ohne dass von dem allgemein beschriebenen Erfindungsgedanken abgewichen wird. Die Ausführungsbeispiele sind daher in allen Aspekten als veranschaulichend, nicht jedoch als einschränkend, zu verstehen.

Claims

Herzüberwachungsverfahren die Schritte umfassend: (a) Anbringen eines Ultraschall-Wandlerelements (11) an einem Patienten (10) und entsprechendes Steuern des Wandlerelements (11), um mittels Doppler-Einschallung ein fortlaufendes Doppler-Wellenbild bereitzustellen, welches direkt vom transaortalen oder transpulmonalen Blutfluss abgeleitet wird; (b) Einsetzen des am Patienten befestigten Wandlerelements, um ein den Blutfluss im Patientenherz anzeigendes Informationssignal zu bestimmen; (c) Weiterleitung des Informationssignals als ein spektrales Ausgabesignal an einen Spektralanalysator, der eine digitale Signalprozessor-Computereinrichtung beinhaltet; (d) Weiterverarbeitung des Informationssignals, um die zum Herzen gehörigen physiologischen Parameter zu bestimmen, wobei diese Weiterverarbeitung im digitalen Signalprozessor das Ausführen der Schritte des Erfassen (31) eines fortlaufenden Doppler-Wellenbildes, sowie das Ausführen einer Konturlinienermittlung (32) und eines Analysevorgangs auf dem Bild umfasst; (e) Bereitstellen einer in Echtzeit berechneten Ausgabe der physiologischen Parameter für jeden Schlag; sowie (f) Überwachen der zeitlichen Änderung der physiologischen Parameter durch fortwährende Überwachung des Informationssignals.
Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Wandlerelement (11) vom Brustkorb des Patienten den parasternalen oder apikalen, akustischen Eingang des Brustkorbs verwendet.
Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die physiologischen Parameter zumindest eine transaortale Spitzengeschwindigkeit, einen mittleren transvalvulären Druckgradienten, ein Zeit-Geschwindigkeits-Integral, ein Schlagvolumen, sowie ein Herzzeitvolumen beinhalten.
Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der Überwachungsschritt das Bestimmen eines Alarmzustandes beinhaltet, wenn sich die Parameter außerhalb eines vorgegebenen Bereiches befinden.
Einsatz eines Herzüberwachungssystems zur fortlaufenden Überwachung der zu einem Patientenherzen gehörigen physiologischen Parameter, in einem Verfahren in Übereinstimmung mit jedem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Herzüberwachungssystem umfasst: Den äußeren Ultraschallwandler (11) zur Anbringung am Patienten (10), um das Informationssignal des Spektralanalysators (24) einschließend die Computerverarbeitungseinrichtung bereitzustellen, welche mit dem Wandlerelement verbunden und geignet ist, um das Informationssignal weiterzuverarbeiten, um die physiologischen Parameter in Übereinstimmung mit dem Herzen zu bestimmen, und um eine Echtzeitausgabe der physiologischen Parameter bereitzustellen.
Einsatz eines Herzüberwachungssystems, wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei das äußere Wandlerelement (11) geeignet ist, um an einem parasternalen oder apikalen, akustischen Eingang des Brustkorbs angebracht zu werden.
Einsatz eines Herzüberwachungssystems, wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei die physiologischen Parameter zumindest eine transaortale Spitzengeschwindigkeit, einen mittleren transvalvulären Druckgradienten, ein Zeit Geschwindigkeitsintegral, ein Schlagvolumen, sowie ein Herzzeitvolumen beinhalten.
Einsatz eines Herzüberwachungssystems, wie in Anspruch 5 beansprucht, umfasst werter: Eine Alarmeinrichtung, die mit der Computerverarbeitungseinrichtung (24) verbunden und geeignet ist, um einen Alarm auszusenden, wenn sich die Parameter außerhalb eines vorgegebenen Bereiches befinden.
Einsatz eines Herzüberwachungssystems, wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei das äußere Wandlerelement (11) einen befestigten Griff (16) beinhaltet, der funktionsfähig ist, um den Wandler (11) in vorgegebener Ausrichtung zum Patientenherzen zu platzieren.