DE69028380T2

DE69028380T2 - Überwachungsinstrument für periphere Arterien

Info

Publication number: DE69028380T2
Application number: DE69028380T
Authority: DE
Inventors: Howard Paul Apple
Original assignee: Critikon Inc
Current assignee: Critikon Co LLC
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: US5218968A; NO905479L; ZA9010238B; ES2090108T3; DE69028380D1; EP0434399B1; AU649003B2; CA2032564A1; JPH04250134A; NO905479D0; FI906267A0; JP3121845B2; FI906267A; US5447163A; US5311872A; AU6775190A; EP0434399A1; US5103833A

Description

Die Erfindung betrifft ein Überwachungsinstrument, das Informationen über periphere Gefäße bereitstellt, und insbesondere die Verwendung eines solchen Instruments, um medizinische Diagnoseinformationen über das arterielle Volumen, den arteriellen Querschnitt und die arterielle Dehnbarkeit zu erhalten.
Die medizinischen Zustände der Arteriosklerose und der Hypertonie sind potentiell schwächende und oft lebensbedrohende Zustände, die eine frühe Diagnose und Behandlung erfordern. Diese Zustände sind gekennzeichnet durch Änderungen in den Mengen und Raten des arteriellen Blutstromes und dem Ansprechen des arteriellen Gewebes auf Änderungen im Blutdruck. Ein physiologisches Phänomen, das bei diesen arteriellen Eigenschaften eine gewisse Rolle spielt, wird hier als arterielle Dehnbarkeit oder Nachgiebigkeit bezeichnet, das ist die Fähigkeit der Gefäße, auf Änderungen dieser Zustände zu reagieren. Die Wände der Arterien des Körpers beinhalten Kollagen, was den Wänden die Fähigkeit verleiht, sich zu erweitern und zusammenzuziehen, und Muskelgewebe, das diese Erweiterung und Kontraktion zum Teil kontrolliert. Die Gefäßdehnbarkeit beinhaltet die Reaktion des Kollagens und der Muskeln in den Arterienwänden auf sich ändernde Bedingungen. Zusätzlich ist der Zustand der Arteriosklerose dadurch gekennzeichnet, daß an den Arterienwänden fettige Substanzen abgelagert werden. Diese Substanzen können die Arterie verschließen und die Fähigkeit der Arterienwände zur Reaktion auf einen sich ändernden Blutdruck verringern. Die Eigenschaft der Arteriosklerose hinsichtlich der fettigen Substanzen ist daher ein weiterer Faktor, der die arterielle Nachgiebigkeit beeinflußt. Es wäre daher wünschenswert, wenn man in der Lage wäre, das arterielle Volumen und die arterielle Nachgiebigkeit bei der Diagnose oder der Behandlung der medizinischen Zustände der Hypertonie und der Arteriosklerose analytisch zu verstehen.
Die Kenntnis des arteriellen Volumens und der arteriellen Nachgiebigkeit eines Patienten ist auch dann von Nutzen, wenn Anästhetika zugeführt werden. Die einem Patienten zugeführte Menge eines Anästhetikums sollte gerade ausreichen, um eine physiologische Reaktion des Patienten bei einer chirurgischen Maßnahme zu verhindern. Wenn zuwenig Anästhetikum zugeführt wird, reagiert das kardiovaskuläre System reflexartig, wenn der Patient vor der chirurgischen Maßnahme intubiert wird. Diese Reaktion kann durch Überwachen des arteriellen Volumens und der Nachgiebigkeit festgestellt werden, wobei jede Verringerung in diesen Eigenschaften bei der Intubation bemerkt wird. Eine kardiovaskuläre Reaktion kann auch zum Zeitpunkt des ersten chirurgischen Einschnittes festgestellt werden, wenn sich ein nicht ausreichendes Anästhetikum wieder durch eine Verringerung der arteriellen Nachgiebigkeit oder des Volumens manifestiert. Ein chirurgisch behandelter Patient profitiert also von der Überwachung des arteriellen Volumens und der Nachgiebigkeit durch den Anästhesisten und den Chirurgen.
Die Bedeutung des arteriellen Volumens und der Nachgiebigkeit wurde bereits früher erkannt. In einer Reihe von Patenten, einschließlich der US-Patente 3 903 872; 4 651 747 und 4 712 563 an Wiliam T. Link, wurden Verfahren und Vorrichtungen zum Berechnen von Meßwerten für das arterielle Volumen und die Nachgiebigkeit beschrieben. Link's Technik, wie sie in den obigen Patenten dargestellt wird, beruht auf der Durchführung einer Anzahl von oszillometrischen Standard- Blutdruckmessungen. Dann wird die erste Ableitung des gemessenen Manschettendruckpulses, dP, zur Zeit t innerhalb eines tatsächlichen Blutdruckpulses des Patienten als Funktion des angelegten Manschettendrucks berechnet, um auf die arteriellen volumetrischen Änderungen ΔV zu schließen. Wie Link zeigt, entspricht diese erste Ableitung Änderungen in der arteriellen Volumenänderung ΔV. Die sich aus diesen Berechnungen ergebende Kurve wird von Link in eine Kurve für die volumetrische Änderung als Funktion des transmuralen Drucks V/P übertragen, und diese Kurve kann wiederum differenziert werden, um eine Nachgiebigkeitskurve ΔV/ΔP zu erhalten.
