Tehnici de bioimpedanta pentru investigatie medicala - ICG vs. ECM

8/9/2019 Tehnici de bioimpedanta pentru investigatie medicala - ICG vs. ECM

http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-de-bioimpedanta-pentru-investigatie-medicala-icg-vs-ecm 1/13

Universitatea Politehnica din Bucuresti

Facultatea de Inginerie Medicala

Tema nr. 5

Modelarea Proceselor Biomedicale

Tehnici de bioimpedanta pentru

investigatie medicala

Student:

Craciun Andreea Ioana

Grupa: 1442 (ESM)



I. Introducere

II. Subiect

2.1. Impedance Cardiography (ICG)

2.2. Eletrical Cardiometry (ECM)

2.3. Concluzii

III. Bibliografie



I. Introducere

… bioimpedanta vs. bioreactanta

…de ce bioimpedanta?

Debitul cardiac este o masura fiziologica fundamentala folosita pentru diagnostic si terapie de ghidare in

multe conditii clinice. Monitorizarea debitului cardiac are aplicatii clinice largi in anesteziologie, ingrijirile

de urgenta, dar si in cardiologie. Masurarea debitului cardiac este esentiala la pacientii in stare critica,

raniti si instabili, deoarece ofera o indicatie a livrarii oxigenului sistemic si a perfuziei tisulare globale.

Monitorizarea cardiaca in timpul interventiei chirurgicale este asociata cu o lungime redusa de

spitalizare cat si a complicatiilor postoperatorii. Masurarea debitului cardiac sub stimulari farmacologice

si fiziologice defineste functia si performanta inimii si este un predictor excelent de prognostic in

insuficienta cardiaca.

Dezvoltarea tehnicilor minim invazive si neinvazive, sensibile, operator independente si la pret

convenabil pentru monitorizarea debitului cardiac au fost in centrul atentiei timp de mai multe decenii.Metode minim invazive frecvent utilizate si descrise sunt Doppler trans-esofagian, termodilutie

transpulmonara si tehnici neinvazive cum ar fi: Doppler transtoracic, ICG. Scopul este triplu:

pentru a descrie teoria din spatele lor ca metode de monitorizare a debitului cardiac neinvaziv

continuu

pentru a discuta despre avantajele si dezavantajele acestor metode si a se revizui studiile

recente comparativ cu aceste metode

utilizarea moderna a ale acestor dispozitive (de exemplu, capacitatea de reactie fluid/ridicare

pasiv picior (PLR) si stres fiziologic). [2]

Metoda de bioimpedanta pentru masurarea debitului cardiac

Bioimpedanta cardiografica toracica pentru masurarea volumului de accident vascular cerebral (SV),

debitul cardiac dar si alte variabile cardiovasculare, a fost descris pentru prima data de Kubicek si

asociatii sai in anii 1960. [1] Testarea initiala si aplicare a fost realizata in cadrul programelor

aerospatiale cand masuratorile hemodinamice centrale si ale functiei cardiace au fost evaluate la

astronauti. Baza utilizarii sale a fost mai tarziu utilizata de Lababidi si colegii sai in 1970, cu rafinamente

semnificative de software si imbunatatiri tehnice pentru urmatoarele decenii, bazate pe cercetarea pe

animal si cercetarea umana. In anii 1980 s-a dezvoltat un dispozitiv de impedanta cardiografica mai

putin greoaie cu o noua ecuatie implementata, care a inlocuit modelul cilindric de la piept folosit de

Kubicek cu cea a unui trunchi de con.

In 1986, Bernstein a modificat ecuatia lui Sramek [2] prin introducerea in formule concrete si in plus au

fost raportate la greutatea ideala, reprezentand astfel abateri de la greutatea corporala. Scopul a fost de

a determina mai exact volumul toracelui.



Tehnica a devenit popularizat in cele din urma, in anii 1990, cand utilizarea acesteia in clinici a fost

evaluata prin mai multe studii multicentrice de raportare a imbunatatirii in determinarea timpului de

ejectie a sangelului din ventric (EFP), schimbare in impedanta cu sistola si a altor markeri de sistola si

diastola, oferind astfel o mai mare precizie neinvaziva a unor date hemodinamice.

