ELEC-A8510 Biologisten ilmiöiden mittaaminen. Fysiologinen monitorointi. Ilkka Nissilä

Transkriptio

1 ELEC-A8510 Biologisten ilmiöiden mittaaminen Fysiologinen monitorointi Ilkka Nissilä

2 World expenditure on drugs, medical equipment and devices, ~ $ 700 billion/year TECHNOLOGY $200 B/yr Anaesthesia & critical care equipment 1 % Other equipment 8 % Other medical devices 19 % Other countries 16 % Japan 14 % Australia Australia+Can + Canada ada 3 % USA 45 % Pharmaceuticals 72 % DRUGS: $500 B/yr State of Finland: 50 B/yr Europe 22 %

3 Keskeistä monitoroinnissa Elinten hapetusaste Jatkuva monitorointi Sydän, keuhkot ja aivot painopisteinä

4 Mitattavia parametreja Kaasujen vaihto Happi Hiilidioksidi Sähköisen toiminnan mittaminen EKG sydän EMG lihakset EOG silmät EEG aivot

5 Tyypillisiä EEG:n aaltomuotoja Ei ole olemassa normaalia EEG-signaalia samaan tapaan kuin normaali EKG Perinteinen EEG:n analyysi perustuu aaltomuodon visuaaliseen tarkasteluun paperilla

6 Elektrokardiogrammi (EKG) Mittausjärjestely EKG:ssa mitataan iholta potentiaalieroja, jotka syntyvät sydämen sähköisen toiminnan seurauksena (tilavuusvirta) R-piikkien aikavälistä voidaan laskea syke

7 Mitattavia parametreja Hengityskaasujen mittaus CO 2 monitorointi O 2 monitorointi Spirometria Hengityksen tilavuus Virtaus Paine

8 Hengityskaasut ja aineenvaihdunta Nutrient CO 2 + => + O 2 energy ANALYSIS OF A BURNING PROCESS BY INDIRECT CALORIMETRY: Measure gas exchange instead of heat

9 VO2 Gas exhange monitoring VCO2 Fick: S a O 2 S v O 2

10

11 Määritelmiä Normocapnia ETCO vol % 34 mmhg - 45 mmhg NORMOVENTILATION Hypocapnia ETCO 2 less than 4.5 vol % 34 mmhg HYPERVENTILATION Hypercapnia ETCO 2 more than 6.0 vol % 45 mmhg HYPOVENTILATION

12 IR-valon absorptiospektri micrometers N 2 O AA CO 2 Filters

13 CO 2 -pitoisuuden mittaus infrapunaspektroskopialla Infrared lamp Reference chamber Measuring chamber Filter Detector Electronics Damping chamber Chopper wheel Sample gas in Water Trap Sample gas out Pump This is the original configuration based on AC-measurement. Later in 1990 s also DC-measurement became feasible.

14 Hiilidioksidin aikasarja keuhkoissa ja suussa

15 D-Lite TM virtausmittari ja kaasujen näytteistys Paine-eron mittaus Virtauksen lasku Tilavuuden integrointi virtauksesta Kaasujen näytteistys

16 Hapen mittaaminen hengityskaasusta magneto-akustisella periaatteella Fe d huoneilma B = 2 T f=165 Hz d=0.2 mm O 2 :lla on n. 200-kertainen magneettinen suskeptibiliteetti verrattuna muihin hengityskaasuihin

17 Paine/tilavuus -silmukka Paw 1 2 Vol 2 ml 1 3 Time 3 0 Paw cmh2o Start of inspiration Inspiration Inspiratory pause Expiration 1. PEAK pressure 2. Plateau pressure 3. PEEP pressure Paw = airway pressure

18 Virtaus/tilavuus -silmukka Flow l/min Flow l/min Expiration Time Vol ml Inspiration Start of Inspiration Inspiration Inspiratory pause Expiration

19 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)

20 Mitattavia parametreja Lämpötila Verensokeri Verenpaine Cardiac output (CO) sydämen pumppaama kokonaisvirtaus (l/min) Kipu Unen laatu Liike Stressi

