Способ и устройство для определения кровотока в кровеносном сосуде

011969 Изобретение относится к способу определения кровотока в кровеносном сосуде. Общеизвестно, что кровоток в кровеносном сосуде определяют посредством доплеровских измерений в сочетании с эхографией. Другой известный способ заключается в измерении в сердце посредством термодилюционного способа через катетер Свана-Ганза. Известные способы являются либо трудоемкими и обременительными для пациента, либо довольно неточными. Поэтому целью изобретения является создание способа заданного типа, посредством которого можно точно и эффективно выполнять измерение кровотока в кровеносном сосуде. Упомянутая цель достигается посредством способа, определенного п.1 формулы изобретения. Импеданс, измеренный в кровеносном сосуде, имеет точно определяемую взаимосвязь с вязкостью крови, которая зависит от мгновенной скорости сдвига. При определенном распределении кровотока в поперечном сечении кровеносного сосуда определяют также распределение скорости сдвига. Если среднюю скорость сдвига определяют измерением импеданса в заданном месте, например, по центру кровеносного сосуда, то, когда поперечное сечение также известно, можно определить среднюю скорость течения и, следовательно, объемный расход в кровеносном сосуде по конфигурации кровотока. При постоянной температуре вязкость крови зависит от ряда факторов, включая объемный расход и, в частности, скорость сдвига. Упомянутые факторы важны, поскольку кровь является неньютоновской жидкостью, и это означает, что ее вязкость различна при разных скоростях сдвига. При низких скоростях сдвига вязкость крови резко повышается потому, что эритроциты стремятся к скоплению в группы (образование монетных столбиков из эритроцитов). При повышении скоростей сдвига образованные монетные столбики из эритроцитов разрушаются и эритроциты стремятся двигаться один за другим в направлении кровотока, при этом вязкость снижается и, наконец, становится, практически, постоянной. В дополнение к условиям потока, показатель гематокрита определяет вязкость крови и, следовательно, импеданс. При более высоких показателях гематокрита тенденция эритроцитов к скоплению в группы повышается, поскольку присутствует больше клеток и уменьшается расстояние между ними. Таким образом, при повышении показателей гематокрита вязкость повышается. При постоянной скорости сдвига гематокрит будет определять 90% вязкости крови. Другим фактором, который имеет значение,является склеивание эритроцитов во время скопления в группы, что обусловлено определенными макромолекулами, из которых наиболее важной является фибриноген. При постоянных скорости сдвига и показателе гематокрита фибриноген будет определять 5% вязкости. Вязкость крови вносит существенный вклад в появление тромбоза и является самым важным фактором для капиллярного кровоснабжения каждого органа. Поэтому оценка вязкости крови и ее измерение полезны в сердечно-сосудистой медицине для предотвращения тромбоза и эмболии, когда в условиях интенсивной терапии можно улучшать кровоснабжение жизненно важных органов и снижать общее периферическое сопротивление сосудов. Поскольку в случае воспаления скопление эритроцитов в группы дополнительно усиливается, установлено, что повышенная вязкость является индикатором воспалительного действия. Что касается определения вязкости крови посредством или с помощью измерений импеданса, то в соответствии с изобретением на данный момент можно измерять объемный расход с использованием того же измерения импеданса, что может быть полезно, например, при определении сердечного выброса сердца. Полезное дополнительное развитие способа в соответствии с изобретением определяется в п.2 формулы изобретения. Хотя вязкость и импеданс крови зависят от скорости сдвига, когда скорость сдвига изменяется, имеет место некоторое запаздывание согласования соответствующего изменения вязкости и импеданса. Это обусловлено тем, что на образование монетных столбиков из эритроцитов и их разрушение требуется некоторое время. Вследствие упомянутого запаздывания вязкость будет становиться почти однородной в неламинарном кровотоке или в ламинарном кровотоке, который возникает через короткое время после неламинарного кровотока. Таким образом, влияние распределения кровотока оказывается менее существенным, и существует полезная взаимосвязь между вязкостью и импедансом, с одной стороны, и средней скоростью течения, с другой стороны. Упомянутая взаимосвязь использована в способе по п.2 формулы изобретения. Способ в соответствии с изобретением упрощается при определении и использовании взаимосвязи между скоростью течения и импедансом. Если фактически требуется определить выброс сердца, т.