Konstruktion av mätinstrument för analys av aortas karaktäristiska

Konstruktion av mätinstrument för analys av aortas
karaktäristiska impedans
Examensarbete, 30 hp
Huvudhandledare: Anna Bjällmark
Bihandledare: Anders Sahlén and Dennis Sturm
Projektbeskrivning
Vår grupp erbjuder nu två studenter att som examensarbete konstruera:
A. En kontrollenhet till en arteriell tonometer (Millar SPT-301; www.adinstruments.com), vilken
med hög samplingsfrekvens samlar information om det tryck tonometern utövar emot
artärväggen.
B. Ett användargränssnitt där tryckdata presenteras i realtid simultant med patientens EKG.
C. Metod för att digitalisera hastighet (flöde) från visuellt presenterad Doppler-data från
hjärtultraljud. Detta kan göras exv. med interpolation efter att användaren manuellt anger
flödesprofil i bilden, eller med bildanalytisk teknik där flödesprofilen detekteras automatiskt
eller halv-automatiskt.
D. Analys av hemodynamiska variabler baserad på ovan nämnda indata, såsom aortas
karaktäristiska impedans ZC och systemiska vaskulära resistansen SVR.
E. Validering av data mot invasiva tryck och flöden uppmätta på patienter som genomgår klinisk
kranskärlsröntgen och studeras inom ramen för befintligt etiskt tillstånd.
Målsättning
Projektet syftar till att studenterna skall utveckla förmåga till självständigt och kreativt arbete med
specifika problemställningar rörande applikationer för fysiologisk och fysikalisk forskning.
Tidsplan
Projektet skall utföras under våren 2011.
Bakgrund
Centralt och perifert blodtryck
Högt blodtryck är mycket vanligt och utgör en ledande riskfaktor för insjuknande i hjärt-kärlsjukdom
såsom stroke, hjärtsvikt och hjärtinfarkt. Traditionellt mäts blodtrycket med blodtrycksmanschett på
överarmen. Emellertid har forskning på senare år visat att viktig information går att få genom
uppmätning av det blodtryck som föreligger i kroppens stora artärer (särskilt inuti stora
kroppspulsådern, aorta): så kallat ”centralt” blodtryck. Det centrala blodtrycket förefaller viktigare än
det ”perifera” (som uppmäts på överarmen) då det tillför viktig information ur både diagnostisk och
prognostisk synvinkel. Trots att vetenskapssamhället har fokuserat alltmer på kroppens centrala
blodtryck under de sista åren har en begränsande faktor varit att centralt blodtryck är svårt att mäta,
då man fram till helt nyligen var tvungen att invasivt införa katetrar i aorta (efter artärpunktion i
ljumske eller underarm).
Betydelsen av aortas elasticitet
Aorta är kroppens största kärl och är den artär som tar emot hjärtkammarens slagvolym när denna
lämnar hjärtat. Aorta är normalt ett mycket elastiskt kärl, och har till uppgift att agera som en
reservoar eller så kallad windkessel när kammarens slagvolym kommer. Syftet är bl.a. att minska den
pulsvåg som varje hjärtslag ger upphov till, då starka vågor har förmåga att skada vävnader perifert i
organ såsom hjärna och njurar. Aorta behöver även föra ut blodet i riktning emot kroppens vävnader.
Detta sker under hjärtats slagfas, då aorta ’laddas upp’ med slagvolymen. När hjärtats slagfas är över
upphör flödet ur kammaren och aortaklaffen stängs, vilket förhindrar backflöde av blod ner i
kammaren. Då aorta dock fortfarande är utspänd kommer buffrat blod i detta kärl nu att tryckas ut
emot perifera vävnader. Kroppens organ kommer därför att erhålla blod även under hjärtats vilofas.
Kroppens åldrande såväl som olika sjukdomsprocesser (exv. högt blodtryck) leder med tiden till att
aorta förlorar sin elasticitet. Detta har ett antal mycket viktiga konsekvenser som samtliga bidrar till
att försämra hjärt-kärlsystemets funktion: (1) blodet som hjärtat levererar med vart slag kan då inte
längre buffras då reservoarfunktionen hos aorta sviker. Det gör att arteriellt blodtryck under hjärtats
slagfas stiger. När tryckbelastningen ökar på känsliga vävnader i perifer vävnad uppstår sjukdomar
som stroke och njursvikt. (2) Då hastigheten hos artärträdets pulsvåg i hög grad är bestämd av
kärlens elasticitet kommer hastigheten att stiga i takt med att artärstelheten tilltar. Det gör att
pulsvågor når ut i kroppens periferi med hög energi där dessa reflekteras tillbaka emot
hjärtkammaren. Till följd av hög pulsvågshastighet når vågreflektionerna dit redan innan aortaklaffen
hunnit stänga. Därför kommer varje pågående slags egen vågreflektion att öka det tryck hjärtat
måste arbeta emot för att förflytta blodvolymen ut i aorta. Detta är mycket ogynnsamt för hjärtats
slagarbete och leder till förtjockning av hjärtmuskeln och ökat syrebehov i hjärtat, vilka båda ökar
risken för död och hjärtinfarkt. (3) Till följd av sänkt reservoarfunktion kommer det centrala
blodtrycket att sjunka under hjärtats vilofas. Detta försämras ytterligare genomblödningen av
hjärtmuskeln och gör att blod kommer transporteras ut emot kroppen endast under hjärtats slagfas,
vilket är mycket ineffektivt. (4) När aorta stelnar ökar även det motstånd hjärtkammaren måste
övervinna för att leverera blod till aorta, den s.k. karaktäriska impedansen (nedan).
