Universitatea POLITEHNICA din Bucureti Facultatea de Inginerie Medical

Tehnici de bioimpedan pentru investigaie

medical

Student: Speriatu Andreea-Margareta

Grupa 1442B

Bucureti, 2015

1

Cuprins

1. Generaliti Bioimpedan Electric Toracic

2. Impedance Cardiography Cardiografia de Impedan

3. Electro-Cardiometry Electro-Cardiometria

4. ICG versus ECM

5. Concluzii

Bibliografie

2

1. Generaliti Biompedan Electric Toracic

Cateterele arterei pulmonare permit msurtori ale variabilelor hemodinamice care nu puteau

fi msurate cu precizie prin mijloace neinvazive. Odat ce au fost poziionate corect, cateterele

sunt relativ uor de utilizat i ofer date n timp real, nefiind necesare cunotine interpretative

sau manipulative ale operatorului. [6] Totui, la ora actual exist tehnici alternative care permit

estimarea unor parametri care erau de obicei msurai cu ajutorul cateterelor.

Evaluarea continu a cardiac output poate fi realizat prin msurtori ale variaiilor btilor

succesive ale inimii prin bioimpedana toracic. Bioimpedana Electric Toracic (Thoracic

Electrical Bioimpedance TEB) este o form de pletismografie definit ca rezistena electric

a esutului la trecerea unui curent electric. De exemplu, atunci cnd sunt transmise semnale

electrice prin torace, curentul se deplaseaz de-a lungul aortei ncrcate cu snge care este

cea mai conductiv zon. Schimbrile bioimpedanei rezultate din modificrile pulsatorii de

volum i vitez ale sngelui n aort sunt invers proporionale cu volumul de accident vascular.

TEB este o tehnic neinvaziv pentru obinerea informaiilor hemodinamice centrale care poate

fi aplicat rapid i timp ndelungat pacienilor. Permite determinarea a 12 parametri

hemodinamici: cardiac output (CO), volumul de accident vascular (SV), rezistena vascular

sistemic (SVR), contractilitatea (ACI i VI) i coninutul toracic de fluid (TFC). [6]

Tehnica TEB poate fi aplicat n diferite arii medicale: anestezie, electrofiziologie, terapie

intensiv, cardiologie clinic, psihiatrie sau medicaie.

n prezent exist dou metode care utilizeaz bioimpedana electric de la nivelul toracelui:

Cardiografia de Impedan i Electro-Cardiometria.

2. Impedance Cardiography Cardiografia de Impedan

Cunoscut i sub numele de bioimpedan electric toracic (TEB), Cardiografia de Impedan

utilizeaz modificrile n impedana electric a toracelui pentru a estima schimbrile volumului

de snge din aort i schimbrile n volumul de fluid din torace.

Iniial, NASA a utilizat ICG pentru a evalua efectele gravitaiei zero la astronauii aflai n

spaiu. Dei tehnica a funcionat corect pentru pacienii sntoi, nu a prezentat ncredere n

cazul pacienilor aflai n stare critic. Avansul tehnologic a fcut tehnica mai potrivit pentru

utilizarea n cazuri critice.[2]

Cardiografia de Impedan, utilizat prin oar n jurul anului 1940, a fost studiat n ultimii ani

ca o metod neinvaziv, blnd i cu costuri reduse pentru monitorizarea volumului de accident

vascular (Stroke Volume - SV), cardiac output (CO) i rezistena vascular sistemic (Systemic

Vascular Resistance SVR). Ca msur a SV, metoda a atras cel mai mare interes. Avnd

potenialul de a suplini variabilele cardiovasculare n bti succesive, ICG are aplicaii clinice

unice: monitorizarea continu a intervalelor sistolice, SV i SVR, atunci cnd este combinat

cu msurtori neinvazive de presiune sangvin. [1]

3

Spre deosebire de monitorizarea convenional a hemodinamicii, care necesit un cateter pe

artera pulmonar i o persoan calificat pentru a l introduce, monitorizarea ICG poate fi

nceput de asistente la marginea patului, utiliznd patru electrozi ICG i trei electrozi

electrocardiografici care pot fi plasai rapid. Datele oferite de ICG reflect fluidul global din

piept i informaii despre funcia ventriculului stng, pretensionare i contractilitate. [2]

Fig. 1 Utilizarea ICG [2]

Cei patru electrozi ICG sunt plasai pe reperele ce definesc toracele (partea dreapt a fig. 1).