е. объем крови, который сердце способно нагнетать в единицу времени, то предпочтительно применение измерения по п.3 формулы изобретения. Чтобы можно было надежно измерять импеданс крови, применяют измерение по п.4 формулы изобретения. Поскольку скорость течения и, следовательно, скорость сдвига изменяются во время сердечного цикла, то предпочтительно применение измерения по п.5 формулы изобретения. При постоянном выполнении измерения в один и тот же период ЭКГ получают удобное для сравнения измеренное значение. Для дополнительного повышения качества измеренного значения предпочтительно применение измерения по п.6 формулы изобретения. Случайные различия скорости течения и, следовательно, импеданса, тем самым, уравниваются по множеству сердечных циклов.-1 011969 Установлено, что измерение в правом предсердии предпочтительно выполнять в период, когда предсердие достаточно расширено и, вследствие этого, помехи электрическому полю вокруг катетера от стенки правого предсердия оказываются слабыми. Поэтому подходящим периодом является конец систолы. Измерение предпочтительно выполняется подходящим образом во время диастолы. Тогда имеет место регулярный кровоток, который легко воспроизводим. Как отмечено выше, другие параметры также важны для абсолютного значения вязкости и, следовательно, импеданса. Следовательно, для полного определения скорости течения с использованием способа в соответствии с изобретением необходимо предварительно задать упомянутые параметры. Способ,полезный в этом отношении, определен в п.8 формулы изобретения. Определение гематокрита и содержания фибриногена являются общеизвестными способами измерений. Данные измерения можно выполнять независимо от измерения импеданса. Обычно значения изменяются только постепенно. Лишь в острых ситуациях, например при сильном кровотечении (гематокрит) или тяжелых инфекционных заболеваниях (фибриноген), они будут изменяться быстрее. Поэтому измерения обычно можно выполнять в кровеносных сосудах за некоторое время до или через некоторое время после измерения импеданса. Вместо определения гематокрита и содержания фибриногена раздельно, можно использовать возможность применения способа по п.9 формулы изобретения и предпочтительно по п.10. Фактически, тем самым, измеряют конкретную взаимосвязь в соответствующей крови между скоростью сдвига или скоростью течения и импедансом, при этом при определении неотъемлемым является влияние гематокрита и фибриногена. Другой подходящий вариант осуществления способа в соответствии с изобретением определен в п.11 формулы изобретения. Кровоток в соответствующем кровеносном сосуде является таким, каким он смоделирован в этом случае, на основании чего получают взаимосвязь между импедансом и скоростью течения для реальных условий. Тогда для непосредственного определения потока требуется учесть только масштаб. Подходящим способом для определения размера поперечного сечения кровеносного сосуда является эхография. Таким образом можно с высокой точностью определять размер данного типа. Установлено, что при применении способа измерения по п.13 формулы изобретения можно обеспечить достаточную точность в целях определения объемного расхода. Это относится, в частности, к случаю объединения со способами измерения по пп.5-7 формулы изобретения. Изобретение относится также к устройству для определения кровотока в кровеносном сосуде, определенному в п.14 формулы изобретения. В упомянутом устройстве компьютерное средство можно осуществить так, что значение скорости течения или объемного расхода вычисляют по измеренному значению импеданса. Сначала, конечно, для этой цели следует ввести в устройство другие параметры, например показатель гематокрита и значение фибриногена, а также сечение или диаметр кровеносного сосуда. Дополнительная разработка определена в п.16 формулы изобретения. С данным дополнением может быть определено значение, с использованием которого значение импеданса можно преобразовать в объемный расход. Изобретение дополнительно поясняется в нижеследующем описании со ссылкой на прилагаемые фигуры. На фиг. 1 представлена электрическая модель крови в сочетании с возбуждающими и измерительными электродами. На фиг. 2 представлена схема предпочтительного варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением. На фиг. 3 представлено частичное схематичное изображение катетера для применения в способе и устройстве в соответствии с изобретением. На фиг. 4 представлено поперечное сечение по линии IV на фиг. 3. На фиг. 5 представлен вид по стрелке V на фиг. 3. На фиг. 6 схематично изображено устройство для определения in vitro данных крови, важных для настоящего изобретения. На фиг. 7 представлен график результатов измерений, полученных устройством, показанным на фиг. 6. На фиг. 1 показана упрощенная электрическая трехэлементная модель крови. Переменное напряжение возбуждения формируется между электродами А и D, и измерение выполняется между электродами В и С. Упрощенная электрическая модель содержит сопротивление Rp плазмы и емкость Cm клеточных мембран. Известно, что Cm, в частности, характеризуется высокой корреляцией с вязкостью крови. Для измерения импеданса крови предпочтительно применяют катетер, схематичный внешний вид которого приведен на фиг. 3-5. Катетер 10 содержит основной корпус 11, в котором, как видно на фиг. 4,сформированы четыре просвета 12 в показанном примерном варианте осуществления. На проксимальном конце 14 катетера 10 данные просветы соединены с соединительными элементами 15 так, что через данные просветы можно подавать требуемые вещества к дистальному концу, где они могут выходить из-2 011969 дистального конца катетера через отверстия 15 и вводиться в кровоток. Катетер сформирован так, что его можно легко установить с размещением дистального конца 13 в правом предсердии сердца. Как более подробно показано на фиг. 5, дистальный конец 13 катетера 10 снабжен четырьмя электродами A-D, каждый из которых соединен с соединителем 16 на проксимальном конце катетера 10. На фиг. 2 схематично изображено устройство в соответствии с изобретением, которым можно измерять импеданс крови и можно вычислять кровоток в кровеносном сосуде, в котором имеет место измерение. На фиг. 2 схематично изображен катетер 10, содержащий четыре электрода A-D и четыре соединительных проводника, ведущих к соединителю 16, не показанному специально на фиг. 2. Данные проводники, которые продолжаются через основной корпус 11 катетера, являются триаксиальными проводниками 17 и коаксиальным проводником 18. В данном примерном варианте осуществления, в дистальном конце катетера дополнительно смонтирован термистор 19, которым может выполняться измерение температуры. Устройство, показанное на фиг. 2, работает следующим образом. В данном предпочтительном примерном варианте осуществления пять отдельных частот 20, 200,400, 600 кГц и 1,2 МГц генерируются последовательно во времени в прямом цифровом синтезаторе(DDS) 20. Данный сигнал возбуждения фильтруется в фильтре 21, буферизуется в буфере 22 и подается в высоковольтный электрод А через сопротивление 23 фиксации уровня. Низковольтный электрод D соединен с землей через развязывающий конденсатор (не показанный). В каждом из соединений, соединяющих электроды A-D с электронным оборудованием, можно замерить паразитную емкость несколько десятков пФ. Поэтому применяют активное экранирование 24 для исключения погрешностей фазы и усиления. Кроме того, третий заземленный экран предотвращает излучение или поступление нежелательных сигналов. Значения Rp и Cm вычисляют, по существу, известным методом по значениям импеданса при 20, 600 и 1200 кГц. Через логарифмические усилители-детекторы 27 и 28, соответственно, измеряемый сигнал и сигнал возбуждения подаются в фазовый детектор 29, с одной стороны, и усилитель-детектор 30, с другой стороны. В сигнальной цепи находится также фильтр 26. Сигнал фазы подается по линии 33 в AD (аналого-цифровой) преобразователь 31 микрокомпьютера 32 в то время, как усиленный сигнал подается по линии 34 в AD (аналого-цифровой) преобразователь 31. Сигнал из термистора 19 аналогичным образом подается AD (аналого-цифровой) преобразователь микрокомпьютера 32 по линии 35. Измеряемый сигнал подается через фильтр 36 и как отображение ЭКГ-сигнала вводится по линии 37 в AD (аналого-цифровой) преобразователь 31. Микрокомпьютер 32 выполняет вышеупомянутые вычисления Rp и Cm. Значение Rp характеризуется высокой корреляцией с показателем гематокрита, и имеющиеся в продаже медицинские инструменты для прямого измерения гематокрита работают в соответствии с данным способом с целью определения данного значения Rp. Как отмечено выше, Cm характеризуется высокой корреляцией с вязкостью крови. Чтобы