پزشکی بالینی

قلب؛ برون ده قلبي و حجم ضربه اي

بيماري‌هاي قلبي شايع‌ترين علل مرگ و مير در دنياي مدرن امروزي هستند.مانيتور كردن عملكرد قلب در هنگام پمپ كردن خون و اندازه‌گيري حجم ضربه اي (Stroke volume) ‌از معمول‌ترين فرايندهايي است كه در تشخيص نارسايي‌هاي قلبي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

چندين روش براي اندازه گيري برون ده قلبي وجود دارد كه مهم‌ترين آن‌ها عبارتند از:
1) كاتتر گذاري
2) التراسوند
3) آنژيوگرافي
MRI (4

روش‌هاي ذكر شده علاوه بر تهاجمي بودن برخي از آن‌ها  مستلزم در دسترس بودن تجهيزات پيشرفته و گران قيمت است و از همه مهم‌تر تمام اين روش‌ها در صورتي قابل استفاده اند كه بيمار انسداد قلبي نداشته باشد. 
اما راه حل ديگري هم وجود دارد كه علاوه بر غير تهاجمي بودن نياز به تجهيزات گران قيمت  ندارد و براي همه بيماران نيز قابل استفاده است.اين روش اصطلاحا  روش الكتروكارديوگرافي امپدانسي ناميده مي‌شود كه امروزه با توسعه توليد قطعات الكترونيك با دقت بالا مي تواند جايگزين مناسبي براي روش‌هاي معمول باشد.
پژوهش هاي مربوط به اين روش از چندين دهه قبل شروع شده و اخيرا با رويكردي مبتني بر صرفه اقتصادي بيشتر و دقت بالاتر مورد باز‌بيني قرار گرفته اند.
با توجه به ابهاماتي كه در خصوص دقت اين روش وجود داشت در گذشته استفاده از اين روش فراگير نشده بود ولي امروزه با پيشرفت تكنولوژي در ساخت ابزار هاي دقيق  اين ابهام بر طرف شده و آزمايشات انجام شده دقت بالاي اين روش را در مقايسه با روش‌هاي ديگر اثبات مي‌كند.

اصول الكتروكارديوگرافي امپدانسي در اندازه گيري
 برون ده قلبي و حجم ضربه اي
مفهوم اصلي اندازه گيري برون ده قلبي با اين روش بر مبناي تغيير بيو امپدانس بافت‌هاي قلبي در اثر جا به جايي خون در هنگام انقباض قلب است. دليل اين پديده اين است كه قلب و خون موجود در آن مانند يك رساناي با مقاومت متغير عمل مي‌كنند ولي با توجه به اينكه مقاومت ماهيچه قلب خيلي بيشتر از مقاومت الكتريكي خون است لذا تغيير امپدانس اندازه گيري شده در اين روش با تقريب نسبتا خوبي تابع حركت انتقالي خون در قلب است . با اين توصيف امپدانس الكتريكي اندازه گيري شده در هنگام پر‌شدن قلب كاهش و در هنگام تخليه يا پمپاژ خون افزايش مي يابد.
براي ثبت تغييرات امپدانس مي توان از يك سيستم دو قطبي با دو الكترود  يا يك سيستم سه قطبي با چهار الكترود استفاده كرد .  ‌محل قرار گرفتن الكترودها مخصوصا الكترودهايي كه روي گردن قرار مي‌گيرند  از اهميت زيادي  در دقت نتايج حاصله برخوردار است.
شكل شماره  (1)‌نحوه استفاده از روش امپدانسي براي اندازه گيري برون ده قلبي را نشان مي دهد.الكترودهاي استفاده شده در اين روش همان الكترودهاي معمولي  ECG ‌واز جنس كلريد نقره هستند.
در اثر تغيير مقدار خون ورودي به قلب مقاومت الكتريكي بين الكترودها تغيير مي‌كند. با فرض اينكه بتوان مقاومت اندازه گيري شده بين دو الكترود را همان مقاومت ويژه الكتريكي خون ‌فرض كرد معادله اي به دست خواهيم آورد كه در آن تغييرات حجم خون  ‌تابعي از تغييرات  , ‌مقاومت ويژه خون  , ‌امپدانس اوليه  Zo  , ‌و فاصله بين الكترود ها  Lاست:

دليل علامت منفي اين است كه با افزايش حجم خون ورودي مقدار امپدانس كاهش مي‌يابد،در صورتي كه از معادله بالا مشتق بگيريم مي‌توان مقدار حجم ضربه اي  SV ‌را به صورت زير محاسبه كرد:

