ELEC-A8510 Biologisten
ilmiöiden mittaaminen
Fysiologisten suureiden
mittaaminen tehohoidossa
Ilkka Nissilä 28.10.2015
World expenditure on drugs,
medical equipment and devices,
~ $ 700 billion/year
TECHNOLOGY
$200 B/yr
Anaesthesia &
critical care Other
equipment equipment
1%
8%
Other medical
devices
19 %
Other
countries
16 %
Australia
+
Australia+Can
Canada
ada
3%
USA
45 %
Japan
14 %
Pharmaceuticals
72 %
DRUGS: $500 B/yr
State of Finland: €50 B/yr
Europe
22 %
Keskeistä monitoroinnissa
• Elinten hapetusaste
• Jatkuva monitorointi
• Sydän, keuhkot ja aivot painopisteinä
Mitattavia parametreja
• Kaasujen vaihto
– Happi
– Hiilidioksidi
• Sähköisen toiminnan mittaminen
– EKG sydän
– EMG lihakset
– EOG silmät
– EEG aivot
Tyypillisiä EEG:n aaltomuotoja
Ei ole olemassa ”normaalia” EEG-signaalia samaan tapaan kuin normaali EKG
Perinteinen EEG:n analyysi perustuu aaltomuodon visuaaliseen tarkasteluun paperilla
Elektrokardiogrammi (EKG)
Mittausjärjestely
• EKG:ssa mitataan iholta potentiaalieroja, jotka syntyvät
sydämen sähköisen toiminnan seurauksena (tilavuusvirta)
• R-piikkien aikavälistä voidaan laskea syke
Mitattavia parametreja
• Hengityskaasujen mittaus
– CO2 monitorointi
– O2 monitorointi
• Spirometria
– Hengityksen tilavuus
– Virtaus
– Paine
Hengityskaasut ja aineenvaihdunta
Nutrient
+
O2
=>
CO2
+
energy
ANALYSIS OF A BURNING PROCESS BY
INDIRECT CALORIMETRY:
Measure gas exchange instead of heat
Gas exhange monitoring
VO2
Fick: SaO2
VCO2
SvO2
Määritelmiä
Normocapnia
ETCO2
4.5 - 6.0 vol %
34 mmHg - 45 mmHg
ETCO2
less than 4.5 vol %
34 mmHg
ETCO2
more than 6.0 vol %
45 mmHg
NORMOVENTILATION
Hypocapnia
HYPERVENTILATION
Hypercapnia
HYPOVENTILATION
IR-valon absorptiospektri
3
4
N2O
AA
5 micrometers
CO2
Filters
CO2-pitoisuuden mittaus
infrapunaspektroskopialla
Reference
chamber
Filter
Detector
Electronics
Infrared
lamp
Measuring
chamber
Chopper
wheel
Sample
gas in
Damping chamber
Sample
gas out
Water
Trap
Pump
This is the original configuration based on AC-measurement.
Later in 1990’s also DC-measurement became feasible.
Hiilidioksidin aikasarja keuhkoissa ja suussa
D-LiteTM virtausmittari ja
kaasujen näytteistys
•
•
•
•
Paine-eron mittaus
Virtauksen lasku
Tilavuuden integrointi virtauksesta
Kaasujen näytteistys
Hapen mittaaminen hengityskaasusta
magneto-akustisella periaatteella
Fe
d
huoneilma
O2 :lla on n. 200-kertainen magneettinen
suskeptibiliteetti verrattuna muihin
hengityskaasuihin
B=2T
f=165 Hz
d=0.2 mm
Paine/tilavuus -silmukka
Paw
Vol
1
ml
2
1
2
3
Time
3
Paw
0
Start of inspiration
Inspiration
Inspiratory pause
Expiration
1. PEAK pressure
2. Plateau pressure
3. PEEP pressure
Paw = airway pressure
cmH2O
Virtaus/tilavuus -silmukka
Flow
l/min
Flow
l/min
Vol
ml
Time
Inspiration
Start of Inspiration
Inspiration
Inspiratory pause
Expiration
Expiration
Aineenvaihdunnan mittaus
• Koska hapen pitoisuuden suhteellinen muutos
sisään- ja uloshengityksen välillä on pieni, on
helpompi mitata hiilidioksidin tuottoa
• Hiilidioksidin osapaineesta, hengityssyklissä
vaihtuvan ilman tilavuudesta sekä
hengitystaajuudesta voidaan laskea hapen
aineenvaihduntanopeus (esim. l/min)
Mitattavia parametreja
•
•
•
•
•
•
•
•
Lämpötila