Teoria care sta in spatele bioimpedantei cardiografice este ca toracelui este considerat ca un cilindru

perfuzat cu fluid (sange), care are o anumita rezistivitate. Tehnica se bazeaza pe masuratorile deimpedanta (sau rezistenta) la transmiterea unui curent electric mic de-a lungul corpului (bioimpedanta

intregului corp) sau in zona pieptului (bioimpedanta toracica). Bioimpedanta este prin urmare rezistenta

electrica a unui curent cu amplitudine scazuta, de inalta frecventa (de exemplu, 1.4-1.8 mA la 30-75 kHz)

transmise de la electrozi plasati pe torace in zona superioara si inferioara. Conducte de impedanta

scazuta (mai mica rezistenta, egal cu mare conductanta) sunt sangele si plasma (150 si respectiv 63

Ω/cm). Rezistenta de curent electric este mai mare (conductanta inferioara) pentru muschiul cardiac,

plamani (reflectand aer) si grasime (750, 1275 si 2500 Ω/cm).

Cand un curent alternativ de nivel scazut se aplica asupra intregului corp sau a zonei toracice, distributia

principala este de sange si lichid extracelular. Modificarile in rezistenta organismului la fluxul de curent

electric de-a lungul timpului (in milisecunde) sunt asociate cu schimbari dinamice in sange si plasma.

Cand valva aortica se deschide si sangele este evacuat rapid in aorta si ramurile arteriale, impedantaelectrica a fluxului de curent este scazuta. In timpul diastolei, impedanta revine la valoarea initiala. Prin

urmare, schimbarile in impedanta care sunt notate de catre un dispozitiv bioimpedance cardiography

(toracic) reflecta o crestere a presiunii aortice in timpul sistolei, in timp ce schimbari in impedanta

intregului corp reflecta o crestere proportionala a conductantei, masurabila in intregul corp in timpul

sistolei. Sisteme de bioimpedanta toracice folosesc electrozi aplicati la baza gatului (admisie toracica) si

marjele de coasta (de evacuare toracica), in timp ce sistemele intregului corp folosesc electrozi atasati la

nivelul membrelor extremitatilor. Sisteme standard bioimpedance cardiography aplica un curent electric

de inalta frecventa, cu amplitudinea si frecventa cunoscute peste torace si masoara schimbarile in

tensiune. Raportul dintre tensiune si curent este o masura de rezistenta transtoracica a curentului, care

este cunoscuta ca impedanta [Zo], si variaza cu proportia/cantitatea de lichid la torace. Rata instantanee

a schimbarii Zo este legata de circulatia sangelui instantanee in aorta.

Limitarile si noi incercari de a imbunatati metoda

Studiile anterioare au raportat niveluri inacceptabile de acord intre

impedanta si termodilutie. Corelatia puternic negativ a fost, de asemenea,

raportata intre exactitatea bioimpedantei si acumularea crescuta de lichid

in torace, cu raport de subapreciere sistematica a debitului cardiac prin

bioimpedanta. Se credea ca dispozitivele de noua generatie, folosind

tehnologia de calculator noua si algoritmi de optimizare, va imbunatati

precizia de determinare debitului cardiac prin bioimpedanta. Cu toate acestea, corelatia slaba si acordulintre bioimpedanta si metode de referinta a fost raportata in stabilirea insuficientei cardiace, ca unitate

de terapie intensiva si la pacientii cu apa la nivel pulmonar.

Principalele limitari au fost identificate si includ dificultati de furnizare a unor estimari exacte a debitului

cardiac in urmatoarele situatii: modificari ale volumului de lichid, modificarile induse de respiratie in

volumul de sange pulmonar si venos ca "zgomotul" ce trebuie sa fie filtrat, schimbari in contactul de

electrozi sau/si pozitionare, aritmii, modificari acute in nivelul de apa la nivelul de tesut, de exemplu,

pulmonar sau al peretelui toracic, zgomotul produs de electrocauterizare, ventilatie mecanica si



manipulare chirurgicala, modificari ale contractilitatii miocardice, de exemplu, de la medicamente

anestezice, dimensiunea corporala a unor anumiti pacienti si alti factori fizici care au impact asupra

conductivitatii electrice intre electrozi si piele (de exemplu, temperatura si umiditate).

Metoda de bioreactanta pentru masurarea debitului cardiac

Datorita limitarilor asociate cu dispozitivele de bioimpedancta, metode noi de prelucrare a semnalului

de impedanta au fost dezvoltate. S-a sugerat ca, in plus fata de schimbarea rezistentei la fluxul de sange

(Zo), modificari de volum intratoracice produc, de asemenea, modificari capacitive electrice si

proprietati inductive care duc la schimbarile de faza ale semnalului primit in raport cu semnalul aplicat.