 SV :  حجم ضربه اي   
T : زمان انقباض قلب‌مطابق شكل 2 
 max dz/dt : ‌ماكزيمم مقدار مشتق اول امپدانس در حوزه زمان    
براي اندازه گيري پارامترهاي موجود در معادله بالا مطابق شكل  (1)‌يك منبع جريان ثابت با فركانس   KHZ20 ‌جهت تحريك امپدانس الكتريكي قلب به الكترودهاي   4,E 1E ‌اعمال مي‌شود. در اين فركانس جز  در مواردي كه دامنه جريان خيلي بالا باشد خطري متوجه بافت ماهيچه‌اي قلب نشده و اختلالي در عملكرد الكتريكي قلب به وجود نمي آيد. بنابراين خطر اثرات فيزيولوژيك عبور جريان به حد اقل مي‌رسد.
ولتاژ ايجاد شده در الكترودهاي 2Eو 3Eمطابق شكل (1)‌به يك تقويت كننده داده شده و پس از آن  فيلتراسيون و دمدولاسيون بر روي سيگنال  انجام مي گيرد و در نهايت مقادير   Zo و‌به دست مي آيند با محاسبه اين مقادير و جايگذاري آن در معادلات بالا مقدار برون ده قلبي و حجم ضربه اي محاسبه مي‌شوند.
داده هاي به دست آمده از اين روش در شكل شماره (2)‌نمايش داده شده است كه در آن سه بردار اصلي مشاهده مي‌شود:
A ) امپدانس نامي اندازه گيري شده
B ) مشتق اول امپدانس نامي
C ) سيگنال الكتروكارديوگراف بيمار
براي دستيابي به نتيجه دقيق تر آشكار سازي زمان انقباض قلب (T)از اهميت زيادي برخوردار است ، بدين منظور  علاوه بر الكترودهاي مورد اشاره الكترودهاي استاندارد   ECGنيز به بيمار وصل مي‌شود و زمان انقباض قلب  (T)با استفاده ازسيگنال  ECG ‌و همزمان‌سازي با آن به طور دقيق آشكار مي‌شود.

نتيجه گيري
روش توضيح داده شده از معمول‌ترين شيوه ها براي  حجم ضربه اي قلب و برون ده قلبي است.   عملكرد انقباضي قلب باعث ايجاد تغييرات سريع  متابوليك در ماهيچه قلب مي شود و در صورتي كه بتوانيم تغييرات امپدانس حاصله رابه طور پيوسته اندازه گيري كنيم مانيتورينگ دايمي برون ده قلبي به صورت غير تهاجمي حتي در مواردي مانند استفاده از تردميل امكان ‌پذير خواهد بود

منابع

1. Kubicek WG, Kamegis JN, Patterson RP, Witso DA, Mattson RH. Development and evaluation of an impedance cardiac output system. Aerosp Med
2. Hirschl MM, Kittler H, Woisetschl?ger C, Siostrzonek P, Staudinger T, Kofler J, Oschatz E, Bur A, Gwechenberger M, Laggner AN. Simultaneous comparison of thoracic bioimpedance and arterial pulse waveform-derived cardiac output with thermodilution measurement. Crit Care Med 2000; 28:1798-1802.
3. Zhang H, JK-J Li. Noninvasive monitoring of transient cardiac changes with impedance cardiography. Cardiovascular Eng 2008; 8:225-231.
4. Raval NY, Squara P, Cleman M, Yalamanchili K, Winklmaier M, Burkhoff D. Multicenter evaluation of noninvasive cardiac output measurement by bioreactance technique. J Clin Monit Comput 2008. 22:113-119.
5. Geddes LA, Sadler C. The specific resistance of blood at body temperature. Med Biol Eng 1973. 11:336-339.
6. Newman G, Callister R. The non-invasive assessment of stroke volume and cardiac output by impedance cardiography: a review. Aviat Space Environ Med 1999; 70: 780-789.
7. Li JK-J. The Arterial Circulation. Physical Principles and Clinical Applications. Humana Press, Totowa, NJ. 2000.
8. Miles DS, Sawka MN, Wilde SW, Doerr BM, Frey MAB, Glasser RM. Estimation of cardiac output by electrical impedance during arm exercise in women. J Appl Physiol 1981; 51:1488-11492.
9. Zhang Y, Qu M, Webster JG, Tompkins W, Ward BA, Bassett DR. Cardiac output monitoring by impedance cardiography during tradmill exercise. IEEE Trans Biomed Eng 1986; 33: 1037-1042

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۱۰۱