Nieinwazyjna ocena układu krążenia z wykorzystaniem elektrycznej bioimpedancji klatki piersiowej

Przemysław Guzik, Bartosz Bychowiec, Henryk Wysocki Katedra i Klinika Intensywnej Terapii Kardiologicznej Akademii Medycznej im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Nieinwazyjna ocena układu krążenia z wykorzystaniem elektrycznej bioimpedancji klatki piersiowej Noninvasive assessment of cardiovascular system with the use of thoracic electrical bioimpedance Electrical bioimpedance is a technique measuring the electrical conductivity of thoracic cavity and it allows for a noninvasive assessment of various hemodynamic data. In this way cardiac output, stroke volume, pre-ejection period, left ventricle time, thoracic fluid content and total vascular resistance can be measured continuously in a beat to beat manner. Thoracic electrical bioimpedance is an effective and easy to use tool for clinical and physiological studies. The use of TEB is associated with low risk of complications, high reproducibility and low costs. Key words: thoracic electrical bioimpedance, cardiac output, stroke volume, circulatory system Elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej (TEB, thoracic electrical bioimpedance) jest metodą pozwalającą w sposób nieinwazyjny badać zachowanie podstawowych parametrów hemodynamicznych, np. rzutu serca (CO, cardiac output), objętości wyrzutowej (SV, stroke volume), obwodowego oporu naczyniowego (SVR, systemic vascular resistance), czasu skurczu izowolumetrycznego, czasu wyrzutu krwi z lewej komory czy też zawartości płynu w klatce piersiowej [1 3]. Technika TEB opiera się na pomiarze zmian przewodności elektrycznej prądów o wysokich częstotliwościach w klatce piersiowej [1, 4 26]. Ciało ludzkie jest wypełnione różnego rodzaju naturalnymi przewodnikami i opornikami. Tkanką najlepiej przewodzącą prąd elektryczny są płyny ustrojowe. Krew zawarta w dużych naczyniach składa się z osocza, które w ustroju człowieka najlepiej przewodzi prąd elektryczny, oraz znacznie gorzej przewodzących elementów morfotycznych o większej oporności elektrycznej. Chwilowe zmiany ilości krwi oraz uporządkowanie elementów morfotycznych związane z pracą serca, a także grą naczyniową, określają chwilową oporność klatki piersiowej (ryc. 1A, B) [27]. Technika TEB traktuje śródpiersie (jego płyny) jako swego rodzaju układ przewodzący, którego bioimpedan- A B SKURCZ ROZKURCZ Rycina 1. Zachowanie się elementów morfotycznych krwi w osoczu podczas: A. Skurczu (erytrocyty ukierunkowane zgodnie dobre przewodnictwo); B. Rozkurczu (erytrocyty przypadkowo ukierunkowane złe przewodnictwo) Adres do korespondencji: dr med. Przemysław Guzik Katedra i Klinika Intensywnej Terapii Kardiologicznej AM im. K. Marcinkowskiego ul. Przybyszewskiego 49, 60 355 Poznań tel.: (0 prefiks 61) 869 13 91; faks: (0 prefiks 61) 869 16 89; e-mail: pguzik@ptkardio.pl Forum Kardiologów 2003, 8, 1, 29 33 Copyright 2003 Via Medica, ISSN 1425 3674 29

Forum Kardiologów 2003, tom 8, nr 1 EKG dz/dt Czas Rycina 2. Krzywe EKG, zmiany impedancji DZ CARDIAC oraz pierwsza pochodna krzywej impedancji dz/dt u zdrowej osoby. Q początek depolaryzacji komorowej, B otwarcie zastawki płucnej i aortalnej, C maksymalne odchylenie krzywej dz/dt (dz/dt MAX ), X zamknięcie zastawki aortalnej, Y zamknięcie zastawki płucnej. Czas skurczu izowolumetrycznego (PEP) jest mierzony od Q do B, natomiast czas wyrzutu krwi z lewej komory (LVET) od punktu B do X (Dzięki uprzejmości J.P. Turnera z firmy CardioDynamics, USA) cja rozumiana jako opór żywych