21 O2 Hapen kuljetusprosessi

22 Hapettumispalapeli

23 Valtimoveren happisaturaation mittaus pulssioksimetrillä AC Arterial blood Venous blood DC Tissue Time

24

25 Fotopletysmografin raakasignaali (aikasarja) 600 plethysmograph at 65 bpm and SpO2% = magnitude samples 1 sekunti = 100 näytettä

26 Valon vaimeneminen pulssioksimetriassa Beer-Lambertin laki kuvaa valon vaimenemista absorboivien kromoforien (konsentraatio c) vaikuttaessa valon kulkuun matkalla d missä ε on extinction coefficient [mm 2 /mol]

27 Valon absorptiospektri

28 Valtimoveren happisaturaation määritys pulssioksimetriassa Käytännössä kertoimet määritetään empiirisellä kalibroinnilla

29 Verenpaineen mittaaminen Pistemittaus (ei jatkuva monitorointi) Perinteinen ei-invasiivinen mittaus Jatkuva monitorointi Invasiivinen mittaus Finapres Peñas-Wesseling periaate Anturi kiinnitetään sormenpäähän Pletysignaalista ja EKG:stä laskettu Pulse Transit Time (PTT) Paineaallon etenemisnopeus on verrannollinen verenpaineeseen

30 Aivojen verenkierron mittaaminen Aivokudoksen hapekkaan ja hapettoman hemoglobiinin konsentraatioita voidaan monitoroida ei-invasiivisesti lähiinfrapunaspektroskopialla (NIRS)

31 Lähi-infrapunaspektroskopia NIRS-mittauksesta voidaan laskea tietyin olettamuksin HbR ja HbO 2 sekä johdannaisia Happisaturaatio Veritilavuus StO 2 = HbO HbT HbT MWHb CBV = jossa HGB Dbt MW Hb = molecular mass of hemoglobin HGB = hemoglobin concentration in blood D bt = density of brain tissue 2 = HbO2 HbR + HbO 2

32 Aivojen verenvirtaus (CBF) ja hapenkulutus (CMRO 2 ) Aivojen veren virtausta voidaan mitata esim. diffuusilla korrelaatiospektroskopialla (DCS) Yhdistämällä NIRS (=> HbT, SaO 2, SvO 2 ) => CBV) ja DCS (CBF) mittaukset, voidaan määrittää aivojen hapenkulutus (cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO 2 ) ( SaO SvO ) HGB CBF 2 2 CMRO = 2 MW Hb

33 Esimerkkejä kvantitatiivisen NIRSin sovelluksista vauvamittauksiin StO 2 (%) healthy blood abn. ECMO. lung disease brain damage 22 mitochondrial disorder 33 wks cga 35 wks cga wks cga wks cga 36 profound HIE +2w +1w +3w +4w 51 global brain injury stroke area 21 HIE AVM bleed area 41 hematoma in ventricles +2w 31 severe WM injury 34 hydrocephalus +2d 37 meningitis 24 hypoxic brain damage CBV (ml/100g) Ellen P Grant ja Maria Angela Franceschini

34 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

35 NIRS ja anestesia Lovell et al. Anesth Analg 1999

36 NIRS uniapnean monitoroinnissa Jaakko Virtanen D.Sc. Thesis (2011)

37 Aivoveren virtausnopeuden mittaus Veren virtausnopeutta voi mitata diffuusilla korrelaatiospektroskopialla (DCS) Mittaamalla valon kulkuaikajakauma, voidaan lisätä menetelmän suhteellista herkkyyttä aivokudokselle tarkastelemalla myöhempiä aikaikkunoita Sutin et al. Optica (2016)

38 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

39 Hengitysäänet Rahinoita Normaali ääni, rahinoita, vinkunoita

40 Sonagrammi Rahinat näkyvät korkeataajuisina piikkeinä sonagrammissa Vinkunat näkyvät vaakasuuntaisina viivoina

41 AS/3 Anesthesia delivery, monitoring and record keeping system 1993

42 Typical display field of an anesthesia monitor

43 Entropia anestesian syvyys awake too deep anesthesia

44 Mittaussuureita BIS= Bispectral index (anestesian syvyys) NMT= Neuromuscular transmission (lihasten relaksaatio)

45 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, (2003) sisältää paljon viitteitä artikkeleihin