Tehnici de detectie decalate in faza sunt mai robuste si mai putin sensibile la zgomot. Noua metoda,

numita bioreactanta, realizeaza masuraturi cu exactitate masuri, in defazaj, cu sursa de curent oscilant

in tensiune. Curentul traverseaza cavitatea toracica, spre deosebire de metoda bioimpedanta

traditionala, care se bazeaza numai pe modificarile masurate in amplitudinea semnalului. Conformbioreactantei, omul este considerat ca o rezistenta electrica (R) si un condensator (C). Luate impreuna,

R si C genereaza impedanta toracica (Zo). In acelasi timp, semnalul bioreactanta este puternic corelat cu

fluxul aortic. Mai mult decat atat, pentru ca nivelul de baza de lichid toracic este relativ static, nici nivelul

de baza al fluidelor toracic nu induce orice modificare de faza si nu contribuie la semnalul bioreactanta.

Aparatul contine un detector de faza extrem de sensibil, care surprinde continuu schimbarea de faza

toracica ce duce la semnalul bioreactanta.

Dispozitivul bioreactanta este alcatuit dintr-un generator de inalta frecventa (75-kHz) de unda

sinusoidala si patru electrozi care sunt utilizati pentru a stabili un contact electric cu pacientul. Unitatea

de procesare a semnalului detecteaza trecerea relativ defazata a semnalului de intrare (determinata de

electrozi de receptie) fata de semnalul injectat. Rata de varf de schimbareeste proportionala cu fluxul

aortic. Complexului QRS a electrocardiogramei (ECG) este folosita pentru a marca calendarul inceputuluifiecarei batai. Spre deosebire de bioimpedanta, masuratorile de ieșire cardiace pe baza de bioreactanta

nu folosesc impedanta statica (Zo) si nu depind de distanta dintre electrozii pentru calculele SV, ambii

factori reducand fiabilitatea rezultatelor. Defazajul dintre semnalul de curent intrat si iesirea primita de

la torace se datoreaza unor modificari ale volumului de sange in aorta.

Limitarile bioreactantei

Ca si multe alte metode neinvazive, masurare debitului cardiac se bazeaza pe

presupunerea ca aria de sub pulsul de curgere este proportionala cu produsul

fluxului de varf si VET. Cu toate acestea, pot exista situatii, mai ales in

perioadele de debit scazut, in care aceasta ipoteza nu poate fi valabila si

poate avea acuratetea scazuta. [2]



II. ICG

Impedance cardiography (ICG) prezinta diagrame ale impedantei toracice care se modifica proportional

cu continutul de lichid modificat la fiecare bataie a inimii. Respiratia, aritmia, miscarile si postura

interfera cu ICG. Metode software moderne de recunoastere a patternului pot produce un semnalcompozit ECG care simplifica considerabil interpretarea. Prima unda de viteza derivata prezinta un val S

care corespunde cu sistola, in timp ce a doua unda derivata (dZ/dt) contine mai multe puncte de

referinta care contureaza valurile A, S si O. In mod normal, un val de contractie atriala apare urmat de

unda A si diastola mai tarziu. Se poate, prin urmare, sa fie anormala atat atrial cat si ventricular si unda

este crescuta anormal atunci cand exista disfunctie diastolica. Unda S eflecta contractilitatea

ventriculara si este deformata de discronia ventriculara. Unda P este asociata cu deschiderea valvei

mitrale si este anormal marita in insuficienta cardiaca. Aceste modele diferite de ICG sunt relativ usor de

recunoscut si poate fi eficiente si rapide pentru a distinge in mod fiabil intre functia cardiaca normala si

anormala.

Forma de unda ICG

Unde bidimensionale, cum ar fi ECG sau bioimpedanta, pot fi descrise prin ecuatii cu derivate partiale.

Schimbarile in biompedanta in timpul ciclului cardiac sunt specificate prin doua forme de unda obtinute

din aceste ecuatii. Prima unda derivata (ΔZ), care descrie viteza, este un val neted care corespunde cu

sistola, si este numit unda de viteza S. Panta initiala din acest val S coreleaza cu contractilitati cardiace si

inaltimea si latimea cu volumul de accident vascular cerebral. O varietate de indici, cum ar fi indicele

Heather, ejectia pre perioada, timp de ejectie a ventriculului stang, timp sistolic, indicele de viteza,

indicele de acceleratie, lucru cardiac stanga, etc., pot fi derivate din aceasta forma de unda.

Cea de a doua unda derivata(dZ/dt), care descrie accelerarea

fluidului, este o forma de unda mai

detaliata care conține mai multe

puncte de referinta. Varful de prima

unda derivata corespunde cu linia

de baza a celei de-a doua unda

derivata. Numeroase ECG sși studii

ecocardiografice au aratat ca alte

puncte de referinta corespund cu

evenimente de ciclu cardiac. Patru

referinte puncte (a, b, c și x) sunt

asociate cu sistola atriala si sistola

ventriculara si una cu diastola (o)

(Fig. 1).