tkanek będzie zależeć od ilości, prędkości i kierunku przepływu krwi. Podczas skurczu część zawartości serca przemieszcza się do aorty. Ściana aorty rozszerza się, aby dostosować swoją objętość do zwiększonej ilości napływającej krwi. W czasie tego procesu erytrocyty zostają uporządkowane w tym samym kierunku dzięki siłom kinetycznym, co w znacznej mierze minimalizuje ich opór wobec osocza. Opisane zmiany zwiększają ilość i prędkość krwi wewnątrz aorty, powodując wzrost przewodności elektrycznej, tj. bioimpedancji. Podczas rozkurczu, ze względu na brak sił wprawiających komórki w ruch, erytrocyty ustawiają się w sposób przypadkowy, co powoduje zwiększoną oporność i gorsze przewodnictwo elektryczne [27]. Jakakolwiek chwilowa zmiana w ukierunkowaniu i ilości czerwonych krwinek, a także objętości krwi przepływającej przez naczynia będzie w tych warunkach determinować wielkość impedancji. Wzrostowi ilości krwi przepływającej przez aortę towarzyszy poprawa przewodnictwa klatki piersiowej i spadek wartość bioimpedancji, zaś w chwili zmniejszenia ilości krwi w aorcie oporność elektryczna wzrasta. Na podstawie zmian wartości bioimpedancji w czasie można sporządzić wykres odpowiadający krzywej objętości i przepływów w aorcie (ryc. 2). Uzyskana krzywa stanowi podstawę do wyliczeń objętości wyrzutowej serca i pochodnych parametrów [27]. Do pomiaru używa się podwójnych elektrod (nadawczych i odbiorczych), o rozstawie 180 stopni, lokalizowanych na ciele pacjenta u podstawy szyi oraz na tułowiu w linii pachowej środkowej na wysokości wyrostka mieczykowatego mostka (ryc. 3). Doprowadzony przez elektrody nadawcze (zewnętrzne) prąd o natężeniu rzędu 2,5 4,0 ma i o częstotliwości 70 khz jest odbierany przez elektrody odbiorcze (wewnętrzne) rejestrujące sygnał EKG oraz zmiany bioimpedancji elektrycznej [27]. W celu wyeliminowania wpływu miejscowej impedancji pomiędzy skórą a elektrodą, mogącej zniekształcać wynik pomiarów, wszystkie nowoczesne urządzenia TEB są wyposażone w układ elektrod tetrapolarnych, rozdzielających prąd pomiarowy wysyłany do ciała pacjenta (elektrody nadawcze) od elektrod odbiorczych, odległość 5 cm. Odkrycia kardiografii impedancyjnej dokonano pod koniec lat 30. dwudziestego wieku [24]. Systematyczne badania nad technologią TEB rozpoczęto w późnych latach 60. tego stulecia, kiedy to National Aeronautics Space Administration użyła tej metody do monitorowania astronautów podczas misji kosmicznej statku Apol- 30

Nieinwazyjna ocena układu krążenia z wykorzystaniem TEB Elektrody zewnêtrzne wysy³aj¹ impulsy Elektrody wewnêtrzne pomiar bioimedancji Rycina 3. Lokalizacja elektrod na ciele pacjenta podczas elektrycznej bioimpedancji klatki piersiowej (TEB). Zmodyfikowane na podstawie ryciny z: http://www.bioz.com lo [24, 25, 28]. Wczesne zastosowanie TEB, pomimo systematycznego zawyżania wartości CO, okazało się satysfakcjonujące u zdrowych osób w stabilnych warunkach hemodynamicznych. Jednak u chorych w ciężkim stanie oraz z zaawansowaną niedomykalnością zastawki aortalnej metoda ta nie była ani wystarczająco dokładna i powtarzalna, ani wiarygodna [18, 25]. Rozwój wiedzy o fizjologii człowieka i znamienny postęp technik komputerowych w ostatnich latach sprawiły, że ponownie zainteresowano się elektryczną bioimpedancją klatki piersiowej jako metodą monitorowania stanu układu krążenia. Nie bez znaczenia była również zmiana używanego w obliczeniach matematycznego modelu klatki piersiowej, modyfikacja i ulepszenie formuł wykorzystywanych w tych rachunkach [18]. Wcześniejsze równanie