Doi electrozi sunt plasai la baza gtului i doi la nivelul jonciunii stern-xifoid. Fiecare electrod

este format dintr-o band injectoare i un senzor. Banda emite un curent alternativ de frecven

nalt i amplitudine joas care trece prin pieptul pacientului. Senzor simte schimbarea de

tensiune impedana ntlnit de curent n trecerea prin toracele pacientului. Derivaiile ECG

sunt plasate ntr-o configuraie standard, iar datele pacientului (incluznd lungimea toracelui,

distana dintre electrozii superior i inferior) sunt introduse n computer. Toi electrozii sunt

conectai la un monitor ICG care calculeaz parametrii. [2]

Impedana este reprezentat prin simbolul Z i se msoar n ohmi. Impedana toracic medie,

Zo, reflect stare fluidului total din piept. Curentul electric caut n mod natural calea cu cea

mai mic rezisten, iar fluidul este un excelent conductor de electricitate. Curentul electric

trece mai uor printr-un piept umed n care s-au acumulat plasm i fluid, impedana fiind

reflectat printr-o valoare Zo mai mic. Oasele, esuturile i aerul sunt conductori slabi, un

piept uscat avnd o rezisten mai mare i aprnd astfel un Zo mai mare.[2]

Schimbrile de impedan sunt produse de variaiile curgerii i volumului sngelui n aorta

ascendent n timpul unui ciclu cardiac. n timpul sistolei, volumul i viteza n cretere ale

sngelui n aort determin alinierea eritrocitelor, scznd impedana. n timpul diastolei,

volumul i viteza mic a sngelui n aort determin o aliniere aleatoare a eritrocitelor, rezultnd

o impedan mai mare.[2]

Investigaia poate fi utilizat pentru o gam larg de pacieni cu o varietate de necesiti. ICG

sprijin evaluarea i managementul strii fluidului toracic, creanei oxigenului, hipoperfuziei,

pretensionrii, performanei cardiace i necesitatea unei monitorizri invazive. [2] Abilitatea de

a monitoriza continuu starea fluidului din piept poate permite detectarea timpurie sau scderea

unor complicaii aprute n cazurile critice. Datele obinute prin ICG permit detectarea

ameninrilor pentru deteriorarea circulatorie i furnizarea de oxigen care ofer posibilitatea

unei intervenii timpurii i optimizarea CO i determinanilor acestuia. n cazuri de

hipoperfuzie, ICG permite evaluarea pretensionrii cu un fluid neinvaziv, fiind evitat inserarea

unui cateter. De asemenea, managementul problemelor cardiace poate fi mbuntit prin

evaluarea unor parametri ICG: contractilitate, ritm cardiac. Cardiografia de impedan ofer i

4

posibilitatea reducerii numrului de proceduri invazive pentru investigarea hemodinamicii,

msurtorile oferind date concludente cu privire la necesitatea acestora.[2]

Exist ns i poteniale probleme ale metodei, printre care se afl posibilitatea interferrii

cantitilor mari de fluid toracic cu semnalul de impedan, fcnd datele hemodinamice

imposibil de achiziionat sau eronate. Afeciuni precum edemul pulmonar sever pot scdea

raportul semnal-zgomot, inhibnd achiziia datelor hemodinamice. Totui, Zo, msurtoarea

primar a ICG, poate fi obinut i afiat ntotdeauna. Pe msur ce volumele extreme de fluid

toracic scad, raportul semnal-zgomot se mbuntete, iar datele hemodinamice devin

disponibile. [2]

3. Electro-Cardiometry Electro-Cardiometria

Cardiometria Electric este o tehnic dezvoltat recent pentru msurarea neinvaziv i continu

a cardiac output bazat pe msurarea biompedanei electrice a toracelui pentru aduli, copii i

nou-nscui. CO calculat prin biompedan se bazeaz pe principiul creterilor ciclice ale

volumului sangvin n vasele mari, ct i pe alinierea celulelor roii din aorta toracic, aliniere

rezultat din creterea vitezei care scade impedana electric din piept.[3] Astfel, ECM

raporteaz creterea brusc a bioimpedanei electrice a toracelui la schimbrile din bti

succesive a orientrii celulelor roii.[4]

Fig. 2 Orientarea hematiilor [5]

ECM simte schimbri de conductivitate a sngelui n aort n timpul ciclului cardiac. n timpul

diastolei, hematiile din aort au o orientare aleatoare, curentul ntlnind o rezisten mai mare,

i astfel o conductivitate redus. n timpul sistolei, curgerea pulsatorie face ca hematiile s se

alinieze paralel att la curgerea sngelui, ct i la curentul electric, aprnd o conductivitate mai

mare.

Fig. 3 Corelarea ECG cu conductivitatea [5]

5

ECM utilizeaz patru electrozi ECG de suprafa ataai prii stngi

a gtului i toracelui inferior.[4] Un curent alternativ de amplitudine

joas i frecven nalt este aplicat, fiind detectat simultan de

electrozii plasai n jurul gtului i n lateral, pe torace, pentru a msura

bioimpedana electric a acestuia. Modificrile bioimpedanei toracice

sunt induse de ventilaie i de curgerea pulsatorie a sngelui,

procesarea semnalului ducnd la o impedan caracteristic (Z).