после этого можно было определить по измеренному Cm объемный расход в кровеносном сосуде, в котором выполняется измерение, сначала определяют взаимосвязь между скоростью сдвига,которая, как упоминалось выше, частично определяет вязкость и, следовательно, Cm, и содержанием фибриногена при изменяющемся гематокрите. Что касается ньютоновских жидкостей, подходящим способом является приравнивание средней скорости сдвига четырехкратной средней скорости течения, деленной на радиус кровеносного сосуда. Другой возможностью является применение устройства, показанного для примера на фиг. 6. Данное устройство 40 содержит в качестве основных элементов измерительный резервуар 41 с впускным отверстием 45 и выпускным отверстием 46, которые связаны между собой трубкой 42. На данной трубке 42 расположены насос 43 и теплообменник 44. Результаты измерений, выполненных in vitro, дали следующие формулы, по которым можно найти среднюю скорость течения, при заданных гематокрите, содержании фибриногена и вязкости (где последняя указана как Cm). Установлено, что существует тесная взаимосвязь между активным сопротивлением и гематокритом,в силу чего данную формулу можно записать следующим образом:Cm=0,235 ехр [-3,244 кровоток]+0,0292 фиб.+0,0011 Rp Текущий показатель фибриногена можно заменить постоянной величиной, которая равна среднему значению фиб., что дает следующую формулу:Cm=0,224 ехр [-4,035 кровоток]+0,00146 Rp+0,073 Упомянутые формулы применяют таким образом, который более очевиден специалисту в данной области техники, чтобы программировать микрокомпьютер так, что он может вычислять скорость течения по измеренному Cm и, при желании, введенному фибриногену и значению Rp гематокрита. Вместо ввода значения фибриногена, в данном случае можно также воспользоваться средним значением фибри-3 011969 ногена, или можно применить измеренное Rp, вместо ввода показателя гематокрита. Измерительный резервуар 41 и трубку 42 наполняют кровью. Циркулирующая кровь выдерживается при постоянной температуре 37 С в теплообменнике 44. Измерительный резервуар 41 сформирован так, что равномерно расходящаяся впускная часть 47,которая входит в измерительную камеру 48, соединяется с впускным отверстием 45. Путем соответствующего выбора размеров диффузора (впускной части) 47 в зависимости от скорости течения можно,таким образом, гарантировать образование ламинарного течения в измерительной камере 48. При ламинарном течении распределение потока полностью известно, и поэтому известны также скорость сдвига и скорость течения в любой точке поперечного сечения измерительной камеры 48. Дистальный конец катетера 49, который, в принципе, соответствует катетеру, показанному на фиг. 3,расположен в измерительной камере 48 по центру. Электроды 50 дистального конца подсоединены вышеописанным образом к устройству 9, которое соответствует устройству, показанному на фиг. 2. Кровь может циркулировать в устройстве 40 с переменной скоростью, поскольку насос 43 можно приводить в действие с разными скоростями с помощью управляющего устройства 51. Теперь посредством измерения емкости при разных скоростях находят взаимосвязи, схематично показанные на фиг. 7. Как показано, в широком диапазоне скоростей течений существует экспоненциально почти линейная взаимосвязь между скоростью течения и найденным Cm. Это также очевидно из вышеприведенных формул. Разные трубки, отраженные разными высотами на фиг. 7, показывают, что, хотя при изменении содержания фибриногена или гематокрита линейный характер взаимосвязи сохраняется, абсолютное значение изменяется. С помощью устройства 40 для измерения вязкости, показанного на фиг. 6, можно определить посредством нескольких измерений взаимосвязь между скоростью течения и Cm измеряемой крови при изменении содержаний гематокрита и фибриногена. По скорости течения, т.