Figure 1 - Cardiografia de Impedanta (ICG)



Un punct coincide, dupa o usoara intarziere electro-mecanica, cu valul P de pe ECG si marcheaza

inceputul undei A. Unda A este prezent doar daca exista contractia atriala si este rotunda si neted, cu

capatul sau separată in mod clar de la inceputul undei S; varful corespunde undei A din ecocardiografia

Doppler.

Impedanta de referinta este marcat de la punctul b, care aproximeaza deschiderea valvei aortice.

Punctul de c marcheaza acceleratia maxima a sangelui din ambele ventricule. Panta de ascensiune dinpunctul b la c este asociata cu contractilitatea: cu cat este mai abrupta curba, cu atat mai mare

contractilitatea cardiaca. Dupa atingerea punctului c, exista o decelerare rapida a punctul x, valoarea

minima dea impedantei de referinta, care este punctul de inversare lichid intra-toracic si poate

corespunde aproximativ la inchiderea valvei aortice. Nu este posibil sa se detecteze sfarsitul exact a

ejectiei ventriculului stang prin ICG. Cu toate acestea, este strans legata de punctul intra-toracic de

inversiune a accelerarii fluidilio (adica x), astfel incat timpul inversiune a fluidului (TFIT) poate fi folosit ca

un surogat pentru timpul de ejectie a ventriculului.

O mai larga deschidere a valvei mitrale este reprezentat de varful undei O (adica punctul o), care

corespunde varfului undei E detectat prin ecocardiografia Doppler. [3]

Figure 2 - Pozitionare electrozi



Variatii ale formei de unda ICG sunt urmatoarele:

Figure 3 - Semnal Normal ICG Figure 4 - ICG pentru disincronie ventriculara

Figure 5 – ICG pentru insuficienta cardiaca Figure 6 - ICG pentru disfunctii diastolice



Aplicatii medicale:

Corelatia dintre ICG si pacienti dispenici cu nveluri peptidice natruretice de tip B

Doua metode au fost folosite pentru a

diagnosticarea insuficientei cardiace cumasuratori serice cu peptide de tip B

natriuretic (BNP) si ICG, in care masuratorile

de impedanta electrica toracica sunt utilizate

pentru a estima diversi parametri

hemodinamici, asa cum am amintit in primul

capitol. Deoarece timpul pentru a obtine date

ICG este de obicei mult mai scurt decat timpul

de a obtine nivelurile serice BNP, utilizarea

ICG poate oferi un avantaj in departamentul

de urgenta (ED) in cazul in care se obtin

informatii concordante. Pentru cunostintele

existente, totusi, nu exista studii multe care

au comparat direct rezultatele obtinute in ED

de fiecare metoda. Cunoasterea corelatiei

dintre cele doua masuratori ar fi utila pentru a

determina daca informatia obtinut din cele

doua metode au concluzii de diagnostic

similare. [4]

Figure 8 - Corelatie BNP si index cardianc (IC), respectiv continutul fluidului toracic (TFC)

In concluzie, se constatata o corelatie limitata intre niveluri de BNP si trei parametri ICG, sugerand ca in

populatia noastra, cele două teste nu pot da informatii similare atunci cand se incearca a se diagnostica

probleme cardiace la pacientii dispneici. O matrice de intrare cu mai multi parametrii ar putea duce la o

corelatie mai buna utilizand regresia logistica sau retele neuronale de invatare.

Figure 7 - Corelatie BNP si resitenta sistemica vasculara (SVR)



III. ECM

ECM este o metoda bazata pe modelul electrice velocimetric si poate

realiza neinvaziv masuratori de volum de accident vascular cerebral(SV), debitul cardiac (CO), cat si alti parametri hemodinamici prin

utilizarea de electrozi ECG pe o suprata, in acest caz fiind 4. Spre

deosebire de ICG, ECM poate fi utilizata si la copii sau nou nascuti. [6]

ECM detecteaza schimbarile in conductivitatea sangelui din aorta in

timpul ciclului cardiac, observandu-se o crestere abrupta in TEB la

schimbarea batailor si reorientarea celulor rosii din sange (RBC).

