بخشی از مقاله
چکیده - برون ده قلبی مقدار خونی است که در هر دقیقه از قلب به خارج پمپ زده می شود. آگاهی از برون ده قلبی که مهمترین شاخص عملکرد قلب می باشد، برای تصمیم گیری در نحوه اداره بالینی، در حین عمل جراحی مانند جراحی قلب وپیوند کبد، اتخاذ شیوه درمان، بررسی های روزمره بالینی و پیش آگهی بیماران مبتلا به بسیاری از نا هنجاریهای مادر زادی و اکتسابی قلب اهمیت بسزایی دارد. لذا، از دیر باز تا کنون اندازهگیری برون ده قلبی یکی از مو ضوع های مورد توجه محققان و پزشکان بوده است و روشهای زیادی برای این کار پیشنهاد شده است.
ولی اکثر آنها یا به روش تهاجمی انجام می شود یا گرانقیمت بوده یا نیاز به تخصص و تجربه خاصی دارد بنابراین آنها خالی از ریسک و عوارض نبوده و نیستند. در این تحقیق به منظور سهولت در انجام و جلوگیری از عوارض ناشی از روش تهاجمی برای اندازهگیری برون ده قلبی، یک سیستم برای اندازه گیری این پارامتر به روش غیر تهاجمی - با حد اقل تهاجم - و بطور پیوسته با استفاده از موج پالس شریانی طراحی و توسعه داده شده است.
ارزیابی کمی سیستم ارائه شده با استفاده از 7 سیگنال نشان داد سیستم ارائه شده بطور متوسط خطای قابل قبولی 6/5 - درصد - در تخمین برون ده قلبی دارد. بعلاوه سیستم ارائه شده قابلیت تخمین پیوسته این پارامتر و رسم منحنی های تغییرات برون ده قلبی، فشار خون سیستول، فشار خون دیاستول، میزان متوسط فشار خون، ضربان قلب و حجم ضربه ای را بر حسب زمان دارد؛ بنابراین می تواند جایگزین مناسبی برای سیستم های تهاجمی موجود باشد.
-1 مقدمه
برون ده قلبی - CO - Cardiac Output مقدار خونی است که در هر دقیقه از قلب به خارج پمپ زده می شود. برای یک فرد بالغ سالم در حالت استراحت، برون ده قلبی - CO - حدود 5 لیتر در دقیقه است. بسیاری از اختلالات اولیه و ثانویه ناشی از بیماری های قلبی مادر زادی و اکتسابی در میزان برون ده قلبی تجلی می یابد و به طور کلی می توان اذعان نمود که برون ده قلبی به مثابه گواهی مت قن از برآیند پیچی ده قلب می باشد. بعلاوه، برون ده قلبی به نوعی تعیین کننده میزان کل اکسیژن تحویلی به بافتها می باشد.
بطور خلاصه می توان گفت که برون ده قلبی یک شاخص کلیدی همودینامیک است .[9-1] در نتیجه آگاهی از این پارامتر حیاتی بدن که مهمترین شاخص عملکرد قلب می باشد برای تصمیم گیری در نحوه اداره بالینی، اتخاذ شیوه درمان، بررسی های روزمره بالینی و پیش آگهی بیماران مبتلا به بسیاری از نا هنجاریهای مادر زادی و اکتسابی قلب اهمیت بسزایی دارد بطوریکه در شرایط بالینی بسیاری مانند بیماران بستری در ICU، در حین عمل جراحی مانند جراحی قلب وپیوند کبد محاسبه دقیق برون ده قلب و مانیتورینگ آن امری حیاتی و ضروری است.
از نظر ریاضی برون ده قلب مساوی است با حجم ضربانی قلب ضرب در تعداد ضربان قلب در دقیقه .[11-4] اندازه گیری حجم ضربه ای و به واسطه آن، اندازه گیری برون ده قلبی از سال ها قبل مورد توجه محققان بوده و بر همین اساس روشهای زیادی برای اندازه گیری این پارامتر پیشنهاد شده است که برخی از آنها عبارتند از: فلومتری 13]،12 و [14، روش فیک [16-13]، روش دی اکسید کربن نسبی بازدم 16]،15 و[17، روش 14] Thermodilution،13،12 و [18، سونوگرافی داپلر [26-18]، داپلر مری 19]،18،17، [31-27، بیوامپدانس الکتریکی [34-32]، پلتیسموگرافی امپدانسی [33]و روش آنالیز شریانی 13]،12، 14، .[43-35 اکثر این روشها که برای اندازه گیری برون ده قلبی ارائه شده یا به روش تهاجمی انجام می شود یا گران قیمت بوده و یا نیاز به تخصص و تجربه خاصی دارد بنابر این آنها خالی از ریسک و عوارض نبوده و نمیباشند.