Kubiceka, będące podstawą formuł wykorzystywanych w TEB, zastąpiono zmienionym przed kilkunastu laty wzorem Srameka i Bernsteina [1, 11, 18, 25]. Zmiany te zaowocowały powrotem do technologii kardiografii impedancyjnej jako wiarygodnego, nieinwazyjnego narzędzia służącego do monitorowania hemodynamicznego stanu układu krążenia. Szczególną zaletą tej metody okazała się powtarzalność. Już od początku prac nad kardioimpedancją przeprowadzono wiele badań porównujących TEB z innymi, głównie inwazyjnymi metodami służącymi do pomiaru parametrów hemodynamicznych [1, 7 19, 23 25, 29, 32, 33]. Metody inwazyjne wymagają cewnikowania prawej lub lewej części serca. Prawa komora zwykle cewnikowana jest z zastosowaniem cewnika Swana-Ganza z pływającym balonem, który po napełnieniu przemieszcza się z prądem krwi do gałęzi pnia płucnego. Cewnik Swana-Ganza może być wprowadzany w sposób bezpieczny nawet u ciężko chorych. Wysoki koszt badania, ryzyko potencjalnych powikłań oraz duże prawdopodobieństwo nieprawidłowego działania ograniczają jednak dłuższe stosowanie tego cewnika do pomiarów hemodynamicznych do grupy wybranych pacjentów. Ponadto, do założenia cewnika Swana-Ganza są wymagane warunki jałowe, najlepiej sali operacyjnej, oraz odpowiednie doświadczenie personelu medycznego. Inne metody inwazyjne oparte na cewnikowaniu lewej komory wykorzystuje się np. podczas zabiegów angiografii tętnic wieńcowych bądź wentrykulografii [2 5, 15, 24, 33]. Aktualnie najczęściej używaną metodą klinicznej oceny rzutu serca jest termodylucja. Konieczność umieszczenia specjalnego cewnika w tętnicy płucnej sprawia, że stosowanie tej metody jest jednak ograniczone. Pomimo powszechnego uznania termodylucji jako metody referencyjnej w warunkach klinicznych charakteryzuje się ona błędem pomiaru rzędu 15 20% i u chorych z niskimi przepływami często zawyża wielkość rzutu serca. Poza tym termodylucja jest techniką kosztowną i choć pozwala na seryjne dokonywanie pomiarów hemodynamicznych, nie nadaje się do ciągłego monitorowania stanu układu krążenia, np. z uderzenia na uderzenie [4, 5, 10, 11, 13, 15, 24 26, 33, 34]. Wartości parametrów hemodynamicznych określanych dzięki kardiografii impedancyjnej wykazują wysoką korelację z analogicznymi danymi uzyskanymi przy użyciu innych technik (współczynnik korelacji wynosi 0,84 0,96). Zgodność uzyskanych wyników TEB z innymi metodami potwierdzono zarówno u zdrowych osób w różnych warunkach fizjologicznych, w przebiegu ciąży i porodu, a także u pacjentów we wstrząsie, po urazach, z niewydolnością krążenia, niewydolnością nerek, po operacjach kardiochirurgicznych i w wielu innych sytuacjach. U osób w stanie krytycznym porównano na przykład wyniki pomiarów termodylucji, najczęściej stosowanej metody oceniającej rzut serca, z bioimpedancją. Oba badania przeprowadzano równocześnie, co pozwoliło na dokładną analizę rozbieżności pomiędzy otrzymanymi wynikami. Bardzo ciężki stan pacjentów był następstwem różnych sytuacji, takich jak: wypadki komunikacyjne, rany postrzałowe, urazy głowy, posocznica, niewydolność krążenia, przełom nadciśnieniowy, hipotonia w przebiegu kwasicy ketonowej u chorych na cukrzycę, przedawkowanie narkotyków, a także napady stanu astmatycznego. Porównano prawie 900 par jednocześnie zarejestrowanych wyników, otrzymując wysoką korelację pomiędzy ocenianymi metodami (r = 0,86) [8]. Przydatność bioimpedancji potwierdzono także w grupie kobiet ciężarnych w stanie zagrożenia rzucawką porodową lub z rzucawką objawową. Technika TEB okazała się bezpieczna dla matki i dziecka, a uzyskane wyniki w sposób wiarygodny określały stan układu krążenia. W ostatnim 31