In einer zweiten Reihe von Patenten, einschließlich der US-Patente 4 664 126; 4 697 596; 4 699 151 und 4 699 152, erstreckt Link diese Analyse auf eine Technik, in der die Amplitude von Scheitelwert zu Scheitelwert eines jeden Manschettenpulses und der diastolische und systolische Druck des Patienten verwendet werden, um die volumetrischen und Nachgiebigkeitskurven für einen bestimmten Patienten zu berechnen. Wieder wird auf die volumetrischen und Druckinformationen aus dem arteriellen Druckimpuls geschlossen. Die volumetrischen und Druckkurven werden von Link bei der Bestimmung des systolischen, des distolischen und des mittleren arteriellen Blutdrucks verwendet. Die Link-Technik macht von einem aufsteigenden Verfahren beim Messen der Druckimpulse Gebrauch, wobei die Impulsdaten während des Aufblasens einer Blutdruckmanschette gewonnen werden. Die derzeit bevorzugte Technik beim Ausführen solcher Messungen, die im stufenweisen Verringern des Drucks einer Blutdruckmanschette von einem Druckpegel über dem systolischen Druck und dem Gewinnen von Meßwerten über einen Bereich von abnehmenden Druckstufen besteht, ist in den US-Patenten 4 349 034 und 4 360 029, ausgegeben an Maynard Ramsey III., beschrieben.
Eine Anzeige der Informationen über das arterielle Volumen, die für den Anästhesisten, den Chirurgen oder den Diagnostiker von Nutzen ist, ist eine Kurve, die das arterielle Volumen (in cc) oder die Fläche (in mm²) als Funktion des transmuralen Drucks (in mm Hg) darstellt. An einer gegebenen Stelle dieser Kurve auf der Seite positiven Drucks kann das Volumen oder die Fläche durch einen Wert R, den effektiven arteriellen Radius, dargestellt werden. Die Neigung der Kurve an einem bestimmten Punkt, dV/dP, gibt die arterielle Nachgiebigkeit wieder, und der Verlauf von dV/dP als Funktion des transmuralen Drucks die arterielle Nachgiebigkeitskurve. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird das arterielle Volumen und die arterielle Nachgiebigkeit eines Patienten in dieser Form dargestellt und entsprechend damit der Wert von R über die Zeit berechnet und dargestellt. Die Anzeige dieser Daten stellt dem Anästhesisten Informationen bereit, die das arterielle Volumen des Patienten und das Nachgiebigkeitsverhalten betreffen, und auch Informationen über Änderungen, die mit der Zeit im arteriellen Volumen auftreten. Der Anästhesist ist damit in der Lage, eine Reaktion des kardiovaskulären Systems auf die Intubation oder einen Einschnitt bei einer chirurgischen Maßnahme festzustellen, wodurch die korrekte Abgabe eines Anästhetikums an einen Patienten erleichtert wird.
Eine solche Anzeige kann durch Angabe der arteriellen Nachgiebigkeit dV/dP bei einem gegebenen transmuralen Druck für einen Patienten, der einer Diagnose oder einer Überwachung unterliegt, verbessert werden. Der Maximalwert von dV/dP, der als Scheitelwert der arteriellen Nachgiebigkeit bezeichnet wird, kann aus diesen Informationen abgeleitet werden. Eine weitere Anzeige dieser Informationen, die für einen Arzt von Nutzen ist, ist eine Darstellung der arteriellen Kapazität R in Relation zum Umfang des Körperteiles, an dem die Blutdruckmanschette des Überwachungsinstruments angebracht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt eine Änderung dieses Anzeigeformats eine Anzeige der Daten über das arterielle Volumen vor dem Einleiten einer chirurgischen Maßnahme und entsprechend damit eine laufende Anzeige der Daten über das arterielle Volumen bei der Durchführung der chirurgischen Maßnahme. Ein Vergleich dieser Daten informiert den Anästhesisten über die Reaktiqn des kardiovaskulären Systems auf Stimulierungen des Körpers bei der Maßnahme.
Ein kürzlich gemachter Vorschlag für die Bestimmung der vaskulären Nachgiebigkeit ist als das "Hartsafe-Produktkonzept" bekannt. Dabei wird eine Druckmanschette an der Wade eines Patienten angebracht und aufgeblasen. Wenn der Manschettendruck einen Wert von 70 mm Hg erreicht, wird durch Injizieren eines ml Lufts in die Manschette ein Kalibrierschritt eingeleitet. Das System mißt die Änderung im Druck, die sich aus dieser mengenmäßig bestimmten Injektion ergibt, und berechnet auf der Basis der Änderung einen Kalibrierfaktor. Dann wird das Aufblasen der Manschette fortgesetzt und es werden bis zu einem minimalen Volumenpulssignal oder bis ein maximaler Druckwert von 225 mm Hg erhalten wird, Volumenpulssignale aufgezeichnet. Das System beginnt dann mit einer stufenweisen Druckverringerungsfolge. Bei Druckverringerungsstufen von jeweils 10 mm Hg wird das Volumenpulssignal aufgezeichnet. Die Folge wird fortgesetzt, bis ein minimaler Druckpegel erhalten wird, an dem die Datengewinnung über die Zeit beendet wird. Das System führt dann eine "Signalkonditionierung" anhand der Volumenpulse und Manschettendrucksignale bei jedem Manschettendruckschritt von 10 mm Hg und mit dem vorher gespeicherten Kalibriersignal aus. Die Volumen- Druck-Kurve, der Scheitelwert der Nachgiebigkeit und andere Parameter werden bei dieser "Signalkonditionierung" erhalten. Die "Hartsafe"-Vorgehensweise scheint eine direktere Messung des arteriellen Volumens zu sein als die Link-Technik, bei der das arterielle Volumen auf der Basis seiner Beziehung zu den arteriellen Druckimpulsen berechnet wird, da eine wirkliche Messung der Systemreaktion auf eine bekannte Änderung im Manschettenvolumen während des Kalibrierschrittes von "Hartsafe" erfolgt. Die aktuellen Daten, die für die Volumen-Druck-Kurve berechnet werden, erscheinen jedoch gleichermaßen abgeleitet, da die eine Kalibriervolumenmessung die einzige volumetrische Messung ist, die in Verbindung mit den Pulssignalen verwendet wird, um die Kurve zu berechnen.