Karaktäristisk impedans
Flödet genom hjärt-kärlsystemet sker emot flera motstånd. Det kontinuerliga flödet (främst under
hjärtats vilofas) som sker från aorta i riktning mot vävnaderna bromsas främst av små reglerande
muskler i perifera kärlbäddar: den s.k. systemiska vaskulära resistansen (SVR). Det pulsatila flödet
däremot (främst under hjärtats slagfas) sker emot två huvudsakliga motstånd: de ovan nämnda
vågreflektioner som uppstår i stela artärsystem, samt emot en stel aortas egen resistans, dess s.k.
karaktäristiska impedans (ZC). Vår grupp har nyligen studerat aortas karaktäristiska impedans på
patienter med hjärtsvikt och kunde bekräfta att stegrad ZC är av betydelse för den patologiska
interaktion som ses mellan hjärta och kärlträd vid detta vanliga tillstånd (Sahlén Artery Society 2010;
Sahlén EuroECHO 2010).
Karaktäristisk impedans – metodologiska aspekter
Aortas karaktäristiska impedans har traditionellt kvantifierats i frekvensdomänen, efter Fouriertransformation av aortas tryck och flöde. Analys av genomsnittlig impedans inom ett visst intervall av
spektrumet (t.ex. 2 – 15 Hz) ger upphov till ZC medan ratio mellan tryck och flöde vid 0 Hz ger ett
mått på SVR. Det är även möjligt att genomföra analys av ZC i tidsdomänen som ett ratio mellan tryck
och flöde, vilket validerats mot mätning i frekvensdomänen i såväl människa som djur. Sådan analys
måste dock utföras under den allra första inledningen av hjärtats slagfas—innan eventuella
reflekterade vågor når tillbaka.
Vid ultraljud av hjärtat erhåller man information om hastigheten hos flödet från hjärtats kammare in
i aortaroten. Efter mätning av tvärsnittsarean hos kammarens utflödestrakt multipliceras denna area
med hastigheten varvid slagvolymen erhålls. Vår grupp har tidigare visat att 3-dimensionellt
hjärtultraljud har förmåga att ge en mer exakt mätning av denna tvärsnittsarea då detta eliminerar
eventuella geometriska antaganden om att utflödestrakten skulle vara cirkulär. (Shahgaldi 2009)
Trycket i aorta kan approximeras med trycket inuti halspulsådern då detta kärl utgör en av de första
grenarna från aorta. Halspulsåderns tryck kan mätas med hjälp av tonometri, varvid en pennformig
transducer läggs emot kärlet från halsens framsida. Artärpulsens vågform registreras och kalibreras
emot manschettblodtryck mätt på överarmen. Vår grupp har erfarenhet av mätningar med
tonometer då denna teknik använts i de ovan citerade arbetena (Millar SPT-301;
www.adinstruments.com).
Doppler-mätningen av flödet görs vid utträdet av blod från kammaren till aortaroten. Denna plats är
belägen ca. 15 – 20 cm från mätstället längs halspulsådern. Vid en typisk pulsvågshastighet på exv.
5000 cm/s kommer denna avståndsskillnad att ge upphov till en ca. 3 – 4 ms förskjutning i
registreringen av flöde vs. tryck. Vid analys i tidsdomänen är ett typiskt tidsintervall för att beräkna
ZC: t = 10 – 30 ms. Under detta intervall är tryck och flöde linjärt relaterade. Därför kan 3 – 4 ms
utgöra en källa till betydande fel vid mätning i tidsdomänen. Följaktligen är analys i frekvensdomänen
sannolikt att föredra eftersom eventuell förskjutning saknar betydelse då ZC ej påverkas av
fasförskjutning.
Vår grupp har stor erfarenhet av forskning om arteriell hemodynamik och metoder som används
inom detta område. Tidigare forskning har utforskat betydelsen av reflekterade vågor och
kvantifierat den energi vågor bär med sig inom artärträdet (Bjällmark 2010, Larsson 2009, Abdula
Artery Society 2010) och även undersökt betydelsen av karaktäristisk impedans och arteriell stelhet i
olika patientpopulationer (Sahlén EuroECHO 2010, Sahlén Artery Society 2010).
Handledarkompetens
Huvudhandledare: Anna Bjällmark, Tek Dr, MSc
Anna Bjällmark disputerade år 2010 inom ultraljudbaserade tekniker för kvantifiering av hjärt- och
kärlfunktion vid avdelningen för Medicinsk teknik på Skolan för Teknik och hälsa på KTH, men har en
bakgrund som civilingenjör i Teknisk fysik och elektroteknik med inriktning mot medicinsk teknik.
Hon forskar numera på ett kontastmedel som i framtiden ska kunna användas inom tre bildgivande
system; ultraljud, nuklearmedicin och magnetkamera.
Kontakt:
Mail: [email protected]
Telefonnummer: 08-790 48 22
Bihandledare 1: Anders Sahlén, Leg Läk, Med Dr
Anders Sahlén disputerade år 2009 inom området arbetsfysiologi, på Enheten för Kardiologi
/Institutionen för Medicin vid Karolinska Institutet. Han är verksam på Karolinska Institutet med
metodologisk och fysiologisk forskning inom arteriell hemodynamik och är specialistläkare i
Kardiologi och Internmedicin på Karolinska Universitetssjukhuset Huddinge.
Bihandledare 2: Dennis Sturm, MSc
Dennis Sturm är doktorand på Skolan för Teknik och Hälsa (KTH) där han forskar om sensorer och
mikroelektroniska applikationer inom hälsa och idrott. Han har en civilingenjörsexamen från RWTH
Aachen, Tyskland, inom elektronik och informationsteknologi.