Forum Kardiologów 2003, tom 8, nr 1 czasie ukazały się publikacje prezentujące wykorzystanie bioimpedancji elektrycznej w czasie hemodializy, a także w celu kontroli opornego na leczenie nadciśnienia tętniczego [27]. Badanie TEB można przeprowadzać w sposób ciągły, analizując każde uderzenie serca (beat-to-beat) [11, 27]. Możliwość wykorzystania TEB do ciągłego monitorowania hemodynamicznego (z uderzenia na uderzenie), prostota obsługi, niewielkie ryzyko powikłań i duża powtarzalność sprawiają, że kardiografia impedancyjna staje się atrakcyjnym narzędziem do badań fizjologicznych układu krążenia oraz autonomicznego układu nerwowego [1, 25]. Jak każda metoda, także i bioimpedancja elektryczna ma jednak pewne ograniczenia. Niektórzy autorzy twierdzą, że korelacja pomiędzy TEB a termodylucją obniża się w przypadku pacjentów poddawanych operacjom na otwartym sercu i aorcie. Wynika to prawdopodobnie z przesunięć płynów i manipulacji aortą podczas takiego zabiegu, a także ze zmian wartości hematokrytu. Wykazano, że mechaniczna wentylacja płuc nie wpływa istotnie na rezultaty pomiarów. Część autorów poddaje także w wątpliwość wyniki uzyskiwane u chorych z rozrusznikami serca oraz u osób z tachykardią [26]. Mniejszą dokładność i przydatność kardiografii impedancyjnej sygnalizują klinicyści w przypadkach monitorowania chorych po pomostowaniu aortalno-wieńcowym (CABG, coronary artery bypass grafting). Parametry hemodynamiczne wyznaczane tą metodą w pierwszych 12 godzinach po zabiegu wykazywały niższe wartości w porównaniu z badaniami inwazyjnymi [8, 10]. Jednak postęp technik komputerowych, a także poprawa równań służących do wyliczania CO sprawiają, że coraz częściej uzyskuje się w pełni wiarygodne wyniki [27]. Aktualnie na rynku istnieje wiele firm posiadających w swojej ofercie aparaturę do pomiaru bioimpedancji. Główne różnice pomiędzy oferowanymi przyrządami polegają m.in. na zmiennej częstotliwości stosowanych impulsów prądowych, różnej liczbie stosowanych elektrod, ilości i różnorodności dostępnych w badaniu parametrów hemodynamicznych. Zakres używanych częstotliwości waha się między 1,5 khz a 100 khz. Elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej nie wymaga dużych umiejętności i może być stosowana zarówno w domu pacjenta, w warunkach stacji kosmicznej, na polu bitwy czy też w szpitalnej izbie przyjęć. Wynika to przede wszystkim z prostoty obsługi i niewielkiej wagi urządzenia. Pomiary można wykonywać przy łóżku chorego, a wysoka korelacja z innymi metodami oraz niezwykle niski koszt badania (koszt cewnikowania w USA ponad 2000 $, bioimpedancji 30 $) czyni TEB alternatywną techniką służącą ocenie parametrów hemodynamicznych [25]. Uważa się, że rozpowszechnienie kardioimpedancji może spowodować, iż rzut serca stanie się kolejnym parametrem życiowym powszechnie ocenianym już w izbie przyjęć. Aktualnie TEB jest metodą nieinwazyjną, która została uznana przez American College of Cardiology jako wiarygodna i dająca możliwość ciągłego i długotrwałego pomiaru rzutu serca u wielu pacjentów z zaburzeniami kardiologicznymi [27]. Elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej (TEB) jest metodą pozwalającą w sposób nieinwazyjny badać zachowanie podstawowych parametrów hemodynamicznych, np. rzutu serca (CO), objętości wyrzutowej (SV), obwodowego oporu naczyniowego (SVR), czasu skurczu izowolumetrycznego, czasu wyrzutu krwi z lewej komory czy też zawartości płynu w klatce piersiowej. Technika TEB