Es wäre wünschenswert, Informationen über das arterielle Volumen und die Nachgiebigkeit zu haben, die auf einer direkten Messung des arteriellen Volumens und von Änderungen des arteriellen Volumens beruhen. Es wäre des weiteren wünschenswert, das System bei der Gewinnung solcher volumetrischer Daten kontinuierlich rekalibrieren zu können oder das Erfordernis nach einer Kalibrierung durch das Aufnehmen hochgenauer volumetrischer Daten ganz beseitigen zu können. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Messen des arteriellen Querschnitts und der Nachgiebigkeit geschaffen, bei dem eine Druckmanschette an einem peripheren Teil des Körpers auf einen Druckpegel aufgeblasen wird, bei dem die arteriellen Gefäße verschlossen sind. Der Druck in der Manschette wird dann verringert und bei abnehmenden Druckpegeln erfolgen Druckmessungen. Die bei der Druckverringerung abgegebene Luft wird über eine Einrichtung zum Bestimmen des Volumens der abgegebenen Luft aus der Manschette abgeführt. Diese Einrichtung kann zum Beispiel eine Öffnung oder ein Übergangsvolumen mit bekannten Eigenschaften sein oder eine Flußmeßvorrichtung. An jedem Punkt, an dem eine Druckbestimmung erfolgt, ist das Luftvolumen, das aus der Manschette abgegeben wurde, genau bekannt oder wird auf der Basis einer unmittelbar erhältlichen volumetrischen Kalibrierung bestimmt. Es besteht daher kein Erfordernis nach einem Kalibrierfaktor oder danach, sich bei der Bestimmung des arteriellen Volumens und der Nachgiebigkeit durch das System auf einen einzigen Kalibrierschritt verlassen zu müssen.
Wenn die Luft gemäß der vorliegenden Erfindung aus der Druckmanschette entfernt wird, werden über einen Bereich von Manschettendrücken die Oszillations-Druckspitzenwerte und die Änderungen des Manschettenvolumens als Funktion des Drucks aufgezeichnet. Aus diesen Informationen wird das Oszillationsvolumen berechnet. Aus der Kenntnis der Meßwerte für das Oszillationsvolumen über den ganzen Bereich des Manschettendrucks und aus den konventionell bestimmten systolischen und diastolischen Druckwerten werden die Kurven für das arterielle Volumen und die Nachgiebigkeit des Patienten rekonstruiert. Dem Arzt werden daher zur Überwachung und für die Diagnose genaue und vollständige Informationen über den Blutdruck und das arterielle Volumen, den arteriellen Querschnitt und die arterielle Nachgiebigkeit in Relation zum transmuralen Druck und/oder der Zeit zur Verfügung gestellt.
In der Zeichnung zeigt bzw. zeigen
Fig. 1 das erfindungsgemäße periphere arterielle Überwachungsinstrument, das an einem Oberschenkel angebracht ist;
Fig. 2a und 2b zwei Arten von Anzeigen über vaskuläre Informationen bei dem Instrument der Fig. 1;
Fig. 3a und 3b eine periphere Extremität des Körpers in Relation zu den Informationsanzeigen der Fig. 2a und 2b;
Fig. 4 schematisch die Verbindung eines arteriellen Überwachungsinstruments mit einer Extremität des Körpers;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen peripheren arteriellen Überwachungsinstruments, bei dem zum Messen der Druckverringerung eine Öffnung verwendet wird;
Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Druckverringerungsschrittes bei Verwendung einer Öffnung für eine kalibrierte Druckverringerung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen peripheren arteriellen Überwachungs instruments, bei dem zum Messen der Druckverringerung ein Übergangsvolumen verwendet wird;
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Druckverringerungsschrittes bei Verwendung eines Übergangsvolumens für eine kalibrierte Druckverringerung;
Fig. 9 eine graphische Darstellung des Flusses gegen den Druck an der Druckverringerungsöffnung;
Fig. 10 eine graphische Darstellung des Oszillationsdruckes gegen den Manschettendruck; und
Fig. 11 eine graphische Darstellung der Volumenrekonstruktion gegen den Manschettendruck.
In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß aufgebautes peripheres arterielles Überwachungsinstrument im Gebrauch an einem Bein eines Patienten gezeigt. Das Instrument umfaßt eine herkömmliche Blutdruckmanschette 10 mit einer Länge l, die um den Oberschenkel des Patienten gelegt ist. Die Manschette 10 kann um jedes periphere Teil des Körpers gelegt werden, meist wird sie um den Oberarm angelegt. Vorzugsweise wird die Manschette jedoch bei manchen Prozeduren am Oberschenkel angelegt, da sich hier der Aufbau von verschließenden Substanzen, der zur Arteriosklerose und dergleichen führt, in der Regel zuerst zeigt. Bei anderen Anwendungen kann der Oberarm oder der Finger eine bevorzugte Stelle zum Anlegen der Manschette sein. Die Manschette 10 ist über eine Schlauchleitung 12 mit einem Monitor und Prozessor 14 verbunden. Der Monitor und Prozessor 14 weist eine Anzahl von Betätigungsknöpfen zum Betätigen und Einstellen des Instruments für die Ausführung von vaskulären Messungen einschließlich der Blutdruckbestimmung auf. Der Monitor und Prozessor umfaßt auch eine Anzeige 16, auf der die während der Messung des arteriellen Volumens gewonnenen Daten angezeigt werden, entweder in numerischer oder vorzugsweise in graphischer Form, wie es in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist. Der Monitor und Prozessor umfaßt auch ein gesteuertes pneumatisches System, das das Aufblasen und Entleeren der Manschette 10 während der Zeit steuert, in der die Messungen erfolgen, die zur Bestimmung des arteriellen Volumens und der arteriellen Nachgiebigkeit des Patienten führen.