Verensokeri
Verenpaine
Cardiac output (CO) sydämen pumppaama
kokonaisvirtaus (l/min)
Kipu
Unen laatu
Liike
Stressi
O2
Hapen kuljetusprosessi
Hapettumispalapeli
Valtimoveren happisaturaation mittaus
pulssioksimetrillä
AC
Arterial blood
Venous blood
DC
Tissue
Time
Fotopletysmografin raakasignaali (aikasarja)
plethysmograph at 65 bpm and SpO2% = 98
600
400
200
magnitude
0
-200
-400
-600
0
50
100
150
200
250
samples
300
350
400
450
500
1 sekunti = 100 näytettä
Valon vaimeneminen
pulssioksimetriassa
Beer-Lambertin laki kuvaa valon vaimenemista absorboivien
kromoforien (konsentraatio c) vaikuttaessa valon kulkuun matkalla d
missä ε on extinction coefficient [mm2/mol]
Valon absorptiospektri
Valtimoveren happisaturaation
määritys pulssioksimetriassa
Käytännössä kertoimet määritetään empiirisellä kalibroinnilla
Verenpaineen mittaaminen
• Pistemittaus (ei jatkuva monitorointi)
– Perinteinen ei-invasiivinen mittaus
• Jatkuva monitorointi
– Invasiivinen mittaus
– Finapres
– Pletysignaalista ja EKG:stä laskettu Pulse Transit
Time (PTT)
Aivojen verenkierron mittaaminen
• Aivokudoksen hapekkaan ja hapettoman
hemoglobiinin konsentraatioita voidaan
monitoroida ei-invasiivisesti lähiinfrapunaspektroskopialla (NIRS)
Lähi-infrapunaspektroskopia
• NIRS-mittauksesta voidaan laskea tietyin olettamuksin
HbR ja HbO2 sekä johdannaisia
– Happisaturaatio
HbO2
HbO2
StO2 =
=
HbT HbR + HbO2
– Veritilavuus
HbT ⋅ MWHb
CBV =
HGB ⋅ Dbt
jossa
MWHb = molecular mass of hemoglobin
HGB = hemoglobin concentration in blood
Dbt = density of brain tissue
Aivojen verenvirtaus (CBF) ja
hapenkulutus (CMRO2)
• Aivojen veren virtausta voidaan mitata esim.
diffuusilla korrelaatiospektroskopialla (DCS)
• Yhdistämällä NIRS (=> HbT, SaO2, SvO2) =>
CBV) ja DCS (CBF) mittaukset, voidaan
määrittää aivojen hapenkulutus (cerebral
metabolic rate of oxygen, CMRO2)
HGB ⋅ CBF ⋅ (SaO2 − SvO2 )
CMRO2 =
MWHb
Esimerkkejä kvantitatiivisen NIRSin
sovelluksista vauvamittauksiin
90
healthy
StO2 (%)
80
70
22
mitochondrial
disorder
blood abn.
40
30
0.5
lung disease
+1w
stroke area
+2d
31 severe
WM injury
+3w
1
24 hypoxic
brain
damage
41 hematoma in ventricles
+2w
+4w
33 wks cGA
35 wks cGA
40-41 wks cGA
44-45 wks cGA
brain damage
51 global
21 HIE
brain
injury AVM bleed area
36 profound HIE
60
50
ECMO.
37 meningitis
+2w
34 hydrocephalus
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
CBV (ml/100g)
Ellen P Grant ja Maria Angela Franceschini
NIRS luonnollisen unen monitoroinnissa
• Pystyviiva kertoo
siirtymisestä syvästä
unesta kevyeen uneen
• VLFO = very lowfrequency oscillation
(kuvassa n. 120s
jaksonajalla);
vasomotoriikka
Virtanen and Näsi, in preparation
NIRS ja anestesia
Lovell et al. Anesth Analg 1999
NIRS uniapnean monitoroinnissa
DI Jaakko Virtanen
Hengitysäänet
• Rahinat
– ”Poksahtavia” ääniä, ilmatiet aukeavat / sulkeutuvat
– Esim. asbestoosi, keuhkokuume, bronkiitti, fibroosi
alveoliitti, keuhkoahtauma, keuhkoödeema
• Vinkunat
– Soinnillisia ääniä
– Astma, keuhkoahtauma, keuhkokuume
• Tilavuus-virtausesitys mahdollistaa hengitysäänten
ajoituksen tarkastelun ja luokittelun suhteessa
hengityssykliin
– diagnostinen apu
• Spektrogrammi (sonagrammi) mahdollistaa esim.