opiera się na pomiarze zmian przewodności elektrycznej prądów o wysokich częstotliwościach w klatce piersiowej. Badanie TEB można przeprowadzać w sposób ciągły, analizując każde uderzenie serca. Możliwość wykorzystania TEB do ciągłego monitorowania hemodynamicznego, prostota obsługi, niewielkie ryzyko powikłań i duża powtarzalność sprawiają, że kardiografia impedancyjna staje się atrakcyjnym narzędziem do badań diagnostycznych i fizjologicznych układu krążenia oraz autonomicznego układu nerwowego. Słowa kluczowe: bioimpedancja elektryczna klatki piersiowej, rzut serca, objętość wyrzutowa, układ krążenia PIŚMIENNICTWO 1. Cybulski G. Analiza przebiegu reakcji hemodynamicznej na czynną pionizację u ludzi z zastosowaniem reokardiografii impedancyjnej: wpływ wieku i treningu fizycznego. Praca doktorska. Zakład fizjologii stosowanej Instytutu Centrum Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej Polskiej Akademii Nauk. Warszawa 1990. 2. Little W.C., Braunwald E. Assessment of cardiac function. W: Braunwald E. red. Heart Disease. A textbook of cardiovascular medicine. W.B. Saunders Company 1998; rozdz. 14: 421 460. 3. Lange R.A., Davis L. Assessment of cardiovascular function. W: Pepine C.J. red. Diagnostic and therapeutic cardiac catheterization. Williams & Wilkins A Waverly Company, Baltimore 1997; rozdz. 24: 480 516. 4. Winniford M.D., Kern M.J., Lambert C.R. Blood flow measurement and quantification of vascular stenoses. W: Pepine C.J. red. Diagnostic and therapeutic cardiac catheterization. Williams & Wilkins A Waverly Company, Baltimore 1997; rozdz. 21: 399 441. 5. Davidson C.J., Fishman R.F., Bonov R.O. Cardiac catheterization. W: Braunwald E. red. Heart Disease. A textbook of cardiovascular medicine. W.B. Saunders Company 1998; rozdz. 6: 177 215. 6. Higgins C.B. Newer Cardiac imaging techniques: magnetic resonance imaging and computed tomography. W: Braunwald E. red. Heart Disease. A textbook of cardiovascular medicine. W.B. Saunders Company 1998; rozdz. 10: 317 350. 7. Boer P., Roos J.C., Geyskes G.G. i wsp. Measurement of cardiac output by impedance cardiography under various conditions. Am. J. Physiol. 1979; 237: H491 H496. 32

Nieinwazyjna ocena układu krążenia z wykorzystaniem TEB 8. Shoemaker W.C., Wo C C.J., Bishop M.H. i wsp. Multicenter trial of a new thoracic electrical bioimpedance device for cardiac output estimation. Crit. Care Med. 1994; 22: 1907 1912. 9. Pickett B.R., Buell J.C. Usefulness of the impedance cardiogram to reflect left ventricular diastolic function. Am. J. Cardiol. 1993; 71: 1099 1103. 10. Thomas A.N., Ryan J., Doran B.R.H. i wsp. Bioimpedance versus thermodilution cardiac output measurement: the Bimed NCCOM3 after coronary bypass surgery. Intensive Care Med. 1991; 17: 383 386. 11. Masaki D.I., Greenspoon J.S., Ouzounian J.G. Measurement of cardiac output in pregnancy by thoracic electrical bioimpedance and thermodilution. Obstet. Gynecol. 1989; 161: 680 684. 12. Sageman W.S., Ammundson D.E. Thoracic electrical bioimpedance measurement of cardiac output in postaortocoronary bypass patients. Crit. Care Med. 1993; 21: 1139 1142. 13. Hirschl M.M., Kittler H., Woisetschlager C. i wsp. Simultaneous comparison of thoracic bioimpedance and arterial pulse waveform-derived cardiac output with thermodilution measurement. Crit. Care Med. 2000; 28: 1798 1802. 14. De Mey C., Enterling D. Noninvasive assessment of cardiac performance by impedance cardiography: disagreement between two equations to estimate stroke volume. Aviat. Space Environ. Med. 1988; 59: 57 62. 