Die Fig. 2a und 2b zeigen einige bevorzugte Techniken zum Anzeigen der Informationen, die durch diese Messungen erhalten werden. Der obere Teil der Anzeige der Fig. 2a ist eine graphische Anzeige des arteriellen Volumens (oder der Fläche) gegen den transmuralen Druck. Wenn die Arterien im peripheren Körperteil vom Blut durchströmt werden, erweitern sie sich, und ihr Volumen nimmt zu, wie es im rechten Teil der Kurve 20 gezeigt ist. Die Höhe des rechten Teils der Kurve 20 stellt den effektiven Radius R des arteriellen Gefäßes dar, wenn das Gefäß mit Blut gefüllt ist. Die Steigung der Kurve 20, dV/dP, gibt die arterielle Nachgiebigkeit wieder, und der Punkt, an dem dV/dP einen maximalen Wert zeigt, wird meist als Spitzenwert der arteriellen Nachgiebigkeit bezeichnet. Der obere Graph der Fig. 2a gibt somit dem Arzt Informationen über das arterielle Volumen, die Nachgiebigkeit und den effektiven arteriellen Radius in dem Körperteil, an dem die Manschette angebracht ist.
Unter der Kurve für das Volumen gegen den Druck befindet sich eine graphische Darstellung der Änderungen im effektiven arteriellen Radius mit der Zeit. Dieser Parameter kann von einem Anästhesisten überwacht werden, um Informationen über die Körperreaktionen bei einer chirurgischen Maßnahme zu erhalten. Die beispielhaft in der Zeichnung gezeigte Kurve 22 von R gegen die Zeit ist im wesentlichen flach, mit Ausnahme des Zeitpunktes, der bei 23 angezeigt ist. Diese Abnahme des Wertes von R kann zum Beispiel mit dem Zeitpunkt korreliert sein, in dem auf den Patienten physisch eingewirkt wurde, etwa durch eine Intubation oder einen Einschnitt. Wenn der Patient zu diesem Zeitpunkt noch nicht voll unter Narkose steht, reagiert das kardiovaskuläre System durch Kontraktion der Arterien des Körpers, weshalb der effektive Radius der arteriellen Gefäße abnimmt. Die Abnahme von R in der Kurve 22 an dieser Stelle zeigt daher dem Anästhesisten an, daß der Patient noch nicht voll unter Narkose steht, und daß zur Sicherheit und für das Wohlbefinden des Patienten weiteres Anästhetikum zugeführt werden muß.
Die Fig. 2b zeigt eine weitere Darstellung des arteriellen Volumens und der arteriellen Nachgiebigkeit, die für einen Anästhesisten von Nutzen sein kann. In dieser Anzeige wird das Volumen gegen den Druck vor dem Verabreichen eines Anästhetikums dargestellt. Diese Kurve des normalen arteriellen Volumens des Patienten ist mit V/P anf. bezeichnet, der anfänglichen Kurve, die mit dem Monitor und Prozessor bestimmt wird. Beim Zuführen eines Anästhetikums reagiert das kardiovaskuläre System des Patienten durch eine Kontraktion oder eine Erweiterung der arteriellen Gefäße. Periodisch wird eine Kurve über das gegenwärtige Volumen gegen den Druck berechnet und wie die anfängliche Kurve angezeigt. Die gegenwärtige Kurve ist in der Fig. 2b mit V/P geg. bezeichnet. Die Anzeige der Fig. 2b ermöglicht daher dem Anästhesisten einen fortlaufenden Vergleich des gegenwärtigen arteriellen Volumens und der arteriellen Nachgiebigkeit mit dem normalen arteriellen Volumen und der normalen Nachgiebigkeit des Patienten vor der Verabreichung des Anästhetikums.
Die Fig. 3a und 3b sind Darstellungen des Querschnitts von Arterien, die die Parameter zeigen, die mit dem Monitor und Prozessor 14 gemessen werden. Der Wert R ist der Radius der Arterie 30, wie es in der Fig. 3a gezeigt ist. Da die Manschette alle arteriellen Gefäße in dem Teil des Gliedes umgibt, an dem es angelegt ist, ist der Wert R nicht der Radius einer bestimmten Arterie, sondern im Ergebnis die Summe der Radien aller Arterien innerhalb der Manschette 10. Das Instrument ergibt daher einen Wert R, der der effektive Radius aller arteriellen Gefäße innerhalb der Manschette ist.
Die Arterie 30 wird durch die arterielle Wand 32 gebildet. Die arterielle Wand ist im wesentlichen aus zwei Substanzen zusammengesetzt, aus Kollagen und glattem Muskelgewebe. Das Kollagen versieht die Arterie mit der erforderlichen Flexibilität, der Fähigkeit, sich zu dehnen und verformen. Diese gummiartige Eigenschaft trägt einen Teil zu der arteriellen Nachgiebigkeit bei, sie ist eine passive Eigenschaft der Arterien. Das Muskelgewebe wird von Nerven kontrolliert, um ein Dehnen und Verformen der Arterie unter der Kontrolle des Nervensystems des Körpers zu ermöglichen. Dieses Dehnen und Verformen ist eine aktive Eigenschaft der Arterie und ebenfalls ein Faktor der arteriellen Nachgiebigkeit.
Das arterielle Volumen und die Nachgiebigkeit werden ja von einer Arteriosklerose oder einem Verhärten der Arterien durch den Aufbau von fettigen Substanzen an der Innenwand der Arterien beeinflußt. Dieser Zustand ist in der Fig. 3b gezeigt, in der die Anlagerung von Substanzen bei 34 dargestellt ist, die die Wand der Arterie bedecken. Die Fähigkeit der Arterie, sich unter dem Einfluß einer arteriellen muskulären Kontraktion oder von Blutdruckänderungen zu dehnen oder zusammenzuziehen, wird von dieser Schicht aus fettigen Substanzen negativ beeinflußt, die eine solche Bewegung verhindern kann. Da die Substanzen auch einen Teil des inneren Volumens der Arterie einnehmen, nimmt der effektive Radius R' des Gefäßes beim Vorhandensein solcher Substanzen ab.