vinkunoiden ja rahinoiden tunnistamisen
Hengitysäänet
Rahinoita
Normaali ääni, rahinoita, vinkunoita
Sonagrammi
• Rahinat näkyvät
korkeataajuisina piikkeinä
sonagrammissa
• Vinkunat näkyvät
vaakasuuntaisina viivoina
AS/3 Anesthesia delivery, monitoring and record keeping system 1993
Typical display field of an anesthesia monitor
Entropia – anestesian syvyys
awake
too deep anesthesia
Mittaussuureita
BIS= Bispectral
index
(anestesian syvyys)
NMT= Neuromuscular
transmission
(lihasten relaksaatio)
Kognitiivisen tehtävän ja fyysisen
rasituksen vaikutus sykkeeseen
Fig. 3. Keskiarvoistetut aikasarjat viikonpäivien
nimeämistehtävässä, verbal fluency –tehtävässä, sekä
käden puristelu –tehtävässä. Koehenkilöt oli jaettu
kolmeen ryhmään tehtävän vaikutuksen perusteella. Näsi
et al Biomed. Opt. Expr. 4, 412-426 (2013)
Harjoitustyö
• Harjoitustyössä tehdään kaksi mittausta
käyttäen Datex-Ohmedan potilasmonitoria
• Fysikaalisen rasituksen aikana tapahtuu
kehossa fysiologisia muutoksia
– Aineenvaihdunta
– Syke, verenpaine
– Hengitystaajuus, -tilavuus
– Hengityskaasut (O2, CO2)
– Verenpaine
Tehtävä 1 - fyysinen rasitus
• Mittauksessa 1 pyritään määrittämään fyysisen
rasitustehtävän (nyrkkiraudan toistuva puristelu)
aiheuttama muutos fysiologisissa parametreissa
• Monitorilta kirjataan ylös ennen ja jälkeen
rasitustehtävän
– Syke, verenpaine
– Uloshengitysilman maksimi-CO2 –pitoisuus
– Hengityssyklin aikana vaihtuvan ilman määrä (TV, tidal
volume) ja hengitystaajuus (respiratory rate, RR)
– SpO2
– Puristusten määrä
• Mittauksista lasketaan hapen aineenvaihduntanopeus
ennen ja jälkeen rasituksen
Tehtävä 2 – kognitiivinen tehtävä
• Toisessa tehtävässä koehenkilö suorittaa kognitiitivista
tehtävää ja tehtävässä 1 mainitut fysiologiset parametrit
mitataan ennen ja jälkeen tehtävän suorittamisen
• Kognitiivinen tehtävä on ”verbal fluency task” (”laiva on
lastattu” ts. keksi sanoja, jotka alkavat annetulla kirjaimella)
• Tietokoneen näytölle ilmestyy kirjain, jolla alkavia
äidinkielensä sanoja (ei erisnimiä) koehenkilön tulee
luetella mahdollisimman monta
• Mittauksen aikana kirjataan ylös fysiologiset parametrit
ennen ja jälkeen mittauksen
• Kirjaa myös ääneen lueteltujen sanojen lukumäärä (jakakaa
tehtävät mittaustilanteessa ryhmän kesken)
• Jos haluatte, voitte myös kokeilla määrittää
aineenvaihduntanopeuden muutoksen spirometria
käyttäen (tällöin sanoja ei voi luetella ääneen)
Hyperventilaatio ja
hengityksenpidätys (Tehtävä 3)
• Harjoitustyön yhteydessä voidaan myös
demota muita fysiologisiin parametreihin
vaikuttavia tehtäviä kuten
– Hyperventilaatio
– Hengityksenpidätys
Raportti
• Ryhmä laatii harjoitustyöstä raportin, jossa kuvataan
– Taustaa:
• Käytettyjen mittausmenetelmien toimintaperiaatteet
• Ihmisen fysiologiaa siltä osin kuin on tehtävän kannalta olennaista
kuvata
– Mittauksen kulku
• Mitä tehtiin
– Tulokset
• Havaitut muutokset fysiologisissa parametreissa ja mittauksen niin
mahdollistaessa, hapen aineenvaihduntanopeudessa
• Jos mittauksia tehtiin useita toistoja, onko suoritustason ja
parametrien välillä korrelaatiota?
– Johtopäätökset
• Olivatko tulokset odotettuja / yllättäviä, mittausten luotettavuus,
kritiikkiä
Raportti
• Raportti arvostellaan asteikolla 0-5
– 0 = ei osallistunut eikä palauttanut loppuraporttia,
– 1-2 = suoritti heikosti annetun tehtävän,
– 3-4 = saavutti opetustavoitteet hyvin ja
– 5 = saavutti opetustavoitteet kiitettävästi.
Mittauskalenteri
• Toivottava ryhmäkoko 4-6
• Ryhmä laatii työstä raportin, jonka DL 12.12.
([email protected])
Kirjallisuutta fysiologisista
mittausmenetelmistä
• Hengitysilman kaasujen mittaus,
pulssioksimetria, hengitystilavuuden mittaus:
M. Folke et al., Critical review of non-invasive
respiratory monitoring in medical care, Med.
Biol. Eng. Comput. 41, 377-383 (2003) sisältää
paljon viitteitä artikkeleihin