е. количеству литров, протекающих в минуту через устройство 40, скорость сдвига в положении измерительного электрода 50 можно определять так, что взаимосвязь между средней скоростью сдвига и Cm можно определять, тем самым,при разных значениях фибриногена и гематокрита. Если теперь потребуется определить объемный расход в кровеносном сосуде, то можно измеритьCm в соответствующем кровеносном сосуде подходящим образом, предпочтительно катетером 10 и устройством 9. Определенную таким образом среднюю скорость течения можно сочетать с поперечным сечением кровеносного сосуда и, тем самым, можно вычислить объемный расход. Если требуется измерить объемный расход сердца, то дистальный конец 13 катетера 10 можно расположить подходящим образом в правом предсердии сердца. Следует понимать, что скорость течения и, следовательно, Cm будут значительно изменяться во время сердечного цикла. Поэтому измеряемый сигнал предпочтительно считывается в течение заданного периода сердечного цикла. Заданный период предпочтительно является концом систолы, диастолой. В это время создается слабый поток, в котором выполнимо точное репрезентативное измерение. Микрокомпьютер 32 устройства 9 можно запрограммировать так, чтобы измеряемый сигнал считывался в течение требуемого периода ЭКГ-сигнала, который, как описано выше, подается по линии 37 в микрокомпьютер 32. Измеренный и обработанный импедансный сигнал можно сохранять в памяти микрокомпьютера 32 для дальнейшей обработки или можно сразу же обрабатывать, если заранее заданы размеры, в частности поперечное сечение кровеносного сосуда, в котором происходит измерение, например, правого предсердия сердца. Упомянутые размеры можно определять соответственно с использованием эхографии. Данный метод, по существу, известен. Распределение потока в поперечном сечении кровеносного сосуда выбирают дополнительно. Распределение ламинарного потока можно выбрать в случае измерения в правом предсердии во время диастолы. Установлено, что распределение во время диастолы в правом предсердии можно считать с достаточной точностью ламинарным. После того, как введено поперечное сечение кровеносного сосуда и запрограммированы распределение потока и/или средняя скорость течения в упомянутом сосуде, микрокомпьютер 32 может вычислить объемный расход на основе предварительно заданной взаимосвязи между скоростью сдвига и/или скоростью течения в крови и при найденных показателе гематокрита и значении фибриногена и надлежаще вывести полученный объемный расход на дисплей. В ходе описанного запрограммированного вычисления, разумеется, учитывается, что измерение имело место в течение заданного периода ЭКГ. На основе ЭКГ и известной сердечной функции можно определить поправочный коэффициент для преобразования в суммарный объемный расход во время сердечного цикла, или можно удовлетвориться результатом измерения, полученным из измерения в течение заданного периода ЭКГ, когда по меньшей мере большая часть потока протекла в течение данного периода. При желании, можно удовлетвориться отображением тренда минутного сердечного выброса. В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения можно обойтись без предварительного задания фибриногена и гематокрита. В данном случае применяют устройство, которое,в принципе, соответствует устройству, показанному на фиг. 6. У лица, чей объемный расход требуется-4 011969 измерять в определенном кровеносном сосуде, например правом предсердии, отбирают небольшое количество крови. Данную кровь помещают в устройство, например устройство, показанное на фиг. 6, и прокачивают в замкнутой системе. Это устройство будет в данном случае небольшим, чтобы относительно небольшое количество крови могло быть достаточным. Сначала вышеописанным методом измеряют импеданс в кровеносном сосуде. Затем кровь прокачивают в замкнутой системе в устройстве, соответствующем фиг. 6, со скоростью, подлежащей регулированию насосом, так что в измерительной камере измеряется такой же импеданс. В случае со скоростью течения, при которой наблюдается данный импеданс, можно вычислить скорость течения и объемный расход в кровеносном сосуде, при этом учитываются вышеуказанные коэффициенты формы и т.п. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ измерения кровотока в кровеносном сосуде, содержащий следующие этапы:a) определяют взаимосвязь между средней скоростью сдвига и электрическим импедансом протекающей крови,b) измеряют электрический импеданс в крови в поперечном сечении кровеносного сосуда,c) определяют среднюю скорость сдвига по данной взаимосвязи и измеренному электрическому импедансу,d) определяют размер поперечного сечения кровеносного сосуда,e) определяют среднюю скорость течения на основе скорости сдвига и теоретического относительного распределения кровотока в поперечном сечении кровеносного сосуда иf) определяют объемный расход по найденной средней скорости течения и поперечному сечению. 2. Способ по п.1, в котором этапы а), c) и e) аппроксимируют путем определения взаимосвязи между средней скоростью течения и электрическим импедансом протекающей крови и определяют среднюю скорость течения по данной взаимосвязи и измеренному импедансу. 