بعنوان مثال روش فیک و Thermodilution هر دو از نظر بالینی امکان پذیر هستند، اما روشهای تهاجمی هستند و تنها می تواند در محیط های مجهز مانند واحد مراقبت های ویژه - ICU - و آزمایشگاه کاتتریزاسیون قلبی انجام شوند. بعلاوه، این روش نیاز به تزریق نرمال سالین سرد یا dye به یک رگ بزرگ که کل برون ده قلبی در آن جریان دارد می باشد.
در این روش از کاتتر سوان-گنزکه از طریق ورید اجوف تحتانی وارد قلب راست و سپس شریان ریوی می شود استفاده می کنند که هم تهاجمی است و هم نیاز به تخصص و تبحر خاصی دارد. در روش فیک اندازه گیری اکسیژن وریدی مخلوط، نیاز به یک نمونه خون از شریان ریوی دارد که روشی تهاجمی است روش اولتراسوند داپلر، یک روش غیر تهاجمی و دقیق است اما هم نیاز به تجهیزات گران قیمت دارد هم اپراتور بایستی از تجربه خاصی برخور دار باشد.
لذا، به منظور سهولت در انجام و جلوگیری از عوارض ناشی از روش تهاجمی برای اندازه گیری برون ده قلبی، در این تحقیق یک سیستم برای اندازه گیری برون ده قلبی به روش غیر تهاجمی - با حد اقل تهاجم - با استفاده از موج پالس شریانی طراحی و ارائه شده است. در زیر مراحل کار و نحوه ارزیابی سیستم بطور کامل شرح داده شده است.
تغییرات فشار درون رگ با آنالیز پالس شریانی بدست می آید که در زیر بطور کامل توضیح داده خواهد شد. با آنالیز ضربه به ضربه امواج، برون ده قلبی می تواند به طور مداوم اندازه گیری شود. یک مزیت مهم این روش آن است که بیمار نیاز به لوله گذاری داخل تراشه و یا سدیشن برای تحمل کردن سیستم مانیتورینگ ندارد.
عمده مراحل الگوریتم ارائه شده پردازش سیگنال شکل موج شریانی است. مراحل توسعه الگوریتم جهت تخمین برون ده قلبی در شکل 2 نشان داده شده است. بطور خلاصه، از روی یک کمپلکس پالس شریانی نقطه شروع و نقطه دیکروتیک ناچ را یافته و سپس سطح زیر منحنی پالس بین این دو نقطه محاسبه می شود. این سطح زیر منحنی متناسب با حجم ضربه ای می باشد که اگر در تعداد ضربان قلب ضرب شود می توان برون ده قلبی را محاسبه کرد 13]،12، 14، .[43-35 جزئیات توسعه هر مرحله به شرح زیر است.
- 1 ثبت سیگنال: سیگنال بااستفاده از سنسور جریان خون که به لاین شریانی - شریان رادیال، براکیال یا فمورال - متصل می شود، ثبت شد. در این روش ابتدا یک مسیر شریانی بوسیله یک آنژیوکت شماره 22 ایجاد شده - آرتریال لاین - و پس از آن آرتریال لاین به ترانس دیوسر وصل می شود. بدین وسیله پالس های مکانیکی ضربان خون از طریق دیافراگم به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و به دستگاه مانیتور علائم حیاتی منتقل می شود. با اتصال یک کامپیوتر به مانیتور سیگنالها ذخیره شدند.
- 2 پیش پردازش سیگنال: هرچند محاسبه سطح زیر منحنی مطابق آنچه که گفته شد امری ساده بنظر می رسد، ولی بدلیل وجود آرتیفکت های زیادی که روی این سیگنال تاثیر می گذارند تخمین دقیق این پارامتر کاری مشکل است. شکل موج شریانی سیگنال اغلب با نویز های مختلفی مانند نویز برق شهر، نویز سرگردانی خط مبنا و سیگنال الکترومایوگرافی تداخل می کنند.