ECM utilizeaza o serie de 4 electrozi ECG de suprafata atasati la partea stanga a gatului si toracelui

inferior. Un curent alternativ electric (AC) de amplitudine constanta este aplicat pe torace prin perechea

de electrozi exteriori - pentru ca sangele este cel mai bun mediu conductor in torace. Tensiunea

rezultata si un ECG de suprafata sunt obtinute prin perechea interior de electrozi. Raportul intre

elementul de curent aplicate si de tensiune masurate se inregistreaza in timp. TEB (bioimpedanta

electrica toracica) masurat in timp poate fi exprimat ca suprapunerea a trei componente:

unde Z0 este impedanta cvasistatica, atribuita fluidului toracic, ∆ZR reprezinta schimbarea in impedanta

datorita respiratiei, respectiv datorita ciclului cardiac pentru ∆ZC. [7]

Figure 10 - Masuratori ECM cu 4

electrozi

Figure 11 - Vedere in paradel intre ECG,

semnalul de impedanta si relatia cu

orientarea RBC



Aplicatii medicale:

Corelarea ECM in sisteme de monitorizare

Datorita neajunsurile ICG de a estima in mod fiabil debitul cardiac (CO), in comparatie cu metodele de

referinta, s-a ajuns la dezvoltarea de o tehnica noua numita ECM. Scopul acestui pragraf este de a

compara relatia ECM-CO cu derivata din cateter arter pulmonara (PAC). Metode este preluata din date a

60 de pacienti programati sa se supuna chirurgical la plasarea PAC in sala de operatie. Electrozi standard

ECG au fost utilizati pentru masuratori ECM-CO (sau EC-CO).

Masurare simultana de la CE si PAC a fost facuta la trei puncte de timp predefinite si au fost corelate. O

corelatie semnificativa s-a gasit. Eroarea procentuala dintre metodele fost 3,59%.

Concluzie: Acordul dintre CE-CO si alte metode este acceptabil punct de vedere clinic, iar aceste doua

tehnici pot fi folosite alternativ. Metoda vine ca o optiune neinvaziva, prin utilizarea ECM in

monitorizarea parametrilor. [8]

Figure 12 - Corelatia parametrilor prin utilizarea regresiei liniare



ambele metode conduc la rezultate

satisfacatoare si pot fi corelate (liniar sau

logistic) cu diversi parametri fiziologici

diferenta consta in primul rand in

numarul de electrozi, insa metoda este similara si

utilizeaza bioimpedanta in ambele cazuri

spre deosebire de ICG, ECM poate fi

utilizat si la copii sau nou nascuti, fiind asadar

considerata o metoda mai sigura

studiile de corelatie continua in domeniul biomedical, incercandu-se inlocuirea tehnicilor

invazive cu metode mai simple de detectie, cel putin in faza incipienta; totusi, este putin

probabil a se dezvolta sisteme neuronale care sa poata invata cu erori minime, metoda

ramanand in stadiu de alternativa, dar nu ca si metoda finala de diagnostic

1.

KubicekWG, Karnegis JN, Patterson RP, et al. - Development and evaluation of an

impedance cardiac output system. AerospMed 1966

2.

Djordje G. Jakovljevic, Michael I. Trenell, Guy A. MacGowan - Bioimpedance and

bioreactance methods for monitoring cardiac output Best Practice & Research Clinical

Anaesthesiology 2014

3.

Jean Bour, John Kellett, Nenagh Tipperary - Impedance cardiography — A rapid and

cost-effective screening tool for cardiac disease, European Journal of Internal

Medicine 19, 2008

4.

Erika G. Havelka, Kathleen H. Rzechula, Tyson O. Bryant, Steve M. Anneken -

CORRELATION BETWEEN IMPEDANCE CARDIOGRAPHY AND B-TYPE NATRIURETIC

PEPTIDE LEVELS IN DYSPNEIC PATIENTS, The Journal of Emergency Medicine 2008

5.

Jose-Luis E. Velazquez-Cecena, Sandeep Sharma, Nagapradeep Nagajothi - Left

Ventricular End Diastolic Pressure and Serum Brain Natriuretic Peptide Levels in

Patients with Abnormal Impedance Cardiography Parameters, Archives of Medical

Research 39 2008

6.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_cardiometry

7.

Alexandru M. Morega, Alin A. Dobre, Mihaela Morega - Numerical Simulation in

Electrical Cardiometry

8.

Vishwas Malik, Arun Subramanian, Sandeep Chauhan - Correlation of Electric

Cardiometry and Continuous Thermodilution Cardiac Output Monitoring Systems,

World Journal of Cardiovascular Surgery, 2014




Tehnici de bioimpedanta pentru investigatie medicala - ICG vs. ECM

Documents

Transcript of Tehnici de bioimpedanta pentru investigatie medicala - ICG vs. ECM