Es ist offensichtlich, daß, wenn der Wert R für eine Arterie oder eine Gruppe von Arterien bekannt ist, eine Berechnung der Querschnittsfläche der Arterie an dieser Stelle durch Lösen der Gleichung A = πR erfolgen kann. Aus dieser Berechnung der Querschnittsfläche der Arterie kann das arterielle Volumen V durch Multiplizieren der Fläche mit l berechnet werden, der Länge der Manschette 10, die die Gefäße mit der effektiven Fläche A umgibt. Eine Messung von V ergibt daher einen Wert für R und umgekehrt.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung zum Durchführen von Messungen des arteriellen Volumens und der Nachgiebigkeit. In der Fig. 4 ist ein Teil 40 des Körpers im Schnitt gezeigt, an den eine Blutdruckmanschette 10 angelegt ist. Die Haut des Körperteils ist bei 41 gezeigt. Der Querschnitt des Körperteils zeigt den Knochen 42 in der Mitte des Körperteils und eine Arterie 44, die durch den Körperteil verläuft. Die Arterie 44 ist während des Durchfließens von Blut erweitert dargestellt, bevor die Manschette angelegt und aufgeblasen wird. Nach dem Aufblasen der Manschette auf einen maximalen Druck ist die Arterie geschlossen, wie es bei 44' dargestellt ist.
Die Manschette 10 ist durch eine pneumatische Schlauchleitung mit einer Pumpe 50 verbunden. Die Pumpe 50 pumpt die Manschette 10 zu Beginn des Meßzyklusses auf. Die Anordnung der Fig. 4 ist durch die Aufnahme einer Kalibrierkammer 54, die mit dem pneumatischen System verbunden ist, so modifiziert, daß sie den Prozeß des eingangs erwähnten "Hartsafe Produktkonzepts" ausführen kann. Wie oben erläutert, wird zu Beginn des Aufblaszyklusses die Pumpe 50 gestoppt und ein ml Luft in das pneumatische System der Manschette injiziert. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kolben 56 in der Kammer 54 nach recht verschoben wird, um ein ml Luft aus der Kammer zu schieben. Wenn die Elemente des pneumatischen Systems im wesentlichen nicht nachgiebig sind, wird dieses eine ml Luft den Körperteil 40 um ein ml zusammendrücken. Wenn angenommen wird, daß die Natur des Gewebes und der Strukturen innerhalb des Körperteils im wesentlichen die einer Flüssigkeit ist und damit im wesentlichen nicht nachgiebig, bewirkt die Verschiebung des Kolbens das Verschieben von einem ml Blut aus dem Gefäßsystem innerhalb der Begrenzung der Manschette. Durch das Messen des Drucks vor und nach dieser Injektion von Luft berechnet der Prozeß des "Hartsafe Produktkonzepts" einen Kalibrierfaktor zu Beginn des Meßzyklusses. Die Pumpe pumpt dann die Manschette auf, um die arteriellen Gefäße wie bei 44' gezeigt vollständig zu verschließen, woraufhin der Druckverringerungszyklus beginnt. Bei der Druckverringerung öffnet und schließt sich ein Ablaßventil, um stufenweise Luft aus dem pneumatischen System abzulassen. Die Ergebnisse der von einem Druckwandler PT an jeder Druckstufe durchgeführten Messungen werden zusammen mit dem Manschettendruckpegel gespeichert und später bei einer Signalkonditionierung (Verarbeitung) am Ende des Druckverringerungszyklusses verwendet.
Die Anordnung der Fig. 4 ist wegen der Aufnahme der Kalibrierkammer 54 hinsichtlich der pneumatischen Struktur, der Steuerung und der Arbeitsweise kompliziert. Auch wird der Kalibrierschritt nur einmal zu Beginn des Aufblaszyklusses ausgeführt. Die Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Meßsystem für das periphere arterielle Volumen und die Nachgiebigkeit, das hinsichtlich des Aufbaus und der Arbeitsweise nicht so kompliziert ist. In der Fig. 5 ist die Blutdruckmanschette 10 um den Oberschenkel 60 des Patienten gelegt, der im Schnitt dargestellt ist. Der Oberschenkelknochen 62 ist in der Mitte des Oberschenkels gezeigt und die Hautlinie des Oberschenkels bei 61. Die Oberschenkelarterie ist bei 64 im nicht verschlossenen Zustand und bei 64' im verschlossenen Zustand gezeigt. Die Manschette 10 ist über eine pneumatische Schlauchleitung 12 mit einer Pumpe 50, einem Druckwandler PT und einem Druckablaßventil 52 verbunden. Am Auslaß des Druckablaßventils befindet sich eine Öffnung 66 mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche.
Im Gebrauch wird das pneumatische System der Fig. 5 auf die herkömmliche Weise wie etwa der automatische Blutdruckwächter Critikon Dinamap 8100 mit stufenweise verringertem Druck betrieben. Die Manschette 10 wird von der Pumpe 50 auf einen Druck aufgeblasen, der über dem systolischen Druck liegt und der ausreicht, die Arterie 64' vollständig zu verschließen. Der Manschettendruck wird stufenweise verringert, und die Manschettendrücke und die Oszillationspulse werden vom Druckwandler aufgezeichnet. Zwei der Druckstufen des Druckverringerungszyklusses sind in der Fig. 6 gezeigt. Die Manschettendrücke sind in den beiden Stufen gleich P&sub1; bzw. P&sub2;, und die Oszillationspulse sind als Posz dargestellt. Der Manschettendruck wird in Stufen von etwa 8 mm Hg verringert. Da die vom pneumatischen System abgegebene Luft durch eine Öffnung mit bekannter Größe entweicht, kann das Volumen der zwischen den Stufen abgegebenen Luft aus der aus dem Gasgesetz PV = nRT abgeleiteten Strömungsgleichung bestimmt werden, wobei P der Druck, V das Volumen, n die Avogadrosche Konstante, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist. Da der Druck auf der Außenseite der Öffnung der Atmosphärendruck der Umgebung ist und der Druck auf der Seite des Ablaßventils der Öffnung der Manschettendruck, wenn das Ablaßventil offen ist, wie er vom Druckwandler relativ zum Umgebungsdruck gemessen wird, kann der Gasfluß bei Kenntnis der Größe der Öffnung und der Zeit, für die das Ablaßventil offen ist, berechnet werden. Die Zeit, für die das Ablaßventil offen ist, ist in der Fig. 6 als Δt dargestellt.