3. Способ по п.1 или 2, в котором кровеносный сосуд является правым предсердием сердца и определяемый объемный расход является выбросом сердца. 4. Способ по п.3, в котором измерение электрического импеданса выполняют катетером, введенным в правое предсердие. 5. Способ по любому из вышеприведенных пунктов, в котором измерение электрического импеданса выполняют в заданный период ЭКГ. 6. Способ по п.5, в котором измерение электрического импеданса выполняют в течение ряда сердечных циклов, в каждом случае в течение заданного периода ЭКГ, и среднее из ряда измерений применяют для определения электрического импеданса. 7. Способ по п.6, в котором заданный период является диастолой. 8. Способ по любому из вышеприведенных пунктов, в котором определение взаимосвязи между средней скоростью сдвига и электрическим импедансом в протекающей крови дополнительно содержит этап, заключающийся в том, что определяют in vitro факторы, совместно определяющие электрический импеданс крови, например содержание гематокрита и фибриногена. 9. Способ по п.1, в котором определение взаимосвязи между скоростью сдвига и электрическим импедансом в протекающей крови дополнительно содержит этап, заключающийся в том, что определяютin vitro среднюю скорость сдвига, при которой наблюдается электрический импеданс, измеренный в кровеносном сосуде. 10. Способ по пп.1 и 2, в котором определение взаимосвязи между средней скоростью течения и электрическим импедансом в протекающей крови дополнительно содержит этап, заключающийся в том,что определяют in vitro среднюю скорость течения, при которой наблюдается электрический импеданс,измеренный в кровеносном сосуде. 11. Способ по любому из вышеприведенных пунктов, в котором этапы а), с), е) и f) выполняют путем формирования кровотока с выбранным относительным распределением потока в резервуаре с заданным поперечным сечением, измерения электрического импеданса по центру в упомянутом резервуаре, во взаимосвязи с объемным расходом кровотока, и, на основе объемного расхода, соответствующего электрическому импедансу, измеренному в кровеносном сосуде в соответствии с упомянутой взаимосвязью,определения объемного расхода в кровеносном сосуде в соответствии с соответствующими размерами поперечных сечений кровеносного сосуда и резервуара. 12. Способ по любому из вышеприведенных пунктов, в котором размер поперечного сечения кровеносного сосуда определяют с помощью эхографии. 13. Способ по любому из вышеприведенных пунктов, в котором в качестве теоретического относительного распределения потока в поперечном сечении кровеносного сосуда выбирают относительное распределение потока, которое демонстрировала бы ньютоновская жидкость, протекающая в ламинарном режиме через подобное поперечное сечение. 14. Устройство для измерения кровотока в кровеносном сосуде, содержащее средство для измерения электрического импеданса в крови в поперечном сечении кровеносного сосуда,-5 011969 средство для определения размера поперечного сечения кровеносного сосуда и процессорное средство, содержащее запоминающее средство, содержащее записанные в нем данные о взаимосвязи между скоростью сдвига и электрическим импедансом протекающей крови и о теоретическом относительном распределении кровотока в поперечном сечении кровеносного сосуда, и компьютерное средство для определения скорости сдвига по упомянутой взаимосвязи и измеренному электрическому импедансу, для определения средней скорости течения на основе скорости сдвига и упомянутого относительного распределения потока, а также для определения объемного расхода по найденной средней скорости течения и поперечному сечению. 15. Устройство по п.14, в котором заданная взаимосвязь между средней скоростью течения и электрическим импедансом протекающей крови хранится в запоминающем средстве и компьютерное средство выполнено с возможностью определения средней скорости течения по сохраняемой взаимосвязи и измеренному электрическому импедансу и объемного расхода по найденной средней скорости течения и поперечному сечению. 16. Устройство по п.14 или 15, дополнительно содержащее устройство для измерения вязкости, содержащее трубку, формирующую кровоток в кровеносном сосуде, подвижное средство, содержащееся в трубке, для создания возможности протекания жидкости по трубке с регулируемой скоростью течения,электроды, расположенные в трубке, и средство для измерения электрического импеданса, соединенное с электродами.