Pentru msurarea SV, se analizeaz doar componenta cardiac

pulsatorie, fiind eliminat componenta respiratorie. ECM

interpreteaz schimbarea maxim a bioimpedanei toracice ca

echivalentul ohmic al acceleraiei medii a sngelui aortic,

transformnd-o ntr-o vitez medie a sngelui aortic.

Fig. 4 Dispunerea electrozilor ECM [5]

4. ICG versus ECM

Amplasarea similar a electrozilor face ca ICG i ECM s fie confundate frecvent, Electro-

Cardiometria fiind o metod mai nou dect tradiionala tehnic de impedan numit

Cardiografie de Impedan.

Att Cardiografia de Impedan ct i Electro-Cardiometria deriv SV i CO din msurtori ale

bioimpedanei electrice a toracelui, ns modelele care stau la baza acestora sunt diferite.

Astfel, dei metodele lucreaz similar, Electro-Cardiometria utilizeaz un model bazat pe

orientarea celulelor roii, n timp ce Cardiografia de Impedan pune schimbrile impedanei

toracice pe seama volumului de snge aortic.

Modelul ECM arat c, n condiii de staz a sngelui, hematiile au o orientare aleatorie n

aort i deci o impedan mare. Scderea brusc a impedanei din timpul sistolei este atribuit

alinierii hematiilor induse de curgerea sngelui n aort. Modelul ICG atribuie schimbarea

rapid a bioimpedanei aprut la scurt timp dup deschiderea valvei aortice extinderii aortei

ascendente, un volum temporar mare de snge n aorta ascendent contribuind la scderea

bioimpedanei (sau creterea conductivitii toracelui). Pe scurt, ICG atribuie creterea brusc

a conductivitii expansiunii volumetrice a aortei n timpul sistolei, n timp ce ECM atribuie

aceast cretere schimbrii orientrii hematiilor pentru a determina viteza curgerii sngelui.

Totui, modelul ICG nu s-a dovedit precis la pacienii cu valori mici ale cardiac output, nefiind

aprobat pentru utilizarea la copii i nou-nscui. n acelai timp, modelul ECM a obinut

aprobare pentru utilizarea la aduli, copii i nou-nscui, avnd rezultate mai bune la valori mici

ale cardiac output.

Aadar, ECM primeaz n faa ICG prin algoritm i acuratee, avnd i un spectru mai larg de

aplicare.

6

5. Concluzii

Cateterele arterei pulmonare permit msurtori ale variabilelor hemodinamice care nu puteau

fi msurate cu precizie prin mijloace neinvazive, ns la ora actual exist tehnici alternative

care permit estimarea unor parametri care erau de obicei msurai cu ajutorul cateterelor.

Aceste tehnici se bazeaz pe msurarea Bioimpedanei Electrice Toracice, cele mai utilizate

fiind Cardiografia de Impedan i Electro-Cardiometria.

TEB este o tehnic neinvaziv pentru obinerea informaiilor hemodinamice centrale care poate

fi aplicat rapid i timp ndelungat pacienilor. Permite determinarea a 12 parametri

hemodinamici: cardiac output (CO), volumul de accident vascular (SV), rezistena vascular

sistemic (SVR), contractilitatea (ACI i VI) i coninutul toracic de fluid (TFC).

ICG i ECM sunt confundate frecvent, folosind o amplasare similar a electrozilor utilizai.

Ambele tehnici sunt neinvazive i utilizeaz cureni de amplitudini joase.

Modelul ICG atribuie creterea brusc a conductivitii expansiunii volumetrice a aortei n

timpul sistolei, n timp ce modelul ECM atribuie aceast cretere schimbrii orientrii

hematiilor pentru a determina viteza curgerii sngelui.

Modelul ICG nu s-a dovedit eficient la pacienii cu valori mici ale cardiac output, nefiind

aprobat pentru utilizare la copii i nou-nscui, ns ECM a obinut aceast aprobare, avnd

rezultate corecte la aceste categorii de vrst.

7

Bibliografie

1. H.H. Woltjer, H.J. Bogaard, P.M.J. de Vries, The techinque of impedance

cardiography, 1997

2. M.A. Turner, Impedance cardiography: A noninvasive way to monitor

hemodynamics, 2000

3. R.S. Rajput, S. Das, S. Chauhan, A.K. Bisoi, S. Vasdev, Comparison of Cardiac

Output Measurement by Noninvasive Method with Electrical Cardiometry and

Invasive Method with Thermodilution Technique in Patients Undergoing Coronary

Artery Bypass Grafting, 2014

4. A.M. Morega, A.A. Dobre, M. Morega, G. Mihoc, Numerical Simulation in

Electrical Cardiometry,2008

5. Osypka Medical, Electrical Cardiometry Technology (EC), www.osypkamed.com

6. www.icuwiki.org , Alternatives to Pulmonary Artery Catheter