Bei einer aufgebauten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Fluß der Luft aus dem pneumatischen System aus der Gleichung
FLUSS = [(760+P)/760] [(eYln(760/(760+P)))½ - (e1,71 ln(760/(760+P)))]
berechnet, wobei P der Druck an der Öffnung, die Zahl 760 ein Einstellfaktor für den nominellen barometrischen Druck und die adiabatische Konstante ist. Der Fluß durch eine Öffnung mit 1 cm² als Funktion des Druckes an der Öffnung bei einem typischen Druckverringerungszyklus ist in der Fig. 9 graphisch dargestellt. Andere bekannte Verfahren zum Messen des Flusses eines Fluids können auch angewendet werden; zum Beispiel kann der Fluß auch empirisch abgeschätzt werden, wenn die Öffnung bei einer gegebenen Ausführungsform nicht den theoretischen Modellen entspricht.
Nachdem der FLUSS zwischen den einzelnen Stufen festgestellt ist, kann das Luftvolumen ΔVn, das bei jedem Schritt entfernt wird, aus der Gleichung
ΔVn = Aeq FLUSSn Δtn
berechnet werden, wobei Aeq die äquivalente Fläche der Öffnung, FLUSSn die Durchflußrate zwischen zwei Druckstufen und Δtn die Zeit ist, für die das Ablaßventil zwischen den beiden Druckstufen offen ist. Der FLUSS ist aus der vorstehenden Gleichung bekannt, die äquivalente Fläche der Öffnung ist bekannt, und die Zeit, für die das Ablaßventil offen ist, wird mit einer Digitaluhr gemessen, die während der Zeit läuft, für die das Ventil offen ist. Da die Berechnung des FLUSSES auf der Basis der bekannten Öffnung und des dann anliegenden Drucks für jeden Druckverringerungsschritt erfolgt, ist für die berechneten Werte keine Rekalibrierung oder Modifikation erforderlich.
Aus den vorstehenden Daten kann der Verhältnis der Werte von ΔVn zu den jeweiligen Manschettendruckdifferenzen, zu denen sie erhalten wurden, gebildet werden. Das Verhältnis ist von der Form PΔVn/ΔPdecr n,
wobei ΔPdecr für die jeweilige Druckstufe gleich P&sub1; - P&sub2; ist. Aus diesem Verhältnis und den aufgezeichneten Werten von Posz können die Volumenoszillationen aus dem Ausdruck
Vosz n = Posz n ΔVn/ΔPdecr
für jede Stufe berechnet werden. Der in jeder der Stufen verwendete Wert von Posz n kann wegen der nur geringen Änderung der Oszillationspulsamplitude von einem Schritt zum nächsten die Amplitude der Oszillationspulse im Schritt P&sub1;, im Schritt P&sub2; oder ein Mittelwert aus den beiden Werten sein. Welcher Wert auch immer verwendet wird, er wird konsequent über den vollen Bereich der Stufen verwendet. In der Fig. 10 sind Kurven für Vosz und die Oszillationspulse als Funktion des Manschettendrucks gezeigt.
Mit diesen Werten für die Volumenoszillationen im Druckverringerungsschritt kann nun in einem zweistufigen Vorgang die Kurve für das arterielle Volumen berechnet werden. Der erste Schritt ist die Berechnung einer Kurve, die hier als Rekonstruktionskurve bezeichnet wird und die aus der Kenntnis der Werte von Vosz n und der Werte des systolischen und des diastolischen Blutdrucks abgeleitet wird, die auf herkömmliche Weise mit einem Dinamap -Gerät bestimmt werden. Die Kurve für das arterielle Volumen wird dann mittels einer Koordinatensystemtransformation berechnet, mit der die Rekonstruktionskurve, die als Manschettendruck bezeichnet wird, bezüglich des systolischen Drucks in den arteriellen transmuralen Druck umgewandelt wird. Die Gleichung für die Berechnung der Rekonstruktionskurve ist von der Form
Rekonn(PMan) = Vosz n(PMan) + Rekonn(PMan + S - D),
wobei S der systolische Druck und D der diastolische Druck ist und die Differenz des systolischen minus des diastolischen Drucks hier als Pulsdruck bezeichnet wird. Es ist bekannt, daß
Rekonn(PMan + S - D) = 0
ist, wenn (PMan + S - D) größer als PMan max ist, wobei PMan max der maximale Manschettendruck ist, der bei der jeweiligen Messung verwendet wird. Dies ergibt sich aus der Kenntnis, daß beim maximalen Manschettendruck die Arterien in dem Körperteil vollständig verschlossen sind. Die Gleichung für die Rekonstruktionskurve enthält auf beiden Seiten der Gleichung den Wert Rekonn. Die Gleichung wird daher rekursiv für n = 1 ... N gelöst, wobei 1 ... N die Druckverringerungsstufen sind. Durch die gestrichelte Kurve Rekon in der Fig. 11 ist zum Vergleich mit der Kurve Vosz in der Fig. 10 eine graphische Darstellung der Punkte Rekonn(PMan) als Funktion des Manschettendruckes gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Kurve von Rekon mit der Kurve Vosz oberhalb und in der Nähe des systolischen Drucks konvergiert.
Mit den Datenpunkten Rekonn kann das arterielle Volumen dadurch als Funktion des transmuralen Drucks berechnet werden, daß im Ergebnis die Rekon-Kurve um die Achse des systolischen Drucks transformiert wird. Die Gleichung zum Ausführen dieser Transformation ist von der Form