15. Clark S.L., Southwick J., Pivarnik J.M. A comparison of cardiac index in normal term pregnancy using thoracic electrical bio-impedance and oxygen extraction (Fick) techniques. Obstet. Gynecol. 1994; 83: 669 672. 16. Sherwood A., McFetridge J., Huthenson J.S. Ambulatory impedance cardiography: a feasibility study. J. Appl. Physiol. 1998; 85: 2365 2369. 17. Cohen A.J., Arnaudov D., Zabeeda D. i wsp. Non-invasive measurement of cardiac output during coronary artery bypass grafting. Eur. J. Cardio-thoracic Surg. 1998; 14: 64 69. 18. Rosenberg P., Yancy C.W. Noninvasive assessment of hemodynamics: an emphasis on bioimpedance cardiography. Curr. Opin. Cardiol. 2000; 15: 151 155. 19. Sackner M., Hoffman R.A., Krieger B.P. i wsp. Thoracocardiography. Part 2: Noninvasive measurement of changes in stroke volume; comparisons to impedance cardiograph. Chest 1991; 99: 896 903. 20. Jansen J.R.C., Wesseling K.H., Settels J.J. i wsp. Continuous cardiac output monitoring by pulse contour during cardiac surgery. Eur. Heart J. 1990; 11 (supl. I): 26 32. 21. Guz A., Innes J.A., Murphy K. Respiratory modulation of left ventricular stroke volume in man using pulsed doppler ultrasound. J. Physiol. 1987; 393: 499 512. 22. Smulyan H., Marchais S.J., Pannier B. i wsp. Influence of body height on pulsatile arterial hemodynamic data. J. Am. Coll. Cardiol. 1998; 31: 1103 1109. 23. Strobeck J.E., Silver M.A., Ventura H. Impedance cardiography: noninvasive measurement of cardiac stroke volume and thoracic fluid content. Congestive Heart Failure 2000; 6: 3 6. 24. De Maria A.N., Raisinghani A. Comparative overview of cardiac output measurement methods: has impedance cardiography come of age? Congestive Heart Failure 2000; 6: 7 18. 25. Siebert J. Ocena wartości klinicznej badania układu krążenia i płuc za pomocą technik bioimpedancyjnych. Rozprawa habilitacyjna. I Klinika Chorób Serca, Klinika Kardiochirurgii Instytutu Kardiologii Akademii Medycznej w Gdańsku 2000. 26. Wong D.H., Tremper K.K., Stemmer E.A. i wsp. Noninvasive cardiac output: simultaneous comparison of two different methods with thermodilution. Anesthesiology 1990; 72: 784 792. 27. http://www.cardiodynamics.com/ir/press_releases/ /cd_pr032101.html 28. Nyboer J. Electrical impedance plethysmography: a physical and physiologic approach to peripehral vascular study. Circulaltion 1950; 2: 811 821. 29. Sageman W.S. Reliability and precision of a new thoracic electrical bioimpedance monitor in a lower body negative pressure model. Crit. Care Med. 1999; 27: 1986 1990. 30. Bowling L.S., Sageman W.S., O Connor S.M. i wsp. Lack of agreement between measurement of ejection fraction by impedance cardiography versus radionuclide ventriculography. Crit. Care Med. 1993; 21: 1523 1527. 31. Greenberg B.H., Hermann D.D., Pranulis M.F. i wsp. Reproducibility of impedance cardiography hemodynamic measures in clinically stable heart failure patients. Congestive Heart Failure 2000; 6: 19 26. 32. Wright R.F., Gilbert J. Clinical decision making in patients with congestive heart failure: the role of thoracic electrical bioimpedance. Congestive Heart Failure 2000; 6: 27 31. 33. Fyke F.E., Mair D.D., Smith H.C. Cardiac catherization and angiography. W: Branderburg R.O. red. Cardiology: Fundamentals and Practice. Year Book Medical Publishers, Inc. Chicago 1987; rozdz. 16: 449 415. 34. Bloomfield D.M., Kaufman E.S., Bigger T. i wsp. Passive head-up tilt and actively standing up produce similar overall changes in autonomic balance. Am. J. Heart 1997; 134: 316 320. 33