این نویزها معمولا به علت نوسانات سیگنال الکتریکی، آرتیفکت حرکتی و یا تنفس بوجود آید 14]،38،.[35 هر گونه عملیات بازیابی اطلاعات از شکل موج شریانی، با تکیه بر یک سیگنال تمیز و بدون نویز امکان پذیر است، در غیر این صورت می تواند به نتایج غیر واقعی منجرشود؛ بنابراین، قبل از استفاده از هر گونه الگوریتم برای استخراج اطلاعات بالینی از شکل موج شریانی، لازم است که شکل موج های غیر عادی و نویز از سیگنال حذف شود. هدف از این مرحله حذف این سیگنالهای مزاحم است.
برای حذف نویز خط مبنا در فیلتر یک منحنی چند جمله ای به داده ها - نمونه های زمانی - سیگنال برازش شد. منحنی حاصل در واقع تخمین نویز خط مبنا است. در نهایت با کم کردن سیگنال از داده های منحنی حاصل سیگنال بدون نویز خط مبنا بدست می آید. نمونه ای از خروجی این کار در شکل 3 نشان داده شده است.
برای حذف سایر نویزها فیلتر های پایین گذر مختلفی از جمله فیلتر میانه، فیلتر کالمن و فیلتر Savitzky-Golay مطالعه و بررسی شد. با توجه به اینکه محدوده فرکانسی شکل موج شریانی تا 100 هرتز است بنابراین فرکانس قطع فیلتر نیز در این محدوده تنظیم شد. بهترین و کاراترین فیلتر با استفاده از نتایج شبیه سازی انتخاب شد.
- 3 تعیین نقاط مهم پالس - محل شروع پالس، قله، دیکروتیک ناچ، پایان - : برای تعیین این نقاط از روشهای آنالیز مشتق اول و مشتق دوم سیگنال استفاده شد 44] و [45بدین صورت که نقطه شروع پالس، اولین پیک شکل موج حاصل از مشتق مرتبه دوم سیگنال اصلی می باشد. نقطه دیکروتیک ناچ نیز اولین نقطه ای که پس از قله سیستولیک شیب آن صفر شود را به عنوان نقطه دیکروتیک ناچ در نظر می گیرند .[13]
- 4 تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی - Morphological : - analysis پس از حذف نویز از سیگنال، هر ضربان ارزیابی و بررسی شده و شکل موجهای غیر طبیعی از ادامه آنالیز حذف می شود. بررسی هر پالس بر اساس برخی از پارامترهای آن مانند دامنه سیستولیک، متوسط دامنه سیستولیک، دامنه دیاستولیک، T عرض پالس و Tm متوسط عرض پالس می باشد.
با توجه به مقدار این پارامترها برای هر ضربان و معیار های غیر نرمال شکل موجهای غیر طبیعی مشخص از ادامه آنالیز حذف می شود. معیار های غیر نرمال، معیارهای هستند که در محدوده معیار های فیزیولوژیک - physiologic ranges - نیستند مثلا در یک شخص دامنه سیستولیک هیچ گاه نمی تواند بیشتر از سه برابر متوسط دامنه سیستول باشد .[3-1] در جدول1 معیارهای غیر نرمال که در این تحقیق استفاده شده لیست شده است.
- 5 محاسبه سطح زیر منحنی سیگنال و تخمین تغییرات فشار: در نهایت و پس از تعیین نقطه شروع و دیکروتیک ناچ، سطح زیر منحنی با استفاده از روش ذوزنقه ای محاسبه شد ودر نتیجه برون ده قلبی تخمین زده می شود.
6 - کالیبراسیون: همانطور که در رابطه - 1 - ذکر شد، حجم ضربه ای و نسبت معکوسی با مقاومت عروق شریان دارد، بنابراین علاوه بر سطح نشان داده در شکل 1 مقاومت رگ برای محاسبه حجم ضربه ای و در نتیجه برون ده قلبی مورد نیاز است. اندازه گیری این پارامتر به طور مستقیم مشکل می باشد و از شخص به شخص نیز تغییر می کند. در این تحقیق این پارامتر بصورت یک ضریب کالیبراسیون - K - بصورت زیر در گرفته شد.