Ptransmural = systolischer Druck - PMan.
Die mit dieser Transformation erzeugte Kurve des arteriellen Drucks ist im allgemeinen von der Form der Kurve 20 in der Fig. 2a und der Form der Kurven der Fig. 2b.
Aus den Datenpunkten, die zum Darstellen und Anzeigen der Kurve des arteriellen Volumens verwendet wurden, läßt sich leicht die Anzeige der Fig. 2a entwickeln. Der Bezugspunkt für R und dV/dP kann auf verschiedene Arten gewählt werden. Der Monitor kann auf herkömmliche Weise den mittleren arteriellen Druck berechnen und den Wert des mittleren arteriellen Drucks als den Druck verwenden, für den R und dV/dP bestimmt und angezeigt werden. Alternativ kann der Druck, bei dem dV/dP maximal ist, der Spitzenwert der arteriellen Nachgiebigkeit, als Bezugsdruck für R und dV/dP verwendet werden. Als eine dritte Alternative wählt der Arzt auf der Abszisse der oberen Kurve der Fig. 2a als Druck für R und dV/dP einen Wert für den transmuralen Druck. Dann kann die Steigung der Kurve am gewählten Druckpunkt berechnet werden, um die arterielle Nachgiebigkeit dV/dP zu bestimmen, und die Amplitude der Kurve für das Volumen beim gewählten Druck ergibt den Wert für R.
Während einer chirurgischen Maßnahme wird das Instrument wiederholt automatisch betätigt und jedesmal ein Wert R festgestellt. Der Wert R kann dann als Funktion der Zeit angezeigt werden, wie es in der Fig. 2a unten dargestellt ist. Alternativ kann die Volumenkurve, die zu Beginn einer chirurgischen Maßnahme berechnet wurde, gespeichert und zusammen mit der neuesten berechneten Kurve in der Form der Fig. 2b kontinuierlich angezeigt werden.
Eine andere Anzeige, die mit diesen Daten erhalten werden kann und die für einen Arzt von Nutzen sein kann, ist eine Kurve von dV/dP gegen die Zeit, die Veränderungen in der arteriellen Nachgiebigkeit des Patienten während einer chirurgischen Maßnahme zeigt. Um die Wirksamkeit des kardiovaskulären Systems eines Patienten darzustellen, wird bei einer anderen Alternative R (oder die arterielle Fläche oder das Volumen) als eine Funktion der Größe des Körperteils angezeigt. Die Größe des Körperteils wird durch Messen des Umfangs des Körperteils erhalten, an dem die Manschette angebracht ist, wobei diese Information in den Monitor und Prozessor 14 eingegeben wird. Das Verhältnis dieses Umfangs (oder der berechnete Radius des Körperteils oder die Querschnittsfläche) zu R (oder der arteriellen Fläche oder dem Volumen) ergibt eine Anzeige der kardiovaskulären Wirksamkeit.
Alternativ zur Öffnung der Fig. 5 kann ein Flußmeter zum Messen des Flusses der ausgestoßenen Luft verwendet werden, um eine direkte Messung des Flußvolumens am Ausgang des Ablaßventils 52 zu erhalten. Eine andere alternative Ausführungsform ist die Verwendung eines Übergangsvolumens bekannter Größe, wie es in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Das Übergangsvolumen umfaßt den ganzen Raum zwischen einem Zwischen- Auslaßventil 52a und dem Ablaßventil 52. Die Größe des bei 58 angezeigten Behälters ist so gewählt, daß sich für das gesamte Übergangsvolumen der gewünschte Wert ergibt. Um den Druck in der Manschette 10 zu verringern, wird nach einem vorhergehenden Schließen des Auslaßventiles 52a das Ablaßventil 52 geschlossen. Die Luft im Übergangsvolumen zwischen den beiden Ventilen befindet sich nun auf Atmosphärendruck. Dann wird das Auslaßventil 52a geöffnet, und das Übergangsvolumen wird mit dem Manschettendruck unter Druck gesetzt, der aufgrund der Expansion der unter Druck stehenden Luft in das Übergangsvolumen auf Ptr sinkt. Mit der Kenntnis des vorhergehenden Manschettendrucks P&sub1; und des neuen Manschettendrucks Ptr, der mit dem Druckwandler gemessen wird, und mit dem bekannten Volumen Vtr des Übergangsvolumens läßt sich das Volumen der unter Druck stehenden Luft, das in das Übergangsvolumen übergegangen ist und aus der Manschette verschwunden ist, aus dem Gasgesetz
ΔVtr = ΔVc = Vtr[1 - (760/(760+Ptr))1/ ]
leicht berechnen, wobei ΔVc das aus der Manschette entfernte Luftvolumen beim Druck Ptr und Ptr in mm Hg ist. Dieses übertragene Volumen weist eine Beziehung zur Druckabnahme auf, die gleich
ΔVtr/(P1 - Ptr)
ist, wodurch ein Faktor gebildet wird, mit dem die Volumenoszillation auf der Basis pro Druckabnahmeschritt berechnet werden kann:
Vosz = [ΔVtr/(P&sub1; - Ptr)]n Posz n.
Dann wird das Ablaßventil 52 geöffnet, so daß beide Ventile offen sind. Die Luft entweicht aus dem pneumatischen System der Manschette, wobei der Druckwandler überwacht wird, bis der Druck den Pegel P&sub2; erreicht, an dem das Auslaßventil 52a geschlossen wird. Daraufhin wird auch das Ablaßventil 52 geschlossen, um das Übergangsvolumen in Vorbereitung für den nächsten Druckverringerungsschritt auf Atmosphärendruck zu stabilisieren. Die Übertragungsvolumentechnik wird vorteilhaft dann angewendet, wenn eine Gesamtdruckstufe P&sub1;-P&sub2; verwendet werden soll, wie es bei einem Standard-Blutdruckwächter wie dem Dinamap 8100 üblich ist, bei dem Druckabnahmestufen von etwa 8 mm Hg angewendet werden. Das arterielle Volumen und die arterielle Nachgiebigkeit werden daher im Laufe einer normalen Blutdruckmessung erhalten, die mit einem automatisierten, nichtinvasiven Standard-Blutdruckwächter erfolgt.

Claims

1. Instrument zum Ausführen von Messungen des arteriellen Volumens, mit

einer aufblasbaren Manschette (10);

einer mit der Manschette verbundenen Einrichtung (50, 52) zum Aufpumpen und Entleeren der Manschette; und mit

einer Einrichtung (PT) zum Feststellen der Druckwerte innerhalb der Manschette;

dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument außerdem umfaßt

eine mit der die Manschette aufpumpenden und entleerenden Einrichtung gekoppelte Einrichtung (66, 58) zum Abgeben von Luft aus der Manschette in einer quantifizierbaren Weise; und

eine Einrichtung zum Bestimmen des arteriellen Volumens als Funktion des aus der Manschette abgegebenen Luftvolumens und der festgestellten Druckwerte.

2. Instrument nach Anspruch 1, wobei die mit der die Manschette aufpumpenden und entleerenden Einrichtung (50, 52) gekoppelte Einrichtung (66, 58) zum Abgeben von Luft aus der Manschette in einer quantifizierbaren Weise eine Öffnung (66) bekannter Abmessungen umfaßt.

3. Instrument nach Anspruch 1, wobei die mit der die Manschette aufpumpenden und entleerenden Einrichtung (50, 52) gekoppelte Einrichtung (66, 58) zum Ausstoßen von Luft aus der Manschette in einer quantifizierbaren Weise ein Gefäß (58) bekannten Volumens zum Überführen von Druckluft aus der Manschette umfaßt.

4. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zum Kalibrieren der volumetrischen Bestimmungseinrichtung einschließlich einer Einrichtung zum Messen des aus der Manschette während der Entleerung der Manschette entfernten Luftvolumens.

5. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit der Einrichtung (50, 52) zum Aufpumpen und Entleeren der Manschette gekoppelten Einrichtung zum Bestimmen der zunehmenden Mengen an aus der Manschette (10) entfernter Luft.

6. Instrument nach Anspruch 5, mit

einer Einrichtung zum Bestimmen der Luftabnahme in der Manschette (10) als Funktion des Manschettendrucks;

einer auf die bestimmte Luftabnahme ansprechenden Einrichtung zum Errechnen der Werte des Oszillationsvolumens; und mit

einer Einrichtung zum Errechnen des arteriellen Volumens als Funktion der Werte des Oszillationsvolumens und des Manschettendrucks.

7. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit

einer Einrichtung zur Darstellung der arteriellen Kapazität als Funktion des Druckes; und mit

einer Einrichtung zur Darstellung der arteriellen Kapazität als Funktion der Zeit.

8. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit

einer Einrichtung zur Darstellung der arteriellen Kapazität vor dem Einführen einer Substanz in den Blutstrom; und mit

einer Einrichtung zum Darstellen einer Vergleichsbasis für die arterielle Kapazität nach dem Einführen einer Substanz in den Blutstrom.

9. Verfahren zum Bestimmen des arteriellen Volumens, mit den Schritten

des Aufpumpens einer um den Umfang eines Teils (60) des Körpers herum angebrachten Manschette (10);

des stufenweisen Entleerens der Manschette; und

des Feststellens des Drucks in der Manschette während des Entleerens der Manschette;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte

des Bestimmens der stufenweise aus der Manschette (10) entfernten Luftmengen (10) während des Entleerens der Manschette, und

des Bestimmens des arteriellen Volumens als Funktion des aus der Manschette ausgestoßenen Luftvolumens und des festgestellten Druckes umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der die Bestimmung betreffende Schritt das Messen des Luftstromes durch eine Öffnung (66) bekannter Abmessungen umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der die Bestimmung betreffende Schritt das Messen des aus der Manschette zu einern Gefäß (58) bekannten Volumens überführten Luftvolumens umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt der Errechnung des arteriellen Volumens des peripheren Körperteils (60) als Funktion des Manschettendrucks.

13. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt der Errechnung des arteriellen Volumens des peripheren Körperteils (60) als Funktion des transmuralen Druckes.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Errechnungsschritt den Schritt der Errechnung des arteriellen Volumens des peripheren Körperteils (60) als Funktion des systolischen Druckes umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 91 ferner umfassend den Schritt der Errechnung des Oszillationsvolumens als Funktion der stufenweise aus der Manschette (10) abgeführten Luftmengen und der festgestellten Drücke innerhalb der Manschette; den Schritt der Bestimmung des systolischen und des diastolischen Druckes als Funktion der festgestellten Drücke in der Manschette; und den Schritt der Errechnung der arteriellen Dehnbarkeit als eine Funktion des Oszillationsvolumens, des Manschettendruckes, des diastolischen Drucks und des systolischen Drucks.